KR20120129938A - 미끄럼 베어링의 진단 방법 및 진단 장치 - Google Patents

미끄럼 베어링의 진단 방법 및 진단 장치 Download PDF

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Abstract

디젤 엔진에서의 미끄럼 베어링의 경미한 러빙 이상의 징후를 고정밀도로 검출한다. 이것을 실현하기 위해서, 미끄럼 베어링의 가동시에 발생하는 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 검출하여, 상기 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 가속도 스펙트럼으로 변환하고, 상기 가속도 스펙트럼에서의 측정 대상의 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 상기 축의 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하여, 특성값을 얻고, 얻어진 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과했는지의 여부를 모니터링하여, 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단한다.

Description

미끄럼 베어링의 진단 방법 및 진단 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DIAGNOSING BUSHING}
본 발명은, 미끄럼 베어링의 진단 방법 및 진단 장치에 관한다. 더욱 상세하게 서술하면, 본 발명은, 선박이나 발전 설비의 미끄럼 베어링에 특유한 베어링 접촉(러빙)의 징후를 검출하기 위한 진단 해석 방법의 개량에 관한다.
미끄럼 베어링은, 터빈이나 송풍기를 비롯한 대형의 중요 회전 설비나, 압축기를 비롯한 고속의 회전 설비나 중요 설비 등의 일반 산업 용도 이외에, 선박이나 발전용의 디젤 엔진의 베어링에도 사용되고 있다. 미끄럼 베어링은 유막으로 둘러싸여 비접촉으로 회전하기 때문에 통상은 손상되지 않지만, 시공 불량이나 날개의 언밸런스가 커플링의 미스 얼라인먼트, 오일휩 등에 의한 이상 진동에 의해 회전축과 미끄럼 베어링이 접촉(러빙)하여 손상된다. 상기 미끄럼 베어링에 어떠한 이상이 발생하면, 상시와는 다른 진동이나 소리가 발생하고, 이러한 상태에서 구동을 계속하면 경우에 따라서는 파손에 이르는 경우가 있다. 또한, 러빙 이상이 진행되면 시징이 발생하여, 설비 정지에 이르는 경우도 있다.
이와 같은 사태를 회피하기 위한 미끄럼 베어링의 진단 기술로서, 종래에는, 와전류형 센서에 의한 축진동이나 압전형 가속도 센서에 의한 베어링 상자 진동을 이용한 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 미끄럼 베어링으로부터 발생하는 진동이나 소리와 같은 파형 데이터에 고속 푸리에 변환(FFT)을 실시함으로써 얻어진 스펙트럼 패턴과, 미리 설정된 이상시의 스펙트럼 패턴을 비교하면, 당해 비교 결과에 기초하여 당해 미끄럼 베어링을 진단하는 것이 가능하다.
또한, 미끄럼 베어링 등에서의 러빙(회전부와 정지부의 접촉)의 유무를 판정하는 방법으로서, 예를 들어 회전축과 베어링이 접촉할 때에 발생하는 음향을 검출해서 음향 신호를 취출하고, 이 음향 신호를 포락선 검파 처리(포락선 처리)해서 포락선 검파 후 데이터를 형성하여, 켑스트럼 값과 기준값의 비교를 행하고, 이 판정 결과로부터 러빙 판정을 행한다는 것도 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조). 미끄럼 베어링의 시징 손상의 초기 단계인 러빙 현상의 발생을 경미한 단계에서 조기에 검출할 수 있으면, 시징 손상을 미연에 방지할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 평8-261817호 공보
그러나, 상술한 바와 같은, 와전류형 센서에 의한 축진동이나 압전형 가속도 센서에 의한 베어링 상자 진동을 이용하는 종래의 방법에서는, 터빈 등의 일반 산업 용도의 미끄럼 베어링에서의 경미한 러빙 이상의 징후를 검출하는 것이 곤란하다. 특히, 선박이나 발전 설비 등의 디젤 엔진에서는, 피스톤 운동 및 폭발이나 급배기에 수반하는 진동 노이즈를 수반하기 때문에, 진동법에 의한 베어링의 러빙이나 오일 중의 이물질 혼입의 검출 기술 자체가 보기 어렵다.
또한, 음향 신호의 포락선 검파 처리 후 데이터를 사용한 방법은, 베어링의 러빙 검출은 가능하지만, 진폭 변조 성분에만 착안하므로, 이상의 진단 정밀도가 떨어지는 경우가 있다. 특히, 선박이나 발전 설비 등의 디젤 엔진에서는, 피스톤 운동 및 폭발이나 급배기에 수반하는 진동 노이즈를 수반하기 때문에, 음향법에 의한 베어링의 러빙이나 오일 중의 이물질 혼입의 검출 기술 자체가 보기 어렵다.
따라서, 본 발명은, 미끄럼 베어링의 경미한 러빙 이상의 징후를 고정밀도로 검출하는 것을 가능하게 하는 진단 방법 및 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 미끄럼 베어링에 특유한 이상을 가속도 센서만으로 고정밀도로 검출하는 동시에, 디젤 엔진과 같은 피스톤 운동 및 폭발이나 급배기에 수반하는 진동 노이즈가 존재하는 미끄럼 베어링에 대한 적용에 착안하여, 다양한 검토를 행했다. 그 결과, 경미한 러빙 현상이 발생하면, 가속도 레벨의 상승은 얼마 되지 않지만, 가속도 파형을 주파수 영역으로 변환했을 때의 스펙트럼(이하, 가속도 스펙트럼이라고도 함)에 있어서, 진폭 변조 외에도 주파수 변조를 받는 것을 발견했다. 뿐만 아니라, 주파수 변조는, 검출 대상이 되는 축(이하, 간단히 축이라고 생략함)의 회전 주파수 간격으로의 복수의 피크로 구성된다는 것을 확인하기에 이르렀다. 또한 본 발명자들은, 가속도 스펙트럼의 상기 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 피크 정보를, 축의 회전 주파수 정보를 사용한 소정의 신호 처리를 실시함으로써, 경미한 러빙을 정량적으로 포착하는 것에 상도하여, 과제의 해결로 이어지는 새로운 지식을 얻기에 이르렀다.
뿐만 아니라, 본 발명자들은, 미끄럼 베어링에 강제적인 러빙을 발생시키는 실험을 행하여, 경미한 러빙 단계에서도 주파수 변조가 명확하게 발생하고 있음을 찾아내고, 켑스트럼 해석에 의해 이 주파수 변조 성분을 취출함으로써, 경미한 러빙 단계로부터의 이상 검출이 가능해짐을 알았다. 러빙이 발생하면 회전 주기의 큐프렌시가 발생하므로, 회전계로부터 얻어진 회전수로부터 회전 주기를 자동 계산하여, 회전 주기에 상당하는 큐프렌시의 피크값을 모니터링한다. 이 피크값이 미리 결정된 임계값을 초과한 경우에는, 경보 장치 등으로 러빙의 발생을 알리면 된다.
본 발명은 이와 같은 지식에 기초하는 것으로, 다음과 같은 것이다. 즉, 미끄럼 베어링의 가동시에 발생하는 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 검출해서, 상기 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 가속도 스펙트럼으로 변환하고, 상기 가속도 스펙트럼에서의 측정 대상의 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 상기 축의 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하여 특성값을 얻고, 얻어진 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링하여, 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 것이다.
