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문제 정의
- 본 연구는 고속철도 제동 성능 향상을 위해 적용 가능한 유연 제동 패드에 대해 설계 단계를 거쳐 구조적 안정성 검토와 신뢰성 확보를 위한 여러 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 국내 고속철도 사업의 지속적인 성장과 연계하여 고속철도용 제동장치의 성능 향상을 위해 새로운 개념의 유연 제동 패드에 대하여 구조적 안정성을 검토하여 적용 가능한 모델을 선정하였으며, 선정 모델에 대한 half-scale 설계 및 해석을 진행하였다. 또한, 축소 시편을 제작하여 동 특성 및 내구성 평가를 수행하였으며, 제동 시 진동의 원인이 되는 열 탄성 불안정성을 확인하기 위하여 열섬 발생 임계속도 시험과 패드의 온도 분포를 측정하여 디스크와 패드의 일정한 압력 작용 여부를 비교 검토하였다.
- 브레이크 제동 시 고정 패드와 유연 패드의 온도 분포를 확인하기 위하여 시험을 수행하였다. 앞 절과 동일한 샤시 다이나모에서 디스크의 회전 속도를 960rpm, 제동 압력을 2bar로 고정하였으며, 디스크의 표면 온도가 100℃일 때부터 10℃간격으로 Fig.
제안 방법
- (2) 축소 시편의 피로 해석으로 60,625회의 피로 수명이 예측되었으며, 이것을 내구성 시험을 수행하여 확인하였다. 이와 같은 해석 및 시험을 바탕으로 유연 패드는 60,000회 이상의 내구에 대항하는 요구 수명이 확보되어진 것을 알 수 있다.
- (3) 샤시 다이나모 장비를 이용하여 유연 패드의 열섬 발생 및 회전 속도를 측정하였다. 유연 패드는 디스크 표면의 온도차이가 최대 22℃ 정도로 열섬 발생을 확인할 수 없었으며, 고정 패드의 디스크 표면 온도 분포가 고르지 않은 것과 달리 유연 패드는 비교적 안정적인 온도 분포를 확인하였다.
- Case 1과 case 3의 내구성을 검증하기 위하여 압축시험기를 이용하여 압축변위에 대한 반력 특성을 시험하였다. Fig.
- 브레이크 제동 시 열섬이 발생하는 디스크의 임계 회전 속도를 측정하는 시험으로 고정 패드와 유연 패드에 대하여 각각 수행하였다. Fig. 10의 샤시 다이나모에서 고속으로 회전하는 디스크에 2bar의 일정한 제동 압력이 가압된 상태로 디스크 회전 속도를 780rpm부터 60rpm 간격으로 증가시키며 드래그 시험을 수행하였다. 고속 적외선 캠코더를 이용하여 디스크의 표면 온도 분포를 측정하고 열섬 발생 여부 및 발생 시 임계 속도를 산출하였으며, 불안정 표면온도 분포가 확인될 경우 열섬이 발생한 것으로 판정하였다.
- 시험 방법으로 응답 점을 고정하고 가진 점을 이동시켜 측정하는 로빙(roving) 방법을 채택하였다. Fig. 7와 같이 디스크와 패드에 각각 80개와 40개의 절점(nodal point)으로 나누어 free-free 조건에서 절점 당 5회 측정을 수행하였다.
- 0을 사용하여 수행하였다. 경계조건으로 백플레이트(back plate)와 plate side surface에 fixed boundary condition을 적용하였으며, 스터드의 윗면에 1mm 변위하중을 가하는 방법으로 구조해석을 진행하였다. Table 1과 같이 해석 모델 목표 값으로 응력은 스프링 재질의 항복 응력을 고려하였으며, 스프링 반력은 업계에서 요구하는 제동 하중의 범위로 결정하였다.
- 10의 샤시 다이나모에서 고속으로 회전하는 디스크에 2bar의 일정한 제동 압력이 가압된 상태로 디스크 회전 속도를 780rpm부터 60rpm 간격으로 증가시키며 드래그 시험을 수행하였다. 고속 적외선 캠코더를 이용하여 디스크의 표면 온도 분포를 측정하고 열섬 발생 여부 및 발생 시 임계 속도를 산출하였으며, 불안정 표면온도 분포가 확인될 경우 열섬이 발생한 것으로 판정하였다.
