KR920004647B1 - 회전기계의 진동감시방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

회전기계의 진동감시방법

제 1 도는 본 발명의 방법을 수행할 수 있는 회로장치의 일실시예를 나타낸 간략도.

제 2 도는 진동하는 회전부분으로부터 얻어낸 전형적인 진동데이터 신호의 그래프.

제 3 도는 제 2 도의 16개점에서 디지탈화한 데이터신호의 값을 나타낸 도면.

제 4 도는 제 3 도의 디지탈화된 데이터를 주파수영역으로 변환시키고 도식화된 형태로 나타낸 도면.

제 5 도는 주파수영역에서 런 아웃 데이터를 나타내는 그래프.

제 6 도는 제 4 도의 데이터로부터 제 5 도에 나타낸 데이터를 감산한 결과를 나타낸 그래프.

제 7 도는 시간영역으로 역변환된 제 6 도의 데이터를 표시한 그래프.

본 발명은 일반적으로 회전기계의 감시방법, 특히 회전기계의 진동데이터를 분석하기 위한 방법에 관한 것이다.

회전기계, 예를 들어 축류 또는 원심압축기, 터어빈이나 모터의 샤프트는 일반적으로 기계의 안전한 동작을 보장하고 또 언제 보수가 필요한지를 결정하기 위해 계속적으로 간헐적으로 감시되어진다. 위와 같은 기계를 감시하는 한가지 공통적인 방법은 정기적인 가동을 통해 회전하는 부분으로서 회전부의 진동을 감시하는 것이다. 진동 신호에 나타난 주파수와 그 진폭은 기계작동상의 문제점이 발생할 수 있음을 표시해준다.

표면의 불균일, 긁힌 자국, 잔류자기 및 잔류응력집중과 같은 회전부의 결합 때문에 진동으로 나타나는 어느 정도의 노이즈가 항상 존재하게 된다. 따라서 회전부의 진동레벨을 정확히 추출해내기 위해서는 위와 같은 노이즈 또는 흔들림(runout)을 고려하여야 한다.

회전부의 진동을 감시하는 하나의 통상적인 기술은 벡터 영위법을 사용하는 것이다. 이 기술은 단지 노이즈진동이 존재하는 정상운전속도 및 저속운전동안에 회전신호의 진폭과 위상을 결정하는 트랙킹필터를 채용하고 있다. 그 다음 노이즈 벡터가 동작 벡터에서 감산되어 동작 진동데이터로 구해진다. 이러한 기술은 비교적 사용하기가 쉬우나 다만 회전속도에서만이 노이즈(흔들림)를 보상한다는 점에서 불리하다.

회전부의 진동을 감시하는 또하나의 방법으로서 노이즈의 데이터샘플을 획득 및 디지탈화하고, 이 샘플을 기계의 동작중에 얻어진 데이터샘플에서 감산하는 단계를 포함하는 시간영역보상 기술을 들 수 있다. 이러한 기술은 유효한 것이나 그 자체가 복잡하고 적용하기가 어려운 결점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 회전부에 대한 부가적인 정보를 제공하고 또 비교적 수행하기에 용이한 회전부의 진동을 감시하는 방법을 제공하는데 있다.

위와 같은 목적에 비추어보아 본 발명에 의한 회전기계의 진동을 감시하는 방법은 : (A) 회전부분이 정상 운전속도범위보다 작은 속도로 회전하는 동안 진동하는 회전부로부터 제1의 진동데이터신호를 획득하는 한편 회전부분이 정상운전속도 범위내에서 회전하는 동안 상기 진동하는 회전부로부터 제2의 진동데이터신호를 획득하고, (B) 상기 데이터신호를 제1 및 제2의 일련의 개별적인 점으로 디지탈화시키고, (C) 각 디지탈화된 데이터군을 주파수 영역으로 변환시키고, (D) 제1 및 제2의 데이터신호가 획득되는 동안 회전부의 회전수를 측정하고, (E) 회전부의 회전수에 의해 제1 및 제2의 주파수영역데이터를 정상화시켜 주파수데이터가 운전속도의 배수로 환산되게 하고, 그리고 (F) 제1의 정상화된 주파수영역 데이터를 제2의 정상화된 주파수영역 데이터에서 감산하여 흔들림이 없는 진동데이터를 산출하게 하는 단계들로 이루어져 있다.

