철도 기관차 부품의 진동 진단: 수리 엔지니어를 위한 종합 가이드

2.3.1.1. 진동의 기본: 회전 장비의 진동력과 진동

기계적 진동의 기본 원리

기계적 진동은 평형 위치를 중심으로 기계 시스템이 진동하는 운동을 나타냅니다. 기관차 부품을 다루는 엔지니어는 진동이 변위, 속도, 가속도라는 세 가지 기본 매개변수로 나타난다는 것을 이해해야 합니다. 각 매개변수는 장비 상태와 작동 특성에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다.

진동 변위 정지 위치에서 부품의 실제 물리적 움직임을 측정합니다. 이 매개변수는 회전 기계의 불균형 및 기초 문제에서 일반적으로 발견되는 저주파 진동을 분석하는 데 특히 유용합니다. 변위 진폭은 베어링 표면 및 커플링 부품의 마모 패턴과 직접적인 상관관계를 갖습니다.

진동 속도 시간에 따른 변위 변화율을 나타냅니다. 이 매개변수는 넓은 주파수 범위에서 기계적 결함에 대한 탁월한 민감도를 보여주므로 산업용 진동 모니터링에서 가장 널리 사용되는 매개변수입니다. 속도 측정은 기어박스, 모터 베어링, 커플링 시스템의 결함 발생을 위험 단계에 도달하기 전에 효과적으로 감지합니다.

진동 가속도 시간에 따른 속도 변화율을 측정합니다. 고주파 가속도 측정은 베어링 결함, 기어 이 손상, 충격 관련 현상을 조기에 감지하는 데 효과적입니다. 고속 보조 기계를 모니터링하고 충격 부하를 감지할 때 가속도 매개변수의 중요성이 점점 커지고 있습니다.

주기 및 주파수 특성

주기(T)는 완전한 진동 한 사이클에 걸리는 시간을 나타내고, 주파수(f)는 단위 시간당 발생하는 사이클 수를 나타냅니다. 이러한 매개변수는 기관차 진단에 사용되는 모든 진동 분석 기술의 기초를 마련합니다.

철도 기관차 부품은 다양한 주파수 범위에서 작동합니다. 휠셋 회전 주파수는 정상 작동 시 일반적으로 5~50Hz이며, 기어 맞물림 주파수는 기어비와 회전 속도에 따라 200~2000Hz입니다. 베어링 결함 주파수는 종종 500~5000Hz 범위에서 나타나므로 전문적인 측정 기법과 분석 방법이 필요합니다.

절대 및 상대 진동 측정

절대 진동 측정은 진동 진폭을 고정 좌표계(일반적으로 지면 또는 관성 기준 프레임)에 참조합니다. 지진 가속도계와 속도 변환기는 센서 하우징이 모니터링 대상 부품과 함께 움직이는 동안 고정된 내부 관성 질량을 활용하여 절대 측정값을 제공합니다.

상대 진동 측정은 한 부품의 진동을 다른 움직이는 부품과 비교합니다. 베어링 하우징에 장착된 근접 프로브는 베어링에 대한 축 진동을 측정하여 로터 동역학, 열 팽창 및 베어링 간극 변화에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

기관차 분야에서 엔지니어들은 일반적으로 대부분의 진단 절차에 절대 측정값을 사용합니다. 절대 측정값은 부품의 운동에 대한 포괄적인 정보를 제공하고 기계적 및 구조적 문제를 모두 감지할 수 있기 때문입니다. 베어링에 대한 축의 상대적인 운동이 내부 간극 문제나 로터 불안정성을 나타내는 대형 회전 기계를 분석할 때는 상대 측정값이 필수적입니다.

선형 및 대수 측정 단위

선형 측정 단위는 진동 진폭을 직접적인 물리량으로 표현합니다. 예를 들어, 변위는 밀리미터(mm), 속도는 초당 밀리미터(mm/s), 가속도는 초당 제곱미터(m/s²)로 나타냅니다. 이러한 단위는 물리적 현상과의 직접적인 상관관계를 파악하고 진동의 심각도를 직관적으로 이해할 수 있도록 해줍니다.

대수 단위, 특히 데시벨(dB)은 넓은 동적 범위를 관리 가능한 단위로 압축합니다. 데시벨 단위는 진폭 변화가 수 자릿수에 달하는 광대역 진동 스펙트럼을 분석할 때 특히 유용합니다. 많은 최신 진동 분석기는 다양한 분석 요구 사항을 충족하기 위해 선형 및 대수 표시 옵션을 모두 제공합니다.

국제 표준 및 규제 프레임워크

국제표준화기구(ISO)는 진동 측정 및 분석에 대한 국제적으로 인정받는 표준을 제정합니다. ISO 10816 시리즈는 다양한 기계 등급에 대한 진동 심각도 기준을 정의하고, ISO 13373은 상태 모니터링 및 진단 절차를 다룹니다.

철도 분야의 경우, 엔지니어는 고유한 운영 환경을 고려하는 특정 표준을 고려해야 합니다. ISO 14837-1은 철도 시스템에 대한 지상 진동 지침을 제공하고, EN 15313은 진동을 고려한 휠셋 및 대차 프레임 설계에 대한 철도 적용 사양을 제시합니다.

러시아 GOST 표준은 지역별 규정을 통해 국제 요건을 보완합니다. GOST 25275는 회전 기계의 진동 측정 절차를 정의하고, GOST R 52161은 철도 차량 진동 시험 요건을 다룹니다.

진동 신호 분류

주기적 진동 동일한 패턴이 일정한 시간 간격으로 반복됩니다. 회전 기계는 회전 속도, 기어 맞물림 주파수, 베어링 요소 통과와 관련된 주기적인 진동 신호를 주로 생성합니다. 이러한 예측 가능한 패턴을 통해 정확한 결함 식별 및 심각도 평가가 가능합니다.

무작위 진동 결정론적 특성보다는 통계적 특성을 보입니다. 마찰로 인한 진동, 난류 소음, 도로/철도 상호 작용은 무작위 진동 성분을 생성하며, 적절한 해석을 위해서는 통계적 분석 기법이 필요합니다.

과도 진동 유한한 지속 시간을 가진 고립된 사건으로 발생합니다. 충격 하중, 기어 이 맞물림, 베어링 요소 충돌은 시간 동기 평균화 및 포락선 분석과 같은 특수 분석 기법을 요구하는 과도 진동 시그니처를 생성합니다.

진동 진폭 설명자

엔지니어는 진동 신호를 효과적으로 특성화하기 위해 다양한 진폭 설명자를 활용합니다. 각 설명자는 진동 특성과 결함 발생 패턴에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다.

피크 진폭 측정 기간 동안 발생하는 최대 순간값을 나타냅니다. 이 매개변수는 충격 유형의 사건과 충격 하중을 효과적으로 식별하지만, 연속적인 진동 수준을 정확하게 나타내지 못할 수 있습니다.

제곱 평균 제곱근(RMS) 진폭 진동 신호의 유효 에너지 함량을 제공합니다. RMS 값은 기계 마모율 및 에너지 손실과 높은 상관관계를 보이므로, 이 매개변수는 추세 분석 및 심각도 평가에 이상적입니다.

평균 진폭 측정 기간 동안 절대 진폭 값의 산술 평균을 나타냅니다. 이 매개변수는 표면 마감 및 마모 특성과 좋은 상관관계를 제공하지만, 간헐적인 결함 시그니처를 과소평가할 수 있습니다.

피크 대 피크 진폭 최대 양수 진폭과 최대 음수 진폭 사이의 총 편차를 측정합니다. 이 매개변수는 간극 관련 문제를 평가하고 기계적 느슨함을 식별하는 데 유용합니다.

크레스트 팩터 피크 진폭과 RMS 진폭의 비율을 나타내며, 신호 특성에 대한 통찰력을 제공합니다. 낮은 파고율(1.4~2.0)은 주로 사인파 진동을 나타내며, 높은 파고율(4.0 이상)은 베어링 결함 발생 시 나타나는 충격파 또는 충격파 유형의 거동을 나타냅니다.

진동 센서 기술 및 설치 방법

가속도계는 기관차 응용 분야에서 가장 다재다능한 진동 센서입니다. 압전 가속도계는 인가된 가속도에 비례하는 전하를 생성하여 위상 왜곡을 최소화하면서 2Hz에서 10kHz까지 뛰어난 주파수 응답을 제공합니다. 이 센서는 높은 감도와 낮은 잡음 특성을 유지하면서도 혹독한 철도 환경에서도 탁월한 내구성을 보여줍니다.

속도 센서는 전자기 유도 원리를 이용하여 진동 속도에 비례하는 전압 신호를 생성합니다. 이 센서는 저주파수(0.5~1000Hz) 응용 분야에 적합하며, 기계 모니터링 응용 분야에서 우수한 신호 대 잡음비를 제공합니다. 그러나 크기가 크고 온도 민감도가 높아 소형 기관차 부품에 설치하기 어려울 수 있습니다.

근접 프로브는 와전류 원리를 이용하여 센서와 대상 표면 사이의 상대 변위를 측정합니다. 이 센서는 축 진동 모니터링 및 베어링 간극 평가에 매우 유용하지만, 신중한 설치 및 교정 절차가 필요합니다.

센서를 올바르게 설치하면 측정 정확도와 신뢰성에 상당한 영향을 미칩니다. 엔지니어는 공진 효과와 신호 왜곡을 방지하기 위해 센서와 모니터링 대상 부품 간의 견고한 기계적 결합을 확보해야 합니다. 나사산 스터드는 영구 설치에 최적의 장착을 제공하며, 자석 베이스는 강자성 표면에서 주기적인 측정을 편리하게 수행할 수 있도록 해줍니다.

회전 장비 진동의 기원

기계적 진동원 질량 불균형, 정렬 불량, 느슨함, 마모로 인해 발생합니다. 불균형한 회전 부품은 회전 속도의 제곱에 비례하는 원심력을 발생시켜 회전 주파수와 그 고조파에서 진동을 발생시킵니다. 결합된 축 사이의 정렬 불량은 회전 주파수와 그 두 배의 회전 주파수에서 반경 방향 및 축 방향 진동 성분을 발생시킵니다.

전자기 진동원 전기 모터의 자기력 변화로 인해 발생합니다. 공극 편심, 로터 바 결함, 고정자 권선 결함은 회선 주파수와 그 고조파에서 변조되는 전자기력을 생성합니다. 이러한 힘은 기계적 공진과 상호 작용하여 정교한 분석 기술을 필요로 하는 복잡한 진동 시그니처를 생성합니다.

공기역학 및 유체역학 진동원 회전 부품과의 유체 흐름 상호작용으로 인해 발생합니다. 팬 블레이드 통로, 펌프 베인 상호작용, 그리고 난류 유동 분리는 블레이드/베인 통로 주파수와 그 고조파에서 진동을 발생시킵니다. 이러한 진동원은 높은 유체 취급 요구 사항을 가진 고속으로 작동하는 보조 기계에서 특히 중요합니다.

