2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S156

코레일공항철도 전동차 감속구동장치의

진동특성분석을 통한 베어링 결함진단 연구

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

초 록 철도차량의 중요 주행장치 중 하나인 감속구동장치(Driving Gear)는 구동모터의 회전력을 차륜에 전달하는 장치로, 철도차량 주행 안전성 확보를 위해 철저한 예방정비가 필수적이다. 감속구동장치의 주요 고장원인은 내부 기어의 접촉피로에 의해 베어링이 손상(flaking)되는 경우로 베어링의 상태를 지속적으로 모니터링 할 필요가 있다. 본 논문에서는 코레일공항철도 전동차 감속구동장치를 대상으로 진동을 측정하고 베어링의

고유 주파수를 분석하여 베어링의 이상여부를 진단함으로써 감속구동장치를 분해하지 않고도 고장여부를 발견할 수 있는 과학적이고 효율적인 감속구동장치의 유지보수 기법을 제시하고자 한다.

주요어 : 감속구동장치, 베어링, 진동, 결함 주파수, 고조파 성분

1. 서 론

철도차량의 중요 주행장치 중 하나인 감속구동장치(Driving Gear)는 구동모터의 회전력을

차륜에 전달하는 장치로, 철도차량 주행 안전성 확보를 위해서는 철저한 예방정비가 필요하다.

감속구동장치의 주요 고장원인은 내부 기어의 접촉피로에 의해 베어링이 손상(Spalling)되는

경우로 결함을 가진 베어링은 진동신호로 나타나며 링의 표면과 그 매끄럽지 않은 표면을

† 교신저자: 코레일공항철도 차량처 (jmlee@arex.or.kr)

* 코레일공항철도 차량처

지나는 볼의 충돌에 의해 발생한다. 감속구동장치 내에는 베어링의 결함에 의한 진동뿐만

아니라 기어 맞물림에 의한 진동 등 많은 진동들이 포함되어 있기 때문에 베어링만의 결함을

탐지하기 위해서는 베어링의 진동만을 필터링하는 기술이 필요하다.

본 논문에서는 코레일공항철도 감속구동장치를 대상으로 진동을 측정하고 베어링의 결함

주파수를 알아내어 해당 주파수 대역 고조파 성분의 진동만을 필터링하는 Order-Tracking

방식을 이용하여 베어링의 결함여부를 진단함으로써 기어박스를 분해하지 않고도 고장여부를

발견할 수 있는 과학적이고 효율적인 감속구동장치의 유지보수 기법을 제시하고자 한다.

2. 본 론

2.1 감속구동장치 Axle Bearing 결함 주파수 도출

코레일공항철도 전동차 감속구동장치는 총 12개로 구성되어 있으며 감속구동장치 내에는

모터와 직접 연결되어 회전하는 Pinion 베어링과 차축의 회전을 담당하는 Axle 베어링으로

구성되어 있다. 본 논문에서는 Axle 베어링을 대상으로 주파수 분석 및 결함 진단을 실시

하였다. 감속구동장치의 Axle 베어링은 구름요소(Ball or Roller), 두 개의 링(Ring or

Race), 케이지(Cage) 등이 있으며 구름요소로는 롤러(roller)가 있고 롤러가 운동하는 영역

으로 두 개의 링, 외륜과 내륜이 있다. 케이지는 여러 개의 구름요소들이 운동하며 볼의

간격을 유지시켜주는 역할을 하는데, 이러한 요소들은 회전기계 내에서 접촉피로를 발생

시키며 베어링이 결함을 갖게 되는 주된 원인이 된다.

베어링의 결함은 베어링 회전 시 진동을 유발시키는 데 이 때의 주파수는 베어링의 기하학

적인 형상을 고려하여 구할 수 있으며, 다음 식과 같이 4가지의 주파수 성분으로 구분된다.

cos)

PdRd(rps

Nfi 1

2

(1)

cos)

PdRd(rps

Nf o 1

2

(2)

cos)

PdRd(rpsf c 1

2

1

(3)

221

2cos)

PdRd(rps

BPf r

(4)

여기서, rps : 회전수, N : 롤러의 개수, Rd : 롤러의 직경, Pd: 피치직경, α : 접촉각

축의 회전속도가 rps 일 때, fi는 내륜롤러 결함 주파수, fo는 외륜롤러 결함 주파수, fc는

기본열 주파수, fr은 롤러 결함 주파수를 나타낸다. fi 성분은 손상된 내륜에 롤러가 통과

하면서 발생되며, fo 성분은 손상된 외륜에 롤러가 통과하면서 발생된다. 또한 fc성분은

케이지 손상 등에 의해 발생하며 fr성분은 롤러의 손상 등으로 발생한다.

