선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 국내에서 개발된 신형 트램 시험차량의 탄성 차륜과 매립형 궤도에 대한 전동 소음 특성을 분석하고 실제 차량 통과 소음도 시험결과와 비교하였다. 또한 레일 지지부의 강성 변화에 따른 차륜 및 레일 각각 또는 총합 전동 소음원 강도 크기를 검토하였다.
- 본 논문에서는 트램 시험차량의 탄성 차륜과 매립형 궤도에 대한 전동 소음 예측 모델을 도출하고 분석하여 실제 차량 통과 소음도 시험결과와 비교하였다. 또한 레일 지지부의 강성 변화에 따른 차륜 및 레일 또는 총합 전동 소음원 강도 크기를 검토하였다.
- 본 논문에서는 트램 차량과 매립형 궤도에서의 일반적인 주행 시의 전동 소음에 대한 연구를 수행하였다. 이 밖에도 이음 매에서의 충격 소음과 급곡선에서의 스킬 소음에 대해서는 본 논문의 이론 모델을 확장하여 추가적인 연구가 수행될 수 있을 것이다.
가설 설정
- 여기서, p0는 기준 음압(20 μPa)이고, σrv는 레일의 수직방향의 방사효율로 본 연구에서는 선 단극자 음원(line monopole source) 으로 가정하였으며, re와 rt는 각각 레일을 감싸는 탄성 화합물의 드러나 있는 폭과 레일 윗면의 폭이며, ρ0는 공기 밀도, c0는 공기 중 음파속도(speed of sound)이다.
제안 방법
- 전동 소음 모델에서는 레일 및 차륜의 음향 조도가 가진원이 되고 각각의 소음원에 의한 소음도의 전달함수를 정의하였으며, 이들은 각각의 음원 강도와 옥외소음전파모델의 감쇠항들로 구성되었다. 각 음원 강도는 레일 및 차륜의 선형 접촉 이론과 각각의 진동 모델을 이용하여 계산하였다.
- 궤도 지지구조의 변화에 따른 소음원 강도 변화를 보기 위하여, 레일 및 슬라브 지지부의 강성을 변화시키면서 소음원 강도를 계산하였다. 레일 지지부의 강성이 커질수록 레일 소음원의 강도는 낮아지며, 차륜 소음원의 강도는 감소하다가 소폭 증가한다.
- 궤도 지지구조의 변화에 따른 소음원 강도 변화를 보기 위하여, 먼저 레일 지지부의 강성을 변화시키면서 소음원 강도를 계산하였다.
- 1과 같이 grooved rail(41GPU)이 연속된 레일 패드 위에 놓이고 탄성 화합물(elastic compound)가 레일을 감싸 고정 및 매립되며 하부에는 슬라브와 노반이 받치고 있는 구조로 되어 있다. 따라서 본 논문에서는 궤도를 연속 2단 지지를 가지는 Timoshenko 보로 모델링하였으며, 레일 패드와 레일을 감싸는 탄성 화합물을 레일에 연결된 하나의 스프링 요소로, 하부 슬라브를 질량, 하부 슬라브를 지지하는 노반을 또 다른 하나의 스프링 요소로 하였다. 연속 탄성 지지된 Timoshenko 보의 운동방정식은 주어진 수직 방향 병진 운동과 회전운동에 관한 식 그리고 굽힘과 전단 변형에 관한 식으로부터 식 (11)과 같이 얻을 수 있다.
- 그러나 레일패드, 탄성 화합물, 슬라브 하부 지지 구조 등에서는 일반적으로 제조 사양 상의 정적 강성 값만이 입수 가능하며 운용중인 궤도의 동적 강성 값 또는 댐핑에 대한 정보를 확보하는 데는 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 식 (14)의 입력 물성치를 변화시켜 모빌리티 예측치가 측정치와 유사하게 되는 궤도 물성치를 추출하였다. 이 때 레일 지지부의 수직 강성과 댐핑을 30-500MN/m 범위와 0.
