진동 분석을 통한 기어 결함 진단
기어 결함 산업용 기계 전반에 걸쳐 동력 전달에 사용되는 기어 세트에서 발생하는 마모 및 손상 유형으로는 치면 마모, 균열, 편심, 정렬 불량 등이 있습니다. 기어 치아의 맞물림은 본질적으로 소음이 발생하고 진동이 동반되는 과정이므로, 정상적인 기어는 매우 명확하고 안정적인 진동 패턴을 보입니다. 이 패턴에서 조금이라도 벗어나는 경우, 이는 문제가 발생했음을 강력하게 시사하는 신호입니다. 왜냐하면 진동 분석 이러한 이상 징후를 매우 초기 단계에서 감지할 수 있어, 기어박스 고장이 치명적인 파손으로 이어지기 훨씬 전에 이를 포착합니다.
1. 기어의 진동 특성
모든 기어 세트는 주파수 영역에서 고유한 지문을 가지고 있는데, 이는 주로 톱니가 맞물리는 속도에 의해 결정되며 각 축의 회전과 관련된 신호로 둘러싸여 있습니다. 따라서 정상적인 기어박스의 기준선 측정값은 신뢰성 관리 프로그램이 확보할 수 있는 가장 귀중한 참고 자료 중 하나입니다. 고장은 절대적인 수치에 의해 진단되는 것이 아니라, 현재의 스펙트럼과 시간 파형 그 정상적인 서명과 차이가 있는지 확인하는 것입니다. 기어 진단이라는 분야는 주로 그 차이를 정확하게 파악하는 데 중점을 두기 때문에, 기어가 일상적인 점검에서 그토록 중요한 위치를 차지하는 것입니다. 상태 모니터링.
2. 기어 메시 주파수(GMF)
기어박스 분석에서 가장 중요한 주파수는 다음과 같습니다. 기어 메시 주파수(GMF) — 서로 맞물리는 두 톱니바퀴의 톱니가 서로 맞물리는 비율.
GMF = 기어의 이빨 수 × 해당 기어의 회전 속도
정상적인 변속기에서는 FFT 스펙트럼 GMF에서 뚜렷한 피크를 보이며, 대개 몇 개의 작은 배음 (2×GMF, 3×GMF). GMF 피크의 진폭은 기어에 가해지는 부하를 반영하므로, GMF 피크가 높다고 해서 반드시 고장인 것은 아닙니다. 이는 단순히 기어박스가 과부하 상태임을 의미할 수도 있습니다. 진정한 진단 정보는 주파수 영역에 있습니다. around GMF 피크 자체에 있는 것이 아니라, 그 피크 지점에 있습니다. GMF는 이빨 수와 회전 속도에 모두 영향을 받기 때문에, 육안으로 식별하기 쉽습니다; 기어 맞물림 주파수 계산기 주어진 기어셋에 대해 GMF 및 그 측파대를 몇 초 만에 계산합니다.
3. 사이드밴드를 이용한 고장 진단
측대역 특정 기어 문제를 진단하는 데 있어 가장 강력한 도구입니다. 이는 결함으로 인해 맞물림 과정에 변조가 발생할 때 GMF 및 그 고조파 양쪽에 나타나는 작은 피크입니다. 여기서 핵심적인 단서는 바로 이들의 spacing: 측대(sideband)와 GMF 피크 사이의 간격은 결함이 있는 기어가 장착된 축의 회전 속도와 같으며, 이를 통해 즉시 알 수 있습니다 어느 점검할 샤프트.
- 마모되거나 편심된 기어: a worn, eccentric 또는 결함이 있는 기어가 자체 회전 속도에 맞춰 GMF를 변조하여, 간격이 주행 속도 (1배) 해당 기어의 축. 사이드밴드 속도가 입력축 속도와 일치한다면, 결함은 입력 기어에 있는 것입니다.
- 일반적인 치아 마모: 기어 마모 일반적으로 GMF와 그 고조파의 진폭을 증가시키며, 이에 따라 해당 기어에서 발생하는 1차 측파대가 동반됩니다.
