KR20210108156A

KR20210108156A - 건설기계의 고장 진단 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20210108156A
Application number: KR1020200023015A
Authority: KR
Inventors: 김건; 임원종
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-09-02

Abstract

건설기계의 고장 진단 방법에 있어서, 건설기계의 기어박스에 설치된 센서로부터 진동 신호를 획득한다. 상기 획득한 진동 신호들을 기초로 하여 신호처리 기법을 이용하여 상기 기어박스의 비정상 진동 판단을 위한 건전성 데이터(health data)를 획득한다. 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출한다. 상기 최적화된 건전성 인자에 기초하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단한다.

Description

건설기계의 고장 진단 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR FAULT DIAGNOSIS IN CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 건설기계의 고장 진단 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기어박스를 포함하는 건설기계의 선회 장치의 고장을 진단하기 위한 방법 및 이를 수행하기 위한 건설기계의 고장 진단 시스템에 관한 것이다.

유성 기어박스는 건설기계의 선회 장치에서 가장 중요한 구성요소 중 하나이다. 상기 유성 기어박스의 고장 진단에 관한 연구들은 항공기, 풍력 발전 그리고 대형 발전소의 회전체와 같은 분야에서 많이 진행되어 왔다. 그러나, 건설기계의 경우 기어박스의 진동 특성에 영향을 주는 불확실한 작동 조건과 같은 다양한 불확실성 때문에 진단에 어려움이 있다.

본 발명의 일 과제는 건설기계 내의 유성 기어박스의 임의의 고장을 정확히 진단하고 구분할 수 있는 건설기계의 고장 진단 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 과제는 상술한 고장 진단 방법을 수행하기 위한 건설기계의 고장 진단 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 방법에 있어서, 건설기계의 기어박스에 설치된 센서로부터 진동 신호를 획득한다. 상기 획득한 진동 신호들을 기초로 하여 신호처리 기법을 이용하여 상기 기어박스의 비정상 진동 판단을 위한 건전성 데이터(health data)를 획득한다. 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출한다. 상기 최적화된 건전성 인자에 기초하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 신호처리 기법을 이용하여 상기 건전성 데이터를 획득하는 것은 상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호를 획득하고, 상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 획득하는 것을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 신호처리 기법은 시간 동기화 평균(TSA, time synchronous averaging) 기법을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건전성 데이터는 상기 차등 신호로부터 산출된 정규화된 첨도값(Normalized Kurtosis)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 최적화된 건전성 인자는 하기의 수학식 1에 의해 상기 건전성 데이터에 상기 보정 인자를 곱하여 산출하고, 상기 보정 인자는 하기의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, NKA는 최적화된 건전성 인자이고, Na는 보정 인자이고, C는 보정 계수임.

[수학식 2]

여기서, Na는 보정 인자이고, E는 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 지점들(data points)의 평균값임.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 센서는 가속도계 센서 및 회전 속도계 센서를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 기어박스의 고장 여부의 판단 결과를 표시 장치를 통해 사용자에게 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 시스템은 건설기계의 기어박스에 설치되어 진동 신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서, 상기 센서로부터 상기 진동 신호를 수신하고 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출하고 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하기 위한 제어 장치, 및 상기 기어박스의 고장 여부의 판단 결과를 사용자에게 제공하기 위한 표시 장치를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호를 산출하고 상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 산출할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 표시 장치는 계기 패널 또는 휴대 단말기를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 상기 건설기계의 고장 진단 시스템은 상기 건설기계의 기어 박스로부터 진동 신호를 검출하고, 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출하고, 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출하여 상기 기어 박스의 고장 여부를 판단할 수 있다.

상기 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 포인트들 평균값을 정규화한 보정 인자를 곱해줌으로써 각 신호의 구간마다 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 신호를 희석하거나 억제할 수 있다.

이에 따라, 기존의 신호처리 기법에 비해 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 산출함으로써, 고장 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 유압 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3e는 상기 건설기계의 선회 장치의 기어박스에서의 고장 유형을 나타내는 사시도들이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 선회 작동 모드를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 4의 선회 작동 모드에서 신호처리 기법을 통해 획득한 건전성 데이터를 나타나는 그래프이다.
도 6은 도 5의 건전성 데이터에 보정 인자를 반영하여 획득한 최적화된 건전성 인자를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 6의 최적화된 건전성 인자의 박스 플롯(box-plot)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 유압 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 건설기계는 하부 주행체, 상기 하부 주행체 상에 선회 가능하도록 탑재되는 상부 선회체, 및 상기 상부 선회체에 설치된 운전실과 작업 장치를 포함할 수 있다.