2.3.1.2. 기관차 시스템: WMB, WGB, AM 및 진동 시스템으로서의 구성 요소

기관차 응용 분야의 회전 장비 분류

기관차 회전 장비는 세 가지 주요 범주로 구성되며, 각 범주는 고유한 진동 특성과 진단 과제를 나타냅니다. 휠셋-모터 블록(WMB)은 견인 모터를 구동 휠셋에 직접 통합하여 전기적 및 기계적 가진력에 모두 영향을 받는 복잡한 동적 시스템을 구축합니다. 휠셋-기어 블록(WGB)은 모터와 휠셋 사이에 중간 기어 감속 시스템을 사용하여 기어 맞물림 상호 작용을 통해 추가적인 진동원을 발생시킵니다. 보조 기계(AM)에는 냉각 팬, 공기 압축기, 유압 펌프 및 기타 주요 견인 시스템과 독립적으로 작동하는 지원 장비가 포함됩니다.

이러한 기계 시스템은 동역학 및 진동 이론의 기본 원리에 따라 진동 거동을 보입니다. 각 부품은 질량 분포, 강성 특성, 그리고 경계 조건에 의해 결정되는 고유 진동수를 가지고 있습니다. 이러한 고유 진동수를 이해하는 것은 과도한 진동 진폭과 부품 마모 가속을 초래할 수 있는 공진 조건을 피하는 데 매우 중요합니다.

진동 시스템 분류

자유 진동 초기 교란 후 시스템이 지속적인 외부 힘 없이 고유 진동수로 진동할 때 발생합니다. 기관차 응용 분야에서는 회전 속도가 고유 진동수를 통과할 때 시동 및 정지 과도 현상 동안 자유 진동이 발생합니다. 이러한 과도 현상은 시스템 강성과 감쇠 특성에 대한 귀중한 진단 정보를 제공합니다.

강제 진동 기계 시스템에 작용하는 연속적인 주기적 가진력에 의해 발생합니다. 회전 불균형, 기어 맞물림 힘, 그리고 전자기 가진은 회전 속도 및 시스템 형상과 관련된 특정 주파수에서 강제 진동을 생성합니다. 강제 진동의 진폭은 가진 주파수와 시스템 고유 진동수의 관계에 따라 달라집니다.

매개변수 진동 시스템 매개변수가 시간에 따라 주기적으로 변할 때 발생합니다. 기어 맞물림 접촉의 시간적 강성 변화, 베어링 간극 변화, 그리고 자속 변동은 매개변수 가진을 생성하여 직접적인 힘 없이도 불안정한 진동 증가를 초래할 수 있습니다.

자기 여기 진동(Auto-oscillations) 시스템 에너지 소산 메커니즘이 음수(-)가 되어 외부의 주기적인 힘 없이 지속적인 진동 증가를 초래할 때 발생합니다. 마찰로 인한 스틱 슬립 거동, 공기역학적 플러터, 그리고 특정 전자기 불안정성은 자려 진동을 유발할 수 있으며, 이러한 진동을 완화하기 위해서는 능동 제어 또는 설계 수정이 필요합니다.

고유 진동수 결정 및 공명 현상

고유 진동수는 외부 자극에 관계없이 기계 시스템의 고유한 진동 특성을 나타냅니다. 이러한 진동수는 시스템의 질량 분포와 강성 특성에만 의존합니다. 단순한 단일 자유도 시스템의 경우, 고유 진동수 계산은 질량 및 강성 매개변수를 연결하는 잘 정립된 공식을 따릅니다.

복잡한 기관차 부품은 다양한 진동 모드에 해당하는 여러 고유 진동수를 나타냅니다. 굽힘 모드, 비틀림 모드, 그리고 결합 모드는 각각 고유한 주파수 특성과 공간 패턴을 가지고 있습니다. 엔지니어는 모달 해석 기술을 통해 이러한 주파수와 관련 모드 형상을 파악하여 효과적인 진동 제어를 수행할 수 있습니다.

공진은 진동 주파수가 고유 진동수와 일치하여 진동 응답이 극적으로 증폭될 때 발생합니다. 증폭 계수는 시스템 감쇠에 따라 달라지는데, 약하게 감쇠된 시스템은 강하게 감쇠된 시스템보다 공진 피크가 훨씬 높습니다. 엔지니어는 작동 속도가 중요한 공진 조건을 피하도록 하거나 진동 진폭을 제한하기 위해 적절한 감쇠를 제공해야 합니다.

댐핑 메커니즘과 그 효과

감쇠는 진동 진폭 증가를 제한하고 시스템 안정성을 제공하는 에너지 소산 메커니즘을 나타냅니다. 재료 내부 감쇠, 마찰 감쇠, 윤활제 및 주변 공기의 유체 감쇠 등 다양한 감쇠원이 전체 시스템 거동에 영향을 미칩니다.

재료 감쇠는 반복 응력 하중 시 구성 재료 내부의 내부 마찰로 인해 발생합니다. 이 감쇠 메커니즘은 현대 기관차 구조에 사용되는 주철 부품, 고무 장착 요소, 그리고 복합 재료에서 특히 중요합니다.

마찰 감쇠는 베어링 표면, 볼트 접합부, 열박음 조립체 등 부품 간 접촉면에서 발생합니다. 마찰 감쇠는 진동 제어에 도움이 되지만, 다양한 하중 조건에서 비선형 효과와 예측 불가능한 거동을 유발할 수도 있습니다.

유체 감쇠는 윤활막, 유압 시스템 및 공기역학적 상호작용의 점성력에 의해 발생합니다. 저널 베어링의 오일막 감쇠는 고속 회전 기계의 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 진동 제어를 위해 점성 댐퍼를 의도적으로 사용할 수도 있습니다.

여기력 분류

원심력 회전 부품의 질량 불균형으로 인해 회전 속도의 제곱에 비례하는 힘이 발생합니다. 이 힘은 반경 방향 바깥쪽으로 작용하며 부품과 함께 회전하여 회전 주파수에서 진동을 발생시킵니다. 원심력의 크기는 속도에 따라 급격히 증가하므로 고속 작동 시 정밀한 밸런싱이 필수적입니다.

운동학적 힘 시스템 구성 요소에 불균일한 운동을 부과하는 기하학적 제약 조건으로 인해 발생합니다. 왕복 운동 기구, 캠 팔로워, 그리고 프로파일 오차가 있는 기어 시스템은 운동학적 가진력을 생성합니다. 이러한 힘은 일반적으로 시스템 형상 및 회전 속도와 관련된 복잡한 주파수 성분을 나타냅니다.

충격력 갑작스러운 하중 적용이나 부품 간 충돌 사고로 인해 발생합니다. 기어 이 맞물림, 표면 결함 위로 베어링 요소 굴러가기, 그리고 휠-레일 상호작용은 넓은 주파수 성분과 높은 파고율을 특징으로 하는 충격력을 생성합니다. 충격력을 정확하게 특성화하려면 특수한 해석 기법이 필요합니다.

마찰력 상대 운동하는 표면 사이의 미끄럼 접촉으로 인해 발생합니다. 브레이크 작동, 베어링 미끄럼, 그리고 휠-레일 크리피지(creepage)는 마찰력을 발생시키며, 이는 스틱 슬립(stick-slip) 현상을 나타내어 자려 진동을 유발할 수 있습니다. 마찰력 특성은 표면 상태, 윤활, 그리고 정상 하중에 크게 좌우됩니다.

전자기력 전기 모터와 발전기의 자기장 상호작용에서 비롯됩니다. 방사형 전자기력은 공극 변화, 극편 형상, 그리고 전류 분포의 비대칭성으로 인해 발생합니다. 이러한 힘은 선 주파수, 슬롯 통과 주파수, 그리고 이들의 조합에서 진동을 발생시킵니다.

주파수 종속 시스템 속성

기계 시스템은 진동 전달 및 증폭에 상당한 영향을 미치는 주파수 의존적 동적 특성을 보입니다. 시스템 강성, 감쇠 및 관성 특성이 결합되어 입력 여자와 시스템 응답 간의 진동 진폭 및 위상 관계를 나타내는 복잡한 주파수 응답 함수를 생성합니다.

첫 번째 고유 진동수보다 훨씬 낮은 주파수에서 시스템은 가진력 진폭에 비례하는 진동 진폭을 갖는 준정적 거동을 보입니다. 동적 증폭은 최소화되고 위상 관계는 거의 0에 가깝습니다.

고유 진동수 근처에서 동적 증폭은 감쇠 수준에 따라 정적 편향의 10~100배에 달할 수 있습니다. 공진점에서 위상 관계는 90도까지 빠르게 변화하여 고유 진동수 위치를 명확하게 식별할 수 있습니다.

고유 진동수보다 훨씬 높은 주파수에서는 관성 효과가 시스템 거동을 지배하여 주파수가 증가함에 따라 진동 진폭이 감소합니다. 고주파 진동 감쇠는 민감한 부품을 고주파 외란으로부터 분리하는 데 도움이 되는 자연스러운 필터링 기능을 제공합니다.

집중 매개변수 시스템 대 분산 매개변수 시스템

휠셋-모터 블록은 저주파 진동 모드를 해석할 때, 부품 크기가 진동 파장에 비해 작은 집중 매개변수 시스템으로 모델링할 수 있습니다. 이 접근법은 분포된 질량 및 강성 특성을 무질량 스프링과 강체 링크로 연결된 이산 요소로 표현하여 해석을 간소화합니다.

집중 매개변수 모델은 로터 불균형, 베어링 지지 강성 효과, 그리고 모터와 휠셋 부품 간의 저주파 커플링 동역학을 분석하는 데 효과적입니다. 이러한 모델은 신속한 분석을 가능하게 하고 시스템 거동에 대한 명확한 물리적 통찰력을 제공합니다.

부품 치수가 진동 파장에 근접하는 고주파 진동 모드를 해석할 때 분산 매개변수 모델이 필수적입니다. 샤프트 굽힘 모드, 기어 이의 유연성, 음향 공진 등의 정확한 예측을 위해서는 분산 매개변수 처리가 필요합니다.

분산 매개변수 모델은 집중 매개변수 모델로는 포착할 수 없는 파동 전파 효과, 국소 모드 형상, 그리고 주파수 의존적 거동을 고려합니다. 이러한 모델은 일반적으로 수치 해석 기법을 필요로 하지만, 더욱 완벽한 시스템 특성 분석을 제공합니다.

2.3.1.3. WMB, WGB 및 AM에서 저주파, 중주파, 고주파 및 초음파 진동의 특성 및 특성

주파수 대역 분류 및 그 중요성

진동 주파수 분석은 진단 절차 및 장비 선택을 최적화하기 위해 주파수 대역을 체계적으로 분류해야 합니다. 각 주파수 대역은 특정 기계 현상 및 결함 발생 단계에 대한 고유한 정보를 제공합니다.

