KR20030093702A - 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법에 관한 것으로, 유압펌프의 압력 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하고 이를 나열하여 이들 중에 추가적으로 발생되었거나 왜곡된 주파수가 나타난다면 많은 자료들을 통하여 그 원인의 대부분이 펌프 내부의 손상인 마모로 인한 것으로 판단하도록 하되,

유압펌프가 회전할 때 가변유압펌프일 경우 스플의 왕복운동에 의한 유량과 유압이 생성되고, 기어펌프의 경우에는 치차의 회전운동에 의한 유량과 유압이 생성되므로, 상기 스플의 운동과 치차의 회전에 따른 미세한 맥동 압력파가 발생되면서 회전축에 발생하는 진동을 검출하고,

회전수에 스플의 개수나 치차 수를 곱한 값인 상기의 진동과 맥동 압력이 일정한 주기로 만들어지면 유압펌프가 일정한 회전으로 작동되는 것으로 판단하고,

상기의 진동과 맥동 압력에 의한 진동 주파수 범위 외에 다른 주파수가 다수 존재하게 되면 여러 개의 스플이나 기어의 치차가 손상되었음을 진단하도록 함으로써 간단한 방법에 의해 고장의 여부 및 정도를 파악하면서 큰 고장이 발생하기 전에 미리 예방 및 조처를 취할 수 있어 오동작으로 인한 피해를 미연에 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법{System for remotely sensing oil pump and sensing method thereof}

본 발명은 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법에 관한 것으로, 유압펌프의 회전운동 중에 발생하는 회전축의 진동을 직접 센싱하여 유압펌프의 기계적 마모와 파손을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 펌프의 상태를 휴대기기의 문자 또는 코드 메시지를 통한 원격지로 송출할 수 있도록 한 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법에 관한 것이다.

일반적으로 유압펌프는 유압쇼벨, 크레인, 기타의 유압기계, 유압장치에 있어서, 유압에너지를 발생시키는 가장 중요한 기계이며, 이들 유압펌프의 고장은 쉽게 감지하기 어렵다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.

그리고 상기의 유압펌프에 한번 발생된 고장은 치명적인 경우가 대부분이므로, 유압펌프를 진단하고 그 상태를 파악하여 고장 발생의 조짐을 미리 알 수 있도록 하는 것은 유압기기 시스템의 정상동작과 효율 향상에 매우 중요한 문제이다.

종래의 유압펌프의 고장진단 기술은 유압펌프의 작동압력을 측정하여 분석하는 것으로, 유압펌프의 상태파악과 진단을 시도하였다.

즉, 진단의 대상이 되는 가변용량 유입펌프는 변위 용적 가변기구(이하, 이것을 사판(斜板)으로 칭한다)를 가지며, 자신의 토출압력에 따라서 사판을 조작하도록 레귤레이터에 접속되어 있으므로, 유압펌프의 고장을 진단하기 위하여 유압테스터가 필요하며, 이 유압테스터는 유압을 측정하는 압력계, 유량을 측정하는 유량계, 가변용량 유압펌프의 토출관로를 조이고 토출압력을 상승시키는 수동의 가변 조리개로 구성되어 있다. 가변용량 유압펌프에는 또, 그 회전수를 측정하는 회전계가 접속된다.

가변용량 유압펌프의 고장을 진단하기 위해서는 가변용량 유압펌프의 토출측에 접속되어 있는 배관을 절단하고, 펌프의 토울측의 배관부분을 유압테스터의 입구에 유압 호스 등의 배관을 통해 접속하며, 유압테스터의 출구를 동일하게 유압호스 등의 배관을 거쳐 작동유 탱크에 접속시킨 다음에 가변용량 유압펌프를 엔진 등의 원동기로 구동하면서 그때의 펌프의 회전수(N)를 회전계에 의해 계측하였다.

이 상태에서 테스터의 가변조리계를 조작하여 압력계의 값(가변용량 유압펌프의 토출압력)이 설정값(Pref)이 될 때까지 관로를 조이고, 이때의 펌프의 토출량(Q)을 유량계로 계측한다. 이 경우 토출량은 토출압력에 따라서 레귤레이터에 의해 제어되는 사판의 위치에 따라 결정된다.

