KR20180131014A - 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템 - Google Patents

선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운항중인 선박축계에서 발생하는 적어도 4지점 이상에 대한 굽힘모멘트를 감지하여 무선으로 원격전송하고 이를 분석하여 추진축 및 지지베어링의 이상 유무를 진단하는 추진축계 베어링 하중 측정 및 축거동 진단을 수행하고, 상시적인 모니터링을 통해서 축계 손상을 예측 및 방지하고자 하는 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MEASURING INTERMEDIATE SHAFT/STERN TUBE BEARING LOAD AND MONITORING OF SHAFT DAMAGE PREVENTION THROUGH REMOTE MEASUREMENT OF BENDING MOMENTS FOR SHIP PROPULSION SHAFT SYSTEM}
본 발명은 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운항중인 선박축계에서 발생하는 적어도 4지점 이상에 대한 굽힘모멘트를 감지하여 무선으로 원격전송하고 이를 분석하여 추진축 및 지지베어링의 이상 유무를 진단하는 추진축계 베어링 하중 측정 및 축거동 진단을 수행하고, 상시적인 모니터링을 통해서 축계 손상을 예측 및 방지하고자 하는 시스템에 관한 것이다.
조선기술 및 철강기술의 발전과 함께 선박은 점점 고출력화, 대형화하고 있는 추세이다. 이에 따라 선박의 추진축의 강성은 증가한 반면 선체는 고장력 후판의 적용으로 이전보다 훨씬 더 쉽게 변형되는 실정이다
따라서 종래와 같이 선체변형을 고려하지 않고 축계정렬계산을 수행하는 경우 선체 및 주기관의 변형에 따른 반력 변화를 추진축계가 수용할 수 없게 되므로 설계자의 풍부한 경험과 세심한 주의가 요구된다.
축계정렬에 기인하는 손상은 선미관 후부베어링의 발열과 이상마모가 큰 비중을 차지하므로 선미관 후부베어링의 선미쪽 끝부분 하중의 완화를 주된 목적으로 축계정렬 설계가 이루어지고 있다.
전통적인 축계정렬 설계는 베어링 수직방향, 수평방향 위치를 조정해 가면서 축계 지지베어링의 반력 또는 면압이 허용치를 만족하는지의 여부를 분석하는 방식으로 수행되고 있다. 한편, 또 다른 방법으로서 계측도구를 통해 산출한 베어링 반력이나 굽힘모멘트(bending moment)를 이용하여 기 설치된 축계 지지베어링의 오프셋상태(offset condition)를 추정하는 역계산 기법(reverse calculation technique)이 있다.
선박의 축계는 외팔보(cantilever beam)의 경우와 유사하게 축 끝단 프로펠러 하중의 영향으로 프로펠러축을 지지하고 있는 선미관 베어링에 국부하중 증가가 두드러지게 나타난다. 특히 선미관 후부 베어링은 선미쪽 하단부에서, 선미관 전부 베어링은 선수쪽 하단에 하중이 집중되기 쉽다. 이러한 국부하중의 크기(magnitude)와 분포(distribution)는 축과 베어링 간의 상대적 경사각에 의해 결정되는데 그 가운데서도 선미관 후부베어링 하부가 가장 큰 영향을 받는다. 이러한 국부하중은 수력학적 동적과도상태(hydrodynamic transient status)에서 프로펠러 무게에 의한 추력편심이 하방으로 작용하여 축이 아래로 처지게 되는 경우 선미관 후부 베어링 끝단으로 더 크게 처질 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 취급하는 5만톤급 석유화학제품 운반선은 최근 친환경 고효율 선박으로 새롭게 등장한 선형으로서, 유사선 대비 새로운 형식의 기관을 탑재하고 정격출력조절(de-rating)을 통하여 엔진회전수를 낮추면서 연료 소모량을 크게 절감하였으며 이로 인해 낮아진 회전수를 직경이 증가된 프로펠러 적용으로 보상하여 추진효율을 극대화 시킨 것이다.
선행기술을 검토한 결과 아직까지 5만톤급 석유화학제품 운반선에 대한 선체변형, 횡진동 및 선박의 가속, 직진시의 축 거동과 관련된 종합적인 연구사례는 보고되지 않은 것으로 판단된다.
따라서 본 발명을 통해 이론적 검토 및 실측자료 분석을 수행함으로써 결과적으로 대상 선박의 추진축계 안정성을 심도 있게 검토할 필요가 있는 것이 본 발명의 배경이다.
이에 본 발명은 운전 중인 선박 축계에서 발생하는 굽힘모멘트를 센싱하여 무선으로 전송하고 이를 분석하여 추진축 및 지지베어링의 이상 유무를 진단하는 추진축계 베어링 하중 측정 및 축거동 진단 시스템을 구축하고자 한다. 또한 본 발명의 목적은 동적 계측을 통해 선박의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서는 선박의 건조, 시운전, 및 인도 후 정상 운행, 정비, 고장 수리 등 장기간에 걸쳐 수집된 데이터를 기반으로, 축계의 추진축 및 지지베어링 부분에 대한 상태를 단계별로 또는 상태별로 정의하고 통계적인 방법이나 수리적 방법으로 분석 및 진단하여 시스템화한다. 장기간에 걸쳐 수집된 데이터를 바탕으로 해당 선박에 최적화된 축계 진단시스템을 구축한다. 선박의 운항을 위해 직진/후진시 사용하는 엔진부하, 선박의 진행방향 전환을 위해 사용하는 우현전타 좌현전타, 선박의 화물적재량에 따른 흘수변화 등에 따른 각기 다른 동적 특성에서 추진축과 베어링의 주요 부분에서 발생하는 하중 변동, 진동, 거동, 온도변화를 탐지하여 이상징후와 정비시기 등 실시간 유지, 보수 정보를 제공한다. 상기 탐지에는 스트레인 게이지(strain gage), 변위, 온도, 압력 등을 측정하는 센서가 사용된다.
