1. 기술 진단의 기본

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1.1 기술 진단 개요

기술 진단은 해양 장비의 현재 상태를 파악하고 향후 성능을 예측하는 체계적인 접근 방식입니다. 엔지니어는 진단 기술을 사용하여 심각한 고장으로 이어지기 전에 결함 발생을 파악함으로써 선박의 운영 안전성과 경제적 효율성을 보장합니다.

기술 진단의 기본 원리

기술 진단의 기본 원리는 장비 상태와 측정 가능한 물리적 매개변수 간의 상관관계에 의존합니다. 엔지니어는 기계의 내부 상태를 반영하는 특정 진단 매개변수를 모니터링합니다. 장비의 성능이 저하되기 시작하면 이러한 매개변수는 예측 가능한 패턴으로 변화하여 전문가가 발생하는 문제를 감지하고 분류할 수 있도록 합니다.

진단 용어

진단 용어를 이해하는 것은 효과적인 상태 모니터링 프로그램의 기초가 됩니다. 각 용어는 진단적 의사결정에 도움이 되는 구체적인 의미를 지닙니다.

인식 알고리즘 및 진단 모델

최신 진단 시스템은 수집된 데이터를 자동으로 분석하고 장비 상태를 파악하는 정교한 알고리즘을 사용합니다. 이러한 알고리즘은 패턴 인식 기술을 사용하여 측정된 매개변수와 알려진 고장 시그니처의 상관관계를 분석합니다.

인식 알고리즘은 여러 진단 매개변수를 개별 값과 관계를 고려하여 동시에 처리합니다. 예를 들어, 선박용 가스터빈을 모니터링하는 진단 시스템은 진동 수준, 온도 프로파일, 오일 분석 결과를 종합적으로 분석하여 종합적인 상태 평가를 제공할 수 있습니다.

제어된 매개변수의 최적화

효과적인 진단 프로그램을 실행하려면 모니터링 매개변수와 식별된 결함의 신중한 선택이 필요합니다. 엔지니어는 진단 범위와 센서 비용, 데이터 처리 요구 사항, 유지보수 복잡성과 같은 실질적인 제약 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

유지 관리 방법 진화

해양 산업은 여러 가지 유지 관리 철학을 거쳐 발전해 왔으며, 각 철학은 장비 관리에 대한 다양한 접근 방식을 제공합니다.

기능적 진단과 테스터 진단

진단 접근 방식은 해양 유지 관리 프로그램에서 서로 다른 목적에 따라 두 가지 주요 범주로 나뉩니다.

기능 진단 정상 작동 중에 장비를 모니터링하고, 기계가 의도된 기능을 수행하는 동안 데이터를 수집합니다. 이러한 접근 방식은 현실적인 상태 정보를 제공하지만, 가능한 테스트 유형이 제한됩니다.

테스터 진단 특정 특성을 평가하기 위해 종종 가동 중단 기간 동안 장비에 인공적 자극을 가합니다. 자연 진동수나 구조적 무결성 등이 그 예입니다.

1.2 진동 진단

진동 진단은 회전하는 해양 장비의 상태 모니터링의 초석으로 부상했습니다. 이 기술은 기계적 결함이 특징적인 진동 패턴을 생성한다는 기본 원리를 활용하며, 숙련된 분석가는 이를 해석하여 장비 상태를 평가할 수 있습니다.

주요 진단 신호로서의 진동

회전하는 해양 장비는 불균형, 정렬 불량, 베어링 마모, 유체 흐름 교란 등 다양한 메커니즘을 통해 본질적으로 진동을 발생시킵니다. 정상 장비는 예측 가능한 진동 특성을 보이는 반면, 결함이 발생하면 이러한 패턴에 뚜렷한 변화가 발생합니다.

해양 엔지니어들은 진동 모니터링을 활용합니다. 장비가 계속 작동하는 동안 발생하는 문제를 조기에 감지할 수 있기 때문입니다. 이 기능은 장비 고장으로 선박 안전이 위협받거나 선박이 해상에 좌초될 수 있는 해양 환경에서 특히 유용합니다.

결함 감지 방법론

효과적인 진동 진단에는 데이터 수집부터 결함 식별, 심각도 평가까지 체계적인 방법론이 필요합니다. 이 과정은 일반적으로 다음 단계를 따릅니다.

1. 기준 설정: 장비가 양호한 상태로 작동할 때 진동 신호를 기록합니다.
2. 추세 모니터링: 시간 경과에 따른 진동 수준의 변화 추적
3. 이상 감지: 정상 패턴과의 편차를 식별합니다
4. 오류 분류: 개발 중인 문제의 유형을 확인하세요
5. 심각도 평가: 유지 관리 필요성의 긴급성을 평가합니다.
6. 예지: 남은 유용 수명 추정

장비 상태

진동 진단은 측정된 매개변수와 관찰된 추세를 기반으로 해양 장비를 다음과 같은 여러 가지 상태로 분류합니다.

진단 접근 방식 유형

매개변수 진단 전체 레벨, 피크 값, 주파수 성분 등 특정 진동 매개변수 추적에 중점을 둡니다. 이 접근 방식은 추세 분석 및 경보 생성에 효과적입니다.

오류 진단 진동 시그니처를 분석하여 특정 결함 유형을 식별하려는 시도입니다. 전문가들은 베어링 결함, 불균형, 정렬 불량 또는 기타 일반적인 문제와 관련된 특징적인 패턴을 찾습니다.

예방 진단 기존 모니터링을 통해 증상이 명백해지기 전에 결함 발생을 감지하는 것을 목표로 합니다. 이러한 접근 방식은 노이즈에서 미묘한 결함 시그니처를 추출하기 위해 고급 신호 처리 기술을 사용하는 경우가 많습니다.

경제적 이익

해상 작업에 진동 진단을 도입하면 유지보수 비용 절감, 장비 신뢰성 향상, 운영 효율성 향상 등 상당한 경제적 이점을 얻을 수 있습니다. 연구에 따르면 종합적인 진동 모니터링 프로그램은 일반적으로 5:1에서 10:1의 투자 수익률을 제공합니다.

2. 진동의 기본

2.1 기계적 진동의 물리적 기초

진동의 기본 원리를 이해하면 효과적인 진단 작업에 필요한 이론적 토대를 마련할 수 있습니다. 진동은 기계 시스템이 평형 위치를 중심으로 진동하는 운동을 의미하며, 엔지니어는 장비 상태를 평가하기 위해 이러한 진동을 측정하고 분석하는 매개변수를 사용합니다.

기계적 진동: 핵심 매개변수

기계 시스템은 세 가지 기본적인 진동 운동을 보이는데, 각각 장비 상태에 대한 다양한 통찰력을 제공합니다.

여기서 A는 진폭을 나타내고, ω는 각주파수를 나타내고, t는 시간을 나타내고, φ는 위상각을 나타냅니다.

진동 변위 기계가 중립 위치에서 실제로 이동하는 거리를 측정합니다. 해양 엔지니어는 일반적으로 변위를 마이크로미터(μm) 또는 밀(0.001인치) 단위로 표시합니다. 변위 측정은 크고 느리게 작동하는 기계의 불균형과 같은 저주파 진동에 가장 민감합니다.

진동 속도 변위 변화율을 초당 밀리미터(mm/s) 또는 초당 인치(in/s)로 정량화합니다. 속도 측정은 넓은 주파수 응답을 제공하고 진동의 에너지 함량과 높은 상관관계를 나타내므로 전반적인 상태 평가에 매우 유용합니다.

진동 가속도 속도 변화율을 측정하며, 일반적으로 초당 미터 제곱(m/s²) 또는 중력 단위(g)로 표현됩니다. 가속도 측정은 베어링 결함이나 기어 맞물림 문제와 같은 원인에서 발생하는 고주파 진동을 감지하는 데 효과적입니다.

진동의 통계적 측정

엔지니어는 다양한 통계적 측정 방법을 사용하여 진동 신호를 특성화하고 진단 정보를 추출합니다.

