선박용 진동 데이터 로거 개발 및 실운항 장기 계측·분석 사례

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확장요약문

선박의 진동은 주기관 및 프로펠러 기진력과 선체 구조·추진 축계의 동특성이 상호작용한 결과로 나타나며, 그 응답은 회전수, 선속, 재화 상태 등 운항 조건에 따라 변화한다. 따라서 설계 단계의 유한요소 해석과 제한된 조건에서 수행되는 시운전 계측만으로는 실운항 중 발생하는 진동 현상을 충분히 설명하기 어렵다. 한편 기존의 실선 진동 계측은 진동 전문가가 장기간 승선하여 수행하는 방식에 의존하여 왔으며, 이로 인해 계측 기간과 대상 선박 수가 제한되고 상당한 계측 시수가 소요되는 한계가 있었다. 본 연구에서는 실운항 선박에 상시 설치하여 장기간 무인 계측이 가능한 진동 데이터 로거를 개발하고, 이를 다수의 실선에 적용하여 취득한 진동 데이터를 운항 데이터와 연계 분석한 결과를 기술하였다.

개발된 장비는 6 채널 동시 취득 구조로 구성되며, 조선소에서 범용적으로 사용되는 ICP(Integrated Circuit Piezoelectric) 타입 가속도계를 직접 연결할 수 있도록 정전류 구동 회로를 내장하여 별도의 신호조절기 없이 BNC 케이블만으로 계측이 가능하다. 최소 샘플링 주파수는 채널당 10.2 kHz 이며, 선체 및 거주구 진동과 같이 저주파 성분이 지배적인 계측 대상에 대해서는 다운샘플링을 적용하여 관심 주파수 대역을 유지하면서 장기 계측 시의 저장 용량을 효율적으로 관리하도록 하였다. 계측 주기와 인터벌은 계측 목적에 따라 개별 설정이 가능하여, 상시 감시용 저빈도 계측과 특정 이벤트 대응을 위한 고빈도 계측을 선택적으로 운용할 수 있다. 초기 세팅 이후 별도의 조작 없이 약 4 개월간 연속 계측이 가능하며, 장비 설정 변경과 데이터 다운로드는 노트북 혹은 휴대폰과의 Wi-Fi 통신 및 LTE 통신, STARLINK 을 통해 수행할 수 있으므로 전문가의 승선 없이 원격으로 계측을 관리할 수 있다.

개발 장비는 14,000 TEU 급 컨테이너선 8 척에 적용하여 장기 진동 데이터를 취득하였다. 취득된 진동 데이터는 VDR(Voyage Data Recorder)로부터 확보한 주기관 회전수, 선속, Draft 정보와 시각 동기화하여, 운항 조건 변화에 따른 진동 응답 특성을 분석하였다. 이를 통해 단일 항차의 스냅샷 계측으로는 확인하기 어려운 운항 조건별 응답 분포와 특정 운전 영역에서의 응답 변화를 확인할 수 있었다. 후처리 프로그램은 시간 영역 파형, FFT 기반 주파수 분석, 사용자 지정 기간에 대한 Waterfall 선도 출력 기능을 제공하며, 관심 주파수 성분의 peak 만을 추종하는 트렌드 분석 기능을 통해 장기간 축적된 데이터에서 특정 성분의 시간에 따른 변화를 효율적으로 확인할 수 있도록 하였다. 이를 통해 전문가 승선 계측을 대체하여 계측 시수를 저감하는 한편, 실운항 진동 특성을 신조선 설계에 피드백할 수 있는 기반을 확보하였다.