또한 측정데이터를 무선으로 전송하기 때문에 정상적으로 운전(회전)하는 기계의 운동을 방해하지 않으면서 계측이 가능하여야 한다. 아울러 센싱 데이터를 실시간으로 선박과 지상의 주 서버에 전송할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 저장장치를 선박에 설치하여 유사시에 블랙박스(black box)로 활용할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
먼저 한국공개특허 제2011-0063911호(2011.06.15.)는 선박 추진 축계 발생 하중 계측방법에 관한 것으로, 그 목적은 선박 추진 축계에 대한 동적계측을 통해 클러치 발열사고를 미연에 방지하고 이를 통해 선박 생산성을 향상시킬 수 있는 선박 추진 축계 발생 하중 계측방법을 제공하는 것이다. 또한 상기 선행기술은 3포인트의 벤딩모멘트 측정 및 2포인트의 전단력측정을 통해 정확한 축계정렬 상태를 예측할 수 있는 선박 추진 축계 발생 하중 계측방법을 제공하는 것이다.
상기 선행기술은 선박 추진축의 동적계측을 가능하게 하므로, 정확한 축계정렬 상태를 예측할 수 있으며, 이를 통해 실제 시운전시 발생될 수 있는 클러치의 발열/압축 현상 및 베어링의 파손현상을 미연에 방지할 수 있고, 클러치의 양측에 최소한의 전단게이지 및 벤딩게이지를 각각 설치하여, 최소한의 계측을 통해 축계정렬의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공하는 것으로서, 벤딩게이지를 이용하여 축계정렬 상태를 예측하는 점에서 본 발명과 일부 유사성이 있다.
그러나 상기 선행기술은 주로 추진축 마력(축동력) 측정을 위한 것으로서 스트레인 게이지를 부착하여 회전축에 작용하는 토크를 측정하는 것에 중점을 두고 있다. 또한 베어링 반력 측정과 관련, 상기 선행기술은 중간축 베어링 하중계측에 한정되어 있지만, 본 발명은 손상위험이 가장 큰 선미관 베어링의 하중을 측정하는 것을 주요 목적으로 한다. 아울러 본 발명은 축계의 온도, 압력, 거동, 소음에 대한 진단을 모두 포함하므로 선행기술과 차별성이 분명하다. 즉, 본 발명의 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템에는 스트레인 게이지, 온도, 변위, 가속도 센서가 감지수단으로 포함되며, 또한 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수집되는 데이터와 측정된 데이터 간의 비교분석/고장분석을 통해 이상 징후 및 정비시기 도래 등 실시간 상태기반 진단정보, 유지보수 정보를 제공할 수 있어, 상기 선행기술과는 차이점이 분명하다.
또한 한국공개특허 제2011-0025347호(2011.03.10.)는 베어링에 의하여 지지되는 축의 벤딩 모멘트가 측정되는 측정지점이 설정되고, 상기 측정지점의 최대 벤딩 모멘트 및 상기 측정지점 사이의 위상차가 측정되고, 상기 최대 벤딩 모멘트 및 상기 측정지점 사이의 위상차로부터 상기 베어링의 반력이 계산되는 축계에서의 베어링 반력 측정방법을 제공한다.
상기 선행기술은 벤딩 모멘트 또는 전단력의 측정이 가능한 모든 축계에서의 베어링 반력의 상하방향과 횡방향의 분력을 정확하게 도출할 수 있으며, 특히 회전하는 상태에서의 분력도 정확하게 도출할 수 있는 효과를 제공하는 것으로서, 벤딩 모멘트를 측정하여 축계의 반력을 측정하는 점에서 본 발명과 일부 유사성 있다.
하지만, 상기 선행기술은 주로 선박 추진기와 연결되는 추진축에서 베어링에 의하여 지지되는 상기 추진축의 벤딩 모멘트가 측정되는 측정지점이 설정되고, 상기 측정지점의 최대 벤딩 모멘트 및 상기 측정지점 사이의 위상차가 측정되고, 상기 최대 벤딩 모멘트 및 상기 측정지점 사이의 위상차로부터 상기 베어링의 반력이 계산되는 축계에서의 베어링 반력 측정방법에 관한 것으로서 스트레인 게이지를 부착하여 최대 벤딩 모멘트를 측정하는 것에 중점을 두고 있다. 또한 베어링 반력 측정과 관련, 상기 선행기술은 추진축에 대한 벤딩 모멘트의 측정에 한정되어 있지만, 본 발명은 손상위험이 가장 큰 선미관 베어링의 하중을 측정하는 것을 주요 목적으로 한다. 아울러 본 발명은 축계의 온도, 압력, 거동, 소음에 대한 진단을 모두 포함하므로 선행기술과 차별성이 분명하다. 즉, 본 발명의 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템에는 스트레인 게이지, 온도, 변위, 가속도 센서가 감지수단으로 포함되며, 또한 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수집되는 데이터와 측정된 데이터 간의 비교분석/고장분석을 통해 이상 징후 및 정비시기 도래 등 실시간 상태기반 진단정보, 유지보수 정보를 제공할 수 있어, 상기 선행기술과는 차이점이 분명하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 선박에서 손상위험이 가장 큰 선미관 베어링의 하중을 측정하는 것으로, 이를 위해서 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하기 위한 스트레인 게이지를 설치할 위치를 선정하고 해당 축의 베어링에 대한 반력을 측정함에 있어서, 축을 지지하는 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 반력을 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 스트레인 게이지에서 발생하는 원신호(굽힘모멘트)를 위상차를 이용하여 수직 및 수평성분으로 분리하는 방법을 제공하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적(trajectory)으로 도시하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 변위센서(Gap sensor 또는 LVDT) 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 정보를 포함하여 축계의 안전성 확보를 위한 축계 베어링 하중 측정 및 축 거동분석을 위한 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템은, 복수의 스트레인게이지를 이용하여 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하기 위한 센서 및 상기 센서로부터 상기 추진축을 지지하는 베어링 반력을 측정하기 위한 동적 신호 분석기를 포함하며, 상기 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 반력을 측정하여 상기 베어링 하중을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 동적 신호 분석기는, 복수의 상기 스트레인게이지에서 발생하는 원신호를 위상차를 이용하여 수평 및 수직성분으로 분리하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 또는 상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행한다.
