도시철도 운영환경에서 파상마모에 의한 레일체결장치 클립의 진동 특성 Rail Corrugation Effects on the Dynamic Behavior of Clips of Rail Fastening System in Operation Environment of Urban Railway원문보기
레일체결장치는 레일을 침목 등에 결속시켜 정해진 궤간의 유지와 열차 하중을 하부의 침목 및 도상 등에 전달하는 역할을 수행하는 주요 궤도 구성품이다. 본 논문에서는 도시철도 운영환경에서 파상마모에 대한 레일체결장치 클립의 진동 특성 분석을 위해서 조립상태에서 레일체결장치 클립의 모달테스트를 수행하여 고유진동수를 측정하였으며, 이를 파상마모에 의한 통과주파수와의 비교를 통해 공진 영향을 검토하였다. 또한 열차 주행시 파상마모에 따른 레일 및 레일체결장치 클립의 가속도와 레일체결장치 클립의 변형률을 계측하였다. 분석결과 레일 및 레일체결장치 클립의 가속도는 파상마모와 매우 밀접한 관계를 가지고 있으나, 레일체결장치 클립의 변형률과의 관계는 미비한 것으로 나타났다.
레일체결장치는 레일을 침목 등에 결속시켜 정해진 궤간의 유지와 열차 하중을 하부의 침목 및 도상 등에 전달하는 역할을 수행하는 주요 궤도 구성품이다. 본 논문에서는 도시철도 운영환경에서 파상마모에 대한 레일체결장치 클립의 진동 특성 분석을 위해서 조립상태에서 레일체결장치 클립의 모달테스트를 수행하여 고유진동수를 측정하였으며, 이를 파상마모에 의한 통과주파수와의 비교를 통해 공진 영향을 검토하였다. 또한 열차 주행시 파상마모에 따른 레일 및 레일체결장치 클립의 가속도와 레일체결장치 클립의 변형률을 계측하였다. 분석결과 레일 및 레일체결장치 클립의 가속도는 파상마모와 매우 밀접한 관계를 가지고 있으나, 레일체결장치 클립의 변형률과의 관계는 미비한 것으로 나타났다.
The rail fastening system, which provides a structural connection between the rail and the sleepers, is a main track component that plays an important role in retaining the rail gauge within acceptable tolerances, as well as in passing the train load to the roadbed through the sleepers. In this pape...
The rail fastening system, which provides a structural connection between the rail and the sleepers, is a main track component that plays an important role in retaining the rail gauge within acceptable tolerances, as well as in passing the train load to the roadbed through the sleepers. In this paper, a modal test was first performed to evaluate the dynamic characteristics (e.g., natural frequency) of the clips of the railway fastening system under the condition of rail corrugation in urban railway operation. The corrugation-induced passing frequency was then compared with the natural frequency of the clips to investigate any resonance effect during train passage. Furthermore, a field test under train passage was conducted to measure the accelerations on the rail and the rail fastening clips as well as the strains on the rail fastening clips in the rail corrugation condition. The field measurements indicated that the accelerations on the rail and the rail fastening clips have a close relationship with the rail corrugation, but they had a minimal effect on the strains of the rail fastening clips.
The rail fastening system, which provides a structural connection between the rail and the sleepers, is a main track component that plays an important role in retaining the rail gauge within acceptable tolerances, as well as in passing the train load to the roadbed through the sleepers. In this paper, a modal test was first performed to evaluate the dynamic characteristics (e.g., natural frequency) of the clips of the railway fastening system under the condition of rail corrugation in urban railway operation. The corrugation-induced passing frequency was then compared with the natural frequency of the clips to investigate any resonance effect during train passage. Furthermore, a field test under train passage was conducted to measure the accelerations on the rail and the rail fastening clips as well as the strains on the rail fastening clips in the rail corrugation condition. The field measurements indicated that the accelerations on the rail and the rail fastening clips have a close relationship with the rail corrugation, but they had a minimal effect on the strains of the rail fastening clips.
본 논문에서는 레일 두부에 발생하는 결함들 중에서 파상마모에 대해 도시철도 운영환경에서 레일체결장치 클립(clip)의 진동 특성을 분석하고자 한다.
제안 방법
이를 위해서 파상마모를 측정하여 파상마모 발생 정도를 표시하는 지수 QI와 통과주파수(V=90km/h)를 분석하였으며, 모달테스트를 통한 레일체결장치 클립의 고유진동수를 측정하였다. 또한 레일 및 레일체결장치 클립의 수직가속도와 레일체결장치 클립의 변형률을 측정하여, 파상마모에 따른 레일체결장치 클립의 가속도와 변형률 발생 특성 및 파상마모에 의한 통과주파수와 조립상태의 레일체결장치 클립의 고유진동수와의 중첩에 의한 공진영향을 분석하였다.