- 차륜의 특성값은 Table 2에 나타내었으며, 차륜 허브 면에 고정 지지의 경계조건을 적용하였다. 따라서 수치 해석 결과에는 강체 운동 모드가 고려되지 않으므로 이를 추가 보정하여 차륜 진동 특성 결과를 구하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 개발된 신형 트램 시험차량의 탄성 차륜과 매립형 궤도에 대한 전동 소음 특성을 분석하고 실제 차량 통과 소음도 시험결과와 비교하였다. 또한 레일 지지부의 강성 변화에 따른 차륜 및 레일 각각 또는 총합 전동 소음원 강도 크기를 검토하였다.
- 본 논문에서는 트램 시험차량의 탄성 차륜과 매립형 궤도에 대한 전동 소음 예측 모델을 도출하고 분석하여 실제 차량 통과 소음도 시험결과와 비교하였다. 또한 레일 지지부의 강성 변화에 따른 차륜 및 레일 또는 총합 전동 소음원 강도 크기를 검토하였다.
- 궤도 지지구조의 변화에 따른 소음원 강도 변화를 보기 위하여, 먼저 레일 지지부의 강성을 변화시키면서 소음원 강도를 계산하였다. 본 논문에서는 레일 지지부에 해당하는 레일 탄성 패드와 레일을 감싸는 탄성 화합물에 의한 강성을 등가의 한 강성 값으로 고려하였다. Fig.
- 소음 관점의 차륜의 진동 모드를 파악하기 위해서는 가청 주파수 대역의 고주파 성분까지를 검토하여야 하며 해당 파장이 차륜 형상과 비교하여 작기 때문에 차륜 형상에 따른 모드를 파악할 수 있는 유한요소 모델 및 해석이 요구된다. 본 연구에서는 트램 탄성 차륜 진동을 ANSYS를 이용하여 해석하였으며, 탄성 차륜의 해석을 위하여 차륜을 3개의 요소 (타이어 부분, 고무 부분, 림 부분)로 구성하고, 타이어 및 림 부분은 Steel 소재로, 고무 부분은 고무 소재로 모델링하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 식 (14)의 입력 물성치를 변화시켜 모빌리티 예측치가 측정치와 유사하게 되는 궤도 물성치를 추출하였다. 이 때 레일 지지부의 수직 강성과 댐핑을 30-500MN/m 범위와 0.1-0.4 범위 내에서 변화시키면서 계산한 모빌리티와 측정한 값을 비교하여 가장 유사한 결과를 내는 강성과 댐핑값을 검토하였다. Fig.
- 4에서 해석 결과는 측정값과 일부 주파수를 제외하고 대체적으로 유사한 주파수 특성을 보이고 있음을 볼 수 있다. 차륜에 삽입된 고무 부분의 영향을 파악하기 위해 형상은 동일하지만 고무 부품 대신에 모두 강철로 이루어진 차륜에 대해 유한요소해석을 수행하고 그 결과를 Fig. 5에 비교하였다. 강철 차륜의 경우 약 900Hz에서 anti-resonance가 발생하고 1, 1.
대상 데이터
- 본 연구에서는 트램 탄성 차륜 진동을 ANSYS를 이용하여 해석하였으며, 탄성 차륜의 해석을 위하여 차륜을 3개의 요소 (타이어 부분, 고무 부분, 림 부분)로 구성하고, 타이어 및 림 부분은 Steel 소재로, 고무 부분은 고무 소재로 모델링하였다. Fig.3에 유한요소 모델을 나타내었으며 요소수 7223개, 노드수 14410개로 구성되었다. 차륜의 특성값은 Table 2에 나타내었으며, 차륜 허브 면에 고정 지지의 경계조건을 적용하였다.
- 레일 모빌리티의 측정 시에는 임팩트 해머 B&K Type 8206-3와 가속도계 B&K Type 4508B를 이용하였다.
- 본 논문에서는 트램 시험 궤도를 대상으로 하였으며 해당 궤도는 Fig. 1과 같이 grooved rail(41GPU)이 연속된 레일 패드 위에 놓이고 탄성 화합물(elastic compound)가 레일을 감싸 고정 및 매립되며 하부에는 슬라브와 노반이 받치고 있는 구조로 되어 있다. 따라서 본 논문에서는 궤도를 연속 2단 지지를 가지는 Timoshenko 보로 모델링하였으며, 레일 패드와 레일을 감싸는 탄성 화합물을 레일에 연결된 하나의 스프링 요소로, 하부 슬라브를 질량, 하부 슬라브를 지지하는 노반을 또 다른 하나의 스프링 요소로 하였다.