상기 굽힘모멘트는, 상기 센서를 통해서 상기 선박의 추진축계에서 4지점 이상에서 측정되며, 상기 추진축을 360도만큼 회전시키고, 상기 추진축 회전각도에 따른 변형량으로 측정되며, 상기 변형량은 상기 추진축의 중립축과 상기 센서 사이의 거리에 따라 사인파 형상으로 나타나는 것을 특징으로 한다.
상기 선미관 베어링의 반력은,
Figure pat00001
의 수학식을 이용하여 산출하며, 여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, D는 R1이 작용하는 질점, d1, d2, dp는 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA는 A점에서의 측정 모멘트, MAD는 AD지점간 축중량에 의한 모멘트, Wp는 프로펠러의 중량이다.
또한 상기 중간축 베어링 반력은,
Figure pat00002
의 수학식을 이용하여 산출하며, 여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, d1, d2, d3은 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA, MB, MC는 각 점에서의 측정 모멘트, MAB, MBC는 지점간 축중량에 의한 모멘트를 나타낸다.
또한 상기 센서는, 스트레인게이지, 변위, 온도, 압력, 회전속도 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 센서 중에서 스트레인게이지에서 발생하는 원신호인 굽힘모멘트를 위상차를 이용하여 수직 및 수평 성분으로 분리시키는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 스트레인 게이지로부터 수신된 데이터는 게이지가 설치된 위치의 추진축 단면에서 엔진 부하에 따라 변화하는 굽힘모멘트를 얻기 위한 기초정보로 사용될 수 있고, 이 정보를 이용하여 축이 한 번 회전할 때의 스트레인 게이지 변형률의 진폭을 이용하여 상기 변형률에 대한 궤적을 산출한다.
상기 굽힘모멘트는, 프로펠러 및 스트레인 게이지의 설치위치의 추진축 단면에 대해 회전좌표계(rotating coordinate system)로 도시되며, 상기 굽힘모멘트에서 나타나는 노이즈를 FFT처리를 통해 평활화하고 회전각 기반으로 변환된 수직 및 수평 신호를 조합하여, 선박의 운전시 발생하는 축의 굽힘모멘트 궤적을 얻는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 궤적을 통해서 추진축의 진동원인별 궤적형태를 분석하는 것이 가능하며, 상기 분석을 통해서 축계의 이상여부를 조기 진단하는 것이 가능하여 축계의 안전성을 확보하는 것이 가능하다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 방법은, 복수의 스트레인게이지를 이용하여 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하는 굽힘모멘트 측정 단계 및 센서로부터 상기 추진축을 지지하는 베어링 반력을 측정하기 위한 동적 신호 분석 단계를 포함하며, 상기 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 반력을 측정하여, 상기 베어링 하중을 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 동적 신호 분석 단계는, 복수의 상기 스트레인게이지에서 발생하는 원신호를 위상차를 이용하여 수평 및 수직성분으로 분리하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 또는 상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행하는 것을 포함한다.
이상에서와 같이 본 발명은 선박에서 손상위험이 가장 큰 선미관 베어링의 하중을 측정하는 것을 주요 목적으로 하는 것으로, 축계의 온도, 압력, 거동, 소음에 대한 진단을 모두 포함하여, 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템을 제시함으로써, 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수집되는 데이터와 측정된 데이터 간의 비교분석/고장분석을 통해 이상 징후 및 정비시기 도래 등 실시간 상태기반 진단정보, 유지보수 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 비접촉 방식으로 축동력을 측정할 수 있기 때문에 정상적으로 작동/회전하는 기계의 운동을 방해하지 않으면서 시간에 따라 계속적으로 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 선박 운항 시 엔진 및 축계에서 수집되는 빅데이터를 기반으로 현재 계측되는 데이터와 기 측정된(예를 들어, 6개월 내지 1년 이전) 데이터 간의 비교 분석을 통해 선박의 상태 진단은 물론 선박의 안전과 운항효율증진에 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.
또한 각종 진단정보를 선박 육상간 실시간으로 공유할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용된 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 1의 동적 신호 분석기의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 스트레인 게이지와 변위센서의 설치 위치에 대한 도면이다.
도 5는 상기 도 4의 스트레인 게이지의 설치각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명이 적용된 스트레인 게이지의 회전각에 따른 변형량에 대한 변화의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명이 적용된 선미관 베어링의 레이아웃의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명이 적용된 중간축 베어링의 레이아웃의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명이 적용된 모멘트의 방향을 정의하는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 도 4의 스트레인 게이지 SG #6의 수직 성분 신호, 수평 성분 신호, H/V 오비트 플롯(orbit plot)을 각각 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 선박 추진축계의 굽힘모멘트 원격측정을 통한 중간축/선미관 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 설명에 앞서, 선박의 설계단계에서 축계정렬 설계는 매우 중요할 뿐만 아니라 선박의 운항과정에서도 축계정렬상태를 모니터링하여 적절히 보상함으로써, 선박의 축계손상을 방지하고 추진효율을 극대화할 수 있다.
이러한 축계정렬의 목적은 축계지지 베어링이 최적의 하중 분배상태가 되도록 설치하는데 있으며, 올바른 축계정렬을 통해 선박의 생애 중 발생할 수 있는 여러 가지 흘수상태, 운동상태에서 지지베어링의 안정성을 확보할 수 있도록 하여야 한다.
