KR20120024635A - 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하는 방법 - Google Patents

회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 부재가 회전하는 동안 결함 발생의 주파수 특성을 식별하기 위한 예비 분석을 포함하고, 상기 회전 부재의 순간 회전 속도를 측정하는 단계; 상기 부재의 순간 회전 속도를 표시하는 샘플링된 신호를 얻기 위해 상기 측정을 각 샘플링하는 단계; 상기 부재의 순간 회전 속도의 스펙트럼을 얻기 위해 상기 샘플링된 신호에 대한 고조파 공간 분석을 실시하는 단계; 및 특성 주파수의 스펙트럼 진폭을 모니터링하여 상기 진폭에 따라 대응하는 결함의 주파수를 유추하는 단계;로 이루어진 반복적 단계들을 포함한다.

Description

회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하는 방법{METHOD FOR DETECTING A STRUCTURAL DEFECT IN A MECHANICAL ASSEMBLY INCLUDING A ROTARY MEMBER}
본 발명은 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하는 방법과 아울러, 자동차용 회전 부재를 포함한 기계 조립체의 마모 상태를 자가 진단(OBD)하기 위한 상기 방법의 응용에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 기계 조립체의 회전에 있어서 안내를 위한 베어링의 회전 부재, 특히 롤러 베어링의 회전 링의 구조적 결함을 검출하기 위해 구현될 수 있다. 대안으로서, 본 발명은 회전 부재를 포함한 기계 조립체의-고정 부재를 포함하여-다른 부재의 구조적 결함을 검출하기 위해 구현될 수 있다.
예를 들어, 상기 기계 조립체는 기어박스, 기어모터, 속도 조절기, 자동 시동기, 터빈, 반응기, 변속기, 클러치, 브로치(broach) 또는 머시닝 브로치의 지지체에 포함될 수 있다.
구조적 결함 검출 방법의 구현은 회전 부재가 정보 수집 기능도 수행할 수 있도록 함으로써, 특히
- 예를 들어, 크랭크샤프트의 모니터링, 롤러 베어링 또는 분배 기어(distribution gear)의 진단과 같이, 자동차 기계 부품에 대한 특히 마모에 대한 자가 진단 또는 모니터링;
- 예를 들어, 교류발전기-시동기와 같은, 회전하는 동적 시스템의 프로토타입 개발;
- 예를 들어, 풍력 터빈 변속기의, 감속기어의, 공작기계의 브로치와 같은 기계 세트의 모니터링;
을 제공할 수 있다.
구조적 결함을 검출하기 위해, 통상적으로, 가속도계에 의해 전달된 신호를 이용하여 기계 조립체로부터의 진동 분석이 실시되었다. 그러나, 이러한 실현은 가속도계를 추가하여야 하며, 이는 그 비용 뿐만 아니라 회전 부재를 포함한 기계 조립체에 통합하는데 있어서 상당한 제약이 된다.
본 발명의 목적은 특히 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하는 방법을 특별히 제공하여 종래 기술을 완벽하게 하는 것으로서, 상기 방법은 설치가 어려운 측정 수단을 필요로 하지 않고, 특히 상기 조립체에 가해지는 외부 응력이나 회전 부재의 회전 속도와는 독립적으로, 특히 단순하고 신뢰성 있게 구현될 수 있다.
이러한 취지로 및 제 1 양태에 따라, 본 발명은 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 부재가 회전하는 동안 결함 발생의 주파수 특성을 식별하기 위한 예비 분석을 포함하고,
- 상기 회전 부재의 순간 회전 속도를 측정하는 단계;
- 상기 부재의 순간 회전 속도를 표시하는 샘플링된 신호를 얻기 위해 상기 측정을 각도 샘플링하는 단계;
- 상기 부재의 순간 회전 속도의 스펙트럼을 얻기 위해 상기 샘플링된 신호에 대한 고조파 공간 분석을 실시하는 단계; 및
- 특성 주파수에 대한 스펙트럼 진폭을 모니터링하여 상기 진폭에 따라 대응하는 결함의 주파수를 유추하는 단계;로 이루어진 반복적 단계들을 포함한다.
제 2 양태에 따라, 본 발명은 자동차의 회전 부재를 포함하는 기계 조립체의 마모 상태를 자가 진단하는 상기 방법의 응용을 제공한다.
