Development of Acoustic Emission(AE) Sensor for Prognosis Detection of Bearing Fault

베어링 고장 예후검출을 위한 음향 방출(AE)센서 개발

Abstract

Most mechanical systems are now operating consistently and getting faster due to the development of automation systems. Peoples' dependence on machines have increased as when problems occur within the mechanical system, personal injury and production loss may come as a result, as most of the mechanical system's malfunctions are caused by the failure of the rotational bearing. What we need now is a maintenance system that can warn us when it detects abnormal conditions before significant damage occurs to the bearing. In this study, we have developed an acoustic emissions sensor that can figure if the bearing works under the normal condition. With this acoustic emissions sensor, we can inspect the bearing for defects by using the Heterodyne technique, which converts the ultrasound signal into audio, as a signal conditioning process.

1. 서 론

산업설비나 기계가공 시스템 등이 고속화, 자동화됨에 따라 제품의 생산속도가 증가하고 생산성이 향상되고 있으며, 이에 따라 안정성 확보가 요구되고 있다. 설비시설들은 기기에 대한 의존성이 커짐에 따라, 기기의 파손, 고장에 의한 대형사고와 운전정지에서 발생하는 생산 손실 등의 피해가 커지게 된다. 산업설비 및 기계시스템에서 발생되는 고장의 양상은 다양하지만, 진동 발생이 많은 회전체에서는 필수적인 요소인 베어링에서 특히 많이 발생하고 있다.

베어링 고장원인으로는 불충분한 윤활, 부적절한 윤활재의 사용, 베어링의 잘못된 설치, 축계의 과도한 변형 등이 있다. 과거에는 숙련된 기술자에 의하여 이러한 문제들을 진단하고 고장 여부를 판단하였으나, 대부분 진단시간이 길고, 주관적이며, 경우에 따라 기기 시스템의 작동을 중단해야 하는 단점을 지니고 있다. 최근에는 기기 시스템의 작동을 유지하면서, 베어링의 고장을 진단할 수 있는 시스템이 요구됨에 따라 지속적으로 베어링 작동 상태를 모니터링하여 고장전에 미리 이상을 발견할 수 있는 형태의 기술로 발전되고 있다.

베어링 작동상태를 모니터링하는 감시 장비로는 가속도 센서를 가장 일반적으로 사용하고 있으며, 이 밖에도 사용목적과 용도에 따라 여러 종류의 센서들이 이용되고 있다. 저속의 선회 베어링의 상태검사에는 발생된 진동신호를 이용한 EEMD법이 사용되기도 한다(1). 베어링 진단을 위하여 사용되는 가속도 센서는 베어링의 고장이 진행된 이후에야 상태변화가 측정되므로, 베어링의 정상상태와 파손상태만을 판별할 수 있다. 따라서 베어링의 효율적인 유지관리를 위해서는 베어링의 파손이 진행되기 전에 고장예후를 미리 감지하기 어렵다는 단점이 있다.

이 연구에서는 기기 시스템의 작동 중 베어링 상태를 초음파 영역의 신호를 측정하여 베어링의 고장예후를 검출할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다. 베어링이 파손되기 전에 발생되는 초음파 영역의 이상 신호를 측정한 후, 분석이 용이한 가청영역의 소리로 변조하여, 베어링 이상상태에 대한 정보를 보다 간편하게 구분하고자 한다. 이 시스템에 적용할 수 있는 초음파 센서를 개발하고 센서의 신호를 가청영역으로 변조할 수 있는 분석 시스템을 개발한다.

 

2. AE 센서

2.1 음향방출

탄성파 에너지란 탄성영역에서 외력에 의해 축적된 에너지로서 소성영역에서는 변형에너지로 사용된다. 고체재료의 변형이 탄성영역을 지나 소성영역으로 진행되면 재료에서는 균열이 발생하게 되고 더 나아가 재료의 파괴로까지 이어지게 된다. 이때 변 형에너지는 재료의 균열 및 파괴의 진전에 대부분사용되며 남은 변형 에너지는 음파나 열 등의 에너지로 소비된다. 여기서 음파로 발생되는 에너지의 현상을 음향방출 즉 AE(acoustic emission)라고 한다(2).

재료 내부에서 균열이 발생할 때 발생되는 탄성파 에너지인 AE파는 수 kHz~수 MHz에 이르는 초음파 영역의 높은 주파수를 가지고 있다. 이를 이용한 AE 측정은 극히 미세한 비가역적 변형에 기인하므로 건축구조물, 기계시스템, 콘크리트 재료의 구조 상태 감시, 밸브에서의 누출 측정, 고압선 애자의 고장여부 측정 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하지만 재료에서의 AE 신호 발생이 다양한 원인에 의해서 동시에 일어날 경우에는 이들을 서로 구별하기 어렵고 발생 신호에 대한 표준화된 데이터가 없어 시험 결과 분석에 난해성을 가지고 있는 단점이 있다(3,5).

