진동 분석을 사용하여 베어링 마모 테스트

이 기사에서는 1,250톤(4,400킬로와트) 에어컨 냉각기의 외부 레이스 베어링 결함의 예에 대해 설명합니다. 기성품 휴대용 진동 분석 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 결함을 감지했습니다.

기계는 모터 자유단에 롤링 요소 스러스트 베어링이 있고 모터 구동단에 슬리브 베어링이 있는 1단 원심 압축기입니다. 이 기사에서는 베어링 상태의 지표로 진동 스펙트럼을 사용하여 베어링 결함을 진단하고 추세를 파악하는 데 사용되는 방법에 대해 설명합니다.

다루는 진단 방법은 구름 접촉 베어링이 있는 다른 유형의 기계(펌프, 팬, 기어)에 보편적으로 적용할 수 있습니다.

진동 분석 도구

진동 측정에 사용되는 도구는 지난 25년 동안 크게 향상되었습니다. 산업용 기계에서 대부분의 진동 데이터 수집을 위해 선택한 센서는 가속도계입니다. 이름에서 알 수 있듯이 출력은 가속도에 비례합니다. 그러나 일반적으로 속도 단위로 표시하기 위해 통합됩니다. 이 사례 기록에 표시된 모든 데이터는 그림 2에 표시된 3축 가속도계 클러스터를 사용하여 수집되었습니다.

그림 1. 모터 베어링 하우징의 진동 테스트 위치를 보여주는 냉각기

그림 2. 청동 디스크 장착 패드(오른쪽 하단)에 스터드 장착된 3축 가속도계 클러스터(왼쪽)의 스케치. 클러스터에는 서로 수직인 세 개의 가속도계가 있습니다. 진동 데이터 수집은 데이터 수집기를 자동으로 설정하고 데이터를 수집 및 저장하는 바코드를 사용하여 활성화됩니다.

홈이 있는 마운팅 패드는 모터 베어링 하우징에 단단하게 부착되어 있으며 3축 클러스터는 스터드 마운트되어 있어 세 축 모두를 동시에 수집할 수 있습니다.

바코드 및 장착 구성을 통해 데이터 수집을 수행하는 사람의 기술에 관계없이 항상 정확하고 반복 가능한 데이터를 수집할 수 있습니다. 테스트 조건이 상대적으로 일관성이 있는 한 기계적 조건이 변경되지 않은 경우 테스트 데이터도 일관성이 있어야 합니다.

진동 분석가가 사용하는 신호 처리 기술은 원하는 세부 수준에 따라 다릅니다. 일상적인 예측 유지 관리 프로그램에서는 일반적으로 두 가지 유형의 데이터가 수집됩니다.

전체 수준: 전체 레벨은 광범위한 주파수에 대한 총 진동 진폭의 측정값입니다. 광대역 수준이라고도 하는 전체 진동 측정값은 수집, 처리, 분석 및 추세가 비교적 쉽고 저렴한 단일 값입니다.

협대역: FFT(고속 푸리에 변환) 알고리즘을 사용하여 진동 신호는 여러 개별 주파수로 분해되고 진폭 대 주파수의 2차원 스펙트럼 플롯으로 표시됩니다. 이 사례 기록에 표시된 모든 3축 스펙트럼은 800라인 분해능의 주파수 스케일을 가지고 있습니다. 즉, 각 스펙트럼은 특정 주파수에서 진폭을 정의하는 800개의 개별 피크로 구성됩니다.

진동 허용 기준

1,250톤(4400kW) 냉각기의 허용 가능한 진동 수준은 얼마입니까? 냉각기 제조업체는 0.25인치/초(피크)의 합격/불합격 광대역 사양을 사용합니다. 진동 허용 오차 또는 사양은 일반적으로 절대 또는 상대 기준으로 표시됩니다.

표 1에 요약된 IRD 일반 기계 진동 심각도 차트는 절대 기준의 가장 일반적인 예이며 기계에 대한 이력 데이터가 없는 엔지니어에게 좋은 가이드입니다. 기계 상태의 각 증분은 진동 속도의 2배 변화로 표시됩니다.

