[논문]HHT를 이용한 간극이 있는 회전체의 고장진단

이승목; 최연선

HHT를 이용한 간극이 있는 회전체의 고장진단
Fault Diagnosis for Rotating Machinery with Clearance using HHT 원문보기

이승목 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 최연선 (성균관대학교 기계공학과)

Rotating machinery has two typical faults with clearance, one is partial rub and the other is looseness. Due to these faults, non-linear and non-stationary signals are occurred. Therefore, time-frequency analysis is necessary for exact fault diagnosis of rotating machinery. In this paper newly developed time-frequency analysis method, HHT(Hilbert-Huang Transform) is applied to fault diagnosis and compared with other method of FFT, SFFT and CWT. The results show that HHT can represent better resolution than any other method. Consequently, the faults of rotating machinery are diagnosed efficiently by using HHT.

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문제 정의

그러나 STFT는 일정한 해상도를 제공함에 따라 비정상신호 분석에는 적합하지 않고, CWT는 가장자리 뒤틀림, 에너지손실, 오버랩에 의한 간섭의 발생으로 불확실한 주파수정보가 나타날 수 있다.[6] 이에 본 연구에서는 새로이 개발된 시간-주파수 분석방법인 HHT를 사용하여 간극이 있는 회전체의 고장을 진단하고자 한다.
본 연구에서는 부분마멸과 헐거움이 있는 로터시스템에 대하여 기존의 신호 분석 방법인 FFT, STFT, CWT을 사용하여 분석하고, 새로운 시간-주파수 분석방법인 HHT를 사용하여 회전체의 간극 효과를 살펴보았다.

제안 방법

웨이블렛 변환에 사용되는 모함수는 다양하지만, Morlet 웨이블렛이 신호처리에 적합하다.[4] 이에 본 연구에서는 상용프로그램인 MATLAB[9]의 신호처리툴박스에 포함되어 있는 Morlet 웨이블렛을 사용하여 분석을 실시하였다.
부분마멸 현상이 발생하면 축에 충격력과 마찰력이 작용한다.[7] 이에 충격신호를 확인하기 위하여 시간축을 로터가 회전하는 시간의 약 6배인 0.2초로 설정을 하여 분석을 실시하였다.
1(b)와 같이 맨 끝단의 부싱에 부착하였으며, 회전속도는 1700 rpm이다. 헐거움이 발생하면 고정자와 회전자 사이의 규칙적인 충격신호가 아닌 마찰에 기인한 다양한 주파수 성분이 발생하므로 신호의 변화추이를 살펴보기 위하여 시간축을 상대적으로 길게 5초로 설정하였다.

데이터처리

HHT의 장점을 알아보기 위하여 식 (10)과 같은 2가지 신호에 대하여 가장 널리 쓰이고 있는 시간-주파수 분석방법인 CWT과 비교분석하였다.
1(b)와 같이 끝단의 부싱(bushing)에 가속도계를 부착하여 신호를 측정하였다. 이와 같이 측정된 신호는 A변환을/D거쳐 컴퓨터에 저장하였으며, MATLAB을 이용하여 신호를 분석하였다. 부분마멸 현상이 발생하면 축에 충격력과 마찰력이 작용한다.

이론/모형

EMD과정에서 스플라인 시 어떤 방법을 쓰느냐에 따라 정확도에 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 본 연구에서는 큐빅스프라인 보간법(cubic spline fitting)을 사용하였다. EMD과정에서 최대값, 최소값을 스플라인 시 양 끝단에 값이 존재하지 않게 되면 발산하는 문제점이 발생하기 때문에 잘못된 주파수 정보가 발생할 수 있다.

