2. 기계 고장원인 해결의 매트릭스 접근

The Matrix Approach to Machinery Troubleshooting)

 

앞장에서 공정 기계에 대한 고장원인 해결 기법은 몇 가지 진단 단계를 반드시 포함해야 한다는 것이 명백하게 밝혀졌다. 기계 사용자들은 고장 원인이 알려져 있거나(진단이 필요 없음), 고장 원인이 의심스럽거나 또는 고장 원인이 파악되지 않는 등의 여러 가지 상황에 봉착하게 된다. 책임있는 고장원인 해결사는 원인이 파악되지 않은 상황 등 어떠한 상황에서도 쉽게 포기하지 않는다. 이제부터 원인이 의심스럽거나 파악이 안된 상황에 접근하는 방법과 진단방법을 설명한다.

Diagnostics(진단 방법)는 Diagnosis(진단)에 도달하는 방법이다. Diagnosis(진단)는 간단히 다른 말로 "인식(Recognition)"이라 말할 수 있는데, 예를 들어 질병이 무엇인지 알아내는 것과 같다. 앞에서 기계의 Diagnostics의 어떤 양상에 대해 언급했는데 우리는 이 두 가지 기본 형식을 구별할 수 있어야 한다. Diagnostics나 손상 분석은 고장이 발생한 후에 수행되는 것이고, Diagnosis란 표 4-2에서와 같이 기계 건전성 여부를 감시하는 행위 즉, 모든 관련된 성능과 상태자료를 조합하여 기계 건전성 여부를 알아내려는 모든 노력을 말한다. 이러한 접근은 기계의 상태감시에 속하며 예지정비에 있어 중요한 역할을 한다.

이러한 형식의 진단 방법은 가스터빈 압축기와 디젤엔진의 모니터링에 적용될 수 있다. 여기서, 배기가스-온도-감시 프로그램은 가격이 저렴하여 일반적으로 기계의 상태 지시기로 이용되었지만, 급박한 손상 위험에 대한 경고를 초기에 적절하게 제공하지 못한다. 따라서 정교한 진단 기법이 엔진 분석기의 형태로 개발되었다. 그림 4-2와 4-3은 엔진 분석기로부터 얻어진 전형적인 진단 그림이다.

 

표 4-2 기계 진단 과정

 

그림 4-2 엔진 분석기의 전형적인 파형 특징을 보여주는 크랭크각 대 압력의 표시

 

그림 4-3 다양한 기능 부진 증상을 표현하는 2사이클 엔진 실린더 압력

 

이러한 형태의 감시체계로 얻어지는 고장 진단은 몇몇 다른 공정기계에도 어느 정도 적용된다. 그림 4-4와 4-5에서는 고장 진단이 다른 분야에서 어떻게 활용될 수 있는가를 보여준다.

자동 이상진단은 표 4-3에서와 같이 대형 펌프를 구동하는 전동기가 비상정지 되었을때 이를 진단하는데 유용하다.

솔직히 말해서 좀더 예지적인 면에서는 On-Line형 Diagnosis를 권장하고 싶지만 이것의 부정할 수 없는 단점은 투자/회수 비율을 계산하기가 어렵다는 것이다.

모든 기계손상의 99% 이상이 어떤 일반적인 이상신호가 먼저 나타난다고 알려져 있지만, 왕복식 압축기, 내연기관, 통합 전기 시스템 등을 제외한 대부분 공정 기계 시스템은 파손에 앞서 각각의 특정 부품의 손상에 대한 경고를 주지는 않는다. 그러므로, 손상 대비를 위한 검사와 온라인 진단법을 병행하여야 한다.

 

…조종석 앞에 있는 화면(FFCC-보잉767)은 스크린 위에 모든 정보와 조종상태를 보여준다. 비행 감시 시스템을 통하여 조종사는 언제든지 엔진 작동상태와 비행 시스템의 상태를 스크린으로 볼 수 있다. 또한 이 시스템은 지상의 정비원들에게 예정 정비작업을 미리 알려준다. 컴퓨터는 약 200가지의 기능부진 상황을 저장할 수 있고, 비행 승무원에게 다가오는 문제점들을 경고해주며, 고장을 해결하기 위해 어떤 것들을 점검해야 한다는 것을 알려준다.

