유성기어박스(planetary gearbox)는 축의 위치 변환 없이 대용량 토크의 전달이 가능하다는 장점을 갖고 있 기 때문에 풍력발전기 드라이브트레인에 널리 사용된 다. 하지만 유성기어박스는 고장 시 다운타임에 의한 손실이 굉장히 크다고 알려져 있어 고장 진단(fault diagnostics)이 필수적이다. 이 글에서는 유성기어박스 의 구조 및 고장의 종류를 설명하고 기존 고장 진단 기 술과 함께 효과적 고장 진단을 위해 개발된 새로운 고 장 진단법을 설명한다. 또한 건전성 판단에 활용되는 여러 건전성 인자(health data)를 소개한 후 최종적으로 고장진단 기술의 향후 연구 방향을 제시한다.
풍력발전기 유성기어박스
풍력발전기의 기어박스는 블레이드에 연결되어 있는
주축(main shaft)의 저속 회전을 고속 회전으로 증속시 켜주는 역할을 한다. 보통 중대형 풍력발전기의 대형 기어박스의 경우 증속비가 1:100 정도로 굉장히 크고 전달하고자 하는 토크의 크기 또한 크기 때문에 간단한 스퍼기어(spur gear)의 형태가 아닌 2~3단의 서로 다른 형태의 기어 단이 토크를 서로 공유하며 작동하도록 설 계된다. 이 중 가장 큰 토크에 노출되는 첫 번째 단은 주로 유성기어로 이루어져 있다. 유성기어박스는 외각 에 링 기어(ring gear), 중앙에 선 기어(sun gear), 선 기 어를 중심으로 돌아가는 플래닛 기어(planet gear), 그 리고 플래닛 기어들을 연결하는 캐리어(carrier)로 구성 된다(그림 1). 따라서 링기어-플래닛 기어, 그리고 선기 어-플래닛 기어 사이의 복합적인 접촉이 발생하게 되 며, 이 특징이 유성기어박스가 큰 토크를 안정성 있게 전달시킬 수 있게 한다.
윤 병 동 서울대학교 기계항공공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected] 하 종 문 서울대학교 기계항공공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected] 박 정 호 서울대학교 기계항공공학부 석사과정 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 풍력발전기 핵심부품인 유성기어박스의 구조 및 특징에 대해 알아본 후 고장 진단을 위해 어떤 기술들이 개발되었는지를 알아본다. 그리고 유성기어박스 고장 진단에 있어 예상되는 어려움과 그것을 해결하기 위한 고장 진 단 기술 및 향후 연구 방향을 제시하고자 한다.
그림 1유성기어박스의 구조 및 단면 그림 2풍력발전기 테스트베드
풍력발전기 유성기어박스 고장 진단을 위한 신뢰성 기술
풍력발전기 유성기어박스의 고장진단연구 수행을 위 해서는 정상 및 고장 운행데이터가 필수적이나 실제 풍 력발전기의 운행 데이터는 실제 고장이 발견되지 않는 등 충분한 정보를 포함하고 있지 않을 확률이 크기 때 문에 풍력발전기 시스템을 모사할 수 있는 테스트베드 구축이 선행되어야 한다(그림 2). 테스트베드의 양 끝 단에는 모터가 장착되어 각각 블레이드의 회전 속도 및 발전기의 반력 토크를 모사한다. 특히 장착된 유성기어 박스는 파손된 기어 부품을 손쉽게 장착할 수 있도록 설계되어 고장진단 연구에 특화되어 있다.
유성기어 고장진단을 위한 물리적 신호 특성 및 처리기법
유성기어박스 내의 주요 부품인 플래닛 기어에서 파 손이 발생하게 되면 파손에 대한 징후가 기어박스 구동 시 발생하는 물리적 신호의 변화로서 나타나게 된다.