세 번째 열은 인치/초(피크)와 일반적으로 사용되는 속도 데시벨(VdB)의 로그 단위 사이의 쉬운 변환을 제공합니다. 6dB는 또한 2배의 변화를 나타내므로 각 기계 상태 대역은 6dB 차이로 표시됩니다.

기계
상태

속도
(말/말)

속도
(VdB)

매우 거칠다

V> 0.628

VdB> 121

러프

0.314

115

약간 거친

0.157

109

보통

0.0785

103

좋음

0.0392

97

매우 좋음

0.0196

91

부드럽게

0.0098

85

매우 부드러움

0.0049

79

매우 매끄럽게

V <0.0049

VdB <79

표 1. IRD 일반 기계 진동 심각도 차트는 기계 상태의 눈금을 제공하기 때문에 냉각기 제조업체에서 사용하는 것과 같은 합격/불합격 기준을 개선한 것입니다. . 차트의 허용 오차는 1.6~1667Hz 사이의 주파수에 대한 것이며 대부분의 회전 기계에 적용됩니다.

승인 테스트에는 절대 기준이 적합하지만 예측 유지 관리 프로그램의 일부로 정확한 진단을 내리려면 보다 민감한 기준이 필요합니다. 기계 상태를 정확하게 진단하는 것이 목표인 경우 상대적 기준이 가장 좋습니다.

상대적 기준은 유사한 작동 조건에서 모두 테스트된 여러 동일한 기계에서 수행한 평균 진동 측정으로 정의됩니다. 이 사례 기록의 경우 12개의 동일한 냉각기의 스펙트럼 측정값을 평균화하여 허용 기준을 구성했습니다.

청동 디스크 장착 패드는 각 기계의 동일한 위치에 장착되었으며 약 80% 정격 부하에서 작동하는 냉각기로 데이터를 수집했습니다.

테스트 스펙트럼은 데이터를 수동으로 검토한 후 평균 기준 스펙트럼 데이터로 개발되었으므로 각 테스트는 기계가 상당히 양호한 상태임을 보여주었습니다. 샘플의 기계마다 테스트 데이터의 편차로 인해 표준 편차(시그마)가 계산되었습니다.

그런 다음, 평균 플러스 1 시그마 스펙트럼 마스크가 계산되었습니다. 통계적으로 진동 진폭의 약 85%는 평균에 하나의 시그마 마스크를 더한 값보다 낮아야 합니다. 공급업체가 정의한 합격/불합격 기준 또는 IRD 차트와 같은 절대 기준과 달리 상대 기준을 통해 기계 자체에서 허용 가능한 항목을 정의할 수 있습니다.

그림 3은 이 증례 기록에 사용된 상대적인 허용 기준의 한 축의 예입니다. 그림 4는 낮은 범위와 높은 범위의 데이터 모두에 대해 세 축 모두에 대한 평균 및 평균 플러스 시그마 수준을 보여줍니다. 800라인 스펙트럼에서 하나 이상의 피크가 평균 + 시그마 진폭 기준을 초과하는 경우 해당 사실만으로는 심각한 문제를 나타내지 않습니다(진단 전략 섹션 참조).

그림 3. 12개의 동일한 냉각기의 스펙트럼을 평균화하여 특히 1,250톤 냉각기에 대한 상대적 허용 기준을 생성했습니다. 표시된 평균(파란색 하단 스펙트럼) 및 평균에 하나의 표준 편차(빨간색 상단 스펙트럼)를 더한 기준은 방사형 축에 대한 것입니다. IRD 심각도 차트 기준은 비교를 위해 겹쳐집니다.

그림 4. 플랜트 A(상위 6개 스펙트럼) 및 플랜트 B(하위 6개 스펙트럼)의 두 개별 시설에서 얻은 평균 기준선 데이터. 각 공장에는 18개의 동일한 모델 냉각기가 있습니다. B공장 데이터의 실행 속도는 다른 평균 실행 속도(2,982rpm)를 반영하며, 이는 유럽에서 공통적인 50Hz의 입력 라인 주파수를 반영합니다. 이 평균 및 평균 플러스 시그마 데이터는 자유단 모터 베어링에서 가져온 것입니다.

