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정우 미
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1 2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S156 코레일공항철도전동차감속구동장치의진동특성분석을통한베어링결함진단연구 A Study on Defect Diagnosis of Bearing by Vibration Characteristic Analysis for Driving Gear of AREX s EMU 김세겸 *, 이정모 *, 주해진 *, 김주현 * Se kyum kim *, Jeong Mo Lee *, Hae Jin Joo *, Ju Hyun Kim * Abstract A Driving Gear that transmits the torque of motor to the wheels of vehicle is one of the most important driving units of railway vehicle. We have to maintain this unit thoroughly to ensure the running safety for railway vehicle. First of all, state of the Driving Gear bearing must be monitored continuously because the major cause of the fault of the Driving Gear is bearing s flaking come from the contact fatigue of internal gear. In this paper, we measured vibration at the Driving Gear used in the Korail Airport Railroad s EMU and analyzed natural frequency of the bearing. And then we suggest scientific and effective technique for the maintenance to detect the fault of the Driving Gear bearing without disassembling by analyzing the vibration and frequency of the bearing. Keywords : Driving Gear, Bearing, Vibration, Defect frequency, Harmonic 초록철도차량의중요주행장치중하나인감속구동장치 (Driving Gear) 는구동모터의회전력을차륜에전달하는장치로, 철도차량주행안전성확보를위해철저한예방정비가필수적이다. 감속구동장치의주요고장원인은내부기어의접촉피로에의해베어링이손상 (flaking) 되는경우로베어링의상태를지속적으로모니터링할필요가있다. 본논문에서는코레일공항철도전동차감속구동장치를대상으로진동을측정하고베어링의고유주파수를분석하여베어링의이상여부를진단함으로써감속구동장치를분해하지않고도고장여부를발견할수있는과학적이고효율적인감속구동장치의유지보수기법을제시하고자한다. 주요어 : 감속구동장치, 베어링, 진동, 결함주파수, 고조파성분 1. 서론 철도차량의중요주행장치중하나인감속구동장치 (Driving Gear) 는구동모터의회전력을차륜에전달하는장치로, 철도차량주행안전성확보를위해서는철저한예방정비가필요하다. 감속구동장치의주요고장원인은내부기어의접촉피로에의해베어링이손상 (Spalling) 되는경우로결함을가진베어링은진동신호로나타나며링의표면과그매끄럽지않은표면을 교신저자 : 코레일공항철도차량처 (jmlee@arex.or.kr) * 코레일공항철도차량처

2 지나는볼의충돌에의해발생한다. 감속구동장치내에는베어링의결함에의한진동뿐만아니라기어맞물림에의한진동등많은진동들이포함되어있기때문에베어링만의결함을탐지하기위해서는베어링의진동만을필터링하는기술이필요하다. 본논문에서는코레일공항철도감속구동장치를대상으로진동을측정하고베어링의결함주파수를알아내어해당주파수대역고조파성분의진동만을필터링하는 Order-Tracking 방식을이용하여베어링의결함여부를진단함으로써기어박스를분해하지않고도고장여부를발견할수있는과학적이고효율적인감속구동장치의유지보수기법을제시하고자한다. 2. 본론 2.1 감속구동장치 Axle Bearing 결함주파수도출코레일공항철도전동차감속구동장치는총 12개로구성되어있으며감속구동장치내에는모터와직접연결되어회전하는 Pinion 베어링과차축의회전을담당하는 Axle 베어링으로구성되어있다. 본논문에서는 Axle 베어링을대상으로주파수분석및결함진단을실시하였다. 감속구동장치의 Axle 베어링은구름요소 (Ball or Roller), 두개의링 (Ring or Race), 케이지 (Cage) 등이있으며구름요소로는롤러 (roller) 가있고롤러가운동하는영역으로두개의링, 외륜과내륜이있다. 케이지는여러개의구름요소들이운동하며볼의간격을유지시켜주는역할을하는데, 이러한요소들은회전기계내에서접촉피로를발생시키며베어링이결함을갖게되는주된원인이된다. 베어링의결함은베어링회전시진동을유발시키는데이때의주파수는베어링의기하학적인형상을고려하여구할수있으며, 다음식과같이 4가지의주파수성분으로구분된다. 2 f i rps 1 N 2 f o rps 1 N 1 f c rps 1 2 Rd ( Pd Rd ( Pd Rd ( Pd )cos ) cos ) cos P Rd 2 2 f r rps 1 ( ) cos 2B Pd (4) (1) (2) (3) 여기서, rps : 회전수, N : 롤러의개수, Rd : 롤러의직경, Pd: 피치직경, α : 접촉각 축의회전속도가 rps 일때, fi는내륜롤러결함주파수, fo는외륜롤러결함주파수, fc는기본열주파수, fr은롤러결함주파수를나타낸다. fi 성분은손상된내륜에롤러가통과하면서발생되며, fo 성분은손상된외륜에롤러가통과하면서발생된다. 또한 fc성분은케이지손상등에의해발생하며 fr성분은롤러의손상등으로발생한다.