여기서 사용되는 용어 "회전"은 기계의 주기적인 이동을 뜻한다. 회전부가 시작점으로부터 다시 시작점으로의 이동이 1회전을 구성한다. 일반적으로, 반드시 그렇지는 않지만 회전부는 순환성 있게 회전한다.

여기서 "rpm"은 일정기간에 있어서의 회전부의 회전수를 뜻한다. 일예로 회전수는 분당 회전수가 된다.

이하 본 발명은 회전부가 빙글빙글 도는 샤프트로 되는 하나의 특정한 실시예에 대해 상세히 설명된다.

제 1 도는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 양호한 1실시예의 간략한 회로도이다.

제 1 도를 참조하면, 회전샤프트(101)는 방사상 단면으로 도시되었다. 이 샤프트는 시계방향 또는 반시계방향의 어떠한 속도로 회전될 수 있다. 회전샤프트(101)의 진동은 근접 프로우브(102)에 의해 감시된다. 근접 프로우브(102)로부터의 데이터신호는 이 프로우브(102)에 전압을 공급하고 프로우브의 출력을 정형시키는 프록시미터(proximeter)(103)로 진입하게 된다. 근접 프로우브를 가지고 회전샤프트의 진동을 감시하는 방법은 이 기술분양의 숙련된 사람에게 잘 알려진 것이며, 더 상세하게 J.S. 미첼의 저서 "기계분석 및 감시"(펜웰 북스, 1981년판, p26)와 D.E. 벤틀리가 저술한 "엔진시스템보호 및 오동작진단을 위한 근접측정"(디젤 및 게스터어빈 프로세스사 발행 1972년 3월호)에서 볼 수 있다.

프록시미터(103)에서 조정된 신호는 완충기(104)와 저역통과필터(105)를 거쳐 데이터 신호를 일련의 개별적인 점으로 디지탈화하는 아날로그 대 디지탈 콘버어터(111)로 공급된다.

디지탈화된 데이터는 주파수영역으로 변환되고, 양호하게 이 변환은 고속 푸우리에 변환을 통해 수행된다. 고속 푸우리에 변환은 이 분야에서 잘 알려져 있다. 이것은 "Mathematics of Computation" 1965년 4월호, 제19권,에서 J.W. 쿨리와 J.W. 터어키가 기고한 "복소 푸우리에 급수의 기계계산을 위한 알고리즘"이란 제하의 기사에서 상술된 바 있다. 또한 참고서적으로서 오트네스와 에녹슨이 저술한 "응용 급수 해석"(존 윌레이 앤드 선스사 발행, 1978)과 라비니어와 골드가 저술한 "디지탈신호처리의 이론 및 실제"(프렌티스-힐사 발행, 1975)를 들 수 있다. 제 1 도의 실시예에서, 위 변환은 메모리(115)에 기억된 프로그램에 의해 컴퓨터(112)에서 처리된다. 실시간처리를 위해 디지탈신호처리(DSP)용 IC 칩을 사용하여 주파수영역으로의 변환을 수행한다. 현행 기술에 의한 DSP 칩은 동일한 데이터의 처리를 컴퓨터 프로그램보다 몇배 빠르게 수행할 수 있다.

진동데이터신호의 획득과 동시에 회전부의 회전수가 결정된다. 제 1 도에서, 샤프트(101)의 회전수는 키페이져 프로우브(106)에 의해 결정된다. 키 페이져 프로우브의 동작은 당업자에게 잘 알려진 것이고, 특히 "키 페이저-기계진단을 위한 필요"(1977년 11월, 벤틀리 네바다사 발행)라는 책자에 상세히 기술되어 있다. 키 페이저 프로우브(106)의 출력신호는 순차적으로 키 페이저 증폭기(107), 완충기(108), 신호 조정기(109)와 아날로그 대 디지탈 콘버어터(110)를 통과한다.

근접프로우브로부터 얻어진 주파수 스펙트럼은 키 페이저 서브시스템을 통해 수집된 회전수(rpm)의 형식으로 수정 및 정상화되고 그 결과 데이터군이 메모리(115)에 기억된다.

이러한 일련의 단계들은 회전하는 부분에 대한 런 아웃 데이터 또는 배경을 구하기 위해 회전부가 전원으로부터 분리되어 멈출 때까지의 관성회전(coastdown)기간과 같은 정상속도범위보다 느리게 회전할 때 수행된다. 알려진 바와 같이, 모든 회전하는 기계들은 그안에서 효율적으로 동작하도록 설계되어진 정상회전속도 범위를 갖고 있다.

