[논문]곡선부 스킬소음 발생 메커니즘의 실험적 연구

김관주; 박진규; 김범수; 김재철

곡선부 스킬소음 발생 메커니즘의 실험적 연구
An Experimental Study of the Curve Squeal Noise 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.11 no.2 = no.45, 2008년, pp.176 - 181

김관주 (홍익대학교 기계시스템디자인공학과) , 박진규 (홍익대학교 기계공학과 대학원) , 김범수 (홍익대학교 기계공학과 대학원) , 김재철 (한국철도기술연구원)

초록
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철도차량의 차륜과 레일 시스템을 모사한 스킬소음 발생장치를 통해 실험을 수행하여 관련 원리를 실험적으로 증명하고 스킬소음 발생 메커니즘에 대한 체계적인 연구를 수행하였다. 이를 위해 스킬소음발생 메커니즘 연구를 소음원-전달계-반응계의 단계별로 진행하였다. 또한 차륜과 레일간의 스틱-슬립 운동에 의한 상대속도 또는 미끄러지는 수준과 마찰결과로서 계산되는 크립곡선과 발생 음압을 시간 및 주파수 영역에서 관찰하여 스킬 소음이 발생하는 조건을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents results from experimental analysis of a friction-driven wheel responsible for generating wheel squeal noise. Squeal noise generating mechanism has been examined under the laboratory condition by the model rig on a small scale. Creep characteristics and squeal noise were observed ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 레일 위에 접촉하고 있는 차륜의 횡방향 크립에 의해 스킬소음이 발생한다는 이론을 전제로 하여 차륜과 레일의 접촉 시스템을 모사한 스킬소음 발생 장치를 제작하고 재현성 있는 실험을 수행하여 크립과 마찰 조건 등을 계산 및 측정한다. 이를 통해 간헐적으로 발생하는 스킬소음의 발생조건과 그 특성을 파악하고 스킬소음 발생 메커니즘을 구현한다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 스킬소음 발생장치의 차륜과 연성된 플렉시블 암에 부착된 스트레인게이지로 부터 굽힘 강성(본래의 강성)과 마찰강성 측정을 하여 실험조건에 따른 마찰력을 구할 수 있도록 하였다. 플렉시블 암에 의한 차륜부의 변형 진폭은 스킬소음 발생장치에서 원판 레일이 일정한 속도를 이루고 차륜의 진동이 임계점에 도달하면 안정한 상태를 이룬다.
각 마찰력 인자들의 스킬소음 발생에 미치는 특성 및 영향을 알아보기 위해 대조군과 실험군을 설정하였다. 실험군은 마찰변수의 각 항목으로서 구동 속도, 구동 각도, 수직 하중, 거칠기 등으로 정하였으며, 각 변수의 정도(rate)는 Table 2와 같이 설정하여 분류하였다.