상기 하부 주행체는 상기 상부 선회체를 지지하고, 엔진(110)에서 발생한 동력을 이용하여 굴삭기와 같은 건설기계를 주행시킬 수 있다. 상기 상부 선회체는 베이스로서의 상부 프레임을 구비하고, 상기 하부 주행체 상에서 회전하여 작업 방향을 설정할 수 있다.

상기 작업 장치는 붐, 암 및 버켓을 포함할 수 있다. 상기 작업 장치는 붐 실린더, 암 실린더 및 버켓 실린더와 같은 액추에이터(62)의 구동에 의해 작동될 수 있다. 상기 붐 실린더, 상기 암 실린더 및 상기 버켓 실린더가 신장 또는 수축함에 따라 상기 붐, 상기 암 및 상기 버켓은 다양한 움직임을 구현할 수 있고, 상기 작업 장치는 여러 가지 작업을 수행할 수 있다.

상기 건설기계는 상기 상부 선회체를 선회시키기 위한 선회 장치를 포함할 수 있다. 상기 선회 장치는 선회 모터와 같은 액추에이터(62)의 구동에 의해 작동될 수 있다. 이 때, 상기 선회 모터는 유압 펌프(120)로부터 공급되는 작동유에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 건설기계의 유압 제어 시스템은 엔진(110), 엔진(110)에 의해 구동되는 유압 펌프(120), 유압 펌프(120)로부터 토출된 작동유에 의해 동작 가능한 적어도 하나의 액추에이터(62), 유압 펌프(120)와 액추에이터(62) 사이에 설치되며 내부에 구비된 스풀의 변위량에 따라 유압 펌프(120)로부터 액추에이터(62)로 공급되는 작동유의 유량을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 메인 컨트롤 밸브(130), 및 입력된 제어 신호에 비례하여 상기 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어하기 위한 파일럿 신호압을 상기 스풀에 공급하는 스풀 변위 조정 밸브를 포함하는 스풀 변위 조정부(140)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계는 굴삭기, 휠 로더, 지게차 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상기 건설기계가 굴삭기인 경우에 대하여 설명하기로 한다. 다만, 이로 인하여 예시적인 실시예들에 따른 제어 시스템이 굴삭기를 제어하기 위한 것으로 한정되는 것은 아님을 이해할 수 있을 것이다.

유압 펌프(120)는 고압 유압 라인(124)을 통하여 메인 컨트롤 밸브(130)에 연결될 수 있다. 상기 붐 실린더, 상기 암 실린더, 상기 버켓 실린더 및 상기 선회 모터와 같은 액추에이터(62)는 고압 유압 라인을 통해 메인 컨트롤 밸브(130)에 연결될 수 있다.

파일럿 펌프(150)는 엔진(110)의 출력축에 연결되며, 상기 출력축이 회전함에 따라 구동되어 제어유를 토출할 수 있다. 예를 들면, 상기 파일럿 펌프는 기어펌프일 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 작동유 및 상기 제어유는 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.

파일럿 펌프(150)로부터 토출된 제어유는 스풀 변위 조정부(140)의 상기 스풀 변위 조정 밸브를 거쳐 상기 제어 밸브의 스풀에 공급될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력된 제어 신호에 비례하여 상기 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어하기 위한 파일럿 신호압을 상기 제어 밸브의 스풀에 공급할 수 있다.

예를 들면, 한 쌍의 스풀 변위 조정 밸브들이 대응하는 제어 밸브의 스풀의 양측에 각각 구비될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브로부터 출력된 파일럿 신호압은 상기 대응하는 제어 밸브 내의 스풀의 양측에 선택적으로 공급됨으로써, 상기 제어 밸브가 절환될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력된 제어 신호에 비례하는 크기를 갖는 파일럿 신호를 공급할 수 있다. 상기 제어 밸브 내의 스풀의 이동은 상기 파일럿 신호압에 의해 제어될 수 있다. 즉, 상기 파일럿 신호압의 공급 방향에 따라 상기 스풀의 이동 방향이 결정되며, 상기 파일럿 신호압의 세기에 따라 상기 스풀의 변위량이 결정될 수 있다.

