[논문]적외선열화상을 이용한 베어링 실시간 손상검출 상태감시의 전산수치해석 비교

김호종; 김원태

doi:10.7779/jksnt.2015.35.3.185

적외선열화상을 이용한 베어링 실시간 손상검출 상태감시의 전산수치해석 비교
Comparison of FEA with Condition Monitoring for Real-Time Damage Detection of Bearing Using Infrared Thermography Techniques 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.35 no.3, 2015년, pp.185 - 192

김호종 (전북대학교 공과대학 기계시스템공학부) , 김원태 (공주대학교 공과대학 기계자동차공학부)

초록
AI-Helper

동적하중에서의 베어링 결함에 대한 실시간 진단기술은 상대적으로 저조하다. 따라서 볼베어링의 이상상태 현상으로 인한 온도 상승 및 진동 증가 등을 사전에 검출하는 기술이 필요하며, 회전체에 대한 운전상태 감시 및 손상 진단을 통해 발전설비의 원활한 운전을 기할 수 있는 검출 기술이 필요하다. 적외선 열화상 실험과 더불어 ANSYS를 이용한 유한요소해석으로부터 실험과 동일한 베어링을 구조 설계 및 해석하여 데이터를 분석함으로써 열화상 기술로 얻은 데이터의 신뢰성을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since real-time monitoring systems, such as early fault detection, have been very important, an infrared thermography technique was proposed as a new diagnosis method. This study focused on damage detection and temperature characteristic analysis of ball bearings using the non-destructive, infrared thermography method. In this paper, for the reliability assessment, infrared experimental data were compared with finite element analysis (FEA) results from ANSYS. In this investigation, the temperature characteristics of ball bearing were analyzed under various loading conditions. Finally, it was confirmed that the infrared thermography technique was useful for the real-time detection of damage to bearings.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

특히 대형 발전설비에서 회전체 부분은 위험과 대형 사 고의 잠재적 요소를 가지고 있다. 대표적으로 기계의 실시간 감시이며, 이들 회전체에서 가장 중요한 부분이라 할 수 있는 베어링의 상태감시와 손상 조기검출에 관한 연구 및 적용 기술은 이들에 대한 더 나은 조기 손상감지기술의 개발에 목적으로 한다. 이상진단에 있어 과거와 같이 기계를 정지시킨 상태에서 분해, 검사하는 방법은 운영시간의 단축과 그에 따른 경제적 손실을 초래 한다.
본 연구에서는 적외선열화상 기법을 통해 검사 현장에서 기계 결함의 상태를 예측하는 것을 목적으로 한다. 따라서 비슷한 환경에서의 기계 결함상태에 대한 검출이 보장되어야 할 것이다.
작동중인 볼베어링에서 방출되는 온도 데이터 및 그래프를 비교, 분석함으로써 베어링의 이상 상태를 검출하며, 나아가 실질적으로 설비진단에 응용할 수 있는 진단기술을 개발하는 것이 목적이다[9,10].
본 해석으로부터 베어링의 상태와 이상 여부를 확인하기 위해 적외선열화상 기술을 이용하여 실험을 수행하였다. 적외선열화상 기술이 아직 국내에서 기초 단계임을 고려하여 다양한 상태의 베어링을 이용한 실험을 통해 데이터를 확보하여 나아가 베어링의 고장 진단을 위한 표준 데이터의 기초 자료로써 활용하고자 한다.