마찰 방지 베어링 문제

베어링 문제는 진동 분석 프로그램에 의해 진단되는 가장 일반적인 유형의 결함입니다. 초기 단계에서 결함이 있는 베어링은 샤프트 회전 속도의 배수가 아닌 주파수를 가진 진동 구성 요소를 생성합니다.

이러한 비동기식 주파수의 정확한 값은 베어링 형상을 기반으로 합니다. 레이스 및 롤러 치수를 알고 있는 경우 계산할 수 있습니다. 실제로 대부분의 시설 엔지니어는 기계 베어링의 제조업체 및 모델 번호를 문서화하지 않으므로 베어링 주파수를 결정하기 위해 다른 방법에 의존해야 합니다. 베어링 톤 주파수의 대략적인 값을 결정하기 위한 일련의 규칙은 다음과 같습니다.

볼 패스 주파수 외부 레이스(BPFO)
=롤러 수 x 샤프트 속도 x 0.4

볼 패스 주파수 내부 레이스(BPFI)
=롤러 수 x 샤프트 속도 x 0.6

기본 열차 주파수(FTF)
=속도 x 0.4

냉각기 제조업체는 이 경우 볼 베어링이 SKF 7318이라고 밝혔습니다. 베어링 테이블은 4.9xM 및 7.1xM이 각각 외부 및 내부 볼 통과 주파수임을 확인합니다. 이 주파수는 순서로 표시되며 접미사 "xM"은 "모터 샤프트 회전 속도의 배"를 나타냅니다. 주파수와 경험 법칙을 보면 이 베어링에는 12개의 구름 요소가 있음이 분명합니다.

이러한 볼 패스 주파수 피크의 고조파(정수 배수)가 진동 스펙트럼에서 발생함에 따라 볼 베어링 마모가 점점 더 분명해집니다. 결함의 특성에 따라 베어링 톤 또는 그 고조파 주변에 강한 1xM 측파대가 있을 수도 있습니다. 베어링 마모가 심하면 샤프트 회전 속도의 약 70~100배(70xM~100xM) 사이의 고역 스펙트럼에서 비정상적으로 높은 노이즈 플로어가 생성됩니다.

일반적으로 사용되는 진단 전략

진동 해석을 통해 베어링 마모를 평가할 때 일관된 데이터 수집 및 분석 방법이 필요합니다. 광대역 진동 측정기는 일반적으로 나중 단계까지 베어링 마모를 감지할 수 없습니다. 결과적으로 유지 보수 기술자는 수리 계획에 대한 경고가 거의 없으며 치명적인 오류가 발생할 위험이 있습니다.

충격 펄스 또는 초음파 에너지와 같은 고주파 현상에 의존하는 진단 기술은 베어링 마모를 조기에 감지하는 데 매우 효과적입니다. 그러나 일반적으로 낮은 주파수에서 진동으로 나타나는 많은 기계 결함을 감지하는 기능이 부족합니다.

상대 허용 기준을 사용하는 3축 협대역 스펙트럼 분석은 베어링 결함에 대한 조기 경고를 정확하게 제공할 수 있습니다. 또한 불균형, 오정렬, 임펠러 간극 문제, 헐거움 및 공진과 같은 다양한 기타 기계 문제를 진단하는 데 사용할 수 있습니다. 이 경우 세 번째 기술이 사용됩니다.

분석에 필요한 협대역 데이터에는 베어링 하우징의 단단한 부분에 있는 단일 지점에서 측정된 두 가지 주파수 범위의 고해상도(800라인) 3축 스펙트럼 데이터가 포함됩니다. 낮은 범위의 데이터는 기본 베어링 톤을 쉽게 볼 수 있는 일반적으로 샤프트 속도의 0에서 10차입니다.