예를 들면, 상기 제어 밸브를 갖는 조립체로서의 메인컨트롤밸브(130)는 전자유압식 메인컨트롤밸브일 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력되는 전기적 신호에 따라 제어 밸브 내의 스풀에 가해지는 파일럿 작동유를 제어하는 전자비례감암밸브(EPPRV)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제어 장치(200)는 작업 장치(60)를 조작하기 위한 제어 신호로서 압력지령 신호를 상기 스풀 변위 조정 밸브로 출력할 수 있다. 상기 전자비례감압밸브는 상기 압력지령 신호에 비례하는 2차 압력을 대응하는 상기 스풀에 출력함으로써, 전기적 제어 신호로 상기 스풀을 제어할 수 있다.

이하에서는, 상기 건설기계의 고장 진단 시스템에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 3a 내지 도 3e는 상기 건설기계의 선회 장치의 기어박스에서의 고장 유형을 나타내는 사시도들이다. 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 선회 작동 모드를 나타내는 그래프이다. 도 5는 도 4의 선회 작동 모드에서 신호처리 기법을 통해 획득한 건전성 데이터를 나타나는 그래프이다. 도 6은 도 5의 건전성 데이터에 보정 인자를 반영하여 획득한 최적화된 건전성 인자를 나타내는 그래프이다. 도 7은 도 6의 최적화된 건전성 인자의 박스 플롯(box-plot)을 나타내는 그래프이다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 건설기계의 고장 진단 시스템(100)은 건설기계의 선회 장치의 기어박스에 설치되어 진동 신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서(300, 310), 상기 진동 신호를 수신하고 이에 기초하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하기 위한 제어 장치(200) 및 상기 기어박스의 고장 여부의 판단 결과를 사용자에게 제공하기 위한 표시 장치(400)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 선회 장치는 선회 모터 및 감속기를 포함할 수 있다. 상기 감속기는 상기 기어박스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 감속기는 유성 기어박스(planetary gearbox)를 포함할 수 있다.

도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 유성 기어박스 내의 주요 부품인 기어 치에서 발생하는 고장은 다양한 형태로 나타날 수 있다. 먼저, 상기 고장은 2가지 타입, 즉, 충격(Impact) 타입과 고정(Steady) 타입으로 분류될 수 있다.

구체적으로, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 충격 타입은 메싱 플레인(meshing plane)에서 수평하게 나타나는 투쓰 크랙(Tooth Crack)(I-TC), 상부면 상에서 부분적으로 나타나는 부분 균열(Partial Fracture)(I-PF) 및 표면 중심에서 나타나는 스폴링(Spalling)(I-S)으로 구분될 수 있다. 한편, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 고정 타입은 메싱 평면의 에지 부분이 제거되는 가공 에러(Manufacturing error)(S-ME) 및 일정 두께로 전체 표면이 제거되는 마모(Wear)(S-W)로 구분될 수 있다.

상기 센서는 상기 기어박스에 설치되어 진동 신호를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 센서는 가속도계 센서(accelerometer)(300) 및 회전 속도계 센서(tachometer)(310)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 센서는 2단 유성 기어박스에 설치될 수 있다. 상기 센서는 데이터 수집 장치(DAQ)에 의해 제어 장치(200)에 연결되어 상기 검출된 진동 신호를 제공할 수 있다. 상기 데이터 수집 장치는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 건설기계가 선회 동작 모드를 수행할 때, 상기 센서는 상기 기어박스로부터의 진동 신호를 검출할 수 있다. 상기 선회 모터는 선회 RPM은 가속 단계, 등속 단계 및 감속 단계로 변화하고, 각각의 단계에서 진동 신호를 검출할 수 있다. 예를 들면, 엔진 RPM은 1900rpm으로 유지되고, 선회 모터의 최대 RPM은 1150rpm으로 설정될 수 있다.

제어 장치(200)는 상기 진동 신호를 기초로 하여 신호처리 기법을 이용하여 상기 기어 박스의 비정상 진동 판단을 위한 건전성 데이터(health data)를 획득하고, 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출할 수 있다. 제어 장치(200)는 신호 처리부(210), 최적화 처리부(220) 및 판단부(230)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(210), 최적화 처리부(220) 및 판단부(230)는 여기서 설명되는 기능들을 수행하기 위한 지정된 하드웨어, 소프트웨어 및 회로를 포함할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 로직 회로, 마이크로프로세서, 메모리 장치들 등과 같은 전기적 회로들에 의해 물리적으로 수행될 수 있다.

