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문제 정의
- 본 연구에서는 공기스프링 소재인 고무재료에 물성시험과 하중지지 용량 및 수직·수평방향의 하중시험을 통한 종합 성능시험과 수명시험을 실시하여 실험실 차원에서의 신뢰성을 평가하였으며, 실제 차량에의 적용성을 보증하기 위한 실차시험을 수행하여 승차감과 공기 압력의 변동을 측정하였다.
- 철도차량용 공기스프링의 신뢰성 평가기준은 제품의 특성을 충분히 파악하여 시험 가능한 항목과 안정성을 확보할 수 있는 요구 성능으로 하였으며, 제품의 외관 및 치수검사, 제품 특성시험 등에 관한 종합성능 시험규정과 안전도시험 및 수명평가시험을 통하여 공기스프링의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목적으로 하였다. 따라서 평가기준 작성에는 KS 규격과 국제적으로도 권위가 있는 JIS, MIL, NF 등 국제규격과 선진 외국규격을 참고하여 신뢰성 평가항목 및 기준을 정하였다[3, 4].
제안 방법
- 고무 물성시험은 제품과 동일한 상태로 제작된 2개의 고무 시편에 대하여 인장강도, 연신율, 경도 등을 측정하였으며, 가황 고무의 노화 정도를 측정하기 위한 노화시험은 100 ± 1℃에서 96시간 가열하여 노화시킨 후, 시험 전·후의 인장강도 및 연신율의 변화율을 산출하였다.
- 실차시험은 공기스프링 개발품을 시운전 중인 전동차에 장착한 후 시험 선로인 분당선의 분당역과 수서역 간을 왕복하면서 승차감과 공기스프링의 공기 압력의 변동을 측정하였다. 공기스프링 개발품은 한 대의 차량 즉 2대의 대차에 각각 2개씩 총 4개를 장착하였으며, 기존 사용되어 오던 공기스프링이 장착된 객차와의 비교 평가를 위하여 2대의 객차에서 승차감과 공기스프링의 공기압력 변동을 각각 측정하였다. 공기압력은 공기스프링의 공급압력에 대하여 실시간으로 데이터를 수집한 후 선로상태에 따른 압력변화를 분석하였으며, 주행 상태에 따른 승차감을 측정하였다.
- 공기스프링은 내부 압력 변화에 따른 수직지지하중과 수직 및 수평 방향의 강성 등이 주요 설계 변수로서 고무 벨로우즈의 형상, 코드의 각도, 고정 부위인 상·하판의 모양에 따라 특성이 바뀌게 되므로 여러 가지 해석 및 시험 등을 통하여 설계 변수의 영향을 규명하고, 요구되는 특성을 만족하는 제품을 만든 후 최종적으로 제품의 신뢰성을 확보하기 위한 시험을 실시하였다.
- 공기스프링 개발품은 한 대의 차량 즉 2대의 대차에 각각 2개씩 총 4개를 장착하였으며, 기존 사용되어 오던 공기스프링이 장착된 객차와의 비교 평가를 위하여 2대의 객차에서 승차감과 공기스프링의 공기압력 변동을 각각 측정하였다. 공기압력은 공기스프링의 공급압력에 대하여 실시간으로 데이터를 수집한 후 선로상태에 따른 압력변화를 분석하였으며, 주행 상태에 따른 승차감을 측정하였다.
- 국내에서 개발된 전동차용 공기스프링의 신뢰성을 평가하기 위해 Fig. 2와 같이 100톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 보조 공기통을 설치하여 종합성능시험과 수명시험을 수행하였다. 수평방향시험에서는 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도를 높이기 위하여 곡선 구름운동 장치를 이용하였다.
- 기본적인 시험으로 외관 및 치수검사, 기밀시험, 신축시험을 하였으며, 특성시험으로 Fig. 3에서와 같이 공기압력 변화에 따른 수직 지지하중과 수직 및 수평 방향의 정·동적 강성 측정시험, 내용적 및 최대 횡 변위시험, 스톱퍼 특성시험을 실시하였다.
