KR20070105288A - LabVIEW를 이용한 디젤엔진발전기의 베어링 고장진단 - Google Patents

Abstract

본 고안은 디젤엔진 발전기 베어링의 손쉬운 고장진단을 위해 고안된 것으로, 베어링의 상태는 베어링 하우징 부분에 X축, Y축, Z축 방향으로 장착된 가속도 센서로 진동 신호를 수집하고, 수집된 데이터를 PC에 의해 저역필터 후 FFT 변환하여 적분하고, 적분 값의 크기를 실험에 의해 구해진 Threshold(문턱값)과 비교하여 발전기의 베어링 상태를 파악하고 베어링 고장을 알려주게 LabVIEW로 프로그램 하였다

디젤 엔진, 발전기, 특징주파수, LabVIEW, 베어링, 가속도 센서, FFT, 적분, Threshold

Description

LabVIEW를 이용한 디젤엔진발전기의 베어링 고장진단{Bearing Fault Diagnosis for Diesel Engine Generator Using LabVIEW.}

도 1은 본 발명의 베어링 고장진단 방법을 도시한 그림이다. 도 1의 1은 발전기의 베어링을 덮고 있는 하우징이다. 2는 베어링의 진동을 측정하기 위한 가속도 센서이다. 3은 진동 신호를 수집하기 위한 데이터 수집 보드이다. 4는 저역통과 필터로 일정 이상의 필요 없는 주파수 대역을 필터링해준다. 5는 FFT 변환 함수를 의미한다. 6은 FFT 변환 된 주파수를 표시해주는 그래프이다. 7은 진동 신호의 진폭 값을 적분하는 적분 함수를 의미한다. 8은 적분 값을 표시해주는 화면이다. 9는 적분 값과 문턱 값을 비교하는 알고리즘을 나타낸다. 10은 베어링의 상태를 정상이나 비정상으로 나타내주는 상태표시등이다.

가속도 센서를 X축, Y축, Z축, 세 방향에 모두 부착하여 실험해 본 결과 Y축 방향의 진동 신호가 가장 뛰어난 특성을 나타냈다. 따라서 본 발명에서는 베어링 하우징 부분에 도면 도 1과 같이 Y축 방향으로 부착하였다.

디젤 엔진 발전기의 베어링 진동신호 분석 결과 특징주파수 성분이 또렷하게 나타나지 않아 신호 해석이 쉽지가 않았다. 따라서 본 발명에서는 베어링 상태가 좋지 않을수록 진동신호의 진폭의 크기가 전체적으로 커지는 특성을 파악하고, 진동 신호의 적분 값을 이용하여 베어링 상태를 파악하는 방법을 고안하였다.

본 발명의 진단 방법을 택한 또 한 가지 이유는 실제 현장에서는 베어링 고장 시 베어링의 교체가 이루어지기 때문에 베어링 고장의 내용 보다는 고장 여부의 판단이 중요하므로, 특징 주파수 대역에 따라 베어링 고장 내용을 알 수 있는 방법보다는 적분 값의 비교로 손쉽게 베어링 고장의 여부를 진단할 수 있는 방법을 택하였다.

현재 디젤엔진 발전기는 대단위 주거단지와 산업용 비상전원 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 디젤엔진 발전기는 비상시 비상전원으로 긴급히 투입되어 그 성능을 다 할 수 있어야 하는 특성상 발전기 운전에 대한 신뢰성을 요구한다. 따라서 회전기기 고장의 가장 많은 부분을 차지하는 베어링 고장 여부를 손쉽게 파악하고 대체할 수 있는 시스템을 개발하는데 목적이 있다.

현재 회전기기의 베어링 고장 진단에는 전기적 신호를 이용한 진단, 진동신호를 이용한 진단 등이 있다. 베어링 고장은 회전기기의 기계적 결함으로 전기적 신호를 이용하여 진단하는 데는 많은 어려움이 있다. 따라서 회전기기의 베어링 고장 진단은 대부분 진동신호를 이용하여 FFT변환 후 특징 주파수 대역 해석을 통해 진단한다. 구름 베어링 결함 주파수의 계산은 다음과 같이 복잡한 과정을 거쳐야 한다.

