WO2015076435A1 - 진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법 - Google Patents

진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법 Download PDF

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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures

Definitions

  • the present invention relates to a method for diagnosing a defect of a facility by using vibration characteristics, and more particularly, by subdividing various vibration components generated by a defect of a facility and extracting vibration defect characteristics of a real facility through a combination thereof.
  • the present invention relates to a method for diagnosing a defect of a facility using vibration characteristics to more accurately diagnose a vibration defect.
  • the mechanical device is always stable and it is desirable that all functions are operated under normal conditions, but as time passes, the mechanical deterioration occurs due to wear and defects are caused by mechanical and thermal stresses generated during operation. If you continue to operate in this state, a failure occurs. Facility managers are urgently needed to detect facility failures by early detection of faults in the facility and by taking appropriate countermeasures to prevent critical failures.
  • the change of the double vibration well represents the condition of the facility, and is used as a parameter for diagnosing the fault of the facility.
  • Vibration shows the characteristic that its shape changes as soon as a fault or abnormal condition occurs in the facility, so the response property of the fault is very good, and it occurs while the facility is in operation, reflecting the actual problem well, It is used as a very important parameter for detecting defects of equipment.
  • Korean Patent Registration No. 21129466 and Korean Patent Publication No. 2007-0037667 have been disclosed as techniques for diagnosing defects using conventional vibration characteristics.
  • Korean Patent No. 21129466 measures a signal input from a sensor such as an accelerometer installed in a rotating machine, calculates a threshold value by applying a wavelet coefficient converted from the measured vibration signal, and diagnoses the state of the machine using the same.
  • the existing technology merely detects vibration abnormality, and it is impossible to know in detail where a defect occurs. That is, the degree of the defect is evaluated by grasping the magnitude of the amplitude of the defect frequency, and although the symptoms of the defect are various, the vibration frequency components may appear the same. In the prior art, it is difficult to distinguish several defects exhibiting the same vibration characteristics, so that an exact defect cause cannot be found.
  • a method of diagnosing a defect of a facility using vibration characteristics of the present invention includes subdividing vibration characteristics, selecting detailed vibration code items, and giving priority to each detailed vibration code item for each defect type.
  • An object of the present invention is to provide a method for diagnosing vibration defects of a facility using vibration characteristics to determine a vibration defect type through a combination of each vibration code item detected in an actual device.
  • the present invention is to match the vibration components of the equipment detected in the actual equipment to the detailed vibration code items for each vibration characteristic, and to determine the vibration defect type in the order of evaluation score by scoring the vibration status of the detected equipment based on the set priority
  • the present invention provides a method for diagnosing vibration defects of a facility using vibration characteristics to determine and display a predetermined rank to a user.
  • the method for diagnosing a fault of a facility using vibration characteristics may divide vibrations generated according to a defect of a facility into a plurality of vibration characteristics, subdivide the vibration characteristics, set detailed vibration code items, and for each defect type. Associating and storing the detailed vibration code item into a database; Receiving a detailed vibration code item selection signal for each vibration characteristic from a user; And determining a defect type of a facility based on the inputted detailed vibration code item and the association information between the defect type and the detailed vibration code item.
  • the vibration characteristic information may include at least two of a main vibration component, a secondary vibration component, a vibration direction, a time waveform, a side wave component, a phase characteristic, a load characteristic, and a facility characteristic.
  • the vibration defect type According to the degree of influence on the vibration defects for each type of vibration defects, the priority is given by the vibration characteristic information, and the scores are differentiated according to the priority.
  • the determining of the defect type of the facility may be performed based on information reflecting one or more of the priority of the detailed vibration code item selected by the user for each vibration defect type set in the database or the priority of the vibration characteristic information.
  • the vibration defect evaluation score is calculated, and the vibration defect type is determined based on the calculated vibration defect evaluation score.
  • the detailed vibration code items set as the highest priority for each vibration defect type among the detailed vibration code items selected by the user are weighted to the vibration defect types with a large number of vibration defect types. It is characterized by differentiating the type of vibration with a score.
  • the present invention is to calculate a plurality of evaluation scores for each of the evaluation scores through the combination of the vibration components after extracting the vibration defect types corresponding to the evaluation scores for each ranking to diagnose various vibration defects of the equipment at the same time There is an advantage.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a method for diagnosing a fault of a facility using vibration characteristics according to the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary screen for explaining a method for diagnosing a fault of a facility using vibration characteristics according to the present invention
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of combining detailed vibration code items in a facility defect diagnosis method using vibration characteristics according to the present invention.
  • Figure 4 is an example screen for displaying the equipment defect diagnosis results using the vibration characteristics according to the present invention.
  • FIGS. 2 to 7 are exemplary screens for explaining a method of diagnosing a defect of a facility using vibration characteristics according to the present invention.
  • the causes of vibration defects may be caused by various causes such as defects in the rotating shaft, defects caused by loosening of the fixing part, defects in bearings, defects due to shaft contact, and gear defects, and vibration characteristics caused by such defects. Accordingly, the present invention can increase the reliability of the diagnosis of vibration defects by subdividing the vibration components generated by the various defects and determining the vibration type by reflecting the vibration components.
  • a facility knowledge database is first constructed. (S10) At this time, the facility knowledge database includes information on a factory site or a company where a facility is installed.
  • the facility knowledge database may include information on the site where the facility is installed or various information related to the facility.
  • vibration characteristic information is subdivided according to the defect of each facility, and vibration characteristic information is set (S14).
  • the vibration characteristic information may include information such as a main vibration component, a secondary vibration component, a vibration direction, a time waveform, a side wave component, a phase characteristic, a load characteristic, and a facility characteristic.
  • the detailed vibration code item is detailed characteristic information for each vibration characteristic.
  • the detailed vibration code item representing the main vibration component property is classified into an order component (less than 1XRPM), a rotation component (1XRPM), and a 2X-3X RPM component. Can be. Since the detailed vibration code items for each vibration characteristic are different for each defect type, the combination of these detailed vibration code items can predict the cause of the defect of the facility. A detailed description of the vibration code item will be described in detail when describing the vibration component for each defect characteristic described later.
  • the vibration defect type list is generated, and the vibration defect type information is databased by selecting and combining the vibration code items that cause the vibration defect for each vibration defect type (S18).
  • the vibration defect type information is databased by selecting and combining the vibration code items that cause the vibration defect for each vibration defect type (S18).
  • vibration is generated in the installation, where the vibration frequency component of the vibration is the rotational speed of the shaft, the vibration appears in the radial direction, the time waveform appears as a sinusoidal waveform, and the rotation As the speed increases, the vibration of the rotating component increases, and when the phase characteristic is static imbalance, the relative phase angles measured by both bearings show vibration characteristics such as being in phase.
  • the mass unbalance of the rotating shaft in the list of vibration defect types is set by matching the detailed vibration code items that cause the mass unbalance of the rotating shaft. Judging by
  • priority may be given to each detailed vibration code item in matching detailed vibration code items of vibration characteristics generated due to mass unbalance of the rotating shaft. For example, in the case of mass unbalance of the rotating shaft, if the mass unbalance of the rotating shaft occurs in the vibration direction, since the main vibration direction is radial, priority is given to the radial direction and the vibration direction simultaneously occurs in the radial direction and the axial direction. The priority is given to the vibration code item for each defect type for each defect type by assigning a subpriority priority, and a method of assigning the lowest rank when the vibration direction is the axial direction.
  • vibration characteristics may be given to the influence on the defects, and grades may be given to each of the vibration characteristics according to the priority.
  • the load characteristic since the load characteristic is an important item together with the vibration component, the load characteristic may be given a higher score than other vibration characteristic information.
  • the user When the user executes the relevant program for the diagnosis of the equipment abnormality while the database for each vibration defect type is established as described above, the user evaluates the vibration characteristics and detailed vibration code item selection signals for each vibration characteristic on the screen. Mark the items.
  • the user acquires the vibration frequency component value measured in the actual facility and selects detailed vibration code items for each vibration characteristic displayed on the menu screen based on the obtained vibration frequency component (S20).
  • the defect type is determined by comparing with the database-type vibration defect type through the combination of the input detailed vibration code items (S22).
  • the detailed vibration code for the main vibration component can be shown in Table 1 below. Specifically, it is determined whether the detailed vibration code classified as the main vibration component is A1 (S100). If the selected main vibration component characteristic code is A1, the A1 information is extracted as the combination information, and if it is not A1, the code information selected from A2 to Anth is selected. Find (S110).