실험군은 마찰변수의 각 항목으로서 구동 속도, 구동 각도, 수직 하중, 거칠기 등으로 정하였으며, 각 변수의 정도(rate)는 Table 2와 같이 설정하여 분류하였다. 대조군은 기준값을 적용하고 실험군은 크기와 정도를 바꾸어 실험하였다.
소음원 부분에서는 대상 모델에 작용하는 수직하중, 구동 각도(rolling angle), 운행 속도, 표면 거칠기 등의 여러 운행 조건에 따른 차륜 횡방향의 마찰력을 구한다. 두 탄성체의 접촉 이론에 근거하여 레일과 차륜의 접촉모델의 운동 특성으로 나타나는 스틱-슬립(stick-slip)과 차륜과 레일 두 탄성체의 상대속도의 비로서 크립(creep) 속도를 계산한다. 전달계 부분에서는 대상 차륜의 횡방향 동특성을 실험과 해석을 통하여 비교, 검증한다.
이 중 횡방향 크립만이 스킬소음 발생에 지배적으로 작용한다. 따라서 실험은 횡방향 크립만을 측정한다.
전달계 부분에서는 대상 차륜의 횡방향 동특성을 실험과 해석을 통하여 비교, 검증한다. 반응계에서는 그 결과로서 스킬소음의 음압을 측정하여 분별적인 마찰조건에 따른 특성을 통해 스킬소음 발생 메커니즘을 알아본다.
재현성 있고 발생 변수를 조절할 수 있는 스킬소음 발생 장치를 개발하여 각각의 마찰 변수 및 경계조건으로부터 발생되는 스킬소음의 음압을 측정하는데 까지의 분별적인 실험을 수행하였다. 세부적으로는 시간 도메인에서 스틱-슬립 각 구간의 차륜과 레일 사이의 크립과 마찰계수, 음압 등을 분석하였으며, 스킬소음 발생 메커니즘인 자려진동에 의한 음의 감쇠 특성을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 스킬소음 발생 메커니즘을 이해하는데 도움이 될 수 있으며 실제 철도차량에서의 스킬소음의 발생 메커니즘의 구현, 곡선부에서의 차량 운행 조건 제시, 스킬소음 저감 또는 제거 대책을 세우는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있다.
각 마찰력 인자들의 스킬소음 발생에 미치는 특성 및 영향을 알아보기 위해 대조군과 실험군을 설정하였다. 실험군은 마찰변수의 각 항목으로서 구동 속도, 구동 각도, 수직 하중, 거칠기 등으로 정하였으며, 각 변수의 정도(rate)는 Table 2와 같이 설정하여 분류하였다. 대조군은 기준값을 적용하고 실험군은 크기와 정도를 바꾸어 실험하였다.
본 연구에서는 레일 위에 접촉하고 있는 차륜의 횡방향 크립에 의해 스킬소음이 발생한다는 이론을 전제로 하여 차륜과 레일의 접촉 시스템을 모사한 스킬소음 발생 장치를 제작하고 재현성 있는 실험을 수행하여 크립과 마찰 조건 등을 계산 및 측정한다. 이를 통해 간헐적으로 발생하는 스킬소음의 발생조건과 그 특성을 파악하고 스킬소음 발생 메커니즘을 구현한다.
재현성 있고 발생 변수를 조절할 수 있는 스킬소음 발생 장치를 개발하여 각각의 마찰 변수 및 경계조건으로부터 발생되는 스킬소음의 음압을 측정하는데 까지의 분별적인 실험을 수행하였다. 세부적으로는 시간 도메인에서 스틱-슬립 각 구간의 차륜과 레일 사이의 크립과 마찰계수, 음압 등을 분석하였으며, 스킬소음 발생 메커니즘인 자려진동에 의한 음의 감쇠 특성을 확인하였다.
전달계로서의 대상 차륜의 동특성을 파악하기 위해 차륜의 횡방향에 대한 모드시험을 수행하였으며, 그 가속도 응답 결과는 Fig. 7에 주요 모드의 모드 형상은 각도방향(θ)과 반경방향(r)의 절선의 수로 표현하여 Fig. 8에 나타내었다.