다음에 상기 회전수(N)와 상기 설정 압력(Pref)에 의거하여 펌프의 이론적인 토출량(Qref)을 산출한 후 이론적인 토출량(Qref)과 앞서 계측한 토출량(Q)을 비교하여 그 차가 허용치를 초과하였을 때 이 펌프는 고장상태에 있다고 판정하였다.

이와 같이 종래의 고장 진단장치에 있어서는 고장의 진단을 정확하게 할 수 있지만, 진단을 수행할 때 설치되어 있는 유압배관의 일부를 절단 분리하여 접속용 배관이나 유압테스터를 부착하지 않으면 안되고, 이 작업에 많은 시간을 소요하며, 또 유압배관의 절단 분리 시에 배관내에 먼지 등의 이물이 끼일 우려가 있었다. 또한 진단 자체, 가변 조리개를 조작하여 압력계, 유량계의 지시값을 해독하여야 하며 이점에서도 많은 시간을 요하며, 진단도 번거로운 것이었다. 또한 대형 유압쇼벨과 같이 기계장치가 다수의 유압펌프를 구비하고 있는 것이며 어느 것인가의 유압펌프에 고장이 발생하고 있는 것을 알고 있을 경우상기 종래의 고장 진단장치로는 어느 유압펌프가 고장이 났는가를 발견하려면 많은 시간을 요하고 있었다.

이에 따라 1984년 특허출원 제 1984-0004488호(유압펌프의 고장 진단장치)가 제안되었는 바,

이는, 고장 진단의 대상이 되며 조작레버에 의해 조작되는 가변용량 유압펌프는 사판, 사축 등의 변위용적 가변기구(이하 사판이라 함)를 가지고 있고,

상기의 사판은 입력신호에 따라서 레귤레이터 즉, 사판 구동장치에 의해 구동되며 사판의 위치 즉 변위량은 변위계에 의해 검출되도록 하고,

상기의 변위계는 검출된 사판 변위량에 따른 변위신호를 출력하고, 조작레버는 조작된 량에 따른 조작신호를 출력한다.

상기 변위계의 변위신호와 조작레버의 조작신호는 조작레버의 조작에 따라 사판을 구동 제어하는 제어장치에 입력되며, 제어장치에는 양쪽신호의 차를 연산하여 그 차에 따른 신호를 사판 구동장치에 입력함으로써 사판을 구동하도록 하였다.

이와 같이 사판이 조작레버에 의해 작동하고 사판의 변위를 검출하는 변위계의 출력신호가 조작레버의 출력신호와 동등하게 되면 제어장치는 사판 구동장치에정지신호를 출력하도록 하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 유압펌프의 고장 진단장치에 의하여서는 유압펌프를 이루는 강체부품의 성질을 유체를 통한 간접적 상태량으로 파악하려는 것으로, 유압펌프의 고장진단에 대한 정확도와 신뢰도가 관찰자의 경험과 주관에 크게 의존하는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 유압펌프의 회전운동 중에 발생하는 회전축의 진동을 직접 센싱하여 유압펌프의 기계적 마모와 파손을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 펌프의 상태를 휴대기기의 문자 또는 코드 메시지를 통한 원격지로 송출할 수 있도록 한 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법은 유압펌프를 가동하는 중에 확보한 속도와 진동 데이터로부터 유압펌프의 상태를 진단하도록 하되,

유압펌프의 압력 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하고 이를 나열하여 이들 중에 추가적으로 발생되었거나 왜곡된 주파수가 나타난다면 많은 자료들을 통하여 그 원인의 대부분이 펌프 내부의 손상인 마모로 인한 것으로 판단하고,

상기의 자료에 의한 분석기술을 사용하여 펌프를 분해하지 않고 스플이나 치차 등의 내부 부품들의 마모와 손상정도를 판단하도록 하고,

유압펌프는 회전할 때에는 가변유압펌프일 경우 스플의 왕복운동에 의한 유량과 유압이 생성되며 기어펌프의 경우에는 치차의 회전운동에 의한 유량과 유압이 생성되도록 하고,

상기 스플의 운동과 치차의 회전에 따른 미세한 맥동 압력파가 발생되면서 회전축에는 진동이 발생하도록 하고,

공급회전수에 스플의 개수나 치차 수를 곱한 값인 상기의 진동과 맥동 압력이 일정한 주기로 만들어지면 유압펌프가 일정한 회전으로 작동되는 것으로 판단하도록 하고,