여기서 S=회전수, FTF = 케이지 기본 주파수, BPFI = 내륜 주파수, BPFO = 외륜 주파수, BSF = 볼 수파수, Bd = 볼 또는 롤러의 직경, Nb = 볼 또는 롤러의 수. Pd = 피치 직경, θ = 접촉각이다.

하지만 발전기의 회전 속도는 부하가 증가할수록 회전 속도가 줄어들기 때문에 부하에 따라 특징 주파수 대역이 달라지는 문제가 있다. 또 디젤엔진 발전기의 자체진동의 잡음 때문에 디젤엔진 발전기의 베어링 고장진단에 베어링 진동신호의 특징주파수 해석이 어렵다.

상기 문제를 해결하기 위해서 본 발명은 진동센서를 통하여 얻은 진동신호를 FFT변환 하고 특징주파수의 진폭을 비교하던 종래의 방법 대신에 FFT 주파수 스펙트럼을 적분하여 그 적분값과 정상 발전기 베어링에서 얻은 FFT 주파수 스펙트럼의 적분치에 의해 설정한 문턱값과 비교하여 베어링 고장을 진단할 수 있는 보다 실용적이고 간단한 방법을 제시한다.

첨부된 도면 도 1은 전체적인 베어링 고장진단 시스템의 구성도이다.

베어링을 감싸고 있는 하우징(1)에 가속도 센서(2)를 X축, Y축, Z축 방향으 로 부착해 진동 신호를 얻고 DAQ보드(3)로 수집하고 수집된 신호는 LabVIEW로 프로그래밍 된 알고리즘에 의해 해석된다. 해석 순서는 먼저 진동신호를 저역통과 필터(4)를 통해 200Hz 이하의 신호만 필터링하여 FFT변환(5)하고 이 그래프는 FFT표시장치(6)에 표시해준다. FFT 변환된 스펙트럼 데이터는 적분 값을 구하는 함수(7)에 의해 그래프 면적을 연산하고 이 적분된 값은 적분 값 표시장치에 표시해 준다. 적분 값을 Threshold(문턱 값)과 비교(9)하여 정상, 비정상을 판단한다. 문턱값이 측정값보다 작을 때는 정상 표시램프에, 문턱값이 측정값보다 클 때는 비정상 표시램프(10)에 불이 들어올 수 있도록 하였다. 이 프로그램에 의하여 진단 전문가가 아니더라도 자동으로 베어링 고장을 진단할 수 있도록 하였다.

베어링은 고장이 시작되면 이 후 빠른 속도로 상태가 악화 되는 특성을 가지고 있다. 또한 현재 베어링 고장진단 방법은 특징 주파수 대역 해석에 의한 진단 방법으로 전문가가 아닌 일반 사용자가 베어링 고장 여부를 알기가 쉽지 않았다. 본 발명은 일반 발전기 운전자가 손쉽게 베어링 고장진단을 할 수 있도록 진동신호의 FFT 주파수 스펙트럼의 적분값을 정상치의 적분값과 비교함으로써 손쉽게 베어링 상태가 악화되었음을 알 수 있으며 컴퓨터로 자동 진단하여 고장 표시램프에 불이 들어오도록 하였다.

Claims (2)

1. 본 발명에서는 발전기 베어링 고장 진단에 진동신호의 FFT 주파수 스펙트럼을 적분하여 그 적분치와 문턱값을 비교하는 것을 특징으로 한다.
2. 본 진단 장비는 휴대가 가능한 휴대용 진단 장비로써, 발전기의 베어링 고장을 문턱 값을 이용해 자동으로 진단하여 고장 여부를 화면에 표시해줌을 특징으로 한다.

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