선박의 추진 축계가 잘못 정렬되는 경우 특정 베어링에는 과도한 국부하중이, 인접 베어링에는 무부하 하중이 형성되는 경우가 발생하게 되고 결과적으로 각 지지베어링의 하중 배분이 불균일한 상태가 됨으로써, 과부하 상태에서 발생하는 추진축 선미관 베어링의 발열, 이상마멸, 감속기어의 마멸, 과소음, 파손 또는 주기관 베어링의 발열 등의 문제와 무부하 상태에서 발생하는 중간축 베어링 또는 주기관 베어링의 햄머링(hammering) 등의 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 선박에서 손상위험이 가장 큰 선미관 베어링의 하중을 측정하고, 축계 손상방지 모니터링하는 것을 주요 특징으로 하고 있는 것으로서, 다음과 같이 도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명이 적용된 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 과정을 설명하기 위한 개념도이며, 도 3은 도 1의 동적 신호 분석기의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템은, 동적 신호 분석기(100), 각종 센서(200), 센서데이터 처리모듈(300), 데이터베이스(400), 관리자 단말(500) 등으로 구성된다.
즉 본 발명의 시스템은 운전 중인 선박 축계에서 발생하는 굽힘모멘트를 각종 센서(200)에서 센싱하고, 이를 동적 신호 분석기(100)에서 전송받아 추진축 및 지지베어링의 이상 유무를 진단하는 것이다.
상기 동적 신호 분석기(100)는 추진축계 베어링 하중 측정과 축거동 모니터링을 수행하는 서버 기능을 수행하는 구성으로서, 상기 센서(200)로부터 추진축을 지지하는 베어링 반력을 측정하며, 동적 계측을 통해 선박의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 동적 신호 분석기(100)는 선박의 건조, 시운전 및 인도 후 정상 운행, 정비, 고장 수리 등 장기간에 걸쳐 수집된 데이터를 기반으로 통계적인 방법이나 수리적 방법으로 분석함으로써, 축계의 추진축 및 지지베어링 부분에 대한 상태를 단계별 또는 상태별로 정의하고 진단하여 시스템화할 수 있다.
즉 상기 동적 신호 분석기(100)는 장기간에 걸쳐 수집하여 데이터베이스(400)에 저장, 관리한 데이터를 바탕으로 각 선박에 최적화된 축계 진단시스템을 구축하고, 추진축과 베어링의 주요 부분에서 발생하는 하중 변동, 진동, 거동, 온도변화 등을 탐지하여 이상징후와 정비시기 등에 대한 실시간 유지 및 보수 정보를 제공하는 것이다.
또한 상기 동적 신호 분석기(100)는 네트워크를 통해 센서데이터 처리모듈(300)로부터 수신한 추진축을 지지하는 베어링 반력에 대한 측정 데이터, 선박축계의 변화를 검출하는 측정 데이터 등을 토대로 축계의 안전성 확보를 위한 축계 베어링의 하중 측정은 물론, 축 거동에 대한 분석 및 예측을 수행하며, 그 결과 정보를 자체적으로 구비된 표시부를 통해 표시하거나, 또는 관리자 단말(500)로 제공하여 동작상태 확인은 물론, 고장발생이나 예측에 따라 선박축계의 유지 및 보수 관리를 수행하도록 한다.
또한 상기 동적 신호 분석기(100)는 복수의 스트레인게이지에서 발생하는 원신호를 위상차를 이용하여 수평 및 수직성분으로 분리하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다.
또한 상기 동적 신호 분석기(100)는 상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다.
센서(200)는 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 감지하는 것으로서, 선박축계에 부착되어 인장이나 압축을 받을 때 발생하는 변형량을 계측하는 복수의 스트레인 게이지, 선미관의 전부쪽에 구비되어 축계의 변화를 검출하기 위한 레이저 센서 또는 갭(gap) 센서나 LVDT(linear variable differential transformer)로 구성된 변위센서, 엔진에 구비되어 추진축의 회전속도 변화를 기록하는 타코미터(tachometer) 등을 포함한다.
이때 상기 스트레인 게이지는 휘스톤 브릿지회로(wheatstone bridge)를 구성하여, 게이지의 부착 개수에 따라 1게이지(quarter bridge), 2게이지(half bridge), 4게이지(full bridge)법 등을 사용할 수 있는데, 온도 변화에 의한 영향과 축의 횡방향 및 종방향 하중의 영향을 최소화할 수 있고 설치 시간 대비 효용성에서 적절한 2게이지법을 이용하는 것이 일반적이다.
상기 센서(200)에서 측정한 데이터는 무선(물론, 무선에 한정되는 것은 아니며 사용 환경에 따라 유선으로 처리 가능함)으로 센서데이터 처리모듈(300)로 전송할 수 있으므로 정상적으로 운전 중인 기계장비의 운동을 방해하지 않으면서 계측이 가능하다.
또한 각각의 센서(200)에서 측정한 데이터는 센서데이터 처리모듈(300)를 통해 원격지의 상기 동적신호 분석기(100)로 전송할 수 있을 뿐만 아니라, 저장장치를 별도로 구비하여 유사시 블랙박스 용도로 사용할 수 있다.
센서데이터 처리모듈(300)은 복수의 센서(200)에서 감지한 데이터를 가공한 다음, 이를 네트워크를 통해 상기 동적 신호 분석기(100)로 전송하는 기능을 수행하는 부분으로서, 제1 데이터 처리부(310), 제2 데이터 처리부(320), 제3 데이터 처리부(330), 통신부(340) 등으로 구성된다. 이때 복수의 센서(200)에서 측정한 데이터는 운전 중인 기계장비의 운동을 방해하지 않도록 무선으로 상기 센서데이터 처리모듈(300)로 입력되도록 구성하는 것이 바람직하지만, 사용환경에 따라 유선으로 구성할 수 있음은 물론이다.
