하이브리드 기어의 적외선 열화상 기법을 적용한 건전성 평가
노 치 성
*, 김 재 열
†*조선대학교, 기계시스템공학과
†조선대학교, 기계시스템미래자동차공학부
Integrity Evaluation By Infrared Thermography Technique Of Hybrid Gear
Roh Chi-Sung
*, Kim Jae-Yeol
†*Department of Mechanical Engineering, Chosun University, Korea
†Department Future Automotive Engineering, Chosun University, Korea (Received : Aug. 20, 2016, Revised : Sep. 21, 2016, Accepted : Sep. 23, 2016)
Abstract : The study made a hybrid gear test sample compared to the normal part and a defect part, and by using the infrared measuring technique at room temperature after cooling applied to a method of detecting a defect and a halogen lamp as a heat source through infrared measurement technology to evaluate the defect detection and quality of hybrid gear.
After cooling down the spur gear, experiments were carried out using a technique to which thermography and halogen lamps are applied; according to the experiment results, the temperature data were analyzed.
In case of the experiment to which thermography was applied after cooling, it was analyzed that the temperature was raised in the room temperature. As a result, the defected part had temperature lower than its surroundings while other normal parts had temperature higher than the defected part. It was possible to precisely diagnose the defected part due to gauged low temperatures at the defected part.
Keyword : Gear, Hybrid Gear, Infrared Thermography Technique, Integrity Evaluation
1. 서론
*
산업사회에서부터 기어는 베어링, 나사와 함께 대표 적인 기계요소의 하나로써 오랫동안 중요한 역할을 담 당하였다. 20세기인 오늘 날에도 기어는 동력전달을 확실하게 할 뿐만 아니라 효율이 좋아 작게는 시계용 기어에서 크게는 수십만 KW급 선박용 터빈 감속기어, 자동차와 항공기의 감속 장치, 차동기어장치, 풍력발전 기 등 폭 넓게 이용되고 있을뿐더러 그 종류 또한 용 도에 따라 다양하다.
자동변속기 회전 부품 중 베어링, 회전축, 기어 등에 서 주요한 결함이 종종 발생하는데, 특히 동력전달에 사용되는 기어의 결함이 많은 부분을 차지하고 있다.
기어는 가공단계에서 오차, 운전단계에서는 잦은 마찰 로 인해 필연적으로 마모, 변형, 깨짐 등 결함이 발생
†Corresponding Author 성 명 : 김 재 열
소 속 : 조선대학교 기계시스템미래자동차공학부 전 화 : 062-230-7035, 7745
E-mail : jykim@chosun.ac.kr
한다. 기어의 결함은 하중 및 연속적인 상대기어와의 충돌에 의해 진동 및 소음을 발생시켜 전체시스템의 신뢰성, 내구성 저하를 가속시키는 요인으로 작용하여 손상의 원인이 되기도 한다. [1]
현 산업현장에서 기어제품의 비파괴검사에는 접촉식 초음파 기법을 적용한 비파괴 검사와 자분탐상기법을 적용한 비파괴 검사 기법이 사용되고 있다. 이러한 비 파괴 검사 기법에는 여러 가지 문제점이 발생되고 있 다. 첫 번째로 접촉매질의 유해성이다. 접촉매질을 사 용하는 비파괴검사 기법에서 접촉매질은 대체적으로 유체에 화학약품이며 이는 인체에 유해하다. 또한 접 촉형 검사 기법으로 복잡한 형태에 적용이 힘들며 탐 상시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이에 본 연구에서는 인체에 무해하며 결함검출이 빠 른 적외선 열화상기법을 적용하여 기어의 비파괴 검사 기법을 연구하고자 한다. 이에 따라 경제적이고 고품 질의 기어가 제조 될 수 있기를 바라는 필요성에[2] 의 해 제품들에 대한 안전성 및 향후 수명 연장을 위한 정량적인[3] 적외선 열화상 검사(Infrared Thermography Test) 평가법이 요구되어지고 있다. 기 어 제품의 제조나 사용되어지고 있는 기어의 안전성 판단을 위해서는 재료의 성분을 정확히 파악하고 내부
결함 유무를 판단하는 것이 필요하다.[4]
이에 따라 하이브리드 기어 시험 시편을 만들어 정 상부분과 결함부분을 비교하며 냉각 후 상온에서 적외 선 열화상 계측기술을 통해 결함을 검출하는 방법과, 할로겐 램프를 열원으로 적용하여 적외선 열화상 계측 기술을 통해 하이브리드 기어의 결함 검출 및 건전성 을 평가하고자 한다.