피크 값 측정 기간 동안의 최대 순간 진폭을 나타냅니다. 피크 측정은 다른 측정에서는 두드러지게 나타나지 않을 수 있는 충격 사건이나 심각한 결함 상태를 파악하는 데 도움이 됩니다.

RMS(제곱 평균 제곱근) 값 진동의 유효 진폭을 제공하며, 이는 순시값 제곱 평균의 제곱근으로 계산됩니다. RMS 측정값은 진동의 에너지 함량과 상관관계가 있으며 대부분의 상태 모니터링 애플리케이션에서 표준으로 사용됩니다.

피크 대 피크 값 양의 피크와 음의 피크 사이의 총 진폭을 측정합니다. 이 매개변수는 변위 측정 및 간극 계산에 유용합니다.

크레스트 팩터 피크 대 RMS 값의 비율을 나타내며, 진동 신호의 "스파이크 현상"을 나타냅니다. 정상적인 회전 기계는 일반적으로 파고율이 3에서 4 사이인 반면, 베어링 결함이나 충격으로 인해 파고율이 6을 초과할 수 있습니다.

진동 시스템으로서의 회전 장비

해양 회전 장비는 다자유도, 고유 진동수, 그리고 응답 특성을 가진 복잡한 진동 시스템으로 기능합니다. 이러한 시스템 특성을 이해하면 엔지니어는 진동 측정값을 정확하게 해석하고 발생하는 문제를 파악할 수 있습니다.

모든 회전 시스템은 고유의 강성, 질량, 그리고 감쇠 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성들이 동적 거동을 결정합니다. 로터, 샤프트, 베어링, 기초, 그리고 지지 구조는 모두 전체 시스템 반응에 영향을 미칩니다.

해양 시스템의 진동 유형

무료 진동 초기 자극 이후 시스템이 고유 진동수로 진동할 때 발생합니다. 해양 엔지니어는 장비 시동, 정지 또는 충격 발생 후 자유 진동을 경험합니다.

강제 진동 특정 주파수에서 발생하는 연속적인 진동은 일반적으로 회전 속도나 유동 현상과 관련이 있습니다. 해양 장비의 작동 진동 대부분은 다양한 진동원에서 발생하는 강제 진동입니다.

매개변수 진동 손상된 기어의 강성이 변하거나 지지 조건이 달라지는 등 시스템 매개변수가 주기적으로 변할 때 발생합니다.

자기 여기 진동 저널 베어링의 오일 소용돌이나 압축기의 공기역학적 불안정성과 같은 메커니즘을 통해 기계가 자체적인 여기를 생성할 때 발생합니다.

방향 특성

진동은 세 개의 수직 방향으로 발생하며, 각 방향은 서로 다른 진단 정보를 제공합니다.

방사형 진동 축에 수직으로 발생하며 일반적으로 회전 장비에서 두드러집니다. 반경 방향 측정은 불균형, 정렬 불량, 베어링 문제 및 구조적 공진을 감지합니다.

축 진동 샤프트 축과 평행하게 발생하며 종종 추력 베어링 문제, 커플링 문제 또는 터보기계의 공기역학적 힘을 나타냅니다.

비틀림 진동 샤프트 축을 중심으로 한 비틀림 운동을 나타내며, 일반적으로 특수 센서를 사용하여 측정하거나 회전 속도 변화로부터 계산합니다.

고유 주파수와 공명

모든 기계 시스템은 진동 증폭이 발생하는 고유 진동수를 가지고 있습니다. 여기 주파수가 고유 진동수와 일치하거나 가까워지면 공진이 발생하여 심각한 진동과 장비 손상을 초래할 수 있습니다.

해양 엔지니어는 충격 시험, 런업/타락 분석 또는 분석 계산을 통해 고유 진동수를 파악합니다. 시스템 고유 진동수를 이해하면 진동 패턴을 설명하고 시정 조치를 취하는 데 도움이 됩니다.

해양 장비의 진동원

기계적 소스 불균형, 정렬 불량, 부품 느슨함, 베어링 결함, 기어 문제 등이 있습니다. 이러한 원인들은 일반적으로 회전 속도 및 부품 형상과 관련된 주파수에서 진동을 발생시킵니다.

전자기 소스 전기 기계에서는 두 배의 선 주파수와 다른 전기 주파수에서 진동을 발생시킵니다. 모터 자기 불균형, 로터 바 문제, 그리고 공급 전압 불균형은 특징적인 전기 진동 시그니처를 생성합니다.

공기역학/유체역학 소스 펌프, 팬, 압축기, 터빈의 유체 흐름 상호작용으로 인해 발생합니다. 블레이드 통과 주파수, 유동 불안정성, 그리고 캐비테이션은 독특한 진동 패턴을 생성합니다.

2.2 진동 측정 단위 및 표준

표준화된 측정 단위와 평가 기준은 해양 작업 전반에 걸쳐 일관된 진동 평가를 위한 기반을 제공합니다. 국제 표준은 측정 절차, 허용 한계 및 보고 형식을 확립하여 결과의 의미 있는 비교를 가능하게 합니다.

선형 및 대수 단위

진동 측정은 적용 분야와 동적 범위 요구 사항에 따라 선형 및 대수적 척도를 모두 사용합니다.

로그 단위는 진동 측정에서 흔히 볼 수 있는 넓은 동적 범위를 다룰 때 유용합니다. 데시벨 단위는 큰 변동을 관리 가능한 범위로 압축하고 절대값보다는 상대적인 변화를 강조합니다.

국제 표준 프레임워크

여러 국제 표준은 해양 응용 분야의 진동 측정 및 평가를 규정합니다.

ISO 10816 시리즈 기계의 비회전 부품에서 측정된 진동을 평가하기 위한 지침을 제공합니다. 이 표준은 다양한 상태(조건)에 따라 진동 영역(A, B, C, D)을 설정합니다.

ISO 7919 시리즈 회전축의 진동 측정을 다루며, 특히 대형 선박 추진 시스템 및 터보기계에 적합합니다.

ISO 14694 기계의 진동 상태 모니터링 및 진단을 다루며, 측정 절차 및 데이터 해석에 대한 지침을 제공합니다.

기계 분류 기준

표준은 진동 한계와 측정 요구 사항에 영향을 미치는 여러 특성을 기준으로 기계를 분류합니다.

전력 정격: 소형 기계(최대 15kW), 중형 기계(15-75kW), 대형 기계(75kW 이상)는 구조와 지지 시스템에 따라 진동 허용치가 다릅니다.

속도 범위: 저속 기계(600RPM 미만), 중속 기계(600~12,000RPM), 고속 기계(12,000RPM 이상)는 서로 다른 진동 특성을 보이므로 적절한 측정 방법이 필요합니다.

지지 시스템 강성: 표준은 기계 작동 속도와 지지 시스템의 고유 진동수 간의 관계를 기준으로 "강성" 및 "유연한" 장착 시스템을 구분합니다.

측정 지점 및 절차

표준화된 측정 절차는 다양한 장비와 작동 조건에서 일관되고 비교 가능한 결과를 보장합니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

측정 위치: 표준에서는 주요 베어링에 가장 가까운 베어링 하우징의 측정 지점을 지정하고, 이 지점은 주요 진동 모드를 포착하는 방향으로 배치됩니다.

작동 조건: 측정은 정격 속도 및 부하에서 정상 작동 조건에서 수행해야 합니다. 시동 또는 정지 시의 과도 조건은 별도의 평가가 필요합니다.

측정 기간: 충분한 측정 시간은 안정적인 판독값을 보장하고 진동 레벨의 모든 주기적 변화를 포착합니다.

평가 기준 및 한계

표준은 기계 유형, 크기 및 장착 조건에 따라 진동 한계를 제공합니다. 이러한 한계는 허용 진동 수준과 허용 불가능한 진동 수준의 경계를 나타내며, 유지 보수 결정의 기준이 됩니다.

