KR20240054028A - 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치 - Google Patents

선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치 Download PDF

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KR20240054028A
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Abstract

본 발명은, 사전에 취득한 결함 데이터 없이 모든 선박 및 모터에 적용할 수 있는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치는 모터의 구름 베어링 진동 데이터를 수집하는 진동 데이터 수집부, 상기 진동 데이터 수집부가 수집한 진동 데이터를 사전에 설정된 통신 방식으로 전송받는 통신부, 사전에 설정된 구름 베어링 결함 주파수에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성하고, 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성에 따라 결함 모드를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.

Description

선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치{APPARATUS FOR DIAGNOSING DEFECTS OF ROLLING BEARING OF MOTOR FOR SHIP}
본 발명은 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모터는 고장 원인에 따라서 진동 데이터(특히, 주파수 스펙트럼 도메인)에서 고장 특성이 잘 나타나고, 고장 원인(부위)에 따른 진동 패턴의 특성은 이론적으로 정립되어 있다.
통상 기자재 상태 진단 기술은 진동 센서를 이용하여 데이터를 수집하고 수집된 진동 데이터를 진동 전문가가 여러가지 툴(tool)을 이용하여 분석한 후 고장 원인 및 심각도를 판단한다.
따라서, 진동 전문가의 경험 및 지식수준에 따라 고장 원인 및 심각도에 대한 결과가 달라질 수 있으며, 특히 선박에서는 통신이 원활하지 않은 상태에서 육상에 위치한 진동 전문가에게 도움을 받지 못하는 상황이 빈번하게 발생하는 문제점이 있다.
종래에는, 공진주파수 대역의 진동 신호를 추출하여(band-pass filtering) 주파수 스펙트럼으로 변환한 뒤, 주파수 성분 및 고조파(harmonics) 주파수 대역을 관찰하여 베어링 결함 여부를 진단한다. 특정 기본 성분에서 결함이 발생했을 경우 이를 결함모드라고 표현하며, 복수의 결함모드가 동시에 발생할 수 있다.
그러나, 모터마다 신호 특성이 다르고 관찰을 통해 결함 유무를 진단하기 때문에 일반화된 결함 원인 판별 기준을 산정할 수 없고, 일반적으로 정상/결함 상태의 데이터를 비교하여 진단하기 때문에, 진단을 위한 결함 데이터 확보가 필수적이다. 이에 종래 기술의 진단 방식은 선박과 같은 다품종 소량생산 제품의 진단 시스템을 사전에 개발/적용하기에 부적합한 문제점이 있다.
일본 등록특허공보 7103133호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사전에 취득한 결함 데이터 없이 모든 선박 및 모터에 적용할 수 있는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치는 모터의 구름 베어링 진동 데이터를 수집하는 진동 데이터 수집부, 상기 진동 데이터 수집부가 수집한 진동 데이터를 사전에 설정된 통신 방식으로 전송받는 통신부, 사전에 설정된 구름 베어링 결함 주파수에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성하고, 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성에 따라 결함 모드를 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 결함모드 별 인디케이터 생성 및 유사도 평가 기능을 통해 선박용 모터의 구름베어링 결함모드를 진단할 수 있으며, 해당 기능은 사전에 결함모드별 데이터를 확보할 필요가 없어 일반화된 진단시스템에 활용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 개략적인 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 각 결함 모드의 진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 실제 진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치에서 검출한 진동 데이터의 포락선에서의 피크 투 피크 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 복수의 결함 모드 진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치(100)는 데이터 수집부(110), 통신부(120) 및 진단부(130)를 포함할 수 있다.
데이터 수집부(110)는 모터의 구름 베어링 진동 데이터를 수집할 수 있다.
통신부(1200는 진동 데이터 수집부(110)가 수집한 진동 데이터를 사전에 설정된 통신 방식으로 전송받을 수 있다.
진단부(130)는 사전에 설정된 구름 베어링 결함 주파수에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성하고, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성에 따라 상기 모터의 구름 베어링의 결함 모드를 진단할 수 있다.
데이터 수집부(110)는 엔진룸(Engine Room) 배치되어 선박용 모터(Motor#1, Motor#2, Motor#3)의 진동(Vibration) 데이터를 수집할 수 있다. 진동 데이터 수집부(110)는 상기 모터에서 상기 구름 베어링이 장착된 부하측(Drive-end)과 상기 부하측의 반대편인 반부하측(Non drive-end)측 각각으로부터 상기 진동 데이터를 수집할 수 있다.
통신부(120) 및 진단부(130)는 선박용 엔진을 컨트롤 하는 엔진 컨트롤 룸(Engine Control Room; ECR)에 배치되어, 통신부(120)는 데이터 수집부(110)로부터의 진동 데이터를 이더넷(Ethernet)과 같은 무선 통신 방식으로 전송받을 수 있다.
진단부(130)는 신호 처리부(131), 인디케이터 신호 생성부(132) 및 유사도 평가부(133)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(131)는 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터를 신호 처리하여 포락선을 검출할 수 있다.