따라서 본 연구에 앞서 선행연구로서 자동차 엔진블 럭의 미세크랙 검출을 위한 초음파 서모그래피 기법연 구 및 적외선 열화상 기법을 이용한 풍력발전기용 베 어링에 마모결함 검출, 적외선 열화상 진단기술을 적 용한 가스터빈 1단 버킷의 건정성 평가, IRT기법을 이 용한 하이브리드 자동차용 리튬이온 배터리의 결함에 관한 건정성 평가, 초음파 적외선 열화상 기법을 적용 한 모터코어의 신뢰성 평가 등을 연구하여 적외선 열 화상 기법 연구를 진행하였다.
2. 적외선 열화상 기법
적외선 열화상(Infrared Thermography)은 열복사로 피사체에서 방사되는 적외선영역을 열화상 카메라를 통하여 가시적인 화상을 만들어 주는 기술이다. 적외 선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기적 복사의 한 형 태이며, 기타 전자기적 복사 파로는 X-레이, 자외선, 라디오파 등이 있다. 전자기적 복사는 주파수 혹은 파 장에 의해 범위가 정해진다. 전자기 스펙트럼은 대역 (band)이라고 부르는 많은 파장의 영역으로 나눌 수 있 다.[5]
적외선 열화상 카메라는 Figure 1, Figure 2에 나타 낸 바와 같이 2㎛~13㎛ 대역을 사용한다. 여기서 단파 (SW: Short wave) 영역은 2㎛~5㎛의 대역에서 복사가 검출될 수 있는 범위를 말하며, 장파 (LW :Long wave) 영역은 8㎛～12㎛의 대역의 복사가 검출될 수 있다.
그리고 중간에 5㎛～8㎛의 대역에서는 대기에서의 낮 은 투과율에 의해 전달률이 0%를 나타내고 있으므로 적외선 검출이 불가능하다. 또한 SW 영역에서는 고온 의 적외선 검출이 용이하고 LW 영역에서는 저온의 적 외선 검출이 용이하다. [6]
Figure 1. The electromagnetic spectrum
Figure 2. Atmospheric transmission in different wavelength bands
본 논문에 사용된 적외선 카메라는 FLIR 사에서 제 작한 T640기종이며 빛이 물체에 방사되어 나오는 각종 파장 중에서 적외선 부분만을 검출해내어 온도분포를 측정한다. 복사 에너지는 Figure 3, Figure 4에서 나타 난 것과 같이 Incident 복사와 Exitan 복사로 세분화 할 수 있다. Table 1은 FLIR T640의 성능을 표로 나타내 었다.
Figure 3. Incident radiation
Figure 4. .Exitan radiation
Table 1. FLIR T640 Specifications Common Features
IR resolution 640×480pixel
Temperature range -40℃ ~ 150℃, 100℃ ~ 650℃, 300℃ ~ 2,000℃
Thermal
sensitivity/NETD 40mK @+30℃
Zoom 1–8× continuous, digital zoom, including panning
Focus Automatic (one shot) or manual Data communication
interfaces USB-mini, USB-A, Bluetooth, Wi-Fi Size (L × W × H) 143×195×95㎜
Weight 1.3㎏
또한 적외선 열화상 카메라는 외부의 광원에서부터 대상 물체에 반사 되어진 적외선 파장을 검출하여 Stefan-Boltzmann Law에 의한 온도와 파장의 관계식을 이용하여 적외선 detector로부터 검출된 적외선 파장을 온도의 함수로 나타내어 온도의 고저를 화상으로 보여 주는 것이다. Figure 5는 적외선 열화상 기법 원리를 나타내고 있다. [7]
Figure 5. Radiation contributions to the general measurement situation
3. 실험장치 구성 및 실험
본 연구에서는 SM45C 재질의 기어에 CrN표면코팅 을 통하여 표면 특성을 향상시켰다. Figure 6과 같이 두 개의 하이브리드 기어중 하나의 하이브리드 기어에 고속회전과 과한 응력으로 인한 발생되는 기어 치차부 의 미세결함을 와이어 컷팅기를 이용하여 유사한 인공 결함을 주었고, 컷팅을 한 후 다시 금속 접착제를 이 용하여 접합 하여 육안으로 분별이 힘든 미세 크랙의 인공결함 시편을 제작하였다.
Figure 7,8 은 열화상카메라를 이용한 전체적인 실 험 구성이다. 외부 적외선의 검출로 노이즈가 생기지 않도록 암실을 구성하였다. Figure 9는 촬영 후 이미지
분석 및 온도 분석을 할 수 있는 IR camera FLIR 소프 트웨어이다. 실험의 정확도를 위해 주변의 빛을 차단 하였으며, 두 개의 하이브리드 기어를 각각 냉각 후 상온에서의 온도변화를 비교하기 위하여 두 개의 하이 브리드 기어를 고정시켜놓고 열화상카메라로 실험을 하였고, 열원으로 할로겐램프를 비추어서 인공결함을 만든 하이브리드 기어에 대해서도 실험을 하였다.