- 철도차량용 공기스프링의 신뢰성 평가기준은 제품의 특성을 충분히 파악하여 시험 가능한 항목과 안정성을 확보할 수 있는 요구 성능으로 하였으며, 제품의 외관 및 치수검사, 제품 특성시험 등에 관한 종합성능 시험규정과 안전도시험 및 수명평가시험을 통하여 공기스프링의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목적으로 하였다. 따라서 평가기준 작성에는 KS 규격과 국제적으로도 권위가 있는 JIS, MIL, NF 등 국제규격과 선진 외국규격을 참고하여 신뢰성 평가항목 및 기준을 정하였다[3, 4].
- 철도차량용 공기스프링은 100만회를 수명으로 하는데, 이 수명을 보장하는 의미는 다음과 같다. 본 연구에서는 형태모수 β의 값은 와이블 분포 dB에서 고무재료의 형태모수 값 β=1.1을 이용하여 평균수명(MTTF)에 대응하는 척도모수(θ)를 다음과 같이 구하였다.
- 철도차량 운행 중에 공기스프링에는 수직방향 하중과 수평방향 하중이 전달되게 된다. 수직방향 하중은 주로 궤도면의 상하방향 요철과 차량의 상하방향 진동에 의해 발생되며, 수평방향 하중은 승객의 편중 승차, 곡선로 주행 및 가감속 시에 발생되게 되므로, 수직과 수평방향 하중에 대한 내구성시험을 2개의 시료에 대해 각각 실시하여 제품의 내구수명을 평가하였다.
- 2와 같이 100톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 보조 공기통을 설치하여 종합성능시험과 수명시험을 수행하였다. 수평방향시험에서는 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도를 높이기 위하여 곡선 구름운동 장치를 이용하였다.
- 실차시험은 공기스프링 개발품을 시운전 중인 전동차에 장착한 후 시험 선로인 분당선의 분당역과 수서역 간을 왕복하면서 승차감과 공기스프링의 공기 압력의 변동을 측정하였다. 공기스프링 개발품은 한 대의 차량 즉 2대의 대차에 각각 2개씩 총 4개를 장착하였으며, 기존 사용되어 오던 공기스프링이 장착된 객차와의 비교 평가를 위하여 2대의 객차에서 승차감과 공기스프링의 공기압력 변동을 각각 측정하였다.
- 실험실 차원에서 피로 내구성 평가가 완료된 공기스프링의 최종 성능 보증을 위하여 실제 차량에 장착한 후 적용성을 평가하는 실차시험을 실시하였다.
- 승차감은 승차감측정기(ISO 4361, B&K 사, Triaxial Seat Accelerometer Model 4322, Human Response Vibration Meter Type 2512)를 사용하여 측정하였으며, 상하, 좌우, 전후방향의 승차감계수를 정차 역 사이에서 2~3분간 측정된 값을 평균하였다. 측정위치는 대차중앙부의 의자에서 실시하였으며, 방석 모양의 센서를 깔고 앉은 상태에서 측정하 였다.
대상 데이터
- 이런 경우에는 시험대상부품의 수명이나 신뢰도 추정 값을 구하여 신뢰성 평가지표로 사용하는 방안을 제시하고 있다[6]. 본 연구의 대상품인 철도차량용 공기스프링의 신뢰성 평가도 기계류 부품의 수명분포로 널리 사용되는 와이블(weibull) 분포의 무고장 데이터 분석을 이용하였다.
- 주요 구성부품은 Fig. 1에서 보는바와 같이 상판(upper plate), 고무 벨로우즈(rubber bellows), 하판(lower plate), 보조 고무스프링(stoper) 등이다. 고무 벨로우즈의 내층과 외층은 천연고무와 폴리클로로프렌 고무가 혼합된 고무 층이며 중간에는 고무보다 탄성계수가 훨씬 큰 나일론 보강코드가 삽입되어 있는 복합재료 형태를 띠고 있으며, 고무 층과 보강코드로 인하여 이방성과 비선형성을 갖게 된다.