제안 방법

경계조건은 대류에 의한 열전달을 포함하였다. 5W/m²℃의 대류 열전달 값을 정의하고, step end time을 1800초로 하여 해석을 진행하였다. Fig.
동적하중상태의 윤활유가 있는 정상상태 베어링에 임의의 이물질을 넣어 이물질의 크기에 따른 베어링의 온도를 비교하여 온도 변화 및 진동 주파수 값을 분석하였다. 이물질의 종류는 Al₂O₃를 사용하였으며 각 이물질의 크기는 각각 Mesh 40, Mesh 80, Mesh 120 5 g씩 삽입하였다.
본 연구에서는 B6204를 이용하여 실험을 수행하였다. 동적하중상태인 베어링을 3가지의 다른 하중 조건과 베어링을 하우징에 고정할 때 사용하는 토크에 따른 온도 특성을 살펴보았다. 또한, 베어링에 이물질이 들어있다는 가정하에 베어링의 온도 특성을 다음과 같은 방식으로 살펴봤다.
열화상 카메라를 통한 열영상을 살펴보고 온도를 측정하여 기계의 이상상태를 진단할 수 있고, 나아가 고장 부위의 정확한 위치 판별까지도 가능함을 확인하였다. 또한 동적하중, 베어링 하우징 torque, 이물질(Al₂O₃)을 삽입하여 각각 상태에 따른 온도 특성들을 확보하였다. 열화상 실험 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 기존의 접촉식 고장진단법인 진동주파수기법을 통한 실험도 함께 진행하였다.
베어링 시스템에서의 열 흐름을 분석하기 위해 CATIA 프로그램을 이용하여 B6204를 모델링하였다. 모델링을 FEM 프로그램 ANSYS로 옮겨 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
적외선열화상 기기를 통해 산출된 열화상 이미지로 베어링의 온도 변화를 확인하였다. 본 실험에서 제시한 동적하중상태의 베어링이 하우징의 압력에 의해 어떠한 영향을 받는지 다양한 조건에서 온도 데이터의 흐름을 파악하여 각각 조건의 실험 온도 데이터 값을 비교 분석하였다. Table 1은 B6204 베어링의 적외선열화상 실험을 통한 정상상태 베어링 실험 조건에서의 최고 온도 값들을 보여준다.
본 연구에서는 적외선열화상 실험과 더불어 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 실험과 동일한 베어링을 설계 및 시뮬레이션을 수행하여 데이터를 비교, 분석함으로써 열화상 기술로 얻은 데이터의 신뢰성을 확보하였다.
8℃의 온도 차이가 났다. 본 해석으로부터 베어링의 상태와 이상 여부를 확인하기 위해 적외선열화상 기술을 이용하여 실험을 수행하였다. 적외선열화상 기술이 아직 국내에서 기초 단계임을 고려하여 다양한 상태의 베어링을 이용한 실험을 통해 데이터를 확보하여 나아가 베어링의 고장 진단을 위한 표준 데이터의 기초 자료로써 활용하고자 한다.
시뮬레이션 조건은 1 kg, 3 kg, 5 kg의 동적하중 상태의 B6204를 각각 1,000 rpm 회전시키는 조건으로 하였다.
3에 나타나있다. 열화상 카메라와 컴퓨터 장비를 연결하여 베어링 구동시 실시간 온도 데이터 및 이미지를 전송받아 베어링의 고장진단에 대한 연구를 진행하였다.
윤활유가 있는 정상상태 베어링을 하우징에 설치하여 토크렌치를 이용하여 각각의 토크에 따른 베어링의 온도를 비교하여 온도 변화 및 진동 주파수 값을 분석하였다.
동적하중상태의 베어링의 조건을 가정하기 위하여 1 kg의 원형추를 제작하여 이 원형추를 구동축에 장착하여 실험을 수행하였다. 이를 통해 동적하중상태의 베어링을 하우징에 고정할 때 사용되는 토크에 따른 베어링의 온도 변화 및 진동 주파수 값을 분석할 수 있었다.
95이상으로 유지했다. 적외선열화상 기기를 통해 산출된 열화상 이미지로 베어링의 온도 변화를 확인하였다. 본 실험에서 제시한 동적하중상태의 베어링이 하우징의 압력에 의해 어떠한 영향을 받는지 다양한 조건에서 온도 데이터의 흐름을 파악하여 각각 조건의 실험 온도 데이터 값을 비교 분석하였다.
적외선열화상 카메라를 이용하여 동적하중상태의 베어링의 온도 특성을 분석하고 베어링을 감싸고 있는 하우징의 압력이 구동하는 베어링에 어떠한 온도 영향을 끼치는지 실험하였다. 실험하는 동안 블랙페인트로 칠해 방사율 0.
1에 나타내었다. 하우징은 실험을 수행함에 있어 볼베어링의 삽입, 제거가 용이하여야 함을 고려하여 시편에 따른 하우징을 각각 제작하여 실험을 수행하였다.
경계조건은 대류에 의한 열전달을 포함하였다. 해석조건으로서 5 W/m²℃의 대류(convection)값을 정의하고, step end time을 1,800초로 하여 해석을 진행하였다.
따라서 비슷한 환경에서의 기계 결함상태에 대한 검출이 보장되어야 할 것이다. 회전체를 구현하기 위하여 실험장치를 제작하였다 (Fig. 1). 축(Shaft) 중간의 하우징(housing)에는 단순 지지를 위해 일본 Koyo사의 베어링 B6204를 사용하였다.