상기 제1 데이터 처리부(310)는 복수의 스트레인 게이지에서 측정한 아날로그 형태의 데이터를 디지털로 변환하는 AD(analog to digital) 컨버터를 포함하고 있으며, 각각의 스트레인 게이지에서 측정한 데이터를 디지털로 변환한 다음 통신부(340)를 통해 상기 동적 신호 분석기(100)로 전송한다.
상기 제2 데이터 처리부(320)는 변위센서에서 측정한 주파수 형태의 데이터를 전압 데이터로 변환하는 FV(frequenct to voltage) 컨버터를 포함하고 있으며, 선박축계의 변화에 대하여 측정한 주파수 형태의 데이터를 전압 데이터로 변환한 다음 통신부(340)를 통해 상기 동적 신호 분석기(100)로 전송한다.
상기 제3 데이터 처리부(330)는 타코미터에서 측정한 회전속도 정보를 디지털로 변환한 다음 통신부(340)를 통해 상기 동적 신호 분석기(100)로 전송한다.
상기 통신부(340)는 네트워크를 통해 상기 동적 신호 분석기(100)와 통신 접속을 진행하며, 상기 제1 데이터 처리부(310), 상기 제2 데이터 처리부(320), 상기 제3 데이터 처리부(330)에서 처리된 각각의 센서(200)에서 측정한 데이터를 상기 동적 신호 분석기(100)로 전송한다.
데이터베이스(400)는 상기 동적 신호 분석기(100)에서 처리되는 각 선박별 추진축과 베어링의 주요 부분에서 발생하는 하중 변동, 진동, 거동, 온도변화 등의 측정 정보, 각종 측정 정보를 토대로 분석한 이상 유무 진단정보, 분석결과를 토대로 예측한 정비시기, 실시간 유지 및 보수정보 등을 저장, 관리한다.
관리자 단말(500)은 각 선박의 관리자가 소지하고 있는 스마트폰, 태블릿, 노트 PC 등의 통신기기로서, 상기 동적 신호 분석기(100)에서 처리되는 선박축계에 관련된 이상발생 여부, 정비가 필요한 위치 등에 대한 모니터링 정보를 전송받아 관리자가 확인하도록 한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 동적신호 분석기(100)는, 회전속도 확인부(110), 하중 변화 처리부(120), 축 변화 처리부(130), 축 거동 분석부(140), 표시부(150) 등으로 구성된다.
회전속도 확인부(110)는 상기 센서데이터 처리모듈(300)로부터 타코미터 정보를 수신하여 선박축계의 회전속도의 변화를 확인하고, 회전속도의 변화정보를 하중 변화 처리부(120)와 축 변화 처리부(130)로 각각 출력한다.
하중 변화 처리부(120)는 상기 센서데이터 처리모듈(300)로부터 각각의 스트레인 게이지에서 측정한 원신호(raw data, 즉 굽힘모멘트)와 상기 회전속도 확인부(110)로부터 입력받은 선박축계의 회전속도의 변화정보를 참조하여, 선박축계의 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 하중 변화를 확인한다. 이때 상기 굽힘모멘트는 상기 센서(200)를 통해서 상기 선박의 추진축계에서 4지점 이상에서 측정되며, 상기 추진축을 360도만큼 회전시키고, 상기 추진축 회전각도에 따른 변형량으로 측정되며, 상기 변형량은 상기 추진축의 중립축과 상기 센서 사이의 거리에 따라 사인파 형상으로 나타낼 수 있다.
즉 상기 하중 변화 처리부(120)는 스트레인 게이지에서 발생하는 굽힘모멘트를 위상차를 이용한 수직, 수평성분으로 분리하고, 분리한 수직, 수평성분에 대한 정보를 표시부(150)로 제공하여 표시부(150)에서 이를 합성하여 궤적(trajectory)으로 변환하여 표시할 수 있도록 한다.
축 변화 처리부(130)는 상기 센서데이터 처리모듈(300)로부터 변위센서에서 측정한 데이터와 상기 회전속도 확인부(110)로부터 입력받은 선박축계의 회전속도의 변화정보를 참조하여, 선박축계의 변화를 확인한다.
즉 상기 축 변화 처리부(130)는 상기 하중 변화 처리부(120)에서 확인한 베어링 하중 변화 정보와 상기 센서데이터 처리모듈(300)로부터 수신한 변위센서 측정 데이터를 합성하여 축의 변화에 대한 정보를 확인하고, 이를 표시부(150)로 제공하여 상기 표시부(150)에서 회전축의 거동에 대한 정보를 궤적으로 변환하여 표시할 수 있도록 한다.
축 거동 분석부(140)는 상기 하중 변화 처리부(120)에서 확인한 선미관 베어링과 중간축 베어링의 하중 변화에 대한 정보와 상기 축 변화 처리부(130)에서 확인한 축의 변화에 대한 정보를 토대로 향후 축 궤적에 변화가 발생하는지의 여부를 분석 및 예측하고, 분석 및 예측된 결과정보를 표시부(150)로 제공하여 표시부(150)에서 유지, 보수와 관련된 분석 및 예측 정보를 그래픽 정보로 변환하여 표시하도록 한다.
예를 들어 상기 축 변화 처리부(130)에서 확인된 축 변화 정보를 볼 때 현재의 축 궤적에는 문제가 없으나, 상기 하중 변화 처리부(120)에서 확인된 베어링의 하중 변화의 추이를 볼 때 향후의 특정 시점에 어느 정도의 변형이 이루어질 것인지에 대한 분석 또는 예측을 수행함으로써, 각 선박의 관리자가 사전에 장애발생이나 유지 보수를 대비할 수 있도록 한다.
표시부(150)는 상기 하중 변화 처리부(120)로부터 입력되는 스트레인 게이지에서 발생하는 굽힘모멘트를 수직, 수평성분으로 분리한 정보를 합성하여 그래픽 형태의 궤적으로 화면상에 표시하여 관리자가 확인하도록 한다. 그리고 상기 표시부(150)는 상기 축 변화 처리부(130)로부터 입력되는 회전축의 거동에 대한 정보를 그래픽 형태의 궤적으로 화면상에 표시하여 관리자가 확인하도록 한다.