저주파 진동(1~200Hz) 주로 회전 기계의 불균형, 정렬 불량, 그리고 구조적 공진에서 발생합니다. 이 주파수 범위는 기본 회전 주파수와 그 저차 고조파를 포착하여 기계 상태 및 작동 안정성에 대한 필수 정보를 제공합니다.

중주파 진동(200~2000Hz) 기어 맞물림 주파수, 전자기 여기 고조파, 그리고 주요 구조 부품의 기계적 공진을 포함합니다. 이 주파수 범위는 기어 이 마모, 모터 전자기 문제, 그리고 커플링 열화를 진단하는 데 매우 중요합니다.

고주파 진동(2000~20000Hz) 베어링 결함 시그니처, 기어 이 충격력, 그리고 고차 전자기 고조파를 나타냅니다. 이 주파수 범위는 저주파 대역에서 결함이 발생하기 전에 조기에 결함 발생을 경고합니다.

초음파 진동(20000+ Hz) 초기 베어링 결함, 윤활막 파괴 및 마찰 관련 현상을 포착합니다. 초음파 측정은 특수 센서와 분석 기술이 필요하지만, 가능한 가장 빠른 결함 감지 기능을 제공합니다.

저주파 진동 분석

저주파 진동 분석은 기본 회전 주파수와 그 고조파(최대 약 10차)에 초점을 맞춥니다. 이 분석을 통해 질량 불균형, 축 정렬 불량, 기계적 느슨함, 베어링 간극 문제 등 주요 기계적 상태를 파악할 수 있습니다.

회전 주파수 진동(1×)은 축과 함께 회전하는 원심력을 발생시키는 질량 불균형 상태를 나타냅니다. 순수 불균형은 고조파 성분이 최소화된 회전 주파수에서 주로 진동을 발생시킵니다. 진동 진폭은 회전 속도의 제곱에 비례하여 증가하여 명확한 진단 지표를 제공합니다.

2배 회전 주파수 진동(2배)은 일반적으로 연결된 축 또는 부품 간의 정렬 불량을 나타냅니다. 각도 정렬 불량은 회전당 두 번 반복되는 교대 응력 패턴을 생성하여 특징적인 2배 진동 시그니처를 생성합니다. 평행 정렬 불량 또한 하중 분포의 변화를 통해 2배 진동에 기여할 수 있습니다.

다중 고조파 성분(3배, 4배, 5배 등)은 기계적 느슨함, 커플링 마모 또는 구조적 문제를 시사합니다. 느슨함은 기본 주파수를 훨씬 넘어서는 풍부한 고조파 성분을 생성하는 비선형적인 힘 전달을 가능하게 합니다. 고조파 패턴은 느슨함의 위치와 심각도에 대한 진단 정보를 제공합니다.

중주파 진동 특성

중주파 분석은 기어 맞물림 주파수와 그 변조 패턴에 집중합니다. 기어 맞물림 주파수는 회전 주파수와 잇수의 곱으로 계산되며, 이를 통해 기어 상태와 하중 분포를 나타내는 예측 가능한 스펙트럼 선을 생성합니다.

건강한 기어는 기어 맞물림 주파수에서 현저한 진동을 발생시키고 측파대는 최소화합니다. 톱니 마모, 톱니 균열 또는 불균일한 하중은 맞물림 주파수의 진폭 변조를 유발하여 맞물림 기어의 회전 주파수와 같은 간격으로 측파대를 생성합니다.

견인 모터의 전자기 진동은 주로 중주파수 영역에서 나타납니다. 선 주파수 고조파, 슬롯 통과 주파수, 그리고 폴 통과 주파수는 모터의 상태와 부하 특성을 나타내는 특징적인 스펙트럼 패턴을 생성합니다.

슬롯 통과 주파수는 회전 주파수와 로터 슬롯 수의 곱으로, 로터 슬롯이 고정자 극을 통과할 때 자기 투자율 변화를 통해 진동을 발생시킵니다. 파손된 로터 막대나 엔드 링 결함은 슬롯 통과 주파수를 변조하여 진단 측파대를 생성합니다.

고주파 진동 분석

고주파 진동 분석은 베어링 결함 주파수와 고차 기어 메시 고조파를 분석합니다. 구름 베어링은 형상 및 회전 속도에 따라 특성 주파수를 생성하여 베어링 상태 평가를 위한 정밀한 진단 기능을 제공합니다.

볼 패스 주파수 외륜(BPFO)은 구름 요소가 고정 외륜 결함을 통과할 때 발생합니다. 이 주파수는 베어링 형상에 따라 달라지며, 일반적으로 일반 베어링 설계의 회전 주파수의 3~8배입니다.

볼 패스 주파수 내륜(BPFI)은 구름 요소에 내륜 결함이 발생하여 발생합니다. 내륜은 축과 함께 회전하기 때문에 BPFI는 일반적으로 BPFO보다 높으며, 부하 영역 효과로 인해 회전 주파수 변조가 발생할 수 있습니다.

기본열차주파수(FTF)는 케이지 회전 주파수를 나타내며, 일반적으로 축 회전 주파수의 0.4~0.45배에 해당합니다. 케이지 결함이나 윤활 문제는 FTF 및 그 고조파에서 진동을 유발할 수 있습니다.

볼 스핀 주파수(BSF)는 개별 구름 요소의 자체 축을 중심으로 한 회전을 나타냅니다. 이 주파수는 구름 요소에 표면 결함이나 치수 불균일성이 나타나지 않는 한 진동 스펙트럼에 거의 나타나지 않습니다.

초음파 진동 응용 분야

초음파 진동 측정은 기존 진동 분석에서 결함이 나타나기 몇 주 또는 몇 달 전에 초기 베어링 결함을 감지합니다. 표면 거칠기 접촉, 미세 균열, 윤활막 파괴는 베어링 결함 주파수의 측정 가능한 변화에 앞서 초음파를 방출합니다.

포락선 분석 기술은 초음파 반송파 주파수에서 진폭 변조 정보를 추출하여 베어링 결함 주파수에 해당하는 저주파 변조 패턴을 밝혀냅니다. 이 접근법은 고주파 감도와 저주파 진단 정보를 결합합니다.

초음파 측정은 전자기 간섭 및 기계적 노이즈로 인한 신호 오염을 방지하기 위해 센서 선택 및 장착에 신중을 기해야 합니다. 50kHz 이상의 주파수 응답과 적절한 신호 컨디셔닝을 갖춘 가속도계는 신뢰할 수 있는 초음파 측정을 제공합니다.

기계적 진동과 전자기적 진동의 기원

기계적 진동원은 부품의 형상 및 운동학과 관련된 주파수 성분을 갖는 광대역 가진을 생성합니다. 베어링 결함, 기어 이 맞물림, 그리고 기계적 느슨함으로 인한 충격력은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 풍부한 고조파 성분을 갖는 임펄스 신호를 생성합니다.

전자기 진동원은 전원 주파수 및 모터 설계 매개변수와 관련된 불연속 주파수 성분을 생성합니다. 이러한 주파수는 기계적 회전 속도와 무관하며 전력 시스템 주파수와 고정된 관계를 유지합니다.

기계적 진동원과 전자기적 진동원을 구분하려면 주파수 관계와 부하 의존성에 대한 신중한 분석이 필요합니다. 기계적 진동은 일반적으로 회전 속도와 기계적 부하에 따라 달라지는 반면, 전자기적 진동은 전기적 부하 및 공급 전압 품질과 상관관계가 있습니다.

충격 및 진동 특성

충격 진동은 매우 짧은 시간 동안 갑작스럽게 힘이 가해졌을 때 발생합니다. 기어 이 맞물림, 베어링 요소 충돌, 그리고 휠-레일 접촉은 여러 구조적 공진을 동시에 유발하는 충격력을 생성합니다.

충격 사건은 높은 파고율과 넓은 주파수 성분을 갖는 특징적인 시간 영역 시그니처를 생성합니다. 충격 진동의 주파수 스펙트럼은 충격 사건 자체보다는 구조적 반응 특성에 더 크게 의존하므로, 정확한 해석을 위해서는 시간 영역 분석이 필요합니다.

충격 응답 스펙트럼 분석은 충격 하중에 대한 구조적 응답을 종합적으로 특성화합니다. 이 분석은 충격으로 인해 발생하는 고유 진동수와 전체 진동 수준에 대한 상대적인 기여도를 보여줍니다.

마찰원에 의한 무작위 진동

마찰로 인한 진동은 표면 접촉 현상의 확률적 특성으로 인해 무작위적인 특성을 보입니다. 브레이크 소음, 베어링 떨림, 휠-레일 상호작용은 통계적 분석 기법을 필요로 하는 광대역 무작위 진동을 발생시킵니다.

마찰 시스템의 스틱-슬립 거동은 복잡한 주파수 성분을 갖는 자려 진동을 생성합니다. 스틱-슬립 사이클 동안 발생하는 마찰력 변화는 구조적 공진과 일치할 수 있는 아고조파 진동 성분을 생성하여 진동 레벨을 증폭시킵니다.

랜덤 진동 분석은 파워 스펙트럼 밀도 함수와 RMS 레벨, 확률 분포와 같은 통계적 매개변수를 활용합니다. 이러한 기법은 랜덤 진동의 심각도와 부품 피로 수명에 미치는 잠재적 영향을 정량적으로 평가합니다.

2.3.1.4. WMB, WGB, AM의 설계 특징 및 진동 특성에 미치는 영향

기본 WMB, WGB 및 AM 구성

기관차 제조업체는 견인 모터에서 구동 휠셋으로 동력을 전달하기 위해 다양한 기계적 장치를 사용합니다. 각 구성은 고유한 진동 특성을 나타내며, 이는 진단 방식과 유지보수 요구 사항에 직접적인 영향을 미칩니다.

노즈 서스펜션 방식의 트랙션 모터는 휠셋 축에 직접 장착되어 모터와 휠셋 사이에 견고한 기계적 결합을 형성합니다. 이러한 구성은 동력 전달 손실을 최소화하지만, 모터는 트랙에서 발생하는 모든 진동과 충격에 노출됩니다. 직접 장착 방식은 모터의 전자기 진동과 휠셋의 기계적 진동을 결합하여 복잡한 스펙트럼 패턴을 생성하므로 신중한 분석이 필요합니다.

프레임 장착형 견인 모터는 플렉서블 커플링 시스템을 사용하여 모터를 궤도 외란으로부터 분리하면서 휠셋에 동력을 전달합니다. 유니버설 조인트, 플렉서블 커플링 또는 기어형 커플링은 동력 전달 성능을 유지하면서 모터와 휠셋 간의 상대 운동을 수용합니다. 이러한 배열은 모터 진동 노출을 줄이지만, 커플링 동역학을 통해 추가적인 진동원을 발생시킵니다.

기어 구동 시스템은 모터와 휠셋 사이에 중간 기어 감속기를 사용하여 모터 작동 특성을 최적화합니다. 1단 헬리컬 기어 감속은 콤팩트한 설계와 적당한 소음 수준을 제공하는 반면, 2단 감속 시스템은 기어비 선택의 유연성이 더 높지만, 복잡성과 잠재적 진동원이 증가합니다.