본 발명에 관한 진단 방법에 따르면, 진폭 변조에만 주목했던 종래의 검출 방법보다 고감도다. 또한, 디젤 엔진의 미끄럼 베어링과 같은 피스톤 운동 및 폭발이나 급배기에 수반하는 진동 노이즈를 수반하는 경우에도, 러빙에 수반되는, 주파수 변조(축의 회전 주파수 간격의 복수의 피크 정보)를 검출함으로써 감도 좋게 러빙 현상을 검출할 수 있다.
여기서, 본 발명과 종래 기술을 비교한다. 미끄럼 베어링 진단에서는, 축의 접촉에 의해 발생하는 음향 신호의 돌발형 파형을 포락선 검파 처리한 후에 주파수 분석을 하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은, 주파수 변조를 검출하고 있는 것이 아니라, 데이터의 진폭 변조 성분에만 기초해서 진단하는 방법으로, 본 발명과는 원리적으로 상이한 방법이다. 또한, 예를 들어, 당해 미끄럼 베어링 등에서 진폭 변조 성분만으로 발생하는 덜걱거림과 같은 이상이 발생한 경우에는, 상기 포락선 후의 주파수 분석에서는, 러빙시와 마찬가지의 회전 주파수 및 그 고차 성분이, 덜걱거림에 의해 발생하기 때문에, 러빙 이상과의 판별이 곤란해져 진단 정밀도가 떨어질 가능성이 있다. 이 점, 진동 신호를 그대로 주파수 분석하여, 거기에 발생하는 축의 회전수 간격으로 발생하는 주파수 변조를 처리하는 본 발명에 따르면, 덜걱거림이 발생했어도 주파수 변조를 받지 않기 때문에, 그 판별은 가능해진다.
이상에 대해서 더욱 상세하게 서술하면 이하와 같다. 우선, 일반적으로, 덜걱거림 진동이 발생하면, 시간축 파형의 진폭이 커지거나 작아지는 진폭 변조가 발생한다. 이 경우, 포락선 검파 처리를 행한 스펙트럼에서는, 회전 주파수 및 그 고차 성분의 발생이 나타난다. 이것은, 러빙시에도 마찬가지가 되기 때문에, 포락선 검파 처리 후의 켑스트럼에서는, 러빙과 덜걱거림의 식별이 곤란하다. 이에 대해, 러빙(접촉)이 발생한 경우에는, 진폭 변조 외에, 강하게 문지를 때와 약하게 문지를 때가 발생하고, 이에 의해 조밀파의 시간축 파형으로 되어, 주파수 변조를 받은 파형이 된다. 종래 방법에 따르면, 이 시간축 파형의 포락선 검파 처리를 실시한 시점에서, 진폭 변조만을 취출하고 있는 것이 되며, 주파수 변조에 대해서는 무시하는 것이 된다. 즉, 이러한 종래 방법에 의한 포락선 검파 처리 후의 파형에서는, 주파수 변조를 해석할 수 없게 된다.
이에 대해, 경미한 러빙에 있어서, 축의 회전 주파수에 대응하는 주파수 변조를 받은 복수의 피크 정보를 축의 회전수 정보로부터 소정의 방법으로 정량적으로 추출함으로써 현저하게 검출하는 것이 가능하다. 또한, 덜걱거림에서는 주파수 변조는 받지 않으므로, 스펙트럼에서의 회전 주파수 간격으로의 발생은 현저하지 않아, 러빙과 덜걱거림을 식별할 수 있다. 이상이, 본 발명에서의 종래 방법과는 다른 특징점이다.
본 발명에 관한 진단 방법의 구체예의 하나로서, 가속도 스펙트럼을 로그 변환 후에 역 푸리에 변환하는 켑스트럼 연산을 행하고, 당해 켑스트럼 연산 후의 파형 데이터로부터 얻어지는 큐프렌시 값의 시계열 데이터를 얻어, 상기 큐프렌시 값이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 큐프렌시 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 것이 바람직하다.
켑스트럼 연산은, 후술하는 자기 상관이나 상호 상관에 비해, 연산에 사용하는 가속도 스펙트럼의 주파수 의존성이 적다. 따라서, 통상적이라면, 데이터 수집의 샘플링 간격이나 센서의 감도로부터 결정되는 유효한 주파수 범위에서 연산함으로써 진단 기술에 적용할 수 있다.
또한, 켑스트럼 연산과 상이한 진단 방법의 예로서, 상기한 가속도 데이터로부터 얻어진 가속도 스펙트럼의 자기 상관을 구하는 연산을 행하고, 당해 연산에 의해 얻어지는 자기 상관의 값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 자기 상관의 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 2개와 상이한 진단 방법의 예로서, 가속도 스펙트럼과 소정의 스펙트럼의 상호 상관을 구하는 연산을 행하고, 당해 연산에 의해 얻어지는 상호 상관의 값이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 상호 상관의 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 것이 바람직하다.
미끄럼 베어링에 이상이 발생한 경우, 당해 이상에 의해 발생하는 진동의 가속도가 상당히 크다면 몰라도, 통상, 당해 이상은 회전축이 베어링의 내주면에 약간 접촉했다고 할 정도의 것에 지나지 않아, 가속도 파형 데이터 중에서의 변화는 미소하다. 이 때문에, 당해 파형 데이터로부터만 이상의 유무를 검출하는 것은 매우 곤란하다. 그런데, 약간 접촉한 정도라도, 당해 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환한 주파수 영역의 가속도 스펙트럼에 있어서, 주파수 변조, 즉, 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크가 발생하는 것을 본 발명자들은 발견했다. 즉, 주파수 변조가 축의 회전 주파수 간격으로 발생하고 있으므로, 축의 회전 주파수 정보와 상기 주파수 영역의 가속도 스펙트럼을 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 주파수 변조에 수반하는 특성값을 얻는 것이 가능하다. 상기 특성값을 모니터링하여, 소정의 임계값을 초과한 경우에, 측정 대상의 미끄럼 베어링이 이상하다고 판단할 수 있다.
상기 특성값을 얻는 방법 및 이상의 진단 방법으로는, 다양한 방법을 생각할 수 있다. 예를 들어, 상기 주파수 영역의 가속도 스펙트럼을 로그로 변환하고, 또한 이 로그 스펙트럼을 역 푸리에 변환한다는 해석, 즉 켑스트럼 해석을 실시하면, 미끄럼 베어링에서의 회전 주기에 상당하는 부분의 큐프렌시가 나타난 켑스트럼이 얻어진다. 켑스트럼의 횡축은, 주파수 축상의 함수를 푸리에 변환한 것이기 때문에 시간의 차원을 갖는다. 따라서, 이 진단 대상의 미끄럼 베어링부의 축 회전 주기에 해당하는 큐프렌시 값의 레벨(큐프렌시 레벨이라고 정의함)의 시계열 데이터를 얻어, 상기 큐프렌시 레벨이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링하여, 모니터링 중에 큐프렌시 값이 당해 임계값을 초과한 경우에, 미끄럼 베어링의 당해 회전 주파수(fr)에 따라서 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단할 수 있다.
