KR101949110B1 - 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템 및 그 방법, 그리고 수상운송수단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수상운송수단, 특히 선박 또는 잠수함의 구동 장치(2)의 베어링들(6)의 하중을 모니터링하기 위한 시스템(4) 및 그 방법에 관한 것이다. 상기 시스템(4)은 3개의 직교 방향으로 구동 장치(2)의 가속도들의 측정뿐 아니라 3개의 각 가속도의 측정을 위한 하나 이상의 가속도 센서(18)와, 각 조사 대상 베어링(6)별로 각각의 베어링(6)의 베어링 하우징에 대한 구동 샤프트(10)의 상대 위치의 결정을 위한 하나 이상의 간격 센서(20)와, 가속도 센서(18)의 데이터에 의거하여 구동 장치(2)의 중량 정보를 이용하면서 각각의 베어링(6)에 작용하는 힘들을 계산하고, 간격 센서(20)의 측정치에 의거하여서는 구동 장치(2)의 베어링들(6)에 작용하는 상기 힘들의 분포도를 결정하도록 형성되는 평가 유닛(22)을 포함한다. 상기 시스템(4)에 의해, 수상운송수단의 작동 중 베어링 하중의 신뢰성 있는 모니터링이 수행된다.

Description

수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템 및 그 방법, 그리고 수상운송수단

본 발명은 수상운송수단의 구동 장치의 베어링들의 하중을 모니터링하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 시스템을 탑재한 수상운송수단에도 관한 것이다.

수상운송수단, 특히 군함 및 잠수함을 위한 구동장치들에는, 특히 너울 또는 기동 동안 기계적 하중과 관련하여 가장 까다로운 요건이 설정된다. 이 경우, 구동 베어링들의 상태는 종래에 단지 육안검사를 통해서만 감별되었다. 그러나 이는, 예컨대 베어링 셸들과 같은 중요 부품들에 접근하기 위해 베어링들이 분해될 것을 요구한다.
유럽 공개 공보 EP 2 446 998 A1호는 공작 기계를 위한 스핀들 상태 검출 장치를 기재하고 있으며, 상기 스핀들 상태 검출 장치는, 공작 기계의 스핀들을 회전 가능하게 지지하는 베어링 상의 하중의 측정을 위한 베어링 하중 측정 유닛을 포함한다. 그 밖에도, 스핀들 상태 검출 장치는, 베어링 하중 측정 수단을 통해 측정된 하중을 기반으로, 베어링의 사전에 정해진 유효 수명과 관련하여 현재 시점까지의 시간에 걸쳐 달성되는 베어링의 소모비(consumption ratio)이면서 현재 존재하는 소모비를 계산하기 위해, 소모비 계산 수단도 포함한다.
미국 특허 공보 US 5 224 380 A호는 공간-시간의 동일한 지점에서 총 6개의 자유도로 초전도 질량체(superconducting proofmass)의 선형 및 각 가속도의 측정을 위한 초전도 6축 가속도 측정장치를 기재하고 있다.
과학 간행물 XP000432367은 공중 부양(levitation)에 적용될 수 있는 단순한 와전류 센서를 기재하고 있다.

본 발명의 과제는 수상운송수단의 작동 중에 베어링 하중의 신뢰성 있는 모니터링을 보장하는 것에 있다.

상기 과제는, 본 발명에 따라서, 수상운송수단, 특히 선박 또는 잠수함의 구동 장치의 베어링들의 하중을 모니터링하기 위한 시스템으로서, 베어링들에 의해 구동 장치의 모터 하우징이 구동 샤프트 상에서 지지되는 시스템을 통해 해결되며, 이러한 시스템은

- 구동 장치의 3개의 직교 방향으로의 각속도들의 측정뿐 아니라 3개의 각 가속도의 측정을 위한 하나 이상의 가속도 센서와,

- 각 조사 대상 베어링별로 각각의 베어링의 베어링 하우징에 대한 구동 샤프트의 상대 위치의 결정을 위한 하나 이상의 간격 센서(distance sensor)와,

- 가속도 센서의 데이터에 의거하여 구동 장치의 중량 정보를 이용하면서 각각의 베어링에 작용하는 힘들을 계산하고, 간격 센서의 측정치에 의거하여서는 구동 장치의 베어링들에 작용하는 상기 힘들의 분포도를 결정하도록 형성되는 평가 유닛을 포함한다.

