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문제 정의
- 본 연구는 기어에서 발생하는 주요 손상을 구현한 후 감속기 진동시험을 수행하고 진동 상태표시기의 특성을 평가하였다. 고속철도용 감속기를 대상으로 부하시험을 수행하였고, 기어의 이 파손 (tooth breakage) 및 피팅 (pitting)과 같은 대표적 손상 상태를 구현한 후 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다.
제안 방법
- NA6는 본 논문에서 제안한 방법으로 NA4와 같이 기어 결함 시 발생하는 맞물림 주파수의 사이드 밴드를 제거하지 않은 잔류신호를 이용하고, 이 신호의 6차 모멘트를 적용한 것이다. 기어에 손상이 발생할 경우 맞물림 주파수의 사이드밴드의 값이 커지게 되므로 기어 손상에 더 민감하게 반응할 수 있도록 한 상태표시기로서, 다음 식과 같다.
- 본 연구는 기어에서 발생하는 주요 손상을 구현한 후 감속기 진동시험을 수행하고 진동 상태표시기의 특성을 평가하였다. 고속철도용 감속기를 대상으로 부하시험을 수행하였고, 기어의 이 파손 (tooth breakage) 및 피팅 (pitting)과 같은 대표적 손상 상태를 구현한 후 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다. 진동 데이터를 이용하여 기어의 손상상태를 진단할 수 있다고 알려져 있는 대표적인 상태표시기를 분석하고 각각의 특성 및 모니터링시스템에 적용 가능성 여부를 검토하였다.
- 기어 손상상태에 따른 진동신호를 모니터링 하기 위하여 손상 발생부터 진전까지 손상상태 변화에 따라 진동신호 변화를 분석하여야 한다. 그러나 이러한 시험조건을 맞추기가 어렵고 많은 시간이 소요되기 때문에 기어 시험편에 각각의 대표적인 손상을 인공적으로 제작하였다. 실험은 고속열차용 1차 감속기를 대상으로 하였고, 입력측 기어 (pinion)를 정상품과 손상품으로 제작하였다.
- 기어의 대표적인 손상인 기어 이 파손 및 피팅에 대한 진동특성을 분석하기 위하여 실물 시험편을 제작하였다. 기어 손상상태에 따른 진동신호를 모니터링 하기 위하여 손상 발생부터 진전까지 손상상태 변화에 따라 진동신호 변화를 분석하여야 한다.
- 기어의 주요 손상을 모사하고 진동시험 및 진동 상태표시기의 특성을 평가하였다. 기어의 이 파손, 피팅과 같은 대표적 손상 상태를 구현하고 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다. 측정한 진동 데이터를 이용하여 대표적인 상태표시기를 적용, 분석하였고 각각의 특성 및 모니터링시스템 적용 가능성 여부를 검토하였다.
- 기어의 주요 손상을 모사하고 진동시험 및 진동 상태표시기의 특성을 평가하였다. 기어의 이 파손, 피팅과 같은 대표적 손상 상태를 구현하고 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다.
- 실험 조건은 대표적 운전상태인 100, 200, 300 km/h로 구분하여 시험하였고, 기어 이 두 개 파손 상태는 안전을 위해서 토크 1,000 N·m, 출력 속도 668 rpm(약 100 km/h)에서 실험을 진행하였으며, 실험 모습은 Fig. 3과 같다.
- 입력측 기어는 구동 모터와 직접 연결된 기어로서 회전속도가 높고 가장 손상이 많이 발생되고 있는 부품이다. 입력측 기어의 손상은 피팅, 기어 이 한 개의 50% 파손, 기어 이 한 개 파손, 기어 이 두 개 파손과 같이 네 가지 손상상태를 Fig. 2와 같이 인공적으로 구현하였다. 실험 조건은 대표적 운전상태인 100, 200, 300 km/h로 구분하여 시험하였고, 기어 이 두 개 파손 상태는 안전을 위해서 토크 1,000 N·m, 출력 속도 668 rpm(약 100 km/h)에서 실험을 진행하였으며, 실험 모습은 Fig.
- 정상상태 및 이상상태의 피니언을 조립하고 고속열차(KTX) 최고 속도 300 km/h일 때인 1,965 rpm 회전상태와 3,000 N·m의 부하조건에서 실험 후 진동 특성을 분석하여 진단 방법을 평가하였다.
- 고속철도용 감속기를 대상으로 부하시험을 수행하였고, 기어의 이 파손 (tooth breakage) 및 피팅 (pitting)과 같은 대표적 손상 상태를 구현한 후 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다. 진동 데이터를 이용하여 기어의 손상상태를 진단할 수 있다고 알려져 있는 대표적인 상태표시기를 분석하고 각각의 특성 및 모니터링시스템에 적용 가능성 여부를 검토하였다.