켑스트럼 해석이란, 압전형 가속도 센서에 의해 검출한 가속도 파형을 푸리에 변환해서 얻어진 스펙트럼의 진폭을 로그 변환한 후, 역 푸리에 변환하는 해석 방법이며, 스펙트럼의 발생 주파수 성분의 규칙성을 발견한다. 스펙트럼이 규칙성을 가지면, 큐프렌시라고 불리는 주기의 피크가 발생한다.
또한, 켑스트럼 해석 이외에, 자기 상관 해석에 의해 특성값을 얻는 것도 가능하다. 가속도 데이터를, 샘플링 주파수(Z)[Hz]에서 N개 수집했을 경우, 파수 영역의 가속도 스펙트럼은, Z/N[Hz]부터 Z[Hz]까지의 N개의 주파수 영역으로 분해할 수 있다. 단, 일반적으로 유효한 주파수 영역은, Z[Hz]의 1/2 이하다. 따라서, 상기 가속도 스펙트럼을, 길이 N'까지의 데이터 열(벡터)로 해서 X로 나타낸다. 이 X에 대하여, 수학식 1과 같은 자기 상관을 계산하여, m이 0부터 N'-1까지 계산한다. 경미한 러빙이 발생한 경우, 축의 회전수 간격으로 복수의 피크가 존재하기 때문에, Rxx(m)의 m(주파수 환산으로는 m＊Z/N[Hz])이 회전 주기의 배수에 대응하는 값으로 될 때에, 큰 피크값으로서 나타난다. 배수 제로 이외의 피크, 예를 들어 1번째의 피크값을 특성값으로 해서, 상기 특성값이 임계값을 초과한 경우에 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단할 수 있다.
Figure pct00001
또한, 켑스트럼 해석이나 자기 상관 해석 이외에, 상호 상관 해석으로도 상기 특성값을 얻는 것이 가능하다. 즉, 상기한 가속도 스펙트럼(X)과 축의 회전 주기 간격으로 직사각형이나 가우스 분포 등의 소정의 피크를 갖는 인공적인 스펙트럼(템플릿 파형이라고 함)(Y)과의 상호 상관에 의해 특성값을 얻는 것도 가능하다. 템플릿 파형의 Y의 데이터 길이로는, 가속도 스펙트럼(X)과 동일하거나, 보다 짧은 파형으로 구성할 수 있다. Y 파형의 길이를 M으로 하여, M이 가속도 스펙트럼(X)의 길이(N')보다 짧은 경우에는, X와 동일한 길이가 되도록 제로를 더하여, 수학식 2로 계산한다. 경미한 러빙이 발생한 경우, 축의 회전수 간격으로 복수의 피크가 존재하기 때문에, Rxy(m)의 m이 회전 주기의 배수에 대응하는 값일 때에 큰 피크로서 나타난다. 단, 수학식 2 그대로의 계산으로는 최초로 얻어지는 피크의 선두 위치가 축의 회전 주파수에서 어긋나며, 그 후의 피크 위치도 동등 정도 어긋나는 경우가 있다. 따라서, Rxy(m)에서, m=0부터 m이 회전 주파수가 되는 동안에 Rxy가 최대가 되는 m을 구하고, 그 m을 m=0으로 함으로써, 이 어긋난 정도를 보정하는 것이 가능하다.
Figure pct00002
본 발명의 진단 방법에서는, 진동 가속도의 주파수 영역의 스펙트럼으로서 미리 축의 회전 주파수마다 피크를 갖는 소정의 인공 스펙트럼을 작성하고, 상기 인공 스펙트럼과 가속도 스펙트럼의 상호 상관을 연산하여, 상기 상호 상관이 가장 높은 주파수 영역을 포함하는 소정의 주파수 범위에서 특성값을 연산한다.
또한, 본 발명자들은, 상기의 자기 상관이나 상호 상관을 계산하는 주파수 영역의 스펙트럼에 있어서, 특성값을 연산하기 위한 주파수 영역을 한정하는 것이 바람직한 것을 발견했다. 즉, 러빙의 발생에 수반하는 축의 회전 주파수 간격의 복수 피크가 현저한 주파수 영역과 회전 주파수 간격이 아닌 피크가 현저한 주파수 영역이 존재하는 경우가 있음을 발견했다. 따라서, 특성값을 얻기 위한 주파수 영역을 한정하는 것이 바람직하다. 바람직한 주파수는, 1,000[Hz] 내지 20,000[Hz]의 범위로부터 소정의 주파수 영역에서 연산하는 것이다. 소정의 주파수의 결정 방법으로는, 예를 들어 주파수 스펙트럼에 있어서, 피크가 발생하고 있는 주변으로 결정할 수 있다. 또한, 상기한 축의 회전 주파수마다의 피크를 갖는 템플릿을 작성하고, 수학식 2에서 상호 상관(Rxy)이 최대가 되는 m에 템플릿의 길이의 평균을 더한 값을 계산하여, 그 계산값에 대응하는 주파수를 구한다. 상기 주파수는, 템플릿과의 최대 상관이 되는 주파수이며, 상기 주파수를 포함하는 소정의 범위로 결정할 수 있다. 한편, 1,000[Hz] 내지 20,000[Hz]의 주파수 영역의 스펙트럼 중의 최대 피크의 주변을 사용할 수도 있지만, 상기한 방법이 바람직한 결과가 얻어지는 경우가 더 많다.
또한, 본 발명자들에 의한 비교 시험에 따르면, 미끄럼 베어링에 접촉하는 부재(지그)의 재질의 차이에 따른 특이한 진단 차이는 인정되지 않으며, 미끄럼 베어링측의 재질이나 특성에 따라서도 특이한 차는 보이지 않는 것이 확인되었고, 또한, 스펙트럼이 현저하게 나오는 범위인 1k 내지 10kHz를 측정하면, 미끄럼 베어링의 재질의 차이(주석, 구리, 알루미늄 등)에 관계없이 러빙 현상을 검출할 수 있음이 확인되었다. 상술한 진단시에는, 진동 가속도를 나타내는 파형 데이터로서, 적어도 1k 내지 30kHz의 영역의 데이터, 보다 바람직하게는 적어도 1k 내지 10kHz의 영역의 데이터를 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 진단 방법에서는, 이렇게 축의 회전 주파수로 주파수 변조된 복수의 가속도 스펙트럼의 피크 정보를 활용함으로써, 경미한 러빙을 정량적으로 포착하는 것을 가능하게 했다. 본 발명의 진단 방법에 따르면, AE 센서를 병용하지 않더라도, 가속도 센서만으로 조기에 고정밀도로 이상을 검출할 수 있다. 또한, 종래 곤란했던, 예를 들어 디젤 엔진의 미끄럼 베어링과 같은 피스톤 운동 및 폭발이나 급배기에 기인하는 진동 노이즈를 수반하는 경우의 진단에도 응용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 종래에는 가속도 센서만으로 검출할 수 없었던 러빙 등의 이상 상태를 조기에 고정밀도로 검출할 수 있다. 따라서, 예를 들어 미끄럼 베어링의 시운전시의 정기 점검 후 진단에서 경미한 러빙 상태를 검출할 수 있으면 시공 불량을 수정할 수 있어, 시징 트러블로의 발전을 미연에 방지하는 것도 가능하다. 또한, 이와 같이 하여 미끄럼 베어링의 러빙 이상을 조기에 검출하는 것은, 당해 미끄럼 베어링을 포함하는 기기나 설비(예를 들어, 대형의 중요 회전 설비나, 압축기를 비롯한 고속의 회전 설비 등)의 운전의 안정화나 정기 점검 주기의 연장, 나아가 잔여 수명의 판단에 기여한다.