성능/효과

Fig. 11(a)는 CWT를 사용한 분석 결과로써 상대적으로 크기가 컸던 3Hz의 성분이 에너지가 크게 나왔으나, 상대적으로 고주파인 3에 비해서 6Hz 스케일이 넓게 펼쳐져 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 Fig.
HHT는 시간-주파수 분석방법으로 CWT보다 높은 해상도를 가짐을 확인할 수 있었다. EMD과정에서 스플라인 시 어떤 방법을 쓰느냐에 따라 정확도에 영향을 끼칠 수 있을 것이다.
CWT를 이용한 분석방법은 비선형-비정상상태의 신호 분석에 적합한 결과를 얻을 수 있으나 해상도가 낮아 정확한 시간정보와 주파수 정보를 확인하기 어렵고, 상대적으로 저주파영역에서의 잔상이 생기는 문제점이 있다. HHT를 이용한 분석방법은 관심영역 최대주파수의 약 13배인 높은 샘플링을 요구하지만, 비선형성에 기인한 조화성분도 명확히 분석이 가능하고, 고주파수, 저주파수와 무관하게 높은 선명도를 가짐에 따라 신호의 정확한 시간정보 및 주파수 정보를 확인할 수 있다. 이에 비선형-비정상 상태의 신호를 분석하여 회전기계의 상태 이상을 정확하게 판별할 수 있을 것이다.
Huang은 경험적으로 하나의 주파수를 표현하기 위해서는 최소 5개 이상의 데이터의 수가 필요하다는 것을 확인하였다.[10] 본 연구에서는 주파수를 명확히 하기 위하여 기준 주파수를 샘플링수를 바꿔가면서 분석한 결과 관심영역 최대주파수의약 13배의 샘플링수가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 이에 관심영역 주파수 분석을 위해서는 측정된 신호의 재샘플링(re-sampling)이 필요하다.
부분마멸상태에서는 회전주파수의 배수 성분들이 자유상태보다 크게 확대되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 자유상태에서는 회전주파수의 2X 성분이 크고, 부분마멸이 발생했을 시에는 6X 성분이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 로터시스템의 비선형성에기인하여 초조화(super-harmonic)성분이 나타나기 때문이다.
EMD방법은 첫 번째로 신호의 모든 최대점들을 찾아서 연결하여 신호의 최대경계선을 만든다. 두 번째로 신호의 모든 최소점에 대하여서도 같은 작업을 반복한다. 세 번째로 최대점을 이은 선과 최소점을 이은선 사이의 평균값을 구한다.

후속연구

HHT를 이용한 분석방법은 관심영역 최대주파수의 약 13배인 높은 샘플링을 요구하지만, 비선형성에 기인한 조화성분도 명확히 분석이 가능하고, 고주파수, 저주파수와 무관하게 높은 선명도를 가짐에 따라 신호의 정확한 시간정보 및 주파수 정보를 확인할 수 있다. 이에 비선형-비정상 상태의 신호를 분석하여 회전기계의 상태 이상을 정확하게 판별할 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

회전체의 부분마멸이나 헐거움을 정확히 진단하기 위해서 필요한 것은?

회전체의 부분마멸이나 헐거움을 정확히 진단하기 위해서는 신호의 주파수 특성과 시간의 정확한 정보가 필요하다. 기존의 신호처리방법인 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용한 신호처리방법은 시간정보를 알 수 없다는 단점이 있다.

고정자와 회전자 사이에서 접촉은 무엇을 발생시키는가?

모터, 펌프, 압축기, 발전소의 증기터빈, 항공기의 제트엔진 등의 회전기계는 불평형에 의한 편심, 정렬불량 등에 의하여 고정자와 회전자 사이에서 접촉을 유발한다. 이러한 접촉으로 인하여 고정자와 회전자 사이의 간극이 생겨 헐거움(looseness)과 회전마멸현상(rubbing)이 발생하게 된다. 헐거움이나 회전마멸현상이 발생하게 되면 회전기계와 본체사이에 충격과 마찰을 동반하는 이상 진동을 유발하게 되며, 이는 곧 회전기계의 성능 저하 그리고 수명단축으로 이어진다.

FFT(Fast Fourier Transform)를 이용한 신호처리방법의 단점은?

회전체의 부분마멸이나 헐거움을 정확히 진단하기 위해서는 신호의 주파수 특성과 시간의 정확한 정보가 필요하다. 기존의 신호처리방법인 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용한 신호처리방법은 시간정보를 알 수 없다는 단점이 있다. 이에 시간-주파수 분석방법인 STFT(ShortTime Fourier Transform)과 CWT(Continuous Wavelet Transform)이 널리 사용되고 있다.

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