- 기어의 이 파손, 피팅과 같은 대표적 손상 상태를 구현하고 회전속도 변화에 따른 감속기 진동을 측정하였다. 측정한 진동 데이터를 이용하여 대표적인 상태표시기를 적용, 분석하였고 각각의 특성 및 모니터링시스템 적용 가능성 여부를 검토하였다. 대부분의 상태 표시기는 기어 손상이 커질수록 점차적으로 증가하다가 기어 이 두 개 파손 시 크게 증가하는 경향을 나타내었다.
대상 데이터
- 주파수 분석 방법의 경우 많은 연산이 필요하고 높은 하드웨어 사양을 필요로 하기 때문에 실시간 분석이 필요한 모니터링시스템에 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 통계적 처리방법을 대상으로 하였고, 통계적 분석방법 중 원신호 (raw signal)와 잔류신호 (residual signal), 차이신호를 이용한 분석 방법을 대상으로 하였다.
- 그러나 이러한 시험조건을 맞추기가 어렵고 많은 시간이 소요되기 때문에 기어 시험편에 각각의 대표적인 손상을 인공적으로 제작하였다. 실험은 고속열차용 1차 감속기를 대상으로 하였고, 입력측 기어 (pinion)를 정상품과 손상품으로 제작하였다. 입력측 기어는 구동 모터와 직접 연결된 기어로서 회전속도가 높고 가장 손상이 많이 발생되고 있는 부품이다.
성능/효과
- 다른 상태표시기와 같이 손상이 커질수록 점차적으로 증가하다가 기어 이 두 개 파손 시 크게 증가하는 경향을 나타낸다. NA4와 비교하여 NA6 상태표시기는 손상에 따라 정상상태보다 변화량이 크며, 손상에 민감하게 반응함을 알 수 있다.
- 진동 실효치의 경우 속도 변화에 따라 변화량이 가장 크게 나타나 속도가 변화하는 감속기에 절대적 기준치를 적용하는 상태표시기로는 부적절 하였다. NA6의 경우 속도에 따라 변화량이 적으며, 기어에 손상이 발생할 경우 가장 민감하게 변화하여 철도차량 감속기 모니터링 시스템 적용에 가장 우수한 상태표시기로 평가되었다.
- 측정한 진동 데이터를 이용하여 대표적인 상태표시기를 적용, 분석하였고 각각의 특성 및 모니터링시스템 적용 가능성 여부를 검토하였다. 대부분의 상태 표시기는 기어 손상이 커질수록 점차적으로 증가하다가 기어 이 두 개 파손 시 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 진동 실효치의 경우 속도 변화에 따라 변화량이 가장 크게 나타나 속도가 변화하는 감속기에 절대적 기준치를 적용하는 상태표시기로는 부적절 하였다.
- 정상상태와 비교하여 기어 손상에 따라 대부분의 상태표시기는 민감도에 차이가 있지만, 증가하는 경향을 나타낸다. 분석한 상태표시기 중 정상상태 기어와 비교하여 기어 손상에 따라 민감도가 가장 작은 것은 실효치이고, 민감도가 가장 큰 것은 NA6 이었다.
- 7은 토크 3,000 N·m, 속도 668 rpm의 시험 조건에서 정상품과 손상품의 진동데이터 실효치 비교 결과이다. 실험 조건과 결함에 상관없이 상하(Z축) 진동이 좌우(Y축) 진동보다 크며, 시험 대상품이 헬리컬 감속기 임에도 상하방향 진동이 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 그림에서와 같이 기어에 손상이 발생하였을 경우 상하 진동 실효치 수준이 정상 상태보다 약 1.
- 첨도와 FM4, NA4, NA6 상태표시기의 경우 속도가 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내며, 이것은 속도가 증가함에 따라 전체적인 진동이 커져 상대적으로 충격치가 작아지기 때문인 것으로 판단된다. 이상과 같이 기어의 손상상태에 따른 상태표시기의 분석결과를 종합하면, 속도에 따른 변화량이 적으며, 손상에 따라 민감도가 가장 높은 NA6 상태표시기가 철도차량과 같이 속도가 변화하는 감속기의 손상을 진단하는 상태표시기로 가장 우수함을 알 수 있다.
- 5~2배 이상으로 나타났다. 회전속도가 증가할수록 정상상태와 손상품의 진동 실효치 차이가 더 크게 나타났다. 예를 들면, 속도 668 rpm에서 손상품이 정상품의 진동 실효치보다 약 2배 크지만, 속도가 약 3배 증가시(1,967 rpm) 손상품의 진동 실효치는 정상품보다 약 10배 정도 크게 나타난다.
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