회전 부재의 순간 회전 속도를 표시하는 샘플링된 신호를 얻는 원리가 도시되어 있는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 다른 목적과 장점이 하기 상세한 설명에 개시되어 있다.
도 1은 일정한 각도 피치로 분할된 프론트를 포함하는 신호를 도시한 그래프이다.
본 명세서에 개시된 방법은, 회전 부재의 형태, 고정 부재의 형태, 및 상기 부재들의 상대 회전이 가능하도록 하기 위해 상기 부재들 간에 배열된 적어도 한 열의 롤러 본체 형태로 이루어진 롤러 베어링을 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하기 위한 것이다. 또한, 자동차에 장착된(on board) 기계 조립체의 회전을 안내하기 위한 베어링과 관련하여, 특히 기어박스 샤프트의 회전을 안내하기 위한 롤러 베어링과 관련하여 설명하였다.
그러나, 본 발명은 회전 부재를 포함한 다른 유형의 기계 조립체의 구조적 결함을 검출하기 위해 적용될 수 있으며, 및/또는 다른 응용분야, 예를 들어, 회전 부재를 구비한 공작 기계에서와 같은 정적 응용분야(static application)에 적용될 수 있다.
특히, 검출하고자 하는 상기 구조적 결함은 회전 부재의 회전에 의해 유도되는 기계적 응력으로 인해 발생할 수 있다. 따라서, 상기 방법은 예지 유지보수(maintenance)를 제공함으로써 기계 조립체의 고장을 방지하기 위해 기계 조립체의 마모 상태의 진단이 가능하도록 한다.
예를 들어, 롤러 베어링의 경우에서, 상기 구조적 결함은 고정 부재의, 회전 부재의 및/또는 롤러 본체의 레이스웨이의 박리(spalling)일 수 있다. 특히, 변속기의, 기어박스의 또는 엔진의 회전 샤프트를 포함한 기계 조립체의 경우에서, 상기 구조적 결함은 상기 샤프트의 기어의 치형에 형성될 수 있다.
상기 방법은 상기 회전 부재가 회전하는 동안 구조적 결함 발생의 주파수 특성을 식별하기 위한 예비 분석을 포함한다. 특히, 발생할 수 있는 각각의 구조적 결함을 식별하는 주파수의 위치를 결정하도록, 특히 상기 조립체의 다양한 기계 요소들 간의 동적 관계를 이용하는 상기 기계 조립체의 기하학적 연구에 의해 상기 분석이 이루어질 수 있다.
롤러 베어링의 예에서, 결함에 대한 특성 주파 식별은 상기 결함에 관하여 롤러 본체의 통과 주파수를 계산함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 특성 주파수는 회전 당 롤러 본체가 결함 위를 지나는 횟수의 추정에 대응될 수 있다.
발생할 수 있는 구조적 결함의 특성 주파수를 식별한 후, 상기 방법은 이들 특성 주파수중 하나에 대응하는 결함을 검출하기 위한 반복적인 단계들을 포함한다. 대안으로서, 상기 방법은 발생할 수 있는 각각의 결함을 검출하기 위해 구현될 수 있다.
상기 방법은 상기 회전 부재의 순간 회전 속도를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 측정은 모니터링하고자 하는 상기 회전 부재에 대해, 또는 상기 기계 조립체에서 상기 회전 부재와 연관된 다른 회전 부재에 대해 실시될 수 있다.
특히, 상기 순간 속도의 측정은 인코더(encoder)-센서 유닛에 의해 실시될 수 있다. 상기 인코더는 상기 회전 부재와 회전 일체형이며, 기하학적 구조가 동일한 남북 자극이 교대로 연속하는 다극성 트랙을 포함함으로써 자석 형태일 수 있다.
특히, 상기 인코더는 상기 회전 부재에 고정될 수 있거나, 또는 상기 회전 부재에 회전 링크된 회전 요소에 고정될 수 있다. 롤러 베어링의 예에서, 상기 베어링의 구조적 결함을 검출하기 위해, 또는 상기 베어링에 의해 회전 안내되는 회전 조립체의 구조적 결함을 검출하기 위해, 상기 인코더는 상기 회전 부재에 고정될 수 있다.
