KR20120008471A

KR20120008471A - 추진축 비틀림 계측시스템

Info

Publication number: KR20120008471A
Application number: KR1020110070500A
Authority: KR
Inventors: 김영복
Original assignee: (주) 하영; 김영복
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2012-01-30

Abstract

본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템은, 추진축의 표면에 구비되는 한쌍의 포지션마크와, 추진축이 회전하여 상기 양 포지션마크 중에서 어느 하나의 포지션마크가 정해진 위치에 반복적으로 도달하는 것을 기준으로 반복적으로 신호를 발생하는 동기제어수단과, 상기 동기제어수단의 신호에 의해 서로 동기되어 상기 양 포지션마크를 정해진 위치에서 각각 촬상하는 각각의 카메라와, 상기 각 카메라에 의하여 촬상된 양 포지션마크의 위치를 서로 비교하여 상기 추진축의 비틀림변위를 파악하는 이미지데이터 처리장치를 포함하여 이루어진다.
상기 동기제어수단은 상기 추진축의 표면에 부착된 트리거마크와, 상기 트리거마크가 특정 위치에 도달하는 것을 감지하여 트리거신호를 발생하는 옵티컬센서를 포함하여 이루어지며, 상기 양 포지션마크는 추진축의 축중심선을 따라 정렬되어 서로 이격배치된다. 상기 양 포지션마크에는 십자선이 표기된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템은 센싱에 필요한 기구들이 추진축과 직접적으로 연결되지 않기 때문에 구성 및 설치가 간단하고, 계측 정밀도가 높기 때문에 선박의 운항안정성 향상 등에 많은 도움이 된다는 이점이 있다.

Description

추진축 비틀림 계측시스템{Torsion sensing system}

본 발명은 선박의 추진축과 같은 축계에 가해지는 비틀림부하의 변동 상황을 정밀하게 파악할 수 있는 추진축 비틀림 계측시스템에 관한 것이다.

선박의 추진축은 엔진에서 프로펠러에 이르기까지 구동력을 전달하는 과정에서 여러 가지 부하를 받게 되는데, 해상상태, 선박속도, 엔진 구동력 변화 등의 운전조건에 의해 추진축에 작용하는 부하가 달라지며, 이러한 부하 변동에 의한 영향을 직접적으로 받을 수밖에 없는 환경에 노출되어 있다.

따라서, 추진축에 가해지는 부하의 변동량이 급격히 커지게 되면, 추진축이 파단 되거나 추진축에 균열이 발생하는 것과 같은 직접적인 손괴현상 내지는 추진축을 지지하는 슬리브가 파손되는 간접적인 손괴현상 등이 발생할 우려가 높아지게 된다.

더불어, 위험회전수에서의 장시간 운전, 기상조건이 악화된 상태에서의 지속적인 운전 및 기타 원인에 의한 엔진의 부하 증가 등의 원인에 의하여서도 추진축에 악영향이 미치게 된다.

특히, 기상조건의 악화로 인하여 파고가 높아짐으로써 선박이 심하게 피칭(pitching: 상하로 움직임)되어 추진축에 연결된 프로펠러의 일부 또는 전부가 해수면 위로 노출되어 공전을 일으키는 프로펠러 레이싱(propeller racing) 과 같은 현상에 의하면 추진축에 가해지는 비틀림부하가 급격이 변동되기 때문에 심할 경우 추진축이 파단되는 등의 심각한 문제가 야기될 수 있다.

따라서, 추진축에 가해지는 비틀림부하의 변동을 실시간으로 계측하여 추진축의 구조적인 건전성을 지속적으로 파악함으로써 선박의 운항안정성을 높이기 위한 기술들이 안출되었다.

종래 추진축에 가해지는 비틀림부하를 계측하기 위한 방법으로서 스트레인 게이지(strain guage)를 추진축에 직접 부착하여 축응력을 측정하는 기술 내지는 와류식 근접센서를 이용한 기술 등이 안출 되었다.

그러나, 이러한 종래기술에 의하면 측정에 필요한 각종 센서기기를 회전되는 추진축에 직접 부착하여야 하는 만큼 그 구성이 복잡할 뿐만 아니라 오류가 발생할 가능성이 크며, 신호분석에도 고도의 전문성이 요구되는 등 사용이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 선박 추진축의 비틀림부하를 지속적으로 계측하여 추진축의 변형에 따른 사고를 미연에 방지함으로써 선박의 안전운항에 도움이 되는 추진축 비틀림 계측시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템은, 추진축의 표면에 일직선상으로서 연결되는 위치에 구비되는 한쌍의 포지션마크와, 상기 추진축이 회전하여 상기 양 포지션마크 중에서 어느 하나의 포지션마크가 정해진 위치에 반복적으로 도달하는 것을 기준으로 반복적으로 신호를 발생하는 동기제어수단과, 상기 동기제어수단의 신호에 의해 서로 동기되어 상기 양 포지션마크를 정해진 위치에서 각각 촬상하는 각각의 카메라와, 상기 각 카메라에 의하여 촬상된 양 포지션마크의 위치를 서로 비교하여 상기 추진축의 비틀림변위를 파악하는 이미지데이터 처리장치를 포함하여 이루어진다.

