축소 스킬소음 시험장치의 진동전달특성을 이용한 차륜/레일의 접촉력 예측에 관한 연구 Study for Prediction of Contact Forces between Wheel and Rail Using Vibrational Transfer Function of the Scaled Squeal Noise Test Rig원문보기
스킬 소음은 곡선부에서 레일과 차륜 사이에 발생하는 순음의 큰 소음이다. 차륜과 레일 사이의 접촉은 점착-미끄러짐(stick-slip)현상을 보이면서 스킬 소음이 발생한다고 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 스킬 소음의 발생 메커니즘을 규명하기 위해 차륜, 레일의 주파수 관점에서의 접촉력 특성을 파악하고자 했다. 스킬 소음을 실험실 조건에서 발생시키기 위하여 축소 스킬소음 시험장치를 제작하였다. 접촉력을 구하기 위하여 레일 롤러를 지지하는 서브 프레임 진동 데이터와 응답특성을 측정하여, 접촉력을 예측하였다. 계산된 접촉력 결과를 검증하기 위해서, 레일 롤러의 접촉점 변위를 계산된 접촉력을 이용하여 계산하고 레이저 변위센서로 측정한 변위 실험결과와 비교하였다. 또한 시험장치를 유한요소로 모델링하여, 계산된 접촉력에 의한 음향 방사 해석을 수행하였고, 그 음압 결과를 반무향실 조건에서 축소 스킬소음 시험장치 운영시 발생되는 소음의 크기와 비교하였다. 변위와 음압 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 나타내었다.
스킬 소음은 곡선부에서 레일과 차륜 사이에 발생하는 순음의 큰 소음이다. 차륜과 레일 사이의 접촉은 점착-미끄러짐(stick-slip)현상을 보이면서 스킬 소음이 발생한다고 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 스킬 소음의 발생 메커니즘을 규명하기 위해 차륜, 레일의 주파수 관점에서의 접촉력 특성을 파악하고자 했다. 스킬 소음을 실험실 조건에서 발생시키기 위하여 축소 스킬소음 시험장치를 제작하였다. 접촉력을 구하기 위하여 레일 롤러를 지지하는 서브 프레임 진동 데이터와 응답특성을 측정하여, 접촉력을 예측하였다. 계산된 접촉력 결과를 검증하기 위해서, 레일 롤러의 접촉점 변위를 계산된 접촉력을 이용하여 계산하고 레이저 변위센서로 측정한 변위 실험결과와 비교하였다. 또한 시험장치를 유한요소로 모델링하여, 계산된 접촉력에 의한 음향 방사 해석을 수행하였고, 그 음압 결과를 반무향실 조건에서 축소 스킬소음 시험장치 운영시 발생되는 소음의 크기와 비교하였다. 변위와 음압 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 나타내었다.
Curved squeal noise may result when railway vehicles run on curved tracks. Contact between the wheels and the rails causes a stick-slip phenomenon, which generates squeal noise. In order to identify the mechanism of the squeal noise systematically, a scaled test rig has been fabricated. Knowledge of...
Curved squeal noise may result when railway vehicles run on curved tracks. Contact between the wheels and the rails causes a stick-slip phenomenon, which generates squeal noise. In order to identify the mechanism of the squeal noise systematically, a scaled test rig has been fabricated. Knowledge of the contact forces between the wheels and the rail rollers is essential for investigating the squeal noise characteristics; however, it is difficult to measure there contact force. In this study, contact forces have been calculated indirectly according to the modal behavior of the subframe that supports the rail roller and the responses at specific positions of that subframe. In order to verify the estimated contact forces, the displacements at the contact points between the wheels and rail rollers have been calculated from the estimated forces; the resulting values have been compared with the measured displacement values. The SPL at the specific location has been calculated using the estimated contact forces and this also has been compared with the SPL, measured in a semi-anechoic chamber. The comparisons in displacements and SPLs show good correlation.