본 발명은, 종래, 베어링 이상을 직접적으로 진단할 수 있는 방법이 없었던 디젤 엔진에 적용하기에 적합하다. 디젤 엔진은, 통상, 복수 기통으로 구성되어, 그 수만큼 베어링이 있다. 이 때문에, 축의 휨 등에 의해, 각 베어링의 모든 균형을 잡는 것이 어려워 러빙이 발생하기 쉽다. 또한, 선박 엔진에서는 이동체 내에 설치되어 있기 때문에, 더욱 가혹한 환경하에 놓여져 있다. 항해 중에 파손된 경우의 손해는 막대하다. 본 발명에 따르면, 이들 디젤 엔진에서의 미끄럼 베어링의 이상을 검출할 수 있어, 치명상에 이르기 전에 부품 교환 등의 대처를 계획적으로 실시할 수 있어, 안정 운전이나 뜻하지 않은 사고 위험 저감에 크게 기여한다.
또한, 본 발명에 관한 진단 장치는, 미끄럼 베어링에서의 러빙 등의 이상을 진단하는 미끄럼 베어링의 진단 장치에 있어서, 회전축의 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서와, 회전축의 진동시의 가속도를 검출하는 가속도 센서와, 상기 가속도 센서에 의해 검출된 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 파형 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역의 파형 데이터 중의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하는 연산 장치에 의해, 특성값을 얻고, 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링하여, 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 모니터링 장치와, 당해 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 모니터링 장치가 판단했을 때에 당해 판단 결과를 외부로 출력하는 통보 장치를 구비하는 것이다.
본 발명에 따르면, 미끄럼 베어링의 경미한 러빙 이상의 징후를 고정밀도로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 도시하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치의 개략 구성도다.
도 2는 회전수 검출 센서 및 가속도 센서를 이용해서 얻어지는 가속도 파형 데이터의 일례를 나타내는 도다.
도 3은, 도 2의 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환한 주파수 영역의 파형 데이터(파워 스펙트럼)다.
도 4는 가속도 스펙트럼으로부터 얻어지는 (a) 켑스트럼, (b) 자기 상관, (c) 상호 상관의 각 특성값이다.
도 5는 상호 상관에 사용하는 템플릿의 예다.
도 6은 특성값의 경시 변화의 일례를 나타내는 그래프다.
도 7은 본 발명의 검증에 사용한 시험 제공 메탈로 이루어지는 미끄럼 베어링의 일례를 나타내는 (a) 평면도와 (b) 정면도다.
도 8은 갭과 가속도 O/A값의 관계를 나타내는 그래프다.
도 9는 회전수 1200[rpm]에서의 가속도 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 10은 회전수 1200[rpm]에서의 주밍 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 11은 회전수 1200[rpm]시의 무차원 징후 파라미터와 갭의 관계를 나타내는 그래프다.
도 12는 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm]시의 가속도 파형 및 가속도 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 13은 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm]시의 주밍 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도 14는 회전수 1200[rpm], 갭 15/100[mm]시의 (a) 켑스트럼, (b) 자기 상관 및 (c) 상호 상관을 나타내는 그래프다.
도 15는 회전수 1200[rpm], 갭 3/100[mm]시의 (a) 켑스트럼, (b) 자기 상관 및 (c) 상호 상관을 나타내는 그래프다.
도 16은 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm]시의 (a) 켑스트럼, (b) 자기 상관 및 (c) 상호 상관을 나타내는 그래프다.
도 17은 회전수 1200[rpm], 갭 0/100[mm]시의 (a) 켑스트럼, (b) 자기 상관 및 (c) 상호 상관을 나타내는 그래프다.
도 18은 회전수 1200[rpm]시의 무차원 징후 파라미터와 출력비(이상시의 출력 레벨과 정상시의 출력 레벨의 비)의 관계를 도시하는, a) 큐프렌시 레벨과 종래법의 비교를 나타내는 그래프, b) 각 특성값의 비교를 나타내는 그래프다.
도 19는 회전수 2800[rpm]시의 무차원 징후 파라미터와 출력비(이상시의 출력 레벨과 정상시의 출력 레벨의 비)의 관계를 도시하는, a) 큐프렌시 레벨과 종래법의 비교를 나타내는 그래프, b) 각 특성값의 비교를 나타내는 그래프다.
도 20은 각 갭시의 큐프렌시 경향과 켑스트럼을 나타내는 그래프다.
도 21은 정상시의 가속도 시간축 파형의 일례(회전수 94rpm)를 나타내는 그래프다.
도 22는 정상시의 가속도 포락선 스펙트럼의 일례(회전수 94rpm)를 나타내는 그래프다.
도 23은 정상시의 켑스트럼, 자기 상관 및 상호 상관 해석 결과의 일례를 나타내는, (a) 회전 주기 큐프렌시값 경향과, 소정시의 (b) 켑스트럼, (c) 자기 상관 및 (d) 상호 상관의 도다.
도 24는 경미한 러빙 발생시(회전수 85rpm)의 켑스트럼, 자기 상관 및 상호 상관 해석 결과의 일례를 나타내는, (a) 회전 주기 큐프렌시값 경향과, 소정 시간에서의 (b) 켑스트럼, (c) 자기 상관 및 (d) 상호 상관의 도다.
도 25는 경미한 러빙 발생시의 가속도 시간축 파형의 일례(회전수 85rpm)를 나타내는 그래프다.
도 26은 경미한 러빙 발생시의 가속도 포락선 스펙트럼의 일례(회전수 85rpm)를 나타내는 그래프다.
도 27은 임계값의 설정예를 나타내는 그래프다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 도시하는 실시 형태의 일례에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 6에 본 발명에 관한 미끄럼 베어링의 진단 방법 및 진단 장치의 실시 형태를 도시한다. 미끄럼 베어링(1)은, 터빈을 비롯한 대형의 중요 회전 설비나, 압축기를 비롯한 고속의 회전 설비 등에 적용 가능한, 회전축(2)의 베어링 장치다. 본 발명에 관한 미끄럼 베어링(1)의 진단 장치(10)는, 회전수 검출 센서(11)와, 가속도 센서(12)와, 모니터링 장치(13)와, 통보 장치(14)를 구비하고 있다. 이하에서는 우선 이 진단 장치(10)의 구성에 대해서 설명한다(도 1, 도 2 등 참조).