상기 일련의 단계는 또한 회전하는 기계에 대한 모든 동작 데이터를 구하기 위해 회전기계가 그 정상 속도 범위내에서 동작할 때에도 수행된다. 런 아웃 데이터는 동작데이터로부터 감산되고 나서 수정된 진정한 진동신호를 메모리(115)에 기억시키고, 그 다음 모니터와 같은 입출력장치(114)에 표시하게 된다.

데이터를 획득하는 단계들을 상세히 고찰해본다면, 컴퓨터가 클럭발생기(113)에 명령을 보내 어느 특정한 시간간격을 갖는 트리거 펄스를 출력시키도록 만든다. 각각의 트리거 신호는 콘버어터(111)에서 아날로그대 디지탈변환을 개시하게 만들고 키 페이져 표시가 감시하에 통과되고 난후 데이터를 수집하기 시작한다. 원하는 상관관계 정보를 획득하기 위해서는 각 데이터 샘플에 대한 동일한 상대적인 샤프트의 위치에서 데이터 수집처리를 개시하는 것이 필요하다. 이는 콘버어터(110)에서 키 페이저신호(106)를 감시하는 것에 의해 완수된다. 콘버어터(111)는 데이터샘플이 디지탈화되도록 처리하고 이 데이터는 컴퓨터(112)에서 읽어들인다. 이러한 트리거/데이터 판독처리는 전체의 데이터샘플점이 획득될 때까지 반복된다. 전체의 데이터군은 그 다음에 컴퓨터(112)에 의해 주파수영역으로 변환된다. 그 주파수 영역 데이터는 계속하여 콘버어터(110)를 통하는 키 페이져 시스템에 의해 제공된 샤프트 회전속도에 의해 정규화된다.

상기 제 1 도를 참고로 하여 상세히 설명된 본 발명의 실시예를 실행하기 위한 하드웨어는 상용으로 구할 수 있는 것들이다. 이하의 일람표는 적어도 위와 같은 장치의 한가지 실예를 나타내며, 장치의 번호는 제 1 도에 표시한 도면번호에 대응한다.

블록(110), (111), (112), (113) 및 (115)는 디지탈 컴퓨터의 버스구조내에서 컴퓨터 카드로써 충족된다. 여러 가지의 버스구조가 본 발명에서 채택될 수 있으며 예를들어 Pro-Log 및 Mostek IBM-Pc등을 생산하는 150여개의 제조회사에 의해 공급되는 STD-BUS와 인텔, 힐수보로, 인터실, 서니베일등의 제조회사에서 공급하는 멀티 버스(Multibus)를 포함한다. 블록(114)는 어떤 터미널이나 프린터, 또는 모뎀과 같은 직렬데이터 전송링크로 될 수 있다. 이들 입출력장치는 다양한 제조회사에서 공급할 수 있으며 본 발명의 특별한 적용에 따라 임의로 선택될 수 있다.

관성회전중의 데이터획득은 회전기계에 나타나는 런 아웃을 판단하고 양호한 방법이다. 이 처리의 배경이론은 입력전원이 제거되고나서 정상운전속도 이하의 속도에서 다른 모든 진동은 사라지고 회전부분의 결함에 기인한 신호만이 나타나게 된다는 것이다. 정상화된 주파수 데이터로부터 정상화된 관성회전 데이터를 벡터적으로 감산하면 결과적인 주파수영역데이터는 런 아웃의 영향에서 벗어날 수 있다. 필요하면, 주파수대 시간영역 알로리즘(역 푸우리에 변환)이 런 아웃영향이 없는 운전진동데이터 도형을 계산하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 방법의 일예가 제 2 도-제 7 도에 그래프적으로 나타나 있다. 제 2 도는 회전부분이 정상속도범위에서 동작될 때 구해진 진동신호를 나타내고 있고, 이 신호는 일정주기를 갖고 +1.5V에서 -1V사이에서 변화되고 있다. 제 2 도에서 16개 데이터 포인트가 어떻게 동일간격의 시간간격에서 샘플링되는가를 보여준다. 이 데이터포인트는 콘버어터(111)에서 구해지며, 제 3 도에 보인 것과 같은 각각의 데이터 포인터에서 모니터된 전압의 형태로 쉽게 디지탈화될 수 있다. 어떠한 소프트웨어 데이터신호를 조정시키고나서 입력신호는 고속 푸우리에 변환 또는 이와 동등한 처리를 이용하여 주파수영역으로 변환된다. 주파수영역데이터의 출력은 진폭대 주파수의 그래프로 표시되고 이것은 원시적인 데이터 샘플에 존재하였던 주파수와 각각의 진폭을 나타낸다. 제 4 도에 나타낸 데이터는 주파수영역으로 변환되고 rpm으로 정규화된 원시데이터를 나타낸다. 제 2 도 - 4 도에 표시한 처리 과정은 역시 관성회전(코스트다운)동안에도 수행되며 그 결과는 제 5 도에 나타낸 바와 같다.

