[논문]전동차용 방진고무스프링 특성 및 사용수명 예측

우창수; 박현성; 박동철

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 전동차의 1차 현가장치에 적용되는 고무재료에 대해 단순인장과 이축인장시험 및 순수 전단시험을 통하여 유한요소해석에 필요한 비선형 재료 상수를 결정하였으며, 유한요소해석을 통하여 방진고무스프링의 특성과 주요 설계변수의 영향을 파악하였다. 또한, 고무 재료에 대한 가속 열 노화시험을 통하여 아레니우스 관계식을 도출하여 사용수명을 예측하였다.

가설 설정

3(b)는 셰브론 스프링의 3차원 유한요소 모델링 형상이다. 사용된 고무는 천연고무로 비압축성으로 가정하여 물성시험을 통해 얻어진 재료상수 값을 이용하였다.

제안 방법

(1) 방진고무스프링에 적용되는 고무재료에 대한 단순 인장시험과 이축이장시험 및 전단시험을 수행하여 물성을 파악하였으며 유한요소해석에 필요한 비선형 재료상수를 구하였다.
(2) 전동차용 세브론 스프링에 대한 유한요소해석을 통하여 수직방향, 길이방향, 횡방향의 특성을 예측하였으며 최대변형률과 최대응력이 발생하는 취약부위를 파악하였다.
(3) 고무재료에 대한 수명예측을 위해 열 노화 가속시험을 통해 얻어진 데이터로 아레니우스 모델을 이용하여 수명을 예측하였다. 고무재료 두께 변화율이 15%일 때를 사용수명으로 정의하면 아레니우스 관계식으로 부터 상온 25℃ 에서 약 10년 정도임을 알 수 있었다.
가속 열 노화시험을 위해 압축 줄음률 장치를 이용하여고무시편 초기 높이의 25%를 압축하여 압축 영구줄음률 시험을 수행하였다. 압축된 고무시편은 50℃, 70℃, 85℃, 100℃의 환경 챔버에서 180일까지 일정기간동안 압축된 상태로 두어 열 노화시켰다.
경계조건은 3축 방향에 대한 강성을 고려하기 위해 달리하였는데 수직 방향 하중(vertical force, Fz), 길이 방향 하중(longitudinal force, Fx), 횡 방향 하중(lateral force, Fy) 이 각각 작용할 때의 강성을 알아보았다. 셰브론 스프링이 장착되는 철도차량은 바퀴 1개당 기관차의 경우 공차(tare) 상태일 때 4000kg, 만차(crush) 상태일 때 7500kg의 하중을 받고, 객차의 경우 공차상태일 때 2950kg, 만차 상태일 때 6500kg의 하중을 받는다.
고무재료는 변형률 범위에 따라 물성이 달라지므로 Fig. 2에서와 같이 변형률 25%, 50%, 100%에 대하여 물성시험을 수행하여 각 변형률 범위에서의 물성을 파악하였다. Fig.
주요 설계변수의 영향을 파악하였다. 또한, 고무 재료에 대한 가속 열 노화시험을 통하여 아레니우스 관계식을 도출하여 사용수명을 예측하였다.
본 연구에서는 고무재료에 대한 수명예측을 위해 열 노화시키는 가속방법을 선택하여 가속시험을 통해 얻어진 데이터로 아레니우스(Arrhenius) 모델을 이용하여 수명을 예측하였다. 아레니우스 모델은 여러 온도에서 고무제품의 초기특성 값의 일정 변화가 발생하는 시점을 수명으로 판단하여 시간-온도의 마스터 커브 및 관계식으로 표현된다.
본 연구에서는 전동차용 방진고무스프링에 적용되는 고무 재료에 대해 Fig. 1에서 보는 바와 같이 단축인장시험과 이축 인장시험 및 전단시험을 수행한 결과로부터 응력-변형률 데이터를 이용하여 비선형 재료상수를 결정하였다.
세브론 스프링의 특성시험은 각 방향의 강성을 구하기 위해서 우선 수직방향으로 하중을 부여하여 강성을 구한 후, 수직방향 하중을 받는 상태에서 길이방향 및 횡방향의 하중을 작용시켜 길이방향 강성과 횡방향 강성을 구하였다.
셰브론 스프링에 대한 각 방향의 강성을 구하기 위해서 우선 수직방향 강성을 구하고, 길이방향 강성과 횡방향 강성은 각각 일정수준(공차, 만차)의 수직하중을 받은 상태에서 길이 방향 하중과 횡 방향 하중을 작용시켜 구하였다. 수직 방향의 강성을 구하기 위해 대차 프레임 체결부의 상단 부분에 압축방향으로 40mm의 변위를 주었다.
수직 방향의 강성을 구하기 위해 대차 프레임 체결부의 상단 부분에 압축방향으로 40mm의 변위를 주었다.
시험결과를 이용하여 Table 1~2와 같이 변형률 범위에 따른 비선형 재료상수 값을 무늬-리블린 함수와 오그덴 함수로 결정하였다. 표에서 보는 바와 같이 변형률이 클수록 강성(G)이 낮아짐을 알 수 있었으며 무늬-리블린 함수와 오그덴 함수로 구한 재료상수 값들이 거의 비슷하게 나타남을 알 수 있었으며, 물성시험을 통해 구해진 비선형 재료상수값들은 방진고무스프링의 유한요소해석에 물성 데이터로 활용하였다.
수행하였다. 압축된 고무시편은 50℃, 70℃, 85℃, 100℃의 환경 챔버에서 180일까지 일정기간동안 압축된 상태로 두어 열 노화시켰다. 주어진 시간이 경과된 후 시편을 꺼내어 압축장치로부터 분리한 후 상온에서 30분간 방치하였다.
이 시간 동안 시편의 두께는 초기 압축상태보다 일정량 회복하여 두께가 약간 증가되는데 이 때의 두께를 측정하였다.