상기 센서는 고정되며, 상기 다극성 트랙으로부터 판독 거리를 두고, 그리고 상기 다극성 트랙의 맞은편에 배열된 적어도 2개의 감응 요소를 포함한다. 예시적 실시예에서, 상기 감응 요소는 홀 효과 센서, 자기저항 또는 거대 자기저항이다. 특히, 상기 센서는 프랑스 특허 2 792 403에 개시된 바와 같은 복수의 정렬된 감응 요소를 포함할 수 있다.
도 1과 관련하여, 일정한 각도 피치로 분할된 프론트(Sf)를 포함하는 신호(S)를 전달하도록 배열된 센서를 설명한다. 특히, 상기 센서에 의해 전달되는 신호(S)는, 상기 프론트(Sf)를 분할하는 각도 피치가 상기 자극 사이의 각도 분할보다 작도록, 보간될 수 있다.
상기 방법은 상기 순간 회전 속도를 표시하는 샘플링된 신호를 얻기 위해 상기 순간 회전 속도의 측정을 각도 샘플링하는 단계를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 특히, 상기 센서에 연결된 카운팅 보드(counting board)에 의해, 2개의 프론트(Sf) 사이에 경과한 시간이 측정된다.
특히, 상기 시간의 측정은 상기 측정된 신호로부터 2개의 상승 프론트(Sf)를 분할하는 고주파수 클록(f)의 펄스 수(Ni)를 계산함으로써 이루어질 수 있으며, 이는 상기 프론트 수(Nf)에 의해 정해지는 각도 피치에 대응한다. 따라서, 상기 샘플링된 신호가 측정된 신호(S)의 각각의 프론트(Sf) 사이의 경과 시간을 제공함으로써, 다음의 관계식으로 실제 순간 회전 속도(ω)를 구할 수 있게 된다.
Figure pct00001

예시적 실시예에서, 측정된 신호(S)의 프론트 수(Nf)는 회전당 2,400이고, 상기 프론트는 60개의 극쌍과 40의 보간치를 가진 인코더에 의해 얻어졌다. 또한, 상기 고주파수 클록의 주파수(f)는 100㎒이다.
상기 순간 회전 속도가 샘플링될 때, 상기 방법은 상기 부재의 순간 회전 속도의 스펙트럼을 얻기 위해 상기 샘플링된 신호에 대한 고조파 분석을 실시하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 고조파 공간 분석은 상기 샘플링된 신호의 공간 푸리에 변환(FFT)을 통해 이루어진다.
도 1과 관련하여, 상기 공간 푸리에 변환은 각각의 상승 프론트(Sf) 사이의 경과 시간 측정치에 대해 실시될 수 있다. 또한, 각각의 프론트 사이의 경과 시간의 측정이 또는 상기 회전 부재의 순간 회전 속도의 측정이 수회의(several) 회전에 걸쳐, 예를 들어, 약 30회의 회전에 걸쳐 실시될 수 있으며, 이어서, 상기 고조파 분석이 상기 각도 샘플링된 신호에 대해 실시됨으로써, 상기 회전 부재의 회전 속도에서의 변동의 영향을 제한하게 된다.
이어서, 상기 방법은 상기 특성 주파수에 대한 스펙트럼의 진폭을 모니터링하여 상기 진폭에 따라 대응하는 결함의 발생을 유추하는 단계를 포함한다. 대안으로서, 이들 주파수들 각각에 의해 식별된 결함의 발생을 유추하기 위해, 수개의(several) 특성 주파수가 모니터링될 수 있다.
특히, 상기 스펙트럼 선의 주파수 위치는 상기 회전 부재의 회전 속도와는 관계없는데, 그 이유는 상기 주파수 위치가, 외부 요청(exterior solicitation)이 아닌, 회전 부재에 링크된 이벤트를 수반하기 때문이다. 실제로, 여러가지 속도 조건에 대하여 다양한 주파수의 레벨을 정밀하게 비교할 수 있도록 하기 위해, 신호의 획득이 속도 변동을 본질적으로 가로지르는(cross) 방식으로 상기 신호가 각도 샘플링된다.