- Case 5은 곡률이 없는 링크형 스프링 부재 위에 스터드가 위치한 모델이며, case 6은 2중 시소형 스프링 부재 위에 스터드가 위치한 모델이다. 구조 해석은 스터드를 1mm로 하강시켰을 때 스프링이 받는 응력과 반력을 산출하였으며, Ansys WorkBench 11.0을 사용하여 수행하였다. 경계조건으로 백플레이트(back plate)와 plate side surface에 fixed boundary condition을 적용하였으며, 스터드의 윗면에 1mm 변위하중을 가하는 방법으로 구조해석을 진행하였다.
- 철도 디스크의 양면에 동일한 제동 조건이 작용하기 때문에 한 면에 해당하는 half-scale 모델을 case 1과 case 3의 조건에 따라 설계를 진행하였다. 구조적 안정성 평가를 위하여 스프링의 반력 및 응력, 스프링을 제외한 기타 부품들의 모델에 대하여 구조해석을 수행하였다. Fig.
- 디스크와 고정 패드, 유연 패드의 동 특성 파악 및 유한요소모델의 신뢰도를 확인하기 위해 축소시편을 제작하여 모달 시험(modal testing)을 수행하고, 모달 해석(modal analysis)을 통해 검증하였다. 시험 방법으로 응답 점을 고정하고 가진 점을 이동시켜 측정하는 로빙(roving) 방법을 채택하였다.
- 본 연구에서는 국내 고속철도 사업의 지속적인 성장과 연계하여 고속철도용 제동장치의 성능 향상을 위해 새로운 개념의 유연 제동 패드에 대하여 구조적 안정성을 검토하여 적용 가능한 모델을 선정하였으며, 선정 모델에 대한 half-scale 설계 및 해석을 진행하였다. 또한, 축소 시편을 제작하여 동 특성 및 내구성 평가를 수행하였으며, 제동 시 진동의 원인이 되는 열 탄성 불안정성을 확인하기 위하여 열섬 발생 임계속도 시험과 패드의 온도 분포를 측정하여 디스크와 패드의 일정한 압력 작용 여부를 비교 검토하였다. 이와 같은 연구를 진행하여 기존에 개발된 패드에 비하여 유연 제동 패드의 여러 가지 장점을 확인하였다.
- 브레이크 제동 시 열섬이 발생하는 디스크의 임계 회전 속도를 측정하는 시험으로 고정 패드와 유연 패드에 대하여 각각 수행하였다. Fig.
- 브레이크 제동 시 고정 패드와 유연 패드의 온도 분포를 확인하기 위하여 시험을 수행하였다. 앞 절과 동일한 샤시 다이나모에서 디스크의 회전 속도를 960rpm, 제동 압력을 2bar로 고정하였으며, 디스크의 표면 온도가 100℃일 때부터 10℃간격으로 Fig. 12(a)의 측정 점에서 디스크 표면 온도 및 각 패드의 온도를 고속 적외선 캠코더를 이용하여 측정하였다.
- 유연 패드는 디스크 표면의 온도차이가 최대 22℃ 정도로 열섬 발생을 확인할 수 없었으며, 고정 패드의 디스크 표면 온도 분포가 고르지 않은 것과 달리 유연 패드는 비교적 안정적인 온도 분포를 확인하였다. 이것으로 구조적인 관점에서 유연 패드와 디스크 사이의 균일한 접촉 능력을 확인하였다.
- 97%로 신뢰성을 확인할 수 있었다. 이와 같은 신뢰성을 바탕으로 2.3.3절에 수행되는 피로해석 모델에 모달 해석에 사용되어진 유한요소모델을 적용하였다.
- 또한, 축소 시편을 제작하여 동 특성 및 내구성 평가를 수행하였으며, 제동 시 진동의 원인이 되는 열 탄성 불안정성을 확인하기 위하여 열섬 발생 임계속도 시험과 패드의 온도 분포를 측정하여 디스크와 패드의 일정한 압력 작용 여부를 비교 검토하였다. 이와 같은 연구를 진행하여 기존에 개발된 패드에 비하여 유연 제동 패드의 여러 가지 장점을 확인하였다.