예를 들면, 기어 치에서의 크랙(Crack)은 물리적 진동 및 음향 진동에서의 구동 특성 주파수와 전달오차의 변 화를 발생시키며 스폴링과 같은 기어 표면에서의 결함 은 주로 진동에서의 구동 특성 주파수의 변화와 윤활유 내의 금속 파티클(metal particle), 오염도(conta mination) 등의 변화를 발생시킨다. 하지만 이러한 물 리적인 신호들 중 음향 진동의 경우 환경적인 소음에
민감하게 반응하기 때문에 노이즈가 많은 실제 필드에 서 사용되기 어려우며, 금속 파티클 및 오염도의 경우 고장이 발생한 이후에야 변화가 발생하기 때문에 고장 예지의 관점에서 사용하기에 적절하지 않다고 알려져 있다. 따라서 플래닛 기어 초기 결함에 의한 구동 특성 의 변화를 가장 잘 표현할 수 있는 진동신호 및 전달오 차에 대해 소개하고, 이들을 이용해 고장진단을 수행하 기 위한 신호 처리기법을 소개하고자 한다.
전달오차
기어의 진동과 소음의 주요 원인으로 알려진 전달오 차(TE: Transmission Error)는 기어에서 피동 기어의 실 제 회전 정도와 이론적 회전 정도의 차이로 정의되며 기어 이빨의 강성(=치강성: gear mesh stiffness)의 변화 가 전달오차의 주원인으로 알려져 있다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 기어는 단일 접촉(single contact)과 이중 접촉(double contact)을 반복하며 힘을 전달한다. 그래서 기어는 회전에 따라 이중 접촉 시에 는 높은 치강성을, 단일 접촉 시에는 낮은 치강성을 반 복해서 갖는다. 이러한 치강성의 변화로 인해 전달오차 또한 높은 치강성에서는 낮은 값이, 낮은 치강성에서는 높은 값이 반복해서 나타나게 된다. 만약 특정 기어 치 에서 크랙이 발생하게 되면 기어의 치강성이 작아지게 되고, 해당 기어가 다른 기어들과 접촉할 때마다 정상
그림 3기어의 단일/이중 접촉에 의한 치강성 변화 및 그에 따른 전달오차의 변화
(그림 출처 : http://www.mdp.eng.cam.ac.uk/web/library/enginfo/textbooks_dvd_only/DAN/gears/meshing/ meshing.html)
과적인 고장진단을 수행할 수 있다.
하지만 위에서 언급했다시피 치강성뿐만 아니라 이 빨 배분오차, 치형 오차 등의 여러 요인들도 전달오차 에 영향을 끼친다. 그러므로 전달오차에서 기어의 고장 에 의한 치강성 감소 효과를 감지하기 위해서는 다양한 신호처리 기법을 통해 노이즈를 제거하는 과정이 필요 하다. 이를 위해 대표적으로 사용되는 방법은 간 동기 평균화 기법(TSA: Time Synchronous Averaging)이다.
TSA는 연속된 신호를 기어 회전 주기에 맞게 분할하여 평균을 취함으로써 외부 노이즈를 줄이고 순수 전달오 차 신호를 관찰할 수 있게 한다. 그림 4는 이러한 과정 을 통해 얻은 TSA 결과 및 차수분석(order analysis)을 수행한 결과를 보여주고 있다. 기어 크랙으로 인해 전 달오차 신호가 부분적으로 증가한 것을 관찰할 수 있는 데, 차수분석을 통한 저주파성분을 검출하여 고장진단 을 수행할 수 있다는 사실을 알 수 있다.
진동신호
위에서 소개한 바와 같이 유성기어박스는 플래닛 기 어, 선기어, 링기어 그리고 캐리어와 여러 종류의 베어 링으로 이루어져 있다. 따라서 센서로부터 취득된 진동 신호는 기어와 기어의 접촉에 의해 발생하는 진동뿐만 이 아니라 베어링의 볼이나 롤러가 베어링의 내륜 및
단을 수행하기 위해서는 특정 플래닛 기어에 의해 발생 하는 진동 특성만을 추출하는 특유의 신호처리 기법이 적용되어야 한다. 이러한 목적을 위해서, 전달오차의 경우와 마찬가지로 TSA를 활용할 수 있다. 기본적인 TSA는 진동신호를 플래닛 기어의 회전 주파수에 맞추 어 분리한 후 분리된 데이터 세트에 대한 평균을 수행 하는 것이다. 하지만 유성기어박스의 경우 플래닛 기어 의 위치가 선기어를 중심으로 계속적으로 변함에도 불 구하고 진동신호를 취득하기 위한 진동센서는 보통 기 어박스 표면에 고정되기 때문에 기본적인 TSA를 통해 서는 특정 플래닛 기어의 진동 특성을 추출할 수 없다.
