웨지 체결강도를 시험하기 위해 국내 500 MW 발전기와 동일한 사양의 시험 장치를 제작하고 웨지의 상태를 모사하기 위해 이상(느슨한 체결)과 정상(강한 체결)으로 구분하여 제작하였다. Fig. 1의 ①∼②번은 정상웨지이며, ③∼④번은 웨지의 체결강도가 느슨한 이상웨지이다. 시험은 Fig. 2의 절차에 따라 수행하였다.

Fig. 1 
Test bed for wedge tightness inspection

Fig. 2 
Test procedure of wedge tightness inspection

사용된 계측기는 OROS 8.3 model을 사용하였으며, 진동 가속도계 센서의 감도는 10.2 mV/m/s², 측정범위 10 kHz인 ICP 타입이고, 임팩트 해머의 감도는 22.5 mV/N, 측정범위는 4448 N이다. Fig. 3과 같이, 웨지의 좌측에 가속도 센서를 설치하고 임펙트 해머 타격 시 저주파수 노이즈로 인해 응답신호에 bias가 발생하지 않도록 타격지점을 조정하여 센서와 타격점의 설치 위치를 최적화하였다.

Fig. 3 
Sensor installation and impact point

측정되는 대상 웨지의 체결강도에 따라 ○, △, X로 분류하며, 진동 가속도(acceleration) 및 힘(force) 신호를 계측하여 Fig. 4와 같이 특징값을 추출하였다. 특징값은 주파수 및 시간영역에 대한 통계값을 사용하였으며, 이 연구에서는 계측된 웨지 신호로부터 체결 상태를 잘 반영할 수 있는 특징값을 추가적으로 추출하였다.

Fig. 4 
Flow chart of signal processing

Fig. 5에서 알 수 있듯이, 시간에 따른 진동가속도(acceleration)와 힘(force)의 크기는 체결강도에 따라 반비례하는 것을 알 수 있다. 체결상태가 느슨해질수록 진동 가속도(acceleration)의 경우는 진폭크기가 높아지는 것을 알 수 있고, 힘(force)은 점차 크기가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 체결강도가 높은 웨지의 경우 임팩트 충격이 가해지더라도 응답신호는 빠르게 감쇠하여 웨지로 전달되는 진동 가속도의 진폭 크기가 작은 것을 알 수 있다. 이에 반해 힘(force)은 체결강도가 높은 웨지에서 신호형태가 뾰족하고 상대적으로 크기가 큰 신호가 계측되고, 체결상태가 느슨해질수록 임펙트 크기는 낮고 점차 왜곡되는 것을 확인할 수 있다. 주파수 영역에 대해서는 Fig. 6과 같이 체결강도가 높은 경우 주파수의 진폭이 낮고 고주파 성분에서도 높지 않은 진폭이 형성된다. 반면 체결상태가 느슨해질수록 1 kHz ~ 3 kHz 영역의 주파수 영역에 점차 진폭이 높아지는 경향을 보이고 있다.

Fig. 5 
Vibration and force signal characteristics in time domain

Fig. 6 
Vibration and force signal characteristics in frequency domain

Fig. 5의 힘과 진동 가속도의 관계가 반비례한 것은 체결강도가 강할수록 Fig. 6 그래프 좌측의 높은 주파수 영역까지 가진하게 되므로 Fig. 5 그래프 좌측의 시간영역에서는 힘(force) 신호가 뾰족한 형상으로 나타난다. 체결강도가 느슨하면 Fig. 6의 우측과 같이 높은 주파수 영역까지 가진 하지 못해 Fig. 5의 우측과 같이 뭉툭한 형상이 나타난다. 이에 반해, 진동 가속도는 웨지가 느슨할수록 주변 지지물과 강하게 체결(부착)되어 있지 않아 작은 가진력에도 진폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.