또한 상기 표시부(150)는 상기 축 거동 분석부(140)에서 분석 및 예측한 축 궤적에 변화가 발생하는지의 여부에 대한 결과를 그래픽 형태의 궤적으로 화면상에 표시하여 관리자가 확인하도록 한다.
이때 상기 표시부(150)는 그래픽 형태로 변환하여 표시하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 텍스트 정보를 함께 표시할 수 있음은 물론이다.
다음에는, 도 4 내지 도 13을 참조하여 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 시스템의 각 구성별 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 스트레인 게이지와 변위센서의 설치 위치에 대한 도면이며, 도 5는 상기 도 4의 스트레인 게이지의 설치각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 SG #1 내지 SG #7은 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지를 나타내며, 도 5는 상기 스트레인 게이지를 주기관 No.1 cylinder TDC를 기준으로 α(40도)만큼 떨어진 곳의 축 상부 및 하부에 2게이지법으로 부착한 것을 나타낸다. 여기서, β(45도)는 주기관 No.1 cylinder TDC를 기준으로 프로펠러 날개 중심선까지의 각도를 의미한다. 상기 스트레인 게이지는 기관실 내에 설치되므로 습기와 기계적 충격으로부터의 보호조치는 별도로 수행하지 않는다. 그리고 측정설비 구성을 위한 신호선, 배터리 및 텔레메트리 송신장치는 통상적으로 축에 고정하여 구성할 수 있다.
종래의 방식은 중간축 반력계산에만 국한되어 있으나, 본 발명에서는 도 4에서와 같이 스트레인 게이지의 설치가 어려운 장소(즉 물과 기름이 충진된 장소)에 설치된 선미관 베어링의 반력을 측정하는 것에 구성상 특징이 있다.
또한 본 발명은 스트레인 게이지와 프로펠러 날개 중심간 각도를 보상하는 과정, 보상된 데이터를 수직 수평성분으로 분리하는 과정, 분리된 데이터를 궤적으로 나타내는 과정 등에 대한 알고리즘을 토대로 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명이 적용된 스트레인 게이지의 회전각에 따른 변형량에 대한 변화의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 축의 모멘트를 구하기 위해서는 축을 360도만큼 회전시키면 되고, 이때의 변형량은 축 회전각도에 따른 값으로 나타낼 수 있다. 이때 상기 변형량은 상기 추진축의 중립축과 상기 센서 사이의 거리에 따라 사인파 형상으로 나타난다.
이러한 사인파 형상의 변형량은 굽힘모멘트, 축의 중립축과 스트레인 게이지 사이의 거리와 밀접한 관련이 있는데, 이 관계를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서, Ea는 변형량 진폭(strain amplitude)을 나타내며, θ는 수직 방향과 게이지 사이의 각도, λ는 수직방향과 중립축(N-A; Neutral Axis)에 대한 수직축 사이의 각도,
Figure pat00004
는 평균변형량(average strain)을 나타낸다.
축응력 σ는 축 표면의 단축응력(uniaxial stress) 계산에 사용되는 보의 관계식을 적용함으로써 다음의 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00005
여기서, Ea는 변형량, Mb는 축의 굽힘모멘트, E는 탄성계수(Young's Modulus), I는 축의 단면 2차 모멘트, c는 축 단말의 반지름이다.
또한 원신호(raw data)의 처리는 다음과 같다. 상기 스트레인 게이지로부터 수신된 데이터는 게이지가 설치된 위치의 추진축 단면에서 엔진 부하에 따라 변화하는 굽힘모멘트를 얻기 위한 기초정보로 사용될 수 있고, 이 정보를 이용하여 축이 한 번 회전할 때의 스트레인 게이지 변형률의 진폭을 이용하여 상기 변형률에 대한 궤적을 다음의 수학식 3과 수학식 4와 같이 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00006
[수학식 4]
Figure pat00007
이러한 절차를 거치는 이유는 대부분 산출되는 모멘트 값은 합성치로서 큰 수직모멘트와 작은 수평모멘트를 동시에 포함하고 있기 때문이다. 실제로 축 정렬 상태를 파악하기 위해 베어링 반력을 측정할 경우에는 수직방향 모멘트만 필요하다. 따라서 이러한 수직과 수평모멘트의 분리를 통해서 정확한 수직방향 모멘트를 구할 수 있다. 또한 선박의 운항 시 스트레인 게이지에서 계측한 성분을 수직과 수평성분으로 나누어 궤도선도(orbit)로 나타낼 수 있는데, 이를 통해 정적상태 대비 운전 시의 축의 굽힘방향의 양상을 파악할 수 있다.
도 7은 본 발명이 적용된 선미관 베어링의 레이아웃의 일 예를 나타낸 도면이다.
선미관 베어링의 지지반력 R1의 해석에 필요한 변수를 도 7에 따라 정의하고 모멘트 평형방정식을 수립하면 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00008
여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, D는 R1이 작용하는 질점, d1, d2, dp는 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA는 A점에서의 측정 모멘트, MAD는 AD지점간 축중량에 의한 모멘트, Wp는 프로펠러의 중량이다.
도 8은 본 발명이 적용된 중간축 베어링의 레이아웃의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7에서와 마찬가지로, 중간축 베어링 반력 R3의 해석은 각 변수를 도 8에 따라 정의하고 평형방정식을 수립하면 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00009
여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, d1, d2, d3은 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA, MB, MC는 각 점에서의 측정 모멘트, MAB, MBC는 지점간 축중량에 의한 모멘트를 나타낸다.