고역 데이터는 일반적으로 베어링 톤 고조파 및 고주파 노이즈 플로어가 보이는 샤프트 속도의 0에서 100차입니다. 이는 단일 위치에 대한 데이터의 과잉으로 보일 수 있지만 장착 방법과 바코드를 통해 간단하고 효율적인 데이터 수집이 가능합니다. 또한 PC에서 데이터를 빠르고 자동으로 처리합니다.

대부분의 기본 진동 분석 과정에서 가르치는 베어링 결함에 대한 협대역 결함 모델에는 다음 네 가지 조건이 포함됩니다.

<올>

비동기식 기본 주파수의 고조파 계열 피크

(1)의 피크 주변 1xM 및/또는 FTF(기본 트레인 주파수) 측파대.

고주파 노이즈 플로어 크기 증가

과도한 베어링 헐거움으로 인한 샤프트 회전율의 고조파 시리즈.

진동 분석(인간 대 컴퓨터)

베어링 결함을 정확하게 진단하는 데 필요한 협대역 데이터의 엄청난 양은 모든 일상적인 데이터 축소 및 논리 기능이 전문가 시스템을 갖춘 개인용 컴퓨터에 의해 수행되어야 합니다. 인간 분석가가 컴퓨터가 단 몇 초 만에 수행할 수 있는 모든 일상적인 작업을 수행하는 것은 시간적으로 경제적이지 않습니다.

첫 번째 단계는 샤프트 회전 속도와 관련하여 스펙트럼을 정규화하는 것입니다. 다음 단계는 테스트 데이터에서 주요 강제 주파수 및 기타 피크에 대한 진폭을 추출하는 것입니다. 세 번째 단계는 앞서 설명한 결함 모델을 사용하여 베어링 결함의 패턴을 식별하는 것입니다. 마지막 단계는 패턴이 존재하는 경우 베어링 결함의 심각도를 결정하는 것입니다.

결함과 심각성을 식별하는 데 사용되는 전문가 시스템 로직은 경험적 프로세스의 일부로 만들어졌으며, 이를 통해 많은 수의 기계에 대한 자동 진단을 진동 전문가가 동일한 기계에 대해 내리는 진단과 비교했습니다.

따라서 전문가 논리 규칙은 진동 전문가가 데이터를 분석하는 방법을 정확히 반영합니다. 이 때문에 전문가 시스템은 그것을 만드는 진동 분석가보다 나을 수 없습니다. 이전 단락에서 설명한 모든 단계가 일상적이고 반복적이기 때문에 최신 컴퓨터는 시스템당 몇 초 만에 4가지 분석 단계를 모두 빠르게 수행할 수 있습니다. 그런 다음 전문가 시스템은 그림 5와 같이 냉각기 모터 베어링 마모에 대한 텍스트 기반 보고서를 생성합니다.

그림 5. 냉각기 4에 대한 컴퓨터 생성 진단 결과

스펙트럼 데이터의 수동 검토

그림 6은 3월 25일 냉각기 4에서 수집된 모터 프리 엔드 데이터를 보여줍니다. Avg + 시그마 마스크(빨간색)는 비교를 위해 겹쳐집니다. x축은 차수 "1"이 모터의 회전 속도를 나타내는 차수 단위로 조정됩니다.

4.9xM 및 7.1xM에서 축의 낮은 범위 데이터에서 두드러진 비동기식 피크를 확인합니다. 이 피크는 모터 베어링의 볼 베어링 통과 주파수에 해당합니다. 고역 스펙트럼에서 고조파 마커는 4.9xM 간격으로 고조파 계열의 각 피크에 배치됩니다.

고조파 계열은 높은 범위의 세 축 모두에서 강한 진폭을 갖는 반면 낮은 범위 데이터에서는 축 방향에서만 두드러집니다. 고주파 노이즈 플로어는 베어링 마모가 거의 실패 지점이 아니라는 것을 알려주는 1 시그마 마스크와 거의 같거나 낮습니다. 그러나 강한 고조파 계열은 결함이 있음을 의미합니다.