신호 처리부(210)는 가속도계 센서(300) 및 회전 속도계 센서(310)로부터 상기 진동 신호를 수신하고, 상기 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출할 수 있다.

예를 들면, 신호 처리부(210)는 상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호(Difference Signal)를 획득하고, 상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 획득할 수 있다. 상기 신호처리 기법은 시간 동기화 평균(TSA, time synchronous averaging) 기법, 자동회귀 최소 엔트로피 디콘볼루션(ARMED, autoregressive minimum entropy deconvolution) 기법, 스펙트럼 첨도(SK, Spectral Kurtosis) 기법 등을 포함할 수 있다

상기 TSA 기법을 사용하여 건전성 데이터를 획득할 수 있다. 상기 건전성 데이터는 상기 차등 신호로부터 산출된 정규화된 첨도값(Normalized Kurtosis)을 포함할 수 있다. 상기 정규화된 첨도값은 상기 차등 신호 크기의 피크 정도를 나타낼 수 있다. 예를 들면, FM4, M6A 및 M8A을 사용할 수 있다. FM4, M6A 및 M8A은 아래의 식(1), 식(2) 및 식(3)에 의해 각각 산출할 수 있다.

------ 식(1)

------ 식(2)

------ 식(3)

여기서, d는 차등 신호이고,

는 차등 신호의 평균값이고, N은 계산에 사용된 데이터 포인트들(data points)의 전체 개수이다.

최적화 처리부(220)는 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 산출할 수 있다.

구체적으로, 상기 최적화된 건전성 인자(NKA, Normalized Kurtosis and Average)는 아래의 식(4)에 의해 상기 건전성 데이터에 상기 보정 인자(Na)를 곱하여 산출할 수 있다.

------ 식(4)

상기 보정 인자(Na)는 상기 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 포인트들(data points)의 평균값을 정규화(normalization)한 값일 수 있다. 상기 보정 인자(Na)는 아래의 식(5)에 의해 산출될 수 있다.

------ 식(5)

여기서, Na는 보정 인자이고, E는 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 지점들의 평균값임.

이 때, 보정 계수(C)는 정규화된 보정 인자(Na)를 상기 건전성 데이터와의 곱셈 시, 0이 되는 것을 방지하기 위한 값이다. 보정 계수(C)는 고장 유무 판별에 영향을 주지 않는 수준의 특정 범위로 한정될 수 있다. 보정 계수(C)는 새롭게 산출된 건전성 인자값의 기 설정된 비율(예를 들면, 1% 또는 그 이하)로 결정될 수 있다. 예를 들면, 보정 계수(C)는 0.01일 수 있다.

도 5는 상기 건설기계의 선회 작업 모드에서 시간 동기화 평균(TSA) 기법을 사용하여 산출된 건전성 데이터(M8A)를 나타내는 그래프이다. 상기 선회 작업 모드의 가속 단계, 등속 단계 및 감속 단계 각각에서 상기 건전성 데이터를 산출하였다. 여기서, Normal은 정상 상태를 의미한다.

도 5를 참조하면, 굴삭기에서 진동 신호 기반의 TSA 기법을 적용한 결과, 타 산업군(예를 들면, 발전소)에서의 고장 진동 정확도에 비해 정확도가 낮은 것으로 확인되었다.

굴삭기로부터 획득한 진동 신호(v(t))는 아래의 식(6)에 의해 표현될 수 있다.

------ 식(6)

여기서, v(t)는 취득한 진동 신호(raw vibration signal)이고, r(t)는 진단 대상의 회전과 관련된 신호이고,

는 차량 레벨에서 들어오는 노이즈 신호이고,

는 정체를 알 수 없는 신호(기본 노이즈)이고,

는 굴삭기(장비)의 환경에 의한 신호임.