기계식 커플링 시스템 및 진동 전달

견인 모터 로터와 기어 피니언 사이의 기계적 인터페이스는 진동 전달 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 열박음 연결은 우수한 동심도를 가진 견고한 커플링을 제공하지만, 로터 균형 품질에 영향을 미치는 조립 응력을 유발할 수 있습니다.

키 연결은 열 팽창을 수용하고 조립 절차를 간소화하지만, 토크 반전 시 백래시와 잠재적 충격 하중을 발생시킵니다. 키 마모는 추가적인 유격을 발생시켜 가속 및 감속 사이클 동안 두 배의 회전 주파수로 충격력을 발생시킵니다.

스플라인 연결은 탁월한 토크 전달 성능을 제공하고 축 방향 변위를 수용하지만, 진동 발생을 최소화하기 위해 정밀한 제조 공차가 필요합니다. 스플라인 마모는 원주 방향 백래시를 발생시켜 하중 조건에 따라 복잡한 진동 패턴을 생성합니다.

유연한 커플링 시스템은 연결된 축 사이의 정렬 불량을 수용하면서 비틀림 진동을 차단합니다. 탄성 커플링은 탁월한 진동 차단 기능을 제공하지만, 고유 진동수 위치에 영향을 미치는 온도 의존적인 강성 특성을 보입니다. 기어형 커플링은 일정한 강성 특성을 유지하지만, 전체 시스템 스펙트럼 함량을 증가시키는 메시 주파수 진동을 생성합니다.

휠셋 액슬 베어링 구성

휠셋 액슬 베어링은 수직, 횡방향 및 추력 하중을 지지하는 동시에 열 팽창 및 트랙 형상 변화를 수용합니다. 원통형 롤러 베어링은 반경 방향 하중을 효율적으로 처리하지만, 축방향 하중 지지를 위해 별도의 추력 베어링이 필요합니다.

테이퍼 롤러 베어링은 볼 베어링에 비해 우수한 강성을 가지면서도 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 모두 견딜 수 있습니다. 테이퍼 형상은 내부 틈새를 없애는 고유 예압을 생성하지만, 과도한 하중이나 부적절한 지지를 방지하기 위해 정밀한 조정이 필요합니다.

복열 구면 롤러 베어링은 큰 레이디얼 하중과 적당한 추력 하중을 수용하는 동시에, 샤프트 처짐과 하우징 정렬 불량을 보상하는 자동 정렬 기능을 제공합니다. 구면 외륜 형상은 오일 필름 감쇠를 생성하여 진동 전달을 제어하는 데 도움을 줍니다.

베어링 내부 클리어런스가 너무 높으면 하중 반전 사이클 동안 충격 하중이 가해져 고주파 충격 진동이 발생합니다. 반면, 클리어런스가 부족하면 예압 상태가 발생하여 구름 저항과 발열이 증가하고 진동 진폭이 감소할 수 있습니다.

기어 시스템 설계가 진동에 미치는 영향

기어 치형은 메시 주파수 진동 진폭 및 고조파 성분에 직접적인 영향을 미칩니다. 적절한 압력각과 부가물 수정을 적용한 인벌류트 치형 프로파일은 메시 하중 변화 및 관련 진동 발생을 최소화합니다.

헬리컬 기어는 점진적인 톱니 맞물림 특성으로 인해 스퍼 기어에 비해 더 부드러운 동력 전달을 제공합니다. 헬리컬 각도는 스러스트 베어링 지지를 필요로 하는 축력 요소를 생성하지만, 맞물림 주파수 진동 진폭을 크게 감소시킵니다.

기어 접촉비는 동력 전달 시 동시에 맞물리는 톱니 수를 결정합니다. 접촉비가 높을수록 하중이 더 많은 톱니에 분산되어 개별 톱니 응력과 맞물림 힘의 변화가 줄어듭니다. 접촉비가 1.5를 초과하면 낮은 접촉비에 비해 진동이 크게 감소합니다.

기어 제조 정확도는 톱니 간격 오차, 형상 편차, 표면 조도 변화를 통해 진동 발생에 영향을 미칩니다. AGMA 품질 등급은 제조 정밀도를 정량화하며, 등급이 높을수록 진동 수준은 낮아지지만 제조 공정 비용이 더 많이 듭니다.

기어 면폭에 걸친 하중 분포는 국부 응력 집중과 진동 발생에 영향을 미칩니다. 크라운 치면과 적절한 축 정렬은 균일한 하중 분포를 보장하여 고주파 진동 성분을 발생시키는 에지 하중을 최소화합니다.

WGB 애플리케이션의 카단 샤프트 시스템

카단 샤프트 동력 전달 장치가 있는 휠셋 기어 블록은 모터와 휠셋 사이의 더 넓은 이격 거리를 수용하는 동시에 유연한 커플링 성능을 제공합니다. 카단 샤프트 양쪽 끝의 유니버설 조인트는 운동학적 제약 조건을 생성하여 특징적인 진동 패턴을 생성합니다.

단일 유니버설 조인트 작동은 속도 변화를 유발하여 샤프트 회전 주파수의 두 배에 달하는 진동을 발생시킵니다. 이 진동의 진폭은 조인트 작동 각도에 따라 달라지며, 잘 확립된 운동학적 관계에 따르면 각도가 클수록 진동 수준이 높아집니다.

적절한 위상을 갖춘 이중 유니버설 조인트 배열은 1차 속도 변동을 제거하지만, 큰 작동 각도에서 심각해지는 고차 효과를 유발합니다. 등속 조인트는 우수한 진동 특성을 제공하지만, 더 복잡한 제조 및 유지보수 절차가 필요합니다.

공진 증폭을 방지하기 위해 카단 샤프트 임계 속도는 작동 속도 범위와 충분히 분리되어야 합니다. 샤프트 직경, 길이 및 재료 특성에 따라 임계 속도 위치가 결정되므로 각 용도에 대한 신중한 설계 분석이 필요합니다.

다양한 작동 조건에서의 진동 특성

기관차 운행은 진동 특성과 진단 해석에 상당한 영향을 미치는 다양한 운전 조건을 수반합니다. 정비 스탠드에 지지된 기관차를 이용한 정적 시험은 선로에서 발생하는 진동과 차륜-레일 상호작용을 제거하여 기준선 측정을 위한 통제된 조건을 제공합니다.

러닝 기어 현가 시스템은 정상 작동 시 기관차 차체를 휠셋 진동으로부터 분리하지만, 특정 주파수에서 공진 효과를 유발할 수 있습니다. 1차 현가 장치의 고유 진동수는 일반적으로 수직 모드의 경우 1~3Hz, 횡 모드의 경우 0.5~1.5Hz이며, 이는 저주파 진동 전달에 영향을 미칠 수 있습니다.

궤도 불규칙성은 열차 속도와 궤도 상태에 따라 넓은 주파수 범위에서 휠셋 진동을 유발합니다. 레일 이음매는 레일 길이와 열차 속도에 따라 결정되는 주파수에서 주기적인 충격을 발생시키는 반면, 궤도 궤간 변화는 휠셋 헌팅 모드와 결합되는 횡진동을 발생시킵니다.

견인력과 제동력은 베어링 하중 분포와 기어 맞물림 특성에 영향을 미치는 추가적인 하중을 발생시킵니다. 높은 견인력은 기어 이 접촉 응력을 증가시키고 휠셋 베어링의 하중 영역을 이동시켜 무부하 조건에 비해 진동 패턴을 변화시킬 수 있습니다.

보조 기계 진동 특성

냉각 팬 시스템은 다양한 임펠러 설계를 사용하여 고유한 진동 특성을 생성합니다. 원심 팬은 블레이드 수, 회전 속도 및 공기역학적 하중에 따라 진폭이 달라지는 블레이드 통과 주파수 진동을 생성합니다. 축류 팬은 유사한 블레이드 통과 주파수를 생성하지만, 유동 패턴의 차이로 인해 고조파 성분이 다릅니다.

팬 불균형은 다른 회전 기계와 마찬가지로 회전 주파수에서 속도 제곱에 비례하는 진폭을 갖는 진동을 발생시킵니다. 그러나 블레이드 파울링, 침식 또는 손상으로 인한 공기역학적 힘은 진단 해석을 복잡하게 만드는 추가적인 진동 요소를 생성할 수 있습니다.

공기 압축기 시스템은 일반적으로 크랭크축 회전 주파수와 그 고조파에서 진동을 생성하는 왕복 설계를 사용합니다. 실린더 수와 점화 순서에 따라 고조파 함량이 결정되는데, 일반적으로 실린더 수가 많을수록 작동이 더 부드럽고 진동 수준이 낮아집니다.

유압 펌프 진동은 펌프 종류와 작동 조건에 따라 달라집니다. 기어 펌프는 기어 시스템과 유사한 메시 주파수 진동을 생성하는 반면, 베인 펌프는 블레이드 통과 주파수 진동을 생성합니다. 가변 용량 펌프는 용량 설정 및 부하 조건에 따라 달라지는 복잡한 진동 패턴을 보일 수 있습니다.

샤프트 지지대 및 장착 시스템 효과

베어링 하우징의 강성은 회전 부품에서 고정 구조물로 전달되는 진동에 상당한 영향을 미칩니다. 유연한 하우징은 진동 전달을 줄일 수 있지만, 더 큰 축 운동을 허용하여 내부 간극과 하중 분포에 영향을 미칠 수 있습니다.

기초의 강성과 설치 방식은 구조적 공진 주파수와 진동 증폭 특성에 영향을 미칩니다. 연성 설치 시스템은 진동을 차단하지만, 불균형으로 인한 진동을 증폭시키는 저주파 공진을 생성할 수 있습니다.

유연한 요소 또는 기어 메시를 통해 여러 축을 결합하면 여러 고유 진동수와 모드 형상을 가진 복잡한 동적 시스템이 생성됩니다. 이러한 결합 시스템은 개별 구성 요소의 주파수가 약간씩 다를 때 비트 주파수를 나타낼 수 있으며, 이는 진동 측정에서 진폭 변조 패턴을 생성합니다.

2.3.1.5. 진동 모니터링 및 진단을 위한 기술 장비 및 소프트웨어

진동 측정 및 분석 시스템 요구 사항

철도 기관차 부품의 효과적인 진동 진단을 위해서는 철도 환경의 고유한 과제를 해결하는 정교한 측정 및 분석 역량이 필요합니다. 최신 진동 분석 시스템은 극한 온도, 전자기 간섭, 기계적 충격 등 혹독한 환경 조건에서도 넓은 동적 범위, 높은 주파수 분해능, 그리고 견고한 작동을 제공해야 합니다.

기관차 애플리케이션의 동적 범위 요건은 일반적으로 저진폭 초기 결함과 고진폭 작동 진동을 모두 포착하기 위해 80dB를 초과합니다. 이 범위는 초기 베어링 결함의 경우 초당 마이크로미터(μm) 단위부터 심각한 불균형 상태의 경우 초당 수백 밀리미터(mm) 단위까지 측정을 지원합니다.