- 철도 디스크의 양면에 동일한 제동 조건이 작용하기 때문에 한 면에 해당하는 half-scale 모델을 case 1과 case 3의 조건에 따라 설계를 진행하였다. 구조적 안정성 평가를 위하여 스프링의 반력 및 응력, 스프링을 제외한 기타 부품들의 모델에 대하여 구조해석을 수행하였다.
- 장기간 운행되는 철도 차량의 성능 조건으로 고속철도를 기준으로 하루당 평균 제동 횟수와 년간 운행일 및 개발 안전율을 고려하여 60,000회 이상의 요구수명을 만족하여야 한다. 축소 시편의 내구성 시험에 앞서 스트로크 시험에 대한 피로 해석을 수행하였다. 해석 조건으로 1mm의 스트로크가 적용되는 시험과 같은 조건을 구현하기 위해 하중 인가 방식을 zero based로 적용하였다.
- 측정 장비로 단축 가속도계와 impact hammer를 이용하였으며 acquisition 장비로 LMS Test.Lab을 사용하였다.
대상 데이터
- 유연 패드의 기본 구조를 결정하기 위하여 스프링 부재의 형상에 따라 Fig. 1과 같이 6개의 축소 모델을 설계하였다. Case 1은 중앙이 고정되어있고 스프링이 백플레이트에 슬라이딩되는 스프링 부재 위에 스터드가 위치한 모델이고, case 2는 중앙의 한 점이 고정되어있고 곡률을 지닌 링크형 스프링 부재 위에 스터드가 위치한 모델이다.
- Case 1의 구성은 7개의 스터드와 스터드 지지대(stud support), 4개의 스프링, 백플레이트와 도브테일(dovetail)은 각각 1개로 구성이 되어있다. 유한요소모델의 절점(node)은 208,339개이고, 요소(element)는 49,825개로 구성을 하였다. Case 3은 10개의 스터드와 스터드 지지대, 5개의 스프링, 백플레이트와 도브테일은 각각 1개로 구성이 되어있다.
- Case 3은 10개의 스터드와 스터드 지지대, 5개의 스프링, 백플레이트와 도브테일은 각각 1개로 구성이 되어있다. 유한요소모델의 절점은 141,858개이고, 요소는 39,125개로 구성을 하였다.
이론/모형
- 디스크와 고정 패드, 유연 패드의 동 특성 파악 및 유한요소모델의 신뢰도를 확인하기 위해 축소시편을 제작하여 모달 시험(modal testing)을 수행하고, 모달 해석(modal analysis)을 통해 검증하였다. 시험 방법으로 응답 점을 고정하고 가진 점을 이동시켜 측정하는 로빙(roving) 방법을 채택하였다. Fig.
- 해석 조건으로 1mm의 스트로크가 적용되는 시험과 같은 조건을 구현하기 위해 하중 인가 방식을 zero based로 적용하였다.
성능/효과
- (1) 유연 패드의 지지 구조에 적합한 여러 모델을 선정하여 구조 해석 과정을 통해 설계 기준에 부합하는 개선 모델을 얻어내었으며, half-scale 모델 해석으로 구조적인 안전성을 확인하였다.
- (4) 브레이크 제동 시 패드의 온도 분포를 측정한 결과를 통해 동일 디스크 온도에서 고정패드에 비해 유연 패드의 안정적인 온도 분포를 확인할 수 있었다. 디스크 온도가 증가할수록 유연 패드의 온도는 일정한 지점으로 수렴하는 곡선의 형태로 구조적으로 열에너지 방출 효과가 발휘되어 안정적인 온도 상승을 나타내는 것을 알 수 있으며, 열에 의한 변형 억제 기능도 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4와 같이 스터드에 대응하는 디스크 부분은 완전구속조건을 설정하고, 백플레이트에서 도브테일을 제외한 캘리퍼와 접촉하는 부위에 1mm 변위하중을 부여하였다. Case 1과 3의 half-scale 모델 해석 결과 스트로크 1mm에서 스프링의 반력은 10,943N 및 11,321N으로 스트로크 대비 반력의 목표 값을 만족하였다. 브레이크 패드를 구성하는 각 부품에 대한 해석결과는 Table 3과 같다.