- 이동형 옥외소음측정 장비 B&K Type 3655를 이용하여 측정하였다.
- 차륜 모빌리티의 측정 시에는 임팩트 해머 B&K Type 8206과 가속도계 B&K Type 4508B를 이용하였다.
데이터처리
- 트램 매립형 궤도에 대한 진동 모델은 연속 2단 지지인 Timoshenko 보 모델 해석을 통해서 얻었으며, 해석 모델로부터 계산한 레일 모빌리티를 무가선 트램 시험선 레일에서 측정한 모빌리티 값과 비교하였다. 트램의 탄성 차륜 시스템에 대하여는 고무 부품을 포함한 유한요소 모델링 및 수치 해석으로 분석하였으며, 해석한 리셉턴스 결과를 트램 차륜의 충격 응답으로 구한 리셉턴스 측정값과 비교하였다.
- 트램 매립형 궤도에 대한 진동 모델은 연속 2단 지지인 Timoshenko 보 모델 해석을 통해서 얻었으며, 해석 모델로부터 계산한 레일 모빌리티를 무가선 트램 시험선 레일에서 측정한 모빌리티 값과 비교하였다. 트램의 탄성 차륜 시스템에 대하여는 고무 부품을 포함한 유한요소 모델링 및 수치 해석으로 분석하였으며, 해석한 리셉턴스 결과를 트램 차륜의 충격 응답으로 구한 리셉턴스 측정값과 비교하였다. 그 결과 각각의 진동 모델이 관심 주파수 대역에서 적절하였음을 확인하였으며, 이러한 레일 및 차륜 진동 모델에 접촉 역학을 검토하여 접촉력과 진동 응답을 구하고, 결과적으로 레일 및 차륜의 진동에 의한 소음원 강도를 도출하였다.
이론/모형
- 국내에서는 Jang과 Ryue[3]가 차륜-레일 크립력 중 주요한 수직-수평 방향 성분을 이용하는 예측 모델을 유도하고 고속 철도 선로변 소음도 연구에 적용하였다. 한편, 탄성차륜의 전동 소음에 대한 연구는 Jones와 Thompson[4]이 탄성 차륜의 몇 가지 고무 강성에 대한 해석 결과를 비교한 바 있으나 다양한 설계 인자에 대한 연구가 미흡하였고, 측정이 수행되지 않았다.
- 시험선 레일 및 무가선트램 시험차량 차륜의 유효 조도를 참고문헌[8]의 측정법에 따라서 측정하여 Fig. 8의 결과를 얻었다. 실선은 6개 차륜이 지날 때의 각각의 유효 차륜-레일 조도 스펙트럼이며 점선은 평균값(에너지 평균)이다.
성능/효과
- 7 에 단일 조도에 대한 접촉점에서의 레일과 차륜 각각의 수직 및 수평 방향 진동 크기를 나타내었다. 2kHz 이상의 고주파수 대역에서는 차륜의 반지름 방향 모드의 공진에 의한 영향을 볼 수 있으며, 일반 차륜의 공진 모드가[3] 본 논문의 탄성 차륜에서는 고무 부품에 의해 감쇠되어 나타남을 알 수 있다. 약 130Hz 부근에서는 차륜/궤도 시스템의 공진 현상에 의하여 넓은 폭의 peak를 볼 수 있다.
- 트램의 탄성 차륜 시스템에 대하여는 고무 부품을 포함한 유한요소 모델링 및 수치 해석으로 분석하였으며, 해석한 리셉턴스 결과를 트램 차륜의 충격 응답으로 구한 리셉턴스 측정값과 비교하였다. 그 결과 각각의 진동 모델이 관심 주파수 대역에서 적절하였음을 확인하였으며, 이러한 레일 및 차륜 진동 모델에 접촉 역학을 검토하여 접촉력과 진동 응답을 구하고, 결과적으로 레일 및 차륜의 진동에 의한 소음원 강도를 도출하였다.