성능/효과

위의 결과를 종합하면, 스킬소음은 슬립구간에서 일어난다. 이때, 차륜에 가진으로 작용하는 마찰력은 감소하지만 차륜의 응답은 더욱 증가하는 현상을 볼 수 있다.

후속연구

본 연구의 결과를 통해 스킬소음 발생 메커니즘을 이해하는데 도움이 될 수 있으며 실제 철도차량에서의 스킬소음의 발생 메커니즘의 구현, 곡선부에서의 차량 운행 조건 제시, 스킬소음 저감 또는 제거 대책을 세우는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있다. 그러나 효율적인 실험을 위해 제작한 스킬소음 발생장치는 철도차량을 모사한 것이므로, 실지 차량의 조건과는 차이가 분명히 있기 때문에 대상 차륜 등의 물성치와 경계조건의 차이 및 변화하는 환경조건에 주의를 기울여야 할 것이다.
세부적으로는 시간 도메인에서 스틱-슬립 각 구간의 차륜과 레일 사이의 크립과 마찰계수, 음압 등을 분석하였으며, 스킬소음 발생 메커니즘인 자려진동에 의한 음의 감쇠 특성을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 스킬소음 발생 메커니즘을 이해하는데 도움이 될 수 있으며 실제 철도차량에서의 스킬소음의 발생 메커니즘의 구현, 곡선부에서의 차량 운행 조건 제시, 스킬소음 저감 또는 제거 대책을 세우는데 있어 기초 자료로 활용될 수 있다. 그러나 효율적인 실험을 위해 제작한 스킬소음 발생장치는 철도차량을 모사한 것이므로, 실지 차량의 조건과는 차이가 분명히 있기 때문에 대상 차륜 등의 물성치와 경계조건의 차이 및 변화하는 환경조건에 주의를 기울여야 할 것이다.
그리고 거칠기 조건에서는 그 특징을 분별하기 어려운데, 이는 동일 재질에서는 표면 거칠기에 따라 마찰계수가 변화하지만, 마찰력이 증가한 경우 미끄러짐을 방지하는 측면이 있는 반면에 최대 마찰력인 임계점을 지난 이후에서는 더욱 미끄러지는 복합적인 특성 때문으로 여겨진다. 전체적으로 스킬 소음의 음압에서는 각 조건의 증가에 비례적으로 상승하지만 115dB 이상의 증가는 하지 않는데, 이는 대상 차륜의 해당 모드에서 마찰에 의한 구조적인 가진과 그에 따른 진동에는 한계가 있음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스킬소음이란?	철도차량이 급격한 곡선을 주행할 때 발생하는 ‘끽끽’거리는 소음을 스킬소음이라 한다. 스킬소음에 대한 발생 메커니즘을 파악하기 위한 시도가 계속되고 있으나 아직까지도 재현성 있는 메커니즘을 구현하지는 못하였으며 진동차 단기, 도유기, 탄성차륜 등이 해결책으로 제시되었지만 큰 실효성을 거두지 못하고 있다[1].
	스킬소음 발생의 근본적 원인은 무엇인가?	스킬소음 발생의 근본적 원인은 차륜이 곡선 레일을 주행하는 경우의 차륜과 레일의 횡방향 운동으로서, 차륜이 레일 위에서 스틱-슬립 운동을 하기 때문이다. 슬립 단계에서는 횡방향 운동 방정식의 음의 값을 갖는 점성항(negative damping)이 나타나게 되며 차륜의 불안정한 운동으로 이어진다
	본 실험에서 마찰조건과 그 레벨에 의한 크립 곡선의 이동 중 운행 속도에 의한 크립 곡선 이동이 가장 뚜렷이 보이는 이유는?	그 중 운행 속도에 의한 크립 곡선의 이동이 가장 뚜렷이 보인다. 스틱-슬립 한 주기 동안에 마찰계수의 임계치 등은 거의 변함이 없지만 슬립속도의 함수인 크립은 구동속도에 비례하여 증가하기 때문이다. 또한 구동각도, 수직하중에서는 곡선의 이동과 크기의 변화를 볼 수 있는데, 이는 슬립 속도의 증가와 마찰 임계값의 증가를 뜻한다.

참고문헌 (5)

김재철, 유원희, 문경호(2000), '방음차륜의 소음진동 저감효과에 관한 연구', 한국소음진동공학회지, 제10권, 제4호,pp.629-635
Heckl, M. A. (1999), 'Curve Squeal of Train Wheels. Part 1: Mathematical Model for Its Generation,' Journal of Sound and Vibration. Vol.229, No.3, pp.669-693

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신기홍(2006), '진동 소음으로 인한 고장분석 및 대책 기술,' 한양대학교 신뢰성분석연구센터
Kooijman, P. P. (2000), 'Curve squeal of railbound vehicles, part 2: set-up for measurement of creepage dependent friction coefficient,' Proceedings of Internoise, Vol.3, pp.1564-1567
Brunel, J. F. (2003), 'Modelling of squeal noise attenuation of ring damped wheels,' Applied Acoustics, Vol.65, pp.457-471

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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