평가 기준은 절대 진동 수준과 시간 경과에 따른 추세를 모두 고려합니다. 절대 진동 수준이 허용 범위 내에 있더라도 진동이 느리게 증가하는 것은 문제가 발생하고 있음을 나타낼 수 있습니다.

3. 진동 측정

3.1 진동 측정 방법

효과적인 진동 측정을 위해서는 다양한 측정 방식의 물리적 원리와 해양 환경에서의 실제 적용을 모두 이해해야 합니다. 엔지니어는 장비 특성, 진단 목표, 그리고 운영상의 제약 조건을 고려하여 측정 방법을 선택합니다.

운동학적 측정 원리와 동적 측정 원리

운동학 측정 운동을 유발하는 힘은 고려하지 않고 운동 매개변수(변위, 속도, 가속도)에만 초점을 맞춥니다. 대부분의 진동 센서는 운동학 원리에 따라 작동하며, 고정된 기준 프레임을 기준으로 표면의 운동을 측정합니다.

동적 측정 운동과 진동을 유발하는 힘을 모두 고려합니다. 동적 측정은 특히 진단 테스트 시, 가진원과 시스템 응답 특성을 이해하는 데 유용합니다.

절대 진동과 상대 진동

절대 진동 측정과 상대 진동 측정의 구분은 적절한 센서 선택과 데이터 해석에 매우 중요합니다.

절대 진동 고정된 기준 프레임(일반적으로 지구 고정 좌표)을 기준으로 한 상대적인 운동을 측정합니다. 베어링 하우징에 장착된 가속도계와 속도 센서는 고정된 부품의 운동을 반영하는 절대 진동 측정값을 제공합니다.

상대 진동 두 부품 사이의 운동, 일반적으로 베어링 하우징에 대한 축의 상대적인 운동을 측정합니다. 근접 프로브는 베어링 간극 내에서 축의 동적 거동을 직접적으로 나타내는 상대적인 측정값을 제공합니다.

접촉 방식 vs. 비접촉 방식

연락 방법 센서와 진동 표면 사이에 물리적 연결이 필요합니다. 이러한 방법에는 가속도계, 속도 센서, 장비 구조물에 직접 장착되는 스트레인 게이지 등이 있습니다.

접촉 센서는 다음과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다.

• 높은 감도와 정확도
• 넓은 주파수 응답
• 확립된 측정 절차
• 비용 효율적인 솔루션

비접촉 방식 모니터링 대상 장비에 물리적으로 연결하지 않고 진동을 측정합니다. 근접 프로브, 레이저 진동계, 광학 센서는 비접촉 측정을 제공합니다.

비접촉 센서는 다음과 같은 응용 분야에서 탁월합니다.

• 고온 환경
• 회전 표면
• 위험한 장소
• 임시 측정

3.2 기술 진동 측정 장비

최신 진동 측정 시스템은 정교한 센서 기술과 신호 처리 기능을 통합하여 까다로운 해양 환경에서도 정확한 데이터 수집을 가능하게 합니다. 센서의 특성과 한계를 이해하면 적절한 적용과 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

센서 특성 및 성능

모든 진동 센서는 그 기능과 한계를 정의하는 특징적인 성능 매개변수를 나타냅니다.

진폭-주파수 응답 센서 출력이 일정한 진폭에서 입력 주파수에 따라 어떻게 변하는지 설명합니다. 이상적인 센서는 작동 주파수 범위 전체에서 평탄한 응답을 유지합니다.

위상-주파수 응답 입력 진동과 센서 출력 간의 위상 변화를 주파수 함수로 나타냅니다. 위상 응답은 여러 센서 또는 타이밍 측정이 필요한 애플리케이션에서 매우 중요합니다.

다이나믹 레인지 최대 측정 가능 진폭과 최소 측정 가능 진폭의 비율을 나타냅니다. 해양 응용 분야에서는 낮은 배경 진동과 높은 고장 관련 신호를 모두 처리하기 위해 넓은 동적 범위가 필요한 경우가 많습니다.

신호 대 잡음비 유용한 신호 강도를 원치 않는 소음과 비교하여 센서가 안정적으로 감지할 수 있는 가장 작은 진동 수준을 결정합니다.

근접 프로브(와전류 센서)

근접 프로브는 와전류 원리를 이용하여 프로브 팁과 전도성 대상(일반적으로 회전 샤프트) 사이의 거리를 측정합니다. 이 센서는 베어링 간극 내에서 샤프트의 상대적인 움직임을 측정하는 데 탁월합니다.

근접 프로브의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• DC 응답(정적 변위 측정 가능)
• 고해상도(일반적으로 0.1 μm 이상)
• 샤프트와의 기계적 접촉 없음
• 온도 안정성
• 작동 범위에 대한 선형 출력

속도 센서(지진 센서)

속도 센서는 전자기 유도 원리를 활용하며, 코일 내에 자기 질량이 매립되어 있습니다. 질량과 코일 사이의 상대 운동은 속도에 비례하는 전압을 생성합니다.

속도 센서는 해양 응용 분야에 여러 가지 이점을 제공합니다.

• 자체 발전(외부 전원 필요 없음)
• 광범위한 주파수 응답(일반적으로 10~1000Hz)
• 견고한 구조
• 직접 속도 출력(ISO 표준에 이상적)

제한 사항은 다음과 같습니다.

• 제한된 저주파 응답
• 온도 감도
• 자기장 간섭
• 비교적 큰 크기와 무게

가속도계

가속도계는 압전, 압저항 또는 정전용량 기술을 사용하여 가속도를 측정하는 가장 다재다능한 진동 센서입니다. 압전 가속도계는 뛰어난 성능 특성으로 인해 해양 분야에서 널리 사용됩니다.

압전 가속도계 결정질 재료가 기계적 응력을 받으면 가해진 힘에 비례하는 전하가 생성됩니다. 일반적인 압전 재료에는 천연 석영과 합성 세라믹이 있습니다.

가속도계 선택의 주요 기준은 다음과 같습니다.

• 주파수 범위 일치 애플리케이션 요구 사항
• 예상되는 진동 수준에 적합한 감도
• 온도 및 습도에 대한 환경 등급
• 장착 방법 호환성
• 케이블 커넥터 유형 및 밀봉

센서 장착 방법

센서를 올바르게 장착하면 정확한 측정이 보장되고 센서 손상이 방지됩니다. 다양한 장착 방법에 따라 주파수 응답과 측정 정확도가 달라집니다.

스터드 마운팅 나사산 스터드를 통해 센서를 측정 표면에 단단히 연결하여 가장 높은 주파수 응답과 최상의 정확도를 제공합니다.

접착식 장착 최대 수 킬로헤르츠까지 양호한 주파수 응답을 유지하면서도 임시 측정에 편리함을 제공합니다.

자석 장착 강자성 표면에 센서를 빠르게 배치할 수 있지만 장착 공진으로 인해 주파수 응답이 제한됩니다.

프로브/스팅어 마운팅 접근하기 어려운 위치에서도 측정이 가능하지만 주파수 응답이 더욱 감소합니다.

신호 컨디셔닝 장비

진동 센서는 원시 센서 출력을 사용 가능한 측정 신호로 변환하기 위해 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 신호 컨디셔닝 시스템은 전력 공급, 증폭, 필터링 및 신호 변환 기능을 제공합니다.

전하 증폭기 압전 가속도계의 고임피던스 전하 출력을 긴 케이블을 통한 전송에 적합한 저임피던스 전압 신호로 변환합니다.

전압 증폭기 필터링 및 신호 조절 기능을 제공하는 동시에 아날로그-디지털 변환에 필요한 수준까지 저수준 센서 출력을 높입니다.

IEPE(통합 전자 압전) 시스템 센서 내에 내장형 전자 장치를 통합하여 설치를 간소화하고 일정한 전류 여기를 통해 노이즈 내성을 향상시킵니다.

데이터 수집 시스템

최신 진동 측정 시스템은 해양 환경에 맞춰 설계된 정교한 패키지에 센서, 신호 처리 및 데이터 처리 기능을 통합합니다. 이러한 시스템은 자동화된 데이터 수집, 분석 및 보고 기능을 제공합니다.

