[논문]진동신호를 이용한 펌프의 고장진단 연구

정원식; 이신영; 정태진; 이종길

문제 정의

본 연구에서는 여러 기계에 부속품으로 또는 단독으로 많이 사용되는 펌프에 고장진단 시스템을 개발하는 연구를 수행하고자 하였다. 펌프는 전동기 부분과 펌프부분으로 나누어지며 기계부와 전기전자부를 포함하는 복합적인.
나타내게 된다. 여러가지 고장이 발생한 기계에 대하여 작동시 발생하는 진동/변위 등의 신호를 계측함으로써 고장별 발생하는 상태를 자료화하고자 하였다.

제안 방법

(4) 충격 가진에 의한 고유진동수 및 주파수 응답 함수를 산출하여 진폭이 큰 주파수와 비교하였다. 그 결과 두 주파수간에 큰 상관관계를 보이지 않았고 작동시의 진폭이 큰 주파수는 강제 진동에 기인하였다.
가속도계를 이용한 진동측정 외에 또 다른 진동계 측의 방법으로 소음측정을 이용한 펌프의 상태 자료화를 시도하였다. 기계의 사용 중 발생하는 소리는 기계진동과 마찬가지로 기계의 작동상황에 따라 특징적인 상황을 나타낸다.
가혹 조건의 시간에 따른 상태 변화 중 가는모래를 사용한 경우에 대하여 실험 시간의 경과에 따른 주파수별 피크치의 변화를 조사하였다. Fig.
기계의 이상진단을 위한 시작품으로 펌프를 대상으로 하였고, 정상적인 기계와 인위적으로 변형을 준 제품 및 가속화 마모를 발생시킨 제품에 대하여 각각 진동실험을 수행하였으며 그 결과치를 비교 분석하였다. 이상의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
또한, 펌프에 흡입되는 물에 모래가 혼입되면 블레이드 및 벽체에 마모가 촉진되는 것이 예상 되므로 모래 A(75~300㎛) 및 모래 B(300 ~800 ㎛)를 혼입한 펌프를 구동하여 가면서 구동 시간에 따른 펌프 진동의 변화 양상과 블레이드의 질량감소를 측정하였다. Table 1은 사용시간에 따른 블레이드의 질량변화를 나타내고, Fig.
모래의 혼입하였을 경우의 초기 상황은 일정한 패턴을 보여주지 않았다. 매 2~6시간 경과시 마다 발생하는 진동을 측정하였으며 가는 모래와 굵은 모래 각각의 경우 다른 양상을 나타내었다.
모터 측의 수직 및 수평 가진, 블레이드 케이싱 측의 수직 및 수평 가진에 의한 가속도 응답을 통하여 주파수 응답함수를 측정하였다. 주파수 응답 함수를 분석한 결과, 고유진동수는 Table 2 와 같이 산출되었다.
2 set를, 신호증폭기로는 Dytran 4102C를 각각 사용하였다. 본 연구에서는 고장별 상태를 조사하기 위하여 Fig. 1과 같이 펌프 블레이드를 일부분 갈아낸 것과 Fig. 2와 같이 펌프축 부분 회전자의 냉각핀에 일부 변형을 가한 두 펌프에 대하여 진동을 측정하고 정상상태의 펌프 진동과 비교하였다.
사용시간에 따른 블레이드의 마모량이 차이가 나는 것은 시간이 경과함에 따라 모래 입자의 거칠기가 감소하는 때문으로 해석된다. 이것을 피하기 위하여 72시간 경과 후 새로운 모래로 교체하고 실험을 진행하였다.
있다. 이러한 상황을 시뮬레이션하기 위하여 체를 사용하여 선별된 입도를 가진 모래를 물통에 적당량 투입하고, 펌프에 흡수되는 물에 모래가 혼입되었을 때의 진동을 측정하였다. Fig.
정상적인 펌프 및 블레이드에 인공적인 불균형마모를 준 경우, 축에 변형을 가한 경우 및 펌프에 흡입되는 물에 모래를 혼입한 경우에 대하여 진동 및 소음을 조사하였다.
진동신호는 베어링을 부착한 하우징 부분과 펌프 케이스의 블레이드 부분에서 각각 수직 수평 방향으로 4지점을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

기계의 이상진단을 위한 시작품으로 펌프를 구입하고, 측정 장비로는 Data Physics 사의 DP104-100 FFT analyser, 계즉센서로는 Dytran 3136A 2 set를, 신호증폭기로는 Dytran 4102C를 각각 사용하였다. 본 연구에서는 고장별 상태를 조사하기 위하여 Fig.