또한, 상기 과제는, 본 발명에 따라서, 수상운송수단, 특히 선박 또는 잠수함의 구동 장치의 베어링들의 하중을 모니터링하기 위한 방법을 통해 해결되며, 이러한 방법은

- 3개의 직교 방향으로의 가속도들뿐 아니라 3개의 각 가속도에 대한 데이터가 하나 이상의 가속도 센서에 의해 수집되고,

- 각 조사 대상 베어링별로 하나 이상의 간격 센서에 의해 각각의 베어링의 베어링 하우징에 대한 구동 샤프트의 상대 위치가 결정되며,

- 평가 유닛 내에서 가속도 센서의 데이터에 의거하여 구동 장치의 중량 정보가 이용되면서 각각의 베어링에 작용하는 힘들이 계산되고, 간격 센서의 측정치에 의거하여서는 구동 장치의 베어링들에 작용하는 상기 힘들의 분포도가 결정된다.

마지막으로, 상기 과제는, 상기 시스템을 탑재한 수상운송수단을 통해 해결된다.

시스템과 관련하여 하기에서 열거되는 장점들 및 바람직한 구현예들은 그 의미에 부합하게 본원의 방법 및 수상운송수단에도 전용된다.

본 발명에 따른 해결책에 따라서, (예컨대 잠수함의 잠수 과정 동안) 너울 또는 기동의 결과로서 구동 장치의 위치의 동적 변화량이 기록되게 하는 하나 이상의 가속도 센서는 수상운송수단의 내부에 설치된다. 이 경우, 모든 이동 자유도에서 가속도들에 대한 최대한 상세한 정보들을 확보하기 위해, 가속도들은 3개의 병진 방향 및 3개의 회전 방향으로 측정된다.

이를 목적으로, 평가 유닛 내에서는 적어도 구동 장치의 중량, 특히 추가로 구동 장치의 기하 구조에 대한 데이터가 측정된다. 구동 장치의 중량 정보를 이용하면서 가속도들에 의해, 특히 로터와 베어링들 사이의 질량력들(mass force)이 계산된다. 여기서 구동 장치의 중량은, 구동 장치의 총중량뿐만 아니라 질량력들의 계산을 위해 중요한 개별 구동 부품들(drive component)의 중량 역시도 의미한다. 기하구조에 대한 정보들은 로터의 질량 관성 모멘트의 계산을 위해 중요하다. 이런 방식으로, 베어링 힘들의 정밀한 동적 계산이 보장된다. 그렇게 하여 특히 작동 중에 베어링 힘 변화량의 방향, 레벨 및 빈도수가 결정된다.

이에 병행하여, 조사 대상 베어링들에서는 간격 센서들을 통해 베어링 하우징에 대한 구동축(drive axis)의 상대 위치가 측정된다. 이로써, 베어링 힘들의 분포도, 다시 말하면 각각의 시점에 어떤 베어링이 어떤 힘으로 하중을 받는지에 대한 진술력이 확보될 수 있다.

전술한 두 측정은 특히 수상운송수단의 작동 중에 연속해서 수행된다. 구동 장치의 측정되는 병진 가속도들 및 각 가속도들뿐 아니라, 구동축의 상대 위치는 평가 유닛으로 공급되며, 이 평가 유닛은 앞에서 기재한 것처럼 시간에 걸친 베어링 힘들 또는 베어링 힘 변화량의 정밀한 동적 계산을 실행한다. 평가 유닛으로 공급되는 정보들, 또는 평가 유닛에 의해 계산되는 정보들은 예컨대 사용자에게 표시되며, 그리고 추가 데이터 처리를 위해 즉시 고려되거나 저장되거나 구동 장치의 제어부로 공급된다.

바람직한 실시예에 따라서, 구동 장치의 가속도들의 측정을 위한 6축 가속도 센서가 제공된다. 그에 따라, 모든 자유도에서의 가속도들의 측정은 하나의 단일 센서를 통해 수행되며, 그럼으로써 특히 공간 절약형 실시예가 존재하게 된다.

바람직하게 가속도 센서는 구동 장치의 고정 부재 상에, 특히 스테이터 상에 배치된다. 구동 장치의 또 다른 고정 부재 또는 스테이터 상의 배치는 구조적인 이유에서 바람직하다. 요컨대 센서는 전류를 공급받고 센서 데이터는 평가 유닛으로 전송되는데, 이런 이유에서 고정 부재 상에 가속도 센서를 장착하는 것이 바람직하다.