도 9는 본 발명이 적용된 모멘트의 방향을 정의하는 도면이고, 도 10은 도 4의 스트레인 게이지 SG #6의 수직 성분 신호를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 4의 스트레인 게이지 SG #6의 수평 성분 신호를 나타낸 도면이며, 도 12는 도 4의 스트레인 게이지 SG #6의 H/V 오비트 플롯(orbit plot)을 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 스트레인 게이지로부터 수신한 계측 데이터는 게이지가 설치되어 있는 위치의 축 단면에서 엔진 부하에 따라 변화하는 굽힘모멘트를 얻기 위한 기초정보로 사용되며, 상기 굽힘모멘트는 축 1회전시의 스트레인 게이지 변형률 진폭을 이용하여 산출할 수 있다. 이 굽힘모멘트는 도 9에서와 같이 프로펠러 및 스트레인 게이지 설치위치의 축 단면에 대해 회전좌표계로 도시할 수 있다.
또한 굽힘모멘트를 궤도선도로 나타내기 위해서는 스트레인 게이지의 신호(원 신호)를 1/4회전(90도)지연시켜 수평성분신호(지연신호)를 예측하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 프로펠러 날개(4장)는 모두 대칭이라는 가정이 필요하며 시간기반 신호를 축 회전각 기반신호로 변환하는 작업이 필요하다.
또한 보다 명확한 선도를 나타내기 위하여 굽힘모멘트에서 나타나는 노이즈를 FFT 처리를 통해 평활화하고 회전각 기반으로 변환된 수직 수평 신호를 조합하여, 선박의 운전시 발생하는 축의 굽힘모멘트 궤적(trajectory)을 얻을 수 있다.
상기 궤적을 통해서 추진축의 진동원인별 궤적형태를 분석하는 것이 가능하며, 상기 분석을 통해서 축계의 이상여부를 조기 진단하는 것이 가능하여 축계의 안전성을 확보하는 것이 가능해진다.
또한 상기 방식을 이용하면 축의 진동원인별 궤적형태 분석이 가능하며 이를 통해 축계의 이상여부 조기 진단이 가능해짐으로써 축계의 안전성을 확보 할 수 있게 된다.
또한 스트레인 게이지별 궤도선도를 검토해 보면, 스트레인 게이지 모두에서 엔진 부하변동에 큰 영향을 받지 않으면서 비교적 진원형태에 가까운 궤적을 나타내고 있다. 예를 들어 도 10 내지 도 12는 스트레인 게이지 SG #6의 전방향신호를 수직과 수평성분으로 분리한 결과이다.
한편, 본 발명에 적용되는 추진축계의 안정성 확보를 위한 이상 진단 주요 인자를 살펴보면 다음과 같다.
먼저 엔진의 고장진단 주요 인자로는 온도, 압력, 소음 및 진동 등으로 분류할 수 있다.
상기 온도에는 배기가스의 온도, 냉각시스템 온도(실린더 라이너, 과급기), 윤활시스템 온도, 연료시스템 온도, 주변보조장치 온도 등의 인자가 있다.
상기 압력에는 윤활시스템 배관의 압력, 냉각시스템 배관의 압력 등의 인자가 있다.
상기 소음 및 진동에는 엔진 정지시 크랭크 축의 변형에 따른 진동 및 소음, 엔진 실린더 라이너 및 피스톤 링 마모에 따른 진동 및 소음, 발전기 전류/전압 변동에 따른 진동 및 소음, 엔진 구조 진동, 발전기 진동, 엔진 및 과급기 소음/진동 분석, 엔진 플라이휠의 각속도 변동에 따른 진동 및 소음, 엔진 실린더 불평형력에 따른 진동 및 소음 등의 인자가 있다.
또한 축계 이상진단 주요 인자로는 엔진 기진력에 따른 축계 비틀림 진동, 프로펠러 기진력에 따른 축계 횡 진동, 프로펠러 이상에 따른 소음 및 진동, 베어링 마모에 따른 소음 및 진동, 기어박스 이상에 따른 소음 및 진동, 프로펠러 이상 부하(어망, 돌고래, 암초 등)로 발생한 미세 크랙(crack)으로 인한 진동 및 소음, 엔진측과 프로펠러 사이의 정렬(alignment) 이상으로 오는 미세 진동 및 소음 등이 있다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 방법의 일 실시예를 도 13을 참조하여 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하중 측정 및 축계 손상방지 모니터링 방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이다.
우선, 모니터링을 수행하는 운영자 측에서 모니터링 대상이 되는 특정 선박축계에 축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하기 위한 복수의 스트레인 게이지를 부착한다(S100).
상기 S100 단계를 통해 복수의 스트레인 게이지를 부착한 이후, 동적 신호 분석기(100)에서는 상기 스트레인 게이지에서 측정한 데이터를 토대로 선미관 베어링 및 중간축 베어링의 반력을 측정한다(S200).
상기 S200 단계를 통해 선미관 베어링 및 중간축 베어링의 반력을 측정한 이후, 스트레인 게이지에서 발생한 원신호(즉 굽힘모멘트)를 위상차를 이용한 수직, 수평성분으로 분리한다(S300).
그리고 상기 동적 신호 분석기(100)에서는 상기 S300 단계에서 분리한 수직, 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시한다(S400). 즉 상기 S300 단계에서 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다. 또한 상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다.
이와 같이 상기 S100 내지 S400 단계를 수행하면, 선미관 베어링 및 중간축 베어링의 하중 변화를 확인할 수 있다.
이와 동시에, 상기 동적 신호 분석기(100)에서는 선미관의 전부쪽에 구비된 변위센서의 측정 데이터를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시한다(S500). 즉 상기 S500 단계를 통해 축의 변화를 확인하는 것이다.
마지막으로, 상기 동적 신호 분석기(100)에서는 S400 단계 및 S500 단계에서 수행한 축계의 안전성 확보를 위한 축계 베어링 하중 측정 데이터와 축의 변화를 토대로 향후 축 궤적에 변화가 발생하는지의 여부를 분석 및 예측하고, 그 결과를 표시하여 관리자가 현재의 동작상태는 물론, 고장발생이나 예측정보를 확인할 수 있도록 한다(S600).
