베어링 진동에 관한 봉투 개봉

정교한 신호 처리 기법은 초기 단계에서 베어링 고장을 정확히 찾아내는 데 도움을 줄 수 있습니다. 한스포드 센서스(Hansford Sensors)의 전무이사 크리스 한스포드(Chris Hansford)가 그 이유를 설명합니다.

경험 많은 조작자들은 종종 기계가 제대로 작동하지 않을 때 ‘소리가 제대로 나지 않는다'는 이유로 그것을 알아차릴 수 있다. 현대 전자기기를 사용하면 이와 동일한 원리를 적용하여 문제의 정확한 원인을 파악할 수 있다.

고감도 가속도계는 산업용 장비의 진동을 감지하고 분석하여 정렬 불량이나 베어링 불균형과 같은 문제를 부각할 수 있습니다. 이 기법은 진동 분석으로 알려져 있습니다. 예를 들어 궤도면에 미세한 결함이 있는 것과 같이 베어링 고장을 아주 초기 단계에 식별할 수 있습니다. 문제는 식별 신호가 대개 기계에서 나오는 온갖 다른 소음에 묻혀버린다는 것입니다.

여과 장치

이러한 결함이 더 심각한 문제로 발전하는 것을 막기 위해서는 가능한 한 조기에 발견하는 것이 매우 중요합니다. 관심 있는 신호에 집중하고 ‘노이즈'를 걸러내는 한 가지 방법은 가속도 엔벨로핑(acceleration enveloping)이라는 신호 처리 기법을 사용하는 것입니다. 이 기법은 베어링 결함 신호가 명확히 보일 때까지 진동 스펙트럼의 원치 않는 부분을 점진적으로 필터링하여 주변 노이즈로부터 저레벨의 반복적인 진동을 추출해내는 방식으로 작동합니다.

결함이 있는 베어링의 필터링되지 않은 파형은 뚜렷한 패턴 없이 저주파수와 고주파수가 혼합되어 있습니다. 첫 번째 단계는 관심 있는 신호가 숨겨져 있는 주파수만을 분리하는 대역 통과 필터를 적용하는 것입니다. 고주파 및 저주파 차단 주파수를 선택하는 방법을 알기 위해서는 약간의 경험이 필요합니다.

필터링된 출력은 반복되는 고주파 신호를 식별하지만, 베어링 결함에 특화된 신호를 정확히 찾아내려면 더 많은 단계가 필요합니다. 먼저 파형이 정류되어(음의 부분을 양으로 반전) 정류된 신호의 전체적인 모양을 따라 선을 긋는 포락선(또는 복조) 과정을 거칩니다. 이제 이 ‘포락선'은 실제 진동 신호로 사용되어 노이즈 속에서 두드러지게 나타나는 데 도움을 줍니다.

포위선(엔벨로프)은 궤도면의 단일 결함과 같이 규칙적으로 간격이 유지된 신호를 포착하는 데 도움을 줍니다. 샤프트 마찰과 같은 다른 소음 원인은 무작위적이므로 균등한 간격의 피크를 생성하지 않습니다.

실전 기술

가속도 포위 처리는 주로 롤러 베어링 시스템에 사용되지만, 전동기 및 기어박스와 같은 분야에도 적용될 수 있습니다. 이는 상태 기반 유지보수(CBM) 프로그램의 성공에 있어 핵심적인 요소입니다.

포위 처리는 가속도 스펙트럼의 신호에 가장 흔히 사용되지만 충격 펄스와 같은 다른 측정값을 개선하는 데에도 사용될 수 있습니다.

신호가 필터링되면 데이터 수집기를 사용하여 가속도계로부터 정보를 수집할 수 있으며, 이는 전문가가 검토하고 해석할 준비가 됩니다. 전문가는 유지보수 작업을 즉시 수행해야 할지, 아니면 정기 일정의 일부로 계획할 수 있을지 결정할 수 있습니다.

가속도 엔벨로핑이 베어링 고장을 감지하는 결정적인 해답처럼 보일 수 있지만, 모든 기계에 보편적으로 적용될 수는 없습니다. 이 기법은 반복적인 금속 대 금속 상호작용과 관련된 결함을 감지합니다. 개스킷이나 댐퍼와 같이 이를 차단하는 요인은 기계를 적용 범위 벗어나게 할 수 있습니다.

성공 요인

응용 프로그램이 포락 처리에 적합한 경우, 몇 가지 요인이 더 나은 결과를 보장하는 데 도움이 됩니다. 첫째, 저수준 신호를 측정하기 위한 가속도계는 특정 기계나 응용 프로그램의 요구에 맞게 적절한 주파수 범위 내에서 신중하게 선택해야 합니다.

둘째, 일관된 결과를 보장하기 위해 가속도계는 모니터링 대상 부품에 가깝고 평평하며 깨끗한 표면에 올바르게 장착되어야 합니다. 잘못된 장착은 신뢰성을 떨어뜨리고 수집된 데이터를 무의미하게 만들 수 있습니다.