탑재된 컴퓨터는 수초내에 일련의 고장중에서 근본 원인을 찾아낼 수 있으며, 특히 아주 차분하게 이것을 수행한다. 지금은 모든 일상적인 가청 신호중 3/4은 컴퓨터 조종석내에서 조용하게 나타난다.… (비행 주간 우주 공학기술 중에서)

 

그림 4-4 컴퓨터 조종석(Computer Cockpit)

 

위의 간략화된 예에서 컴퓨터는 환자의 열, 소변에 포함된 피, 폐안의 피가 섞인 가래, 황달 등을 검사한다. 이 프로그램은 각각의 증상이 네 가지 진단 가능한 질병(간장 경화, 간염, 폐렴, 신장염(신장 질환)등)과 얼마나 관계가 있는가를 나타내는 숫자를 더함으로써 가장 확률이 높은 예상 질병이 폐렴이라는 것을 가려낸다. 두 번째로 점수가 높은 것은 간염이지만, 간염은 폐렴의 증상이 아닌 한가지 증상(소변 속의 피)을 가지고 있기 때문에 컴퓨터는 간장 경화를 그 다음의 예상질병으로 선택할 것이다. 분할법이라고 불리는 이러한 과정은 컴퓨터가 관련된 질병 집단에 주의를 집중하도록 초점을 맞춘다

그림 4-5 컴퓨터화된 의학 진단

 

표 4-3 전동기의 손상 진단표

계전기 표시

예상 Trip 원인

U/B

O/L

START

RTD

G/F

TRIP

U/C

ON

 

 

 

 

기동 타이머의 한도 초과

∙로터의 고착

∙빈번한 기동

∙기동 타이머의 너무 낮은 설정

 

   

 

 

과부하

∙운전중의 과부하

∙기계적인 고장, 급격한 정지

∙회로의 단락

 

 

 

 

 

고온(RTD OPTION)

∙환기 불능

∙냉각 핀 오동작

∙높은 외기 온도

 

 

 

퓨즈 절단

∙퓨즈 점검

 

 

 

 

 

과도한 불균형

∙퓨즈 절단

∙단상 공급

∙권선 이음부의 느슨함

∙전동기 권선의 단락

 

 

 

 

 

접지 불량

∙전동기 권선의 케이싱과의 단락

∙금속제 기초와 권선의 접촉

 

 

 

 

 

 

Lock out Relay Reset 안한 상태

∙전원이 재공급된 후에도 Relay

동작 상태

 

 

 

 

 

 

저전류 경보

∙펌프 흡입구의 막힘

∙펌프의 배출밸브 닫힘

∙송풍기에서 공기 흐름이 없을 때

∙컨베이어의 과부하 경고

 

우리의 주제에 부합되는 유사점을 의학 세계에서 찾아본 것은 좋은 아이디어였다. 결국 우리는 거기서 Diagnosis와 Diagnostic이라는 용어를 빌려오게 되었다. 세 가지 유사점은 다음과 같다.

① 증상 (Symptoms)

인간의 신체에서와 마찬가지로 운전중인 공정 기계도 전문가가 기계 내부의 건강 상태를 파악할 수 있는 “중요한 신호”를 가지고 있다. 의사와 같이 기계 분석자는 그가 필요한 증세를 보여주는 데이터를 얻기 위해서 주로 감각에 의존하여야 하지만, 의사와는 달리 동일한 모델에 대해서 10년 이상이나 학문적인 트레이닝을 하지는 않는다. 무엇보다도 기계 Troubleshooter는 일반적인 경험과 오감을 사용해야 한다. 적절한 장비를 사용하지 않고 행하는 진단은 종종 명확치는 않지만 “무언가” 문제가 있음을 나타낸다. 따라서 의학 진단법에서와 마찬가지로 Troubleshooting에 있어서도 주어진 많은 일반적인 증상으로부터 정확한 진단을 할 수 있는 명확한 증상을 얻기 위하여 질병이나 손상 상태의 변화를 기다려야 한다. 표 4-4는 일반적인 증상의 예를 보여준다. 때로 기계 Troubleshooter는 명확하지 않은 증상을 근거로 하여 작업을 해야만 할때가 있으며, 명확한 증상은 기기 불시 정지시나 파손 상태에서 나타날 것이다.

 

표 4-4 진단시의 일반적인 증상

기계 진단

의학적 진단

온도 상승

소음

진동

베어링 온도 상승

발열

안색이 좋지 않음

피부 발진

혓바늘

 

다음은 일반적인 기계류의 고장 증상의 예이다.

고장기계 : 대칭형 2단 왕복동 가스압축기를 구동하는 800 HP, 320 rpm의 유도전동기

증상 : 운전원들은 전동기 운전시 다음과 같은 점진적 변화를 주시해 왔다.

• 0.1 in/sec의 비정상적인 축방향 진동(정상치: 0.05 in/sec, peak to peak vel.)

• 전동기 내부의 불연속 마찰음.