해양 진동 데이터 수집 시스템의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 다중 채널 동시 샘플링
• 프로그래밍 가능한 이득 및 필터링
• 환경 보호(IP65 이상)
• 배터리 작동 능력
• 무선 데이터 전송
• 선박 시스템과의 통합

교정 및 검증

정기적인 교정을 통해 측정 정확도와 국가 표준에 따른 추적성을 확보할 수 있습니다. 해양 진동 프로그램은 열악한 운영 환경을 고려한 체계적인 교정 절차를 요구합니다.

1차 교정 특정 주파수에서 알려진 가속도 수준을 제공하는 정밀 진동 교정기를 사용합니다. 실험실급 교정기는 1% 미만의 불확도를 달성합니다.

현장 검증 장비를 서비스에서 제거하지 않고도 센서와 시스템 성능을 검증하기 위해 휴대용 교정 소스를 사용합니다.

연속 비교 동일한 진동 소스를 측정하는 여러 센서의 판독값을 비교하여 허용 오차 범위를 벗어나는 센서를 식별합니다.

4. 진동 신호 분석 및 처리

4.1 진동 신호의 종류

다양한 진동 신호 유형을 이해하면 해양 엔지니어가 적절한 분석 방법을 선택하고 진단 결과를 정확하게 해석할 수 있습니다. 장비 고장은 훈련된 분석가가 인식하고 분류할 수 있는 특징적인 신호 패턴을 생성합니다.

고조파 및 주기 신호

순수 고조파 신호 고조파 분석은 단일 주파수에서 사인파 운동을 특징으로 하는 가장 단순한 진동 형태를 나타냅니다. 실제 기계에서는 드물지만, 고조파 분석은 더 복잡한 신호를 이해하는 데 기반을 제공합니다.

다조화 신호 정확한 고조파 관계를 갖는 여러 주파수 성분을 포함합니다. 회전 기계는 기하학적 주기성과 비선형 힘으로 인해 일반적으로 다조파 신호를 생성합니다.

준다조파 신호 시간에 따라 미세한 주파수 변화를 동반한 거의 주기적인 동작을 보입니다. 이러한 신호는 기계의 속도 변화나 변조 효과로 인해 발생합니다.

변조된 신호

변조는 하나의 신호 매개변수가 다른 신호에 따라 변할 때 발생하며, 여러 오류 소스에 대한 진단 정보를 전달하는 복잡한 파형을 생성합니다.

진폭 변조(AM) 신호 진폭이 주기적으로 변할 때 발생합니다. 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

• 베어링 외륜 결함
• 기어 이빨 마모 패턴
• 전기 공급 변화
• 샤프트 활주 또는 런아웃

주파수 변조(FM) 신호 주파수가 주기적으로 변할 때 발생하며 종종 다음을 나타냅니다.

• 속도 변화
• 커플링 문제
• 부하 변동
• 구동 시스템 불안정성

위상 변조(PM) 구동 시스템의 타이밍 변화나 기계적 작동을 나타낼 수 있는 주기적인 위상 변화를 포함합니다.

과도 및 충격 신호

충동적 신호 여러 시스템 공진을 유발하는 단시간 고진폭 이벤트를 나타냅니다. 구름 베어링 결함은 일반적으로 회전 중 손상된 표면이 충격을 받으면서 충격 신호를 생성합니다.

충격 신호는 다음과 같은 특징을 보입니다.

• 높은 크레스트 인자(>6)
• 광범위한 주파수 콘텐츠
• 빠른 진폭 감소
• 주기적 반복률

비트 신호 서로 가까운 주파수 간의 간섭으로 인해 주기적인 진폭 변화가 발생합니다. 비트 패턴은 종종 다음을 나타냅니다.

• 다중 회전 요소
• 기어 메시 상호 작용
• 전기 주파수 혼합
• 구조적 공명 결합

무작위 및 확률적 신호

고정 랜덤 신호 시간이 지나도 일정하게 유지되는 통계적 특성을 보입니다. 난류 소음과 전기적 간섭은 종종 정상 무작위 진동을 생성합니다.

비정상 랜덤 신호 시간에 따라 변하는 통계적 특성을 보여줍니다. 이는 다음에서 흔히 나타납니다.

• 캐비테이션 현상
• 베어링 표면 거칠기 효과
• 공기역학적 난류
• 기어 메시 변형

진폭 변조된 랜덤 신호 주기적 변조와 무작위 캐리어 신호를 결합한 것으로, 무작위 충격이 기하학적 결함 주파수에 의해 진폭 변조되는 고급 베어링 저하의 특징입니다.

4.2 신호 분석 방법

효과적인 진동 분석을 위해서는 노이즈와 관련 없는 요소를 억제하면서 진단 정보를 추출하는 적절한 신호 처리 기술이 필요합니다. 해양 엔지니어는 신호 특성과 진단 목표에 따라 분석 방법을 선택합니다.

시간 영역 분석

파형 분석 시간 영역에서 원시 진동 신호를 분석하여 주파수 분석에서는 나타나지 않는 신호 특성을 파악합니다. 시간 파형은 다음을 나타냅니다.

• 충격 타이밍 및 반복률
• 변조 패턴
• 신호 비대칭
• 일시적인 사건

통계 분석 신호 속성을 특성화하기 위해 통계적 측정을 적용합니다.

첨도 베어링 진단에 특히 귀중한 것으로 입증되었는데, 일반적으로 건강한 베어링은 첨도 값이 3.0에 가깝지만 결함이 생기면 첨도 값이 4.0을 넘기 때문입니다.

주파수 영역 분석

푸리에 변환 원리 시간 영역과 주파수 영역 간의 변환을 가능하게 하여 시간 파형에서 보이지 않는 주파수 성분을 드러냅니다. 이산 푸리에 변환(DFT)은 디지털 신호를 다음과 같이 처리합니다.

고속 푸리에 변환(FFT) 이 알고리즘은 2의 거듭제곱 길이의 신호에 대한 DFT를 효율적으로 계산하여 해양 응용 분야에서 실시간 스펙트럼 분석을 실용적으로 구현합니다.

FFT 분석은 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

• 특정 오류 주파수를 식별합니다.
• 주파수 구성요소의 변화를 추적합니다
• 여러 진동 소스를 분리합니다
• 기존 패턴과의 비교가 가능합니다.

디지털 신호 처리 고려 사항

아날로그-디지털 변환 연속적인 진동 신호를 컴퓨터 처리를 위해 이산적인 디지털 샘플로 변환합니다. 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

샘플링 속도: 앨리어싱 왜곡을 방지하려면 관심 있는 가장 높은 주파수(나이퀴스트 기준)의 두 배를 초과해야 합니다.

앨리어싱 방지 샘플링 전에 나이퀴스트 주파수보다 높은 주파수 성분을 제거하는 앤티앨리어싱 필터가 필요합니다.

윈도잉 함수 비주기적 신호 또는 유한한 지속 시간을 갖는 신호를 분석할 때 스펙트럼 누출을 최소화합니다.

필터링 기술

필터는 집중적인 분석을 위해 특정 주파수 대역을 분리하고 진단 해석을 방해할 수 있는 원치 않는 신호 구성 요소를 제거합니다.

저역 통과 필터 고주파 성분을 제거하여 노이즈를 제거하고 불균형 및 정렬 불량과 같은 저주파 현상에 초점을 맞추는 데 유용합니다.

고역 통과 필터 저주파 성분을 제거하여 베어링 및 기어 결함을 분석할 때 불균형의 영향을 제거하는 데 도움이 됩니다.

대역 통과 필터 특정 주파수 대역을 분리하여 개별 기계 구성 요소나 고장 모드를 분석할 수 있습니다.

추적 필터 기계 속도가 변화함에 따라 특정 주파수 성분을 추적합니다. 특히 시동 및 정지 시 주문 관련 진동을 분석하는 데 유용합니다.

