감속구동장치는 모터에 회전력을 차륜에 전달하는 중요한 장치로써 가장 큰 고장원인 중 하나는 기어의 접촉 피로손상에 의한 것이다. 이로 인해 주행 시 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 주행안전성 확보를 위한 이상진단 모니터링시스템 기술이 요구되고 있으며, 이상진단을 위한 모니터링 시스템 개발을 위해 고장이 없는 감속구동장치의 기초 데이터 분석이 중요하다. 기어의 주요 이상진단방법 중 고장원인파악 및 조기진단에 주로 사용되는 진동신호분석법을 적용하여, 본 논문에서는 고장이 없는 고속철도차량(KTX, KTX II) 감속구동장치를 대상으로 실물시험과 실차시험을 수행함으로써 고장이 없는 감속구동장치의 이상진단에 필요한 진동특성분석을 실시하였다.
감속구동장치는 모터에 회전력을 차륜에 전달하는 중요한 장치로써 가장 큰 고장원인 중 하나는 기어의 접촉 피로손상에 의한 것이다. 이로 인해 주행 시 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 주행안전성 확보를 위한 이상진단 모니터링시스템 기술이 요구되고 있으며, 이상진단을 위한 모니터링 시스템 개발을 위해 고장이 없는 감속구동장치의 기초 데이터 분석이 중요하다. 기어의 주요 이상진단방법 중 고장원인파악 및 조기진단에 주로 사용되는 진동신호분석법을 적용하여, 본 논문에서는 고장이 없는 고속철도차량(KTX, KTX II) 감속구동장치를 대상으로 실물시험과 실차시험을 수행함으로써 고장이 없는 감속구동장치의 이상진단에 필요한 진동특성분석을 실시하였다.
The reduction unit is one of the most important components for railway vehicles because the torque of the motor must be transmitted to the wheels of the vehicle by the reduction unit. The faults in the reduction units of high-speed trains are caused by damage such as gear, fatigue. These have seriou...
The reduction unit is one of the most important components for railway vehicles because the torque of the motor must be transmitted to the wheels of the vehicle by the reduction unit. The faults in the reduction units of high-speed trains are caused by damage such as gear, fatigue. These have serious impacts on safety of the train during operation. To address this development of a system for monitoring, fault diagnosis of the reduction unit is needed to keep the vehicle running safely. Before that can be accomplished, it is most important to understand the vibration characteristics of the reduction unit in a normal state. Vibration diagnosis technology using characteristic-analysis of vibration waveform and frequency is known to be the most effective method for fault diagnosis. In this paper, we analyzed the vibration characteristics of the reduction units two Korean high-speed trains (KTX and KTX II), under normal conditions, by two test methods (driving gear test, full-vehicle test).
The reduction unit is one of the most important components for railway vehicles because the torque of the motor must be transmitted to the wheels of the vehicle by the reduction unit. The faults in the reduction units of high-speed trains are caused by damage such as gear, fatigue. These have serious impacts on safety of the train during operation. To address this development of a system for monitoring, fault diagnosis of the reduction unit is needed to keep the vehicle running safely. Before that can be accomplished, it is most important to understand the vibration characteristics of the reduction unit in a normal state. Vibration diagnosis technology using characteristic-analysis of vibration waveform and frequency is known to be the most effective method for fault diagnosis. In this paper, we analyzed the vibration characteristics of the reduction units two Korean high-speed trains (KTX and KTX II), under normal conditions, by two test methods (driving gear test, full-vehicle test).
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문제 정의
기어에 대한 이상진단방법으로는 진동신호를 이용한 측정 및 분석기술[3,4]이 많이 사용되며, 이상진단을 위해서는 기본적으로 고장이 없는 경우의 진동특성파악이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 고속철도차량 감속구동장치 이상진단 모니터링 시스템을 위한 기초단계로, 고장이 없는 상태의 감속구동장치 진동특성을 분석하였으며, 일반적으로 고속열차 주행 시 차륜/레일에 의한 진동이 윤축 및 대차에 전달되어 감속구동장치의 진동에 영향을 미칠 수 있기 때문에 시험기 시험 및 실차시험을 수행하여 이상진단에 필요한 진동특성을 분석하였다.