기존의 신호처리 기법(예를 들면, TSA 기법)은

에 대한 부분은 별도로 고려하지 않고, 디노이징(denoising)에 포커스를 두거나 r(t)를 강조하는 방안을 사용하고 있다. 하지만, 굴삭기에 같이 움직이는 건설기계의 경우

성분이 차지하는 비중이 매우 크므로, 전체 진동 크기에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 최적화 처리부(220)는 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 포인트들 평균값을 정규화한 보정 인자를 곱해줌으로써 각 신호의 구간마다 r(t) 이외의 신호가 갖는 영향을 희석하거나 억제할 수 있다. 이에 따라, 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 산출함으로써, 고장 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 6은 도 5의 건전성 데이터에 보정 인자를 반영하여 획득한 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 나타내는 그래프이다. 도 7은 도 6의 최적화된 건전성 인자의 박스 플롯(box-plot)을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 최적화된 건전성 인자(NAK)를 활용하여 정상과 고장의 분류 결과를 확인할 수 있다. 가속 단계, 등속 단계, 감속 단계의 모든 구간에서 정상의 최대치보다 고장의 최소값이 큰 것을 확인할 수 있다.

도 7을 참조하면, 속도 조건과 무관한 각 구간 별 건전성 데이터 산포를 확인할 수 있다. 고정(Steady) 타입의 가공 에러(Manufacturing error)(S-ME)는 일부 겹치는 구간이 있지만, 다른 모든 고장에 대해서 완전히 분리가 됨을 확인할 수 있다.

즉, 새로운 최적화된 건전성 인자(optimized feature, NKA)를 통해 산출한 값은 장비에서 들어오는 신호에 의한 평균값들이 보정되어서 정상과 고장 구분이 잘 이뤄짐을 확인할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 판단부(230)는 최적화된 건전성 인자(optimized feature, NKA)를 이용하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하고 상기 판단 결과에 따른 출력 신호를 표시 장치(400)에 출력할 수 있다. 또한, 판단부(230)는 상기 기어박스의 고장 타입을 판단할 수 있다.

표시 장치(400)는 판단부(230)로부터의 출력 신호에 기초하여 상기 기어 박스의 고장 여부를 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들면, 표시 장치는 계기 패널 또는 휴대 단말기를 포함할 수 있다. 상기 계기 패널의 경우, 판단부(230)는 CAN(Controller Area Network) 인터페이스를 통해 상기 고장 정보를 포함하는 상기 출력 신호를 상기 계기 패널에 전송할 수 있다. 상기 휴대 단말기의 경우, 판단부(230)는 TMS(Tele-Management System)과 같은 원격 관리 장치를 통한 무선 통신에 의해 상기 출력 신호를 원격 제어 서버로 송신하고, 상기 원격 제어 서버는 상기 고장 정보 신호를 상기 휴대 단말기에 송신할 수 있다.

따라서, 사용자는 운전실 내의 상기 계기 패널 또는 상기 휴대 단말기를 통해 지속적으로 상기 기어박스의 고장 상태 정보의 추세를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 건설기계의 고장 진단 시스템은 상기 건설기계의 기어 박스로부터 진동 신호를 검출하고, 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출하고, 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출하여 상기 기어 박스의 고장 여부를 판단할 수 있다.

이에 따라, 기존의 신호처리 기법(예를 들면, TSA 기법)에 비해 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 산출함으로써, 고장 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 도 2의 건설 기계의 고장 진단 시스템을 이용하여 건설 기계의 고장을 진단하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 8은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 고장 진단 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 먼저, 건설기계의 기어박스의 진동 신호를 검출할 수 있다(S100).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 선회 장치의 감속기에 설치된 센서로부터 진동 신호를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 감속기는 유성 기어박스를 포함할 수 있다.

상기 기어박스에 설치된 가속도계 센서(300) 및 회전 속도계 센서(310)는 데이터 수집 장치(DAQ)에 의해 제어 장치(200)에 연결되어 상기 검출된 진동 신호를 제공할 수 있다. 상기 데이터 수집 장치는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있다.

이어서, 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출하고(S110), 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출할 수 있다(S120). 이어서, 상기 최적화된 건전성 인자에 기초하여 기어박스의 고장 여부를 판단할 수 있다(S130).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호(Difference Signal)를 획득하고, 상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 획득할 수 있다.

예를 들면, 시간 동기화 평균(TSA, time synchronous averaging) 기법을 사용하여 건전성 데이터를 획득할 수 있다. 상기 건전성 데이터는 상기 차등 신호로부터 산출된 정규화된 첨도값(Normalized Kurtosis)을 포함할 수 있다. 상기 정규화된 첨도값은 상기 차등 신호 크기의 피크 정도를 나타낼 수 있다. 예를 들면, FM4, M6A 및 M8A을 사용할 수 있다.