주파수 분해능은 밀접하게 배치된 스펙트럼 성분을 분리하고 특정 결함 유형의 특징적인 변조 패턴을 식별하는 능력을 결정합니다. 분해능 대역폭은 관심 대상 최저 주파수의 1%를 초과해서는 안 되므로, 각 측정 용도에 맞는 분석 매개변수를 신중하게 선택해야 합니다.

온도 안정성은 기관차 응용 분야에서 발생하는 광범위한 온도 범위에서 측정 정확도를 보장합니다. 측정 시스템은 계절 변화 및 장비 가열 효과를 고려하여 -40°C ~ +70°C의 온도 범위에서 ±5% 이내의 교정 정확도를 유지해야 합니다.

초음파 진동을 이용한 베어링 상태 표시기

초음파 진동 분석은 표면 요철 접촉 및 윤활막 파괴로 인한 고주파 방출을 모니터링하여 베어링 열화를 최대한 조기에 감지합니다. 이러한 현상은 기존 진동 신호보다 몇 주 또는 몇 달 앞서 발생하여 사전 예방적 유지보수 일정을 수립할 수 있습니다.

스파이크 에너지 측정은 정상 상태 배경 잡음을 억제하면서 과도 현상을 강조하는 특수 필터를 사용하여 충격적인 초음파 방출을 정량화합니다. 이 기술은 5kHz 이상에서 고역 통과 필터링을 수행한 후, 짧은 시간 구간에 걸쳐 포락선 검출 및 RMS 계산을 수행합니다.

고주파 포락선(HFE) 분석은 초음파 반송파 신호에서 진폭 변조 정보를 추출하여 베어링 결함 주파수에 해당하는 저주파 변조 패턴을 밝혀냅니다. 이 방법은 초음파 감도와 기존 주파수 분석 기능을 결합한 것입니다.

충격 펄스법(SPM)은 약 32kHz로 튜닝된 특수 공진 변환기를 사용하여 초음파 과도 현상의 최대 진폭을 측정합니다. 이 기법은 베어링 손상 심각도와 상관관계가 높은 무차원 베어링 상태 지표를 제공합니다.

초음파 상태 지표는 기준값과 손상 진행률을 확립하기 위해 신중한 보정 및 추세 분석이 필요합니다. 온도, 하중, 윤활 조건 등의 환경 요인은 지표값에 상당한 영향을 미치므로 포괄적인 기준 데이터베이스가 필요합니다.

고주파 진동 변조 분석

구름 베어링은 구름 요소에 레이스 결함이 발생함에 따라 주기적인 하중 변화로 인해 고주파 진동에서 특징적인 변조 패턴을 생성합니다. 이러한 변조 패턴은 구조적 공진 주파수와 베어링 고유 진동수 주변의 측파대로 나타납니다.

엔벨로프 분석 기술은 베어링 공진이 포함된 주파수 대역을 분리하기 위해 진동 신호를 필터링하고, 진폭 변화를 복구하기 위해 엔벨로프 검출을 적용하고, 결함 주파수를 식별하기 위해 엔벨로프 스펙트럼을 분석하여 변조 정보를 추출합니다.

베어링 충격 가진은 특정 구조적 공진을 우선적으로 가진하기 때문에 효과적인 포락선 해석을 위해서는 공진 식별이 매우 중요합니다. 스윕 사인 시험이나 충격 모달 해석은 각 베어링 위치의 포락선 해석에 적합한 최적의 주파수 대역을 파악하는 데 도움이 됩니다.

엔벨로프 분석을 위한 디지털 필터링 기술에는 선형 위상 특성을 제공하고 신호 왜곡을 방지하는 유한 임펄스 응답(FIR) 필터와 계산 요구 사항을 줄이면서 가파른 롤오프 특성을 제공하는 무한 임펄스 응답(IIR) 필터가 포함됩니다.

포락선 스펙트럼 분석 매개변수는 진단 민감도와 정확도에 상당한 영향을 미칩니다. 필터 대역폭은 구조적 공진을 포괄하는 동시에 인접 공진을 배제해야 하며, 분석 윈도우 길이는 베어링 결함 주파수와 그 고조파를 분리할 수 있는 충분한 주파수 분해능을 제공해야 합니다.

포괄적인 회전 장비 모니터링 시스템

현대 기관차 정비 시설은 회전 장비의 상태를 종합적으로 평가하기 위해 여러 진단 기술을 결합한 통합 모니터링 시스템을 사용합니다. 이러한 시스템은 진동 분석, 오일 분석, 열 모니터링, 성능 매개변수를 통합하여 진단 정확도를 높입니다.

휴대용 진동 분석기는 예정된 유지보수 기간 동안 주기적인 상태 평가를 위한 주요 진단 도구로 사용됩니다. 이 장비는 기관차 애플리케이션에 최적화된 스펙트럼 분석, 시간 파형 캡처, 그리고 자동 고장 감지 알고리즘을 제공합니다.

영구 설치된 모니터링 시스템은 작동 중 주요 구성 요소를 지속적으로 감시할 수 있도록 합니다. 이러한 시스템은 분산형 센서 네트워크, 무선 데이터 전송, 그리고 자동 분석 알고리즘을 활용하여 실시간 상태 평가 및 경보 생성 기능을 제공합니다.

데이터 통합 기능은 여러 진단 기법의 정보를 결합하여 고장 감지 신뢰도를 높이고 오경보율을 줄입니다. 융합 알고리즘은 특정 고장 유형 및 작동 조건에 대한 효율성을 기반으로 다양한 진단 기법의 기여도에 가중치를 부여합니다.

센서 기술 및 설치 방법

진동 센서 선택은 측정 품질과 진단 효과에 상당한 영향을 미칩니다. 압전 가속도계는 대부분의 기관차 응용 분야에서 탁월한 주파수 응답과 감도를 제공하는 반면, 전자기 속도 변환기는 대형 회전 기계에 탁월한 저주파 응답을 제공합니다.

센서 장착 방식은 측정 정확도와 신뢰성에 중요한 영향을 미칩니다. 나사산 스터드는 영구 설치 시 최적의 기계적 결합을 제공하는 반면, 자기 장착은 강자성 표면에서 주기적인 측정에 편리함을 제공합니다. 접착 장착은 비강자성 표면에도 적용 가능하지만, 표면 처리 및 경화 시간이 필요합니다.

센서 방향은 다양한 진동 모드에 대한 측정 감도에 영향을 미칩니다. 반경 방향 측정은 불균형과 정렬 불량을 가장 효과적으로 감지하는 반면, 축 방향 측정은 스러스트 베어링 문제와 커플링 정렬 불량을 나타냅니다. 접선 방향 측정은 비틀림 진동 및 기어 맞물림 동역학에 대한 고유한 정보를 제공합니다.

환경 보호를 위해서는 극한 온도, 습기 노출, 전자기 간섭 등을 신중하게 고려해야 합니다. 케이블이 내장된 밀폐형 가속도계는 혹독한 철도 환경에서 탈착식 커넥터 설계에 비해 탁월한 신뢰성을 제공합니다.

신호 컨디셔닝 및 데이터 수집

신호 컨디셔닝 전자 장치는 정확한 진동 측정에 필요한 센서 여기, 증폭 및 필터링을 제공합니다. 정전류 여기 회로는 높은 입력 임피던스를 유지하면서 압전 가속도계에 전력을 공급하여 센서 감도를 유지합니다.

앤티앨리어싱 필터는 나이퀴스트 주파수 이상의 신호 성분을 감쇠시켜 아날로그-디지털 변환 시 주파수 폴딩 아티팩트를 방지합니다. 이러한 필터는 신호 충실도를 유지하기 위해 평탄한 통과대역 응답을 유지하면서도 충분한 저지대역 제거 성능을 제공해야 합니다.

아날로그-디지털 변환 분해능은 측정 동적 범위와 정확도를 결정합니다. 24비트 변환은 144dB의 이론적인 동적 범위를 제공하여 동일한 수집 내에서 저진폭 오류 시그니처와 고진폭 작동 진동을 모두 측정할 수 있습니다.

샘플링 주파수 선택은 나이퀴스트 기준을 따르며, 샘플링 속도는 관심 주파수의 최소 두 배 이상이어야 합니다. 실제 구현에서는 안티앨리어싱 필터 전이 대역을 수용하고 분석 유연성을 제공하기 위해 2.5:1에서 4:1까지의 오버샘플링 비율을 사용합니다.

측정 지점 선택 및 방향

효과적인 진동 모니터링을 위해서는 외부 진동원의 간섭을 최소화하면서 고장 조건에 대한 민감도를 극대화하는 측정 위치를 체계적으로 선택해야 합니다. 측정 지점은 베어링 지지대 및 기타 주요 하중 경로에 최대한 가깝게 위치해야 합니다.

베어링 하우징 측정은 베어링 상태 및 내부 동역학에 대한 직접적인 정보를 제공합니다. 베어링 하우징의 반경 방향 측정은 불균형, 정렬 불량, 베어링 결함을 가장 효과적으로 감지하는 반면, 축 방향 측정은 추력 하중 및 커플링 문제를 파악합니다.

모터 프레임 측정은 전자기 진동과 전반적인 모터 상태를 포착하지만, 모터 구조를 통한 진동 감쇠로 인해 베어링 결함에 대한 민감도가 낮을 수 있습니다. 이러한 측정은 베어링 하우징 측정을 보완하여 모터의 종합적인 평가를 수행합니다.

기어 케이스 측정은 기어 맞물림 진동과 내부 기어 동역학을 감지하지만, 복잡한 진동 전달 경로와 여러 가지 가진원 때문에 신중한 해석이 필요합니다. 기어 맞물림 중심선 근처의 측정 위치는 맞물림 관련 문제에 대한 민감도를 극대화합니다.

진단 테스트를 위한 작동 모드 선택

진단 테스트의 효과는 안전과 장비 보호를 유지하면서도 고장 관련 진동을 최적으로 발생시키는 적절한 작동 조건을 선택하는 데 크게 좌우됩니다. 작동 모드에 따라 부품 상태와 고장 발생 양상이 다르게 나타납니다.

무부하 시험은 하중에 따른 진동원을 제거하고 하중 조건과 비교할 수 있는 기준 측정값을 제공합니다. 이 모드는 기어 맞물림 진동과 베어링 하중 효과를 최소화하는 동시에 불균형, 정렬 불량, 전자기 문제를 가장 명확하게 드러냅니다.

다양한 출력 레벨에서 부하 시험을 수행하면 기어 맞물림 동역학, 베어링 하중 분포 효과, 전자기 하중 영향 등 하중에 따른 현상이 드러납니다. 점진적인 부하를 가하면 하중 독립 진동원과 하중 종속 진동원을 구분하는 데 도움이 됩니다.

정회전 및 역회전 방향성 시험은 기어 이 마모 패턴, 베어링 예압 변화, 커플링 마모 특성과 같은 비대칭 문제에 대한 추가적인 진단 정보를 제공합니다. 일부 결함은 방향성 민감도를 나타내어 결함 위치 파악에 도움이 됩니다.