- 시험을 통하여 측정된 온도를 Table 6에 정리하였다. 결과를 보면, 고정 패드의 경우 6.38℃에서 25.03℃까지 약 19℃의 온도 차이를 보였고, 유연 패드의 경우 15.63℃에서 29.03℃까지 약 13℃의 온도 차이를 보였다.
- 결과적으로 유연 패드가 각 패드의 온도 차이에 다소 안정적으로 분포하는 것을 확인할 수 있었으며, 디스크의 온도가 증가할수록 디스크 온도 대비 패드의 온도가 낮아지는 현상을 확인하였다.
- 동일 조건하에서 유연 패드에 대하여 780rpm에서 1200rpm까지는 60rpm, 1200rpm부터 2100rpm구간은 300rpm 간격으로 디스크 회전속도를 증가시키며 시험을 수행한 결과 디스크 표면의 온도 차이는 최대 약 22℃정도로 비교적 안정적 온도분포를 보였다(Fig. 11). 이와 같은 결과로 고정 패드에 비해 유연 패드가 전체적으로 디스크의 표면온도 분포가 고르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- (4) 브레이크 제동 시 패드의 온도 분포를 측정한 결과를 통해 동일 디스크 온도에서 고정패드에 비해 유연 패드의 안정적인 온도 분포를 확인할 수 있었다. 디스크 온도가 증가할수록 유연 패드의 온도는 일정한 지점으로 수렴하는 곡선의 형태로 구조적으로 열에너지 방출 효과가 발휘되어 안정적인 온도 상승을 나타내는 것을 알 수 있으며, 열에 의한 변형 억제 기능도 할 수 있을 것으로 판단된다.
- (3) 샤시 다이나모 장비를 이용하여 유연 패드의 열섬 발생 및 회전 속도를 측정하였다. 유연 패드는 디스크 표면의 온도차이가 최대 22℃ 정도로 열섬 발생을 확인할 수 없었으며, 고정 패드의 디스크 표면 온도 분포가 고르지 않은 것과 달리 유연 패드는 비교적 안정적인 온도 분포를 확인하였다. 이것으로 구조적인 관점에서 유연 패드와 디스크 사이의 균일한 접촉 능력을 확인하였다.
- 11). 이와 같은 결과로 고정 패드에 비해 유연 패드가 전체적으로 디스크의 표면온도 분포가 고르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 브레이크 패드를 구성하는 각 부품에 대한 해석결과는 Table 3과 같다. 최고 응력은 모두 스프링에서 발생하였으며, 응력 값은 모두 허용응력에 대하여 만족하여 구조적으로 안전한 것으로 판단하였다.
- 1절에서 수행한 내구성 시험을 통해 확인된 파손 위치 및 파괴 시작 시점과 일치하였다. 피로 수명은 60,625cycle로 요구수명에 만족하는 것을 확인하였다
후속연구
- Case 1은 각 시편별 결과가 1mm 기준 반력이 1,750N으로 비교적 일정한 양상을 나타내며 해석결과 1,487N에 비해 우수한 결과를 얻었다. 반면, case 3은 스터드 플레이트의 곡률 형상에 따라 압축변위에 따른 반력의 특성이 일정하지 못하여 해석결과와 차이를 보였으나, 실제 차량에 적용되는 경우 제동 시 연결 부위가 파괴되는 구조적 안정성 문제와 설계 구조상 제품의 양산성이 떨어질 영향이 있을 것으로 판단하고 향후 연구에는 배제하였다.
- Case 4, 6번은 목표 요구성능은 만족하나, 설계 구조가 복잡하고 적용 시 양산의 어려움이 있을 것으로 판단하여 제외하였다. 향후 연구에는 case 1, 3을 최종 모델로 선정하여 진행하였다. Fig.
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