2.2 AE 센서의 구조와 종류

AE 센서는 초음파인 AE파에 대하여 민감하게 반응하여 전기적 신호로 출력하게 한다. 따라서 AE센서에서 가장 핵심이 되는 물질은 AE파를 센싱하는 압전 세라믹스이며 압전 세라믹은 PZT라고 불리는 티탄산 지르콘산연(PB(Zr-Ti)O3)이 주로 사용되고 있다.

AE 센서의 종류로는 재료의 AE파 주파수 중 센서의 압전 세라믹스 공진주파수를 강조하여 보여주고 다른 주파수는 빨리 감쇠하여 특정 주파수 대역의 상태를 확인하는 공진형 센서와 검출 주파수 범위가 넓고 주파수 피크가 평탄하여 재료의 주파수 성분 확인에 주로 사용되는 광대역형 센서가 있다. Fig. 1은 공진형 센서와 광대역형 센서의 구조를 비교한 것이다(4). AE 센서의 구조에서 수신판(wear plate)은 시험체 표면에서 방출되는 초음파 대역의 AE파를 압전 세라믹에 전달해 주는 매개체로 보통 백색 알루미나나 세라믹 판을 많이 사용한다. AE 신호는 최종적으로 압전 세라믹의 진동에 의한 전압 신호로 출력된다(5).

Fig. 1AE sensor type and structure

 

3. AE 센서 설계 및 제작

NASA에서 실시한 선행연구의 결과에 의하면 베어링 고장 예후에 의한 주파수 특성이 24 kHz~50kHz에서 음향방출 특성이 나타난다는 보고가 있다(6). 널리 이용되는 상용 AE 센서로는 미국 P사의 센서를 들 수 있는데 이 센서는 측정영역에 따라 다양하게 분포되어 있으며, 상대적으로 낮은 초음파 영역인 25 kHz~70 kHz인 제품과 높은 초음파 영역인 125 kHz~750 kHz인 제품이 많이 사용되고 있다. 스위스 K사의 AE 센서는 주로 50 kHz~400 kHz 또는 100 kHz~900 kHz를 측정하는 제품이 많이 이용되고 있다.

이 연구의 목적은 베어링에서 발생하는 주파수 특성 영역인 24 kHz~50 kHz에서 높은 감도를 지니고, 베어링에 탈부착이 용이한 AE 센서를 개발하는 것이다. 이를 위하여 베어링 이상에서 발생하는 AE파를 잘 전달받기 위한 구조적 설계가 필요하다.

3.1 센서의 구조 설계

베어링의 탄성파 신호를 잘 감지하기 위해서는 베어링에 직접 부착하는 것이 가장 좋지만 실제 베어링에 직접 센서를 부착하는 것이 불가능하여 강한 자성을 이용하여 베어링 하우징에 부착 가능한 구조로 하였다. 그리고 센서를 사용함에 있어서 잦은 탈부착에도 센서가 쉽게 손상을 입지 않아야 하며, 부착 시 베어링의 회전으로 인한 진동과 충격에 의해 센서의 위치가 변화 되거나 떨어지지 않을 정도의 강한 부착력을 가져야 한다.

Fig. 2는 개발된 센서 구조를 보여주며 자석을 이용하여 강한 자력으로 베어링 하우징에 센서를 탈부착하며 베어링 하우징과의 접촉부분은 베어링에서 나오는 AE 신호에 대한 진동자 역할을 하게 된다. 수신판(wear plate)은 자석에 부착되며 진동자로 부터 전달되는 AE 신호를 받아 수신막대(rod)부분으로 신호를 전달해 주는 역할을 한다. 수신막대는 수신판에서 받은 신호를 다시 압전 세라믹스에 전달해주는 역할을 하는 것으로 압전 세라믹스의 진동에 영향을 최대한 주지 않기 위해 접촉되는 수신막대의 면적을 최소화하여 설계하였다.

Fig. 2Structure of the developed sensor

센서의 초음파 신호를 가청대역 주파수로 신호처리하기 위하여 광대역형 모델을 적용하였으며, 변조 주파수 대역에 대한 평균적인 출력 신호를 나타내도록 압전 세라믹스 주변에 실리콘을 충진하였다. 또한 실리콘 충진으로 수신막대와 압전 세라믹스 및 전선의 결합에 대하여 외부의 충격으로부터 보호할 수 있게 된다.

