베어링 손상 검출을 위한 가속도 포위파 분석
소개
제조 또는 가공 공장에서 기계 고장은 중대한 결과를 초래합니다. 보통 생산성과 수익성에 악영향을 미치며, 보건 및 안전상의 위험도 따릅니다. 하지만 놀랍게도 고장의 원인은 거의 규명되지 않습니다. 그 대신 손상되고 고장 난 베어링은 다음번에는 더 오래 버티기를 바라는 마음으로 단순히 교체되는 경우가 많습니다.
그러나 베어링은 이유 없이 고장 나지 않는다. 베어링이 고장 나는 데는 항상 그 이유가 있으며, 보통은 기계가 불균형 상태로, 정렬이 틀린 상태로, 또는 임계 속도로 작동하고 있거나, 베어링이 올바르게 장착되지 않았거나, 과다 윤활 또는 윤활 부족이 발생했거나, 잘못된 윤활제가 사용된 것과 같은 여러 이유 중 하나 때문이다.
진동 해석
이와 같은 문제가 산업용 장비에서 발생할 때, 진동을 감지하고 분석하기 위해 고감도 가속도계가 사용됩니다. 이 기술은 진동 분석으로 알려져 있으며, 예를 들어 궤도면에 미세한 결함이 있는 경우와 같이 베어링 고장을 아주 초기 단계에서 식별할 수 있습니다.
이를 통해 기계가 고장 나기 전에 문제를 감지하고 선제적으로 조치를 취하여 자산 손상을 최소화할 수 있습니다. 하지만 이 기법에는 주목해야 할 중요한 문제 한 가지가 있습니다. 바로 식별 신호가 보통 기계에서 발생하는 온갖 다른 소음에 묻혀버린다는 것입니다.
가속도 포락 처리
베어링 결함을 더 심각한 문제로 발전하기 전에 가능한 한 빨리 찾아내는 것은 매우 중요하며, 이를 달성하는 한 가지 방법은 가속도 엔벨로핑이라는 신호 처리 기법을 사용하는 것입니다.
베어링 결함 신호가 명확히 보일 때까지 진동 스펙트럼의 불필요한 부분을 점진적으로 필터링하는 방식으로 작동합니다.
가속도 포위 처리는 주로 롤러 베어링 시스템에서 사용되지만 전동기 및 기어박스와 같은 분야에도 적용될 수 있습니다. 이는 상태 기반 유지보수 프로그램의 성공에 있어 핵심적인 요소입니다.
가속도 엔벨로핑이 없으면, 유지보수 팀과 엔지니어는 전체 진동이 증가하고, 윤활유가 오염되며, 온도가 상승할 때 비로소 손상과 고장을 알게 됩니다. 이 시점에 이르면 고장 난 기계 요소의 남은 사용 수명이 짧을 수 있으며, 결함을 더 일찍 감지했을 때보다 손상이 훨씬 더 광범위할 수 있습니다.
최악의 경우, 작업자가 문제를 알아채거나 해결하기도 전에 베어링이 고장 나고 기계가 멈출 수 있습니다.
가속도 포위 기술의 원리
가속도 엔벨로핑은 두 단계로 이루어진 과정입니다.
첫 번째 단계는 결함이 있는 베어링의 필터링되지 않은 파형에 포함된 저주파와 고주파가 혼합된 신호에 대역통과 필터를 적용하는 것입니다. 이를 통해 관심 신호가 숨어 있는 주파수 대역만을 분리해 낼 수 있습니다.
필터링된 출력은 반복되는 고주파 신호를 식별합니다. 이는 회전하는 베어링의 결함에 구름 요소가 부딪히면서 발생하는 충격입니다.
이 과정의 두 번째 단계는 필터링된 출력을 엔벨로퍼에 통과시키는 것으로, 이는 음의 부분을 양으로 반전시켜 파형을 정류하고 에너지 버스트의 반복률을 추출합니다.
이 봉투 신호는 이제 순수한 진동 신호로 사용되어, 배경 잡음 속에서 두드러지게 드러나게 합니다.
포络 신호는 궤도면의 단일 결함과 같이 규칙적으로 간격이 유지된 신호는 포함하는 데 도움이 되는 반면, 샤프트 마찰과 같은 다른 소음 원인은 무작위이며 균일한 간격의 피크를 생성하지 않습니다.
이 프로세스의 단계를 정확히 완료하려면, 특히 올바른 고역 및 저역 통과 주파수를 선택할 때 어느 정도의 경험이 필요하다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
가속도 포위 기법의 실제 적용
가속도 포위 처리는 롤러 베어링 시스템에서 가장 흔하게 사용되지만, 전기 모터 및 기어박스와 같은 분야에도 적용될 수 있습니다.
그것은 상태 기반 유지보수 프로그램의 성공에 있어 핵심 요인임이 반복적으로 증명되었습니다. 주로 가속도 스펙트럼의 신호와 함께 사용되지만, 충격 펄스와 같은 다른 측정값을 개선하는 데도 사용될 수 있습니다.
