[논문]고속철도차량 감속구동장치 진동특성 분석

문경호; 이동형; 김재철; 지해영

doi:10.7736/kspe.2013.30.7.694

고속철도차량 감속구동장치 진동특성 분석
Analysis on the Vibration Characteristics of Reduction Gear Units for High-speed Trains 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.7, 2013년, pp.694 - 701

문경호 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부) , 이동형 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 김재철 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 지해영 (과학기술연합대학원 철도시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The gear-reduction units of Korean high-speed trains consist of a motor reduction unit, an axle gear box reduction unit, and a tripod joint shaft. A reduction gear unit is a gearbox used to reduce the rotational speed of the input shaft to a slower rotational speed on the output shaft. This reduction in output speed helps to increase torque. Defective reduction gear units in high-speed trains are caused by damage to the gear or by gear fatigue. To diagnose potential problems, it is important to know the vibration characteristics of the reduction gear units. In this study, we analyzed the vibration characteristics of reduction gears under various conditions. The test setup included a full-scale test rig to evaluate reduction gear under both normal and extreme operating conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

3,4 본 연구에서도 감속기 모니터링 시스템 개발에 활용하기 위하여 고속철도용 감속기의 진동을 측정하여 감속기의 진동특성을 파악하고자 한다.
또한 고속철도차량의 진동특성도 궤도구조에 따라 달라지게 된다.^5,6 본 연구에서는 감속구동장치의 진동특성을 파악하기 위하여 실물 시험기 및 주행 중 실차에서 감속구동장치의 진동을 측정하여 여러가지 조건에서 감속구동장치의 진동 특성에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.

제안 방법

감속구동장치의 진동특성을 파악하기 위하여 실물시험기 및 주행 중 실차에서 감속구동장치의 진동을 측정하여 분석하였다. 실차시험에서 대차의 진동과 1차 감속장치와의 상관성이 없지만 축상진동과 2차 감속장치는 상관성이 있는 것으로 나타났으며, 2차 감속장치보다 차륜에 의한 진동의 영향이 적은 1차 감속장치가 기어의 맞물림 주파수 등 기어의 진동 특성을 잘 반영하고 있음을 알 수 있었다.
궤도구조에 따른 진동 특성을 파악하기 위하여 콘크리트궤도인 황학터널과 자갈도상궤도인 금호 터널에서 감속장치의 진동을 비교하였다. Fig.
속도 변화 및 토크 변화에 따른 감속구동장치의 진동 특성을 파악하기 위하여 실물 시험기를 이용하여 2차 감속장치의 진동을 측정하였으며, 진동센서는 감속장치 케이스인 기어박스와 입력측 베어링 및 출력측 베어링에 부착하여 측정하였다. 측정결과인 Fig.
이러한 점을 고려하여 측정방법은 실제 주행중 실차에서 감속구동장치의 진동을 측정하고 분석한 후에 차륜/레일에 의한 진동이 반영되지 않는 실물시험기에서 진동을 측정 및 분석하여 상호 비교하고자 하였다. 실물시험기는 Fig. 3과 같으며 2차 감속장치에서 베어링대 및 기어 케이스에서의 진동 특성 비교 분석하며, 속도 및 부하조건에 따른 감속장치의 진동특성이 어떻게 변하는지를 분석하고자 하였다.
부착위치도 1차 감속장치는 베어링이 기어박스 내에 위치하여 베어링대에 부착할 수 없으며, 단기간의 시험일 경우, 2차 감속장치는 베어링대에 부착할 수 있지만 장기간 상태 감시 및 진단을 위해서 진동센서는 감속장치 케이스에 부착해야만 한다. 이러한 점을 고려하여 측정방법은 실제 주행중 실차에서 감속구동장치의 진동을 측정하고 분석한 후에 차륜/레일에 의한 진동이 반영되지 않는 실물시험기에서 진동을 측정 및 분석하여 상호 비교하고자 하였다. 실물시험기는 Fig.
일반적으로 가속시에 모터에 부하가 더 많이 걸린다. 이에 대하여 감속구동장치에 미치는 영향을 파악하기 위하여 가속 및 감속구간에서 감속장치의 진동수준을 비교하였다. Fig.