제안 방법
고속철도차량용 감속구동장치의 이상진단시스템을 개발하기 위해 고장이 없는 상태의 진동특성을 파악하였으며, 시험기와 실차시험을 통해서 차량운행시 차륜과 레일에 의해서 발생하는 윤축 및 대차의 진동이 미치는 영향을 분석하였다.
진동측정은 기어박스와 베어링 케이스 외부에서 측정하였으며, 진동신호의 처리는 기어와 베어링의 결함진단에 사용되는 데이터통계분석방법 중 파고율(Crest factor)과 커토시스(Kurtosis)를 이용한 시간영역분석[5,6]과 기어 맞물림주파수(fm)와 차수분석(order)을 통한 주파수영역 분석을 실시하였다.
대상 데이터
국내 고속철도차량인 KTX, KTX II 차량의 감속구동장치를 대상으로 Fig. 6과 같이 1차 감속구동장치 출력측 기어 박스와 2차 감속구동장치 출력측 베어링케이스에 각각 3축방향 가속도 진동센서를 설치하여 측정하였다.
성능/효과
일반적으로 충격성분이 없는 정상 진동신호의 파형의 경우에 파고율은 3수준, 커토시스값은 1이하의 값을 나타내는데, 이를 통하여 철도차량 감속구동장치에서도 고장이 없는 정상인 경우에 이와 같은 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었으며 이 분석 결과는 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축을 위한 기초 데이터로 활용 가능 할 것이라고 생각된다. 또한, 고장이 없는 감속구동장치의 주파수분석결과를 통해서 차수와 기어 맞물림주파수의 특성 계산결과와 측정결과가 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실차시험의 경우에는 차량운행 시 2차 출력측 감속구동장치에서 기어 맞물림 주파수특성이 확실하게 나타나지는 않았다.
시간영역분석결과에서 회전속도 및 열차의 운행속도에 상관없이 고장이 없는 경우 파고율은 3정도의 레벨을 유지하는 것으로 나타났고, 커토시스값은 1이하의 레벨특성을 보이는 것으로 분석되었다.
시험기를 통하여 고장이 없는 고속철도차량(KTX) 2차측 감속구동장치의 파고율과 커토시스분석을 실시한 결과, 회전속도의 변화와 상관없이 파고율은 약 3~4, 커토시스값은 1이하의 레벨을 나타내는 것을 알 수 있다.
실제차량을 대상으로 분석한 결과 역시 KTX, KTX II 모두 파고율은 3정도의 레벨, 커토시스는 1이하의 레벨로 나타나는 것을 알 수 있었다.
이러한 결과를 통해서 고장이 없는 감속구동장치의 진동특성 중 파고율과 커토시스레벨은 실제차량의 진동에서도 열차속도와 상관없이 일정한 값의 레벨을 유지하는 것을 알았다.
이처럼 시험기를 통해 주파수분석을 실시한 결과, 감속구동장치만의 기어 진동 특성을 파악할 수 있었다.