고급 분석 기술

봉투 분석 고주파 신호에서 변조 정보를 추출하며, 특히 구름 베어링 진단에 효과적입니다. 이 기술은 다음과 같은 내용을 포함합니다.

1. 베어링 공진 주파수 주변의 대역 통과 필터링
2. 진폭 복조(포락선 추출)
3. 봉투 신호의 저역 통과 필터링
4. 봉투의 FFT 분석

켑스트럼 분석 주파수 스펙트럼에서 주기적 성분을 감지하여 특정 오류 조건을 나타내는 기어 메시 측대역과 고조파군을 식별하는 데 유용합니다.

주문 추적 진동 성분을 회전 속도의 배수로 분석하는 것은 가변 속도로 작동하는 기계에 필수적입니다. 차수 분석은 속도 변화에 관계없이 차수 영역에서 일정한 해상도를 유지합니다.

코히어런스 분석 두 신호 사이의 선형 관계를 주파수의 함수로 측정하여 진동 전달 경로와 기계 구성 요소 간의 결합을 식별하는 데 도움이 됩니다.

4.3 진동 분석을 위한 기술 장비

현대 해양 진동 분석은 다양한 분석 기능을 선상 사용에 적합한 휴대성과 내구성을 갖춘 패키지에 결합한 정교한 장비를 사용합니다. 장비 선택은 적용 요건, 환경 조건 및 작업자의 전문 지식 수준에 따라 달라집니다.

진동 측정기 및 분석기

간단한 진동 측정기 주파수 분석 기능 없이 기본적인 전체 진동 측정만 제공합니다. 이 계측기는 상태 평가를 위해 전체 레벨의 추세 분석만으로 충분한 일상적인 모니터링 용도로 사용됩니다.

옥타브 밴드 분석기 주파수 스펙트럼을 표준 옥타브 또는 분수 옥타브 대역으로 나누어 단순성을 유지하면서 주파수 정보를 제공합니다. 해양 분야에서는 소음 및 진동 평가를 위해 일반적으로 1/3 옥타브 분석을 사용합니다.

협대역 분석기 FFT 처리를 통해 고주파 분해능을 제공하여 진단 응용 분야에 필요한 상세한 스펙트럼 분석을 가능하게 합니다. 이러한 장비는 포괄적인 진동 프로그램의 중추를 이룹니다.

휴대용 시스템 대 영구 시스템

휴대용(오프라인) 시스템 여러 대의 기계에서 주기적인 측정을 유연하게 수행할 수 있습니다. 이점은 다음과 같습니다.

• 기계당 비용 절감
• 측정 유연성
• 다중 머신 적용 범위
• 상세 분석 기능

휴대용 시스템의 한계:

• 수동 측정 요구 사항
• 제한된 연속 모니터링
• 운영자 기술 의존성
• 놓친 이벤트의 가능성

영구(온라인) 시스템 자동적인 데이터 수집 및 경보 생성 기능을 통해 중요 기계에 대한 지속적인 모니터링을 제공합니다.

영구 시스템의 장점:

• 지속적인 모니터링 기능
• 자동 알람 생성
• 일관된 측정 조건
• 과거 데이터 수집

가상 계측

가상 계측기는 범용 하드웨어와 특수 소프트웨어를 결합하여 유연한 분석 시스템을 구축합니다. 이러한 접근 방식은 해양 애플리케이션에 다음과 같은 여러 이점을 제공합니다.

• 사용자 정의 가능한 분석 기능
• 간편한 소프트웨어 업데이트
• 선박 시스템과의 통합
• 비용 효율적인 확장

가상 계측은 일반적으로 다음을 사용합니다.

• 상업용 데이터 수집 하드웨어
• 표준 컴퓨터 플랫폼
• 전문 분석 소프트웨어
• 사용자 정의 사용자 인터페이스

모니터링 시스템 아키텍처

포괄적인 해양 진동 모니터링 시스템은 다양한 장비 유형과 모니터링 요구 사항을 수용하는 계층적 아키텍처로 여러 구성 요소를 통합합니다.

로컬 처리 장치 여러 센서에서 데이터를 수집하고, 초기 처리를 수행하며, 중앙 시스템과 통신합니다. 이러한 장치는 분산된 정보를 제공하고 통신 대역폭 요구 사항을 줄입니다.

중앙 모니터링 스테이션 현지 단위에서 데이터를 수신하고, 고급 분석을 수행하고, 보고서를 생성하고, 선박 관리 시스템과 인터페이스합니다.

원격 액세스 기능 해안 전문가가 선상 모니터링 시스템에 접근하여 기술 지원과 고급 진단을 수행할 수 있도록 지원합니다.

데이터 관리 시스템

효과적인 진동 프로그램을 위해서는 분석 및 보고 목적으로 측정 데이터를 저장, 구성, 검색하는 강력한 데이터 관리 시스템이 필요합니다.

데이터베이스 설계 고려사항은 다음과 같습니다.

• 측정 데이터 저장
• 장비 계층 정의
• 분석 결과 보관
• 사용자 접근 제어

데이터 압축 이러한 기술은 진단 정보를 보존하는 동시에 저장 공간 요구 사항을 줄입니다. 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다.

• 스펙트럼 데이터 감소
• 통계적 매개변수 추출
• 추세 데이터 압축
• 예외 기반 저장소

5. 진동 제어 및 상태 모니터링

디바이스

휴대용 밸런서 & 진동 분석기 Balanset-1A

€1,751.00

부품

진동 센서

€90.00

부품

광학 센서(레이저 타코미터)

€124.00

디바이스

발란셋-4

€6,803.00

부품

마그네틱 스탠드 인사이즈-60-kgf

€46.00

부품

반사 테이프

€10.00

디바이스

다이나믹 밸런서 "Balanset-1A" OEM

€1,561.00

5.1 수용 테스트 및 품질 관리

진동 수용 시험은 신규 해양 장비의 기본 성능 기준을 수립하고, 가동 전에 사양 준수 여부를 검증합니다. 이러한 절차는 장비의 신뢰성을 저해할 수 있는 제조 결함 및 설치 문제를 방지합니다.

입력/출력 진동 제어 방법

장비 시운전 중 체계적인 진동 제어를 통해 적절한 설치 및 초기 성능을 보장합니다. 제어 방법에는 사용 전 검증 및 성능 검증 절차가 모두 포함됩니다.

사전 설치 테스트 선상 설치 전 장비 상태를 확인합니다.

• 공장 수용 테스트
• 운송 손상 평가
• 수령 검사 절차
• 보관 조건 검증

설치 검증 적절한 장착, 정렬 및 시스템 통합을 확인합니다.

• 기초 준수 확인
• 정렬 허용 오차 검증
• 배관 응력 평가
• 전기 연결 검증

제조 및 설치 결함 감지

진동 분석은 기존 검사 방식으로는 간과하기 쉬운 일반적인 제조 및 설치 문제를 효과적으로 파악합니다. 조기 감지를 통해 점진적인 손상과 막대한 비용 손실을 방지합니다.

제조 결함 진동 분석을 통해 감지할 수 있는 항목은 다음과 같습니다.

• 로터 밸런스 품질 편차
• 베어링 설치 문제
• 가공 허용 오차 위반
• 조립 정렬 오류

설치 결함 진동 테스트를 통해 일반적으로 드러난 사항:

• 발이 부드러워요
• 커플링 정렬 불량
• 배관 변형률
• 기초 공명

기술 표준 및 사양

해양 장비 진동 수용은 다양한 기계 유형에 대한 측정 절차, 평가 기준 및 허용 한도를 정의하는 기존 기술 표준에 의존합니다.

장비 침입 절차

새로운 해양 장비에는 비정상 상태를 모니터링하면서 부품의 점진적인 마모를 허용하는 체계적인 길들이기 절차가 필요합니다. 길들이기 중 진동 모니터링은 잠재적인 문제를 조기에 경고합니다.