  • the detailed item code information on the secondary vibration component may be classified into a low frequency band, a high frequency band, a rotation component, a sum of order components and drain components, asynchronous rotation components, and the like.
  • the vibration direction may be classified into a radial direction, an axial direction, a radial and axial direction, and a directional vibration (vertical to horizontal, horizontal to vertical).
  • the time waveform may be classified into a sinusoidal waveform, a shock waveform, a modulation waveform, an asymmetric waveform, a disconnect waveform, and a discontinuous waveform.
  • the sideband component may be classified into a differential component (less than the rotational speed component), an asynchronous component, a component of 2 to 3 times the rotational speed, a pole X slip frequency, a power supply and a double power supply frequency, and no sidebands.
  • the phase characteristic may be classified into a rotation axis, a radial direction of the rotation axis, direction information of the phase with respect to the coupling part, and whether the phase changes with respect to the in / out board.
  • the load characteristics are the vibration increase in connection, the periodic vibration, the sudden vibration increase in the load increase, and the rotation characteristics are the vibration increase in the rotation increase, the sudden increase according to the number of revolutions, the decrease after the vibration increase, and the power characteristic is cut off the power. Vibration disappears when the power is turned off, vibration may remain when the power is cut off.
  • facility characteristics may be classified into rolling bearings, sliding bearings, and connection types with respect to the bearing type, such as direct drive, belt drive, fluid coupling, and overhug type.
  • the vibration defect evaluation score of each vibration defect type of the vibration defect type list set in the database is calculated to select the vibration defect evaluation score rank, and the vibration defect having the highest evaluation score is the main vibration defect. To judge. In this case, the calculation of the vibration defect evaluation score is given to each detailed vibration code information according to the priority information of each detailed vibration code information selected by the user for one defect type, and the scores of all the vibration code information are summed. The score for that type of defect is then calculated. Repeating this process for all defect types yields scores for all defect types.
  • the vibration defect types set in the database are mass unbalance of the rotation axis, bent shaft vibration defects, distortion, etc., and the vibration code combinations selected by the user are A1, B1,...
  • the case of N1 will be described. First, assuming that there are A1, B2, Nn as the detailed vibration code items that cause the mass unbalance vibration defect of the rotating shaft, and that the priority of the A1 code is high in the mass unbalance vibration defect of the dual rotary shaft, among the code items selected by the user Since there is A1, the score given to A1 is added to the evaluation score.
  • the defect type includes many of the highest priority vibration code items set in the vibration defect type among the detailed vibration code items selected by the user. By assigning a weight to, the evaluation score can be differentiated.
  • the evaluation results are displayed on the screen as shown in FIG. 4 so that the user can check them, and the evaluation results are stored for use as history information about the facility.
  • the evaluation result is determined by first determining the vibration defect type corresponding to the highest evaluation score as the main defect, and then displays the defects corresponding to the highest evaluation score in order of evaluation score.
  • the present invention classifies the detailed description and the vibration frequency into detailed vibration code items according to the vibration frequency components that cause various vibrations, that is, the detailed vibration code items, and adds a description of the principle to be considered when diagnosing a defect.
  • the rotating machine generates power while the rotating shaft supported by the bearing rotates. If there is a failure in assembly precision during the manufacturing of the rotating body, or the center of rotation of the rotating body and the center of gravity of the rotating body do not match due to contact with the rotating body or detachment of parts during operation, mass imbalance occurs. If the rotating body continues to operate in an unbalanced state, the centrifugal force is caused by the unbalanced mass and the motion is displaced from the center, which causes defects due to excessive load and stress on the bearing supporting the shaft. At this time, the degree of defect appears in proportion to the size of the biased mass and the rotational speed, and there are static imbalance, dynamic imbalance, and power imbalance depending on the position of the biased mass, and the vibration characteristics resulting from the defect are as follows.
  • the vibration frequency component is the rotational speed of the shaft
  • the time waveform is a sine waveform.
  • phase characteristic is static unbalance
  • the relative phase angles measured by both bearings are the same phase
  • the right unbalance has the opposite phase angles (180 °)
  • the dynamic unbalance is at the angle of the two masses. Shows the phase difference accordingly.
  • the facility diagnosis method recognizes these vibration characteristics first and checks whether these characteristics are present in a rotating machine to determine whether a defect occurs in the rotating machine.
  • Alignment on the axis of rotation means that the centers of rotation of the drive shaft and the driven shaft coincide and are in equilibrium with each other.
  • the bearing positions of the two shafts are adjusted and matched, and when the two shafts are coupled in the coupling, eccentricity and declination of the shafts do not occur.
  • Axial misalignment occurs when the connection condition of axis is not satisfied. When the center of axis is not coincident, eccentric misalignment is called.
  • the rotating shaft is forcibly bent, which causes vibration, wear, and defects in the shaft, the bearing, and the coupling. Vibration characteristics caused by this defect are as follows.
  • the vibration frequency component is two or three times the shaft rotation speed.
  • the vibration direction is a radial direction.
  • the time waveform of the vibration signal is a sinusoidal waveform.
  • phase characteristic shows the opposite phase (180 ⁇ ) of the phase difference measured in the radial direction of both bearing housings with respect to the coupling.
  • the vibration frequency component has the highest one-time component of the shaft rotation speed.
  • the time waveform of the vibration signal is a sinusoidal waveform.
  • phase characteristic shows the opposite phase (180 °) of the phase difference measured in both bearing housing axial directions with respect to the coupling.
  • defects related to the rotating shaft include deflection defects of the shaft, cracks occurring in the shaft, resonance of the rotating body, and the like. Vibration characteristics associated with these defects are as follows.
  • the vibration frequency component is the rotational speed of the shaft.
  • the time waveform is a sinusoidal waveform.
  • the vibration frequency component is the rotational speed of the shaft.
  • the time waveform is a sinusoidal waveform.
  • the vibration frequency component is the frequency at which the rotational speed of the shaft matches the natural frequency of the shaft.
  • the vibration direction is a radial direction. If resonance occurs in the support supporting the shaft, it also occurs in the axial direction.
  • the time waveform is a sinusoidal waveform.
  • Vibration frequency components include harmonic wave components including rotation.
  • the bearing is a very important factor in the machine which does not transmit the rotational speed of the rotating body to the outside of the bearing while supporting the load of the rotating body while restraining the dynamic movement caused by the rotating shaft in the radial or axial direction. It is generally classified according to the presence or absence of rolling elements, and the rolling elements are divided into rolling bearings and rolling elements without sliding elements.
  • the present invention relates to a method for diagnosing a defect of a bearing having a defect that causes a failure rather than normal vibration. Since small defects in the bearing also affect the stable operation of the whole rotating machine, the defects should be detected as soon as possible and corrective measures should be taken to prevent deterioration of the bearings.
  • Rolling bearings consist of rolling elements, which are rolling elements, and inner cages, outer rings, and cages that surround rolling elements.
  • the rolling elements generate vibration by contact with the raceway and the cage. Therefore, the defect frequencies appear differently depending on where the defects are located. That is, when a defect is present in the rolling element, it is classified into a rolling element defect frequency or an inner ring defect frequency when it exists in the inner ring.
  • Facility managers can determine the location of bearing defects by measuring vibration at the bearing site and analyzing the vibration frequency.
  • Equation 2 If there is a defect in the inner ring is shown in Equation 2 below.
  • NB is the number of balls
  • rps is the number of revolutions of the rotating shaft (HZ)
  • Pd is the bearing pitch diameter
  • Bd is the bearing ball diameter
  • ⁇ is the angle at which the rolling elements come into contact with the outer ring.
  • vibration direction occurs in the radial direction, and in the case of angular contact bearings, vibration occurs in the axial direction.
  • Cage fault frequencies are generally accompanied by other fault frequencies and appear as sidebands.
  • Sliding bearings support loads with less friction due to the thin film between the rotor surface and the bearing metal.Therefore, in the case of friction in metals or large bearing clearances, sliding bearings have frequency components at multiples of 0.42 to 0.48 of the rotational speed. Nonlinear vibrations occur. This vibration is shown in the circumferential direction of the rotating shaft. If the shaft is in a rigid state at less than twice the dangerous speed of the shaft, the oil whirl vibration occurs, and when it reaches twice the dangerous speed, An unstable oscillation of oil whips occurs, which damages not only the bearings, but also the rotating agent, which ultimately leads to mechanical failure. Therefore, there is a need for a method for early detection and coping with these defect frequencies.
  • Vibration characteristics when oil whip and oil whip occur are as follows.
  • the oscillation frequency component occurs at about 1/2 of the rotation speed of the rotating shaft.