가속도(acceleration) 신호는 Fig. 7 상단의 그래프와 같이 매우 짧은 시간에 감쇠되는 특징이 있으며, FFT 분석 시에는 타격시에 발생되는 저주파수의 영향이 높아 웨지의 상태를 반영하는 고유주파수 추출이 어렵다.

Fig. 7 
Analysis of time signal

이에 따라, 진동 가속도 진폭의 최대값으로 나누어 정규화(normalization)를 수행한 후 가중치를 부여한 함수를 원신호에 곱하여 센서로 들어오는 저주파의 잡음 및 bias를 제거하고 빠르게 감쇠되지 않는 신호를 제거함으로써 신호특성을 추출하기 위한 전처리를 수행하였다.

Fig. 8에서 좌측 그래프의 가속도(acceleration) 신호로부터 우측 그래프 같이 포락선(envelope) 성분을 추출하고 추출된 Envelope 신호를 FFT 변환하여 웨지의 특성주파수를 추출한다.

Fig. 8 
Envelope pre-processing

포락선(Envelope) 신호의 FFT 결과로부터 각 주파수의 크기를 제곱하여 Fig. 9와 같이 파워 스펙트럼으로 변환하였으며, 이는 작은 값과 큰 값의 크기차를 더 강화시킴으로써 특정 주파수 대역의 성분값의 특성을 잘 나타나게 한다. 이에 따라, 각 신호 별 파워 스펙트럼의 RMS를 특징값으로 사용하였다.

Fig. 9 
Power spectrum RMS

신호처리과정 후에 변환된 파워 스펙트럼을 이용해 Fig. 10과 같이 주파수의 최대 진폭(peak)값을 해당 신호의 실효치(root mean square, RMS)으로 나누어 특징값을 추출하였다. 주파수 영역에서 RMS는 각 진폭을 합산하게 되면 RMS를 구할 수 있다. 최대 진폭(peak)은 0 kHz ~ 4 kHz 범위에서 발생된 가장 큰 진폭값을 사용하였다. 이는 웨지의 상태(강한 결합 또는 느슨한 결합)에 따라 특성 주파수의 위치와 크기가 달라지는 것에 착안하여 해당 신호의 에너지값으로 최대 진폭(peak) 주파수를 나누어줌으로써 특성주파수의 상대적 크기값을 특징으로 사용하였다.

Fig. 10 
Power spectrum peak/RMS

체결강도가 높은 웨지는 대체로 진폭이 Fig. 6 그래프 좌측과 같이 작아 실효치(RMS)도 낮고 최대 진폭(peak)값도 작다. 체결강도가 느슨한 웨지는 진폭이 상대적으로 높고 실효치(RMS)도 크게 나오며 최대 진폭값(peak)도 높게 나타난다. 특성 주파가 넓은 범위(1 kHz ~ 3 kHz)에 걸쳐 나타나는 경향이 있어실효치(RMS) 대비 최대 진폭(Peka)의 비를 특징점으로 사용하였다.

힘(force) 신호는 웨지의 체결 정도(강한체결, 느슨한 체결)에 따라 대상 웨지에 전달되는 힘의 크기가 달라진다. 체결강도가 높은 웨지는 타격된 힘의 크기가 잘 전달되므로 임펙트해머로 계측된 신호는 Fig. 11의 좌측과 같이 뾰족한 형태의 신호특성을 가지지만 체결강도가 느슨한 웨지는 힘전달이 되지 못해 신호가 뭉퉁해지거나 왜곡되는 특성을 가진다.

Fig. 11 
Characteristics of excited force signal

가진된 힘(force)의 특성을 이용해 힘(force) 신호의 각 충격량 값들을 합산하여 이를 특징값으로 사용하였다. 신호가 왜곡되거나 뭉퉁해 질수록 동일위치에서 충격량 값들이 더 많이 발생되므로 체결강도가 느슨한 이상웨지에서 충격량 값들의 합의 크기가 커진다.