회전수 검출 센서(11)는, 회전축(2)의 회전수를 검출하기 위한 센서다. 예를 들어 본 실시 형태에서는, 회전축(2)의 표면에 설치되어 상기 회전축(2)과 함께 회전하는 예를 들어 반사 테이프로 이루어지는 피검출 부재(11b)와, 상기 피검출 부재(11b)를 통해 회전축(2)의 회전 펄스를 검출하는 펄스 검출기(11a)로 이 회전수 검출 센서(11)를 구성하고 있다(도 1 참조). 펄스 검출기(11a)에 의해 검출된 데이터는, 모니터링 장치(13)에 송신된다. 실제 기기에서의 회전축(2)은, 회전수가 제어되고 있지만, 실제로는 전압 변동 등의 영향을 받아 회전수가 변동하는 경우가 많다. 이러한 회전수 검출 센서(11)에 따르면, 회전축(2)의 회전수가 시시각각 변동하고 있을 경우에도 펄스를 이용해서 회전수를 고정밀도로 검출하는 것이 가능하다.
가속도 센서(12)는, 러빙 현상 등이 발생했을 때의 진동에 기초하여 회전축(2)의 진동시의 가속도를 검출하기 위한 센서다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는 피에조 소자를 갖는 압전형의 가속도 센서를 사용하고, 당해 가속도 센서(12)를 미끄럼 베어링(1)의 베어링 상자에 설치하여, 당해 베어링 상자의 진동에 기초하여 가속도를 검출하는 것으로 하고 있다(도 1 참조). 이 가속도 센서(12)에 의한 검출 데이터는, 모니터링 장치(13)에 송신된다.
모니터링 장치(13)는, 상술한 회전 검출 센서(11)로부터의 송신 데이터 및 가속도 센서(12)로부터의 송신 데이터에 기초하여 미끄럼 베어링(1)의 진단을 행하고, 또한 이상이 발생했다고 판단했을 때에는 그 결과를 통보 장치(14)에 송신하는 장치다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 모니터링 장치(13)는, 가속도 센서(12)에 의해 검출된 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 파워 스펙트럼으로 변환하고, 상기 스펙트럼에서의 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 상기 축의 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하여, 특성값을 얻고, 얻어진 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과했는지의 여부를 모니터링하여, 상기 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 미끄럼 베어링(1)에 이상이 발생했다고 판단한다. 또한, 본 실시 형태의 모니터링 장치(13)에는, 연산 처리 장치(예를 들어 퍼스널 컴퓨터)가 접속되어 있다.
통보 장치(14)는, 미끄럼 베어링(1)에 이상이 발생했다고 모니터링 장치(13)가 판단했을 때에 당해 판단 결과를 출력하여, 사용자나 관계자들에게 통보하기 위한 장치다. 통보 장치(14)는, 예를 들어 광을 점멸시키거나, 경보음을 울림으로써 외부에 통보하는 것이어도 좋고, 연산 처리 장치(15)의 화면을 이용해서 관계자들에게 통보하는 것 등이어도 좋다.
계속해서, 이러한 진단 장치(10)를 사용한 미끄럼 베어링(1)의 진단 방법 및 그 원리 등에 대해서 설명한다(도 4 등 참조).
상술한 진단 장치(10)의 회전수 검출 센서(11) 및 가속도 센서(12)를 이용하면, 종래와 마찬가지로, 시간이 횡축인 가속도 파형 데이터를 검출할 수 있다(도 2 참조). 당해 미끄럼 베어링(1)에 이상이 발생한 경우, 당해 이상에 의해 발생하는 진동의 가속도가 상당히 크다면 몰라도, 예를 들어 경미한 러빙이 발생했을 때의 당해 가속도 파형 데이터 중에서의 가속도 진폭의 변화는 미소하여, 이 파형 데이터로부터만 이상의 유무를 검출하는 것은 매우 곤란하다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 이 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환해서 주파수 분석하여, 주파수 영역의 파형 데이터를 얻는다(도 3 참조). 이에 의해, 주파수가 횡축인 파워 스펙트럼이 얻어진다.
상기 스펙트럼에서의 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 상기 축의 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하여, 특성값을 얻는다.
상기 특성값의 보다 구체적인 검출 방법으로서, 상기 주파수 영역의 스펙트럼의 로그 스펙트럼을 계산하고, 상기 로그 스펙트럼을 역 푸리에 변환(켑스트럼 연산)하여, 당해 켑스트럼 연산 후의 파형 데이터로부터 얻어지는 큐프렌시 값을 사용한다(도 4의 (a) 참조). 큐프렌시는, 축의 회전 주기의 배수의 위치에서 피크를 갖기 때문에, 복수의 피크를 가산해서 특성값으로 해도 좋다.
또한, 특성값으로서, 다음과 같은 가속도 스펙트럼의 자기 상관의 값을 사용하는 것이 가능하다(도 4의 (b) 참조). 즉, 샘플링 주파수 Z[Hz](본 실시 형태에서는 51200[Hz])에서 N개(본 실시 형태에서는 524288개)의 가속도 데이터를 수집했을 경우, 파수 영역의 가속도 스펙트럼은, Z/N[Hz]부터 Z[Hz]까지의 N개의 주파수 영역으로 분해할 수 있다. 단, 일반적으로 유효한 주파수 영역은, Z[Hz]의 1/2 이하다. 따라서, 상기 스펙트럼을 길이 N'까지의 데이터 열(벡터)을 X로 나타낸다. 이 X에 대하여, 상술한 수학식 1과 같은 자기 상관을 계산하여, m이 0부터 N'-1까지 계산한다. 경미한 러빙이 발생한 경우, 축의 회전수 간격으로 복수의 피크가 존재하기 때문에, Rxx(m)의 m(주파수 환산으로는 m＊Z/N[Hz])이 회전 주기의 배수에 대응하는 값이 될 때에 큰 피크로서 나타난다. 배수 제로 이외의 피크, 예를 들어 1번째의 피크값을 특성값으로 할 수 있다.
이 처리에서의 가속도 스펙트럼의 주파수 영역을 유효 주파수의 1000[Hz] 내지 20000[Hz] 중에서 이하와 같이 한정하고 있다. 회전 주파수 간격으로 피크를 갖는 직사각형파(도 5 참조)를 준비한다. 본 실시 형태에서는, 피크 폭이 축의 회전 주기의 1/10의 길이이고, 10개의 피크를 갖는 직사각형파를 준비하고, 이 직사각형파와 가속도 스펙트럼의 수학식 2의 상호 상관의 값이 최대가 되는 m의 값을 구한다. 직사각형파의 평균 데이터 길이(w)를 구한다. 주파수(m+w)×Z/N[Hz]의 값(R)[Hz]이, 상기 직사각형파와 가장 상관이 높아지는 가속도 스펙트럼의 중심 주파수다. 본 예에서는 이 값(R)[Hz]의 ±1000[Hz]의 범위를 지정하고 있다. 또한, 이 계산시에, 범위의 최소값이 유효 주파수의 최소값(본 예에서는 1000[Hz])을 하회하는 경우에는, 1000[Hz] 내지 3000[Hz]를 지정하고 있다. 또한, 유효 범위의 상한(본 예에서는20000[Hz])을 초과하는 경우에는, 18000[Hz] 내지 20000[Hz]로 하고 있다.
단, 상기한 주파수의 결정에 사용하는 상기 직사각형파 대신에 가우스 분포 등의 다른 파형을 사용할 수도 있다. 또한, 피크 폭이나 길이는 상기에 한정되는 것이 아니다.