3.2 AE 센서 구성품 제작

압전 세라믹스는 AE 센서에서 공진주파수 결정에 따라 센서 성능을 결정짓는 가장 중요한 핵심부품이다. 압전 세라믹스의 진동 형태는 여러 가지 방향성을 가지고 있으며, 그 중 두께 방향으로 진동하는 형태인 휨 모드(flexure vibration mode)가 공진주파수와 일치하는 세라믹스를 선택하였다.

또한, 세라믹스 2개의 판을 서로 역방향으로 분극하여, 외부로 출력되는 전압을 2배로 증가시켜주는 바이모프 압전 전기(Bimorph piezo electric)방식의 세라믹스를 사용하였다. Fig. 3과 같이 가로·세로가10 mm이고 두께는 0.9 mm로 가공한 압전 세라믹스를 임피던스(impedance) 분석기를 이용하였으며 측정된 공진주파수는 34.4 kHz이다. 이렇게 함으로써 압전 세라믹스의 공진주파수가 베어링의 음향방출 특성 주파수 대역에 포함되어 베어링 상태에 따른 신호를 세라믹스의 공진점 부근에서 검출을 하게 된다. 이는 베어링 고장 예후 특성이 24 kHz~50 kHz사이에서 AE파가 검출 된다는 선행 연구결과를 바탕으로 검출 주파수 범위 안에서 작동 할 수 있도록 압전 세라믹스를 가공하였다. 수신막대와 압전 세라 믹스의 결합은 에폭시 접착제를 사용하였으며 센서하우징은 자화가 발생하지 않도록 스테인레스 스틸로가공하였다. 진동자는 강철로 가공하고, 자석은 가로 15 mm, 세로 25 mm, 두께 6 mm인 네오 디움(NdFeB)을 별도로 제작하였다. 센서 하우징과 진동자 및 자석 사이에 경도가 높은 실리콘을 도포해 진동자와 자석이 분리되는 것을 방지하였다. 수신판과 수신막대의 재질은 탄소강 재질로 가공하였으며, 수신막대가 PZT의 가운데 접착되는 면적은 2.5 mm2이 된다. Fig. 4는 완성된 센서의 사진이다.

Fig. 3Piezoelectric ceramic plate and measurement of the natural frequency

Fig. 4Photograph of the AE sensor

 

4. 헤테로다인 검출기법

4.1 헤테로다인 변조 목적

재료의 균열 및 파손 진전으로 발생하는 탄성파 에너지는 AE 센서를 사용하여 검출되어지나 그 검출 신호를 확인해 보면 매우 높은 주파수 영역의 신호를 가지고 있다. 이러한 고주파 영역을 사람이 들을 수 있는 가청 주파수로 변환하여 소리 정보를 이용하여 재료의 고장에 대한 유무 판단을 하게 된다면 빠른 시간에 쉽게 고장예후 여부를 확인할 수 있다. 실제 이러한 방법은 초음파를 이용한 검사장비에서 많이 사용되고 있다.

이 연구에서 개발한 AE 센서의 신호를 가청영역으로 변환하여 확인한다면 베어링의 이상 유무를 판단할 때 수월한 판단과 시간 단축이 가능하게 된다. 따라서 사람이 들을 수 없는 초음파 영역의 신호를 가청 신호로 변환하여 주는 방법은 주로 헤테로다인 (heterodyne)검출 기법을 사용하고 있다.

4.2 헤테로다인 기법

헤테로다인(heterodyne)은 슈퍼헤테로다인(super heterodyne)이라고도 불리며, 입력신호에 대하여 수신단계에서 주파수를 처리하는 과정으로 현재AM방송 수신기로 주로 사용되고 있다. 이것은 안테나로 들어오는 수신 주파수와 상관없이 변조되는 중간주파수를 항상 일정하게 하여 포락선 검파된 신호를 동일한 주파수의 신호로 출력해 내는 방식이다(7).

헤테로다인 기법은 입력된 수신신호에 대하여 중간 주파수로 변조하여 주파수 선택이 편리하고 정보 신호에 대한 증폭이 용이하여 소리로 들리는 감도를 좋게 할 수 있다. 반면 회로가 복잡하여 조정하기가 어렵다는 단점을 가지고 있으며 Fig. 5는 헤테로다 인 방식의 AM수신기에 대한 일반적인 구조도이고 그 명칭과 역할들은 다음과 같다(8).

