PHM 프로젝트 (2-3)

결함해석

기계의 본질

• 기계의 가장 이상적인 상태는 회전자가 어떤 저항도 받지 않고 허공에 떠있는 상태를 유지하는 것
• 그 상태를 방해하는 것이 preload. 예: 조립 불량, misalignment

로터의 종류 - flexible rotor와 rigid rotor

• rigid rotor: CMS에 의해 감독됨. 알람을 울리는 것이 주 기능.
• flexible rotor: TSI에 의해 감독됨. 트립을 보내는 것이 주 기능.

베어링의 종류

베어링 참고 링크: https://nada.co.kr/knowledge-3/vibration-hub/?pageid=1&mod=document&category1=BLOG&uid=311

• 구름요소 베어링
• 유막 베어링

결함 진단 사례

• 스펙트럼 분석 순서
  1. 운전주파수와 고조파 확인(1x RPM, 2x, 3x, ···· )
  2. 동기 주파수 성분(Synchronous Frequency) 확인
     • 날개통과 주파수(VPF, BPF)
     • 기어 맞물림 주파수(GMF)
  3. 비동기 주파수 성분(Non-Synchronous Frequency)확인
     • 고유진동수(Natural Frequency)
     • 베어링 주파수(FTF, BPFI, BPFO, BSF)
     • 벨트 주파수
     • 기타(전자기력 진동, 재순환, 캐비테이션 등)
  4. 측대역 성분(Sideband) 확인
     • GMF, 전자기력 진동
  5. 기타 : 맥놀이(Beat) 확인
• 질량 불평형
  • 원인: 회전자의 질량중심과 기하적인 중심이 일치하지 않음
  • 특징: 지배적인 반경방향의 1X 진동, 고정된 위상각
• 정렬 불량
  • 원인: 원동기와 부하기 축들의 정렬상태 불량, 베어링과 축의 정렬상태 불량
  • 특징: 1, 2, 3X 주차수 성분, 과도한 경우 2X 성분이 지배적. 8 형태의 궤적. 양쪽 inboard 베어링에서의 180도 위상차
• 축 휨: 축 혹은 회전자의 휨
• 과도한 공차: 저널 베어링 손상, 과도한 공차(=헐거움)
  • 원인: 마모 혹은 화학적 침식 등에 의함, 주로 슬리브 베어링에서 발생
  • 특징: 1X 성분과 4X 성분까지의 조화성분 발생(10X까지도 가능), 헐거움이 큰 경우 분수조화성분도 나타남
• 공진
  • 원인: 기계 구조물에 근접한 속도의 운전
  • 위험속도
  • 특징: 진동이 증폭됨, 밸런싱 감도가 높음
• 위험속도
  • 원인: 낮은 감쇠 특성을 갖는 회전계의 고유 진동수와 운전 속도가 일치
  • 특징: 회전기계의 감쇠 특성과 가진력에 영향을 받음
• 헐거움
  • 특징: 1X 성분과 고조파, 분수 조화 성분 RPM의 고조파
• 편심
  • 회전부품의 회전중심과 기하중심이 어긋남
  • 1X 성분이 지배적
• 비틀림
  • 원인: 장착면 불량(소프트풋), 불균일한 온도분포
  • 특징: 베어링 예압에 의한 1X 성분, 기어박스의 변형에 의한 기어 맞물림 주파수, 전동기 프레임의 변형에 의한 2X 전원 주파수
  • misalignment를 동반함
• 마찰: 회전자 마찰
  • 원인: 부적절한 윤활, 부적정한 공차, 과도한 부하
  • 특징: 헐거움과 유사한 형태의 스펙트럼
• 벨트와 풀리
  • 원인: 정렬, 편심, 조립, 장력, 마모, 제작 결함 등
  • 특징: 반경 방향으로 2X 벨트 주파수와 고조파
  \[F_{Belt} = \frac{\pi \times \text{풀리 회전 속도} \times \text{풀리 직경}}{\text{벨트 길이}}\]
• 맥놀이
  • 원인: 근접한 두 개의 주파수 성분들이 서로를 가감시킴으로써 발생(예: 2극 전동기)
• 베어링
  • 수명 계산
    • 베어링 수명은 RPM에 반비례함: 2배로 돌면 수명은 절반
    • $L_{10}$ 수명: 통계적으로 90%의 동일한 베어링이 동일한 하중과 운전속도에서 얻어지는 정격 수명
    • 근데 회전 속도보다도 하중이 더 수명 손해에 큰 영향을 줌. 2배 → 8배(볼 수에 비례하는듯)
  • 구름요소 베어링
    • 구름요소: 바퀴
    • 케이지: 구름요소를 담은 곳
    • 내륜, 외륜: 돌아가는거
  • 구름 요소 베어링의 결함 발전 단계
    1. 1단계 : 정규 수명의 10 ~20%의 잔류 수명
       • 0.05 ~0.1 mm의 결함이 발생
       • 사람의 감각(청각,시각, 촉각)으로 확인할 수 없는 초음파 신호(20,000 ~ 60,000Hz ) 발생되고 베어링의 온도 변화 없음
    2. 2단계 : 정규 수명의 5~10%의 잔류 수명
       • 결함이 성장되어, 구름 요소가 지날 때에 순간적인 충격파가 발생되고 500 ~2,000Hz 정도의 베어링 고유 진동수 성분이 나타나며 운전속도와 무관
       • 결함을 시각적으로 확인할 수 없지만, 소음이 약간 증가됨
    3. 3단계 : 정규 수명의 1~5%의 잔류 수명
       • 베어링 결함 주파수 성분이 발생되고 진전되면서 하모닉 성분들이 발생되며, 운전 속도의 측대역파 성분이 발생
       • 결함을 시각적으로 확인할 수 있고, 소음이 약간 증가됨
       • 베어링 교체 시기
    4. 4단계 : 1 시간 ~ 정규 수명 1%의 잔류 수명
       • 1 × RPM 성분과 고조파
       • 결함이 더욱 성장하여 베어링 전체 원주로 퍼지면, 고유 진동수 성분들을 구분할 수가 없게 된다
  • 베어링에서 제일 먼저 깨지는 것: 내륜
    • 볼: 제일 강한 부품임. 절대 깨지면 안됨. 접촉면도 적고 계속 움직임.
    • 내륜: 볼에 계속 찔림. 제일 먼저 망가짐(망가졌다고 깨진다는 건 아님)
      • 보통 내륜 주파수가 감지되는 시점에서는 이미 베어링이 거의 망가졌다고 본다. 이유? 제일 먼저 망가지는 건 맞는데, 센서 측정 위치가 하우징이라서 그럼. 내륜 > 볼 > 외륜 > 하우징 거쳐서 전달되는 게 내륜 주파수인데 그게 감지되는 상황이면 사실상 암 말기 환자죠.
• 기어 문제에 의한 주파수
  • 기어 맞물림 현상
  • 기어에서 발생되는 진동
    • 기어가 맞물리는 경우에 발생되는 충격파에 의한 진동이 발생
    • Gear Mesh Frequency = 축의 속도 × 기어 이빨 개수
      • 한번에 맞물리는 기어 이빨의 수가 많을수록 GMF의 진폭이 작다
      • Gear 비가 작을수록 GMF의 진폭이 작다
      • 이빨의 연마 정도가 좋을수록 GMF의 진폭이 작다
      • 기어에 작용하는 부하가 낮을수록 GMF의 진폭이 작다
    • 운전 속도 간격의 측대역파 성분이 나타남
      • 기어 결함에 의해 진폭과 주파수가 변조
    • 부하 조건에 민감하게 나타남
    • 측정
      • 반경 방향 : 스퍼 기어
      • 축 방향 : 헬리컬 기어, 베벨 기어, 웜 기어
• 전동기에서 발생하는 진동
  1. 전동기(Electric Motor)
     • 전기 에너지(전원)를 기계 에너지(회전)로 변화 시키는 기계
     • 전동기의 구조
       • 고정자 : 철심, 권선, 프레임, 베어링 브라켓, 터미널 박스
       • 회전자 : 철심, 바, 엔드링, 축, 베어링, 홴
     • 유도 전동기의 원리(플레밍의 왼손법칙)
       • 고정자 권선에 3상 권선 배열에 의한 회전자계 발생
       • 회전자에 유도 전류가 발생
       • 회전자에 동기속도로 회전하는 자계 발생
     • 전자기력 : 전동기의 전기적 결함을 진동으로 진단할 수 있게 함
     • 전동기에서 발생되는 주파수 성분
       • 정격 전동기 속도(NMS) [Hz]= 2×F1(전원 주파수, Line Frequency) / 극 수(no. of Poles)
       • 실제 전동기 속도 [Hz] = NMS - Fs (slip frequency)
       • 극 통과 주파수(Pole Pass Frequency) = Fs × No. of Poles
       • 회전자 바 통과 주파수(Rotor Bar Pass Frequency) = No. of Rotor Bar x RPM
• 강사님이 빨리 프로젝트 시키고 싶으신지,, 점점 설명이 빨라져서 필기 포기

