마그네틱 센서를 이용한 에스컬레이터 구동체인 국부손상 검출방법 연구

구동체인에 발생한 초기 손상의 진단을 위해 와이어, 배관, 철도와 같은 다양한 강자성 연속체의 진단에 폭넓게 활용되고
있는 마그네틱 센싱 기반의 비파괴진단기법을 구동체인에 적용하고 그 가능성을 살펴본다.
글 김윤겸(한국승강기안전공단 성장사업실장) 

구동체인 손상 초기 진단을 위한 비파괴진단기법
공공건축물에 주로 설치되는 에스컬레이터는 매우 높은 수직 교통 부담률을 가지는 생활 필수 설비이다. 하지만 최근까지도 구동체인 파단에 의한 역주행 사고가 지속적으로 발생하고 있으며, 많은 탑승자가 동시에 이용하는 에스컬레이터 시설물의 특성상 사고 시 대형인명피해와 직결되고 있다. 하지만 상당수의 에스컬레이터가 노후화되어 사고 발생 개연성이 매우 높은 상태에서 운행되고 있는 상황이다. 또한 구동체인 등의 파단에 의한 역구동 발생 시 이를 대비한 안전장치인 보조브레이크가 있으나 구동체인의 파단에 의한 역구동 발생 시 보조브레이크의 동작에 따른 감속도로 인한 충격으로 에스컬레이터 이용자가 전도되는 사고가 발생하고 있다. 이러한 사고는 구동체인 국부손상을 초기에 진단하여 적절한 유지보수를 한다면 예방 가능하지만, 현재 적절한 진단 기법의 개발 및 적용이 이루어지지 못하고 있는 상황이다. 
본 연구는 구동체인에 발생하는 손상을 초기에 빠르게 진단하기 위한 방법으로 마그네틱 센싱 기반의 비파괴진단기법을 구동체인에 적용해보았다. 연구에 대해 간단히 요약하자면 다음과 같다. 
구동체인에 발생한 초기 손상의 진단을 통한 예방적 유지관리를 위해 마그네틱 센싱 기반의 비파괴진단기법을 구동체인에 적용하였다. 이의 검증을 위해 구동체인 진단용 마그네틱 센서헤드를 제작하였고, 국부적인 손상이 발생한 체인시편을 구동시키며 자속신호를 수집하였다. 계측되는 자속신호는 일정한 진폭을 가지는 사인파 형태를 가지게 되는데, 구동체인 플레이트에 국부적인 손상이 발생할 경우, 수집된 자속신호의 진폭인 피크 값이 변하게 됨을 확인하였고, 차분 및 포락선 추출을 포함하는 신호처리를 통해 손상부의 신호변화가 부각되도록 하였다. 이후 신호처리된 자속신호를 통계학적인 방법을 통해 설정된 임계값과 비교하여 손상부를 검출할 수 있었고, 이러한 과정을 통해 마그네틱 센서를 이용한 구동체인 국부손상 진단이 효과적으로 가능함을 검증하였다.

구동체인 국부손상 진단 실험 
실험 장비와 실험 방법을 먼저 소개하자면, 마그네틱 센싱 기반 에스컬레이터 구동체인 손상진단 기법의 검증을 위해 [그림 1]과 같이 복열 2중체인(RS-80-2)에 맞추어 8채널의 자속신호를 동시 수집할 수 있는 마그네틱 센서헤드를 제작하였다. 센서헤드는 각 센싱 채널별로 시편의 자화를 위한 1개의 자화요크와 자속신호 수집을 위한 1개의 홀센서로 구성하였다.
그리고 [그림 2]와 같이 체인 구동 시뮬레이터에 제작된 센서헤드를 고정시키고, 구동체인을 일정한 속도로 이동시키며 실험을 수행하였다. 국부손상 시편의 경우 1번 센싱 채널 부근을 통과하는 체인(아우터 플레이트)의 상부에 1㎜ 깊이의 노치 손상을 [그림 3]과 같이 가공하여 체인을 구동시키며 자속데이터를 계측하고, 이를 정상체인의 수집 자속신호와 비교함으로써 체인의 국부손상 진단 가능성을 살펴보았다. 

손상체인의 경우 손상부 임계값 초과로 진단 
실험 결과로 체인으로부터 계측되는 수집신호를 아래 [그림 4]에 나타내었다. [그림 4](a)에는 정상시편의 자속 신호를, [그림 4](b)에는 국부손상 시편의 자속 신호를 나타내었다. 수집된 자속 신호는 1개의 체인 플레이트 당 2개의 피크(Peak)을 가지는 사인파 형태인데, 손상 발생 시 자속 신호의 진폭을 의미하는 피크의 크기가 변화하는 특성을 보였고, 이를 진단에 활용하였다.
먼저 자속 신호의 전체 진폭 크기에 비해 피크의 변화량은 크지 않으므로 [그림 5]와 같이 피크의 값만을 추출하고 이의 평균값을 제거함으로써, 손상부의 신호를 정상부의 신호와 구분되도록 하였다. 여기에서 순간적으로 피크의 변화가 발생함을 확인할 수 있는데 이를 이용하기 위해 [그림 6]과 같이 피크 신호의 차분값을 계산하였다. 
이어서 양수화된 하나의 기준치로 손상을 판단할 수 있도록 힐버트변환 기반의 포락선을 구하여 신호를 가공하였고 아래 [그림 7]과 같이 나타내었다. [그림 7](a)는 정상체인의 가공신호이고, [그림7](b)는 손상체인의 가공신호이다. 
[그림 7]에서 정상체인의 신호와 달리 손상체인의 경우 체인의 손상부에서 임계값을 초과하는 신호값이 존재함을 확인할 수 있고, 이러한 방법을 통해 체인에 발생한 국부손상의 진단이 가능함을 알 수 있다.

구동체인 손상 시 경보신호 발생해 피해 예방 
구동체인의 플레이트에 국부손상이 발생할 경우 자속신호의 피크가 변화하게 되고, 이를 신호처리하여 피크 차분값의 포락선을 이용할 경우, 임계값 설정을 통해 객관적인 국부손상의 진단이 가능함을 검증하였다. 이를 통해 본 마그네틱 진단 시스템을 이용한 에스컬레이터 구동체인의 국부손상 진단이 가능함을 확인할 수 있다.
에스컬레이터 구동체인이 파단되어 보조브레이크가 동작하더라도 보조브레이크의 감속도에 따른 충격으로 에스컬레이터의 탑승객이 전도되는 사고가 발생되고 있다.
위의 에스컬레이터 구동체인 국부손상검출장치와 손상 검출 시 경보신호가 발생되는 장치를 결합하여 승객 탑승 관리 및 유지관리 시점 명시 등을 한다면 구동체인이 전단되기 전에 유지관리가 가능하여 탑승자가 이동 중 구동체인이 파단되어 보조브레이크가 동작하는 충격에 의해 입는 피해를 예방할 수 있을 것이다.