대상 데이터

결정하였다. 표에서 보는 바와 같이 변형률이 클수록 강성(G)이 낮아짐을 알 수 있었으며 무늬-리블린 함수와 오그덴 함수로 구한 재료상수 값들이 거의 비슷하게 나타남을 알 수 있었으며, 물성시험을 통해 구해진 비선형 재료상수값들은 방진고무스프링의 유한요소해석에 물성 데이터로 활용하였다.

이론/모형

셰브론 스프링의 유한요소모델은 3 방향의 해석을 각각 수행해야 하므로 3차원 모델링을 이용하였으며 고무는 Full- Herrmann formulation quad 82(node 8)을 사용하였다. 요소 수는 8114개, 절점수는 10682개이다.

성능/효과

Fig. 2(a)는 반복회수의 증가에 따라 응력이 완화되는 뮬린스 효과(Mullin's effect)를 나타내었으며 3~5회 반복 후 물성이 안정화되었으며 변형률이 클수록 강성이 낮아짐을 알 수 있었다. 본 시험에서도 고무재료의 최종 물성으로 사용하기 위해 Fig.
시간-온도 관계식인 아레니우스 결과 식을 이용하면 임의의 온도에서 사용할 수 있는 수명을 Table 4와 같이 구할 수 있다. 계산되어 예측된 고무 재료의 노화수명은 상온 25℃에서 약 10년 정도임을 알 수 있었다.
예측하였다. 고무재료 두께 변화율이 15%일 때를 사용수명으로 정의하면 아레니우스 관계식으로 부터 상온 25℃ 에서 약 10년 정도임을 알 수 있었다.
또한, 특성시험 결과와도 잘 일치함을 알 수 있었다.

후속연구

(4) 전동차용 방진고무스프링에 대한 특성을 예측하고 평가하는 해석기술 확보로 독자적인 설계 능력 향상으로 제품개발에 드는 막대한 시간과 경비를 줄일 수 있었고, 또한 고무 부품의 사용수명 예측기술 확보로 성능 및 신뢰성 향상에 크게 기여하리라 사료된다.
본 연구를 통하여 전동차용 방진고무스프링에 대한 특성을 예측하고 평가하는 해석기술 확보로 독자적인 설계 능력향상으로 제품개발에 드는 막대한 시간과 경비를 줄일 수 있었으며, 고무부품의 사용수명 예측기술 확보로 성능 및 신뢰성 향상에 크게 기여하리라 사료된다.

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