응용 사례: 풍력 터빈의 가속 엔벨로프
일반적인 풍력 터빈에는 약 8,000개의 개별 부품이 사용됩니다. 이 중 상당수는 구동계와 관련된 것으로, 구동계는 장기간 가동 중단의 주요 원인으로 지목되어 왔습니다.
특히 기어박스와 베어링의 마모는 문제를 일으키고 값비싼 수리로 이어질 수 있는 것으로 잘 알려져 있습니다. 정기적인 진동 모니터링은 이러한 문제가 발생하는 것을 예방할 수 있습니다.
일반적인 풍력 터빈의 복잡성은 진동 모니터링에 어려움을 제기합니다. 메인 터빈, 기어박스, 발전기와 같은 구성 요소들은 서로 다른 진폭과 주파수를 가진 고유한 진동 시그니처를 생성하며, 이는 분리하기 어렵고 주변 시스템의 소음에 의해 가려질 수 있습니다.
가속도 포위 기법이 여기서 결정적인 역할을 합니다.
풍력 응용 분야를 위한 센서 선정 및 설치
효과적이려면, 가속도계는 터빈의 모든 주요 회전 부품에 장착되어야 합니다. 여기에는 메인 베어링, 유성, 중간 및 고속 기어 스테이지, 발전기, 그리고 이상적으로는 나셀 횡단 및 축방향 움직임이 포함됩니다.
가속도계는 포락선 신호의 주파수에 따라 선정해야 합니다. 풍력 터빈 구동계, 특히 발전기 출력축의 경우 회전 속도가 비교적 느릴 수 있으므로, 감도가 g당 100밀리볼트에서 500밀리볼트 사이인 특수 목적의 저주파 AC 가속도계가 필요할 수 있습니다.
각 가속도계는 깨끗하고 단단한 바닥면에, 모니터링 대상 부품에 최대한 가깝게 단단히 장착되어야 합니다. 표준 M8 마운팅이 일반적으로 사용됩니다.
작동 조건의 변화나 시간에 따른 추세를 가장 빠른 단계에서 파악할 수 있도록 데이터는 정기적이고 일관되게 수집되어야 합니다.
데이터는 가속도 포락 처리를 자동으로 계산할 수 있는 소프트웨어가 탑재된 휴대용 데이터 수집기를 사용하여 현장에서 수집하거나, 후속 분석을 위해 원격 모니터링 센터로 전송할 수 있습니다.
가속도 포위 분석 데이터 해석
신호가 필터링되면 데이터 수집기를 사용하여 가속도계로부터 정보를 수집하고 전문가가 검토할 수 있습니다.
데이터를 기반으로 유지보수 작업을 즉시 수행해야 하는지, 정기 일정의 일부로 계획할 수 있는지, 아니면 해당 시점에 조치가 필요 없는지에 대한 결정을 내릴 수 있습니다.
가속도 포락 처리의 한계
가속도 감지가 베어링 고장을 탐지하는 확실한 해결책처럼 보이지만, 경우에 따라 이것이 최선의 선택이 아닐 수도 있다.
이 기술은 반복적인 금속 간 상호작용과 관련된 결함을 감지합니다. 개스킷이나 댐퍼 등 이러한 상호작용을 가리는 요소가 있다면, 해당 기계는 가속도 측정 범위를 벗어날 수 있습니다.
성공의 핵심 요인
어플리케이션이 가속 포락선 처리에 적합한 경우, 몇 가지 요소가 최상의 결과를 보장하는 데 도움이 됩니다.
가속도계는 특정 용도에 적합한 올바른 주파수 대역에서 신중하게 선택되어야 합니다. 노련한 공급업체는 AC 가속도계와 4~20밀리아암페어 가속도계 중에서 선택하는 것을 도울 수 있습니다.
가속도계는 일관된 결과를 보장하기 위해 모니터링 대상 부품에 가깝고 평평하며 깨끗한 표면에 올바르게 장착되어야 합니다. 장착이 부실하면 신뢰성이 떨어지고 수집된 데이터가 쓸모없게 될 수 있습니다.
일단 설치 및 보정되면, 정확한 추세 분석을 위해 일정한 간격으로 데이터 판독값을 측정해야 합니다. 이를 통해 꾸준히 악화되는 상태를 베어링 손상이 심화되기 전에 파악하고 조치할 수 있습니다.
진동 데이터는 단순한 예 또는 아니오의 답을 제공하지 않으며, 올바르게 해석하기 위해서는 경험이 필요하다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 어떤 경우에는 열화가 계속 진행되더라도 시간이 지남에 따라 진폭이 감소할 수 있다.
광범위한 전략의 일부로서 가속도 포위 기법 활용
가속 포위의 이점은 명확하지만, 그것만을 단독 기술로 의존해서는 안 됩니다.
가장 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면, 가속도 포위 분석(acceleration enveloping)은 더 광범위한 모니터링 및 분석 체계의 일부로서 구현되어야 합니다. 이 문헌의 지침과 결합될 때, 이는 엔지니어들이 고장과 생산 차질을 예방하는 동시에 기계의 상태, 성능 및 생산성을 보호하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
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