그림 6. 냉각기 4의 모터 자유단 베어링에 대한 3축 진동 스펙트럼. 왼쪽에 있는 3개의 스펙트럼은 낮은 범위의 데이터이고 3개의 스펙트럼은 오른쪽은 높은 범위의 데이터입니다. 높은 범위의 데이터에서 표시된 피크는 BPFO 고조파 계열인 4.9xM 간격을 나타냅니다.

예후

베어링 결함이 있는지 여부는 거의 의심의 여지가 없습니다. 기계 조작자는 소리와 촉감으로 이 상태를 식별할 수 있습니다. 더 중요한 질문은 이 베어링의 남은 수명이 얼마나 됩니까? 영리한 진동 분석가는 추세가 발전하고 여러 데이터 세트를 사용할 수 있을 때까지 결론을 내리지 않습니다. 각 진단에 대해 전문가 시스템은 세 가지를 기반으로 심각도 점수를 계산합니다.

<올>

진단을 뒷받침하는 피크의 수입니다.

(1)의 각 피크에 대해 기준을 초과하는 양입니다.

(1)의 각 피크의 절대 진폭.

심각도 점수의 추세는 시스템 상태를 나타내는 좋은 지표입니다. 각 진단 규칙 템플릿에 대해 심각도 점수는 경미, 보통, 심각 및 극도를 포함하는 심각도 척도로 매핑됩니다.

심각도 판단에 사용된 알고리즘은 진동 전문가들이 수동으로 분석한 방대한 테스트 결과를 바탕으로 진단별로 실증적으로 도출됐다. 베어링 마모의 징후(베어링 톤, 고조파, 측파대 및 노이즈 플로어)가 시간이 지남에 따라 증가하면 전문가 시스템이 이 사실을 인식하고 베어링 마모 진단에 할당된 심각도가 증가합니다. 추세 플롯(그림 7)에서 모터 베어링 마모 결함 심각도는 심각도가 낮습니다.

그림 7. 냉각기 4에 대한 전문가 시스템 추세 플롯

베어링의 기대 수명은 대부분 베어링에 가해지는 힘의 함수이며 상태는 지난 1년 동안 악화되지 않는 것 같습니다. 진동 분석은 베어링 상태에 대한 정량화 가능한 증거를 제공하고 소유자가 기계의 상태를 알 수 있도록 합니다. 결함이 악화되면 베어링 마모 결함 패턴이 더 두드러집니다. 전문가 시스템은 진단에 더 높은 심각도를 할당하여 응답합니다.

냉각기 소유자는 냉각기 제조업체의 서비스 엔지니어를 불러 진동을 측정했습니다. 전체 진동 측정기를 사용하여 기술자는 소유자에게 베어링에 문제가 없다고 말했습니다. 냉각기 제조업체는 전체 진동 최대 한계를 0.25인치/초(피크)로 지정합니다. 이 경우 전체 수준이 한계보다 낮을 수 있습니다. 이것은 예측 유지보수를 위해 광대역 측정을 사용할 때의 문제 중 하나를 강조합니다.

광대역 측정은 주로 스펙트럼에서 볼 수 있는 가장 높은 피크에 민감하기 때문에 광대역 측정은 베어링 마모 표시를 완전히 놓쳤습니다. BPFO 고조파 계열이 표시되지 않습니다.

결론
이 기계에서 배우고 베어링에서 최대 수명을 얻으려면 시설 엔지니어는 이 기계를 면밀히 모니터링하고 데이터를 이 냉각기 모델의 평균에 1 표준 편차를 더한 값과 비교해야 합니다. 전문가 시스템 심각도 점수는 항상 동일한 논리를 적용하고 데이터의 여러 기능을 살펴보기 때문에 베어링 상태를 일관되게 추세화하는 훌륭한 방법입니다.

심각도가 극도로 증가하여 베어링 교체가 명령되면 베어링을 보관하고 검사를 위해 절단해야 합니다. 그러면 이 사례 기록이 완전한 것으로 간주될 수 있습니다.

Azima DLI 정보
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