침입 모니터링 단계:

1. 초기 시작 검증
2. 저부하 운전 평가
3. 점진적인 로딩 평가
4. 만재하중 성능 확인
5. 확장된 작업 검증

길들이기 과정에서 엔지니어들은 부품이 침하되고 마모 패턴이 형성됨에 따라 진동 특성이 점진적으로 변할 것으로 예상합니다. 급격한 변화나 지속적으로 증가하는 진동 수준은 조사가 필요한 잠재적인 문제를 나타냅니다.

5.2 진동 모니터링 시스템

종합적인 진동 모니터링 시스템은 중요한 해양 장비에 대한 지속적인 감시를 제공하여 조기 고장 감지, 추세 분석 및 예측 유지보수 계획을 가능하게 합니다. 시스템 설계는 해양 환경의 고유한 문제점을 해결하는 동시에 신뢰할 수 있는 진단 기능을 제공해야 합니다.

데이터베이스 개발 및 관리

효과적인 모니터링 프로그램을 위해서는 장비 정보, 측정 데이터, 분석 결과를 접근 가능한 형식으로 정리하여 의사 결정을 내릴 수 있는 강력한 데이터베이스 시스템이 필요합니다.

장비 계층 구조:

• 선박 레벨 식별
• 시스템 분류(추진, 전기, 보조)
• 장비 유형 분류
• 구성 요소 수준 세부 정보
• 측정 지점 정의

데이터 유형 및 구성:

• 시간 파형 저장
• 주파수 스펙트럼 보관
• 통계적 매개변수 추세
• 운영 상태 기록
• 유지 관리 내역 통합

장비 선택 및 프로그램 개발

성공적인 모니터링 프로그램을 위해서는 중요도 분석, 실패 결과, 진단 효과 등을 기반으로 장비와 측정 매개변수를 체계적으로 선택해야 합니다.

중요도 평가 요소:

• 장비 고장의 안전 영향
• 가동 중지로 인한 경제적 결과
• 예비 부품 가용성
• 수리 복잡성 및 기간
• 과거 실패 빈도

측정 매개변수 선택:

• 예상되는 오류에 대한 주파수 범위
• 측정 방향(반경, 축)
• 센서 위치 및 수량
• 샘플링 속도 및 데이터 해상도

측정 계획 및 일정

체계적인 측정 일정을 통해 일관된 데이터 수집이 보장되고, 리소스 활용도가 최적화되며 운영 중단이 최소화됩니다.

측정 빈도 지침:

알람 레벨 설정 및 기준 설정

적절한 경보 구성을 통해 잘못된 경보와 오류 조건 누락을 방지하는 동시에 문제가 발생할 경우 적절한 시기에 알림을 제공할 수 있습니다.

기준 설정 절차:

1. 양호한 작동 조건에서 여러 측정값을 수집합니다.
2. 일관된 작동 매개변수(부하, 속도, 온도)를 확인하세요.
3. 통계적 매개변수(평균, 표준편차)를 계산합니다.
4. 통계적 방법을 사용하여 경보 수준을 설정합니다.
5. 문서 기준 조건 및 가정

알람 레벨 설정 방법:

• 통계적 방법(평균 + 3σ)
• 표준 기반 한계(ISO 구역)
• 경험 기반 임계값
• 구성 요소별 기준

추세 분석 및 변화 감지

추세 분석은 장비 상태의 점진적인 변화를 파악하여 문제가 심각 수준에 도달하기 전에 발생 가능성을 시사합니다. 효과적인 추세 분석은 일관된 측정 절차와 정확한 통계적 해석을 필요로 합니다.

추세 매개변수:

• 전반적인 진동 수준
• 특정 주파수 구성 요소
• 통계적 측정(크레스트 인자, 첨도)
• 봉투 매개변수

변경 감지 방법:

• 통계적 공정 관리
• 회귀 분석
• 누적 합계 기법
• 패턴 인식 알고리즘

5.3 기술 및 소프트웨어 시스템

최신 해양 진동 모니터링은 해양 응용 분야에 맞게 특별히 설계된 자동 데이터 수집, 분석 및 보고 기능을 제공하는 통합 하드웨어 및 소프트웨어 시스템에 의존합니다.

휴대용 시스템 아키텍처

휴대용 진동 모니터링 시스템은 해양 환경에 적합한 전문적인 분석 기능을 유지하면서도 포괄적인 기계 조사에 필요한 유연성을 제공합니다.

핵심 구성 요소:

• 견고한 데이터 수집기
• 다양한 센서 유형 및 케이블
• 분석 및 보고 소프트웨어
• 데이터베이스 관리 시스템
• 통신 인터페이스

해양 관련 요구 사항:

• 본질적인 안전 작동
• 온도 및 습도 저항성
• 충격 및 진동 내성
• 긴 배터리 수명
• 직관적인 사용자 인터페이스

영구 모니터링 시스템

상시 모니터링 시스템은 자동화된 데이터 수집, 처리, 경보 생성 기능을 통해 중요 장비에 대한 지속적인 감시를 제공합니다.

시스템 아키텍처:

• 분산 센서 네트워크
• 로컬 처리 장치
• 중앙 모니터링 스테이션
• 통신 인프라
• 원격 액세스 기능

영구 시스템의 이점:

• 지속적인 상태 모니터링
• 자동 알람 생성
• 일관된 측정 조건
• 과거 데이터 보존
• 선박 시스템과의 통합

소프트웨어 요구 사항 및 기능

모니터링 소프트웨어는 다양한 수준의 진동 전문 지식을 갖춘 선박 엔지니어가 쉽게 접근할 수 있는 동시에 포괄적인 분석 기능을 제공해야 합니다.

필수 소프트웨어 기능:

• 다중 도메인 분석(시간, 빈도, 순서)
• 자동화된 오류 감지 알고리즘
• 사용자 정의 가능한 보고 형식
• 추세 분석 및 예측
• 데이터베이스 통합

사용자 인터페이스 요구 사항:

• 그래픽 데이터 표현
• 전문가 시스템 안내
• 사용자 정의 가능한 대시보드
• 모바일 기기 호환성
• 다국어 지원

6. 회전 해양 장비 진단

6.1 기계 부품의 진동 특성

다양한 기계 부품은 특징적인 진동 시그니처를 생성하며, 이를 통해 숙련된 분석가는 특정 문제를 파악하고 심각도를 평가할 수 있습니다. 이러한 시그니처를 이해하는 것은 해양 분야에서 효과적인 진동 진단의 기반이 됩니다.

롤링 엘리먼트 베어링 진단

구름 베어링은 해양 기계의 핵심 부품이며, 그 상태는 장비의 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 베어링 결함은 분석가가 식별하고 추적할 수 있는 독특한 진동 패턴을 생성합니다.

베어링 결함 빈도: 결함이 발생하면 각 베어링 형상은 특정 오류 주파수를 생성합니다.

여기서: N = 롤링 요소 수, d = 롤링 요소 직경, D = 피치 직경, φ = 접촉각

베어링 상태 평가 단계:

1. 1단계 - 발병: 고주파 잡음 플로어가 약간 증가함
2. 2단계 - 개발: 불연속 베어링 주파수가 나타납니다.
3. 3단계 - 진행: 고조파와 측파대가 발생합니다.
4. 4단계 - 고급: 하모닉과 변조가 증가합니다.
5. 5단계 - 최종: 광대역 무작위 진동이 우세합니다.

플레인 베어링(저널 베어링) 분석

특히 대형 디젤 엔진과 터보기계 등 해양 분야에서 사용되는 플레인 베어링은 롤링 베어링과 비교해 다른 파손 모드와 진동 특성을 보입니다.

일반적인 플레인 베어링 문제:

• 오일 소용돌이: 약 0.4-0.48× RPM에서 발생
• 오일 휩: 주파수는 첫 번째 임계 속도에 고정됩니다.
• 베어링 마모: 동기 진동 증가(1× RPM)
• 정렬 불량: 2× RPM 구성 요소를 생성합니다.