또한, 자기 상관의 연산에 사용하는 가속도 스펙트럼의 주파수의 특정은, 가속도 스펙트럼으로부터, 사용자들이 그 범위를 결정하는 것도 가능하다.
또한, 상기의 특성값인 자기 상관의 피크값은, 베이스라인(도 4의 (b) 참조)의 영향을 받는 경우가 있어, 베이스라인 분을 빼는 것, 또는 피크값을 베이스라인의 평균값으로 나누는 것이 바람직하다. 본 예에서는, 기본 주파수의 0.7-0.8 주기의 부분을 베이스로 해서 그 평균값에서 빼고 있다.
또한, 자기 상관은, 축의 회전 주기의 배수의 위치에서 피크를 갖기 때문에, 복수의 피크를 가산해서 특성값으로 해도 좋다.
또한, 특성값으로서, 다음과 같은 가속도 스펙트럼의 상호 상관을 사용하는 것이 가능하다(도 4의 (c) 참조). 즉, 축의 회전 주기 간격으로 직사각형이나 가우스 분포 등의 소정의 피크를 갖는 인공적인 스펙트럼(템플릿 파형이라고 함)(Y)과, 상기한 가속도 스펙트럼(X)과의 상호 상관에 의해 특성값을 얻는 것도 가능하다. 템플릿 파형의 Y의 데이터 길이로는, 가속도 스펙트럼(X)과 동일하거나, 보다 짧은 파형으로 구성할 수 있다. Y 파형의 길이를 M으로 하고, M이 가속도 스펙트럼(X)의 길이(N')보다 짧은 경우에는, X와 동일한 길이가 되도록 제로를 더하여, 상술한 수학식 2로 계산한다. 경미한 러빙이 발생한 경우, 축의 회전수 간격으로 복수의 피크가 존재하기 때문에, Rxy(m)의 m이 회전 주기의 배수에 대응하는 값일 때에 큰 피크로서 나타난다. 단, 수학식 2 그대로의 계산에서는 최초로 얻어지는 피크의 선두 위치가 축의 회전 주파수에서 어긋나며, 그 후의 피크 위치도 동등 정도 어긋나는 경우가 있다. 따라서, Rxy(m)에서, m=0부터 m이 회전 주파수가 되는 동안에 Rxy가 최대가 되는 m을 구하고, 그 m을 m=0으로 함으로써, 이 어긋난 정도를 보정하는 것이 가능하다.
이때, 본 실시 형태에서는, 상호 상관을 계산하는 가속도 스펙트럼의 주파수 및 베이스라인에 의한 피크의 보정은, 상기 자기 상관의 경우와 동일한 방법을 채용하고 있다.
또한, 상호 상관을 구하는 템플릿은, 축의 회전 주파수의 1/10의 폭을 갖고, 가속도 스펙트럼의 지정한 범위에 대하여, 축의 회전 주파수의 2.5 주기만큼 짧은 것을 사용했다.
단, 템플릿은, 축의 회전 주파수 간격으로 피크를 가지는 것이면, 직사각형파에 한정되는 것이 아니다. 또한, 피크의 폭이나 길이도, 본 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 상호 상관은, 축의 회전 주기의 배수의 위치에서 피크를 갖기 때문에, 복수의 피크를 가산해서 특성값으로 해도 좋다.
본 실시 형태에서는, 이와 같이 하여 축의 회전 주파수 간격으로의 피크의 값을 정량화해서 얻어지는 특성값의 시계열 데이터를 얻으면, 상기 특성값이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링한다. 일반적으로, 이 특성값은, 당해 미끄럼 베어링(1)에서 러빙 등의 이상이 발생하면 현저하게 증가하는 경향이 있다(도 6에서의 2점 쇄선 참조). 이에 대해, 본 실시 형태에서는, 이 특성값에 대하여 미리 소정의 임계값을 설정해 두고, 경시 변화하는 특성값(L)이 당해 임계값을 초과한 시점에서 미끄럼 베어링(1)에 이상이 발생했다고 판단한다. 일례로서, 본 실시 형태에서는, 큐프렌시 경향 레벨의 정상시 평균값+3σ(표준 편차)를 초과한 경우에 미끄럼 베어링(1)에 이상(접촉)이 발생했다고 판단하는 것으로 하고, 당해값을 소정의 임계값으로 하고 있다. 물론, 이상과 같은 임계값에 대한 생각은, 특성값으로서 가속도 스펙트럼의 자기 상관의 값을 사용했을 경우(도 4의 (b) 참조), 특성값으로서 가속도 스펙트럼의 상호 상관을 사용했을 경우(도 4의 (c) 참조)에 대해서도 마찬가지다.
여기서, 도 27에 도시하는 구체예에 기초하여, 임계값에 대해 더 설명한다. 도 27에서, 정상적인 상태인 (1)의 영역에서, 실제 데이터로부터 계산에 의해 구해지는 큐프렌시 경향 레벨의 평균값은 0.0343, 표준 편차(σ)는 0.0071이다. 이 경우, 평균값+3σ는, 0.00556이 된다(도 27에서 임계값을 나타내는 파선을 참조).
혹은, 상기의 다른 예로서, 큐프렌시 경향 레벨의 평균값의 2배를 소정의 임계값으로 할 수도 있다. 이러한 경우, 평균값+3σ보다 약간 큰 값으로 되는 경우가 있지만, 실용상의 문제는 없다.
이상과 같은 축의 회전 주파수 간격으로의 피크의 값을 정량화해서 얻어지는 특성값의 해석에 따르면, 스펙트럼 중에 숨어 있는 주기성을 검출하여, 기본 주파수(혹은 기본 주기의 역수)를 구할 수 있다. 이에 따르면, 경미한 러빙 등이어도 고정밀도로 검출하고, 그 징후를 조기에 발견하는 것이 가능해진다. 게다가, 본 실시 형태에서는, 종래 사용되고 있는 가속도 센서를 그대로 이용한 이상 진단을 가능하게 하고 있다.
또한, 상술한 실시 형태는 본 발명의 적합한 실시의 일례이기는 하지만 이것에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 예를 들어 상술한 실시 형태에서는, 본 발명에 관한 미끄럼 베어링(1)이, 대형의 중요 회전 설비나, 압축기를 비롯한 고속의 회전 설비 등에 적용 가능한 것이라고 설명했지만, 이 경우의 적용 분야 내지 범위에는, 석유 화학, 원자력 발전소, 석유 정제, 철강 등의 공장에서의 회전 기기의 미끄럼 베어링이 포함되는 것은 물론이다. 또한, 이들 외에도, 종래 검출이 곤란했던, 선박의 디젤 엔진이나 디젤 발전기 등의 피스톤 운동이나 폭발에 의한 진동이나 음향 노이즈가 있는 베어링에도 적용 가능하다.
예를 들어 디젤 발전기에 사용되고 있는 4 스트로크 사이클의 경우, 정상시에도 디젤 기관에서는 폭발에 의해 2회전에 1회의 주파수 변조를 받은 진동이 발생한다. 러빙이 발생하면 진동 파형은, 주축의 편심에 의한 접촉 압력의 강약에 의해, 회전 주파수의 규칙성으로 주파수 변조를 받는다. 주파수 변조를 받으면 진동 가속도 스펙트럼에 회전 주기의 측대파가 발생한다. 즉, 큐프렌시의 발생 주기에 의해 폭발에 의한 신호와 러빙에 의한 신호가 분리 가능하다.