  • the vibration direction is the same as the rotational direction of the shaft, and the vibration occurs in the radial direction.
  • a contact defect vibration occurs.
  • a bearing damage occurs, and when the defect progresses, the rotating machine may cause a serious failure.
  • the defect vibration frequency is different depending on the type of contact.
  • the vibration frequency component is the rotational speed of the shaft.
  • Time waveform is sinusoidal waveform.
  • the vibration frequency component is the rotational speed of the shaft.
  • the rotor vibrates backwards in the gap. If the vibration frequency coincides with the natural frequency, a large amplitude vibration occurs. If the gap between the rotor and the stationary part, the number of revolutions, and the damping ratio match the conditions that cause the vibration, the self-vibration with large amplitude occurs.
  • the gear device is a power transmission device for increasing or decreasing the rotational speed of the drive shaft, or a mechanical device used when arbitrarily changing the direction of the input shaft direction and the output shaft. If a defect occurs due to the high load and high speed of a gear device in recent years, the deterioration due to fatigue is fast and leads to serious failures such as wear and tear.
  • the gear device is complicated by several gears and is installed in a thick case, so it is very difficult to detect initial defects. Facility managers must accurately measure the frequency of fault vibrations occurring in gear units and perform precise vibration analysis on gear characteristics to find faults.
  • the defect vibration frequency occurring at this time is as follows.
  • the vibration frequency component is the gear engagement frequency component.
  • the gear mesh frequency is expressed by Equation 5 below.
  • Nt number of gear teeth
  • rps number of revolutions of the gear shaft
  • Vibration occurs in the radial direction, and in the case of helical gears, vibration occurs in the axial direction.
  • the time waveform of the vibration signal is a modulation waveform.
  • the vibration frequency component is the gear frequency component.
  • Gear engagement frequency and second and third harmonic components occur.
  • the amplitude of the primary gear engagement frequency component is generally high.
  • the time waveform of the vibration signal is a modulation waveform.
  • the vibration frequency component shows both the gear frequency and the rotation frequency component of the shaft with broken teeth.
  • Two meshing gears have their own number of teeth. If a combination failure occurs at these teeth, defects occur and shorten the life of the gear. If the number of teeth of the two gears is factored down and the greatest common factor is 1, then the drive gear is first engaged with the teeth of the driven gear and then engaged with the entire teeth of the driven gear before being engaged with the same teeth again. However, if the greatest common divisor is greater than 1, only a few teeth are engaged.
  • the vibration frequency component is the gear engagement frequency component and the fractional engagement frequency component of the greatest common divisor.
  • Induction motors are widely used as devices for generating power in industrial sites. Induction motors have the advantages of simpler structure and less defects than other rotating machines such as turbines and compressors.However, induction motors can cause electrical and mechanical defects between the rotor and the stator. do.
  • eccentricity occurs in the stator, it is called static eccentricity, and the eccentric stator creates an inconsistent gap between the stator and the rotor.
  • twice the component of the power supply frequency appears high and has a large directivity.
  • the causes include poorly manufactured stators, improperly laminated structures, the foundation of bent motors, and soft feet.
  • the oscillation frequency component caused by this defect has the number of poles x slip frequency in the side bands at the left and right of the rotation component of the rotating shaft, the component twice the power frequency, and the component twice the power frequency.
  • the presence of an unbalance in the supply voltage causes torque pulsations in the stator due to the torque acting on the rotor and its reaction.
  • This torque pulsation causes the stator to exhibit a power frequency multiple of the component in the radial direction, with a double amplitude of the dual power frequency having the highest amplitude.
  • vibration of the rotational speed component occurs.
  • the defect vibration components according to the electrical defects are as follows.
  • Fault type Fault vibration frequency Remarks Supply voltage unbalance 1X, f L , 2f L , 3f L , 4f L
  • the electrical fault is characterized by the fact that the vibration disappears immediately when the power supply to the motor is cut off.
  • NRB Number of rotor rods rps: Rotational speed of rotor
  • the present invention is an invention that can be used very useful in plant facilities or manufacturing sites because it is possible to predict the defects of the equipment only by inputting the vibration state information of the equipment even without the expertise of the equipment.

Abstract

본 발명은 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법으로서, 설비의 결함에 따라 발생하는 진동을 복수 개의 진동 특성으로 구분하고, 상기 진동 특성들을 세분화하여 세부 진동 코드 항목들을 설정하며, 각 결함 유형별로 상기 세부 진동 코드 항목을 연관시켜 데이터베이스화하여 저장하는 단계와, 사용자로부터 상기 각 진동 특성별로 세부 진동 코드 항목 선택 신호를 입력받는 단계와, 상기 입력된 각 세부 진동 코드 항목과 상기 결함 유형과 세부 진동 코드항목 간의 연관 정보에 기초하여 설비의 결함 유형을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 하나의 진동 성분만을 이용하여 진동 결함을 진단하는 방식을 탈피하여 세분화된 복수의 진동 성분들에 대한 조합을 통해 진동 결함을 진단함으로써 보다 신뢰성 있는 설비 결함 진단을 할 수 있는 이점이 있다.

Description

진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법
본 발명은 진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설비의 결함에 의해 발생하는 다양한 진동 성분들을 세분화하고 이들의 조합을 통해 실제 설비의 진동 결함 특성을 추출함으로써 실제 설비의 진동 결함을 보다 정확하게 진단할 수 있도록 하는 진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법에 관한 것이다.
기계 장치는 항상 안정적이고 모든 기능이 정상적인 상태에서 운전되는 것이 바람직하나 시간이 경과함에 따라 마모에 의해 열화가 일어나고 운전 중에 발생하는 기계적, 열적 스트레스에 의해 결함을 일으키게 된다. 이런 상태에서 운전을 계속하게 되면 고장이 발생한다. 설비 관리자들은 설비에서 발생하는 결함을 조기에 발견하여 기계 장치가 치명적인 고장에 이르지 않도록 적절한 대책을 세워 미리 고장을 방지하는 설비진단 방법이 요구되고 있다.
기계 장치는 열화 되면서 부수적으로 결함과 관련된 특징적인 증상을 보이게 되는데 진동, 열, 소음 등이 대표적인 증상들이다. 이중 진동의 변화는 설비의 상태를 잘 표현하고 있어 설비의 결함을 진단하는 파라미터로 많이 활용하고 있다.
진동은 설비에서 결함이나 이상 상태가 발생되는 즉시 그 형태가 변화하는 특성을 보이고 있어 결함에 대한 응답 특성이 매우 좋으며, 설비가 가동 중인 상태에서 발생하므로 실제적인 문제점을 잘 반영하고 있고, 많은 정보를 포함하고 있어 설비의 결함을 검출하는데 매우 중요한 파라미터로 활용되고 있다.
따라서 기계에서 발생하는 결함의 종류와 그 결함과 일치하는 진동 특성을 먼저 파악하고, 운전 중인 기계 장치에서 진동을 측정하고 분석해야 한다.
종래의 진동 특성을 이용한 결함 진단을 위한 기술로 한국등록특허 21129466호 및 한국공개특허 2007-0037667호가 개시된 바 있다.
한국등록특허 21129466호는 회전 기계에 설치된 가속도계 등의 센서로부터 입력되는 신호를 측정하고, 측정한 진동신호에서 변환된 웨이블렛 계수를 적용하여 임계값을 산출하고 이를 이용하여 기계의 상태를 진단하는 것이다.
한국공개특허 2007-0037667호 회전기기의 이상 동특성의 원인과 운전 결과를 분석하기 위한 시뮬레이션 장치로서 편심 유도용 원판 또는 벨트의 장력 조절을 통해 이상 현상을 인위적으로 부여한 후에 회전 운동의 동특성과 이상 진동 특성을 비교하는 것이다.
그런데, 설비의 진동 이상의 경우 여러 가지 복합적인 요인에 의해 발생할동 함에도 불구하고 상술한 선행문헌들은 단일 센서를 이용한 이상 진단 기술로서 여러 가지 진동 결합 요인을 고려한 복합적인 이상 진단 기술에 대해서는 제시하지 못하고 있다.
또한, 기존의 기술은 단순히 진동 이상만을 검출할 뿐 구체적으로 어느 부분에서 결함이 발생하였는지 알 수 없다. 즉, 결함의 정도는 결함 주파수의 진폭 크기를 파악하여 평가하는데 결함 증상은 여러 가지임에도 불구하고 진동 주파수 성분을 동일하게 나타날 수 있다. 종래의 기술에서는 동일한 진동 특성을 나타내는 여러 결함을 구분하기 어려워 정확한 결함 원인을 찾을 수 없는 단점 있다.