대상 데이터

동적하중상태의 베어링의 조건을 가정하기 위하여 1 kg의 원형추를 제작하여 이 원형추를 구동축에 장착하여 실험을 수행하였다. 이를 통해 동적하중상태의 베어링을 하우징에 고정할 때 사용되는 토크에 따른 베어링의 온도 변화 및 진동 주파수 값을 분석할 수 있었다.
본 연구에서는 B6204를 이용하여 실험을 수행하였다. 동적하중상태인 베어링을 3가지의 다른 하중 조건과 베어링을 하우징에 고정할 때 사용하는 토크에 따른 온도 특성을 살펴보았다.
축(Shaft) 중간의 하우징(housing)에는 단순 지지를 위해 일본 Koyo사의 베어링 B6204를 사용하였다. 사용된 B6204의 형상은 Fig. 2에 나타내었다.
열화상 카메라는 스웨덴 FLIR사의 FLIR SC655 25D(640 × 480 해상도 픽셀, 50 mK NETD) 모델을 사용하였으며, Fig. 3에 나타나있다.
동적하중상태의 윤활유가 있는 정상상태 베어링에 임의의 이물질을 넣어 이물질의 크기에 따른 베어링의 온도를 비교하여 온도 변화 및 진동 주파수 값을 분석하였다. 이물질의 종류는 Al₂O₃를 사용하였으며 각 이물질의 크기는 각각 Mesh 40, Mesh 80, Mesh 120 5 g씩 삽입하였다.
1). 축(Shaft) 중간의 하우징(housing)에는 단순 지지를 위해 일본 Koyo사의 베어링 B6204를 사용하였다. 사용된 B6204의 형상은 Fig.

데이터처리

실험 결과에 대한 신뢰성의 검증을 위해 FEM 프로그램인 ANSYS를 통해 베어링의 열해석을 수행하여 실험값과 비교·분석을 수행하였다.

이론/모형

베어링 시스템에서의 열 흐름을 분석하기 위해 CATIA 프로그램을 이용하여 B6204를 모델링하였다. 시뮬레이션은 ANSYS15.
베어링 시스템에서의 열 흐름을 분석하기 위해 CATIA 프로그램을 이용하여 B6204를 모델링하였다. 시뮬레이션은 ANSYS15.0을 사용하여 수행 하였다.
또한 동적하중, 베어링 하우징 torque, 이물질(Al₂O₃)을 삽입하여 각각 상태에 따른 온도 특성들을 확보하였다. 열화상 실험 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 기존의 접촉식 고장진단법인 진동주파수기법을 통한 실험도 함께 진행하였다.

성능/효과

적외선열화상 기법은 과거와 같이 기계를 정지시킨 상태에서 분해, 검사하는 방법이 아니라 실시간으로 상태를 감시할 수 있어 기존의 진단 방식보다 많은 장점을 가지고 있다. 열화상 카메라를 통한 열영상을 살펴보고 온도를 측정하여 기계의 이상상태를 진단할 수 있고, 나아가 고장 부위의 정확한 위치 판별까지도 가능함을 확인하였다. 또한 동적하중, 베어링 하우징 torque, 이물질(Al₂O₃)을 삽입하여 각각 상태에 따른 온도 특성들을 확보하였다.
이로부터 적외선열화상 기술을 이용한 베어링의 이상 여부는 적외선 카메라를 통한 실시간 영상 및 최고 온도를 확인하고, 온도그래프를 통한 초반 온도 변화 등을 살펴봄으로써 충분히 유용함을 알 수 있었다.
보이는 것과 같이 실험값과 해석값의 온도 상승 구배가 유사함을 알 수 있다. 적외선 실험 및 시뮬레이션으로부터 적외선열화상 진단법은 고속에서 더욱 확연한 온도 차이를 보여 매우 유리함을 확인할 수 있었다. 적외선열화상 기법은 과거와 같이 기계를 정지시킨 상태에서 분해, 검사하는 방법이 아니라 실시간으로 상태를 감시할 수 있어 기존의 진단 방식보다 많은 장점을 가지고 있다.