이러한 모니터링은 상기 특성 주파수 및/또는 이 주파수의 적어도 하나의 고조파를 포함하는 윈도우에서 이루어질 수 있다. 특히, 특성 주파수에 의해 수개의(several) 결함이 각각 검출되어야 하는 경우, 각각의 결함을 구별할 수 있도록 하기 위해, 모니터링된 주파수는 상이하여야만 한다.
역치보다 더 높은 스펙트럼의 진폭 값에 대하여 결함의 발생이 검출될 수 있다. 또한, 상기 특성 주파수에 대한 스펙트럼 형상 및/또는 진폭에 따라, 결함의 수량화가 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 인코더에 적합한 서명을 예비 결정하는 것을 더 포함하며, 상기 서명은 얻어진 스펙트럼에 걸친 진폭의 모니터링을 실시하기 위해 상기 순간 속도의 신호로부터 감산된다. 실제로, 자기 인코더 기술은 모든 정수 오더(integer order)에 대하여 스펙트럼 노이즈를 유도하며, 이러한 서명은 또한 회전 부재 상에 인코더를 통합하는 것(intergration)에 따른다. 모니터링하고자 하는 주파수가 회전 속도의 배수(multiple)인 경우에, 정수 오더에 의한 주파수의 이러한 필터링이 특히 유용하다.

Claims (13)

  1. 회전 부재를 포함한 기계 조립체에서 구조적 결함을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 회전 부재가 회전하는 동안 결함 발생의 주파수 특성을 식별하기 위한 예비 분석 단계를 포함하고,
    - 상기 회전 부재의 순간 회전 속도를 측정하는 단계;
    - 상기 회전 부재의 순간 회전 속도를 나타내는 샘플링된 신호를 얻기 위해 상기 측정을 각도 샘플링하는 단계;
    - 상기 회전 부재의 순간 회전 속도의 스펙트럼을 얻기 위해 상기 샘플링된 신호에 대한 고조파 공간 분석을 실시하는 단계; 및
    - 특성 주파수에 대한 스펙트럼 진폭을 모니터링하여 상기 진폭에 따라 대응하는 결함의 발생을 유추하는 단계;로 이루어진 반복적 단계들을 포함하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고조파 공간 분석은 상기 샘플링된 신호의 공간 푸리에 변환을 통해 실시되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 순간 회전 속도를 측정하는 것은,
    상기 회전 부재와 회전 일체형으로 형성되고 다극성 트랙을 포함하는 인코더; 및
    상기 다극성 트랙으로부터 판독 거리를 두고 상기 다극성 트랙의 맞은편에 배열된 2개 이상의 감응 요소들을 포함하는 고정식 센서로서, 일정한 각도 피치로 분할된 프론트(Sf)들을 포함하는 신호(S)를 전달하도록 배열된 고정식 센서;에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다극성 트랙은 교대로 연속하는 남북 자극들을 갖는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프론트(Sf)들을 분할하는 각도 피치는 상기 자극들 사이의 각도 분할보다 작은 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 프론트(Sf)들 사이에 경과한 시간을 측정하는 것을 더 포함하고, 상기 샘플링된 신호가 측정된 신호(S)의 각각의 프론트(Sf) 사이의 경과 시간을 제공함으로써, 상기 순간 회전 속도를 구할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인코더에 적합한 서명을 예비 결정하는 것을 포함하고, 상기 서명은 얻어진 스펙트럼에 걸친 진폭의 모니터링을 실시하기 위해 상기 순간 속도의 신호로부터 감산되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 부재의 순간 회전 속도가 복수 회의(several) 회전에 걸쳐 측정되고, 상기 고조파 분석이 상기 각도 샘플링된 신호에 관하여 실시되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계 조립체의 기하학적 연구를 통해서 상기 특성 주파수의 식별이 실시되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결함의 발생은 역치보다 더 높은 스펙트럼의 진폭 값에 대하여 검출되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 특성 주파수에 대한 스펙트럼 형상 및/또는 진폭에 따라, 상기 결함을 수량화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링은 상기 특성 주파수에서 및/또는 상기 특성 주파수의 하나 이상의 고조파에서 실시되는 것을 특징으로 하는,
    구조적 결함 검출 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 구조적 결합 검출 방법을 적용하여 자동차용 회전 부재를 포함한 기계 조립체의 마모 상태를 자가 진단(on-board diagnostics)하는 방법.
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