과제를 해결하기 위한 본 발명의 진동 특성을 이용한 설비의 결함 진단 방법은, 진동 특성을 세분화하여 세부 진동 코드 항목을 선정하고, 각 결함 유형별로 각 세부 진동 코드 항목들에 대한 우선순위를 부여하여, 실제 장비에서 검출된 각 진동 코드 항목들에 대한 조합을 통해 진동 결함 유형을 판단할 수 있도록 하는 진동 특성을 이용한 설비의 진동 결함 진단 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 실제 장비에서 검출된 설비의 진동 성분들을 상기 진동특성별 세부 진동 코드항목에 매칭시키고, 설정된 우선선위에 기초하여 검출된 설비의 진동 상태를 점수화하여 평가 점수 순으로 진동 결함 유형을 판단하여 사용자에게 정해진 순위까지 표시하도록 하는 진동 특성을 이용한 설비의 진동 결함 진단 방법을 제공함에 있다.
실시예들 중에서, 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법은, 설비의 결함에 따라 발생하는 진동을 복수 개의 진동 특성으로 구분하고, 상기 진동 특성들을 세분화하여 세부 진동 코드 항목들을 설정하며, 각 결함 유형별로 상기 세부 진동 코드 항목을 연관시켜 데이터베이스화하여 저장하는 단계; 사용자로부터 상기 각 진동 특성별로 세부 진동 코드 항목 선택 신호를 입력받는 단계; 및 상기 입력된 각 세부 진동 코드 항목과 상기 결함 유형과 세부 진동 코드항목 간의 연관 정보에 기초하여 설비의 결함 유형을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 진동 특성 정보는 주진동 성분, 2차진동 성분, 진동 방향, 시간 파형, 측대파 성분, 위상 특성, 부하 특성 및 설비 특성 중 2개 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 결함 유형별로 상기 세부 진동 코드 항목을 연관시켜 데이터베이스화하여 저장하는 단계는; 상기 각 결함 유형별로 진동 결함에 영향을 미치는 정도에 따라 상기 세부 진동 코드 항목별로 우선순위를 부여하고, 우선순위에 따라 점수를 차등화하는 것을 특징으로 한다.
상기 진동 결함 유형을 데이터베이스화하는 단계는; 상기 각 진동 결함 유형별로 진동 결함에 영향을 미치는 정도에 따라 상기 진동 특성 정보별로 우선순위를 부여하고, 우선순위에 따라 점수를 차등화하는 것을 특징으로 한다.
상기 설비의 결함 유형을 판단하는 단계는, 상기 데이터베이스에 설정된 각각의 진동 결함 유형별로 사용자에 의해 선택된 세부 진동 코드 항목에 대한 우선순위 또는 진동 특성 정보별 우선순위 중 어느 하나 이상을 반영한 정보에 기초하여 진동 결함 평가 점수를 산출하고, 산출된 진동 결함 평가 점수를 기초로 진동 결함 유형을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 진동 결함 유형별 진동 평가 점수가 동일할 경우에는, 사용자에 의해 선택된 세부 진동 코드 항목 중 각 진동 결함 유형별로 최우선 순위로 설정한 세부 진동 코드 항목이 많은 진동 결함 유형에 가중치를 부여하여 동일 진동 평가 점수를 갖는 진동 유형을 차등화하는 것을 특징으로 한다.
상기 순위별 진동 결함 유형을 사용자가 확인할 수 있도록 미리 설정한 순위까지 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 하나의 진동 성분만을 이용하여 진동 결함을 진단하는 방식을 탈피하여 세분화된 복수의 진동 성분들에 대한 조합을 통해 진동 결함을 진단함으로써 보다 신뢰성 있는 설비 결함 진단을 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 진동 성분들에 대한 조합을 통한 평가 점수를 순위별로 복수의 평가 점수를 산출한 후에 순위별 평가 점수에 대응되는 진동 결함 유형을 추출함으로써 설비의 다양한 진동 결함을 동시에 진단할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법을 설명하기 위한 예시 화면.
도 3은 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방식에서 세부 진동 코드 항목 조합 방법을 예시한 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 결과를 표시하는예시 화면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법을 설명하기 위한 예시 화면이다.
우선, 진동 결함 발생 원인은 회전축에서 발생하는 결함, 고정부의 풀림에 의한 결함, 베어링의 결함, 축 접촉에 의한 결함, 기어 결함 등 다양한 원인에 의해 나타날 수 있으며, 이러한 결함에 의해 발생하는 진동 특성도 다양하므로, 본 발명은 이러한 다양한 결함에 의해 발생하는 진동 성분을 세분화하고 이를 반영하여 진동 유형을 판단함으로써 진동 결함 진단의 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 것이다.
도 1을 참조하면, 우선 설비 지식 데이터베이스가 구축된다.(S10) 이때, 설비 지식 데이터베이스는 설비가 설치된 공장 사이트 또는 회사에 대한 정보를 포함한다.
그리고, 설비 정보 데이터베이스가 구축된다(S12). 이때, 설비 지식 데이터베이스는 설비가 설치된 현장에 대한 정보 또는 설비와 관련된 각종 정보를 포함할 수 있다.
이어서, 각 설비의 결함에 따른 진동 성분들을 세분화하여 진동 특성 정보가 설정된다(S14). 본 실시예에서 진동 특성정보는 주진동 성분, 2차진동 성분, 진동 방향, 시간 파형, 측대파 성분, 위상 특성, 부하 특성 및 설비 특성 등의 정보를 포함할 수 있다.
그 다음, 각 진동 특성정보에 대하여 세부 진동 코드 항목이 설정된다(S16). 세부 진동 코드 항목은 각 진동 특성에 대한 세부적인 특성정보로서 예를 들어 주진동 성분 특성을 나타내는 세부 진동 코드 항목으로는 차수성분(1XRPM미만), 회전 성분(1XRPM), 2X-3X RPM 성분 등으로 분류될 수 있다. 결함 유형별로 각 진동특성에 대한 세부 진동 코드 항목이 달라지므로 이러한 세부 진동 코드항목의 조합에 의해 설비의 결함 원인을 예측할 수 있게 된다. 진동 코드 항목에 대한 구체적인 설명은 후술하는 결함 특성별 진동 성분 설명 시에 구체적으로 설명하도록 한다.
이후, 진동 결함 유형 목록을 생성하고, 각 진동 결함 유형별로 진동 결함 원인이 되는 진동 코드 항목들을 선정하여 조합하여 진동 결함 유형 정보를 데이터베이스화한다(S18). 이때, 각 진동 결함 유형별로 원인이 되는 하나의 진동 코드 항목을 결정하는 것도 가능하나, 설비결함의 경우 2가지 진동코드 항목 특성이 동시에 일어날 수도 있으므로 각 결함 유형에 대하여, 각 진동 특성에 대한 진동 코드 항목들 중에서 해당 진동 결함 유형의 원인이 될 가능성이 높은 진동 코드 항목 순으로 우선순위를 부여한 후, 각 결함 유형과 진동 코드 항목 간의 관계정보(우선순위에 따른 점수정보)가 데이터베이스화되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 회전축의 질량 불평형의 결함이 발생되면 이에 의해 설비에 진동이 발생되는데, 이 진동의 진동 주파수 성분이 축의 회전속도이고, 진동이 반경 방향에서 나타나고, 시간 파형이 정현 파형으로 나타나고, 회전 속도가 증가함에 따라 회전성분의 진동이 증가하고, 위상 특성은 정적 불 평형인 경우 양쪽 베어링에서 측정한 상대 위상각은 동일 위상인 것 등의 진동 특성을 나타내게 된다.
따라서, 진동 결함 유형 목록 중에 회전축의 질량 불평형에는 회전축의 질량 불평형의 원인이 되는 세부 진동 코드 항목들을 매칭시켜 설정함으로써 후술하는 진동 결함 유형 판단시 해당 진동 코드 항목들의 조합이 나올 경우 회전축의 질량 불평형 결함으로 판단할 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 회전축의 질량 불평형로 인해 발생하는 진동특성의 세부 진동 코드항목들을 매칭시킴에 있어 각 세부 진동 코드항목들에 대해 우선순위를 부여할 수 있다. 예를 들어, 회전축의 질량 불평형의 경우, 진동 방향의 경우 회전축의 질량 불평형이 발생하면 주된 진동방향이 반경방향이므로 반경방향에 우선순위를 부여하고 진동방향이 반경방향과 축방향이 동시에 발생하는 경우에는 차우선순위를 부여하며, 진동방향이 축방향인 경우에는 가장 낮은 순위를 부여하는 방식 등으로 각 결함유형들에 대하여 각 진동특성별로 진동 코드 항목에 대하여 우선선위를 부여할 수 있다.