프로젝트

• 사례 기반 원인, 현상, 과정, 결과 등을 밝혀내는 것.
• 틀려도 되니 지금까지 배워온 관점을 유지하여 논의하는 것을 높게 치겠다. 답은 정해져 있고, 과정이 중요해. 히스토리를 구구절절 풀어보세요.

• 3개의 소과제로 구성됨

  AI의 도움을 많이 받을 것 같으니 시간을 많이 주지 않겠음,,,

  1. 송풍기: 열차 내 객실에 있는 에어컨임. 하절기 6개월만 씀.
     • 소음/진동이 심한데 원인을 모르고, 베어링을 자주 바꾸는데 왜 고장나는지는 모름 → 예상 진동 원인 논의하기
     • 진동 그래프 보고 원인 및 기타 사항 규명하기
     • 임펠러 제거 후 진동이 더 커졌대 → 해당 결과 분석하고 대책 마련
     • 프레임 관련 분석 후 다른 주파수 발견됨 → 해당 결과 분석하고 대책 마련
  2. 공기 압축기: 구조 자체가 복잡하고 진동을 제거하기가 어려움
     • 그 진동이 과하다는 점 때문에 물건이 안 팔려. 해결하라.
     • 예상 원인 분석
     • 단계별 진동 분석
     • 종합 권고사항
  3. 펌프: 배에 들어감. 배에서의 소음/진동 규격은 아주 명확함.
     • 진동이 과해서 쓸 수가 없어
     • 원인 분석 후 교정 시도함
     • 해결 완료까지 빈칸 채우기

답안은 비공개하겠음 직접 와서 교육 들어보세요^^