인디케이터 신호 생성부(132)는 사전에 설정된 구름 베어링의 외륜볼 통과 주파수, 내륜볼 통과 주파수, 볼 자전 주파수, 기본열 주파수 각각에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성할 수 있다. 상기 구름 베어링의 기본열 주파수는 상기 구름 베어링의 지지기에 대한 결함 주파수로 설정될 수 있다.
유사도 평가부(133)는 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가할 수 있으며, 신호 처리부(131)로부터 전송받은 진동 데이터의 포락선(envelope)의 최대-최소값이 사전에 설정된 기준치를 초과하면, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가할 수 있고, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터의 주파수 스펙트럼과 상기 결함 모드 인디케이터의 중첩 정도에 따라 유사성을 평가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 개략적인 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 데이터 수집부(110)에 의해 수집되어 통신부(120)를 통해 전달된 진동 데이터는 진단부(130)의 신호 처리부(131)에서 밴드 패스 필터링(bandpass filter)(S1)된 후, 헐버트 변환(Hibert Transform)(S3)되어, 포락선이 검출될 수 있다(Envelope Spectrum analysis)(S4).
구름 베어링에 결함이 발생하면, 모터의 축이 회전함에 따라 일정 주기의 충격력이 결함부로부터 발생하고 이는 베어링 보호부(housing)과 모터의 외피(casing) 공진주파수(1K~20KHz 사이)에서 가진된다.
공진에 영향을 주는 구름 베어링 결함 주파수는 기본적으로 4가지 기본 성분을 지니며, 이는 구름 베어링과 모터의 특성을 이용하여 계산할 수 있다.
진단부(130)의 인디케이터 신호 생성부(132)는 사전에 사전에 설정된 구름 베어링의 외륜볼 통과 주파수(Ball Pass Frequency Outer Race; BPFO), 내륜볼 통과 주파수(Ball Pass Frequency Inner Race; BPFI), 볼 자전 주파수(Ball Spin Frequency; BSF), 기본열 주파수(Fundamental Train Frequency; FTF) 각각에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성할 수 있다. 상기 구름 베어링의 기본열 주파수는 상기 구름 베어링의 지지기에 대한 결함 주파수로 설정될 수 있다(S2, S5). 인디케이터 신호 생성은 결함 주파수의 각 기본성분을 기준으로 해당 주파수 대역을 기준으로 생성할 수 있으며, 인디케이터 신호의 파형은 고장 상태의 특성에 따라 조절할 수 있다(예시: 정규분포형태, 램프형태, 스탭 형태 등).
유사도 평가부(133)는 신호 처리부(131)로부터 전송받은 진동 데이터의 포락선(envelope)의 최대-최소값이 사전에 설정된 기준치를 초과하면, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가할 수 있고, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터의 주파수 스펙트럼과 상기 결함 모드 인디케이터의 중첩 정도에 따라 유사도를 평가할 수 있다(S6, S7, S8, S9). 측정 신호 스펙트럼과 인디케이터 신호를 내적(dot product)하여 수치화된 유사도를 산출할 수 있다. 측정 신호 스펙트럼(spectrum)과 인디케이터 신호를 주파수 대역에서 유사도를 평가할 수 있으나, 이를 다시 파주수(quefrency) 영역으로 변환하여 측정 신호의 주성분을 파주수(quefrency)(단위: 시간) 대역에서 추출한 후, 인디케이터 신호 또한 파주수(quefrency) 대역에서 생성하여 유사도를 평가할 수도 있으며, 측정 신호의 주성분(주로 모터의 RPM과 유사)에서 비교할 수 있다.
구름 베어링의 정상/이상 상태 여부는 일반적으로 측정한 진동 신호 포락선(Envelope)에서 진폭의 최대-최소 간 차이를 기준으로 판별할 수 있다. 판별기준은 제조사에서 제공하는 허용치를 참고한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 각 결함 모드의 진단 결과를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 실제 진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상술한 구름 베어링의 각 결함 모드의 진단 결과를 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치에서 검출한 진동 데이터의 포락선에서의 피크 투 피크 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치의 복수의 결함 모드 진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1과 함께 도 5 및 도 6을 참조하면, 상술한 바와 같이 신호 처리부(131)로부터 전송받은 진동 데이터의 포락선(envelope)의 최대-최소값이 사전에 설정된 기준치를 초과하면, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가할 수 있고, 통신부(120)로부터 전송받은 진동 데이터의 주파수 스펙트럼과 상기 결함 모드 인디케이터의 중첩 정도에 따라 유사도를 평가하여 구름 베어링의 복수의 결함 모드 진단 결과를 표시할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상술한 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays; FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 네트워크(1200)을 통하여 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "데이터 수집부", "통신부", "진단부", "신호처리부", "인디케이터 신호 생성부", "유사도 평가부" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, "데이터 수집부", "통신부", "진단부", "신호처리부", "인디케이터 신호 생성부", "유사도 평가부" 등은 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 결함모드 별 인디케이터 생성 및 유사도 평가 기능을 통해 선박용 모터의 구름베어링 결함모드를 진단할 수 있으며, 해당 기능은 사전에 결함모드별 데이터를 확보할 필요가 없어 일반화된 진단시스템에 활용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치
110: 데이터 수집부
120: 통신부
130: 진단부
131: 신호처리부
132: 인디케이터 신호 생성부
133: 유사도 평가부