상기의 맥동 압력이 미세하므로 진동을 측정하면서 주파수를 산출하여 유압펌프의 진단을 좀더 정확히 수행하도록 하고,

상기의 진동과 맥동 압력에 의한 진동 주파수 범위 외에 다른 주파수가 다수 존재하게 되면 여러 개의 스플이나 기어의 치차가 손상되었음을 진단하도록 함으로써 간단한 방법에 의해 고장의 여부 및 정도를 파악하면서 큰 고장이 발생하기 전에 미리 예방 및 조처를 취할 수 있어 오동작으로 인한 피해를 미연에 방지할 수 있도록 한 것이다.

도 1은 본 발명의 진동축과 유압펌프에 진동센서와 속도센서를 장착한 시스템을 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명의 진동센서와 속도센서에 의한 진동파형과 주파수를 시뮬레이션 프로그램을 통해 분석한 상태의 파형도.

도 3은 본 발명의 콘트롤러에서 주파수를 분석하여 펌프의 손상유무를 판단하는 과정을 나타낸 플로우차트.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 회전축 3 : 유압펌프

4, 6 : 진동센서 5, 7 : 속도센서

8 : 콘트롤러 9 : 메모리

10 : 연산부 11 : 변별부

12 : 다이얼링 신호생성부 13 : 신호출력부

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 진동축과 유압펌프에 진동센서와 속도센서를 장착한 시스템을 나타낸 것이고, 도 2는 진동센서와 속도센서에 의한 진동파형과 주파수를 시뮬레이션 프로그램을 통해 분석한 상태를 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명의 콘트롤러에서 주파수를 분석하여 펌프의 손상유무를 판단하는 과정을 나타낸 것으로서,

외부로부터 전기에너지와 같은 동력을 전달받는 구동원(1)에서 회전력을 발생하도록 하고,

상기의 구동원(1)에 결합된 회전축(2)을 통하여 회전력을 전달받는 유압펌프(3)에서 회전력에 의해 유압에너지를 발생하도록 하되,

상기 회전축(2)과 유압펌프(3)에 진동센서(4)(6)와 속도센서(5)(7)를 각각장착하고,

상기의 진동센서(4)(6) 및 속도센서(5)(7)로부터 진동데이터와 속도데이터를 전달받는 콘트롤러(8)에서 주파수를 비교하면서 유압펌프의 고장여부를 판단하도록 하고,

상기의 콘트롤러(8)는 진동센서(4)(6) 및 속도센서(5)(7)로부터 획득된 데이터를 내부의 메모리(9)에 저장한 상태에서 연산부(10)를 통하여 유압펌프(3)로부터의 압력 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하는 연산을 수행하고,

상기의 연산의 결과값을 나열하여 변별부(11)에서 주파수 분석(DET: Discrete Fourier Transform)을 수행하면서 주파수의 정상여부에 의해 산출된 주파수가 유압펌프(3)의 손상으로 인해 발생된 것인지 아닌지를 판단하도록 하고,

상기의 판단 결과 주파수가 손상으로 인한 것이면 다이얼링 신호생성부(12)에서 상기의 메모리(9)에 입력한 관리자의 전화번호에 해당하는 다이얼링신호를 생성하여 출력하도록 하고,

상기의 다이얼링신호에 의하여 무선기지국(14)을 통해 통화로가 형성되면 신호출력부(13)에서 유압펌프(3)가 고장상태임을 알리는 문자나 코드를 출력하도록 구성한 것이다.

이와 같이 구성한 본 발명 유압펌프의 상태 원격감지는 유압펌프의 회전운동 중에 발생하는 회전축의 진동을 직접 센싱하여 유압펌프의 기계적 마모와 파손을 진단한 후 펌프의 상태를 원격지로 송출할 수 있도록 한 것으로서,

외부로부터 전기에너지 등의 동력을 전달받는 구동원(1)에서는 회전력을 발생하여 회전축(2)을 회전시킨다.

상기의 구동원(1)에 결합된 회전축(2)을 통하여 회전력을 전달받는 유압펌프(3)에서 회전력에 의해 유압에너지를 발생하도록 한다.