성능/효과

일반적인 상황에서 토크 변동이 진동 수준에 영향을 미치지 않지만 진동 모드에 해당하는 회전속도 에서는 토크의 영향에 따라 진동 수준도 증가함을 알 수 있었다.
Fig. 6(a)에서 분기기 통과 등 선로에 의한 영향을 많이 받는 구간에서는 2차 감속장치의 진동이 크고 고속에서의 진동레벨의 변동은 1차감속기가 큰 것으로 나타났다. Fig.
Fig. 5(a)의 사각형 박스 B는 분기기 등을 통과할 때로서 이 때를 제외한 진동레벨의 크기는 기어박스의 진동레벨이 가장 크고 베어링진동, 축상진동의 순으로 나타났다 이를 통하여 차륜과 레일에 의한 진동이 감속기의 맞물림에 의한 진동보다 작다는 것을 알 수 있다. 기어박스의 진동이 베어링 진동보다 높은데 기어 케이스로 진동이 전달되는 과정에서 기어 케이스의 진동모드에 의해서 진동이 약간 증폭 되는 효과에 기인한 것으로 추정된다.
5(c)는 Fig. 5(a)의 점선박스 C 부분을 주파수 분석한 결과이며, 기어박스 진동과 베어링진동의 주파수는 연관성이 높고 축상진동도 어느 정도 연관성을 갖고 있는 것으로 나타났다.
선로 및 운행조건에 따른 진동 특성을 보면, 평균적인 진동 수준은 1차 감속장치보다 2차 감속장치가 높은 것으로 나타났으며, 콘크리트 궤도와 자갈도상 궤도에서 1차 및 2차 감속장치의 진동이 비슷하게 나타나고 있으므로 궤도 조건에 따른 영향은 작은 것으로 나타났다.
8에 나타냈다. 속도에 따른 진동 수준을 다시 직선으로 추세선을 그린 결과를 보면, 1차 감속장치보다 2차 감속장치의 진동 수준이 높다는 것을 알 수 있었다.
선로 및 운행조건에 따른 진동 특성을 보면, 평균적인 진동 수준은 1차 감속장치보다 2차 감속장치가 높은 것으로 나타났으며, 콘크리트 궤도와 자갈도상 궤도에서 1차 및 2차 감속장치의 진동이 비슷하게 나타나고 있으므로 궤도 조건에 따른 영향은 작은 것으로 나타났다. 실물시험 결과에서 기어박스의 진동은 입력측 및 출력측 베어링의 진동을 모두 반영하고 있음을 알 수 있었다. 일반적인 상황에서 토크 변동이 진동 수준에 영향을 미치지 않지만 진동 모드에 해당하는 회전속도 에서는 토크의 영향에 따라 진동 수준도 증가함을 알 수 있었다.
감속구동장치의 진동특성을 파악하기 위하여 실물시험기 및 주행 중 실차에서 감속구동장치의 진동을 측정하여 분석하였다. 실차시험에서 대차의 진동과 1차 감속장치와의 상관성이 없지만 축상진동과 2차 감속장치는 상관성이 있는 것으로 나타났으며, 2차 감속장치보다 차륜에 의한 진동의 영향이 적은 1차 감속장치가 기어의 맞물림 주파수 등 기어의 진동 특성을 잘 반영하고 있음을 알 수 있었다. 선로 및 운행조건에 따른 진동 특성을 보면, 평균적인 진동 수준은 1차 감속장치보다 2차 감속장치가 높은 것으로 나타났으며, 콘크리트 궤도와 자갈도상 궤도에서 1차 및 2차 감속장치의 진동이 비슷하게 나타나고 있으므로 궤도 조건에 따른 영향은 작은 것으로 나타났다.
10(b)는 2차 감속장치의 진동 수준을 비교한 것으로 콘크리트 궤도와 자갈도상 궤도 모두 비슷한 수준을 유지하고 있다. 자갈도상에서 중간에 가끔 튀는 부분은 상세 분석 결과, 약 0.2초의 순간적인 변동이 몇 번 발생하여 진동 수준을 높인 것이며, 주파수 분석 에서도 맞물림 주파수의 측대역 주파수 성분에서 순간적으로 크게 나타난 것으로 파악됐다.
4(b)에 나타냈다. 주파수 분석결과를 보면, 피크 주파수가 서로 일치하지 않는 것으로 보아 대차의 진동이 1차 감속장치에 미치는 영향은 작은 것으로 나타났다.