시동 및 정지 중 주파수 스윕 시험을 통해 전체 작동 속도 범위에서 진동 거동을 포착하여 공진 조건과 속도 의존적 현상을 파악합니다. 이러한 측정은 임계 속도와 고유 진동수 위치를 파악하는 데 도움이 됩니다.

진단 시그니처에 대한 윤활 효과

윤활 상태는 진동 특성과 진단 해석에 상당한 영향을 미치며, 특히 베어링 모니터링 분야에서 그렇습니다. 신선한 윤활유는 진동 전달을 줄이는 효과적인 감쇠 효과를 제공하는 반면, 오염되거나 성능이 저하된 윤활유는 고장 특성을 증폭시킬 수 있습니다.

윤활유 점도는 온도에 따라 변하며, 이는 베어링 동역학 및 진동 특성에 영향을 미칩니다. 차가운 윤활유는 점성 감쇠력을 증가시키고 초기 베어링 결함을 가릴 수 있는 반면, 과열된 윤활유는 감쇠력과 보호력을 저하시킵니다.

마모 입자, 수분 또는 이물질이 포함된 오염된 윤활유는 연마 접촉 및 유동 난류를 통해 추가적인 진동원을 생성합니다. 이러한 영향은 실제 결함 시그니처를 압도하고 진단 해석을 복잡하게 만들 수 있습니다.

윤활 시스템 문제(부적절한 유량, 압력 변동, 불규칙한 분배 등)는 베어링 부하 조건에 시간 변동을 초래하여 진동 패턴에 영향을 미칩니다. 윤활 시스템 작동과 진동 특성 간의 상관관계는 귀중한 진단 정보를 제공합니다.

측정 오류 인식 및 품질 관리

신뢰할 수 있는 진단을 위해서는 잘못된 결론과 불필요한 유지보수 작업으로 이어질 수 있는 측정 오류를 체계적으로 파악하고 제거해야 합니다. 일반적인 오류 원인으로는 센서 장착 문제, 전기적 간섭, 부적절한 측정 매개변수 등이 있습니다.

센서 장착 검증에는 수동 여기 시험, 인접 위치 비교 측정, 그리고 알려진 여기원을 이용한 주파수 응답 검증 등 간단한 기법들이 사용됩니다. 센서 장착이 느슨하면 일반적으로 고주파 감도가 떨어지고 스퓨리어스 공진이 발생할 수 있습니다.

전기 간섭 탐지는 전원 주파수(50/60Hz)의 스펙트럼 성분과 고조파를 식별하고, 전원을 차단한 상태에서 측정값을 비교하며, 진동과 전기 신호 간의 간섭성을 평가하는 것을 포함합니다. 적절한 접지 및 차폐는 대부분의 간섭원을 제거합니다.

매개변수 검증에는 측정 단위, 주파수 범위 설정 및 분석 매개변수 확인이 포함됩니다. 매개변수를 잘못 선택하면 실제 결함 시그니처를 모방하는 측정 아티팩트가 발생할 수 있습니다.

통합 진단 시스템 아키텍처

현대 기관차 정비 시설은 다양한 상태 모니터링 기술과 중앙 집중식 데이터 관리 및 분석 기능을 결합한 통합 진단 시스템을 사용합니다. 이러한 시스템은 종합적인 장비 평가를 제공하는 동시에 수동 데이터 수집 및 분석 요구 사항을 줄여줍니다.

분산형 센서 네트워크는 기관차 전체에 걸쳐 여러 구성 요소를 동시에 모니터링할 수 있도록 합니다. 무선 센서 노드는 설치 복잡성과 유지 보수 요구 사항을 줄이는 동시에 중앙 처리 시스템에 실시간 데이터를 전송합니다.

자동 분석 알고리즘은 유입되는 데이터 스트림을 처리하여 발생하는 문제를 파악하고 유지보수 권장 사항을 생성합니다. 머신러닝 기술은 과거 데이터와 유지보수 결과를 기반으로 알고리즘 매개변수를 조정하여 시간이 지남에 따라 진단 정확도를 향상시킵니다.

데이터베이스 통합은 진동 분석 결과를 유지 관리 내역, 운영 조건, 구성 요소 사양과 결합하여 포괄적인 장비 평가 및 유지 관리 계획 지원을 제공합니다.

2.3.1.6. 진동 측정 기술의 실제 구현

진단 시스템 익숙해지기 및 설정

효과적인 진동 진단은 진단 장비의 성능과 한계에 대한 철저한 이해에서 시작됩니다. 최신 휴대용 분석기는 다양한 측정 및 분석 기능을 통합하고 있어, 모든 기능을 효과적으로 활용하기 위해서는 체계적인 교육이 필요합니다.

시스템 구성에는 주파수 범위, 분해능 설정, 분석 유형 등 기관차 애플리케이션에 적합한 측정 매개변수를 설정하는 작업이 포함됩니다. 기본 구성으로는 특정 애플리케이션에 최적의 성능을 제공하기 어려우므로, 구성 요소 특성 및 진단 목표에 따라 맞춤 구성이 필요합니다.

교정 검증은 측정 정확도와 국가 표준에 따른 추적성을 보장합니다. 이 과정에는 정밀 교정 소스를 연결하고 진단 측정에 사용되는 전체 주파수 및 진폭 범위에서 시스템 응답을 검증하는 과정이 포함됩니다.

데이터베이스 설정은 모니터링 대상 각 구성 요소에 대한 장비 계층 구조, 측정 지점 정의 및 분석 매개변수를 구축합니다. 적절한 데이터베이스 구성은 효율적인 데이터 수집을 용이하게 하고 과거 추세 및 경보 한계와의 자동 비교를 가능하게 합니다.

경로 개발 및 데이터베이스 구성

경로 개발은 데이터 수집 효율성을 최적화하는 동시에 주요 구성 요소를 포괄적으로 포괄하는 측정 지점과 시퀀스를 체계적으로 파악하는 것을 포함합니다. 효과적인 경로는 진단의 완전성과 실질적인 시간 제약의 균형을 이룹니다.

측정 지점 선정은 잠재적 고장 조건에 대한 최대 민감도를 제공하는 동시에 반복 가능한 센서 배치와 허용 가능한 안전 접근을 보장하는 위치를 우선적으로 고려합니다. 각 측정 지점에는 정확한 위치, 센서 방향 및 측정 매개변수가 기록되어야 합니다.

부품 식별 시스템은 측정 지점을 특정 장비 항목과 연결하여 자동화된 데이터 구성 및 분석을 가능하게 합니다. 계층적 구성은 차량 전체의 분석과 여러 기관차의 유사 부품 간의 비교를 용이하게 합니다.

분석 매개변수 정의는 각 측정 지점에 적합한 주파수 범위, 분해능 설정 및 처리 옵션을 설정합니다. 베어링 위치는 포락선 분석 옵션을 갖춘 고주파수 성능이 필요하며, 밸런스 및 정렬 측정은 저주파수 성능에 중점을 둡니다.

시각적 검사 및 준비 절차

육안 검사는 진동 측정을 수행하기 전에 부품 상태 및 잠재적인 측정 문제에 대한 필수 정보를 제공합니다. 육안 검사를 통해 자세한 진동 분석이 필요하지 않은 명백한 문제점을 발견하는 동시에 측정 품질에 영향을 미칠 수 있는 요인을 파악합니다.

윤활 시스템 검사에는 윤활유 레벨 확인, 누출 증거, 그리고 오염 지표 확인이 포함됩니다. 윤활 부족은 진동 특성에 영향을 미치며, 진동 수준과 관계없이 즉각적인 조치가 필요한 임박한 고장을 나타낼 수 있습니다.

장착 하드웨어 검사는 진동 전달이나 센서 장착에 영향을 줄 수 있는 느슨한 볼트, 손상된 부품, 그리고 구조적 문제를 파악합니다. 이러한 문제는 신뢰할 수 있는 측정이 가능해지기 전에 수정해야 할 수 있습니다.

센서 장착을 위한 표면 처리에는 측정 표면 세척, 페인트 또는 부식 제거, 그리고 영구 장착 스터드의 나사산 결합이 적절하게 유지되는 것이 포함됩니다. 적절한 표면 처리는 측정 품질과 반복성에 직접적인 영향을 미칩니다.

환경 위험 평가는 고온 표면, 회전 기계, 전기 위험, 불안정한 구조물 등 안전 문제를 파악합니다. 안전 고려 사항에 따라 측정 담당자에게 특별한 절차나 보호 장비가 필요할 수 있습니다.

구성 요소 작동 모드 설정

진단 측정은 반복 가능한 결과와 고장 조건에 대한 최적의 감도를 제공하는 일관된 작동 조건의 확립을 요구합니다. 작동 모드 선택은 부품 설계, 사용 가능한 계측기, 그리고 안전 제약 조건에 따라 달라집니다.

무부하 운전은 기계적 부하나 전기적 부하 변화로 인한 외부 영향을 최소화하면서 기준 측정값을 제공합니다. 이 모드에서는 불균형, 정렬 불량, 전자기적 결함 등 근본적인 문제를 가장 명확하게 드러냅니다.

지정된 전력 수준에서 부하를 가한 운전은 무부하 시험에서는 나타나지 않을 수 있는 부하 의존적인 현상을 드러냅니다. 점진적인 부하를 가하면 부하에 민감한 문제를 파악하고 추세 분석을 위한 심각도 관계를 확립하는 데 도움이 됩니다.

속도 제어 시스템은 측정 데이터 수집 중 일정한 회전 속도를 유지하여 주파수 안정성을 보장하고 정확한 스펙트럼 분석을 가능하게 합니다. 측정 중 속도 변화는 스펙트럼 스미어링을 유발하여 분석 분해능과 진단 정확도를 저하시킵니다.

열 평형 상태 확립은 측정값이 일시적인 시동 효과가 아닌 정상 작동 조건을 나타내도록 보장합니다. 대부분의 회전 기계는 열 안정성과 대표적인 진동 수준에 도달하기 위해 15~30분의 작동이 필요합니다.

회전 속도 측정 및 검증

정확한 회전 속도 측정은 스펙트럼 분석 및 고장 주파수 계산에 필수적인 기준 정보를 제공합니다. 속도 측정 오류는 진단 정확도에 직접적인 영향을 미치며, 잘못된 고장 식별로 이어질 수 있습니다.

광학식 타코미터는 반사 테이프나 자연 표면 특성을 이용하여 비접촉 방식으로 속도를 측정합니다. 이러한 계측기는 높은 정확도와 안전성을 제공하지만, 안정적인 작동을 위해서는 가시선 접근과 적절한 표면 대비가 필요합니다.

자기 픽업 센서는 기어 톱니나 샤프트 키웨이와 같은 강자성체의 이동을 감지합니다. 이 센서는 뛰어난 정확도와 오염 방지 기능을 제공하지만, 회전 부품에 픽업과 타겟을 설치해야 합니다.