상기 회전축(2)과 유압펌프(3)에는 진동센서(4)(6)가 각각 장착된 상태이므로 진동데이터를 콘트롤러(8)에 전달하는 동시에 속도센서(5)(7)를 통하여는 속도데이터를 콘트롤러(8)에 전달하도록 하여 주파수를 비교하면서 유압펌프의 고장여부를 판단하도록 한다.

즉, 상기의 진동센서(4)에 의한 회전축(2)의 진동데이터, 진동센서(6)에 의한 유압펌프(3)의 진동데이터, 속도센서(5)에 의한 회전축(2)의 속도데이터 및 속도센서(7)에 의한 유압펌프(3)의 속도데이터를 콘트롤러(8)에서 전달받으면(단계 21) 내부의 메모리(9)에 일시 저장한다(단계 22).

그 상태에서 컨트롤러(8)는 연산부(10)를 통하여 회전축(2)으로부터의 진동 및 속도에 의한 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하는 연산을 수행하면서(단계 23) 유압펌프(3)로부터의 진동 및 속도에 의한 압력 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하는 연산을 수행하도록 한다(단계 24).

그리고 상기의 콘트롤러(8)는 상기 연산의 결과값을 나열하면서(단계 25) 변별부(11)에서 회전축(2)으로부터의 주파수를 기준으로 하여 유압펌프(3)로부터의 주파수를 비교하는 주파수 분석을 수행하도록 하여 유압펌프(3)로부터의 주파수가 정상인가의 여부 및 상태에 의해 유압펌프(3)의 손상으로 인해 발생된 것인지 아닌지를 판단한다(단계 26).

상기의 콘트롤러(8)에서 유압펌프(3)의 고장이나 손상의 여부를 판단하는 방법은 도 2에 도시한 것과 같이 유압펌프(3)의 진동데이터와 속도주파수에 의한 주파수를 살펴볼 수가 있으며, 이 주파수에 파형의 왜곡된 부위가 있는 가를 확인한 후 이를 분석하게 되면 크게 2개의 주파수 대역으로 나타난 것을 알 수가 있다. 그러므로 두 개의 주파수 대역 중 하나의 주파수가 유압펌프의 손상으로 인해 파손된 부품의 주파수로 분석될 수가 있다.

상기의 판단 결과 주파수가 유압펌프(3)의 손상으로 인한 것으로 콘트롤러(8)에서 판단되면(단계 27), 다이얼링 신호생성부(12)에 제어신호를 출력하여 상기의 메모리(9)에 입력한 관리자의 전화번호에 해당하는 다이얼링신호를 생성하여 출력하도록 한다(단계 28).

상기의 다이얼링신호에 의하여 통화로가 형성되면(단계 29) 신호출력부(13)에서 유압펌프(3)가 고장상태임을 알리는 문자나 코드를 관리자의 무선전화기에 출력하도록 한다(단계 30).

한편, 상기의 유압펌프(3)를 일정하게 회전으로 작동시키면 진동과 맥동압력도 일정한 주기로 만들어지게 되고, 이때의 맥동압력과 진동은 공급회전수에 스플의 개수나 치차 수를 곱한 값이 된다.

그런데 일반적인 맥동압력이 미세하므로 진동을 측정하여 주파수를 산출하게 되면 유압펌프(3)의 진단을 더 정확하게 판단할 수 있게 된다.

그리고 가변 유압펌프의 경우에는:

정상 진동 주파수(f normal) = 펌프의 공급회전수(rpm)/60 * 스플 개수

또한 기어 유압펌프의 경우에는:

정상 진동 주파수(f normal) = 펌프의 공급회전수(rpm)/60 * 기어치차 개수

의 식에 의하여 각각 가변 유압펌프와 기어 유압펌프에 대한 진동 주파수범위를 계산할 수 있게 되므로 어떤 스플이나 기어치차에서 마모나 손상 등이 발생한 경우에는 위의 정상 진동 주파수(f normal)범위 외의 또 다른 주파수가 발생할 것이고, 여러 개의 상이한 주파수가 발생했다면 여러 개의 스플이나 기어치차가 손상되었음을 추론 및 진단할 수 있게 된다.