Fig. 1 Coefficients of Axle Bearing 코레일공항철도전동차감속구동장치의 Axle 베어링결함주파수도출을위한각각의

Diameter α( 도 ) N(ea) Pd(mm) Rd(mm) 20 32 242 19 위의식에의하여도출된 Axle 베어링의 4 가지의결함주파수는다음

Overrolling Frequency of Axle Bearing Load case fi Fo fr fc Overrolling Frequency(Hz)

3 Fig. 1 Coefficients of Axle Bearing 코레일공항철도전동차감속구동장치의 Axle 베어링결함주파수도출을위한각각의 Coefficients 는다음 Table 1 과같다. Table 1. Coefficients of Axle Bearing Contact Angle Number of Rollers Pitch Diameter Roller Diameter α( 도 ) N(ea) Pd(mm) Rd(mm) 위의식에의하여도출된 Axle 베어링의 4 가지의결함주파수는다음 Table 2 와같다. Table 2. Overrolling Frequency of Axle Bearing Load case fi Fo fr fc Overrolling Frequency(Hz) 감속구동장치진동측정및진동특성분석감속구동장치진동측정은코레일공항철도 2단계도입차량 (2009년제작) 14개편성 (6량) 총 168개의감속구동장치를대상으로시행하였으며, 감속구동장치에서발생하는진동특성을파악하기위하여 RPM 센서와진동가속도센서를이용하여측정하였다. 센서부착위치는베어링이부하를받는위치에가능한한인접하도록하기위하여 Fig. 2 와같이기어박스상단에부착하였다. Driving Gear Accelerometer RPM Sensor Fig. 2 Installation of Sensors

4 Fig. 3 Block Diagram for Installation of Sensors Table 3. Specification of the accelometer Model Maker Range (m/s²) Frequency response (Hz) Endevco ± to 6000 측정된값은 LMS Test.Lab 소프트웨어프로그램을이용하여분석하였다. 측정된진동의 Law data 분석결과 Fig. 5 와같이철도차량의 X( 전후 ), Y( 좌우 ), Z( 상하 ) 의 3개의자유도의진동추이가유사한패턴을보였으며,rpm이상승할수록진동의크기는점점증가하는추이를보였다. Fig. 4 The degree of freedom for rail vehicle Fig. 5 Characteristic of Vibration

분석을위한각 Parameter 설정으로 Measurement mode는 Tracked, Tracking method는 Tacho 방식을, Slope method는 Up/Down 방식으로시뮬레이션하였으며 RPM의 Increment는 5

3 감속구동장치베어링결함진단베어링의결함진단을위한프로그램분석은 ColorMap상에서나타나는각결함주파수의진동크기와 harmonic 성분여부를확인하였다. 분석결과, Fig.

(a) Order of fi (b) Order of fo Fig. 7 ColorMap of the Axle Bearing ColorMap의결과를바탕으로 fi, fo, fc, fr 의각결함주파수를 Order-Tracking 한결과 Fig.

5 분석을위한각 Parameter 설정으로 Measurement mode는 Tracked, Tracking method는 Tacho 방식을, Slope method는 Up/Down 방식으로시뮬레이션하였으며 RPM의 Increment는 5 rpm으로측정하였다. 진동값은 RMS값으로표기하였으며, 위의 Table 2에서도출된각결함주파수의 order값을참조하여 Fig.6 과같이진동값을출력하도록하였다. Fig. 6 Parameter of Simulation program 2.3 감속구동장치베어링결함진단베어링의결함진단을위한프로그램분석은 ColorMap상에서나타나는각결함주파수의진동크기와 harmonic 성분여부를확인하였다. 분석결과, Fig. 7 과같이일부베어링에서fi 성분과 fo성분에해당하는결함주파수대역에서붉은색즉, 진동이크게나타났으며 fi와 fo의 harmonic 성분 ( 특히 3~4 order) 또한발견할수있었다. (a) Order of fi (b) Order of fo Fig. 7 ColorMap of the Axle Bearing ColorMap의결과를바탕으로 fi, fo, fc, fr 의각결함주파수를 Order-Tracking 한결과 Fig. 8 과같이 fi 성분과 fo 성분의진동이 fc, fr성분보다월등히크게나타났다. 이는베어링의외륜과내륜의손상에의해발생한진동으로판단할수있다. 베어링의결함발전단계를볼때 2~3단계에해당하는수준으로 fi와 fo성분의 side-band 성분또한나타났다. 이와같은방법으로총 168개의감속구동장치의진동특성을분석함으로써 Fig. 9 과같이 fi성분을통해베어링의손상기준을수립하였다.