Fig. 1 Coefficients of Axle Bearing

코레일공항철도 전동차 감속구동장치의 Axle 베어링 결함 주파수 도출을 위한 각각의

Coefficients 는 다음 Table 1 과 같다.

Table 1. Coefficients of Axle Bearing

Contact Angle Number of Rollers Pitch Diameter Roller Diameter

α(도) N(ea) Pd(mm) Rd(mm)

20 32 242 19

위의 식에 의하여 도출된 Axle 베어링의 4가지의 결함 주파수는 다음 Table 2 와 같다.

Table 2. Overrolling Frequency of Axle Bearing

Load case fi Fo fr fc

Overrolling Frequency(Hz)

17.18 14.82 6.33 0.46

2.2 감속구동장치 진동측정 및 진동특성 분석

감속구동장치 진동측정은 코레일공항철도 2단계 도입차량(2009년제작) 14개편성(6량) 총

168개의 감속구동장치를 대상으로 시행하였으며, 감속구동장치에서 발생하는 진동특성을

파악하기 위하여 RPM 센서와 진동 가속도 센서를 이용하여 측정하였다. 센서 부착위치는

베어링이 부하를 받는 위치에 가능한 한 인접하도록 하기 위하여 Fig. 2 와 같이 기어박스

상단에 부착하였다.

Fig. 2 Installation of Sensors

RPM Sensor Accelerometer Driving Gear

Fig. 3 Block Diagram for Installation of Sensors

Table 3. Specification of the accelometer

Model Maker Range (m/s²) Frequency response (Hz)

65-10-100 Endevco ±500 20 to 6000

측정된 값은 LMS Test.Lab 소프트웨어 프로그램을 이용하여 분석하였다. 측정된 진동의 Law

data 분석결과 Fig. 5 와 같이철도차량의 X(전 후), Y(좌 우), Z(상 하)의 3개의 자유도의

진동추이가 유사한 패턴을 보였으며,rpm이 상승할수록 진동의 크기는 점점 증가하는 추이를

보였다.

Fig. 4 The degree of freedom for rail vehicle

Fig. 5 Characteristic of Vibration

분석을 위한 각 Parameter 설정으로 Measurement mode는 Tracked, Tracking method는 Tacho 방식을,

Slope method는 Up/Down 방식으로 시뮬레이션 하였으며 RPM의 Increment는 5 rpm으로 측정하였다.

진동값은 RMS값으로 표기하였으며, 위의 Table 2에서 도출된 각 결함 주파수의 order값을 참조하여

Fig.6 과 같이 진동 값을 출력하도록 하였다.

Fig. 6 Parameter of Simulation program

2.3 감속구동장치 베어링 결함 진단

베어링의 결함 진단을 위한 프로그램 분석은 ColorMap상 에서 나타나는 각 결함 주파수의 진동

크기와 harmonic 성분 여부를 확인하였다.

분석결과, Fig. 7 과 같이 일부 베어링에서fi 성분과 fo성분에 해당하는 결함 주파수 대역에서

붉은색 즉, 진동이 크게 나타났으며 fi와 fo의 harmonic 성분(특히 3~4 order) 또한 발견할 수

있었다.

Fig. 7 ColorMap of the Axle Bearing

ColorMap의 결과를 바탕으로 fi, fo, fc, fr 의 각 결함 주파수를 Order-Tracking 한 결과 Fig. 8

과 같이 fi 성분과 fo 성분의 진동이 fc, fr성분 보다 월등히 크게 나타났다. 이는 베어링의 외륜

과 내륜의 손상에 의해 발생한 진동으로 판단할 수 있다. 베어링의 결함 발전단계를 볼 때 2~3단계

에 해당하는 수준으로 fi와 fo성분의 side-band 성분또한 나타났다.

이와 같은 방법으로 총 168개의 감속구동장치의 진동특성을 분석함으로써 Fig. 9 과 같이 fi성분을

통해 베어링의 손상기준을 수립하였다.