스트로보스코프 속도 측정은 동기화된 점멸등을 사용하여 회전 부품의 겉보기 정지 영상을 생성합니다. 이 기법은 회전 속도를 시각적으로 확인하고 작동 중 동적 거동을 관찰할 수 있도록 합니다.

스펙트럼 분석을 통한 속도 검증은 알려진 회전 주파수에 해당하는 주요 스펙트럼 피크를 식별하고 이를 직접 속도 측정값과 비교하는 과정을 포함합니다. 이러한 접근 방식은 측정 정확도를 확인하고 속도 관련 스펙트럼 성분을 식별하는 데 도움이 됩니다.

다중 지점 진동 데이터 수집

체계적인 진동 데이터 수집은 미리 정해진 경로와 측정 순서를 따라 이루어지며, 측정 품질과 효율성을 유지하면서도 포괄적인 범위를 보장합니다. 데이터 수집 절차는 다양한 접근 조건과 장비 구성을 반영해야 합니다.

센서 배치 반복성은 연속적인 데이터 수집 세션 간의 측정 일관성을 보장합니다. 영구 장착 스터드는 최적의 반복성을 제공하지만 모든 측정 위치에 적합하지 않을 수 있습니다. 임시 장착 방법은 신중한 문서화 및 위치 조정 도구가 필요합니다.

측정 시점 고려 사항에는 센서 설치 후 적절한 안정화 시간, 통계적 정확성을 위한 충분한 측정 시간, 그리고 장비 운영 일정과의 조율 등이 있습니다. 성급한 측정은 종종 신뢰할 수 없는 결과를 초래하여 진단 해석을 복잡하게 만듭니다.

환경 조건 문서에는 측정 품질이나 해석에 영향을 줄 수 있는 주변 온도, 습도, 음향 배경 레벨이 포함됩니다. 극한 환경에서는 측정 연기 또는 매개변수 수정이 필요할 수 있습니다.

실시간 품질 평가는 데이터 수집이 완료되기 전에 측정 문제를 파악하기 위해 수집 과정에서 신호 특성을 모니터링하는 것을 포함합니다. 최신 분석기는 스펙트럼 디스플레이와 신호 통계를 제공하여 즉각적인 품질 평가를 가능하게 합니다.

음향 모니터링 및 온도 측정

음향 방출 모니터링은 균열 전파, 마찰 및 충격 현상으로 인해 발생하는 고주파 응력파를 감지하여 진동 분석을 보완합니다. 이러한 측정은 아직 측정 가능한 진동 변화를 일으키지 않을 수 있는 문제 발생을 조기에 경고합니다.

초음파 감지 장치는 초음파를 가청 주파수로 변환하는 주파수 변환 기술을 통해 베어링 상태를 청각적으로 모니터링할 수 있도록 합니다. 숙련된 기술자는 특정 결함 유형과 관련된 특징적인 소리를 식별할 수 있습니다.

온도 측정은 부품의 열 상태에 대한 필수 정보를 제공하고 진동 분석 결과의 검증에 도움을 줍니다. 베어링 온도 모니터링은 윤활 문제와 진동 특성에 영향을 미치는 하중 조건을 파악합니다.

적외선 열화상 기술은 비접촉식 온도 측정과 기계적 문제를 나타내는 열 패턴을 식별하는 데 도움이 됩니다. 고온 지점은 마찰, 정렬 불량 또는 윤활 문제를 나타낼 수 있으며, 즉각적인 조치가 필요합니다.

온도 추세 분석과 진동 추세 분석을 결합하면 부품 상태 및 성능 저하율을 종합적으로 평가할 수 있습니다. 온도와 진동이 동시에 증가하는 것은 마모 속도가 빨라지고 있음을 나타내며, 이는 즉각적인 유지보수 조치가 필요하다는 것을 의미합니다.

데이터 품질 검증 및 오류 감지

측정 품질 검증은 잘못된 진단 결론으로 이어질 수 있는 잠재적 오류나 이상을 파악하기 위해 수집된 데이터를 체계적으로 평가하는 것을 포함합니다. 데이터 수집 직후, 측정 조건이 기억에 생생하게 남아 있는 동안 품질 관리 절차를 적용해야 합니다.

스펙트럼 분석 품질 지표에는 적절한 잡음 플로어, 눈에 띄는 앨리어싱 아티팩트의 부재, 그리고 알려진 여기원 대비 적절한 주파수 함량이 포함됩니다. 스펙트럼 피크는 회전 속도 및 부품 형상을 기반으로 예상 주파수와 일치해야 합니다.

시간 파형 검사는 주파수 영역 분석에서는 나타나지 않을 수 있는 신호 특성을 드러냅니다. 클리핑, DC 오프셋, 그리고 주기적인 이상 현상은 측정 시스템 문제를 나타내므로 데이터 분석 전에 수정이 필요합니다.

반복성 검증은 측정 일관성을 평가하기 위해 동일한 조건에서 여러 번 측정값을 수집하는 것을 포함합니다. 과도한 변동성은 불안정한 작동 조건이나 측정 시스템 문제를 나타냅니다.

과거 데이터 비교는 동일 측정 지점의 이전 데이터와 비교하여 현재 측정값을 평가하는 데 필요한 맥락을 제공합니다. 갑작스러운 변화는 장비에 심각한 문제가 있거나 조사가 필요한 측정 오류를 나타낼 수 있습니다.

2.3.1.7. 1차 측정 데이터를 이용한 실제 베어링 상태 평가

측정 오류 분석 및 데이터 검증

신뢰할 수 있는 베어링 진단을 위해서는 실제 결함 시그니처를 가리거나 잘못된 표시를 유발할 수 있는 측정 오류를 체계적으로 파악하고 제거해야 합니다. 오류 분석은 데이터 수집 직후부터 시작되며, 측정 조건과 절차는 메모리에 명확하게 저장됩니다.

스펙트럼 분석 검증은 주파수 영역 특성을 조사하여 알려진 여기원 및 측정 시스템 성능과의 일관성을 확인하는 것을 포함합니다. 실제 베어링 결함 시그니처는 측정 아티팩트와 구별되는 특정 주파수 관계와 고조파 패턴을 나타냅니다.

시간 영역 분석은 클리핑, 전기적 간섭, 기계적 교란 등 측정 문제를 나타낼 수 있는 신호 특성을 보여줍니다. 베어링 결함 신호는 일반적으로 높은 파고율과 주기적인 진폭 패턴을 갖는 임펄스 특성을 보입니다.

과거 추세 분석은 동일한 측정 위치에서 얻은 이전 데이터와 비교하여 현재 측정값을 평가하는 데 필수적인 맥락을 제공합니다. 점진적인 변화는 실제 장비 성능 저하를 나타내는 반면, 급격한 변화는 측정 오류나 외부 영향을 시사할 수 있습니다.

교차 채널 검증은 동일 부품의 여러 센서 측정값을 비교하여 방향 감도를 파악하고 결함 존재 여부를 확인하는 과정입니다. 베어링 결함은 일반적으로 특성 주파수 관계를 유지하면서 여러 측정 방향에 영향을 미칩니다.

환경 요인 평가는 온도 변화, 하중 변화, 음향 배경 등 측정 품질이나 해석에 영향을 줄 수 있는 외부 영향을 고려합니다. 환경 조건과 진동 특성 간의 상관관계는 귀중한 진단 정보를 제공합니다.

스펙트럼 분석을 통한 회전 속도 검증

정확한 회전 속도 측정은 모든 베어링 고장 주파수 계산 및 진단 해석의 기반을 제공합니다. 스펙트럼 분석은 타코미터 직접 측정을 보완하는 다양한 속도 검증 방법을 제공합니다.

기본 주파수 식별은 축 회전 주파수에 해당하는 스펙트럼 피크를 찾는 것을 포함하며, 이는 잔류 불균형이나 미세한 정렬 불량으로 인해 대부분의 회전 기계 스펙트럼에서 두드러지게 나타납니다. 기본 주파수는 모든 고조파 및 베어링 주파수 계산의 기준이 됩니다.

고조파 패턴 분석은 기본 주파수와 고조파 간의 관계를 분석하여 속도 정확도를 확인하고 추가적인 기계적 문제를 파악합니다. 순수한 회전 불균형은 주로 기본 주파수 진동을 발생시키는 반면, 기계적 문제는 더 높은 고조파를 생성합니다.

모터 애플리케이션에서 전자기 주파수 식별(EMID)은 독립적인 속도 검증을 제공하는 라인 주파수 성분과 슬롯 통과 주파수를 파악합니다. 이러한 주파수는 전원 주파수 및 모터 설계 매개변수와 고정된 관계를 유지합니다.

기어 시스템에서 기어 메시 주파수 식별은 메시 주파수와 회전 속도 간의 관계를 통해 매우 정확한 속도 결정을 제공합니다. 기어 메시 주파수는 일반적으로 우수한 신호 대 잡음비를 가진 뚜렷한 스펙트럼 피크를 생성합니다.

속도 변화 평가는 측정값 획득 중 속도 안정성을 평가하기 위해 스펙트럼 피크 선명도와 측파대 구조를 검사합니다. 속도 불안정성은 스펙트럼 번짐과 측파대 생성을 유발하여 분석 정확도를 떨어뜨리고 베어링 결함 시그니처를 가릴 수 있습니다.

베어링 결함 빈도 계산 및 식별

베어링 결함 주파수 계산에는 정확한 베어링 형상 데이터와 정밀한 회전 속도 정보가 필요합니다. 이러한 계산은 측정된 스펙트럼에서 실제 베어링 결함 시그니처를 식별하는 데 필요한 이론적 주파수를 제공합니다.

볼 패스 주파수(BPFO)는 구름 요소가 외륜 결함에 걸리는 비율을 나타냅니다. 이 주파수는 일반적으로 베어링 형상 및 접촉각 특성에 따라 회전 주파수의 0.4배에서 0.6배 사이입니다.

볼 패스 주파수 내륜(BPFI)은 구름 요소가 내륜 결함과 접촉하는 비율을 나타냅니다. BPFI는 일반적으로 BPFO보다 20-40%만큼 높으며, 부하 영역 효과로 인해 회전 주파수에서 진폭 변조가 나타날 수 있습니다.

기본열차주파수(FTF)는 케이지 회전 주파수를 나타내며, 일반적으로 축 회전 주파수의 0.35~0.45배에 해당합니다. 케이지 결함이나 윤활 문제는 FTF 및 그 고조파에서 진동을 유발할 수 있습니다.

볼 스핀 주파수(BSF)는 개별 롤링 요소의 회전 주파수를 나타내며, 롤링 요소에 특정 결함이나 치수 변화가 나타나지 않는 한 진동 스펙트럼에 거의 나타나지 않습니다. BSF는 일반적으로 진폭이 낮기 때문에 정밀한 분석이 필요합니다.