가속도계가 설치되고 교정되면, 정확한 추세 분석을 도출할 수 있도록 일정 기간 동안 정기적으로 데이터 측정값을 수집해야 합니다. 이를 통해 예를 들어 꾸준히 악화되는 상태를 파악할 수 있습니다.

제공된 정보는 단순한 ‘예/아니오'로 답할 수 있는 문제가 아니며, 해석하는 데 어느 정도의 기술과 경험이 필요하다는 사실을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어, 상태가 악화되더라도 결함이 약간 더 매끄러워짐에 따라 진폭은 시간이 지남에 따라 실제로 감소할 수 있기 때문이다.

가속도 포위 기법의 잠재적 이점은 명백하지만, 이 기법 하나만에 의존하는 것은 현명하지 못할 것입니다. 이를 더 광범위한 모니터링 및 분석 체계의 일부로 구현하는 것이 훨씬 더 효과적일 수 있으며, 플랜트 엔지니어들이 관리하는 모든 자산의 건전성, 성능, 생산성을 보호하는 데 도움이 됩니다.

가속도 포위 기법 적용 사례

세계풍력에너지협의회(Global Wind Energy Council)에 따르면 2014년 말 기준으로 268,000기의 풍력 터빈이 가동 중이었으며, 각 터빈은 평균 8,000개의 개별 부품으로 구성되어 있다. 이 중 상당수는 동력전달장치(drivetrain)와 관련이 있는데, 이 동력전달장치는 별도로 가동 중단 연장의 주요 원인으로 인식되어 왔다. 특히 기어박스와 베어링의 마모는 문제를 일으키는 것으로 잘 알려져 있다. 마모는 파괴적이기보다는 점진적으로 발생하는 경향이 있지만, 그럼에도 불구하고 가동 중단 시간과 중량물 양중 장비의 잠재적 필요성, 기어박스 교체 또는 발전기 권선 작업 측면에서 단순한 교체용 베어링이나 기어 유닛의 비용보다 훨씬 더 많은 비용이 드는 비싼 수리로 이어질 수 있다. 정기적인 진동 모니터링은 이러한 문제들이 발생하는 것을 예방할 수 있다.

그러나 전형적인 풍력 발전기의 복잡성은 진동 모니터링에 과제를 제기합니다. 예를 들어, 메인 터빈, 기어박스, 발전기에는 대개 15개 이상의 구름 베어링이 설치되어 있으며, 기어박스는 각각 여러 개의 기어가 있는 일련의 단계를 포함하고 있습니다. 이러한 부품들은 서로 다른 진폭과 주파수를 가진 고유한 진동 시그니처를 생성하는데, 이는 상호 분리하기 어렵고 주변 시스템의 소음에 의해 가려질 수 있습니다.

이것이 바로 가속도 엔벨로핑과 같은 기법이 중대한 역할을 할 수 있는 지점으로, 진동 분석가와 유지보수 엔지니어가 진동 특성을 분리하고 신호 상태의 변화를 식별할 수 있게 해주며, 이는 마모가 증가하고 있음을 나타낼 수 있습니다.

효과적이려면, 가속도 포위 처리는 모든 주요 회전 부품에 장착된 여러 개의 가속도계를 사용해야 합니다. 여기에는 메인 베어링, 유성, 중간 및 고속 기어 스테이지, 발전기(내측 및 외측 베어링), 그리고 이상적으로는 나셀 횡단 및 축방향 움직임이 포함됩니다.

각 경우에 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소들이 있습니다. 특히, 각 가속도계는 깨끗하고 단단한 바닥면에, 그리고 모니터링 중인 부품에 가능한 한 가까이 단단히 장착되어야 하며, 일반적으로 표준 M8 마운팅이 사용됩니다. 또한, 작동 조건의 변화나 시간에 따른 추세를 가장 빠른 단계에서 정확하게 파악할 수 있도록 데이터를 일관되게 수집하는 것도 중요합니다.

포위 신호의 주파수가 축 회전 속도와 직접적으로 관련이 있다는 점에도 주목해야 한다. 예를 들어 풍력 터빈 구동계의 발전기 출력축에서 회전 속도는 비교적 느릴 수 있으며, 따라서 100mV/g에서 500mV/g 사이의 감도를 가진 특수 목적용 저주파 AC 가속도계를 사용해야 할 수도 있다. 이 센서들은 일반적으로 나셀 내부의 정션 박스로 하드와이어링된 후 지상에 설치된 스위치 박스로 연결된다. 신호는 가속도 포위 분석을 자동으로 계산할 수 있는 소프트웨어가 탑재된 휴대용 데이터 수집기를 사용하여 현장에서 모니터링하거나, 이후의 분석을 위해 원격 모니터링 센터로 전송될 수 있다.