Fig. 5Block diagram of a heterodyne

무선주파수단(RF)에서는 안테나로 받은 수신신호를 반송파 주파수를 발생하여 동조시킨 후 증폭시키며, 국부발진기(LO)는 중간주파수(IF)에서 처리되는 주파수를 맞추기 위한 신호 주파수를 생성한다. 생성된 무선주파수와 국부발진기의 주파수는 혼합단(mixer)으로 출력되고 두 신호를 받은 혼합단에서는 두 신호의 곱셈을 통한 합과 차를 가지는 신호가 생성된다.

중간주파수단에서는 혼합단에서 새롭게 생성된 두 신호를 정해진 중간주파수에 맞는 신호만 여과 및 증폭하고 다른 한 신호는 버리게 된다. 여과된 신호는 복조단(demo-dulator)에서 포락선을 검파하여 원하는 정보신호를 획득하여 재생하게 된다.

예를 들어 베어링에서 발생하는 AE파에 의한 초음파 신호를 중간주파수 34 kHz, 대역폭 8 kHz로 헤테로다인 변조를 수행하면, 30 kHz~38 kHz 영역 신호가 0 kHz~8 kHz의 신호로 이동된다. 이 신호로서 베어링의 고장 유무에 대한 진단을 할 수 있게 된다.

 

5. 개발 센서의 검증 실험

5.1 시험장비 제작

개발한 센서를 이용하여 베어링의 고장을 검출하기위해서 베어링의 속도변화, 회전하는 축의 부하 변화가 가능하고, 다양한 크기의 베어링이 적용 가능하도록 Fig. 6과 같이 시험 장비를 제작하였다.

Fig. 6The experimental set-up

서보모터와 제어기를 이용하여 속도변화 및 부하의 변화를 구현하였다. 모터와 베어링이 부착된 축의 회전으로 인한 진동으로 구조물에 전달되지 않도록 동력계(dynamometer)를 사용하여 시험 장비를 고정하였으며 모터와 회전축을 유연커플링으로 결합 하였다.

5.2 결함 베어링 선정

베어링의 파손의 대표적 유형으로는 윤활 부족, 과도한 그리스 주입, 조립 부주의로 인하여 베어링 외부 파손, 수분이나 관리의 미숙으로 인한 베어링 부식과 표면에 점식현상으로 인한 녹 발생 등이 있다.

정상베어링과 결함 베어링의 대조 실험을 위하여, 베어링 업체로부터 외관상 문제가 없지만 파손이 발생하기 전 내부 크랙이 발생된 것으로 판단되어 고장으로 판정된 롤러베어링을 제공 받았다. 제동 받은 베어링은 내경이 25 mm, 외경이 62 mm이며, 두 께는 17 mm인 롤러 베어링이고, 베어링의 외륜이 양쪽으로 분리되는 타입이다. Fig. 7은 베어링업체로 부터 제공받은 샘플 베어링이다.

Fig. 7Defected bearing supplied from the bearing company

5.3 센서 신호에 대한 분석

개발한 센서를 검증하기 위하여 우선 베어링의 정상상태와 고장상태에 나오는 AE 센서 신호 출력만으로 베어링의 고장에 대한 유무 판단을 할 수 있는지 실험해 보았다. 실험 조건으로는 회전속도가 각각 500, 1000, 1500, 2000 rpm일 때 정상상태의 베어링과 고장상태의 베어링에 부착된 AE 센서 신호를 확인하였고, 그 결과는 Fig. 8과 같다. 정상 베어링과 고장 상태 베어링의 회전속도별 AE 센서의 신호를 10초 동안 측정한 것으로 개발 센서에서 출력되는 시간 신호(좌측)와 62.5 kHz까지의 주파수 특성(우측)을 분석한 것으로 위 신호는 정상상태의 베어링이고, 아래 신호는 고장난 베어링의 신호이다. 그래프에서 보는 바와 같이 500 rpm을 제외하고는 정상 베어링(아래)과 고장상태 베어링(위)의 시간 신호와 주파수 신호에 큰 차이가 없다. 특이하게도 베 어링의 이상 신호로 알려진 24 kHz~50 kHz 영역을 확대하더라도 두드러진 차이를 나타내지 않는다.

Fig. 8Sensor signal from the bearing comparison test

그러므로 센서에서 측정한 신호만으로는 베어링 상태를 판정하기 어려우며, 센서 출력에 대한 별도의 신호처리가 필요함을 알 수 있다.