상기 동기제어수단은 상기 추진축의 표면에 부착된 트리거마크와, 상기 트리거마크가 특정 위치에 도달하는 것을 감지하여 트리거신호를 발생하는 옵티컬센서를 포함하여 이루어지며, 상기 양 포지션마크는 추진축의 축중심선을 따라 정렬되어 서로 이격배치된다. 상기 양 포지션마크에는 십자선이 표기된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템은 센싱에 필요한 기구들이 추진축과 직접적으로 연결되지 않기 때문에 구성 및 설치가 간단하고, 계측 정밀도가 높기 때문에 선박의 운항안정성 향상 등에 많은 도움이 된다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템에서 카메라에 의해 촬상된 포지션마크의 변위를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템에서 추진축에 가해지는 비틀림부하의 계측에 필요한 수식을 도출하기 위한 구성도이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도 1 부터 도 3까지를 참조로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 추진축 비틀림 계측시스템은, 도 1에 나타난 것과 같이 추진축(5)의 표면에 일직선상으로서 연결되는 위치에 표시되는 한쌍의 포지션마크(position mark)(10)(12)와, 상기 추진축(5)이 회전하여 상기 양 포지션마크(10)(12) 중에서 어느 하나의 포지션마크가 정해진 위치에 반복적으로 도달하는 것을 기준으로 반복적으로 신호를 발생하는 동기제어수단과, 상기 동기제어수단의 신호에 의해 서로 동기되어 상기 양 포지션마크(10)(12)를 정해진 위치에서 각각 촬상하는 각각의 카메라(20)(22)와, 상기 각 카메라(20)(22)에 의하여 촬상된 포지션마크(10)(12)의 위치정보를 비교하여 상기 추진축(5)의 비틀림변형을 파악하는 이미지데이터 처리장치를 포함하여 이루어진다.

상기 양 포지션마크(10)(12)는 일종의 스티커와 같은 것으로서 추진축(5)의 축중심선을 따라 정렬된 상태에서 서로 이격됨으로써, 일측 포지션마크(10)는 엔진에 근접하도록 배치되고, 타측 포지션마크(12)는 프로펠러에 근접하도록 배치된다.

상기 양 포지션마크(10)(12)는 위치 기준점의 파악이 용이하도록 십자선(101)(121)이 표기된 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 십자선(101)(121)의 색상이 배경색과 두드러지게 차별되는 색상으로 표기됨으로써 십자선(101)(121)에 대한 인식이 용이하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 십자선(101)(121)이 구비된 경우에 있어서 상기 양 포지션마크(10)(12)는 십자선(101)(121)의 가로선이 서로 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 각 카메라(20)(22)는 각각의 포지션마크(10)(12)에 대하여 고정된 위치에서 촬상작동이 이루어지도록 배치된다.

상기 동기제어수단은 상기 추진축(5)의 표면에 부착된 트리거마크(trigger mark)(30)와, 상기 트리거마크(30)가 특정 위치에 도달하는 것을 감지하여 트리거신호를 발생하는 옵티컬센서(optical sensor)(32)를 포함하여 이루어진다.

상기 트리거마크(30)는 상기 포지션마크(10)(12)와 마찬가지로 일종의 스티커 형태로서, 추진축(5)의 표면색과 상당한 차이가 있는 색상으로 이루어진다.

상기 옵티컬센서(32)는 추진축(5)에 근접하여 고정 배치되어 추진축(5)의 회전에 의해 이동되는 트리거마크(30)가 측정영역내에 들어오게 되면 추진축(5)의 표면색과 색감이 다른 특성상 이를 광학적으로 인지하여 트리거신호를 발생하게 된다.

여기서, 상기 옵티컬센서(32)로부터 발생되는 트리거신호에 의해 각 카메라(20)(22)의 촬상작동이 이루어지는 시점에서는 양 포지션마크(10)(12)가 각 카메라(20)(22)의 촬상 영역에 도달하여 있도록 설정된다.

그리고, 상기 이미지데이터 처리장치(40)에서는 상기 양 카메라(20)(22)에서 보내온 이미지데이터를 템플릿매칭(template matching)방식으로 분석하여 양 포지션마크(10)(12)의 상대적인 변위를 측정하게 된다.