따라서 진동신호를 이용한 효과적인 시간 동기 평균화 를 위해 몇 가지 추가 작업이 필요하다.(그림 5)
1. 특정 플래닛 기어에 의해 발생하는 진동 신호 추출:
플래닛 기어가 선기어를 중심으로 회전함에 따라 기
어와 센서간의 상대적인 거리가 계속적으로 변하게
된다. 이 경우, 플래닛 기어에 의해 발생하는 진동은
센서와 가까울 때 효과적으로 측정된다고 알려져 있
다. 따라서 특정 플래닛 기어가 센서와 가까워질 때
센서를 통해 취득되는 신호를 추출함으로써 플래닛
기어에 의해 주로 발생하는 진동 신호를 추출할 수
있다.
풍력발전기 유성기어박스 고장 진단을 위한 신뢰성 기술
2. 추출된 신호의 기어 치 도메인으로의 변환: 1번 과정을 통해 추출된 신호는 플래닛 기어의 특정 치에 의해 발생되 었을 것이다. 위에서 소개한 기어 치 맞물림 순서를 바탕으로 추출된 신호 의 출처를 추적할 수 있다. 이를 통해 기어 치 도메인으로 추출된 신호를 재 배열시킬 수 있으며, 우리는 기어의 치별로 진동 신호의 데이터를 축적할 수 있다.
3. 추출 및 변환된 다수의 데이터 세트에 대한 평균화: 기어 치 도메인에서의 진동 신호를 다수의 세트로 구축해 놓 았으므로, 그들에 대한 평균화를 진행 함으로써 시간동기 평균화를 효과적 으로 수행할 수 있다.
그림 6은 원 데이터와 위에서 설명한 바와 같은 적절한 신호분석을 통해 시간 동기 평균화를 수행한 데이터간의 주파
수 분석 결과의 예시를 보여주고 있다. 예시에 사용된 기어박스는 주성분이 95 오더로, TSA 결과 주성분 이외 의 노이즈가 상당부분 제거된 효과를 확인할 수 있다.
건전성 데이터 추출 및 고장 진단 수행
고장진단을 수행하기 위해서는 물리적 신호로부터 건전성 데이터를 추출하여 정상 및 비정상 사이의 관계 를 규명해야 한다. 기어의 건전성을 평가하기 위해 진 동신호 및 전달오차 신호로부터 추출하는 신호는 대역 필터 신호(BPM: Band Pass Filtered Signal), 잔여 신호 (RES: Residual Signal)와 차등 신호(DIF: Difference Signal) 등이 있다. 대역 필터 신호란 진동 및 전달오차 의 주성분과 그에 대한 하모닉 성분만을 포함하는 신호 이며, 잔여신호는 반대로 진동 및 전달오차의 주성분과 그에 대한 하모닉 성분을 제외한 신호이다. 따라서 대 역 필터 신호는 운행 주파수에 해당하는 기어 본연의
구동 특성을 포함하고 있는 반면 잔여신호는 주 운행 특성 외의 사이드밴드(sideband) 등의 특성을 포함하고 있는 신호이다. 차등 신호는 진동 및 전달오차의 주성 분과 그에 대한 하모닉 성분뿐 아니라 사이드밴드의 일 부분까지 제외하고 얻을 수 있는 신호이다. 이는 예상 치 못한 신호의 변형이 발생했을 경우 민감하게 반응하 므로 유용한 건전성 데이터 추출을 위한 소스로 활용할 수 있다. 이러한 일련의 과정을 통해 계산된 신호들에 대한 n차 모멘트와 그들의 조합을 건전성 데이터로 선 정하여 고장진단에 효율적으로 활용할 수 있다.
향후 전망
하이브리드(Hybrid) 기반 유성기어박스의 고장 진단 및 예지 기법
위에서 소개한 센서기반 고장 진단법의 장점은 노이
그림 6시간 동기 평균화 전후의 주파수 분석 결과
그림 5플래닛 기어에 대한 시간 동기 평균화를 위한 사전작업