제 6 도는 제 4 도의 그래프에서 제 5 도의 그래프를 감산하여 얻어진 데이터를 나타낸다.

제 7 도는 런 아웃의 영향이 없는 운전데이터 그래프이다. 만일 X와 Y 진동모니터가 존재한다면 런 아웃이 없는 궤도는 상기 기술을 사용함에 의해 계산될 수 있다. 제 7 도는 또한 제 4 도 및 제 6 도의 데이터를 역변환시킴에 의해 얻어진다. 제 7 도에서, 점선부분은 런 아웃데이터를 포함하는 제 4 도의 시간영역데이터이고, 실선부분은 런 아웃데이터를 보정한 후 제 6 도의 데이터를 나타낸다. 이러한 표시는 제 4 도 및 5도의 표시가 진폭을 부가하여 고려해야 할 위상각 관계를 가지고 있기 때문에 실제 요구된 감산처리를 간략화하여 표시한 것이다.

본 발명의 방법의 장점을 논의하자면 런 아웃 보정을 시행하는 현재의 방법과 비교하면 유익하다. 현재 사용되는 2개의 통상적인 방법은 벡터 영위법과 시간영역디지탈 보상기술이다.

벡터 영위법은 코스트다운중에 데이터 샘플을 획득하는 것으로 이루어진다. 트랙킹 필터를 사용하여 회전속도 진폭 및 위상성분이 결정된다. 이들 성분은 정규화되고 난뒤 전자적으로 동작데이터로부터 감산된다. 이러한 기술의 가장 일반적인 적용에 있어서, 보상은 단지 운전속도 성분의 보정에 국한되며, 따라서 런 아웃에 존재하는 다른 주파수 데이터는 무시된다. 고로, 이 방법에 의하면 만일 회전하는 부분에 문제점이 있을 때 이러한 문제점의 본질에 대한 제한된 정보만을 얻게된다는 것이다.

런 아웃 보정에 대한 2번째의 통상적인 방법은 디지탈 시간 영역 런 아웃 보정이다. 이 처리는 코스트다운중에 어떤 데이터세트를 획득하고 이것을 샤프트 회전에 대해 일련의 개별적인 점으로 디지탈화시키는 과정을 포함한다. 구해진 데이터세트는 메모리에 기억되고 그 다음에 운전중 획득한 데이터세트로부터 감산되어진다. 제 2 도에서와 같은 데이터를 가지고 상기 시간영역 보정방법을 사용할 때, 코스트다운중에 측정된 런 아웃의 보정량을 감산하여 각각의 개별적인 데이터 포인트를 보정하는 것이 필요하다. 이것은 매우 시간을 소모하는 것이 또 번거로운 과정이다.

종래의 시간영역 보정방법과 본 발명에 의한 주파수영역 보정방법 사이의 3가지 중요한 차이점은 (1) 의도된 최종치, (2) 데이터 조작의 수, (3) 신호대 잡음비. 본 발명의 주파수 영역방법은 특히 회전하는 기계의 감시에서와 같은 스펙트럼 형태로 나타나는 데이터의 경우에 있어서 유리하다.