또한, 진동 결함 유형별로 결함에 영향을 미치는 정도가 차이가 있으므로 결함에 미치는 영향력에 따라 진동 특성별로 우선순위를 부여하고, 우선 순위에 따라 진동 특성별로 각각 차등화된 점수를 부여할 수도 있다. 예를 들어, 전기적 결함 특성에서는 진동 성분과 함께 부하 특성이 중요한 항목이기 때문에 부하 특성에 다른 진동 특성 정보보다 높은 점수를 부여할 수 있다.
이렇게 각 진동 결함 유형별 데이터베이스가 구축된 상태에서 설비의 이상 진단을 위해서 사용자가 관련 프로그램을 실행시키면, 사용자에 의해 각 진동 특성과 진동 특성별 세부 진동 코드 항목 선택 신호를 입력받을 수 있도록 화면상에 평가 항목들에 대하여 표시한다.
이후에 사용자는 실제 설비에서 측정된 진동 주파수 성분 값을 획득하고, 획득된 진동 주파수 성분에 기초하여 메뉴 화면에 나타난 각 진동 특성별 세부 진동 코드 항목들을 선택하게 된다(S20).
이와 같이 사용자에 의해 세부 진동 코드 항목들에 대한 선택이 완료되면 입력된 세부 진동 코드 항목의 조합을 통해 데이터베이스화된 진동 결함 유형과 비교하여 결함 유형을 판단한다(S22).
이하, 본 발명에 따른 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법에서 진동 유형 판단을 위한 세부 진동 코드 항목 조합 과정을 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
우선, 주진동 성분으로 분류된 세부 진동 코드 항목 중 어느 것이 선택되었는지 판단하여 선택된 코드 정보를 추출한다. 주진동 성분에 대한 세부 진동 코드는 하기 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 구체적으로는, 주진동 성분으로 분류된 세부 진동 코드가 A1인지 판단하고(S100), 선택된 주진동 성분 특성 코드가 A1일 경우 A1 정보를 조합 정보로 추출, A1이 아닐 경우 A2에서 An번째까지 선택된 코드 정보를 찾는다(S110).
표 1
Figure PCTKR2013010653-appb-T000001
이어서, 주진동 성분에 대한 코드 추출이 완료되면 2차 진동 성분으로 분류된 세부 진동 코드 항목 중 어느 것이 선택되었는지 판단하여 선택된 코드 정보를 추출한다. 이 경우에도 상술한 주진동 성분 코드 정보 추출과 동일한 방법으로 수행한다. 그리고, 이외에도 나머지 진동 특성별로 선택된 세부 진동 코드 정보를 모두 추출하고, 최종적으로 추출된 세부 진동 코드를 조합한다. 이러한 방법으로 추출된 세부 진동 코드를 조합하면 {A1B1…N1}에서부터 {An,B,…Nn} 중 어느 하나의 코드 조합을 얻을 수 있다.
여기서, 2차 진동성분에 대한 세부 항목 코드정보는 저주파수 대역, 고주파수 대역, 회전성분, 차수성분과 배수성분의 합, 비동기 회전성분 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 진동방향은 반경방향, 축방향, 반경 및 축방향, 방향성 진동(수직에서 수평방향, 수평에서 수직방향) 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 시간파형은 정현파형, 충격파형, 모듈레이션 파형, 비대칭 파형, 단절 파형, 불연속 파형 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 측대파 성분은 차동기 성분(회전속도 미만 성분), 비동기 성분, 회전속도의 2~3배 성분, 극수 X 슬립 주파수, 전원 및 2배수 전원 주파수, 측대파 없음 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 위상특성은 인/아웃보드에 대하여 회전축, 회전축의 반경방향, 커플링부에 대한 위상의 방향정보, 위상 변화 여부 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 부하특성은 연결시 진동증가, 주기적 진동, 부하증가시 급격한 진동 증가로, 회전특성은 회전증가시 진동증가, 회전수에 따라 급격한 증가, 진동 증가후 다시 감소 등으로, 전원특성은 전원 차단시 진동소멸, 전원차단시 진동 잔류 등으로 구분될 수 있다.
그리고, 설비특성은 베어링 유형에 대하여 구름 베어링과 미끄럼 베어링, 연결방식 유형에 관하여 직결구동, 벨트 구동, 유체 커플링, 오버헝 타입(Overhug Type)으로 구분될 수 있다.
이와 같이 세부 진동 코드 조합 결과가 얻어지면 데이터베이스에 설정된 진동 결함 유형 목록의 각 진동 결함 유형별 진동 결함 평가 점수를 산출하여 진동 결함 평가 점수 순위를 선정하고, 가장 높은 평가 점수를 갖는 진동 결함을 주진동 결함으로 판단한다. 이때, 진동 결함 평가 점수의 산출은 하나의 결함 유형에 대하여 사용자에 의해 선택된 각각의 세부 진동 코드정보의 우선순위 정보에 따라 각 세부 진동 코드정보별로 점수를 부여하고, 모든 진동 코드정보의 점수를 합산하면 해당 결함 유형에 대한 점수가 산출된다. 이러한 과정을 모든 결함 유형에 대해 반복하면 모든 결함 유형에 대한 점수가 산출된다.
결함 산출 과정을 예시적으로 상술하면, 데이터베이스에 설정된 진동 결함 유형이 회전축의 질량 불평형, 벤트 샤프트(bent shaft) 진동 결함, 디스토션(distortion) 등이고, 사용자에 의해 선택된 진동 코드 조합이 A1,B1,…N1일 경우를 설명하도록 한다. 우선, 회전축의 질량 불평형 진동 결함의 원인이 되는 세부 진동 코드 항목으로 A1,B2,Nn이 있고 이중 회전축의 질량 불평형 진동 결함에서는 A1 코드에 대한 우선순위가 높다고 가정하면, 사용자에 의해 선택된 코드 항목 중 A1이 있으므로 A1에 부여된 점수를 평가 점수에 합산한다. 이때, 회전축의 질량 불평형 진동 결함에서는 A1의 우선 순위가 높으므로 A1에 높은 점수를 부여한 값으로 평가 점수를 산출한다. 그리고 나머지 코드 항목들에 대해서도 데이터베이스에 설정된 코드 항목 및 여기에 부여된 값과 매칭시키면서 점수를 산출한다. 그리고, 회전축의 질량 불평형에 대한 진동 결함 평가 점수 산출이 완료되면 벤트 샤프트(bent shaft) 진동 결함, 디스토션(distortion) 등에 대한 점수 산출을 순차로 실시한다.
진동 결함 유형의 순위를 정함에 있어, 동일한 진동 평가 점수를 갖는 진동 결함 유형들에 대해서는 사용자가 선택한 세부 진동 코드 항목들 중 해당 진동 결함 유형에서 설정한 최우선 순위 진동 코드 항목을 많이 포함하고 있는 결함 유형에 대해서는 가중치를 부여함으로써 평가 점수를 차등화시킬 수 있다.
한편, 아울러 모든 평가가 완료되면 평가 결과를 사용자가 확인할 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 화면 상에 표시하여 주며 평가 결과를 설비에 대한 이력 정보로 활용하기 위하여 저장한다. 이때, 평가 결과는 가장 높은 평가 점수와 대응되는 진동 결함 유형을 주 결함으로 판단하여 우선적으로 표시하고, 그 다음으로 높은 평가 점수에 대응되는 결함들을 평가 점수순으로 정해진 순위까지 표시하여 준다.
이하에서는, 본 발명이 다양한 진동 원인이 되는 따른 진동 주파수 성분, 즉 세부 진동 코드 항목들에 구체적인 설명 및 진동 주파수를 세부 진동 코드 항목으로 분류하여 결함 진단시 고려해야 하는 원리에 대한 설명을 부가하도록 한다.
1. 회전축에서 발생하는 결함
1)회전축의 질량 불 평형 (회전축의 질량 불평형)
회전기계는 베어링으로 지지되어 있는 회전축이 회전 운동을 하면서 동력을 발생시킨다. 만일 회전체를 제작하는 과정에서 조립정밀도 불량이나, 운전 중 회전체에 접촉하거나 부품의 이탈 등에 의해 회전체의 회전중심과 회전체의 무게 중심이 일치하지 않는 경우 질량 불 평형이 발생한다. 회전체가 불 평형 상태로 계속 운전을 하게 되면 편중된 질량에 의해 원심력이 하고 중심에서 벗어나 휘돌림 운동을 하게 되므로 축을 지지하고 있는 베어링에 과도한 하중과 스트레스로 인해 결함을 일으키게 된다. 이때, 결함 정도는 편중된 질량의 크기와 회전속도에 비례하여 나타나게 되며 편중된 질량의 위치에 따라 정적 불 평형, 동적 불 평형, 우력 불평형 등이 있으며 결함으로 인해 발생하는 진동 특성은 다음과 같다.