6 Fig. 8 Defect frequency of Bearing (a) Bed (b) Not so Good (c) Not Bed (d) Good

7 (a) Overall (b) First harmonic (c) Second harmonic (d) Third harmonic Fig. 9 Defect level of the Axle Bearing 베어링손상시 1 order 성분보다는 3~4 order 성분이먼저발생되고진동크기도크게나타나므로 fi 3~4 order로베어링손상판단이가능하였으며, fi 3~4 order 성분의 RMS값이 120dB 이상일경우, 베어링손상으로판단하였다. 2.4 감속구동장치진동특성에따른유지보수기준 ColorMap상의진동특성분석결과와그에따른베어링손상기준의신뢰성을입증하기위하여측정대상이었던 168개의베어링을전수분해하여내륜, 외륜, 롤러, 케이지등의상태를확인하였다. 확인결과, fi와 fo의 harmonic성분의진동크기에따라 Fig. 10 과같이베어링의내륜과외륜의손상상태가비례함을확인하였다. (a) Bad

8 (b) Not so Good (c) Not Bad (d) Good Fig.10 Conditions of the Axle () Bearing 감속구동장치진동특성분석과 Axle 베어링의결함상태비교를통해분해가어려운감속구동장치를분해하지않고도베어링의손상여부를점검및정비할수있도록감속구동장치정비기준을 Table 4. 와같이수립하였다. Table 4. Standards of Driving Gear maintenance level 진동특성 정비 Bad fi/fo harmonic 성분이 1차 ~ 6 차까지 120dB 이상 베어링즉시교체 Not so good fi/fo 3,4 차 harmonic 성분이 120dB 이상발생 베어링확인필요 Not bad fi/fo harmonic 성분은나타나지만 120dB 미만 지속적모니터링 Good fi/fo harmonic 성분이검출되지않음 정상운행

9 3. 결론 (1) 감속구동장치베어링의결함을진단하기위하여베어링의 fi, fo, fr, fc 4가지의결함주파수를도출하였다. (2) 코레일공항철도 2단계전동차 156개의감속구동장치진동분석결과, 전후, 좌우, 상하진동이유사한패턴을보였다. (3) ColorMap상베어링의 4가지결함주파수의 harmonic성분 ( 특히3~4 order) 에서큰진동 (120dB이상) 이확인될경우, 그제품은베어링이손상된것으로판단가능하였다. (4) 일부베어링에서내륜및외륜과롤러사이에서발생하는 fi, fo harmonic성분의진동이크게나타났으며, 진동의크기및 Side-band형태로보아베어링의손상진행상태는 2~3 단계에해당하는수준으로나타났다. (5) 베어링의진동특성분석을통해감속구동장치를분해하지않고도베어링의결함여부를점검및정비할수있는정비기준을수립함으로써효율적인감속구동장치유지보수기법을제시하였다. 후기감속구동장치분해정비의어려움을좀더과학적인접근을통해더욱더정확하고효율적인유지보수기법을수립할수있었다. 이번연구의진동특성분석기술은 Axle 베어링뿐만아니라 Pinion 베어링의결함여부도진단할수있을것이며, 더나아가타장치의결함여부도결함주파수를도출함으로써새로운유지보수기법을개발할수있을것이다. 참고문헌 1. H.Y, Ji K.H, Lee J.C, Kim D.H, Lee K.H, Moon(2013) Fault Diagnosis of a highspeed Railway Reduction Unit Using Analysis of Vibration Characteristics Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 16, pp 김흥섭 ( 2003) 기어박스에서의베어링결함진단, 인하대학교학위논문 3. 이준석, 최성훈, 김상수, 박춘수 시간-주파수분석을이용한고속철도차량윤축에서발생하는소음과진동의동적특성, 한국철도학회논문집, 제12권 4호 박길배, 김지웅, 성제호, 우관제 (2013) 철도차량구동시스템진동특성에관한연구, 한국철도학회춘계학술대회논문집

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words