이를 위해서 파상마모를 측정하여 파상마모 발생 정도를 표시하는 지수 QI와 통과주파수(V=90km/h)를 분석하였으며, 모달테스트를 통한 레일체결장치 클립의 고유진동수를 측정하였다. 또한 레일 및 레일체결장치 클립의 수직가속도와 레일체결장치 클립의 변형률을 측정하여, 파상마모에 따른 레일체결장치 클립의 가속도와 변형률 발생 특성 및 파상마모에 의한 통과주파수와 조립상태의 레일체결장치 클립의 고유진동수와의 중첩에 의한 공진영향을 분석하였다.
대상 데이터
도시철도 운영환경에서 파상마모에 의한 레일체결장치 클립의 진동 특성을 분석하기 위하여, 속도(V) 90km/h인 직선 1개소(SP1)와 곡선(R 800m, C 120mm) 내측 레일 2개소(SP2, SP3)를 샘플개소로 선정하여 파상마모를 측정하였다. 여기서 C는 설정캔트를 의미한다.
데이터처리
9는 상기 측정개소 SP1, SP2와 SP3를 포함하여 파상마모가 발생한 여러 개소에서 추가적으로 측정하여 분석한 파상마모 QI와 레일 및 레일체결장치 클립의 수직가속도 실효치를 나타낸 것이다. 이들 수직가속도 실효치들에 대해 상관계수 제곱(R2)이 0.9 이상으로 유의미한 분석을 위해 2차 함수로 회귀분석식을 도출하였으며, 그 결과 파상마모 QI가 증가할수록 즉, 파상마모가 진전될수록 레일 및 레일체결장치 클립의 수직가속도는 2차 함수 형태로 증가하며, 레일체결장치의 클립 수직가속도 증가율이 더욱 큰 것을 확인할 수 있다.
조립상태의 대상 레일체결장치 클립에 대해 아래의 Fig. 4와 같이 Agilent tech.사의 35670A FFT 다이나믹 신호 분석기와 임팩트 해머 및 가속도계를 이용하여 실험실 및 현장에서 모달테스트를 수행하였다. 실험실에서는 앵커볼트의 체결토크를 증가하면서 시험을 수행하였으며, 그 결과 앵커볼트 체결토크의 증가에 따라 레일체결장치 클립의 1차 및 2차 고유진동수가 Fig.
성능/효과
그러나 레일체결장치 클립의 피로내구성과 직접적인 관계에 있는 변형률은 파상마모에 의한 통과주파수(V=90km/h) 400~500Hz 공진대역에서의 크기가 매우 작고, 오히려 100Hz 이하의 체결시 발생되는 초기 변형률 또는 정적 윤중, 침목간 간격과 대차중심간 거리 등에 의한 통과주파수 성분이 지배적인 것으로 분석되어, 파상마모 및 이의 공진에 의한 레일체결장치 클립의 변형률에 대한 영향은 매우 미비한 것으로 분석되었다.
수직가속도는 파상마모가 커질수록 레일과 레일체결장치 클립에서 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 파상마모 통과주파수 400~500Hz 대역의 PSD 증가에 기인하는 것으로 분석되었다. 또한 수직가속도 증가폭이 레일체결장치 클립에서 더욱 뚜렷하게 나타났는데 이는 파상마모에 의한 통과주파수(V=90km/h)와 레일체결장치 클립의 중첩에 의한 공진효과에 의한 것으로 나타났다.
후속연구
따라서, 도시철도 운영환경에서는 파상마모에 대한 유지관리 기준 정립시에는 궤도구성품의 피로내구성 확보를 위해서보다는 레일 및 레일체결장치 클립의 가속도 증가에 따른 승차감 악화 및 전동음 증가 방지를 주목적으로 하여 정립되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레일 두부에 발생하는 결함은 무슨 문제를 야기하는가
레일 두부에 발생하는 결함으로는 쉐링(shelling), 헤드체크(head Check), 스폴링(spalling) 및 파상마모(corrugation) 등 매우 다양하다[1]. 이러한 결함으로, 차량의 승차감을 악화시키고 전동음을 증가시킬 뿐만 아니라, 진동레벨 증가로 궤도 구성품의 손상을 촉진시킨다[2].
본 연구에서 레일체결장치 클립의 변형률을 측정하기 위한 변형률 게이지는 어디에 부착하였는가
10에 나타내었다. 변형률 게이지는 조립시 변형률 게이지의 손상을 고려하여 수치해석을 통하여 분석된 조립 및 차량 주행시 변형률이 가장 크게 발생하는 지점에 인접하여 설치하였다.
레일 두부에 발생하는 결함은 무엇이 있는가
레일 두부에 발생하는 결함으로는 쉐링(shelling), 헤드체크(head Check), 스폴링(spalling) 및 파상마모(corrugation) 등 매우 다양하다[1]. 이러한 결함으로, 차량의 승차감을 악화시키고 전동음을 증가시킬 뿐만 아니라, 진동레벨 증가로 궤도 구성품의 손상을 촉진시킨다[2].
참고문헌 (10)
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