• 부하 감소에 따라 마찰음이 감소하고, 없어짐.

• 정격 부하의 86% 근방에서 전류값이 ±15 A 정도 변동(Hunting)함.

고장진단을 위해 고장원인 해결사는 무엇을 할 것인가? 좀더 분명하고 특이한 증상이 나타날 때까지 기다려야 하는가? Rotor Bar의 느슨함 여부 파악, 전동기 단독시험을 위해 커플링을 분해할 것인가? 수분 침투에 의한 오일 손상으로 베어링이 손상되었는가? 수정작업을 해야 할 정도로 중대한 증상이라도 있는가?

이와 같은 생각들을 하면서 고장원인 해결사는 각종 증상들을 조사할 것이다.

② 진단 (Diagnosis)

기계의 고장원인 해결 기법상의 진단과 병원 전문가의 진단은 정밀 학문과는 다소 거리가 있다. 유명한 전문의도 너무 많은 일반적인 증상들 때문에 전혀 엉뚱한 진단을 내릴 수 있다.

③ 컴퓨터화된 진단 (Computerized Diagnosis)

병원에서의 컴퓨터를 이용한 진단은 이미 잘 수행되고 있지만 다양한 종류의 공정기계와는 달리 한가지 모델에만 적용되므로 놀라운 일은 아니다. 그러나 이 책에서의 접근 방식은 매우 흥미로우며 그림 4-5와 같이 기능화되어 있다.

이제 기계의 고장원인 해결과 진단을 위해 필요한 정보를 살펴보도록 하자. 이를 위하여 필요한 사항은 다음과 같다.

⑴ 결함이나 이상증상에 대한 목록을 작성하라. 가장 쉽게 알 수 있는 것부터 시작하라

a. 촉각/후각 : 가스, 산 누설 등.

b. 촉각 : 과열, 진동 등.

c. 청각 : 과도한 소음, 노킹, 피스톤 Slap, 마찰, 폭음, 경보 등.

d. 시각 :

① 직접적인 관찰 : 증기, 연기, 유체 누설, 진동, 느슨함, 연기, 불 등 .

② 간접적인 측정이나 관찰 :

ⓐ 지시계 눈금의 변화(상승/하강) :

• 압력 • 온도 • 유동 • 위치 • 속도 • 진동

ⓑ 성능변화(상승/하강) :

• 압력율 • 온도율 • 소요동력 • 출력 감소 • 효율

e. 내부 검사 결과.

f. 고장 분석(사후 검사) 결과.

⑵ 예상 원인과 가정 목록을 만들어 보라 :

먼저 기계의 주요 부품, 시스템, 보조기기 등의 목록을 작성하라. 이 부분에서 고장원인 해결사는 기계 관련 지식을 응용할 수 있다.

⑶ 원인과 증상의 상호관계나 관련사항을 파악하라. 질문을 통한 간접 경험을 이용하라. 즉 이러한 부품에서 자주 발생되는 문제는 무엇인가? 이같은 손상이나 기능부진과 관련된 증상이 무엇인가? 그림 4-6은 이와 같은 시도에 도움을 줄 수 있는 Fault Chart이다.

⑷ 증상/원인의 확률순위를 나타내라. 예를 들어 실린더 구멍의 막힘, 피스톤 링의 고착, 과도한 재(Ash), 니스와 탄소 침전물 등은 내연기관의 과도 윤활 증상이다. 그러면 이러한 증상중 어떤 증상이 과도 윤활의 증상을 많이 나타내는가? 이는 그림 4-5와 같이 기계의 고장점검에서 증상/원인의 관계에 대한 상대 가능성의 순위를 결정하는 것이 좋은 방법이다.

⑸ 수리방법을 나타내라. 수리행위는 명백하고 일반적인 것이어야 한다. 가능한 문제 원인이 규명된 후 취해질 수 있는 방법은 점검, 검사, 조정, 윤활, 청결, 발란싱, 교체, 분석 등이 있다.

다음은 적당한 해설이 덧붙여진 메트릭스 형태의 고장원인 해결 지침이다. 고장원인 해결을 시행할 때 이것을 이용해보기 바라며, 경우에 따라서는 최상의 진단을 위해 컴퓨터를 이용한 기계고장 진단 방법을 개발해야 한다는 것을 명심하여야 한다. 이것이 가능할 때 다양한 형태의 공정기계에 대하여 적절한 고장 통계를 얻을 수 있을 것이다. 또한 이것은 고장에 대한 증상과 고장 원인에 대한 확률적 표현을 가능하게 할 것이다.

그림 4-6 가스터빈의 고장원인 해결 기법

 

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