이어서, 작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 곱하여 최적화된 건전성 인자(Optimized feature)를 산출할 수 있다.

상기 보정 인자는 상기 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 포인트들(data points)의 평균값을 정규화(normalization)한 값일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 최적화된 건전성 인자(optimized feature)를 이용하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하고 상기 판단 결과에 따른 출력 신호를 표시 장치(400)에 출력할 수 있다.

표시 장치(400)는 상기 판단부(230)로부터의 출력 신호에 기초하여 상기 기어 박스의 고장 여부를 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들면, 표시 장치는 계기 패널 또는 휴대 단말기를 포함할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 건설기계의 고장 진단 시스템
110: 엔진 120: 유압 펌프
122: 펌프 레귤레이터 124: 고압 유압 라인
130: 메인 컨트롤 밸브 140: 스풀 변위 조정부
150: 파일럿 펌프 200: 제어 장치
210: 신호 처리부 220: 최적화 처리부
230: 출력부 300: 가속도계 센서
310: 회전 속도계 센서 400: 표시 장치

Claims

건설기계의 기어박스에 설치된 센서로부터 진동 신호를 획득하고;
상기 획득한 진동 신호들을 기초로 하여 신호처리 기법을 이용하여 상기 기어박스의 비정상 진동 판단을 위한 건전성 데이터(health data)를 획득하고;
작업 환경에 따른 상기 건설기계의 특성을 고려한 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출하고; 그리고
상기 최적화된 건전성 인자에 기초하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하는 것을 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 신호처리 기법을 이용하여 상기 건전성 데이터(health data)를 획득하는 것은,
상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호(Difference Signal)를 획득하고; 그리고
상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 획득하는 것을 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 신호처리 기법은 시간 동기화 평균(TSA, time synchronous averaging) 기법을 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 건전성 데이터는 상기 차등 신호로부터 산출된 정규화된 첨도값(Normalized Kurtosis)을 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 최적화된 건전성 인자는 하기의 수학식 1에 의해 상기 건전성 데이터에 상기 보정 인자를 곱하여 산출하고, 상기 보정 인자는 하기의 수학식 2에 의해 산출되는 건설기계의 고장 진단 방법.
[수학식 1]

여기서, NKA는 최적화된 건전성 인자이고, Na는 보정 인자이고, C는 보정 계수임.
[수학식 2]

여기서, Na는 보정 인자이고, E는 건전성 데이터를 계산하는 데 사용되는 N개의 데이터 지점들(data points)의 평균값임.
제 1 항에 있어서, 상기 센서는 가속도계 센서 및 회전 속도계 센서를 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기어박스의 고장 여부의 판단 결과를 표시 장치를 통해 사용자에게 제공하는 것을 더 포함하는 건설기계의 고장 진단 방법.
건설기계의 기어박스에 설치되어 진동 신호를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서;
상기 센서로부터 상기 진동 신호를 수신하고, 신호처리 기법을 이용하여 상기 진동 신호로부터 건전성 데이터를 산출하고, 상기 건설기계의 작업 환경에 따른 보정 인자를 상기 건전성 데이터에 반영하여 최적화된 건전성 인자를 산출하여 상기 기어박스의 고장 여부를 판단하기 위한 제어 장치; 및
상기 기어박스의 고장 여부의 판단 결과를 사용자에게 제공하기 위한 표시 장치를 포함하는 건설기계의 고장 진단 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 신호처리 기법을 수행하여 차등 신호를 산출하고 상기 차등 신호를 기반으로 상기 건전성 데이터를 산출하는 건설기계의 고장 진단 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 신호처리 기법은 시간 동기화 평균(TSA, time synchronous averaging) 기법을 포함하는 건설기계의 고장 진단 시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 건전성 데이터는 상기 차등 신호로부터 산출된 정규화된 첨도값(Normalized Kurtosis)을 포함하는 건설기계의 고장 진단 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 센서는 가속도계 센서 및 회전 속도계 센서를 포함하는 건설기계의 고장 진단 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 표시 장치는 계기 패널 또는 휴대 단말기를 포함하는 건설기계의 고장 진단 시스템.