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전달오차의 EEMD적용을 통한 기어 결함분류연구
A Study on Fault Classification by EEMD Application of Gear Transmission Error 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.30 no.2, 2017년, pp.169 - 177  

박성호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  최주호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 기어 전달오차EEMD 적용을 통한 기어 이빨의 박리결함과 균열결함의 분류법을 소개한다. 두 가지 결함을 적용한 기어의 유한요소모델을 바탕으로 전달오차를 획득하고 전달오차에서 나타나는 두 가지 결함의 특징과 정상상태의 전달오차와의 차이를 나타내는 RTE에서 나타나는 두 가지 결함의 특징을 확인했으며 유한요소해석 결과를 이용한 시뮬레이션 신호를 구성하여 신호처리를 통한 RTE 획득과정을 구성하였다. 시뮬레이션 신호로부터 얻은 RTE의 EEMD 적용을 통하여 박리과 균열의 신호가 각기 다른 IMF에서 비중이 크다는 것을 확인하였고, 이를 실험을 통해 검증하고자 하였다. 한 쌍의 기어와 서보모터, 파우더브레이크 그리고 기어의 회전량을 측정하기 위한 엔코더로 구성되어있는 테스트베드를 꾸려 전달오차를 획득하였다. 두 개의 기어를 이용하여 정상, 박리, 균열 세가지 상황에 대한 전달오차를 획득하여 시뮬레이션과 같은 과정을 거쳐 결함이 신호로 구분되는 것을 확인했다. 이를 정량화 하기위해 파고율을 각 IMF에 적용하였고 첫 번째 IMF와 세 번째 IMF의 파고율을 특징 신호로 선정하였다. 실험을 통해 확보된 데이터를 이용하여 Bayes decision 이론을 이용하여 분류 방법을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, classification of spall and crack faults of gear teeth is studied by applying the ensemble empirical mode decomposition(EEMD) for the gear transmission error(TE). Finite element models of the gears with the two faults are built, and TE is obtained by simulation of the gears under load...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 결함에 따른 전달오차의 변화를 실험을 통해 실제로 획득하기에 앞서 유한요소해석을 통해 결함종류에 따른 전달오차의 경향을 파악해 보고자 하였다. 이를 위해 상용소프트웨어 ANSYS를 활용하였고 모델링 과정은 다음과 같다.
  • 또한 진동신호를 통한 결함진단 및 결함종류의 식별 시도가 있었지만 이는 여러 진동요인을 한 가지 신호로 파악하는 진동신호의 특성 때문에 고장물리 없이 데이터에 의존한 연구였다. 따라서 본 연구는 이러한 기존 연구의 한계를 보완하기 위해 유한요소해석을 통해 전달오차의 결함특성을 파악하고 이를 바탕으로 결함을 식별하는 기법을 제시, 실제 실험을 통해 검증하였다.
  • 이중에서 균열은 한번 발생하면 급격하게 이의 파손(fracture, breakage)으로 이어지고, 그 결과 기어 의 연쇄적 파손 및 기어박스 전반의 손상을 유발하므로 특히 중요한 결함요소로 다루어야 한다. 따라서 본 연구에서는 단순히 기어의 결함유무를 판단하는 것 외에 박리와 균열을 구분하기 위한 연구를 수행하였다. 기어결함진단에 있어 기존 연구는 크게 전달 오차를 이용한 연구와 진동 신호를 이용한 연구로 구분된다.
  • 두 결함 RTE는 EEMD 과정 모드가 분리되어 나오는데 IMF 중 결함 신호를 포함하는 비중이 박리와 균열결함에서 각기 다르게 나타났다. 본 연구에서는 EEMD 연산 순서상 비교적 먼저 도출되는 IMF들을 이용하여 실제 적용에 있어 연산 시간을 줄이고자 하였고 특징 신호의 개수를 최소로 하기 위해 첫 번째 IMF과 세 번째 IMF, 두 IMF 로부터 얻어지는 특징 신호를 이용 하여 결함을 분류하였다.
  • 본 연구에서는 기계장치에서 흔히 사용하는 기어 중에서 가장 기초적 형태라 할 수 있는 스퍼기어의 결함진단을 수행하였다. 기어의 전달오차를 측정하여 단순 결함 유무뿐 아니라 접촉응력에 의해 발생하는 박리결함과 굽힘 응력으로 인한 균열결함을 구분 진단하였다.
  • 또한 RTE의 전체적 형태를 봤을 때는 균열결함은 비대칭한 형태의 뾰족한 첨점을 갖는 특징이 있다. 본 연구에서는 두 결함의 이러한 전달오차 신호상의 차이를 신호처리 후의 결과를 통해 확인하고자 하였다.
  • 실험 결과인 IMF신호를 바탕으로 특징 신호를 선정하여 결함진단 및 분류를 시행하고자 하였다. 단순히 하나의 특징 신호를 가지고 결함 진단을 수행한다면 결함의 유무를 따지는 진단에서는 좋은 결과를 얻을 수 있겠지만 본 연구에서는 결함의 구분에도 목적이 있으므로 하나의 특징 신호로는 어려움이 있고 Shen(2004)의 연구결과와 같이 특징 신호의 개수가 많아진다면 좀 더 명확한 분류가 가능하지만 특징 신호를 위한 연산이 추가적으로 필요로 하고, 이는 또한 고장 물리가 없는 데이터 드리븐 형태여서 새로운 시스템에 적용하기 어려운 단점이 있다.
  • 전달오차(transmission error, TE)는 기어가 서로 맞물려 회전할 때 제작 오차나 하중에 의한 변형 등의 이유로 발생하는 실제와 이상적 회전각 사이의 오차를 뜻한다. 이러한 전달오차는 기어박스의 진동을 유발하고, 그것이 와인 소음을 발생시키는 부정적 요소이기 때문에, 과거에는 주로 이를 감소시키기 위한 연구를 수행하였다. 기어 이의 형상 변화는 기어 맞물림 강성(gear mesh stiffness, GMS)을 변화시키고 이것이 전달오차에 변화를 일으키기 때문에 이의 형상 변화를 전달오차를 통해 분석하는 연구 또한 활발하게 진행되었다.