다른 바람직한 실시예에 따라서, 각 조사 대상 베어링별로, 간격 측정을 위한 2개의 와전류 센서가 제공된다. 와전류 센서들은 비접촉식 간격 센서들의 부류에 속한다. 명칭 대로의 측정 원리는 전도성 측정 대상까지의 간격의 결정을 가능하게 한다. 이런 측정 기술의 특징으로서, 오일, 물 또는 냉각제와 같은 비전도성 매체들이 존재해도 측정 결과에 어떠한 영향도 주지 않는다. 이런 특성을 기반으로, 와전류 센서들은 거친 산업 환경에서의 이용을 위해 특히 적합하다. 또한, 와전류 센서들은 동적 과정들의 관찰을 위해 탁월하다. 와전류 센서들은 내구성, 높은 동적 거동 및 높은 분해능을 특징으로 한다. 더욱이, 와전류 센서들은 폭넓은 온도 스펙트럼에 걸쳐 적용될 수 있다. 일반적으로 90°의 각도로 서로 상대적으로 배치되어 있는 2개의 와전류 센서의 사용은 구동 샤프트와 베어링 하우징 사이의 이격 간격을 다차원으로 측정할 수 있도록 하기 위해 요구된다.

바람직하게 평가 유닛은 베어링들의 하중에 대한 정보들을 기반으로 베어링들의 유효 수명 추정을 수행하도록 형성된다. 베어링 힘 변화량에 대한 취득된 정보들에 의해, 특히 베어링들의 신뢰성 있는 유효 수명 추정을 가능하게 하기 위해, 베어링 제조업체의 마모 데이터(wear data)와 비교되는 이른바 하중 스펙트럼들(load spectrum)이 마련된다. 이 경우, 소정의 시간에 걸쳐 발생하는 모든 진동 진폭 전체가 하중 스펙트럼으로 지칭된다. 진동 하중들은 실제로 드물게 1단계에서, 다시 말해 단일의 진폭으로 발생한다. 통상 사례에서는, 고정된 순서 없이 다양한 진폭들이 존재한다. 이와 같은 이른바 하중-시간 함수를 평가한다면, 발생하는 하중의 빈도수의 형태로 상기 함수의 개요를 확보하게 된다. 그 다음, 상기 하중 스펙트럼들은 각각의 베어링의 유효 수명의 추정을 위해 고려된다.

본 발명의 일 실시예는 하나의 도면에 따라서 더 상세하게 설명된다. 여기서 단일의 도 1에는, 별도로 도시되지 않은 선박 또는 잠수함의 구동 장치(2)가 개략적으로, 그리고 매우 간소화되어 도시되어 있다. 구동 장치(2)에는, 모터 하우징(8)이 구동 샤프트(10) 상에서 지지되게 하는 베어링들(6)의 하중을 모니터링하기 위한 시스템(4)이 할당된다. 구동 샤프트(10)는 도시된 실시예에서 로터(11)로서 형성되어 샤프트 축(A)을 따라서 연장된다. 도 1에는 구동 샤프트(10)의 한 섹션이 도시되어 있다. 전체 구동 샤프트는, 서로 조립되어 이른바 파워트레인을 형성하는 복수의 로터(11)를 포함한다.

또한, 구동 장치(2)는 모터 하우징(8)의 내부에 배치되는 스테이터(12)도 포함한다. 모터 하우징(8)은 설치 부재들(14)을 통해 기초부(16) 상에서 지지된다.

시스템(4)은 3개의 직교 방향으로 구동 장치(2)의 가속도들의 측정뿐 아니라 3개의 각 가속도의 측정을 위한 6축 가속도 센서(18)를 포함한다. 이런 방식으로, 모든 자유도에서 가속도들 또는 각각의 베어링(6)에 작용하는 힘들에 대한 정보들이 취득된다. 이 경우, 전체 파워트레인을 위해, 단지 하나의 가속도 센서(18)만이 요구된다.

또한, 시스템(4)은, 각 베어링(6)별로, 도면에는 하나의 유닛으로 도시되어 있고 도면부호 20이 부여되어 있는 각각 2개의 와전류 센서도 포함한다. 와전류 센서들은 구동 샤프트(10)와 별도로 도시되지 않은 베어링들(6)의 베어링 하우징 사이의 이격 간격을 측정한다. 그에 따라, 도면부호 20은 일반적으로 간격 센서를 지칭한다.

마지막으로, 시스템(4)은, 평가를 위한 가속도 센서(18) 및 와전류 센서들(20)의 측정 데이터가 공급되는 평가 유닛(22) 역시도 포함한다. 평가 유닛(22) 내에서는, 수상운송수단의 작동 중에 베어링들(6)에 작용하는 힘들에 대한 정보들을 취득하기 위해, 베어링들(6)의 베어링 셸들에 대한 로터(11) 또는 구동 샤프트(10)의 상대 위치 및 가속도들에 대한 데이터가 처리된다. 특히, 베어링 힘 변화량의 방향, 레벨 및 빈도수가 결정된다. 이런 데이터는, 이를 위해 베어링들의 분해를 요구하지 않으면서, 베어링들의 유효 수명에 대한 진술력을 확보할 수 있도록 하기 위해, 베어링들(6)의 하중 지지 능력에 대한 제조업체 데이터와 비교된다.