후속연구
그러나 실차시험의 경우에는 차량운행 시 2차 출력측 감속구동장치에서 기어 맞물림 주파수특성이 확실하게 나타나지는 않았다. 그러나 이러한 현상에 대한 원인을 본 연구에서 수행한 시험을 통해 서는 명확하게 규명 할 수 없었기 때문에 차후 KTX II 2차측 감속구동장치 실물시험을 실시함으로써 진동특성의 명확한 원인규명을 수행할 계획이다. 이러한 고장이 없는 상태의 고속철도차량 감속구동장치의 진동특성분석결과는 향후 이상진단 모니터링 시스템 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 이러한 현상에 대한 원인을 본 연구에서 수행한 시험을 통해 서는 명확하게 규명 할 수 없었기 때문에 차후 KTX II 2차측 감속구동장치 실물시험을 실시함으로써 진동특성의 명확한 원인규명을 수행할 계획이다. 이러한 고장이 없는 상태의 고속철도차량 감속구동장치의 진동특성분석결과는 향후 이상진단 모니터링 시스템 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
일반적으로 충격성분이 없는 정상 진동신호의 파형의 경우에 파고율은 3수준, 커토시스값은 1이하의 값을 나타내는데, 이를 통하여 철도차량 감속구동장치에서도 고장이 없는 정상인 경우에 이와 같은 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었으며 이 분석 결과는 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축을 위한 기초 데이터로 활용 가능 할 것이라고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량의 감속구동장치란?
철도차량의 감속구동장치는 구동모터의 회전력을 차륜에 전달하는 장치이며, 고속운행 시 감속구동장치에 가해지는 부하가 매우 크기 때문에 기어의 안전성 및 내구성 등이 매우 중요하다[1]. 실제 감속구동장치의 운행거리, 고장발생횟수 및 보수정비 등을 고려한 신뢰성(Reliability) 및 유지보 수성(Maintainability)분석[2]을 통해 관리가 가능하지만, 감속구동장치의 주요 고장원인 중 하나는 내부 기어의 접촉피로손상에 의한 고장이며, 이러한 이유로 조기에 파손유무를 발견함으로써 손상 이나 고장으로 인한 피해를 미연에 방지하기 위해 이상 진단 모니터링시스템이 필요한 실정이다.
감속구동장치의 파고율(Crest factor)과 커토시스(Kurtosis)를 이용한 시간영역분석 결과는 어떠한가?
진동신호 분석방법은 회전기계의 결함진단에서 사용 되는 파고율과 커토시스를 이용하였다. 시간영역분석결과에서 회전속도 및 열차의 운행속도에 상관없이 고장이 없는 경우 파고율은 3정도의 레벨을 유지하는 것으로 나타났고, 커토시스값은 1이하의 레벨특성을 보이는 것으로 분석되었다. 일반적으로 충격성분이 없는 정상 진동신호의 파형의 경우에 파고율은 3수준, 커토시스값은 1이하의 값을 나타내는데, 이를 통하여 철도차량 감속구동장치에서도 고장이 없는 정상인 경우에 이와 같은 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었으며 이 분석 결과는 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축을 위한 기초 데이터로 활용 가능 할 것이라고 생각된다.
감속구동장치의 가장 큰 고장원인은?
감속구동장치는 모터에 회전력을 차륜에 전달하는 중요한 장치로써 가장 큰 고장원인 중 하나는 기어의 접촉 피로손상에 의한 것이다. 이로 인해 주행 시 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 주행안전성 확보를 위한 이상진단 모니터링시스템 기술이 요구되고 있으며, 이상진단을 위한 모니터링 시스템 개발을 위해 고장이 없는 감속구동장치의 기초 데이터 분석이 중요하다.
참고문헌 (8)
K.H. Moon, D.H. Lee, J.C. Kim, H.Y. Ji, et al. (2012) A comparison of vibration characteristics of the reduction gearbox for the KTX and electric motor coach, Korean Society for Precision Engineering Annual Spring Conference, pp. 1273-1274.
D.W. Jung, Y.Y. Lee, E.S. Kim (2009) A study of maintenance measures of the KTX decelerator, The Korean Society for Railway Annual Spring Conference, pp. 1191-1197.
K.H. Park, J.H. Kim, S.K. Kim, J.M. Lee (1995) Automatic diagnosis of defects in roller element bearings, Journal of Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 5(3), pp. 353-360.
K.H. Park, S.J. Jung, H. Wee, K.S. Lee et al. (2009) A study on the fault detection of auto-transmission using the vibration characteristics of roller bearings, Journal of Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 19(3), pp. 268-273.
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