대형 축계의 대용량토크의 계측 및 토크값의 이력 추적

넓은 범위의 토크 계측이 가능하다는 점을 고려하면, 제조 부지에서 주어진 정밀도, 즉 주요 기준에 따라 연속적으로 기록된 측정값 비교 문서 등을 통해 토크의 이력을 추적할 수 있습니다.

토크의 정밀한 계측은 정확한 효율 측정을 위해 반드시 필요하며, 그래야만 선박용 엔진에 요구되는 엄격한 환경 규정에 부합할 수 있습니다. 고도로 정확하고 정밀한 토크 측정을 기반으로 선박용 엔진의 기능을 극대화시킬 수 있으며, 더불어 확실한 에너지 절감 효과까지 누릴 수 있습니다. 국제 환경 규정에서는 에너지 절약을 꾸준히 요구해왔으며, 특히 공칭 하이토크 선박용 엔진에 이점을 강조해왔습니다[1].

구동력 P는 발전기와 회전 장치의 구동면 사이에서 발생한 토크의 정확한 계측값 Ϻ과 각속도 ω를 사용하여 공식(1)에 따라 간단히 계산할 수 있습니다.

 

정확한 토크 정보는 기계식 드라이브 시스템을 확실하게 컨트롤 할 수 있게 해줍니다. 그래서 혼소 또는 가스 엔진과 같은 연소 엔진이 제대로 작동하고 있는지 작업창을 통해 제대로 확인할 수 있으며, 이를 통해 엔진의 노킹이나 점화실패, 과부화 현상을 피할 수 있고 불필요한 연료 소모도 줄일 수 있습니다[1].

일반적인 토크 계측 방식에는 직접적 방식과 간접적 방식이 있습니다.

두가지 방식의 차이는 아래와 같습니다. :

직접 연결하여 토크를 측정하는 방식

직접 토크 계측은 구동축의 통합된 부분에 해당하는 인라인 토크 센서를 사용합니다(그림 2 참조). 이 토크 센서는 이미 제조사 측에서 정밀한 교정 장치에 의해 교정 된 것이며, 손쉽게 설치, 제거, 교체 및 반복적인 재 측정에도 정확한 결과를 제공합니다.

간접적으로 토크를 측정하는 방법

구동축의 간접 토크 계측은 토크 관련 파라미터 및 후속 계산 정보와 관계가 있습니다.

a)    구동축 표면의 스트레인 계측.
구동축에 스트레인게이지를 부착하여 계산식에 의해 토크를 측정하는 방식이며, 여기에는 휘스톤브리지와 시그널 전달을 위한 비 접촉식 방식이 사용되어야 합니다.

b) 구동축 토크 측정의 또 다른 간접 측정 방식은 비틀림각을 이용한 것입니다.

위의 두 방법 모두 기존 시스템에서 변환된 것이나, 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 정상적인 설치 수준에 의해 값의 오차가 있을 수 있으며, 사용 부품의 성능에 따라 계산된 토크 값의 신뢰도가 저하 됩니다. 예를 들어 아래의 허용오차(표 1 참조)로 인해 중요 인자인 계측 불확도가 결정 됩니다.

교정 (calibration)과 traceability

해양 선박 산업의 엄격한 환경 규정에서 요구되는 구동력 및 그 효율에 정확하게 부합하기 위해서, p정밀한 하이토크 계측 뿐 아니라 calibration 과 traceability 와 같은 계측 관련 정보가 더욱 더 강조되고 있습니다. 기본적으로 토크 교정에 이용되는 기술은 lever-arm/mass 시스템과 기준 센서(reference transducer)로 나뉩니다.

  • Lever-arm/mass systems: 시험 샘플에서 사용된 물건의 질량을 측정한 후 그에 따른 힘의 크기를 파악하면 미리 알려진 lever-arm 길이를 이용해 정확한 토크를 확인할 수 있습니다. [3]
  • 토크 캘리브레이션의 두 번째 기술은 lever-arm 을 통해 힘 기준 센서를 사용하는 것입니다. [2]
  • 세 번째 원리는 기준 가치를 제공하는 토크 기준 센서입니다. 토크 기준 센서를 이용한 시스템은 토크를 발생시키는 기계 장치 어디에라도 사용 가능합니다. [2]

HBM의 새로운 토크 calibration 기계

필요한 요구사항들에 부합하기 위하여 새로운 토크 calibration 기기(그림 3. 참조) 는 토크의 reference 를 제공하는 센서를 사용합니다.

개조된 T10FH/150 kN•m and T10FH/400 kN•m 토크 센서 를 기준 센서로 사용하였으며 이 두개의 정밀한 기준 센서 덕분에 0.1%의 계측 오차를 달성하였습니다. 이와 같은 놀라운 계측 불확도 달성 결과는 독일 국가 표준(그림 4 트레이서빌리티 피라미드 참조)의 기준 센서와 토크 센서 간 연속적 비교 결과 문서를 통해 확인 되었습니다.

독일 국가 표준의 계측 불확도 기준을 보면, PTB사의 1.1MN•m 측정 기계가 '토크 표준 기기'로서 가장 높은 랭킹을 차지하고 있으며, 계측 불확도 0.08%에 해당하는 신 400kN•m 측정기가 바로 그 뒤를 따르고 있습니다.

이토록 정밀한 토크 센서는 토크를 정확하게 계측하게 해주며 구동력과 파워 효율 확인 시 기존 해양 산업 환경 규정에서 요구되는 수치보다 적어도 10배 가량 더 확실하게 계산할 수 있도록 도와줍니다.

참조 문헌

[1] K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2] R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[3] Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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