- 슬라브 지지부 강성은 낮게 할 경우에도 레일/차륜 전동 소음원의 강도가 커지거나 하지는 않았다. 따라서 레일 지지부의 동적 강성을 현재의 92MN/m에서 200MN/m으로 변경하여 전동 소음을 낮추고, 30Hz 미만의 저주파수 노반 진동 부분에 추가적인 요구가 있을 경우 슬라브 지지구조에 대한 방진으로 강성을 낮추어 조정하면 노반 진동도 저감할 수 있을 것이다.
- 레일 지지부 강성이 과도하게 높을 경우 충격력 부담에 의한 슬라브의 내구성에 문제가 있을 수 있다. 따라서 소음도와 궤도 내구성 및 안전성을 함께 고려한 적정 강성 값을 찾을 필요가 있으며, 본 논문에서는 주로 소음의 관점에서 레일 지지부 강성의 적정 값으로 약 200MN/m일 것으로 추정하였다. 슬라브 지지부 강성은 낮게 할 경우에도 레일/차륜 전동 소음원의 강도가 커지거나 하지는 않았다.
- 13에는 레일 지지부 강성을 변화시킴에 따른 소음원 총합 강도의 변화를 나타내었다. 레일 및 차륜 소음원의 강도를 함께 나타내었으며, 지지부의 강성이 커질수록 레일 소음원 강도는 작아진다. 레일 지지부의 강성이 커져서 500MN/m 에 이르기까지는 레일 소음원 강도는 대체로 지수적으로 감소한다.
- 따라서 소음도와 궤도 내구성을 함께 고려한 적정 강성 값을 찾을 필요가 있다. 본 논문에서의 소음도 관점에서 판단하되 궤도 내구성 및 안전성 측면도 고려하여 약 200MN/m이레일 지지부 강성의 적정 값으로 추측된다. 또한 30Hz 미만의 저주파수 노반 진동 부분에 추가적인 요구가 있을 경우 이에 대응하기 위해서는 슬라브 지지구조에 대한 방진이 요구될 것이다.
- 이동형 옥외소음측정 장비 B&K Type 3655를 이용하여 측정하였다. 측정값과 예측값 모두 600Hz와 1kHz 사이의 주파수 대역에서 비교적 큰 소음도를 보이고 있으며, 총합 소음도의 경우 측정값은 85.7, 예측값은 86.3dBA로 비교적 작은 오차를 내고 있음을 알 수 있다. 300Hz 이하의 저주파수 대역에서는 측정값과 예측값이 다소 큰 차이를 보이고 있으며, 이는 예측 모델이 고려하지 않은 동력 소음원에 의한 영향으로 추정된다.
- 130Hz 부근에서는 차륜/궤도 시스템의 공진에 의한 부분 최대값이 나타났다. 트램 차량이 시험선 궤도를 지날 때 전동 소음 모델로 예측한 소음도와 측정한 소음도를 비교한 결과로는 전동 소음이 주요한 주파수 대역에서 유사한 주파수 특성을 가지며 총합 소음도도 작은 오차를 가지고 있음을 관찰하였다.
후속연구
- 다만, 100Hz 미만의 저주파수에서는 본 모델에서 고려하지 않은 슬라브의 모드 특성으로 인하여 다소 차이를 보이는 것으로 판단되며, 3kHz 주파수 이상에서는 본 논문에서 고려하지 않은 레일 단면의 모드 특성이 나타나는 것으로 판단된다. 소음 관점에서 이들 주파수 대역의 중요도는 낮으므로 본 궤도 모델은 전동 소음 연구에 적절할 것으로 여겨진다.
- 본 논문에서는 트램 차량과 매립형 궤도에서의 일반적인 주행 시의 전동 소음에 대한 연구를 수행하였다. 이 밖에도 이음 매에서의 충격 소음과 급곡선에서의 스킬 소음에 대해서는 본 논문의 이론 모델을 확장하여 추가적인 연구가 수행될 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.