또한, 대형 선박의 디젤 엔진에 사용되는 2 스트로크 사이클의 경우에는, 러빙시와 마찬가지로, 1회전에 1회의 큐프렌시가 실린더 헤드부에 발생하는데, 크로스헤드 핀 베어링과 크랭크 핀 베어링에서 폭발의 진동을 흡수하는 구조상의 영향과 대형에 의한 거리 감쇠의 영향인 것으로 생각되지만, 정상시에는 베어링부에 폭발 진동의 영향을 받지 않고 있음을 확인했다. 즉, 디젤 발전기와 마찬가지로, 회전 주기의 큐프렌시에 착안함으로써, 러빙 이상을 검출하는 것이 가능하다.
실시예 1
실험 장치를 제작하여, 상술한 미끄럼 베어링(1)의 진단 방법을 검증하기 위한 실험을 행했다. 이하, 실시예로서 설명한다.
실험 장치에서는, 시험 제공 메탈(베어링 합금으로서의 화이트 메탈)로 이루어지는 미끄럼 베어링(1)에 의해, 회전축(2)의 주축을 축지지한 상태에서, 당해 회전축(2)을 복수 종류의 속도로 회전시켜 나갔다(도 7 참조). 특히 상세하게 도시하고 있지 않지만, 본 실시예에서는, 회전축(2)의 양단부 부근을 지지 베어링(구름 베어링)으로 축지지하는 동시에, 모터를 이용해서 당해 회전축(2)을 회전시켰다.
회전축(2)의 주축의 외경을 100[mm]로 했다. 또한, 상기 회전축(2)과 미끄럼 베어링(메탈 케이싱)(1)의 내주와의 사이에 형성되는 간극(갭) 중 한쪽을 A, 다른 쪽을 B로서 나타냈을 경우(도 7의 (a) 참조), 총 갭(A와 B의 합)을 30/100[mm]로 설정했다(따라서, 간극 A, 간극 B에서의 갭이 15/100[mm]일 때, 회전축(2)은 미끄럼 베어링(1)의 중앙에 위치한다). 또한, 볼트를 이용한 이동 기구(볼트의 선단을 이동 대상에 대어 눌러 이동시키는 기구)에 의해 미끄럼 베어링(1)을 회전축(2)의 중심축과는 수직인 방향으로 수평 이동시켜, 갭 B를 변화시켰다. 이러한 실험 장치를 사용하여, 회전축(2)의 회전 속도를 1200[rpm], 1800[rpm], 2800[rpm]으로 해서 실험을 행했다. 그 결과, 러빙이 발생하면 가속도값의 상승이 나타나는데, 경미한 러빙의 경우에는 가속도 O/A값의 차이가 0.01g 정도 밖에 되지 않으므로, 가속도 레벨에서의 평가는 곤란한 것으로 생각되었다(도 8 참조). 또한, 가속도 O/A값의 단위인 g(지)는 진동 가속도의 단위로, 1g=9800mm/s2=9.8m/s2이다.
다음으로, 회전축(2)의 회전수가 1200[rpm]인 경우에, 갭 15/100일 때, 갭 3/100일 때, 갭 1/100일 때(경미한 러빙 상태), 갭 0/100일 때(러빙 상태)의 각각에 대해서 가속도 스펙트럼을 검출했다(도 9의 (a) 내지 (d) 참조). 또한, 각각의 가속도 스펙트럼의 일부를 확대해서 주밍 스펙트럼을 얻었다(도 10의 (a) 내지 (d) 참조).
이들 각 스펙트럼 등의 결과로부터, 회전수가 1200[rpm]인 경우의 가속도 파형의 형상 변화를 나타내는 다양한 무차원 징후 파라미터와 갭의 관계를 얻었다(도 11 참조). 그 결과로부터, 러빙 발생에 의해 첨도와 파고율, 변형도의 상승이 나타나는데, 경미한 러빙의 경우에는 이들 변화가 작은 것이 확인되었다. 또한, 변형도(β1), 첨도(β2), 파고율(CF)(Crest Factor), 파형율(SF)(Shaped Factor), 변동율(C.V)(이상, 무차원 징후 파라미터), 나아가 이들 무차원 징후 파라미터에 관계되는 표준 편차(s, k), 다음 모멘트(μk)의 각각은, 이하의 수식에 의해 구할 수 있다.
Figure pct00003
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Figure pct00009
여기서, 본 발명자들은, 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm](경미한 러빙 상태)일 때의 가속도 파형과 가속도 스펙트럼의 각 파형에 대해서도 검토했다(도 12 참조). 그 결과로부터, 경미한 러빙의 경우에는, 가속도 스펙트럼의 상승 레벨이 얼마 되지 않음이 확인되었다.
또한, 본 발명자는, 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm](경미한 러빙 상태)일 때의 주밍 스펙트럼의 파형에 대해서도 검토했다(도 13 참조). 그 결과로부터, 러빙이 발생하면, 가속도 스펙트럼이 회전 주파수에 의해 변조되어 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 발명자들은, 회전수 1200[rpm], 갭 15/100[mm](접촉하지 않은 상태)일 때 켑스트럼의 파형, 자기 상관 파형 및 상호 상관 파형(도 14 참조), 회전수 1200[rpm], 갭 3/100[mm](접촉하지 않은 상태)일 때 켑스트럼의 파형, 자기 상관 파형 및 상호 상관 파형(도 15 참조), 회전수 1200[rpm], 갭 1/100[mm](경미한 러빙 상태)일 때의 켑스트럼의 파형, 자기 상관 파형 및 상호 상관 파형(도 16 참조), 회전수 1200[rpm], 갭 0/100[mm](러빙 발생 상태)일 때의 켑스트럼의 파형, 자기 상관 파형 및 상호 상관 파형(도 17 참조)의 각각에 대해서도 검토했다. 회전축(2)의 회전수 1200[rpm]으로 했기 때문에, 회전 주파수는 20Hz이며, 따라서 회전 주기는 50[msec]이다. 경미한 러빙 및 러빙이 발생한 상태하에서의 켑스트럼 파형에서의 큐프렌시 값, 자기 상관값 및 상호 상관값에 있어서, 회전 주파수(fr)(본 실시예의 경우, 20Hz)에 상당하는 부분에 피크가 확인되었다(도 16, 도 17 참조).
계속해서, 발명자들은, 회전수 1200[rpm]일 때의, 이상시의 출력 레벨과 정상시의 출력 레벨의 비를 검토했다(도 18 참조). 경미한 러빙 상태, 러빙(접촉) 발생 상태 중 어느 상태에서든, 큐프렌시 레벨, 자기 상관 및 상호 상관에서의 출력비(이상시의 출력 레벨/정상시의 출력 레벨)가 다른 파라미터에 의한 출력비(O/A값의 출력비 등)에 비해 커지는 것이 확인되었다. 마찬가지로, 회전수 2800[rpm]일 때의 경우에도, 큐프렌시 레벨이나 자기 상관, 상호 상관에서의 출력비가, 다른 종래법에 비해 커지는 것이 확인되었다(도 19 참조).