- 치아가 금이 가거나 부러진 경우: 단 하나의 금이 가거나 부러진 톱니만으로도 해당 톱니의 1배 회전 속도에서 강한 피크가 발생하며, 종종 많은 고조파가 동반되고, GMF 주변에는 해당 톱니의 회전 속도를 주파수로 하는 측파대가 나타납니다. 이때 시간 파형이 특히 유용합니다. 파형을 보면 손상된 톱니가 맞물리려고 할 때마다 뚜렷하고 주기적인 충격이 발생함을 확인할 수 있습니다.
- 기어 정렬 불량: 정렬 불량 기어 간의 상호작용으로 인해 종종 높은 2×GMF 고조파가 발생하며, 이는 때로는 1차 GMF 피크보다 더 높게 나타나기도 하고, 이 역시 주행 속도 측파대와 함께 나타납니다.
알아두면 좋은 관련 효과는 사냥 이빨의 빈도, 특정 치아 쌍이 다시 맞물리는 빈도가 매우 낮은 경우; 각 기어에 결함이 있는 치아가 하나씩 있는 결함도 이를 유발할 수 있습니다.
4. 전문 분석 기법
기어 진동의 주파수 성분이 매우 다양하기 때문에, 일반적인 스펙트럼 분석에는 기어 신호를 분리해 내는 기법이 자주 병행됩니다:
- 시간-파형 분석: 이는 치아가 부러지거나 금이 갔는지 확인하는 데 필수적인데, 이러한 증상은 톱니바퀴의 맞물림이 아닌 회전과 동기화되어 날카롭고 반복적인 충격으로 나타납니다.
- 켑스트럼 분석: 균일한 간격으로 배열된 사이드밴드 군 전체를 단일하고 파악하기 쉬운 구성 요소로 압축하는 변환으로, 복잡한 FFT 결과 속에 묻혀 있는 사이드밴드 패턴을 명확하게 드러내어 줍니다.
- 봉투 분석: 고주파 반송파를 복조하여 국소적인 치아 결손의 저주파 충격률을 파악함으로써, 측파대 분석 결과를 보완합니다.
5. 기어 고장의 단계
진동 분석을 통해 기어 고장의 진행 과정을 네 가지 명확한 단계로 추적할 수 있어, 유지보수 팀이 사전 대응 계획을 수립할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있습니다:
- 1단계 (초기): GMF 주변에 미세한 측파대가 나타납니다. 전체 진동 수준은 전혀 변하지 않을 수도 있습니다.
- 2단계 (중등도): 측대 진폭이 커지면, GMF의 고조파들이 나타나기 시작하며 이 고조파들 역시 각각의 측대를 갖게 된다.
- 3단계 (중증): GMF 및 그 고조파에는 많은 대형 측파대가 포함되어 있어, 문제의 기어에서 발생하는 1배 주파수가 상승하기 시작하고 스펙트럼의 노이즈 플로어가 높아집니다.
- 4단계 (치명적): 치아가 심하게 손상되거나 파괴되면 GMF가 사라지고, 대신 시끄럽고 불규칙한 진동 패턴이 나타날 수 있습니다.
6. 현장에서의 실제 적용
기어 진단은 작동 속도와 부하 조건에서 정확한 현장 측정을 통해 시작됩니다. 다음과 같은 휴대용 2채널 계측기 발란셋-1A 이 장비는 각 베어링의 FFT 스펙트럼과 원시 시간 파형을 캡처하여, 엔지니어가 기어박스(GMF)의 위치를 파악하고, 측대 간격을 확인하여 고장 부위를 특정 샤프트로 좁혀들며, 파형을 관찰해 치아 파손으로 인한 특징적인 주기적 충격 신호를 포착할 수 있게 해줍니다. 이 모든 작업은 기어박스를 열지 않고도 수행할 수 있습니다. 기어박스가 로터를 구동하거나 지지하는 경우, 동일한 장비를 사용하여 잔류 베어링 또한 불균형으로 인한 진동이 ISO 20816과 같은 표준의 허용 범위 내에 머무르기 때문에, 기어 결함이 다른 원인으로 인해 가려지는 일이 없습니다. 1단계나 2단계에서 기어 결함을 발견하면, 이는 예기치 못한 고장이 아닌 계획된 수리로 처리될 수 있습니다.
