진동 진단에서의 켑스트럼 분석

정의: 셉스트럼이란 무엇인가?

켑스트럼 분석 주파수 스펙트럼 내의 주기 구조에 대한 정보를 제공하는 고급 신호 처리 기술입니다. "셉스트럼(cepstrum)"이라는 이름은 "스펙트럼(spectrum)"의 애너그램으로, 그 본질을 암시합니다. 사실상 "스펙트럼의 스펙트럼"입니다. 셉스트럼은 주파수 스펙트럼의 로그를 취한 후 결과에 역푸리에 변환을 수행하여 계산합니다. 이 과정은 스펙트럼을 직접 관찰해서는 식별하기 어려울 수 있는 고조파나 측파대와 같은 스펙트럼의 주기적 패턴을 강조합니다.

셉스트럼 플롯에서 x축은 다음과 같이 불립니다. 퀘프런시 (빈도의 애너그램)이며 시간 단위를 갖습니다. 이 축의 피크는 라흐모닉스, 원래 스펙트럼에서 반복되는 패턴의 주기(초)를 나타냅니다.

왜 켑스트럼 분석을 사용해야 하나요?

표준 FFT 스펙트럼은 개별 주파수 성분을 식별하는 데 탁월하지만, 기계 고장으로 인해 많은 고조파와 측파대가 생성될 경우 복잡해지고 해석이 어려워질 수 있습니다. 켑스트럼 분석은 반복되는 주파수 계열 전체를 하나의 명확한 피크로 통합하여 이를 단순화합니다. 켑스트럼 분석의 주요 용도는 다음과 같습니다.

• 고조파 패밀리 감지: 기본 주파수 자체가 약하거나 스펙트럼에 없더라도 기본 주파수와 그 고조파를 쉽게 식별할 수 있습니다.
• 사이드밴드 패밀리 식별: 켑스트럼은 진폭이 낮고 잡음에 묻혀 있는 측파대를 찾아내는 데 탁월합니다. 켑스트럼은 측파대의 존재를 명확하게 보여주고 그 간격을 측정할 수 있습니다.
• 소스 효과와 경로 효과 분리: 일부 응용 분야에서는 진동원 신호를 기계의 구조적 응답으로부터 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 에코 감지: 신호의 에코나 반사를 식별할 수 있습니다.

기계 진단의 주요 응용 분야

1. 기어박스 진단

이것은 켑스트럼 분석의 가장 일반적이고 강력한 응용 분야입니다. 손상된 기어 톱니는 기어 맞물림 주파수(GMF)를 변조하여 GMF 피크 주변에 해당 기어의 회전 속도와 같은 간격으로 측파대를 생성합니다. 여러 개의 축과 기어가 있는 복잡한 기어박스의 경우, 스펙트럼은 서로 다른 GMF와 측파대가 뒤섞인 혼란스러운 형태가 될 수 있습니다. 켑스트럼은 이러한 복잡성을 극복합니다.

• 기어의 회전 주기(1/RPM)에 해당하는 퀘프런시에서 셉스트럼의 피크는 해당 기어에 오류가 있다는 명확한 지표입니다.
• 케프스트럼 피크의 진폭을 추세 분석하여 기어 마모의 진행 상황을 모니터링할 수 있습니다.

2. 구름 요소 베어링 분석

기어박스와 마찬가지로 베어링 결함도 측파대를 생성합니다. 예를 들어, 내륜 결함은 내륜 결함 주파수(BPFI)와 그 고조파를 중심으로 샤프트 속도에 따라 측파대를 생성합니다. 켑스트럼은 이러한 패턴의 존재를 확인하는 데 도움이 될 수 있으며, 특히 스펙트럼에서 명확하게 나타나지 않을 때 유용합니다.

3. 터보기계 분석

터빈과 압축기에서 케프스트럼은 블레이드 통과 주파수 고조파를 식별하고 블레이드 손상이나 공기역학적 문제와 관련된 문제를 진단하는 데 사용될 수 있습니다.

켑스트럼 플롯을 해석하는 방법

1. 회전 주기를 계산하세요: 셉스트럼을 살펴보기 전에 주요 회전 구성 요소의 시간 주기를 계산하세요(예: 1800RPM 또는 30Hz의 샤프트의 경우 주기는 1/30 = 0.033초입니다).
2. 알려진 기간의 피크를 찾아보세요: 계산된 기간과 일치하는 중요한 피크(라모닉스)를 찾으려면 셉스트럼을 조사하세요.
3. 고조파 식별: 기본 주파수의 정수배에서 피크를 찾아보세요. 이는 원래 스펙트럼에 강한 고조파족이 존재함을 나타냅니다.
4. 추세 진폭: 시간 경과에 따른 켑스트럼 피크의 진폭을 모니터링하세요. 진폭이 증가하면 상태가 악화됨을 나타냅니다.

셉스트럼 분석은 효과적으로 사용하려면 경험이 필요한 강력한 도구이지만, 기어박스와 같은 복잡한 기계의 경우 스펙트럼 분석만으로는 비교할 수 없는 진단 명확성을 제공할 수 있습니다.

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