계속해서, 발명자들은, 갭 2/100(경미한 러빙 상태), 갭 0/100(러빙 상태), 갭 15/100(접촉하지 않은 상태)의 각각에 대해서 큐프렌시 경향과 켑스트럼을 검토했다(도 21 참조). 이상으로부터, 켑스트럼 연산 후의 큐프렌시 값을 모니터링함으로써 경미한 러빙 상태를 검출할 수 있음이 확인되었다. 자기 상관 해석, 상호 상관 해석에서도, 마찬가지의 검출 결과가 얻어졌다.
실시예 2
발명자들은, 대형 선박 디젤 엔진에서의 시운전에서의 진동계측에 있어서, 켑스트럼, 자기 상관, 상호 상관 해석법의 적용을 시험해 보았다.
일반적으로, 디젤 엔진 등의 디젤 기관의 경우에는, 정상 운전시에도 흡기 밸브나 배기 밸브의 개폐, 연소 폭발 등의 운전에 수반하는 진폭 변조를 받은 진동이 발생한다(도 21 참조). 이때의 진동은 각각이 회전 주기마다 주기적으로 발생하기 때문에, 포락선 스펙트럼은 회전 주파수 및 그 고차 성분의 발생이 발생한다(도 22 참조).
한편, 켑스트럼, 자기 상관, 상호 상관 해석에서는 디젤 엔진에 있어서도 운전시의 노이즈의 영향도 받지 않고, 정상시에는 회전 주기에 상당하는 특성값의 피크의 발생이 보이지 않거나 매우 작다(도 23 참조). 본 시운전시의 회전수를 변화시키고 있을 때의 약 85rpm에서, 주베어링(미끄럼 베어링)에 경미한 러빙이 발생했다. 이때의 켑스트럼, 자기 상관, 상호 상관 해석 결과에서는, 러빙의 발생을 나타내는 회전 주기에서, 특성값 피크가 존재하는 것이 확인되었다(도 24 참조).
이때의 진동 가속도 파형에서도 진폭 변조를 받은 파형이 얻어져, 정상시와 판별이 곤란하다(도 25 참조). 포락선 스펙트럼에서도 정상시와 마찬가지로, 회전 주파수 및 그 고차 성분의 발생이 확인되어, 정상 이상의 차이를 식별하기 곤란이다(도 26 참조).
이상의 실시예 1, 실시예 2의 결과로부터, 발명자들은 이하의 지식을 얻거나, 혹은 확인했다.
(1) 미끄럼 베어링의 경미한 러빙시에, 가속도 스펙트럼 상에 발생하는 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보와 축의 회전수로부터 소정의 방법으로 정량화한 특성값에 있어서, 이상/정상 출력비(이상시의 출력 레벨과 정상시의 출력 레벨의 비)가, 다른 파라미터에 의해 해석했을 경우의 출력비에 비해 큰 것이 확인되었다. 따라서, 이 특성값을 이용함으로써, 미끄럼 베어링(1)의 진단 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 상기 특성값을 모니터링함으로써, 종래는 곤란 혹은 불가능했던 경미한 러빙 상태를, 압전형 가속도 센서만을 사용해서 조기에 검출할 수 있다.
(2) 종래 운전시의 노이즈에 의해 러빙 이상의 검출이 곤란했던 기기, 특히 디젤 엔진에서도, 운전시의 노이즈의 영향을 받지 않고 경미한 러빙 현상을 고정밀도로 검출할 수 있다.
본 발명은, 디젤 엔진에서의 미끄럼 베어링의 진단에 적용하기에 적합하다.
1 : 미끄럼 베어링 2 : 회전축(축)
3 : 베어링 상자 10 : 진단 장치
11 : 회전수 검출 센서 11a : 펄스 검출기
11b : 피검출 부재 12 : 가속도 센서
13 : 모니터링 장치 14 : 통보 장치
15 : 연산 처리 장치

Claims (13)

  1. 미끄럼 베어링의 가동시에 발생하는 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 검출해서, 상기 가속도 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 가속도 스펙트럼으로 변환하고, 상기 가속도 스펙트럼에서의 측정 대상의 축의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 상기 축의 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하여 특성값을 얻고, 얻어진 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링하여, 상기 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 상기 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 스펙트럼을 로그 변환 후에 역 푸리에 변환하는 켑스트럼 연산을 행하고, 당해 켑스트럼 연산 후의 파형 데이터로부터 얻어지는 큐프렌시 값의 시계열 데이터를 얻어, 상기 큐프렌시 값이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 상기 큐프렌시 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 상기 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 스펙트럼의 자기 상관을 구하는 연산을 행하고, 당해 연산에 의해 얻어지는 자기 상관의 값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 상기 자기 상관의 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 상기 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 스펙트럼과 소정의 스펙트럼의 상호 상관을 구하는 연산을 행하고, 당해 연산에 의해 얻어지는 상호 상관의 값이 소정 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링해서, 상기 상호 상관의 값이 당해 임계값을 초과했을 때, 상기 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 가속도를 나타내는 데이터로서, 1k 내지 30kHz의 주파수 영역의 데이터를 검출하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 가속도를 나타내는 데이터로서 적어도 1k 내지 10kHz의 주파수 영역의 데이터를 검출하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 진동 가속도의 주파수 영역의 스펙트럼으로서 미리 상기 축의 회전 주파수마다 피크를 갖는 소정의 인공 스펙트럼을 작성하고, 상기 인공 스펙트럼과 상기 가속도 스펙트럼의 상호 상관을 연산하여, 상기 상호 상관이 가장 높은 주파수 영역을 포함하는 소정의 주파수 범위에서 특성값을 연산하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    디젤 엔진의 미끄럼 베어링을 진단 대상으로 하는, 미끄럼 베어링의 진단 방법.
  9. 미끄럼 베어링에서의 러빙 등의 이상을 진단하는 미끄럼 베어링의 진단 장치에 있어서,
    회전축의 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서와,
    회전축의 진동시의 가속도를 검출하는 가속도 센서와,
    상기 가속도 센서에 의해 검출된 진동의 가속도를 나타내는 파형 데이터를 푸리에 변환함으로써 주파수 영역의 파형 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역의 파형 데이터 중의 회전 주파수 간격으로 발생하는 복수의 피크 정보를, 회전 주파수 정보와 조합한 소정의 신호 처리를 실시함으로써 정량화하는 연산 장치에 의해 정량화하여 특성값을 얻고, 상기 특성값이 소정의 임계값을 초과하였는지의 여부를 모니터링하여, 상기 특성값이 당해 임계값을 초과했을 때, 상기 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 판단하는 모니터링 장치와,
    당해 미끄럼 베어링에 이상이 발생했다고 상기 모니터링 장치가 판단했을 때에 당해 판단 결과를 외부로 출력하는 통보 장치
    를 구비하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    특성값의 켑스트럼 해석을 적용하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    특성값의 자기 상관 해석을 적용하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    특성값의 상호 상관 해석을 적용하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    디젤 엔진의 미끄럼 베어링을 진단 대상으로 하는, 미끄럼 베어링의 진단 장치.
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