Claims (20)

1. 수상운송수단의 구동 장치(2)의 베어링들(6)의 하중을 모니터링하기 위한 시스템(4)으로서, 베어링들(6)에 의해 구동 장치(2)의 모터 하우징(8)이 구동 샤프트(10) 상에서 지지되는, 상기 시스템에 있어서,
   - 구동 장치(2)의 3개의 직교 방향으로의 가속도들의 측정뿐 아니라 3개의 각 가속도의 측정을 위한 하나 이상의 가속도 센서(18)와,
   - 각 조사 대상 베어링(6)별로 각각의 베어링(6)의 베어링 하우징에 대한 구동 샤프트(10)의 상대 위치의 결정을 위한 하나 이상의 간격 센서(20)와,
   - 가속도 센서(18)의 데이터에 의거하여 구동 장치(2)의 중량 정보를 이용하면서 각각의 베어링(6)에 작용하는 힘들을 계산하고, 간격 센서(20)의 측정치에 의거하여서는 구동 장치(2)의 베어링들(6)에 작용하는 상기 힘들의 분포도를 결정하도록 형성되는 평가 유닛(22)을
   포함하고,
   구동 장치(2)의 가속도들의 측정을 위한 6축 가속도 센서(18)가 제공되고,
   가속도 센서(18)는 구동 장치(2)의 고정 부재 상에 배치되고,
   상기 구동 장치(2)의 고정 부재는 스테이터(12)인, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템(4).
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 각 조사 대상 베어링(6)별로 간격 측정을 위한 2개의 와전류 센서가 제공되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템(4).
5. 제1항에 있어서, 평가 유닛(22)은, 마모 데이터도 같이 고려하면서 베어링 힘 변화량에 대한 측정된 정보들로부터 베어링들(6)의 유효 수명 추정을 수행하도록 형성되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템(4).
6. 수상운송수단의 구동 장치(2)의 베어링들(6)의 하중을 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
   - 구동 장치(2)의 3개의 직교 방향으로의 가속도들뿐 아니라 3개의 각 가속도에 대한 데이터가 하나 이상의 가속도 센서(18)에 의해 수집되고,
   - 각 조사 대상 베어링(6)별로 하나 이상의 간격 센서(20)에 의해 각각의 베어링(6)의 베어링 하우징에 대한 구동 샤프트(10)의 상대 위치가 결정되며,
   - 평가 유닛(22) 내에서는 가속도 센서(18)의 데이터에 의거하여 구동 장치(2)의 중량 정보가 이용되면서 각각의 베어링(6)에 작용하는 힘들이 계산되고, 간격 센서(20)의 측정치에 의거하여서는 구동 장치(2)의 베어링들(6)에 작용하는 상기 힘들의 분포도가 결정되고,
   가속도들에 대한 데이터는 6축 가속도 센서(18)에 의해 수집되고,
   가속도 센서(18)는 구동 장치(2)의 고정 부재 상에서 가속도들에 대한 데이터를 측정하고,
   상기 구동 장치(2)의 고정 부재는 스테이터(12)인, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 있어서, 각 조사 대상 베어링(6)별로 간격 측정을 위한 2개의 와전류 센서가 이용되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 방법.
10. 제6항에 있어서, 마모 데이터도 같이 고려되면서 베어링 힘 변화량에 대한 측정된 정보들로부터 평가 유닛(22)에 의해 베어링들(6)의 유효 수명 추정이 수행되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 방법.
11. 제1항에 따르는 시스템(4)을 탑재한 수상운송수단.
12. 제4항에 있어서, 평가 유닛(22)은, 마모 데이터도 같이 고려하면서 베어링 힘 변화량에 대한 측정된 정보들로부터 베어링들(6)의 유효 수명 추정을 수행하도록 형성되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템(4).
13. 제9항에 있어서, 마모 데이터도 같이 고려되면서 베어링 힘 변화량에 대한 측정된 정보들로부터 평가 유닛(22)에 의해 베어링들(6)의 유효 수명 추정이 수행되는, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 방법.
14. 제4항에 따르는 시스템(4)을 탑재한 수상운송수단.
15. 제5항에 따르는 시스템(4)을 탑재한 수상운송수단.
16. 제12항에 따르는 시스템(4)을 탑재한 수상운송수단.
17. 제1항에 있어서, 상기 수상운송수단은 선박 또는 잠수함인, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 시스템(4).
18. 삭제
19. 제6항에 있어서, 상기 수상운송수단은 선박 또는 잠수함인, 수상운송수단의 구동 장치의 베어링 하중 모니터링 방법.
20. 삭제

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