주파수 허용 오차 고려 사항은 실제 결함 주파수가 이론적인 계산값과 다를 수 있는 제조상의 차이, 부하 효과, 그리고 측정 불확실성을 고려합니다. 계산된 주파수를 기준으로 ±5%의 검색 대역폭이 이러한 차이를 수용합니다.

스펙트럼 패턴 인식 및 오류 식별

베어링 결함 식별에는 실제 베어링 결함 시그니처와 다른 진동원을 구분하는 체계적인 패턴 인식 기술이 필요합니다. 각 결함 유형은 특징적인 스펙트럼 패턴을 생성하며, 이를 적절히 해석하면 특정 진단을 내릴 수 있습니다.

외륜 결함 시그니처는 일반적으로 BPFO와 그 고조파에서 뚜렷한 진폭 변조 없이 불연속적인 스펙트럼 피크로 나타납니다. 회전 주파수 측파대가 없다는 점은 외륜 결함과 내륜 결함을 구분하는 기준입니다.

내륜 결함 시그니처는 회전 주파수 간격으로 배치된 측파대를 갖는 BPFI 기본 주파수를 나타냅니다. 이러한 진폭 변조는 결함 영역이 다양한 하중 조건에서 회전할 때 발생하는 하중 영역 효과에 의해 발생합니다.

구름 요소 결함 시그니처는 BSF에서 나타나거나 다른 베어링 주파수의 변조를 유발할 수 있습니다. 이러한 결함은 종종 복잡한 스펙트럼 패턴을 생성하므로 레이스 결함과 구별하기 위해 신중한 분석이 필요합니다.

케이지 결함 시그니처는 일반적으로 FTF와 그 고조파에서 나타나며, 종종 배경 잡음 수준 증가 및 불안정한 진폭 특성을 동반합니다. 케이지 문제는 다른 베어링 주파수를 변조할 수도 있습니다.

봉투 분석 구현 및 해석

포락선 분석은 고주파 진동에서 진폭 변조 정보를 추출하여 저주파 베어링 결함 패턴을 밝혀냅니다. 이 기술은 측정 가능한 저주파 진동을 생성하지 못할 수 있는 초기 단계의 베어링 결함을 감지하는 데 특히 효과적입니다.

포락선 해석을 위한 주파수 대역을 선택하려면 베어링 충격력에 의해 발생하는 구조적 공진 또는 베어링 고유 진동수를 파악해야 합니다. 최적의 주파수 대역은 일반적으로 베어링 크기 및 장착 특성에 따라 1000~8000Hz입니다.

필터 설계 매개변수는 포락선 분석 결과에 상당한 영향을 미칩니다. 대역 통과 필터는 공진 특성을 포착하는 동시에 결과에 영향을 줄 수 있는 인접 공진을 배제할 수 있는 충분한 대역폭을 제공해야 합니다. 필터 롤오프 특성은 과도 응답 및 충격 감지 감도에 영향을 미칩니다.

포락선 스펙트럼 해석은 기존 스펙트럼 분석과 유사한 원리를 따르지만, 반송파 주파수가 아닌 변조 주파수에 초점을 맞춥니다. 베어링 결함 주파수는 포락선 스펙트럼에서 불연속적인 피크로 나타나며, 진폭은 결함의 심각성을 나타냅니다.

포락선 분석 품질 평가는 신뢰할 수 있는 결과를 보장하기 위해 필터 선택, 주파수 대역 특성, 신호대잡음비를 평가하는 것을 포함합니다. 포락선 분석 결과가 좋지 않으면 필터 선택이 부적절하거나 구조적 공진 여기가 불충분함을 나타낼 수 있습니다.

진폭 평가 및 심각도 분류

베어링 결함 심각도 평가에는 기존 기준 및 과거 추세를 기준으로 진동 진폭을 체계적으로 평가하는 것이 필요합니다. 심각도 분류를 통해 지속적인 운영을 위한 유지보수 계획 수립 및 위험 평가가 가능합니다.

절대 진폭 기준은 업계 경험과 표준을 기반으로 베어링 상태 평가에 대한 일반적인 지침을 제공합니다. 이러한 기준은 일반적으로 전체 진동 및 특정 주파수 대역에 대한 경보 및 경고 수준을 설정합니다.

추세 분석은 시간 경과에 따른 진폭 변화를 평가하여 성능 저하율을 평가하고 잔여 유효 수명을 예측합니다. 기하급수적인 진폭 증가는 종종 즉각적인 유지 보수 조치가 필요한 손상의 가속화를 나타냅니다.

비교 분석은 특정 작동 조건 및 설치 특성을 고려하여 동일한 적용 분야에서 유사한 베어링과 비교하여 베어링 상태를 평가합니다. 이 방법은 절대 기준만을 사용하는 것보다 더 정확한 심각도 평가를 제공합니다.

다중 매개변수 통합은 전체 진동 수준, 특정 결함 주파수, 포락선 분석 결과 및 온도 측정 정보를 결합하여 포괄적인 베어링 평가를 제공합니다. 단일 매개변수 분석은 불완전하거나 오해의 소지가 있는 정보를 제공할 수 있습니다.

부하 영역 효과 및 변조 패턴 분석

베어링 하중 분포는 진동 특성과 진단 해석에 상당한 영향을 미칩니다. 하중 영역 효과는 진폭 변조 패턴을 생성하여 베어링 상태 및 하중 특성에 대한 추가 정보를 제공합니다.

내륜 결함 변조는 결함 영역이 각 회전마다 다양한 하중 영역을 통과할 때 발생합니다. 최대 변조는 결함이 최대 하중 위치와 일치할 때 발생하고, 최소 변조는 무부하 위치에 해당합니다.

변조 분석을 통한 하중 영역 식별은 지지 하중 패턴을 나타내며, 이는 정렬 불량, 기초 문제 또는 비정상적인 하중 분포를 나타낼 수 있습니다. 비대칭 변조 패턴은 불균일한 하중 조건을 시사합니다.

측파대 분석은 베어링 결함 주파수 주변의 주파수 성분을 분석하여 변조 깊이를 정량화하고 변조 원인을 파악합니다. 회전 주파수 측파대는 부하 영역 효과를 나타내며, 다른 측파대 주파수는 추가적인 문제를 나타낼 수 있습니다.

변조 패턴의 위상 분석은 하중 영역을 기준으로 결함 위치에 대한 정보를 제공하고 손상 진행 패턴을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. 고급 분석 기법을 사용하면 변조 특성을 기반으로 베어링의 잔여 수명을 예측할 수 있습니다.

보완 진단 기술과의 통합

종합적인 베어링 평가는 진동 분석과 보완적인 진단 기법을 통합하여 정확도를 높이고 오경보율을 줄입니다. 다양한 진단 방법을 통해 문제 파악을 확인하고 심각도 평가를 강화합니다.

오일 분석 결과 베어링 마모 입자, 오염 수준, 윤활유 열화가 진동 분석 결과와 상관관계를 보입니다. 마모 입자 농도 증가는 종종 감지 가능한 진동 변화보다 몇 주 앞서 발생합니다.

온도 모니터링은 베어링의 열 상태와 마찰 수준을 실시간으로 표시합니다. 베어링 성능 저하 과정에서 온도 상승은 진동 증가를 동반하는 경우가 많습니다.

음향 방출 모니터링은 균열 전파 및 표면 접촉 현상에서 발생하는 고주파 응력파를 감지하며, 이는 기존 진동 신호에 선행할 수 있습니다. 이 기술은 가능한 한 빠른 결함 감지 기능을 제공합니다.

성능 모니터링은 효율 변화, 하중 분포 변화, 운영 안정성 등 시스템 운영에 미치는 베어링 영향을 평가합니다. 성능 저하가 발생하면 진동 수준이 허용 가능한 수준인 경우에도 베어링 문제를 조사해야 할 수 있습니다.

문서화 및 보고 요구 사항

효과적인 베어링 진단을 위해서는 의사 결정을 지원하고 추세 분석을 위한 과거 기록을 제공하기 위해 측정 절차, 분석 결과, 유지 관리 권장 사항에 대한 포괄적인 문서화가 필요합니다.

측정 문서에는 장비 구성, 환경 조건, 작동 매개변수 및 품질 평가 결과가 포함됩니다. 이러한 정보는 향후 측정 반복성을 가능하게 하고 결과 해석을 위한 맥락을 제공합니다.

분석 문서는 결론을 뒷받침하고 동료 평가를 가능하게 하기 위해 계산 절차, 빈도 식별 방법, 그리고 진단 추론을 기록합니다. 상세한 문서는 지식 전달 및 교육 활동을 용이하게 합니다.

권장 사항 문서는 긴급도 분류, 권장 수리 절차 및 모니터링 요건을 포함한 명확한 유지보수 지침을 제공합니다. 권장 사항에는 유지보수 계획 결정을 뒷받침할 충분한 기술적 근거가 포함되어야 합니다.

과거 데이터베이스를 유지 관리하면 추세 분석 및 비교 연구를 위해 측정 및 분석 결과에 대한 접근이 가능합니다. 적절한 데이터베이스 구성을 통해 전체 장비에 대한 분석과 유사 장비에서 공통적으로 발생하는 문제 파악이 용이해집니다.

결론

철도 기관차 부품의 진동 진단은 기본적인 기계 원리와 첨단 측정 및 분석 기술을 결합한 정교한 엔지니어링 분야입니다. 본 종합 가이드에서는 기관차 유지보수 작업에서 진동 기반 상태 모니터링을 효과적으로 구현하는 데 필요한 필수 요소를 살펴보았습니다.

성공적인 진동 진단의 기반은 회전 기계의 진동 현상과 휠셋 모터 블록(WMB), 휠셋 기어 블록(WGB), 그리고 보조 기계(AM)의 특성에 대한 철저한 이해에 있습니다. 각 부품 유형은 고유한 진동 특성을 나타내므로 전문적인 분석 접근법과 해석 기법이 필요합니다.

최신 진단 시스템은 조기 고장 감지 및 심각도 평가에 강력한 기능을 제공하지만, 그 효과는 적절한 구현, 측정 품질 관리, 그리고 결과의 숙련된 해석에 크게 좌우됩니다. 여러 진단 기법을 통합함으로써 신뢰성을 높이고 오경보율을 줄이는 동시에 부품 상태에 대한 종합적인 평가를 제공합니다.

센서 기술, 분석 알고리즘, 데이터 통합 기능의 지속적인 발전은 진단 정확도와 운영 효율성을 더욱 향상시킬 것으로 기대됩니다. 포괄적인 진동 진단 기능에 투자하는 철도 유지보수 기관은 예상치 못한 고장 감소, 최적화된 유지보수 일정, 그리고 향상된 운영 안전성을 통해 상당한 이점을 실현할 수 있습니다.

진동 진단을 성공적으로 구현하려면 교육, 기술 발전, 그리고 품질 보증 절차에 대한 지속적인 노력이 필요합니다. 철도 시스템이 고속화와 더욱 엄격한 신뢰성 요구 사항을 향해 끊임없이 발전함에 따라, 진동 진단은 안전하고 효율적인 기관차 운행을 유지하는 데 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.