기어 시스템 진단

해양 응용 분야의 기어 시스템에는 주 감속 기어, 보조 기어박스, 그리고 다양한 구동 장치가 포함됩니다. 기어 문제는 기어 맞물림 및 하중 분포와 관련된 특징적인 주파수 패턴을 생성합니다.

기본 기어 주파수:

• 기어 메시 주파수(GMF): 이빨 수 × RPM ÷ 60
• 측파대 주파수: GMF ± 샤프트 주파수
• 사냥 이빨 빈도: 이빨 개수 관계와 관련됨

기어 오류 표시기:

• GMF 진폭 증가
• GMF 주변의 측대역 발달
• 고조파 생성
• 변조 패턴

샤프트 및 로터 동역학

샤프트 관련 문제는 회전 조립체의 기계적 상태와 동적 동작을 반영하는 진동 패턴을 생성합니다.

일반적인 샤프트 문제:

• 불균형: 우세한 1× RPM 진동
• 활형/구부러진 샤프트: 1× 및 2× RPM 구성 요소
• 결합 문제: 2× RPM 진동
• 설사: RPM의 다중 고조파

정렬 불량 유형 및 특징:

임펠러 및 유동 관련 진동

펌프, 팬, 압축기는 유체 흐름 패턴 및 임펠러 상태와 관련된 진동을 발생시킵니다. 이러한 유압 또는 공기역학적 진동원은 고유한 주파수 패턴을 생성합니다.

흐름 관련 주파수:

• 블레이드 통과 주파수(BPF): 블레이드 수 × RPM ÷ 60
• BPF의 고조파: 흐름 교란을 나타냅니다
• 하위 동기 구성 요소: 캐비테이션이나 재순환을 나타낼 수 있습니다.

펌프 관련 문제:

• 캐비테이션: 무작위 고주파 진동
• 임펠러 손상: BPF 및 고조파 증가
• 재순환: 저주파 랜덤 진동
• 유동 난류: 광대역 진동 증가

6.2 오류 감지 및 식별

체계적인 결함 감지에는 스펙트럼 분석과 시간 영역 기술, 통계적 방법, 패턴 인식을 결합하여 발생하는 문제를 식별하고 심각도를 정확하게 평가해야 합니다.

결함 감지를 위한 스펙트럼 분석

주파수 영역 분석은 다양한 고장 모드와 관련된 특징적인 주파수 성분을 밝혀냄으로써 특정 결함 유형을 식별하는 기본 도구를 제공합니다.

고조파 분석: 많은 기계 결함은 문제의 근원과 심각도를 파악하는 데 도움이 되는 고조파 급수를 생성합니다.

• 불균형: 주로 최소 고조파를 포함하는 1× RPM
• 정렬 불량: 3× 및 4× 고조파의 잠재적인 2× RPM
• 설사: 다중 고조파(최대 10배 RPM 이상)
• 마찰: 분수 고조파(0.5×, 1.5×, 2.5× RPM)

측대역 분석: 변조 효과는 특정 오류 메커니즘을 나타내는 기본 주파수 주변에 측파대를 생성합니다.

• 기어 이빨 문제로 인해 메시 주파수 주변에 측대역이 생성됩니다.
• 베어링 레이스 결함은 고주파 공진을 조절합니다.
• 전기적 문제로 인해 회선 주파수 주변에 측대역이 생성됩니다.

시간 영역 분석 기술

시간 영역 분석은 스펙트럼 데이터에서는 나타나지 않는 신호 특성, 특히 충격적 또는 과도 현상에 대한 신호 특성을 밝혀냄으로써 주파수 분석을 보완합니다.

파형 형태 분석:

• 사인파: 간단한 주기적 여기(불균형)를 나타냅니다.
• 잘린/잘린: 영향이나 클리어런스 문제를 암시합니다.
• 변조됨: 진폭 또는 주파수 변화를 보여줍니다
• 무작위의: 난류 또는 확률적 여기를 나타냅니다.

오류 감지를 위한 통계적 매개변수:

• 크레스트 팩터: 피크/RMS 비율은 신호의 뾰족함을 나타냅니다.
• 첨도: 충격에 민감한 4차 순간 통계
• 비대칭성: 비대칭성을 나타내는 3차 모멘트 통계
• RMS 트렌드: 전체 에너지 함량 변화

베어링 진단을 위한 엔벨로프 분석

포락선 분석(진폭 복조)은 고주파 신호에서 변조 정보를 추출하여 주기적 충격을 발생시키는 구름 베어링 결함을 감지하는 데 특히 효과적입니다.

봉투 분석 프로세스:

1. 구조적 공명(일반적으로 1~5kHz) 주변의 대역 통과 필터
2. 봉투 감지 적용(힐버트 변환 또는 정류)
3. 봉투 신호에 저역 통과 필터 적용
4. 봉투에 대한 FFT 분석 수행
5. 봉투 스펙트럼에서 베어링 결함 주파수 식별

봉투 분석의 장점:

• 초기 베어링 결함에 대한 민감도 향상
• 다른 진동 소스의 간섭을 줄입니다.
• 명확한 베어링 오류 주파수 식별을 제공합니다.
• 오류 심각도 평가가 가능합니다.

고급 패턴 인식

최신 진단 시스템은 정교한 패턴 인식 알고리즘을 사용하여 학습된 패턴과 전문 지식을 기반으로 오류 유형을 자동으로 분류하고 심각도 수준을 평가합니다.

머신 러닝 접근 방식:

• 신경망: 훈련 데이터에서 복잡한 오류 패턴을 학습합니다.
• 지원 벡터 머신: 최적의 결정 경계를 사용하여 오류 분류
• 의사결정 트리: 논리적 오류 식별 절차 제공
• 퍼지 논리: 결함 분류의 불확실성 처리

전문가 시스템: 경험이 풍부한 분석가의 도메인 지식을 통합하여 자동화된 오류 감지를 안내하고 진단 추론을 제공합니다.

6.3 오류 심각도 평가

오류의 심각도를 파악하면 유지 관리 작업의 우선순위를 정하고 장비의 남은 수명을 추정할 수 있습니다. 이는 예상치 못한 가동 중지가 심각한 결과를 초래할 수 있는 해양 작업에서 중요한 요소입니다.

정량적 심각도 지표

효과적인 심각도 평가에는 진동 특성을 실제 구성 요소 상태와 남은 유효 수명과 연관시키는 정량적 측정 항목이 필요합니다.

진폭 기반 측정 항목:

• 기준선에 대한 오류 주파수 진폭
• 시간에 따른 진폭 증가율
• 전체 진동에 대한 결함 주파수의 비율
• 확립된 심각도 한계와의 비교

통계적 심각도 지표:

• 크레스트 팩터 진행 추세
• 첨도 발달 패턴
• 봉투 매개변수 변경
• 스펙트럼 분포 수정

예후 모델링

예측 모델은 현재 상태 추세를 분석하고 물리학 기반 또는 데이터 기반 저하 모델을 적용하여 남은 유용 수명을 예측합니다.

추세 분석 방법:

• 선형 회귀: 꾸준한 저하를 위한 간단한 추세
• 지수 모델: 가속화되는 저하 패턴
• 전력 법칙 모델: 가변적인 분해율
• 다항식 피팅: 복잡한 저하 경로

물리 기반 모델: 운영 조건과 재료 특성에 따라 결함 진행을 예측하기 위해 기본적인 저하 메커니즘을 통합합니다.

데이터 기반 모델: 명확한 물리적 모델링 없이도 과거 고장 데이터와 현재 측정값을 사용하여 남은 수명을 예측합니다.

유지 관리 의사 결정 지원

진단 결과는 운영상의 제약, 예비 부품 가용성, 안전 요구 사항을 고려한 실행 가능한 유지 관리 권장 사항으로 변환되어야 합니다.