더불어 상기 이미지데이터 처리장치(40)에서는 연산회로를 통하여 후술된 바와 같이 비틀림부하를 계산하게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 추진축 계측시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 추진축(5)이 회전하게 되면 상기 트리거마크(30)는 추진축(5)을 따라 돌게 됨으로써 반복적으로 특정위치에 도달하게 되며, 특정위치에 도달하는 순간마다 상기 옵티컬센서(32)는 트리거마크(30)를 감지하여 트리거신호를 발생하게 된다.

양 카메라(20)(22)는 트리거신호에 의해 동기 작동되어 반복적으로 양 포지션마크(10)(12)를 각각 촬상하게 되며, 도 2에 나타난 것과 같이 상기 이미지데이터 처리장치(40)에서는 카메라(10)(12)에 의해 촬상된 이미지를 서로 비교하여 양 포지션마크(10)(12)간의 상대적인 변위를 지속적으로 파악하게 된다.

그리고, 이미지데이터 처리장치(40)에 의해 파악된 양 포지션마크(10)(12)간의 변위를 이용하여 연산회로에서는 다음과 같이 추진축(5)에 가해지는 비틀림부하를 계산하게 된다.

도 3에 나타난 것과 같이 추진축(5)이 회전되지 않는 초기상태에서 엔진측에 배치된 포지션마크(10)의 중심위치(십자선의 중심)를 A 라 하고, 프로펠러측에 배치된 포지션마크(12)의 중심위치를 B 라 할 때, 추진축(5)이 회전되고 추진축(5)에 가해지는 비틀림부하의 변동이 심해짐으로써 추진축(5)의 비틀림변형이 발생하게 되면 양 포지션마크(10)(12)간에 상대적인 변위가 발생하여 프로펠러측 포지션마크(12)의 중심위치가 B'로 바뀌게 된다.

따라서, 프로펠러측 포지션마크(12)의 변위량(

)이 파악되면 이를 비틀림변위량 (

)으로 추정하고, 추진축(5)의 직경(

)을 이용하여 추진축(5)의 비틀림각(

)을 구하게 되는데, 이는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

.....(수식 1)

이어서, 추진축(5)의 비틀림각(

)과 추진축(5) 재질의 횡탄선계수(

) 및, 양 계측지점간의 거리(

)를 이용하여 외부토크 (

)를 구하게 되는데 이에 따른 수식은 다음과 같다.

......... (수식 2)

그리고, 구해진 외부토크(

)와 각속도(

)를 이용하여 동력 (

)을 구하게 되며, 이에 따른 수식은 다음과 같다.

......... (수식 3)

이와 같이, 비틀림 변위량을 파악하게 되면 수식 (1)~(3)의 관계를 이용하여 추진축(5)에 가해지는 동력 즉 비틀림부하를 계측할 수 있게 되며, 계측된 비틀림부하로 인하여 추진축이 받는 악영향을 미리 예측할 수 있게 된다.

5: 추진축 10, 11: 포지션마크
20, 22: 카메라 30: 트리거마크
32: 옵티컬 센서 40: 이미지데이터 처리장치

Claims

추진축의 표면에 일직선상으로서 연결되는 위치에 구비되는 한쌍의 포지션마크와,
상기 추진축이 회전하여 상기 양 포지션마크 중에서 어느 하나의 포지션마크가 정해진 위치에 반복적으로 도달하는 것을 기준으로 반복적으로 신호를 발생하는 동기제어수단과,
상기 동기제어수단의 신호에 의해 서로 동기되어 상기 양 포지션마크를 정해진 위치에서 각각 촬상하는 각각의 카메라와,
상기 각 카메라에 의하여 촬상된 양 포지션마크의 위치를 서로 비교하여 상기 추진축의 비틀림변위를 파악하는 이미지데이터 처리장치
를 포함하여 이루어짐으로써 파악된 추진축의 비틀림변위를 통하여 추진축에 가해지는 비틀림부하를 계측하는 것
을 특징으로 하는 추진축 비틀림 계측시스템.
제1항에 있어서,
상기 동기제어수단은 상기 추진축의 표면에 부착된 트리거마크와
상기 트리거마크가 특정 위치에 도달하는 것을 감지하여 트리거신호를 발생하는 옵티컬센서
를 포함하여 이루어지는 추진축 비틀림 계측시스템.
제1항에 있어서,
상기 양 포지션마크는 추진축의 축중심선을 따라 정렬되어 서로 이격배치되는 것
을 특징으로 하는 추진축 비틀림 계측시스템.
제3항에 있어서,
상기 양 포지션마크에는 십자선이 표기되는 것
을 특징으로 하는 추진축 비틀림 계측시스템.
제1항에 있어서,
상기 이미지데이터 처리장치는 템플릿매칭(template matching)방식으로 상기 양 포지션마크의 상대적인 변위를 측정하는 것
을 특징으로 하는 추진축 비틀림 계측시스템.