[ObserVIEW] 모터, 엔진의 오더 분석이란? 실제 사례 분석하기(Order Analysis, Tracking, Motor, Engine)

 

목차

 

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오더란? 그리고 오더 트랙 분석이란?

 

오더(order)란 회전하는 기계 또는 구성요소가 한 번 회전할 때 발생하는 진동(Vibration) 또는 소음(Noise)의 특정 패턴이나 이벤트의 횟수를 나타내는 용어입니다. 이는 기계적인 진동 분석에서 중요한 개념으로, 주로 회전 기계의 진단 및 모니터링에 사용됩니다.

1st order 이벤트는 기계가 한 번 회전할 때 정확히 한 번 발생하는 이벤트를 말합니다. 예를 들어, 자동차 엔진의 한 실린더가 피스톤으로 인해 한 번의 파워 스트로크를 만들 때, 이는 1st order 이벤트입니다. 3rd order 이벤트는 기계가 한 번 회전할 때 세 번 발생하는 이벤트를 의미합니다. 예를 들어, 자동차 엔진의 크랭크샤프트(Shaft)가 한 바퀴 돌 때마다 세 개의 실린더가 파워 스트로크를 하면 이는 3rd order 이벤트가 됩니다.

 

 

오더 분석 목적

 

오더 트래킹(Order Tracking)은 변하는 RPM(Revolutions Per Minute, 분당 회전수)을 참조하여 이러한 회전 관련 이벤트를 분석하는 과정입니다. 기계가 속도를 변경할 때(예: 엔진의 RPM이 증가하거나 감소할 때) 각 오더의 진동이 어떻게 변하는지를 분석하여 기계의 상태를 평가하고 문제를 진단하는 데 사용됩니다.

 

RPM 대 주파수 스펙트로그램은 이러한 분석을 시각화하기 위해 사용되는 툴입니다. 이 스펙트로그램은 RPM의 변화에 따른 주파수 대역의 에너지 분포를 시간에 따라 보여줍니다.

 

 

오더 트래킹은 다양한 환경에서 분석될 수 있습니다.

• 엔진 램프 업(Engine Ramp Up): 엔진의 RPM이 점차 증가하는 경우, 오더 트래킹은 각 오더의 진동이 어떻게 증가하는지를 분석합니다.
• 코스트 다운(Coast Down): 엔진이나 기계가 꺼지고 RPM이 자연스럽게 감소할 때, 오더 트래킹은 각 오더가 어떻게 감소하는지를 분석합니다.

 

이외에도 기어 박스, 변속기, 터빈, 펌프, 모터 등 다양한 회전 기계에서 오더 트래킹은 중요한 정보를 제공합니다.

 

자동차 엔진의 오더 트래킹을 예로 들어보겠습니다. 엔진이 공회전 상태에서 점차 속도를 높이는 램프 업 단계에 있습니다. 엔진 진단 전문가는 오더 트래킹 장비를 사용하여 엔진의 RPM 증가에 따라 1st, 2nd, 3rd 등 각 오더의 진동이 어떻게 변하는지 분석합니다. 스펙트로그램을 통해 RPM이 증가함에 따라 특정 오더의 진동 수준이 비정상적으로 증가하는 것을 발견했다면, 이는 엔진 내부의 특정 부품에 문제가 있음을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 2nd order 진동이 과도하게 증가한다면 이는 엔진의 밸런싱 문제를 시사할 수 있습니다.

 

이와 같은 분석을 통해, 기계적 결함을 조기에 발견하고 적절한 유지보수를 통해 큰 고장으로 이어지는 것을 방지할 수 있습니다.

 

 

 

 

ObserVR을 사용한 오더 분석

 

오더 측정(Order Measurement)을 위해서는 위와 같이 DAQ 장비와 회전 속도를 측정할 수 있는 타코미터(Tachometer)가 필요 합니다. 

 

위 제품은 팜테크에서 제공하는 OberVR1000 이라는 휴대용 DAQ 장비로 배터리로 동작을 하고 가속도(Acceleration), GPS, 변위 등 다양한 센서 값들을 읽고 저장하는 장치 입니다. 해당 장비는 ObserVIEW라는 소프트웨어와 연동해서 동작합니다.

 

아래는 타코미터 센서로 RPM을 측정하고 해당 엔진에서 발생하는 진동(Vibration)을 가속도 센서(Accelerometer)로 측정하여 그래프로 나타낸 화면 입니다.

 

 

 

아래에 Order Analysis에서 Spectogram을 추가 하면 아래와 같이 Spectogram 그래프를 확인할 수 있습니다.

 

 

 

우측에 Window Function을 사용해서 아래와 같이 적용할 수 있습니다. 스펙트로그램에서 윈도우 함수(window function)를 적용하는 주된 목적은 신호 처리에서 발생할 수 있는 특정 유형의 왜곡을 최소화하기 위함입니다. 신호의 스펙트럼 분석을 수행할 때, 우리는 일반적으로 무한한 신호를 가지고 있지 않으며, 따라서 분석을 위해 신호의 일부분(윈도우)만을 잘라내어 사용합니다. 이 때문에 다음과 같은 이유로 윈도우 함수가 필요합니다. 아래는 Hamming 윈도우를 적용하였습니다.

 

 

 

해당 그래프에서 Time Domain에 클릭 후에 Property를 확인하면 sampling rate를 확인할 수 있습니다. 해당 값을 인지하고 Nyquist Sampling을 위반하지 않는 적절한 주파수 Resolution을 아래와 같이 선정해서 정밀하게 확인할 수 있습니다.

예를 들어, 엔진이나 기계의 1st 오더 진동을 측정하려고 할 때, 3000 RPM에서 1st 오더는 기계가 1회전할 때 한 번 발생합니다. 분당 회전수(RPM)를 주파수(Hz)로 환산하려면 60으로 나눕니다. 즉, 3000 RPM은 초당 50회전(Hz)에 해당합니다.
따라서, 1st 오더의 주파수 해상도는 최소한 50 Hz 이상이어야 합니다. 그러나 3rd 오더의 경우, 같은 3000 RPM에서는 150 Hz (50 Hz x 3)의 해상도가 필요합니다. 오더가 높아질수록, 그리고 RPM이 높아질수록 필요한 주파수 해상도도 높아집니다.

 

이때 정밀도가 Sampling Rate를 넘어서는 경우 아래와 같이 메세지가 발생합니다. 그러므로 Application에 맞춰 적절한 값을 선정합니다.

 

 

 

 

 

최종적으로 그림과 같이 RPM을 고정으로 주파수의 Cross Section과 Order Line(대각선)을 따라 RPM 을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 Abnormal한 진동을 RPM의 변화에 따라 분석하여 진단할 수 있습니다.

 

 

 

위 제품 및 교육 문의는 팜테크 홈페이지를 통해 해주시면 됩니다.