높은 방사율은 낮은 반사율을 의미한다. 반대로, 높 은 반사율은 낮은 방사율을 의미한다. 대체적으로 방 사율이 가능한 최대로 높은 것을 선호한다. 이는 목표 대상체로부터 반사되는 방사 에너지의 대부분을 가장 정확하게 읽을 수 있기 때문이다. 하지만 방사율이 낮 아질 경우 측정 오차는 점점 커지게 된다. 목표물의 방사율이 0.5이하로 내려갈 경우 측정 오차는 수용할 수 없을 정도로 높아지게 된다. 이에 따라 방사율은 0.85로 설정하였다.
Figure 6. Artificial production of defective specimens using hybrid gear cutting wire
Figure 7. The composition of Halogenlamp experiment equipment
Figure 8. Infrared thermal imaging test
Figure 9. IR camera software
4. 실험결과 및 고찰
4.1 냉각 후 서모그래피 기법을 적용한 하이브리드 기어에 대한 실험 및 고찰
본 논문에서는 Horizontal방법으로 실험을 수행 및 분석 하였다. 기어의 이 부분에 임의의 결함(Spot1)을 주었으며, -4℃의 열원에서 20분 냉각 후 상온에서 두 개의 기어를 열화상 카메라를 활용하여 촬영 하였다.
Figure 10,11은 계측한 시작과 끝 부분의 열화상 이미 지를 나타내고 있다.
Figure 10. After cooling, the thermal image of the test hybrid gear Part.1
Figure 11. After cooling, the thermal image of the test hybrid gear Part.2
4.2 할로겐램프의 열원을 적용한 하이브리드 기어에 대한 실험 및 고찰
임의의 결함(Spot1)을 만든 하이브리드 기어에 할로 겐램프의 빛을(1000w) 조사시킴으로서 열을 전달하는 방법으로 비파괴 검사를 수행하였다. 탐상부위에 할로 겐램프의 열원은 하이브리드기어와 1m로 하였으며, 조 사각도는 결함부를 향하도록 45도로 하였고 1분 동안 할로겐램프를 시험편에 조사하였다. 그 결과 결함이 있는 Spot1에서 Hot spot이 발생하는 것을 볼 수 있으 며, 결함이 없는 정상 부분인 Spot2과 Spot3, Spot4에서 는 결함부위 Spot1 보다는 낮은 온도지만 할로겐램프 를 사용하는 동안 온도가 상승하는 것을 열화상카메라 를 통해 분석하였다. Figure 12, 13 은 할로겐램프를 열원으로 계측한 시작과 끝 부분의 열화상 이미지를 보여주고 있다.
Figure 12. Hybrid gear test image with the halogen lamp part.1
Figure 13. Hybrid gear test image with the halogen lamp part.2
4.3 온도 데이터 결과 분석
본 논문에서는 하이브리드 기어에 냉각 후 서모그래 피 기법과 할로겐램프를 활용하여 실험을 수행하였으 며, 실험결과 온도데이터를 Table 2, 3과 Figure 14와 같이 분석하였다.
서모그래피 기법을 적용한 실험의 경우 냉각 후 상 온에서 온도가 상승하는 구간에서의 분석결과 결함부 에서 온도가 낮게 발생하는 것을 분석하였으며, 다른 정상부에서는 결함부보다 온도가 높게 측정되었다. 결 함부에서의 온도가 가장 낮게 발생하기 때문에 결함부 의 정확한 결함 유무판단이 가능하였다. 할로겐램프를 적용한 기법의 열화상 이미지에 비해서 냉각 후 서모 그래피 기법을 적용한 실험의 열화상 이미지에서 결함 을 보다 뚜렷하게 눈으로 확인할 수 있었으며, Table 2 의 도표와 Figure 14 (a)의 온도결과 그래프를 통해 결 함부위와 정상부위의 온도 차이는 평균적으로 3.52℃
차이가 나는 것을 알 수 있었다.
할로겐램프를 적용한 기법의 경우에는 실험수행 1분 동안 시험편에 지속적으로 열원을 주어 결함부와 정상 부에 모두 지속적으로 온도가 상승하는 것을 확인 하 였으며, 결함부에서는 정상부에서 보다 평균적으로 7.75℃ 가장 높은 온도를 유지하며 상승하는 것을 확 인하였다. Table 3의 도표와 Figure 14 (b)의 그래프와 같이 온도가 꾸준히 상승함을 확인하였으며, 정상부분 보다 결함부분이 온도가 평균 7.75℃ 더 높게 측정되 었다. 결함이 있는 하이브리드 기어의 접촉부와 정상 부 모두 할로겐램프를 열원으로 하였을 때, 시험편 전 체적으로 온도가 상승 하지만 결함이 있는 부의 온도 가 정상부 보다 더 높아 Hot spot이 일어남으로 결함 이 검출 되었다. 같은 조건의 다른 부분과 비교했을 때 결함 부분의 온도가 일정하게 높게 측정되기에 의 미있는 차이라고 볼 수 있다.