이처럼, 본 발명은 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수집되는 데이터와 측정된 데이터 간의 비교분석/고장분석을 통해 이상 징후 및 정비시기 도래 등 실시간 상태기반 진단정보, 유지보수 정보를 제공할 수 있다.
또한 비접촉 방식으로 축동력을 측정하므로, 정상적으로 작동/회전하는 기계의 운동을 방해하지 않으면서 시간에 따라 계속적으로 변동하는 엔진 및 축계의 파라미터를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한 고장 진단 분석을 통해 이상징후 및 정비시기 도래 등 실시간 상태기반의 유지 보수 정보를 제공할 수 있다.
또한 선박 운항 시 엔진 및 축계에서 수집되는 빅데이터를 기반으로 현재 계측되는 데이터와 기 측정된(예를 들어, 6개월 내지 1년 이전) 데이터 간의 비교 분석을 통해 선박의 상태 진단은 물론 선박의 안전과 운항효율증진에 도움을 줄 수 있다.
또한 각종 진단정보를 선박 육상간 실시간으로 공유할 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
100 : 동적신호 분석기 110 : 회전속도 확인부
120 : 하중 변화 처리부 130 : 축 변화 처리부
140 : 축 거동 분석부 150 : 표시부
200 : 센서 300 : 센서데이터 처리모듈
310 : 제1 데이터 처리부 320 : 제2 데이터 처리부
330 : 제3 데이터 처리부 340 : 통신부
400 : 데이터베이스 500 : 관리자 단말

Claims (13)

  1. 복수의 스트레인게이지를 이용하여 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하기 위한 센서; 및
    상기 센서로부터 상기 추진축을 지지하는 베어링 반력을 측정하기 위한 동적 신호 분석기;를 포함하며,
    상기 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 반력을 측정하여 상기 베어링 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동적 신호 분석기는,
    복수의 상기 스트레인게이지에서 발생하는 원신호를 위상차를 이용하여 수평 및 수직성분으로 분리하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행하는 것을 포함하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 동적 신호 분석기는,
    상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행하는 것을 포함하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 굽힘모멘트는,
    상기 센서를 통해서 상기 선박의 추진축계에서 4지점 이상에서 측정되며,
    상기 추진축을 360도만큼 회전시키고, 상기 추진축 회전각도에 따른 변형량으로 측정되며, 상기 변형량은 상기 추진축의 중립축과 상기 센서 사이의 거리에 따라 사인파 형상으로 나타나는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 선미관 베어링의 반력은,
    Figure pat00010
    의 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
    여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, D는 R1이 작용하는 질점, d1, d2, dp는 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA는 A점에서의 측정 모멘트, MAD는 AD지점간 축중량에 의한 모멘트, Wp는 프로펠러의 중량이다.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간축 베어링 반력은,
    Figure pat00011
    의 수학식을 이용하여 산출하는 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
    여기서 A, B, C는 스트레인 게이지, d1, d2, d3은 스트레인 게이지로부터 해당 지점까지의 거리, MA, MB, MC는 각 점에서의 측정 모멘트, MAB, MBC는 지점간 축중량에 의한 모멘트를 나타낸다.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는,
    스트레인게이지, 변위, 온도, 압력, 회전속도 또는 이들의 조합을 포함하며,
    상기 센서 중에서 스트레인게이지에서 발생하는 원신호인 굽힘모멘트를 위상차를 이용하여 수직 및 수평 성분으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스트레인 게이지로부터 수신된 데이터는 게이지가 설치된 위치의 추진축 단면에서 엔진 부하에 따라 변화하는 굽힘모멘트를 얻기 위한 기초정보로 사용될 수 있고, 이 정보를 이용하여 축이 한 번 회전할 때의 스트레인 게이지 변형률의 진폭을 이용하여 상기 변형률에 대한 궤적을 산출하는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 굽힘모멘트는,
    프로펠러 및 스트레인 게이지의 설치위치의 추진축 단면에 대해 회전좌표계(rotating coordinate system)로 도시되며,
    상기 굽힘모멘트에서 나타나는 노이즈를 FFT처리를 통해 평활화하고 회전각 기반으로 변환된 수직 및 수평 신호를 조합하여, 선박의 운전시 발생하는 축의 굽힘모멘트 궤적을 얻는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 궤적을 통해서 추진축의 진동원인별 궤적형태를 분석하는 것이 가능하며, 상기 분석을 통해서 축계의 이상여부를 조기 진단하는 것이 가능하여 축계의 안전성을 확보하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 시스템.
  11. 복수의 스트레인게이지를 이용하여 선박의 추진축에서 발생하는 굽힘모멘트를 측정하는 굽힘모멘트 측정 단계; 및
    센서로부터 상기 추진축을 지지하는 베어링 반력을 측정하기 위한 동적 신호 분석 단계;를 포함하며,
    상기 베어링 중 선미관 베어링과 중간축 베어링의 반력을 측정하여, 상기 베어링 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 베어링 하중 모니터링 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 동적 신호 분석 단계는,
    복수의 상기 스트레인게이지에서 발생하는 원신호를 위상차를 이용하여 수평 및 수직성분으로 분리하고, 상기 분리된 수직 및 수평성분을 합성하여 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행하는 것을 포함하는 베어링 하중 모니터링 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 동적 신호 분석 단계는,
    상기 수평 및 수직성분에 상기 추진축의 변위정보를 감지하는 변위센서의 정보를 합성하여 회전축의 거동을 궤적으로 도시함으로써, 상기 추진축의 상기 베어링에 대한 하중변화를 모니터링, 분석, 예측 또는 이들의 조합을 수행하는 것을 포함하는 베어링 하중 모니터링 방법.
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