스펙트럼 형태의 데이터를 요하는 위와 같은 시스템에서, 본 발명의 주파수영역방법은 현저히 적은 데이터조작을 필요로 한다. 반면에 시간 영역기술은 데이터조작과정의 계속이전에 런 아웃 보정이 각 데이터 샘플에서 수행되어야 할 것을 요구하고 있다. 그 결과, 64 애버리지를 가진 전형적인 데이터 집합은 각각의 데이터 포인트(통상 512개)에 대해 64개의 런 아웃 감산처리를 요한다. 한편, 전형적인 진동 스펙트럼은 통상 어떠한 에너지가 없는 잔존주파수의 분포를 갖는 몇 개의 개별적인 주파수로 구성된다. 진동 스펙트럼의 일예가 제 6 도에 표시된 바 있고 여기에 3개의 의미있는 주파수가 존재하고 있다. 본 발명의 주파수 영역방법을 사용하는데 있어서는 단지 3개의 런 아웃 감산처리가 수행된다. 만일 평균치 산출 방법이 채택된다면, 런 아웃 감산은 평균치 산출처리 다음에 수행되고, 이때에도 단지 3개의 감산만을 필요로 한다.

본 발명의 주파수영역방법에 대한 3번째의 장점은 더 양호한 신호대 잡음비를 얻도록 런 아웃 데이터를 평균치로 산출하는데 있다. 시간영역방법이 각 샘플로부터 런 아웃파형을 감산하고 있기 때문에 런 아웃내에 존재하는 어떠한 오차가 보정된 데이터에 나타나게 되고 런 아웃 데이터를 평균화시킬 수 없게 된다. 주파수 영역에서 런 아웃 데이터를 평균화시킴에 의해 더나은 품질의 신호를 얻을 수 있게 된다. 본 발명의 방법을 사용함에 의한 연산시간의 절약과 간이한 계산은 극히 우수한 기계보호처리작업을 가능하게 만들고, 이전에 사용했던 기술에 비해 더나은 진동분석을 수행하게 하는 특징이 있다.

Claims (12)

1. 회전기계의 진동을 감시하는 방법에 있어서, (A) 회전기계가 정상 운전속도보다 작은 속도로 회전하는 동안 진동하는 회전부로부터 제1의 진동데이터신호를 얻는 한편 회전기계가 정상 운전속도 범위내에서 회전하는 동안 상기 진동하는 회전부로부터 제2의 진동데이터신호를 얻고, (B) 상기 데이터신호를 제1 및 제2의 일련의 개별적인 점으로 디지탈화하고, (C) 각 디지탈화된 데이터군을 주파수영역으로 변환시키고, (D) 제1 및 제2의 데이터신호가 구해지는 동안 회전기계의 회전수를 측정하고, (E) 회전부위 회전수를 가지고 제1 및 제2의 주파수 영역 데이터를 정규화시켜 주파수 데이터가 운전속도의 배수로 환산되게 하고, 그리고 (F) 제1의 정규화된 주파수영역 데이터를 제2의 정규화된 주파수, 영역 데이터에서 감산하여 흔들림이 없는 진동데이터를 산출하는 단계들로 이루어진 회전기계의 진동 감시방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(A)는 근접 프로우브를 가지고 회전부분을 감시하여 신호를 발생시키고, 이 신호를 프록시미터로 공급하여 신호를 정형시키고, 조정된 신호를 완충기로 공급하고, 이 완충기의 출력을 저역통과 필터로 통과시킴에 의해 수행되어지는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(B)는 각 진동데이터신호를 아날로그 대 디지탈 콘버어터로 통과시킴에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(C)는 각 디지탈화된 데이터열을 고속 푸우리에 변환을 통해 처리하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(D)는 키 페이져 프로우브를 가지고 회전부의 회전을 감시하여 신호를 발생시키고, 이 신호를 연속적으로 키 페이져 증폭기, 완충기, 신호조정기 및 아날로그 대 디지탈 콘버어터를 통하게 공급함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
6. 제 1 항에 있어서, 제1의 진동 데이터신호는 회전부가 코스트다운 모우드에서 회전하는 동안에 획득되는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
7. 제 1 항에 있어서, 시간영역에서 데이터를 구하기 위해 역 푸우리에 변환을 통해 주파수영역데이터를 처리하는 단계를 포함하는 회전기계의 진동 감시방법.
8. 제 1 항에 있어서, 결과 데이터를 스펙트럼 형태로 표시하는 단계를 포함하는 회전기계의 진동 감시방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 회전하는 부분은 회전 및 진동하는 샤프트인 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 회전 및 진동하는 샤프트가 터어빈 내에 있는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
11. 제 9 항에 있어서, 회전 및 진동하는 샤프트가 콤프레서 안에 있는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.
12. 제 9 항에 있어서, 회전 및 진동하는 샤프트가 모터안에 있는 것을 특징으로 하는 회전기계의 진동 감시방법.

Images