고속철도차량 감속구동장치의 이상진단을 위한 진동특성분석
Fault Diagnosis of a High-speed Railway Reduction Unit Using Analysis of Vibration Characteristics
지해영*·이강호·김재철·이동형·문경호
Hae Young Ji·Kang Ho Lee·Jae Chul Kim·Dong Hyoung Lee·Kyoung Ho Moon
1. 서 론
철도차량의 감속구동장치는 구동모터의 회전력을 차륜에 전달하는 장치이며, 고속운행 시 감속구동장치에 가해지는 부하가 매우 크기 때문에 기어의 안전성 및 내구성 등이 매 우 중요하다[1]. 실제 감속구동장치의 운행거리, 고장발생횟 수 및 보수정비 등을 고려한 신뢰성(Reliability) 및 유지보 수성(Maintainability)분석[2]을 통해 관리가 가능하지만, 감 속구동장치의 주요 고장원인 중 하나는 내부 기어의 접촉피 로손상에 의한 고장이며, 이러한 이유로 조기에 파손유무를 발견함으로써 손상 이나 고장으로 인한 피해를 미연에 방지 하기 위해 이상 진단 모니터링시스템이 필요한 실정이다.
기어에 대한 이상진단방법으로는 진동신호를 이용한 측정 및 분석기술[3,4]이 많이 사용되며, 이상진단을 위해서는 기 본적으로 고장이 없는 경우의 진동특성파악이 필요하다. 따
라서, 본 논문에서는 고속철도차량 감속구동장치 이상진단 모니터링 시스템을 위한 기초단계로, 고장이 없는 상태의 감 속구동장치 진동특성을 분석하였으며, 일반적으로 고속열차 주행 시 차륜/레일에 의한 진동이 윤축 및 대차에 전달되어 감속구동장치의 진동에 영향을 미칠 수 있기 때문에 시험기 시험 및 실차시험을 수행하여 이상진단에 필요한 진동특성 을 분석하였다.
2. 본 론
2.1 고속철도차량 감속구동장치 진동특성분석 고속철도차량 감속구동장치는 1차, 2차 감속구동시스템으 로 구성되어 있으며 2개의 기어박스안에 입력측과 출력측으 로 나뉘어있다. 진동측정은 기어박스와 베어링 케이스 외부 에서 측정하였으며, 진동신호의 처리는 기어와 베어링의 결 함진단에 사용되는 데이터통계분석방법 중 파고율(Crest factor)과 커토시스(Kurtosis)를 이용한 시간영역분석[5,6]과 기어 맞물림주파수(fm)와 차수분석(order)을 통한 주파수영역 분석을 실시하였다.
Abstract The reduction unit is one of the most important components for railway vehicles because the torque of the motor must be transmitted to the wheels of the vehicle by the reduction unit. The faults in the reduction units of high-speed trains are caused by damage such as gear, fatigue. These have serious impacts on safety of the train during operation. To address this development of a system for monitoring, fault diagnosis of the reduction unit is needed to keep the vehicle run- ning safely. Before that can be accomplished, it is most important to understand the vibration characteristics of the reduction unit in a normal state. Vibration diagnosis technology using characteristic-analysis of vibration waveform and frequency is known to be the most effective method for fault diagnosis. In this paper, we analyzed the vibration characteristics of the reduction units two Korean high-speed trains (KTX and KTX II), under normal conditions, by two test methods (driving gear test, full-vehicle test).
Keywords : Reduction unit, Fault diagnosis, Vibration characteristics, High-speed railway
초 록 감속구동장치는 모터에 회전력을 차륜에 전달하는 중요한 장치로써 가장 큰 고장원인 중 하나는 기어 의 접촉 피로손상에 의한 것이다. 이로 인해 주행 시 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 주행안전성 확보를 위 한 이상진단 모니터링시스템 기술이 요구되고 있으며, 이상진단을 위한 모니터링 시스템 개발을 위해 고장이 없 는 감속구동장치의 기초 데이터 분석이 중요하다. 기어의 주요 이상진단방법 중 고장원인파악 및 조기진단에 주 로 사용되는 진동신호분석법을 적용하여, 본 논문에서는 고장이 없는 고속철도차량(KTX, KTX II) 감속구동장치 를 대상으로 실물시험과 실차시험을 수행함으로써 고장이 없는 감속구동장치의 이상진단에 필요한 진동특성분 석을 실시하였다.