Claims (6)

  1. 모터의 구름 베어링 진동 데이터를 수집하는 진동 데이터 수집부;
    상기 진동 데이터 수집부가 수집한 진동 데이터를 사전에 설정된 통신 방식으로 전송받는 통신부; 및
    사전에 설정된 구름 베어링 결함 주파수에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성하고, 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성에 따라 결함 모드를 진단하는 진단부
    를 포함하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 데이터 수집부는 상기 모터에서 상기 구름 베어링이 장착된 부하측(Drive-end)과 상기 부하측의 반대편인 반부하측(Non drive-end)측 각각으로 부터 진동 데이터를 수집하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    사전에 설정된 구름 베어링의 외륜볼 통과 주파수, 내륜볼 통과 주파수, 볼 자전 주파수, 기본열 주파수 각각에 따라 결함 모드 인디케이터를 생성하는 인디케이터 신호 생성부; 및
    상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가하는 유사도 평가부
    를 포함하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인디케이터 신호 생성부는 상기 구름 베어링의 기본열 주파수는 상기 구름 베어링의 지지기에 대한 결함 주파수로 설정하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유사도 평가부는 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터의 포락선(envelope)의 최대-최소값이 사전에 설정된 기준치를 초과하면, 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터와 상기 결함 모드 인디케이터의 유사성을 평가하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서, 싱기 유사도 평가부는 상기 통신부로부터 전송받은 진동 데이터의 주파수 스펙트럼과 상기 결함 모드 인디케이터의 중첩 정도에 따라 유사성을 평가하는 선박용 모터의 구름 베어링 결함 진단 장치.
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