가) 진동 주파수 성분은 축의 회전속도이다,
나) 진동은 반경 방향에서 나타난다.
다) 시간파형은 정현파형 (Sine waveform) 이다.
라) 회전속도가 증가함에 따라 회전성분의 진동이 증가한다.
마) 위상 특성은 정적 불 평형인 경우 양쪽 베어링에서 측정한 상대 위상각은 동일 위상이며, 우력 불 평형은 상대 위상각이 서로 반대 (180˚)를 보이고 있고, 동적 불평형은 두 질량의 위치한 각도에 따른 위상차를 보인다.
설비 진단방식은 이들 진동 특성을 먼저 인지하고, 운전중인 회전기계에서 이들 특성이 나타나는 가를 확인하여 회전기계의 결함 발생여부를 판단하게 된다.
2) 회전축의 정렬불량
회전축에서 축 정렬 (Alignment) 이란 구동축과 피 구동축의 회전중심이 일치하고 서로 평형이 되도록 하는 것이다. 이를 위해 두 축의 베어링 위치를 조정하여 일치시키는 방법과, 두 축을 커플링에서 결합할 때 축에 편심과 편각이 발생하지 않도록 하는 방법이다. 축 정렬 불량이란 축의 연결 조건을 만족하지 않을 때 발생하며, 축의 중심이 일치하지 않을 때를 편심 정렬불량, 축의 중심은 일치하나 평행하지 않을 때를 편각 정렬불량이라 한다.
이때에는 회전축이 강제적으로 굽혀지기 때문에 이로 인해 진동이 발생하고, 마멸을 일으키게 되고 축과 베어링 및 커플링에 결함을 일으키게 된다. 이 결함으로 인해 발생하는 진동 특성은 다음과 같다.
1) 편심 정렬불량
가) 진동 주파수 성분은 축 회전 속도의 2배 또는 3배 성분이다.
나) 진동 방향은 반경 방향이다.
다) 진동 신호의 시간 파형은 정현 파형이다.
라) 회전속도에 크게 영향을 받지 않는다.
마) 위상 특성은 커플링을 중심으로 양쪽의 베어링 하우징 반경방향에서 측정한 위상차는 반대 (180˚ )위상을 보인다.
2) 편각 정렬불량
가) 진동 주파수 성분은 축 회전속도의 1배 성분이 가장 높다.
나) 진동 방향은 축 방향으로 작용한다.
다) 진동 신호의 시간 파형은 정현 파형이다.
라) 회전속도에 크게 영향을 받지 않는다.
마) 위상 특성은 커플링을 중심으로 양쪽 베어링 하우징 축 방향에서 측정한 위상차는 반대(180˚) 위상을 보인다.
이밖에 회전축에 관련된 결함으로는 축의 휨 결함, 축에서 발생하는 크랙, 회전체의 공진 등이 있다. 이들 결함과 관련된 진동 특성은 다음과 같다.
③ 축의 휨 결함으로 발생하는 진동 특성
가) 진동 주파수 성분은 축의 회전속도이다.
나) 진동 방향은 반경 방향과 축 방향으로 작용한다.
다) 시간 파형은 정현 파형이다.
라) 회전속도가 증가함에 따라 회전 성분의 진동이 증가한다.
마) 반경 방향의 위상차는 양쪽 베어링에서 동일위상 (0˚)를 보이며, 축 방향 위상은 반대 위상 (180˚)를 보인다.
④ 축의 크랙으로 발생하는 진동 특성
가) 진동 주파수 성분은 축의 회전속도이다.
나) 진동 방향은 반경 방향으로 발생한다.
다) 시간 파형은 정현 파형이다.
라) 운전 속도나 운전시간이 경과됨에 따라 진동량이 변화한다.
마) 베어링 하우징에서 측정한 위상은 운전시간이 경과됨에 따라 변화한다.
⑤ 회전축 공진에 의해 발생하는 진동 특성
가) 진동 주파수 성분은 축의 회전속도가 축의 고유진동수와 일치하는 주파수이다.
나) 진동 방향은 반경 방향이다. 축을 지지하고 있는 지지대에서 공진이 발생할 경우 축 방향에서도 발생한다.
다) 시간 파형은 정현 파형이다.
라) 회전속도가 축의 고유진동수를 벗어나면 진동은 현저하게 감소한다.
마) 공진 전, 후에 위상이 180˚ 변화한다.
2. 고정부의 풀림에 의한 결함
회전체를 구성하는 부품 사이의 결합부나 지지 가대와 같이 볼트 고정부 사이에서 헐거워 지거나 풀림 결함이 발생할 때 나타난다. 진동의 발생은 헐거워진 기계 부품이 1회전 당 1회의 충격을 발생하여 회전주파수 성분의 진동이 발생하고, 회전체로부터 동적인 압력에 대한 헐거운 부품의 비선형 응답에 기인하여 배수 성분들의 진동이 나타난다.
가) 진동 주파수 성분은 회전 비롯하여 조화파 성분들이 발생한다.
나) 고정 볼트 부위가 풀리는 경우에는 진동 파형이 단절 파형이 되고, 커플링과 같이 회전 요소에서 풀림이 발생할 경우에는 1회전 마다 충격 파형이 발생한다.
다) 진동 방향은 반경 방향에서 발생하고 있으나 수평기계에서 고정부 이완이 발생할 때는 수직 방향으로 높은 진동이 발생한다.
라) 회전 요소에서 풀림이 발생할 경우 진동 주파수는 고 주파수 성분까지 나타나게 된다.
마) 회전 요소에서 풀림이 발생할 경우 위상은 불안정한 형태를 보이며 고정부에서 풀림이 발생할 경우에는 회전기계의 고정부와 가대 사이에 180˚의 위상차를 보인다.
3. 베어링 결함
베어링은 회전축에 의해 발생하는 동역학적 운동을 반경방향 또는 축 방향으로 구속하면서 회전체의 하중을 지지하면서 회전체의 회전속도를 베어링 외부로 전달하지 않는 기계에서 매우 중요한 요소이다. 일반적으로 구름 요소가 있느냐 없느냐에 따라 분류가 되며, 구름 요소가 있는 경우를 구름 베어링, 구름 요소가 없는 경우를 미끄럼 베어링으로 나눈다.
베어링은 회전기계의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미치는 중요 요소로서 회전축이 회전을 하면 항상 진동이 발생한다. 본 발명에서는 정상적인 진동이 아닌 고장을 일으키는 결함을 갖는 베어링의 결함을 진단하는 방식에 관한 것이다. 베어링에서는 작은 결함도 회전기계 전체의 안정적 운전에 영향을 미치기 때문에 가능한 신속히 결함을 검출해야 하고, 베어링에서 열화가 진전되지 않도록 올바른 조치를 취해야 한다.
1) 구름 베어링 결함에 의해 발생하는 진동
구름 베어링은 구름 요소인 전동체와 내륜, 외륜 및 전동체를 감싸고 있는 케이지로 구성되어 있으며, 전동체가 궤도면 및 케이지와의 접촉에 의해 진동이 발생한다. 따라서 결함이 존재하는 위치에 따라 결함주파수가 모두 다르게 나타난다. 즉 결함이 전동체에 존재하는 경우, 전동체 결함주파수 혹은 내륜에 존재하는 경우 내륜결함 주파수 등으로 분류한다. 설비관리자들은 베어링 부위에서 진동을 측정하고 발생하는 진동주파수를 분석해보면 베어링의 결함 위치를 파악할 수 있다.
가) 진동결함 주파수
회전축이 내륜과 접하여 회전하고 있을 때, 즉 내륜이 축의 회전속도로 회전하고 있을 때, 베어링 각 부위에서 발생하는 결함주파수는 수학식 1 내지 수학식 4와 같다.
외륜에 결함이 있는 경우에는 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2013010653-appb-I000001
내륜에 결함이 있는 경우에는 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2013010653-appb-I000002
전동체에 결함이 있는 경우에는 아래의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2013010653-appb-I000003
케이지에 결함이 있는 경우에는 아래의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2013010653-appb-I000004
여기서 : NB 는 볼의 개수, rps는 회전축의 회전수(HZ), Pd는 베어링 피치직경, Bd는 베어링 볼 직경, θ는 전동체가 외륜에 접하는 각도를 의미한다.