Curved squeal noise may result when railway vehicles run on curved tracks. Contact between the wheels and the rails causes a stick-slip phenomenon, which generates squeal noise. In order to identify the mechanism of the squeal noise systematically, a scaled test rig has been fabricated. Knowledge of the contact forces between the wheels and the rail rollers is essential for investigating the squeal noise characteristics; however, it is difficult to measure there contact force. In this study, contact forces have been calculated indirectly according to the modal behavior of the subframe that supports the rail roller and the responses at specific positions of that subframe. In order to verify the estimated contact forces, the displacements at the contact points between the wheels and rail rollers have been calculated from the estimated forces; the resulting values have been compared with the measured displacement values. The SPL at the specific location has been calculated using the estimated contact forces and this also has been compared with the SPL, measured in a semi-anechoic chamber. The comparisons in displacements and SPLs show good correlation.
스킬소음의 발생 메커니즘을 파악하기 위해서 차륜 레일 사이에 발생하는 접촉력 특성을 파악하였다. 이를 위해 본 논문에서는 1개의 차축과 1쌍의 레일 롤러로 구성된 축소 스킬소음 시험장치를 제작하였고, 레일 롤러 구조물의 진동특성과 특정 위치에서의 응답특성으로 접촉력을 예측하였다.
제안 방법
계산된 접촉력을 검증하기 위해서, 계산된 접촉력을 입력값으로 레일 롤러의 접촉점에서의 변위를 계산하였으며, 시험장치 운행시 측정한 변위 결과와 비교하였다. 또한 시험장치를 유한요소로 모델링하여, 계산된 접촉력에 의한 음향 방사 해석을 수행하였고, 그 음압 결과를 반무향실 조건에서 축소 스킬소음 시험장치 운영시 발생되는 소음의 크기와 비교하였다.
본 논문에서는 철도 차륜의 레일 위에서의 움직임을 구현할 수 있는 축소시험장치를 제작하였으며, 차륜과 레일 접촉 위치에서 발생하는 접촉력을 레일 롤러 구조물의 진동 특성과 특정 위치에서의 응답특성으로 예측하였다. 계산된 접촉력을 검증하기 위해서, 계산된 접촉력을 입력값으로 레일 롤러의 접촉점에서의 변위를 계산하였으며, 시험장치 운행시 측정한 변위 결과와 비교하였다. 또한 시험장치를 유한요소로 모델링하여, 계산된 접촉력에 의한 음향 방사 해석을 수행하였고, 그 음압 결과를 반무향실 조건에서 축소 스킬소음 시험장치 운영시 발생되는 소음의 크기와 비교하였다.
본 논문에서는 철도 차륜의 레일 위에서의 움직임을 구현할 수 있는 축소시험장치를 제작하였으며, 차륜과 레일 접촉 위치에서 발생하는 접촉력을 레일 롤러 구조물의 진동 특성과 특정 위치에서의 응답특성으로 예측하였다. 계산된 접촉력을 검증하기 위해서, 계산된 접촉력을 입력값으로 레일 롤러의 접촉점에서의 변위를 계산하였으며, 시험장치 운행시 측정한 변위 결과와 비교하였다.
대상 데이터
축소 스킬소음 시험장치는 Fig. 1과 같이 1개의 휠셋과 2개의 레일 롤러로 구성되었다. 시험장치 제원은 Table 1과 같다.
데이터처리
6º 이상의 주파수 대역에서는 접촉 특성의 비선형성 때문에 오차가 발생하는 것으로 생각된다. 두 번째 방법은 예측한 접촉력과 NTF특성을 이용하여 발생하는 소음을 계산하였고, 측정된 소음 결과와 비교하였다. NTF 특성을 이용해 계산한 소음은 측정한 소음과 유사한 개형을 나타내었다.
예측한 접촉력을 검증하기 위해 2가지 방법을 고안하였다. 첫 번째 방법은 계산된 접촉력을 이용해서 레일 롤러 접촉점의 변위를 계산하였고, 이 예측 변위 값을 실험에서 측정한 변위결과와 비교하였다. 주요 소음 발생 주파수인 2,088Hz, 2,096Hz의 결과를 비교하였을 때 요각이 0.