Table 2. After cooling, the thermal chart of the test hybrid gear
SP.1 SP.2 SP.3 SP.4
temperature change(℃)
16.4 19.2 19.5 19.0 16.7 19.7 20.0 19.3 17.0 20.0 20.1 20.9 17.5 20.7 20.9 20.0 17.8 21.3 21.3 20.4 18.4 22.2 22.2 21.0 18.9 22.7 23.1 21.4 18.8 22.9 23.6 21.5 19.2 23.2 24.6 22.0 19.7 23.5 24.9 22.5 19.6 23.5 24.8 22.8
Table 3. hybrid gear test chart with the halogen lamp
SP.1 SP.2 SP.3 SP.4
temperature change
(℃)
65.7 59.6 58.5 56.4 66.0 59.7 58.7 56.6 66.2 59.9 58.8 56.8 66.3 59.9 58.9 56.9 66.5 60.1 59.0 57.0 66.6 60.2 59.1 57.2 66.7 60.2 59.1 57.1 66.9 60.4 59.3 57.3
(a) Ultrasonic thermography temperature result graph
(b) halogen lamp temperature result graph Figure 14. Ultrasonic thermography and halogen lamp
temperature result graph of comparison
5. 결론
하이브리드 기어의 적외선 열화상 기법을 적용한 건 전성 평가를 위하여 정상 시편과 결함 시편의 차를 적 외선 열화상카메라를 활용하여 검출하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
1. 인공결함 시편과 정상 시편을 냉각기법을 적용한 서모그래피기법은 인공결함부가 정상시편과 비교하였 을 때 3.52℃ 온도 차이로 결함 검출 되었으며, 서모그 래피 기법을 적용한 경우 냉각되었던 기어가 상온에서 지속적인 온도상승을 보여주었으며, 결함부는 정상부 보다 낮은 온도를 유지하며 상승 하였다.
2 할로겐램프를 적용한 기법의 경우에는 실험수행 1 분 동안 시험편에 지속적으로 열원을 주어 결함부와 정상부에 모두 지속적으로 온도가 상승하는 것을 확인 하였으며, 결함부에서는 정상부에서 보다 7.75℃ 높은 온도를 유지하며 상승하는 것을 확인하였다.
3. 열화상 카메라를 이용하여 하이브리드 기어의 결 함을 측정 할 수 있으며 냉각기법을 적용한 서모그래 피 기법 실험방법과 할로겐램프를 적용한 열화상 기법 을 통하여 온도차에 의한 결함검출을 토대로 기어의 건전성 평가를 하였다.
4. 냉각기법을 적용한 서모그래피기법과 할로겐램프 를 열원으로 적용한 기법을 비교 분석한 결과 두 기법 모두 결함의 유무판단이 가능하고, 적외선 열화상 카 메라의 이미지와 온도결과 그래프를 종합적으로 비교 분석하였을 때, 냉각기법을 적용한 서모그래피 기법을 사용하는 것이 하이브리드 기어의 결함의 유무를 더 명확하게 판단할 수 있었고, 서모그래피 기법을 적용 하였을 때 하이브리드 기어의 건전성 평가에 있어 정 확한 진단이 이루어질 것으로 판단되므로 냉각기법을 열원으로 한 서모그래피 기법을 현장 적용하기 위한 장비개발 및 비파괴 검사기법에서 위치, 거리, 각도 등
표준화 할 수 있는 다양한 후속연구 및 개발이 필요하 다 판단된다.
감 사
“이 논문은 2015년도 조선대학교 학술연구비의 지 원을 받아 연구되었음.”
참고문헌
1. Park, K H. "A Study on the Fault Detection of Auto-transmission according to Gear Damage"
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Vol.18 No.1 [2008]: 47-56.
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3, 4. Song, K S. "Evaluation of Metal Material Welding Flaw by Non-contact NDT Method using Laser Guide Ultrasonic Wave and Ultrasonic Signal Visualization." thesis (Dr)., Chosun University 5. Choi, S H. "Intergrity Evaluation of Gas Turbine
1st Stage Bucket Apply Infrared Thermography Diagnostic Technology." thesis (Master), Chosun University 2008. 8,
6. Kim, S H. "Evaluation of Non-Destructive Reliability using Infrared-Thermography Technology for Eco-Friendly Part and Materials in Aero-Generator." thesis (Master), Chosun University 2012.2,
7. Yang, Y H. "The Nondestructive Reliability Evaluation which it Applies Ultrasound Thermography about Cutting Crack of Piston Skirt"
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