후속연구

향후 더욱 다양한 조건들의 시편을 통한 적외선열화상 실험을 수행하여 보다 더 정량적이고, 체계적인 데이터가 확보된다면 기존의 고장진단법과 같이 전문가만이 측정할 수 있는 판별법이 아닌 비전문가도 회전체에 대한 표준 데이터를 바탕으로 정확한 상태감시 및 고장 진단이 가능한 유용한 판별법이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선열화상 기술은 무엇인가	이러한 단점을 보완할 수 있는 기술로 인정받고 있는 것 중의 하나가 적외선열화상(Infrared Thermography: IRT) 기술이다. 적외선열화상 기술은 물체에서 방사되는 적외선을 적외선카메라로 촬영하여 얻어진 열화상 이미지에 나타난 온도 분포의 차이를 분석하여 결함의 유무를 확인하는 비접촉, 비파괴적인 기술로써 초기 장비 구입비용 이외에 추가 비용이 거의 발생하지 않고 검사시 인체에 무해하며, 실시간 모니터링이 가능하여 신속한 검사가 가능하다[6-8].
	고장예방계획을 세워 기계 파손 부위 및 상태를 조기에 판정하고 대처함으로써 적시에 부품 교체 및 보수가 이루어질 수 있도록 해야하는 이유는 무엇인가?	산업분야에서 회전기계의 유지 관리 및 사고예방에 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 미소부분에서의 손상이나 파손이 대형 사고로 확대될 가능성이 높아지게 되었으며, 그에 따른 피해도 상당하다. 따라서 고장예방계획을 세워 기계의 파손 부위 및 상태를 조기에 판정하고 대처함으로써 적시에 부품 교체 및 보수가 이루어질 수 있도록 하는데 많은 관심이 필요하다[1,2].
	적외선열화상 기술의 장점은 무엇인가?	이러한 단점을 보완할 수 있는 기술로 인정받고 있는 것 중의 하나가 적외선열화상(Infrared Thermography: IRT) 기술이다. 적외선열화상 기술은 물체에서 방사되는 적외선을 적외선카메라로 촬영하여 얻어진 열화상 이미지에 나타난 온도 분포의 차이를 분석하여 결함의 유무를 확인하는 비접촉, 비파괴적인 기술로써 초기 장비 구입비용 이외에 추가 비용이 거의 발생하지 않고 검사시 인체에 무해하며, 실시간 모니터링이 가능하여 신속한 검사가 가능하다[6-8].

참고문헌 (11)

I. Lee and S. Jang, "Early detection of bearing failure by frequency analysis," Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 164-169 (2006)
H. L. Balderston, "The detection of incipient failure of bearings," Materials Evaluation, Vol. 27, pp. 121-128 (1969)
D. R. Harting, "Demodulated resonance analysis - A powerful incipient detection technique," ISA Transactions., Vol. 17, pp. 35-40 (1978)
J. Yoon, S. Kim, J. Kim, J. Yoo and J. Lee, "A study on the automatic diagnosis system of ball bearings for rotating machinery," Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 1787-1798 (1995)
M. Y. Choi and W. T. Kim, "The utilization of nondestructive testing and defects diagnosis using infrared thermography," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 24, No. 5, pp. 525-531 (2004)
F. P. Incropera and D. P. DeWitt, "Fundamentals of Heat and Mass Transfer," 7th Ed., John Wiley & Sons (2008)
J. Seo, H. Yun, D. Kim, D. Hong and W. Kim, "Infrared thermographic diagnosis mechanism for fault detection of the ball bearing under dynamic loading conditions," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 31, No. 2, pp. 134-138 (2011)
J. Seo, D. Hong and W. Kim, "Study on NDT fault diagnosis of the ball bearing under stage of abrasion by infrared thermography," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 32, No. 1, pp. 7-12 (2012)

원문보기 상세보기
S. V. (Corp.), "Real Wave Pocket Analyzer (Real-Time Based Measurement System) Hangul Manual," First Edition (Ver. 1.7)
H. Kim. D. Hong and W. Kim, "A study on real-time fault monitoring detection method of bearing using the infrared thermography," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No. 4, pp. 111-117 (2013)
D. Hong and W. Kim, "Quantitative NDE thermography for fault diagnosis of ball bearings with micro-foreign substances," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 34, No. 4, pp. 305-310 (2014)

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증