성능/효과
NTF 특성을 이용해 계산한 소음은 측정한 소음과 유사한 개형을 나타내었다. 다만 1.4kHz 대역에서는 차륜의 진동 방사 특성을 과대 예측하였으며, 2.1kHz 대역의 경우, 차륜과 레일 롤러의 NTF 피크 주파수 오프셋의 영향으로 오차가 발생하는 것으로 생각된다.
두 번째 방법은 예측한 접촉력과 NTF특성을 이용하여 발생하는 소음을 계산하였고, 측정된 소음 결과와 비교하였다. NTF 특성을 이용해 계산한 소음은 측정한 소음과 유사한 개형을 나타내었다. 다만 1.
첫 번째 방법은 계산된 접촉력을 이용해서 레일 롤러 접촉점의 변위를 계산하였고, 이 예측 변위 값을 실험에서 측정한 변위결과와 비교하였다. 주요 소음 발생 주파수인 2,088Hz, 2,096Hz의 결과를 비교하였을 때 요각이 0.8º~1.4º인 범위에서 예측과 측정값은 거의 동일한 결과를 보였다. 0.
후속연구
예측한 접촉력은 변위 관점, 음압 관점에서 신빙성이 있어 보이며, 향후 철도 스킬소음 발생 메커니즘을 이해하는데 도움이 될것이라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스킬 소음이란 무엇인가
스킬 소음은 철도 차량이 곡선부를 주행할 때 발생하는 순음의 큰 소음이다. 스킬 소음은 차륜과 레일의 접촉 시 점착-미끄러짐(Stick-slip) 현상이 반복되면서 발생한다고 알려져 있다.
스킬 소음은 어떻게 발생하는가
스킬 소음은 철도 차량이 곡선부를 주행할 때 발생하는 순음의 큰 소음이다. 스킬 소음은 차륜과 레일의 접촉 시 점착-미끄러짐(Stick-slip) 현상이 반복되면서 발생한다고 알려져 있다. 이러한 스킬 소음을 줄이기 위해서 도유기, 탄성 차륜 등의 해결책이 제시되었지만, 과도적이며, 비선형적 특성을 나타내는 스킬소음의 발생 메커니즘의 파악이 쉽지 않아 효과적인 대책 마련에는 미흡한 실정이다[1].
접촉력을 측정하기 위하여 비접촉센서를 이용한 기법의 단점은 무엇인가
비접촉센서를 이용하는 기법은 차륜 혹은 레일 롤러의 접촉점에서의 진동 변위를 측정하여, 이 정보와 차륜의 진동특성을 이용하여 접촉력을 예측한다[4]. 하지만 고주파수 대역에서는 차륜/레일의 변위가 매우 작으므로 이러한 방법을 적용하기 위해서는 고감도의 센서가 요구되고, 실험실 조건의 고정된 시험지그가 아니면 이용하기에 어려움이 있다.
참고문헌 (4)
K.J. Kim, J.K. Park, B.S. Kim, J.C. Kim (2008) An experimental study of the curve squeal noise, Journal of the Korean Society for Railway, 11(2), pp. 176-181.
S.S. Hsu, Z. Huang, S.D. Iwnicki, et al. (2007) Experimental and theoretical investigation of railway wheel squeal, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 221(1), pp. 59-73.
S. Papini, L. Pugi, A. Rindi, E. Meli (2013) An integrated approach for the optimization of wheel-rail contact force measurement systems, J. Mod. Transport, 21(2), pp. 95-102.
M. Janssens, H.J. Van Vliet, P.P. Kooijman, F.G. de Beer (2000) Curve squeal of rail bound vehicles, Part 3: measurement techniques for wheel/rail contact velocities and forces at squeal noise frequencies, Proceedings of the Internoise 2000, Nice, France, pp. 27-30.
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