따라서 본 발명 유압펌프의 상태 원격감지 시스템 및 고장 진단방법에 의하여서는 구동기의 회전변동을 고장으로 오판하는 것을 방지하기 위해 회전기의 진동주파수와 함께 구동기의 회전도 주파수분석을 동시 수행하여 진동주파수 분석결과가 펌프의 마모나 손상으로 인한 것인지, 회전변동으로 인한 것인지를 구분하도록 하여 진단의 신뢰성을 높인 것으로서, 유압펌프의 오동작과 성능저하의 원인이 되는 부품의 손상과 마모를 조기에 검출할 수 있음은 물론, 간단한 방법에 의해 조기에 유압펌프의 마모나 손상의 정도를 파악할 수가 있으므로 유압펌프에 치명적인 고장이 발생하기 전에 미리 조처할 수 있는 방안을 강구하게 하고, 치명적 오동작의 발생 시간을 추론하여 예상할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 구동원(1)에서 회전축(2)을 통하여 회전력을 전달받는 유압펌프(3)에서 유압에너지를 발생하도록 한 유압펌프 상태 원격감지 시스템에 있어서,

   상기 회전축(2)과 유압펌프(3)에 진동센서(4)(6)와 속도센서(5)(7)를 각각 장착하고,

   상기의 진동센서(4)(6) 및 속도센서(5)(7)로부터 진동데이터와 속도데이터를 전달받는 콘트롤러(8)는 메모리(9)에 저장한 상태에서 연산부(10)를 통하여 압력 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하는 연산을 수행하도록 하고,

   상기의 연산의 결과값을 나열하면서 변별부(11)에서 주파수 분석에 의해 주파수의 정상여부를 판단하도록 하고,

   상기의 판단 결과에 의해 다이얼링 신호생성부(12)에서 관리자의 전화번호에 해당하는 다이얼링신호를 생성하여 출력하도록 하고,

   상기의 다이얼링신호에 의하여 무선기지국(14)을 통해 통화로가 형성되면 신호출력부(13)에서 유압펌프(3)가 고장상태임을 알리는 문자나 코드를 출력하도록 유압펌프의 상태 원격감지 시스템.
2. 진동센서(4)에 의한 회전축(2)의 진동데이터, 진동센서(6)에 의한 유압펌프(3)의 진동데이터, 속도센서(5)에 의한 회전축(2)의 속도데이터 및 속도센서(7)에 의한 유압펌프(3)의 속도데이터를 콘트롤러(8)에서 전달받으면 내부의 메모리(9)에 일시 저장하는 단계와,

   상기의 컨트롤러(8)에서 연산부(10)를 통하여 회전축(2)과 유압펌프(3)들로부터의 진동 및 속도에 의한 맥동파와 회전을 주파수별로 계산하는 연산을 수행하는 단계와,

   상기의 콘트롤러(8)에서 상기의 연산 결과값을 나열하면서 변별부(11)를 통해 회전축(2)으로부터의 주파수를 기준으로 하여 유압펌프(3)로부터의 주파수를 비교하는 주파수 분석을 수행하여 유압펌프(3)로부터의 주파수가 정상인가의 여부 및 상태에 의해 유압펌프(3)의 손상여부를 판단하는 단계와,

   상기의 판단 결과 주파수가 유압펌프(3)의 손상으로 인한 것으로 콘트롤러(8)에서 판단되면, 다이얼링 신호생성부(12)에 제어신호를 출력하여 입력된 관리자의 전화번호에 해당하는 다이얼링신호를 생성하여 출력하는 단계와,

   상기의 다이얼링신호에 의하여 통화로가 형성되면 신호출력부(13)에서 유압펌프(3)가 고장상태임을 알리는 문자나 코드를 관리자의 무선전화기에 출력하도록 하는 단계들에 의해 수행됨을 특징으로 하는 유압펌프의 고장 진단방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기의 유압펌프는 사판식 유압펌프나 기어 유압펌프를 사용하며 이의 구동축의 회전과 진동을 감지하여 회전 주파수를 제어한 나머지 주파수에 대해 구동원 주파대역, 베어링 주파대역, 펌프 스플과 기어치차의 주파대역으로 구분하여 각각에 대해 주파수대역을 비교하여 상태 진단하도록 한 유압펌프의 고장 진단방법.