5.4 헤테로다인 장비를 이용한 신호 분석

베어링 이상 유무를 판별하기 위하여 헤테로다인 기법을 사용하여 초음파 신호를 가청대역으로 변환하여 신호를 살펴보았다. Fig. 9는 1500 rpm으로 회전할 때, 개발한 AE 센서 측정 신호를 표기된 중심 주파수를 기준으로 대역폭 8 kHz로 헤테로다인 변조를 수행한 결과를 나타낸다. 그림의 오른쪽 신호는 정상과 고장상태 베어링의 AE 신호에 대한 헤테로다인 신호처리 후 출력되는 10초간의 시간 신호(좌측)와 8 kHz까지의 주파수 특성(우측)을 분석한 것으로 그림의 위 신호는 정상상태의 베어링이고 아래 신호는 고장상태 베어링의 신호이다.

Fig. 9Bearing comparison test

개발 AE 센서에서 출력되는 시간 신호와 주파수 특성에 대한 실험은 난해함을 가지고 있었으나, 출력 신호를 27 kHz~36 kHz의 중심주파수로 헤테로다인 변조하면 베어링의 상태를 판별할 수 있는 신호의 진폭 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 8(c)를 24 kHz~40 kHz 부근에서 확대했을 경우와 확연히 다르게 나타났다. 헤테로다인 변조가 단순히 주파수 영역을 옮기는 것 이외에 노이즈를 제거하는 효과가 있기 때문으로 판단된다. 특히 중심주파수 27 kHz로 변조한 신호에서 차이가 가장 뚜렷한 신호를 확인하였으며, 특히 변조 후 신호를 살펴보면 1 kHz~2 kHz의 주파수 성분이 고장상태 베어링이 정상상태 베어링의 두 배 정도 증가한 것을 알 수 있다. 헤테로다인 변조된 신호는 가청주파수 영역의 성분을 지니므로, 소리신호로 재생하여 보면, 음색과 크기가 현저히 다른 것을 알 수 있다.

중심주파수가 40 kHz 이상일 경우에는 정상상태 신호와 고장상태 신호가 두드러진 차이를 보이지 않았으나 전체적으로는 고장상태 베어링이 정상베어링 보다 전체 주파수에서 높은 진폭을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 50 kHz 이상의 중심주파수에 대해서는 정상 베어링과 고장상태 베어링의 신호 차이를 판별하기가 어려웠다. NASA의 선행 연구 결과에 충족되는 범위안에서 검출되는 것을 확인할 수 있었다.

기존에 알려진 바와 같이(5) AE 신호를 주파수 별로 일정한 게인이나 분해능 등을 통하여 정확하게 변환하지는 못하였으나, 검증 실험을 통하여 개발 센서가 베어링의 이상여부를 검출해내는 대에는 충분한 결과를 얻었다.

향후 개발 센서를 이용하여 다양한 기기 조건과 다양한 베어링 상태에 대하여 실험을 진행하고 표준화된 데이터를 획득하면, 베어링 사용과 관리에 있어서 중요한 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

 

6. 결 론

이 연구에서는 베어링 내부 결함으로 인하여 발생되는 초음파 신호를 측정하여 베어링 파손 전 고장 징후를 예측할 수 있는 시스템을 개발하였다. 기기 시스템의 작동 중 베어링 상태를 측정할 수 있는 초음파 센서를 설계 제작하였고, 센서의 신호를 헤테로다인 변조를 통해 가청영역으로 변조하여 사용하였다.

이 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 공진주파수가 34.4 kHz의 압전 세라믹스는 베어링 파손 전 발생하는 24 kHz~50 kHz의 이상 신호를 검출할 수 있다. (2) AE 센서는 하우징, 진동자, 수신막대, 압전 세라믹과 자석을 이용한 구조로 설계하였다. 수신막대는 접착되는 부분을 최소화하여 세라믹의 자체 진동이 미치는 영향을 최소화하였다. (3) 비교 실험을 위한 시험 장비를 제작하였고, 실험의 결과, 시간 신호와 신호의 주파수 특성만으로는 베어링의 고장 유무에 대한 판단이 어려워 추가의 신호처리 과정이 요구되었다. (4) 고주파인 AE 신호에 대하여 헤테로다인 변조를 이용한 결과, 정상상태와 고장상태의 베어링에 대한 신호의 차이를 검출하였으며 특히 중심주파수 27 kHz에서 뚜렷한 신호 차이가 검출되었다. (5) 작동 베어링에서 발생되는 초음파 신호의 헤테로다인 변조를 통한 분석으로 고장 전 베어링에 내재되어 있는 균열, 크랙 또는 결함 여부를 판정할 수 있었다.