나) 진동 방향은 반경 방향으로 발생하며, 앵귤러 콘텍트 베어링의 경우 축 방향으로 진동이 발생한다.
다) 시간파형은 결함 주파수 간격으로 충격파형으로 나타난다.
라) 진동주파수 스펙트럼을 보면 결함주파수가 넓은 대역폭을 갖고 나타난다.
마) 케이지 결함주파수는 일반적으로 다른 결함주파수와 동반하며 사이드밴드로 나타난다.
바) 베어링의 열화가 많이 진전된 경우에는 회전축의 회전 주파수가 결함 주파수의 사이드밴드로 나타난다.
2) 미끄럼 베어링 결함에 의해 발생하는 진동
미끄럼 베어링은 회전체 표면과 베어링 메탈 사이의 얇은 유막에 의해 마찰을 적게 하면서 하중을 지지하게 되므로, 메탈에서 마찰이 발생하거나, 베어링 틈새가 큰 경우에는 회전수의 0.42~0.48 배수에서 주파수 성분을 갖는 비선형의 진동이 발생한다. 이 진동은 회전축의 원주방향으로 나타내며, 축의 위험속도의 2배 이하에서는 축이 강체인 상태로 휘도는 오일 휠(oil whirl) 진동이 발생하고, 위험속도의 2배에 도달하면 자력적인 휘돌림의 불안정한 진동인 오일 휩(oil whip)이 발생하여 베어링뿐만 아니라 회전제가 손상되고 결국은 기계의 파손에 이르게 된다. 따라서 이들 결함 주파수를 조기에 발견하고 미리 대처를 할 수 있는 방법이 필요하다.
오일 훨과 오일 휩이 발생할 때 진동특성은 다음과 같다.
가) 진동주파수 성분은 회전축의 회전속도의 약 1/2 배수에서 발생한다.
나) 축의 회전속도가 회전체의 1차 위험속도의 2배에 도달하면 자려진동에 의해 진폭이 갑자기 증가하며 한번 발생하면 속도를 증가하여도 감소하지 않고 지속적으로 유지된다.
다) 진동의 휘돌림 방향은 축의 회전방향과 같고 반경방향으로 진동이 발생한다.
라) 오일 휩이 발생할 경우 진동의 위상이 변화한다.
4. 축의 접촉에 의한 결함
회전축과 고정물체가 접촉하는 결함이 발생하면 접촉 결함진동이 발생하게 되며, 미끄럼베어링에서 접촉하는 경우 베어링 손상이 발생하고, 이 결함이 진전되면 회전기계가 심각한 고장에 이르게 된다. 접촉하는 형태에 따라 결함진동 주파수가 각각 다르게 나타난다.
1) 접촉 열에 의한 굽힘 진동
회전축이 베어링 부근에 경미한 접촉이 발생하면, 접촉에 의한 열이 발생하고 축이 굽히게 되고 이때 불평형 진동과 유사한 진동이 발생한다.
가) 진동주파수 성분은 축의 회전속도이다.
나) 진동은 반경방향에서 나타난다.
다) 굽힘 정도에 따라 진동진폭이 증가한다.
라) 시간파형은 정현 파형이다.
마) 위상은 운전시간이 경과됨에 따라 변화한다.
바) 진동 초기나 접촉이 발생하지 않는 경우 결함주파수가 나타나지 않는다.
2) 충격 및 반사 진동(Hit and bounce vibration)
직경이 큰 회전체와 정지부 사이에 부딪히는 접촉이 발생하면 회전 속도 성분과 동일한 결함 주파수 성분이 발생하며, 충격량이 큰 경우 회전체나 고정부의 고유진동수 성분을 여기시켜 고유진동수 부근에서 높은 진폭의 진동이 발생하게 된다.
가) 진동 주파수 성분은 축의 회전속도이다.
나) 진동이 발생하는 방향은 반경 방향이다.
다) 시간 파형은 회전당 충격파형으로 나타난다.
라) 고유 진동수 부근에서 진동 진폭이 증가한다.
마) 접촉진동이 발생할 때 마다 위상이 변화한다.
3) 접촉 자려 진동
회전체와 정지부 사이에 접촉이 발생하고 마찰계수가 큰 경우 회전체가 틈새 내에서 후향으로 회전체가 휘도는 진동이다. 이 진동 주파수가 고유진동수와 일치하는 경우 큰 진폭의 진동이 발생하게 된다. 회전체와 정지부 사이의 틈새, 회전수 및 감쇠비등 이 자려 진동을 일으키는 조건과 일치할 경우 큰 진폭을 갖는 자려 진동이 발생한다.
가) 진동주파수 성분은 축의 회전속도 성분과 함께 분수차 조화파 성분이 발생한다.
나) 진동이 발생하는 방향은 반경방향이다.
다) 시간파형은 한쪽이 단절되었거나 평탄한 모습을 보인다.
라) 마찰과 충격은 회전체나 고정부위 고유진동수를 여기시켜 고유진동수 부근에서 큰 진폭의 진동이 발생한다.
마) 위상은 운전 중에 일정한 변화를 보인다.
5. 기어 결함
기어 장치는 구동축의 회전속도를 증속하거나 감속하기 위한 동력 전달장치로, 또는 입력축 방향과 출력축의 방향을 임의로 변경할 때 사용되는 기계 장치이다. 최근 기어 장치가 고부하, 고속화 됨에 따라 결함이 발생할 경우, 피로에 의한 열화의 진행이 빠르고 마멸 및 파단 등의 심각한 고장에 이르게 된다.
기어 장치는 여러 개의 기어로 복잡하게 구성되고, 두꺼운 케이스 안에 설치되므로 초기 결함을 검출하기가 매우 어렵다. 설비 관리자들은 기어장치에서 발생하는 결함 진동주파수를 정확히 측정하고, 기어 특성에 맞는 정밀 진동분석을 수행해야만 결함을 발견할 수 있다.
1) 기어 정도 불량에 의한 결함
기어에 편심, 피치오차, 치형 오차 및 치면 손상 등이 있으면, 원주 방향의 전달 하중이 발생하고, 치형 오차 등에 기인하는 동적 하중이 기어를 강제적으로 가진시킨다. 이때 발생하는 결함 진동 주파수는 다음과 같다.
가) 진동 주파수 성분은 기어 맞물림 주파수 성분이다.
기어 맞물림 주파수 (Gear Mesh Frequency)는 아래의 수학식 5와 같다
[수학식 5]
GMF = Nt x rps
여기서, Nt : 기어 잇수, rps : 기어 축의 회전수
나) 진동은 반경방향으로 발생하며, 헬리컬기어의 경우는 축 방향으로 진동이 발생한다.
다) 기어에 편심이 있는 경우 기어 맞물림 주파수 좌우에 회전축의 회전 성분이 사이드밴드로 나타난다.
라) 피치 오차가 있는 경우 기어 맞물림 주파수 좌우에 다수의 회전성분이 사이드밴드로 나타난다.
마) 치면 손상 등 기어 표면에 결함이 발생하면 기어 맞물림 주파수 성분 뿐만 아니라 2차, 3차 조화 성분도 함께 나타난다.
바) 진동 신호의 시간 파형은 모듈레이션 파형이다.
2) 기어 축의 불량에 의한 결함
기어 설치 시 기어 축에서 정렬불량이 발생하는 경우, 기어가 편중된 접촉을 하게 되고 기어 맞물림 때 충격적인 힘이 발생하여 기어를 가진시킨다. 기어의 반경방향 및 축 방향 진동은 동시에 베어링 하우징 굽힘 진동으로 나타나므로 베어링에 큰 손상을 주게 된다.
가) 진동 주파수 성분은 기어의 맞물림 주파수 성분이다.
나) 기어 맞물림 주파수 좌우에 회전 성분이 사이드 밴드로 나타난다.
다) 기어 맞물림 주파수와 2차, 3차 조화 성분이 발생한다. 1차 기어 맞물림 주파수 성분의 진폭이 대체로 높다.
라) 진동 신호의 시간 파형은 모듈레이션 파형이다.
3) 파손된 기어 이빨에 의한 결함
기어 이빨이 파손되면 그 이빨을 갖는 기어의 1회전당 한번씩 충격파가 발생하게 되므로, 시간 파형에서 이 파형을 찾는 것이 효과적이다.
가) 진동 주파수성분은 기어의 맞물림 주파수 성분과 부러진 이빨을 갖는 축의 회전 주파수 성분이 모두 나타난다.