결정 요인:

• 현재 오류 심각도 수준
• 예측된 분해율
• 실패의 운영적 결과
• 유지 관리 창 가용성
• 예비 부품 및 자원 가용성

심각도별 권장 조치:

7. 진동 조정 및 튜닝

7.1 샤프트 정렬

적절한 축 정렬은 해양 장비의 신뢰성과 진동 수준에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 축 정렬 불량은 과도한 힘을 발생시키고, 마모를 가속화하며, 진단 시스템에서 쉽게 감지할 수 있는 특징적인 진동 신호를 생성합니다.

샤프트 정렬의 기본

샤프트 정렬은 연결된 회전 요소들이 정상 작동 조건에서 중심선이 일치하도록 보장합니다. 해양 환경은 열 영향, 선체 처짐, 기초 침하 등 고유한 어려움을 야기하여 정렬 절차를 복잡하게 만듭니다.

정렬 불량의 유형:

• 평행(오프셋) 정렬 불량: 샤프트 중심선은 평행을 유지하지만 변위됨
• 각도 정렬 불량: 샤프트 중심선이 각도로 교차합니다.
• 결합된 정렬 불량: 평행 및 각도 조건의 조합
• 축 방향 정렬 불량: 결합된 구성 요소 간의 잘못된 축 위치

정적 및 동적 정렬 불량 감지

정적 정렬 불량 장비가 작동하지 않을 때 측정되는 정렬 상태를 말합니다. 기존의 정렬 절차는 다이얼 표시기나 레이저 정렬 시스템을 사용하여 정적 상태에 초점을 맞춥니다.

동적 정렬 불량 실제 운영 정렬 조건을 나타내며, 열 성장, 기초 이동 및 운영상의 힘으로 인해 정적 정렬과 상당히 다를 수 있습니다.

진동 기반 감지 방법:

• 높은 2× RPM 진동 구성 요소
• 커플링 간 위상 관계
• 방향성 진동 패턴
• 하중에 따른 진동 변화

측정 방법 및 정확도 한계

최신 해양 정렬 절차에서는 기존 다이얼 표시기 방식에 비해 뛰어난 정확성과 문서화를 제공하는 레이저 기반 측정 시스템을 사용합니다.

레이저 정렬 시스템의 장점:

• 더 높은 측정 정확도(일반적으로 ±0.001인치)
• 조정 중 실시간 피드백
• 수정 동작 자동 계산
• 디지털 문서화 및 보고
• 설정 시간 및 복잡성 감소

측정 정확도 요소:

• 측정 중 기초 안정성
• 온도 안정성
• 결합 유연성 효과
• 기기 교정 상태

부드러운 발 감지 및 교정

연성 발 조건은 기계 장착 발이 기초 표면과 적절하게 접촉하지 않아 정렬 및 진동 특성에 영향을 미치는 가변적인 지지 조건이 생성될 때 발생합니다.

부드러운 발 유형:

• 평행 소프트 풋: 기초 위에 매달린 발
• 각진 소프트 풋: 기계 프레임 왜곡
• 발이 부드러워짐을 유발함: 볼트를 너무 세게 조여서 발생
• 탄력 있고 부드러운 발: 기초 준수 문제

검출 방법:

• 체계적인 볼트 풀림 및 측정
• 필러 게이지 측정
• 위치 변화의 레이저 측정
• 마운팅 공진의 진동 분석

8. 진동 진단의 미래 전망

8.1 현재 기술 동향

해양 진동 진단 분야는 센서 기술, 신호 처리 기능, 인공지능, 그리고 광범위한 선박 관리 시스템과의 통합을 통해 빠르게 발전하고 있습니다. 이러한 동향을 파악하는 것은 해양 엔지니어가 미래의 진단 역량에 대비하고 기술 투자를 계획하는 데 도움이 됩니다.

고급 센서 기술

차세대 센서는 기존의 한계를 극복하는 향상된 기능을 제공하는 동시에 해양 응용 분야에 새로운 측정 가능성을 제공합니다.

무선 센서 네트워크: 센서를 유연하게 배치하고 설치 비용을 절감하는 동시에 복잡한 케이블 설치가 필요 없습니다. 최신 무선 센서는 다음과 같은 장점을 제공합니다.

• 긴 배터리 수명(일반적으로 5년 이상)
• 강력한 통신 프로토콜
• 엣지 컴퓨팅 기능
• 자체 구성 네트워크 토폴로지
• 데이터 보안을 위한 암호화

MEMS 기반 센서: 마이크로 전기 기계 시스템은 통합 신호 처리 기능을 갖춘 소형이고 비용 효율적인 감지 솔루션을 제공합니다.

광섬유 센서: 위험한 환경에서 전자파 간섭에 대한 면역성과 본질적인 안전을 제공하는 동시에 섬유 길이에 따라 분산 감지를 가능하게 합니다.

인공지능과 머신러닝

AI 기술은 패턴 인식을 자동화하고, 예측 분석을 가능하게 하며, 지능형 의사 결정 지원 시스템을 제공함으로써 진동 진단을 혁신합니다.

딥러닝 응용 프로그램:

• 원시 진동 데이터로부터 자동 오류 분류
• 복잡하고 다차원적인 데이터 세트에서의 이상 탐지
• 잔여 유효 수명 예측을 위한 예측 모델링
• 소음이 많은 해양 환경에서의 패턴 인식

디지털 트윈 기술: 실시간 센서 데이터와 물리 기반 모델을 결합하여 물리적 장비의 가상 표현을 생성하여 다음을 가능하게 합니다.

• 실시간 상태 평가
• 시나리오 시뮬레이션 및 테스트
• 유지 관리 전략 최적화
• 훈련 및 교육 플랫폼

엣지 컴퓨팅과 클라우드 통합

최신 진단 시스템은 실시간 처리 요구 사항과 종합적인 분석 기능의 균형을 맞추는 분산 컴퓨팅 아키텍처를 채택합니다.

엣지 컴퓨팅의 이점:

• 통신 대역폭 요구 사항 감소
• 실시간 알람 생성
• 통신 중단 중에도 계속 작동
• 데이터 개인 정보 보호 및 보안 강화

클라우드 통합의 장점:

• 무제한 저장 및 처리 용량
• 전체 함대 분석 및 벤치마킹
• 원격 전문가 지원 기능
• 지속적인 알고리즘 업데이트 및 개선

8.2 선박 관리 시스템과의 통합

미래의 진동 진단 시스템은 보다 광범위한 선박 관리 플랫폼과 완벽하게 통합되어 전체적인 상태 인식을 제공하고 자율적인 유지 관리 의사 결정을 가능하게 할 것입니다.

통합 상태 모니터링

포괄적인 상태 모니터링 시스템은 진동 분석과 다른 진단 기술을 결합하여 완벽한 장비 상태 평가를 제공합니다.

다중 매개변수 통합:

• 기계적 상태에 대한 진동 분석
• 열 상태 평가를 위한 열화상
• 윤활 및 마모 모니터링을 위한 오일 분석
• 구조적 무결성을 위한 초음파 검사
• 운영 효율성을 위한 성능 모니터링

데이터 융합 기술: 고급 알고리즘은 여러 센서 유형을 결합하여 개별 기술을 사용하는 것보다 더욱 신뢰할 수 있는 상태 평가를 제공합니다.

자율 시스템 통합

해양 산업이 자율 운영으로 전환함에 따라 진동 진단 시스템은 안정적이고 자립적인 상태 모니터링 기능을 제공해야 합니다.

자율 진단 기능:

• 자체 교정 센서 시스템
• 자동 오류 진단 및 심각도 평가
• 예측 유지 관리 일정
• 비상 대응 조정
• 성능 최적화 권장 사항

의사결정 지원 통합:

• 위험 평가 및 관리
• 자원 할당 최적화
• 임무 계획 고려 사항
• 안전 시스템 인터페이스

규제 및 표준의 진화

국제 해사 기구는 안전과 환경 보호를 보장하는 동시에 고급 진단 기술을 통합한 표준과 규정을 지속적으로 개발하고 있습니다.

새로운 표준:

• 연결된 시스템에 대한 사이버 보안 요구 사항
• 데이터 공유 및 상호 운용성 표준
• 자율 시스템 인증 절차
• 환경 모니터링 통합