데이터처리
- 승차감은 승차감측정기(ISO 4361, B&K 사, Triaxial Seat Accelerometer Model 4322, Human Response Vibration Meter Type 2512)를 사용하여 측정하였으며, 상하, 좌우, 전후방향의 승차감계수를 정차 역 사이에서 2~3분간 측정된 값을 평균하였다. 측정위치는 대차중앙부의 의자에서 실시하였으며, 방석 모양의 센서를 깔고 앉은 상태에서 측정하 였다.
이론/모형
- 공기스프링의 종합성능시험은 철도차량용 공기스프링 신뢰성 평가기준에 규정되어 있는 시험방법에 따라 수행하였다[5].
성능/효과
- (1) 고무물성 및 종합 성능시험의 모든 항목에서 평가기준을 만족하였으며, 수명시험에서는 수직방향 120만회, 수평방향 60만회 동안 공기스프링에 아무런 이상이 발생되지 않았으며, 특성변화도 초기성능의 10% 이내에 있어 평가기준을 만족하였다.
- (2) 개발된 공기스프링에 대한 실차시험 결과, 개발품과 기존제품과는 차이가 없었으며 차체 기울기의 하중변화에 능동적으로 압력변화가 일어남을 알 수 있으므로 공기스프링의 작용은 기능적으로 양호함을 알 수 있었다.
- (3) 본 연구에서 수행한 철도차량용 공기스프링에 대한 신뢰성은 신뢰수준 90%에서 평균수명 100만회를 보장할 수 있다.
- Fig. 4에서 보는 바와 같이 수명시험 전, 후의 수직 지지하중은 2.9%, 수직 정강성은 2.2% 변화로 초기성능의 10% 이내에 있어 평가기준을 만족하였다.
- 공기스프링의 여러 가지 요구 성능 항목 중에서 가장 기본이 되는 수직 지지하중은 압력 변화에 따른 수직 지지하중이 선형적인 관계를 나타내었으며, 시험기준인 0.3MPa에서의 수직 지지하중은 75.9±kN으로 평가기준인 76kN±5%를 만족하였다.
- 따라서, 본 연구에서 수행한 철도차량용 공기스프링에 대한 신뢰성은 2개의 시료를 시험하여 120만 동안 무고장이기 때문에 신뢰수준 90%에서 평균수명 100만회가 보장된다고 할 수 있다.
- 스톱퍼는 공기스프링의 보조탱크 역할과 함께 공기스프링 파괴 시 2차 고무스프링의 역할 및 수직·수평방향의 하중을 직접적으로 지지하고 있는 중요한 부품으로, 스톱퍼 역시 고유의 하중-변위 곡선을 갖고 있어 이러한 특성을 만족시켜야만 보다 정확한 공기스프링의 특성을 얻을 수 있다. 스톱퍼의 정적하중-변위시험을 통하여 평가기준인 8mm±15%을 만족하는 8.37mm의 변위를 나타내었다.
- 정·동하중시험은 공기스프링을 표준높이로 유지하고 수직방향으로 ±30mm, 수평방향으로 ±40mm의 변위를 주어 하중과 변위와의 관계를 통하여 수직 정강성 및 수평 정·동강성을 구한결과, 상용내압인 0.3MPa에서 수직 정강성은 348kN/m, 수평 정·동강성은 각각 137kN/m과 180kN/m으로 평가기준을 만족하였다.
- Table 2는 정차 역 사이에서 2~3분간을 측정하여 대표값을 분석하여 정리한 결과이다. 종합적인 측정결과는 단시간의 평균값으로서 오차범위를 고려하면 개발품과 기존제품과는 차이가 없었다.
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