[nCode]회전 기계 Order Tracking, Waterfall 분석

 

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자동차 엔진 Waterfall 분석

 

이번 예제는 nCode 소프트웨어의 Waterfall 분석 툴로 회전체의 속도와 주파수에 따른 분석을 진행합니다. 이러한 분석은 회전기계(Rotating Machinery)의 진동과 소음 문제(Vibration and Noise issue) 분석에 유용합니다. 

 

Waterfall 분석은 특정 주파수에 대한 분석이 아닌 Multiple 주파수 범위에서 속도에 연관된 분석을 진행합니다.

 

측정값은 4 실린더(Cylinder) 자동차 엔진의 속도 RPM과 진동 값입니다. 

시간이 지나감에 따란 속도(RPM)이 증가합니다. 가속도는 G로 측정하였습니다.

 

 

위 그림과 같이 입력값을 WaterfallAnalysis 모듈에 연결하여 출력값을 확인합니다. 

 

WaterfallAnalysis 에 아래와 같이 설정을 합니다.

• Speed-Channels: 입력 값으로 신호값과 속도 값을 받습니다. 채널1이 신호값이고 2번이 RPM이므로 {1,2}로 설정합니다.
• General-OutputType: Power는 PSD(Power Spectral Density)로 Z축을 출력하겠다는 의미
• Speed--NumberofBuffers: Spectra에서 사용되는 FFT buffer 수
• Analysis Type: Standard의 경우 FFT spectra를 DC ~ Nyquist 주파수로 설정

 

 

그림과 같이 RPM의 변화에 따른 주파수 영역 값을 확인할 수 있습니다. 직관적으로 확인하기 위해 위해서 보는 화면 또는 아래 그림과 같이 Campbell Plot 방식을 사용해서 공진에서 증폭이 많이 되는 부분은 원의 직경을 크게 만들어서 시각적으로 구분되게 만들 수 있습니다. 

 

위 그림은 Campbell Plot 설정에서 Order Tracking의 0.25, 2번 라인을 0.5굵기로 표기한 화면 입니다. 해당 라인의 Order가 명확하게 보이는 것을 알 수 있습니다.

 

 

 

자동차 엔진 Waterfall 분석: Order Track

 

위 그림과 같이 Waterfall 화면에서 해당 order에 해당하는 선을 직접 긋거나 입력해서 Slice 값을 확인할 수 있습니다.

 

 

아래 그림은 Conflex Mnaipulation 모듈을 사용해서 Order 의 Slice 값을 Bandwidth 설정하여 가져 오는 방식 입니다.

 

CFManipulation은 위와 같이 설정이 가능한데 분석하고자 하는 order 번호를 입력하고 해당 Order의 Bandwidth 범위내에 값들을 가져와서 RMS로 표기 합니다. 그러므로 Bandwidth가 커지면 다른 Order 성분의 값이 포함될 수 있으므로 적절한 범위 내에 값을 설정할 필요가 있습니다. 

 

 

 

 

자동차 엔진 Waterfall 분석: Order Smear 해결

앞서 과정은 기본 고정 샘플링에 대한 오더 분석 내용이었습니다. 고정 샘플링(Sample rate) 주파수로 측정을 하게 되면 오더 Smear라는 문제가 발생하게 됩니다.

 

Order Smear란 Order 라인을 따라 선이 명확하지 않고 고주파로 갈 수록 손으로 밀어낸 듯이 정밀도가 떨어지는 라인이 보이게 됩니다. 이는 RPM이 증가하면서 고주파 성분이 많아지게 되는 데 이를 저주파와 동일한 샘플링으로 가져가다 보니 Δf = 1/T에 의해 주파수의 정밀도가 떨어지게 되는 것입니다.

 

해결책으로는 크게 두가지 방법이 있습니다.

 

• RPM에 맞춰 샘플링 rate 증가 측정
• 소프트웨어에서 RPM에 맞춰 resampling 진행

 

 

위 그림은 기존의 RPM과 진동 가속도 값을 아래와 같이 Order에 맞춰서 Resampling 해줍니다.

 

OrderNormalization을 하게 되면 한번 회전 당 2^n 으로 Resample을 진행하게 됩니다. 

 

첫 번째 그림은 x축이 시간에 따른 입력값이고 resampling을 통해 두번째 그림처럼 revolution(회전수)에 따른 그래프로 변환 되었습니다. 

 

위 그림과 같이 WaterfallAnalysis1을 추가해서 WaterfallDisplay를 x축을 Order로 해서 확인이 가능합니다.

 

 

위 그림과 같이 Order를 X축으로 Order Smear을 없애고 분석을 완료 하였습니다.