주요어 : 감속구동장치, 이상진단, 진동특성, 고속철도차량
*Corresponding author.
Tel.: +82-31-460-5578, E-mail : [email protected]
©The Korean Society for Railway 2013 http://dx.doi.org/10.7782/JKSR.2013.16.1.026
가속도 및 포토 센서에 대한 사양은 Table 1, Table 2에 각 각 정리하였다.
시험기의 속도는 KTX의 최고운행속도 300km/h에 해당하 는 회전수(1,730rpm)로 구동시켜, 시간영역분석
방법인 파고율(C)[7]분석과 커토시스(γ2)[8]분석을 실시하 였으며, 다음 식 (1), (2)로부터 계산할 수 있다.
감속구동장치의 파고율과 커토시스분석을 실시한 결과, 회 전속도의 변화와 상관없이 파고율은 약 3~4, 커토시스값은 1이하의 레벨을 나타내는 것을 알 수 있다. Fig. 4는 고장 이 없는 감속구동장치의 주파수 분석을 실시한 결과로써, 최 고속도 300km/h(1,730rpm)에 도달하기까지의 가속 시 감속 구동장치의 기어 잇수에 따른 주파수의 차수를 분석한 결과
Fig. 1 Measurement conditions for the driving gear test Table 1 Specifications of the accelerometer
Instrument Model Maker Acceleration (range, limit) Frequency response Operating temperature
Accelerometer 8766A250AB KISTLER ±250g, ±500g 0.5~10,000Hz -54~120oC
Table 2 Specifications of the photo sensor
Instrument Model Maker Sensing distance Light source Method of detection
Photo sensor E3S-AD11 Omron 0.1 to 20cm Pulse modulated re LED (700nm) Diffuse reflective
Fig. 2 Results from crest factor analysis of the driving gear test data
를 나타내고 있다. 각 주파수특성 결과 그래프를 3개의 측 정지점 중 좌우축 방향의 결과를 나타내었다.
고속철도(KTX) 2차측 감속구동장치의 기어의 잇수는 51 개이며, 고장이 없는 감속구동장치의 주파수 차수분석결과 로 1차에 51, 그의 배 차수로써 2차, 3차수까지 표시하였다.
이러한 분석결과를 통해 고장이 없는 감속구동장치의 회전 수 증가에 따른 각 차수에 대한 주파수특성을 확인할 수 있 었다. Fig. 5는 시험기의 구동속도를 300km/h로 유지하는 동 안의 기어 맞물림주파수특성을 분석한 결과이다. 기어의 맞 물림 주파수(fm)[6]는 식 (3)을 이용하여 계산할 수 있다.
(3)
여기서, Z는 기어잇수, N은 분당회전수(rpm)를 나타낸다.
위 식 (3)에 의해 고속철도용 감속구동장치의 기어잇수(51 개)와 최고속도 300km/h(1,730rpm)을 대입하여 기어 맞물림 주파수를 계산하면 1,470.6Hz를 얻을 수 있으며, 이는 Fig.
5의 결과그래프에 표시한 감속구동장치의 기어 맞물림주파 수 계산결과값과 일치하는 것을 알 수 있다. 이처럼 시험기 를 통해 주파수분석을 실시한 결과, 감속구동장치만의 기어 진동 특성을 파악할 수 있었다.
fm Z N 60---
×
= Fig. 3 Results from kurtosis analysis of the driving gear test data
Fig. 4 Results from order analysis of the driving gear test data
Fig. 5 Results from gear-mesh frequency analysis of the driving gear test data
Fig. 6 Measurement points for the full-vehicle tests
측정대표구간은 약 300km/h의 속도로 운행이 가능한 광 명역에서 대전역 사이의 구간을 선택하였다. Fig. 7과 Fig.
8은 파고율과 커토시스의 분석결과를 나타내었다.
고속철도차량 1차, 2차측 감속구동장치 맞물림주파수(fm1
fm2)는 다음 식 (4)와 (5)로부터 계산할 수 있다.