(a) Order of fi

(b) Order of fo

100

RPM

4

00

100

RPM

4

00

70

dB

(m/s²)

120

70

dB

(m/s²)

120

0 Frequency(Hz) 400 0 Frequency(Hz) 400

Fig. 8 Defect frequency of Bearing

(a) Bed

(b) Not so Good

(c) Not Bed

(d) Good

100

RPM

4

00

70

dB

(m/s²)

120

0 Frequency(Hz) 400

70

dB

(m/s²)

120

0 Frequency(Hz) 400

100

RPM

4

00

100

RPM

4

00

70

dB

(m/s²)

120

100

RPM

4

00

70

dB

(m/s²)

120

0 Frequency(Hz) 400 0 Frequency(Hz) 400

(a) Overall (b) First harmonic

(c) Second harmonic (d) Third harmonic

Fig. 9 Defect level of the Axle Bearing

베어링 손상 시 1 order 성분보다는 3~4 order 성분이 먼저 발생되고 진동 크기도 크게 나타나므로

fi 3~4 order로 베어링 손상 판단이 가능하였으며, fi 3~4 order 성분의 RMS값이 120dB

이상일 경우, 베어링 손상으로 판단하였다.

2.4 감속구동장치 진동특성에 따른 유지보수기준

ColorMap상의 진동특성분석 결과와 그에 따른 베어링 손상기준의 신뢰성을 입증하기 위하여 측정

대상이었던 168개의 베어링을 전수 분해하여 내륜, 외륜, 롤러, 케이지 등의 상태를 확인하였다.

확인 결과, fi와 fo의 harmonic성분의 진동 크기에 따라 Fig. 10 과 같이 베어링의 내륜과 외륜의

손상 상태가 비례함을 확인하였다.

(a) Bad

(b) Not so Good

(c) Not Bad

(d) Good

( )Fig.10 Conditions of the Axle Bearing

감속구동장치 진동특성 분석과 Axle 베어링의 결함상태 비교를 통해 분해가 어려운 감속구동장치를

분해하지 않고도 베어링의 손상여부를 점검 및 정비할 수 있도록 감속구동장치 정비기준을

Table 4.와 같이 수립하였다.

Table 4. Standards of Driving Gear maintenance

level 진동특성 정비

Bad fi/fo harmonic 성분이 1 차~ 6 차까지 120dB 이상 베어링 즉시교체

Not so good fi/fo 3,4 차 harmonic 성분이 120dB 이상 발생 베어링 확인필요

Not bad fi/fo harmonic 성분은 나타나지만 120dB 미만 지속적 모니터링

Good fi/fo harmonic 성분이 검출되지 않음 정상운행

3. 결 론

(1) 감속구동장치 베어링의 결함을 진단하기 위하여 베어링의 fi, fo, fr, fc 4가지의 결함

주파수를 도출하였다.

(2) 코레일공항철도 2단계 전동차 156개의 감속구동장치 진동 분석결과, 전후, 좌우, 상하진동이

유사한 패턴을 보였다.

(3) ColorMap상 베어링의 4가지 결함주파수의 harmonic성분(특히3~4 order)에서 큰 진동

(120dB이상)이 확인 될 경우, 그 제품은 베어링이 손상된 것으로 판단가능 하였다.

(4) 일부 베어링에서 내륜 및 외륜과 롤러 사이에서 발생하는 fi, fo harmonic성분의 진동이

크게 나타났으며, 진동의 크기 및 Side-band형태로 보아 베어링의 손상 진행상태는 2~3

단계에 해당하는 수준으로 나타났다.

(5) 베어링의 진동특성분석을 통해 감속구동장치를 분해하지 않고도 베어링의 결함여부를

점검 및 정비할 수 있는 정비 기준을 수립함으로써 효율적인 감속구동장치 유지보수

기법을 제시하였다.

후 기

감속구동장치 분해정비의 어려움을 좀 더 과학적인 접근을 통해 더욱더 정확하고 효율적인

유지보수 기법을 수립할 수 있었다.

이번 연구의 진동특성 분석기술은 Axle 베어링뿐만 아니라 Pinion 베어링의 결함 여부도 진단

할 수 있을 것이며, 더 나아가 타 장치의 결함 여부도 결함 주파수를 도출함으로써 새로운

유지보수 기법을 개발할 수 있을 것이다.

참고문헌

1. H.Y, Ji ∙ K.H, Lee ∙ J.C, Kim ∙ D.H, Lee ∙ K.H, Moon(2013) “Fault Diagnosis of a high-

speed Railway Reduction Unit Using Analysis of Vibration Characteristics” Journal of the

Korean Society for Railway, Vol. 16, pp.26-31

2. 김흥섭( 2003) “기어박스에서의 베어링 결함 진단”,인하대학교 학위논문

3. 이준석, 최성훈, 김상수, 박춘수”시간-주파수 분석을 이용한 고속철도차량 윤축에서

발생하는 소음과 진동의 동적 특성”, 한국철도학회논문집, 제12권 4호 465-471

4. 박길배, 김지웅, 성제호, 우관제(2013) ”철도차량 구동시스템 진동특성에 관한 연구”,

한국철도학회 춘계학술대회논문집