Cardan Shaft 비틀림 토크와 베어링 진동을 이용한 상태점검 연구

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본 연구에서는 함정 추진축계 Cardan shaft의 비틀림 진동 토크와 연결베어링 하우징 진동의 상관관계를 이용한 점검 방법을 제시하였다. Universal joint는 전향각을 가진 상태에서 운전되므로 회전운동의 불균일성에 의해 비틀림 진동과 베어링 하중 변동이 발생하며, 이로 인해 십자축 니들 롤러 베어링이 손상될 수 있다. 이러한 문제에 대응하기 위해 함정의 12개 운전조건에서 Cardan shaft 중간축의 비틀림 진동 토크와 연결베어링 하우징의 3축 진동을 동시에 계측하고, 회전수와 부하가 안정된 구간의 데이터를 대상으로 상관분석 및 회귀분석을 수행하였다. 연결베어링 하우징의 진동은 1–200 Hz overall 진동속도로 평가하였으며, 분석 결과 3축 진동 모두 비틀림 진동 토크와 유의한 양의 상관관계를 나타냈다. 특히 축방향 진동속도는 Pearson 상관계수 0.883으로 가장 높은 상관성을 보여 대표 상태점검 지표로 선정하였다. 이는 운용 단계에서 하우징 진동만으로 동적 하중 수준을 간접 점검하기 위한 것이다.

축방향 회귀관계에 기존 비틀림 진동 토크 허용한계 T1 kNm을 적용한 결과, 이에 대응하는 진동속도는 약 63.7 mm/s로 산출되었다. 또한 여기에 안전률 1.75를 적용하여 주의수준 토크 약 T2 kNm에 대응하는 진동속도인 약 36.7 mm/s를 도출하였다. 이를 바탕으로 연결베어링 하우징의 축방향 진동에 대해 주의기준 35 mm/s와 한계기준 60 mm/s를 제안하였다. 과거 손상된 축계의 이상진동 자료를 이용하여 적용 가능성을 검토한 결과, 손상 당시 축방향 진동속도 70.32 mm/s가 제안한 한계기준을 초과하여 정상 운전자료와 이상진동 사례를 구분할 수 있음을 확인하였다. 이 기준은 즉각적인 파손 여부를 판정하기보다 추가점검 및 예방정비 필요성을 판단하기 위한 관리기준으로 활용할 수 있을 것이다.

한편, 운전조건별 회전수, 전달토크 및 사용시간 비중을 반영하여 universal joint 십자축 니들 롤러 베어링의 이론 수명을 평가하였다. 조인트 전향각과 운용계수를 적용한 이론 수명은 약 L1 hrs로 나타났다. 다만 계산수명은 실제 수명과 차이가 있을 수 있으므로 진동 상태점검 결과와 함께 적용할 필요가 있다. 이를 바탕으로 관리수명 L2 hrs와 L3 hrs 주기의 정기점검 방안을 제안하였으며, 관리수명 도달 또는 진동 한계기준 초과 시 정비에 착수하는 방안을 검토하였다.

본 연구에서 제안한 방법은 Cardan shaft의 정량적 상태점검 및 예방정비 계획 수립에 활용할 수 있을 것으로 기대하며, 향후 장기 운전자료와 추가 이상진동 사례를 통한 검증이 필요할 것으로 판단된다.