(4)
(5)
여기서, Z1, Z2는 각각 1, 2차 감속구동장치의 기어잇수, V 는 운행속도(km/h), dr은 차륜의 직경(m), R은 출력측 기어 와 입력측 기어의 기어비를 나타낸다.
고속철도차량 감속구동장치의 기어잇수는 51개이며, 기어 fm1 Z1 V/3.6
π d× r --- R×
×
=
fm2 Z2 V/3.6 π d× r ---
×
=
Fig. 7 Results from crest factor analysis of full-vehicle test data for KTX and KTX II
Fig. 8 Results from kurtosis analysis of full-vehicle test data KTX and KTX II
비는 1.159(51/44)로써 각 구간의 운행속도를 대입하여 계산 한 결과와 Fig. 9(a), (b), (c) 그래프의 분석결과가 일치하는 것을 알 수 있다. 그러나 Fig. 9(d)에서 KTX II차량의 2차 감속구동장치의 출력측 베어링부 기어 맞물림주파수분석 결 과에서 맞물림주파수특성이 명확히 나타나지 않았으며, 앞 서 수행한 시험을 통해서는 이에 대한 명확한 원인을 파악 할 수 없었다.
3. 결 론
고속철도차량용 감속구동장치의 이상진단시스템을 개발하 기 위해 고장이 없는 상태의 진동특성을 파악하였으며, 시 험기와 실차시험을 통해서 차량운행시 차륜과 레일에 의해 서 발생하는 윤축 및 대차의 진동이 미치는 영향을 분석하 였다. 진동신호 분석방법은 회전기계의 결함진단에서 사용 되는 파고율과 커토시스를 이용하였다. 시간영역분석결과에 서 회전속도 및 열차의 운행속도에 상관없이 고장이 없는 경 우 파고율은 3정도의 레벨을 유지하는 것으로 나타났고, 커 토시스값은 1이하의 레벨특성을 보이는 것으로 분석되었다.
일반적으로 충격성분이 없는 정상 진동신호의 파형의 경우 에 파고율은 3수준, 커토시스값은 1이하의 값을 나타내는데, 이를 통하여 철도차량 감속구동장치에서도 고장이 없는 정 상인 경우에 이와 같은 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있 었으며 이 분석 결과는 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구 축을 위한 기초 데이터로 활용 가능 할 것이라고 생각된다.
또한, 고장이 없는 감속구동장치의 주파수분석결과를 통해 서 차수와 기어 맞물림주파수의 특성 계산결과와 측정결과 가 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실차시험의 경 우에는 차량운행 시 2차 출력측 감속구동장치에서 기어 맞 물림주파수특성이 확실하게 나타나지는 않았다. 그러나 이 러한 현상에 대한 원인을 본 연구에서 수행한 시험을 통해 서는 명확하게 규명 할 수 없었기 때문에 차후 KTX II 2 차측 감속구동장치 실물시험을 실시함으로써 진동특성의 명 확한 원인규명을 수행할 계획이다. 이러한 고장이 없는 상 태의 고속철도차량 감속구동장치의 진동특성분석결과는 향 후 이상진단 모니터링 시스템 개발에 도움이 될 수 있을 것 으로 판단된다.
Fig. 9 Results from gear-mesh frequency analysis of the full-vehicle test data for KTX and KTX II
the KTX and electric motor coach, Korean Society for Preci- sion Engineering Annual Spring Conference, pp. 1273-1274.
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& Technology, 176 Gajung-Dong, Yuseong-Gu, Daejeon 305-350, Korea
Kang Ho Lee : khlee@ krri.re.kr
Department of Railway System Engineering, University of Science
& Technology, 176 Gajung-Dong, Yuseong-Gu, Daejeon 305-350, Korea
Jae Chul Kim : jckim@ krri.re.kr
Korea Railroad Research Institute, 360-1 Woram-Dong, Uiwang-Si, Gyeonggi-Do 437-757, Korea
Dong Hyoung Lee : dhlee@ krri.re.kr
Korea Railroad Research Institute, 360-1 Woram-Dong, Uiwang-Si, Gyeonggi-Do 437-757, Korea
Kyung Ho Moon : khmoon@ krri.re.kr
Korea Railroad Research Institute, 360-1 Woram-Dong, Uiwang-Si, Gyeonggi-Do 437-757, Korea