성능/효과

(1) 블레이드의 일부를 불균형 마모시킨 펌프의 진동은 전체적으로 진폭이 크고 피크를 나타내는 피크 주파수의 개수가 다소 많은 데 비하여, 펌프 회전자의 냉각 휜 일부를 굽힌 펌프 진동의 경우는 전체 진폭은 큰 차이를 나타내지 않았다. 블레이드에 오류가 있는 경우는 불평형 회전에 의한 회전 주파수에서의 피크 증가가 뚜렷이 나타났다.
(2) 모래를 혼입하였을 경우의 초기 상황은, 일정한 패턴을 보여주지 않았고 가는 모래와 굵은 모래 각각의 경우 다른 양상을 나타내었다. 가는모래보다 굵은 모래를 사용한 경우가 블레이드 및 펌프 벽면의 마모가 빠른 속도로 진행되었고, 시간이 경과함에 따라 모래의 날카로운 모서리가 둥글어져 블레이드의 마모속도가 감소하였다.
(5) 정상적인 상태에서 발생하는 소음과 모래를 혼입하는 경우의 소음을 비교한 결과, 모래를 혼입하는 경우의 소음이 전체적으로 높은 레벨을 나타내고 있으며, 12~200Hz 대역에서는 피크 부분의 소음이 큰 차이를 나타내었고 1250- 20000Hz에서는 전체적으로 높은 소음을 나타내었다. 정상적인 상태에서 발생하는 소음과 블레이드를 불균형하게 마모시킨 펌프에서 발생하는 소음을 각각 측정한 후 비교한 결과, 소음의 피크가 발생하는 주파수는 거의 동일하고 20~32Hz 대역이 최고의 음압을 나타내었으며 전체적으로 높은 소음을 나타내었다.
그 결과 두 주파수간에 큰 상관관계를 보이지 않았고 작동시의 진폭이 큰 주파수는 강제 진동에 기인하였다.
진동과 비교할 때 블레이드의 일부를 불균형 마모시킨 펌프의 진동은 전체적으로 진폭이 크고 피크를 나타내는 피크 주파수의 개수도 증가하였으며 157Hz 부근에서 새로 피크가 발생하였다. 또한, 회전주파수(R)의 3&에 해당하는 피크가 크게 발달하였으며 800Hz'1000Hz 사이의 잔피크들도 다소 증가하였다. 축의 휜 일부를 굽힌 펌프 진동의 경우는 변형량이 전체의 질량에 비하여 작은 이유로 인하여 전체 진폭은 큰 차이를 나타내지 않고 있고 고주파수 영역에서 몇 개의 피크가 새로이 발달되는 것을 볼 수 있었으나 이것 역시 전체 진동에는 큰 영향을 줄 수 있는 정도는 아니었다.
11은 정상적인 상태에서 발생하는 음압과 블레이드를 불균형하게 마모시킨 펌프에서 발생하는 음압을 각각 측정한 후 비교한 것이다. 음압의 피크가 발생하는 주파수는 거의 동일하고 20~3가Iz대역이 최고의 음압을 나타내었으며 전체적으로 높은 음압레벨을 나타내었다.
정상적인 상태에서 발생하는 소음과 블레이드를 불균형하게 마모시킨 펌프에서 발생하는 소음을 각각 측정한 후 비교한 결과, 소음의 피크가 발생하는 주파수는 거의 동일하고 20~32Hz 대역이 최고의 음압을 나타내었으며 전체적으로 높은 소음을 나타내었다.
3에서와 같이 정상 상태 펌프의. 진동과 비교할 때 블레이드의 일부를 불균형 마모시킨 펌프의 진동은 전체적으로 진폭이 크고 피크를 나타내는 피크 주파수의 개수도 증가하였으며 157Hz 부근에서 새로 피크가 발생하였다. 또한, 회전주파수(R)의 3&에 해당하는 피크가 크게 발달하였으며 800Hz'1000Hz 사이의 잔피크들도 다소 증가하였다.

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