후속연구

향후 정상상태와 결함상태의 진동특성 결과를 비교하면 감속구동장치 모니터링 시스템에 반영될 진단기준이 마련될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구 결과는 정상상태의 감속장치 진동특성을 분석한 결과이며, 후속 연구로서 결함상태의 감속장치를 입수하여 실물시험을 수행할 예정이다. 향후 정상상태와 결함상태의 진동특성 결과를 비교하면 감속구동장치 모니터링 시스템에 반영될 진단기준이 마련될 수 있을 것으로 판단된다.
주행상태에서 감속구동장치에서 측정되는 진동은 모터 및 기어의 맞물림 진동 외에도 고속으로 주행하면서 발생하는 차륜/레일에 의한 진동 및 대차의 진동 등이 감속구동장치의 진동에 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 연관성 분석이 필요 하다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도운영기관은 감속구동장치를 어떻게 관리하고 있는가?	열차 운행시 고속철도용 감속구동장치에 가해지는 부하가 매우 크기 때문에 기어의 안전성 및 내구성, 각부품의 신뢰성 등이 매우 중요하다.1철도운영기관은 운행거리, 고장발생횟수 및 보수정비 등을 고려한 신뢰성(Reliability) 및 유지보수성(Maintainability) 분석을 통해 감속구동장치를 관리하고 있다.2그러나 감속구동장치 구조상 분해하지 않고는 베어링, 기어 등의 손상이나 고장상태를 알 수 없기 때문에 감속구동장치의 손상 상태 및 고장 발생여부 등을 사전에 파악하고 조치를 취할 수 있도록 안전장치가 필요하며, 이러한 안전장치로서 모니터링 시스템이 많이 개발되어지고 있다.
	철도차량의 감속구동장치는 무엇인가?	철도차량의 감속구동장치는 빠르게 회전하는 구동모터의 회전력을 출력축인 차륜으로 회전속도를 감속시켜 전달하는 장치이며, 출력속도를 감속 시켜 출력토크를 증대시키는 것이 목적이다. 열차 운행시 고속철도용 감속구동장치에 가해지는 부하가 매우 크기 때문에 기어의 안전성 및 내구성, 각부품의 신뢰성 등이 매우 중요하다.
	철도운영기관은 감속구동장치 상태를 사전에 파악하기 위한 안전장치가 왜 필요한가?	1철도운영기관은 운행거리, 고장발생횟수 및 보수정비 등을 고려한 신뢰성(Reliability) 및 유지보수성(Maintainability) 분석을 통해 감속구동장치를 관리하고 있다.2그러나 감속구동장치 구조상 분해하지 않고는 베어링, 기어 등의 손상이나 고장상태를 알 수 없기 때문에 감속구동장치의 손상 상태 및 고장 발생여부 등을 사전에 파악하고 조치를 취할 수 있도록 안전장치가 필요하며, 이러한 안전장치로서 모니터링 시스템이 많이 개발되어지고 있다. 베어링 및 기어에 대한 결함 및 이상여부를 파악하고 분석하는데 있어서 시스템의 특성을 파악하는 것이 중요 하며, 시스템의 특성은 진동신호를 이용한 분석방법이 많이 적용되고 있다.

참고문헌 (7)

Moon, K. H., Lee, D. H., Kim, J. C., Jee, H. Y., and Lee, K. H., "A comparison of vibration characteristics of the reduction gearbox for the KTX and electric motor coach," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 1273-1274, 2012.
Jung, D. W., Lee, Y. Y., and Kim, E. S., "A study of maintenance measures of the KTX decelerator," Proc. of the Korean Society for Railway Spring Conference, pp. 1191-1197, 2009.
Park, K. H., Jung, S. J., Wee, H., Lee, G. S., and Cho, S. H., "A Study on the Fault Detection of Autotransmission Using the Vibrational Characteristics of Roller Bearings," Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 3, pp. 268-273, 2009.

원문보기 상세보기
Ji, H. Y., Lee, K. H., Kim, J. C., Lee, D. H., and Moon, K. H., "Analysis of Vibration Characteristics for the Fault Diagnosis of High-speed Railway Reduction," J. of Korean Society for Railway, Vol. 16, No. 1, pp. 26-31, 2013.

원문보기 상세보기
Hur, H. M., Park, J. H., and You, W. H., "Analysis on the Vibration Characteristics of High Speed Train according to Track Structure," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 6, pp. 593-599, 2012.

원문보기 상세보기
Kim, M. C. and Jang, S. Y., "Characteristics of Vibration of Track and Vehicle Body According to Type of Track in Tunnel of High-Speed Railway Lines," J. of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 26, No. 1D, pp. 125-132, 2006.
KS B ISO 8579-2, "Acceptance code for gears - Part 2: Determination of mechanical vibrations of gear units during acceptance testing," 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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