나) 기어 맞물림 주파수 좌우에 회전 성분의 사이드밴드가 나타난다.
다) 진동 신호의 시간파형은 부러진 이빨을 갖는 회전축에서 1회전당 한번씩 충격 파형이 발생한다.
4) 기어 잇 수의 조합 불량에 의한 결함
맞물리는 두 기어는 각자의 잇 수를 갖고 있다. 이들 잇 수에서 조합 불량이 발생하는 경우 결함이 발생하고 기어의 수명을 단축시킨다. 두 기어의 잇 수를 소인수 분해해서 최대 공약수가 1인 경우에는 구동기어가 피 구동기어의 이빨과 처음 맞물린 후 다시 동일 이빨과 맞물리기 전에 피동기어 전체 이빨과 맞물리게 된다. 그러나 최대 공약수가 1보다 크면 몇 개의 이빨만 자주 맞물리게 된다.
만일 구동기어의 한 개의 이빨 면에 치형 불량이 발생하면, 이 이빨이 자주 맞물리게 되는 피동기어의 몇 개 이빨만 손상을 입게 되고 기어의 수명이 단축된다. 이때 발생하는 결함 진동 주파수는 기어 맞물림 주파수와 함께 큰 진폭의 분수차 기어 맞물림 주파수가 발생한다.
가) 진동 주파수 성분은 기어 맞물림 주파수 성분과 최대 공약수의 분수차 맞물림 주파수 성분이다.
나) 분수차 맞물림 주파수 성분의 진폭이 기어 맞물림 주파수 성분보다 크다.
다) 진동 방향은 반경 방향이다.
6. 전동기 결함
산업현장에서 동력을 발생하는 장치로서 유도 전동기가 널리 사용되고 있다. 유도 전동기는 터빈, 압축기 등의 다른 회전기계에 비해 구조가 간단하고 결함이 잘 발생하지 않는 다는 장점을 갖고 있으나, 두 가지 중요한 구성품인 회전자와 고정자 사이에 전기적 및 기계적 결함이 발생하여 고장을 일으키게 된다.
1) 공극의 불평형
회전자와 고정자 사이의 공극에서 치수 불균형이 있으면, 둘 사이에 불평형 자기 흡입력이 발생하게 된다. 회전 자계의 회전과 함께 회전자 및 고정자가 진동을 하게 되고 회전축은 전원 주파수의 2배 성분의 진동을 발생한다.
고정자에서 편심이 발생할 경우 이를 정적 편심(Static Eccentricity) 이라 하고, 편심된 고정자는 고정자와 회전자 사이에 일정하지 않는 공극을 만든다. 이 결과 전원 주파수의 2배 성분이 높게 나타나며 큰 방향성을 갖고 있다. 이의 원인으로는 잘못 제조된 고정자, 부적절한 적층 구조, 구부러진 전동기의 기초 및 Soft Foot 등이 있다.
회전자에서 편심이 발생할 경우 이를 동적 편심(Dynamic Eccentricity)이라 하고 편심된 회전자는 공극 사이에 불평형 자기 흡입력을 발생시킨다. 이 결함에 의해 발생하는 진동 주파수 성분은 회전축의 회전 성분과 전원 주파수의 2배 성분 및 전원 주파수 2배 성분의 좌, 우에 극수 x 슬립 주파수가 사이드 밴드로 나타난다.
2)고정자 및 회전자 권선의 불평형
고정자 권선에서 불평형이 존재하는 경우 불평형 자기 흡입력이 발생하고 전원 주파수의 2배 성분이 원주 방향으로 나타난다. 회전자 권선에 불평형이 존재하거나 회전자 봉(Rotor Bar)에서 파손 등의 결함이 있을 때는 회전 속도 성분 좌우에 극수 x 슬립 주파수의 사이드밴드가 발생하고 2배의 전원 주파수 좌우에도 극수 x 슬립 주파수의 사이드밴드 성분이 나타나다. 결함의 정도와 회전자 봉의 파손이 많은 경우 사이드밴드의 진폭이 크게 나타난다. 고정자 권선에서 열화가 발생하면 전원 주파수의 2배 성분과 함께 회전자 봉 통과주파수(Rotor Bar Pass Frequency)의 성분과 전원 주파수의 2배 성분이 좌우로 나타난다.
3) 전원 전압 불평형
전원 전압에서 불평형이 존재하면 회전자에 작용하는 토크 및 그의 반작용으로 고정자에 토크 맥동이 발생한다. 이 토크 맥동에 의해 고정자는 전원주파수 배수 성분이 반경 방향으로 나타나며 이중 전원주파수의 2배 성분이 가장 높은 진폭을 갖는다. 회전 축계에서는 회전속도 성분의 진동이 발생한다. 전기적 결함에 따른 결함 진동성분을 종합하면 다음과 같다.
표 2
결함 유형 결함 진동 주파수 비고
전원 전압 불평형 1X, fL, 2fL, 3fL, 4fL 전기적 결함은 전동기에 공급하는 전원을 차단하는 경우 즉시 진동이 사라지는 특징이 있다.회전 속도의 진동은 전원 차단 시 즉시 사라지지 않는다.
코넥터 부의 느슨함 1X, fL, 2fL, 3fL, 4fL
고정자 권선의 불평형 2fL
회전자 권선의 불평형 1X, 2fL, 2fL ± PxSF
고정자 권선의 열화 2fL, RBPF ± 2fL
고정자 편심에 의한 공극의불평형 2fL
회전자 편심에 의한 공극의불평형 1X, 2fL, 2fL ± PxSF
고정자 철심의 느슨함 1X, 2X, 2fL
여기서, 1X : 회전자의 회전속도 성분, fL : 전원주파수 성분
P : 극 수 SF : 슬립 주파수
RBPF : 회전자 봉 통과주파수 (RBPF = NRBXrps)
NRB :회전자 봉 갯 수 rps : 회전자의 회전속도
본 발명은 설비에 관한 전문 지식이 없더라도 설비의 진동상태 정보만 입력하면 설비의 결함을 예측할 수 있어 플랜트 설비나 제조 현장에서 매우 유용하게 이용될 수 있는 발명이다.

Claims (7)

  1. 설비의 결함에 따라 발생하는 진동을 복수 개의 진동 특성으로 구분하고, 상기 진동 특성들을 세분화하여 세부 진동 코드 항목들을 설정하며, 각 결함 유형별로 상기 세부 진동 코드 항목을 연관시켜 데이터베이스화하여 저장하는 단계;
    사용자로부터 상기 각 진동 특성별로 세부 진동 코드 항목 선택 신호를 입력받는 단계; 및
    상기 입력된 각 세부 진동 코드 항목과 상기 결함 유형과 세부 진동 코드항목 간의 연관 정보에 기초하여 설비의 결함 유형을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동 특성 정보는 주진동 성분, 2차진동 성분, 진동 방향, 시간 파형, 측대파 성분, 위상 특성, 부하 특성 및 설비 특성 중 2개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 각 결함 유형별로 상기 세부 진동 코드 항목을 연관시켜 데이터베이스화하여 저장하는 단계는;
    상기 각 결함 유형별로 진동 결함에 영향을 미치는 정도에 따라 상기 세부 진동 코드 항목별로 우선순위를 부여하고, 우선순위에 따라 점수를 차등화하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 진동 결함 유형을 데이터베이스화하는 단계는;
    상기 각 진동 결함 유형별로 진동 결함에 영향을 미치는 정도에 따라 상기 진동 특성 정보별로 우선순위를 부여하고, 우선순위에 따라 점수를 차등화하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 설비의 결함 유형을 판단하는 단계는
    상기 데이터베이스에 설정된 각각의 진동 결함 유형별로 사용자에 의해 선택된 세부 진동 코드 항목에 대한 우선순위 또는 진동 특성 정보별 우선순위 중 어느 하나 이상을 반영한 정보에 기초하여 진동 결함 평가 점수를 산출하고, 산출된 진동 결함 평가 점수를 기초로 진동 결함 유형을 결정하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 각 진동 결함 유형별 진동 평가 점수가 동일할 경우에는, 사용자에 의해 선택된 세부 진동 코드 항목 중 각 진동 결함 유형별로 최우선 순위로 설정한 세부 진동 코드 항목이 많은 진동 결함 유형에 가중치를 부여하여 동일 진동 평가 점수를 갖는 진동 유형을 차등화하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 순위별 진동 결함 유형을 사용자가 확인할 수 있도록 미리 설정한 순위까지 제공하는 것을 특징으로 하는 진동 특성을 이용한 설비 결함 진단 방법.
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