사례 연구:저속 기어박스 문제 진단

몇 달 전, 나는 제지 산업과 연결된 대규모 공장에서 의심되는 기어박스 문제의 진단을 도와달라는 요청을 받았습니다. 문제의 기어박스에는 132개의 톱니가 있는 큰 불 기어를 구동하는 23개의 톱니 피니언이 있는 입력 샤프트가 있으며, 이는 차례로 동일한 크기의 다른 불 기어를 구동합니다. 두 개의 기어는 직경이 약 24인치인 큰 강철 롤러에 연결되어 있습니다. 두 개의 출력 기어는 52rpm으로 회전하고 피니언은 302rpm으로 회전합니다(그림 1 참조).

그림 1.

기어박스의 윤활유는 정기적으로 분석을 받았고, 마지막 보고서에서는 오일에 철 입자가 있다고 밝혔습니다. 유지보수 감독관은 오일 오염의 원인을 확인할 수 있는지 물었고 우리가 가장 먼저 한 일은 베어링 근처에서 측정된 진동 스펙트럼을 조사하는 것이었습니다.

스펙트럼은 베어링 톤의 증거 없이 정상으로 보였으므로 우리는 금속이 하나 이상의 기어에서 나오는 것으로 의심했습니다(그림 2 참조). 문제는 결함이 있는 기어(있는 경우)를 식별하여 유지 관리 작업을 지체 없이 진행할 수 있도록 하는 것이었습니다.

그림 2.

시간 영역 신호의 동기 평균화는 오래전부터 사용되어 왔지만 제 생각에는 기계 문제 진단에 거의 사용되지 않았습니다. 어쨌든 우리는 기어박스 진동 신호의 동기 평균화를 수행하기로 결정했습니다.

여기에는 진동 분석기에서 타코미터에서 파생된 동기화 트리거를 사용하여 평균을 내는 일련의 파형 샘플을 수집하는 작업이 포함됩니다. 이것의 중요한 부분은 각 시간 기록의 시작이 해당 기어의 회전과 정확히 같은 시간에 발생해야 한다는 것입니다.

이를 통해 기어에서 오는 전체 진동 신호가 시간 영역 평균에서 강조되고 다른 기어, 샤프트 rpm 및 베어링 톤 등의 모든 진동 성분이 평균화됩니다. 이렇게 하면 장비의 다른 구성 요소로 인한 오염이 거의 없이 기어의 개별 톱니를 보여주는 시간 파형이 생성됩니다.

동기 평균화를 수행할 때 분석기의 분석 매개변수가 조정되어 시간 기록 길이가 기어의 1회전보다 약간 더 오래 걸립니다. 이것은 시간 기록 길이(T)가 스펙트럼에서 FFT 라인 간격(DF)의 역수이기 때문에 쉽게 달성됩니다. 주파수 범위와 라인 수를 선택하기만 하면 되므로 1/DF가 1을 헤르츠(Hz) 단위의 기어 속도로 나눈 값보다 더 길어집니다.

물론 동기화된 파형에서 가져온 스펙트럼을 볼 수는 있지만 파형이 필요한 정보를 제공하기 때문에 굳이 그렇게 하지 않았습니다.

동기 평균을 사용할 때 사용되는 평균의 수는 상당히 커야 합니다. 일반적으로 약 100개 정도. 여기에 설명된 테스트의 경우 90개의 평균을 사용했습니다. (설정 세부 사항은 그림 3을 참조하십시오.)

그림 3.

동기 평균화의 많은 경우 스펙트럼에 시간 정보가 포함되어 있지 않고 시간 영역에 기어 맞물림의 불규칙성이 표시되기 때문에 시간 기록이 스펙트럼보다 훨씬 더 흥미롭습니다. 이 경우 모든 스펙트럼은 눈에 띄지 않았고 단순히 기어 메시 주파수와 일부 고조파만 표시했습니다.

두 개의 불 기어 각각에 대해 동기 평균을 수행했을 때 파형에 결함이 있다는 징후는 없었습니다. 그러나 피니언에 대해 동일한 테스트를 수행했을 때 파형이 다른 이야기를 했습니다. 불 기어와의 맞물림이 매우 시끄럽고 균일하지 않은 기어의 명백한 영역이 있었습니다(그림 4 참조).

그림 4.

이 데이터를 보고 기어 점검을 요청했지만 정비실장은 20년 동안 아무 문제 없이 달렸던 것보다 진동이 더 큰 기어박스에 회의적이었다. 그러나 우리는 주장했고 마침내 기어를 볼 수 있도록 액세스 플레이트를 제거했습니다.

우리는 피니언 샤프트의 키 홈이 심하게 마모되어 기어가 기어 가장자리에서 톱니의 약 1/2만큼 샤프트에서 앞뒤로 회전할 수 있음을 발견했습니다. 샤프트와 피니언의 구멍 사이에도 눈에 띄는 간격이 있었습니다. 황소 기어에는 손상의 흔적이 없었습니다.

우리는 기어박스 공장의 엔지니어 중 한 명에게 전화를 걸어 상황을 설명했다. 그는 설치 중에 피니언과 샤프트 사이의 억지 끼워맞춤이 너무 느슨하여 문제가 발생했다고 말했습니다. 그는 샤프트와 피니언을 곧 교체해야 치명적인 고장을 피할 수 있다고 말했습니다.

이것은 원래 기어박스를 정밀 검사할 필요가 없다고 생각했던 유지 보수 사람들을 신봉자로 만들었습니다. 그 이후로 이 공장의 진동 모니터링 프로그램은 많은 인기와 존경을 받았습니다.

앞서 언급했듯이 동기 평균화는 새로운 기술은 아니지만 업계에서는 거의 사용되지 않는 것 같습니다. 이것은 어려운 일이 아니며 다른 방법으로는 거의 얻을 수 없는 기계에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 또한 소형 배터리 전원 장치에서 더 큰 주 전원 시스템에 이르기까지 이를 수행하는 많은 분석기가 시장에 나와 있습니다.

피니언의 다음 사진은 손상을 보여줍니다.

그림 5. 이 사진은 기어가 샤프트에서 앞뒤로 회전하여 발생하는 피니언 구멍의 균열을 보여줍니다.

그림 6. 이 사진은 기어 톱니 측면의 마모를 보여줍니다.

그림 7. 이 사진은 손상된 치아의 가장자리를 확대한 것입니다. 접촉 영역 끝에 있는 화난 금속을 확인하세요.

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