가설 설정

  • 결함상태를 파악하기 위한 데이터 구분을 위해 베이지안 구별법(bayesian classifier)를 이용하였다. gear A와 gear B의 정상상태는 같은 집단으로 여기고 각 집단을 2변수 정규 분포로 가정하였다. 각 집단의 데이터를 기반으로 공분산 Σi를 구하고 우도 함수에 적용하여 우도 p(x|wi)를 구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상태기반정비란 무엇인가? 기계시스템의 운용에서 설비 결함을 진단하고 고장발생 가능성이 있을 때에만 정비를 수행하는 상태기반정비(condition based maintenance, CBM)가 최근 많은 주목을 받고 있다. 이는 시스템의 유지보수비용 및 다운 타임 감소를 통해 운용 비용 감소와 이익증대를 실현하여 준다.
상태기반정비가 주목받는 이유는? 기계시스템의 운용에서 설비 결함을 진단하고 고장발생 가능성이 있을 때에만 정비를 수행하는 상태기반정비(condition based maintenance, CBM)가 최근 많은 주목을 받고 있다. 이는 시스템의 유지보수비용 및 다운 타임 감소를 통해 운용 비용 감소와 이익증대를 실현하여 준다. 결함진단이 적용되어 큰 효과를 기대할 수 있는 분야는 유지보수에 높은 비용이 필요한 시스템이며 대표적으로 고속철도와 풍력발전용 터빈의 기어박스를 꼽을 수 있다.
결함진단이 큰 효과를 볼 수 있는 분야는? 이는 시스템의 유지보수비용 및 다운 타임 감소를 통해 운용 비용 감소와 이익증대를 실현하여 준다. 결함진단이 적용되어 큰 효과를 기대할 수 있는 분야는 유지보수에 높은 비용이 필요한 시스템이며 대표적으로 고속철도와 풍력발전용 터빈의 기어박스를 꼽을 수 있다. 기어박스는 기계시스템에서 회전동력을 전달하기 위해 기본적으로 사용되는 요소이므로 이에 대해 여러 센서 신호를 통해 결함을 감지하고 진단하려는 연구가 활발하다.
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참고문헌 (15)

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  2. Fernandes, P. (1996) Tooth Bending Fatigue Failures in Gears, Eng. Fail. Anal., 3, pp.219-225. 

  3. Fernandes, P.J.L., McDuling, C. (1997) Surface Contact Fatigue Failures in Gears, Eng. Fail Anal., 4, pp.99-107. 

  4. Inalpolat, M., Handschuh, M., Kahraman, A. (2015) Influence of Indexing Errors on Dynamic Response of Spur Gear Pairs, Mech. Sys. & Signal Proc., 60-61, pp.391-405. 

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  9. Jung, M.H., Goh, G.S., Yoo, K.T. (2003) Introduction of Off-shore Wind Turbine Systems, J. Korean Soc. Power Sys. Eng., 7, pp.5-10. 

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  11. Park, J., Oh, H., Youn, B.D., Park, S., Choi, J. (2015) Experimental Approach for Estimating Mesh Stiffness in Faulty States of Rotating Gear. 

  12. Shen, Z., Chen, X., Zhang, X., He, Z. (2012) A Novel Intelligent Gear Fault Diagnosis Model based on EMD and Multi-class TSVM, Measurement, 45, pp.30-40. 

  13. Shipley, E.E. (1967) Gear Failures, Mach Des., 39, pp.152-162. 

  14. White, R.J. (2005) Exploration of a Strategy for Reducing Gear Noise in Planetary Transmissions and Evaluation of Laser Vibrometry as a Means for Measuring Transmission Error, Case Western Reserve University. 

  15. Wu, Z., Huang, N.E. (2009) Ensemble Empirical Mode Decomposition: A Noise-assisted Data Analysis Method, Adv. Adapt. Data Anal., 1, pp.1-41. 

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