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문제 정의
- 18 (a)의 기존품을 Fig. 18 (b)와 같이 seal width의 형상을 일부 디자인 변경9) 개선하여 감쇠력 불량 고장 예방 및 내구성을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- 5호선 전동차 4년검사 정밀점검 시행차량을 대상으로 본선 운행중인 전동차에서 횡댐퍼를 12M, 28M, 36M, 44M주기로 sample를 취거하여 감쇠력 시험을 통해 사용기간에 따른 감쇠력 변화추이를 살펴보았다. sample 횡댐퍼 취거대상 전동차에 대해서 Table 1에 편성, 4년검사 정밀점검 완료일, 운행기간 및 거리, 시험일을 상세히 설명하였다.
- 서울지하철 5,6,7,8호선 전동차 횡댐퍼의 적정한 감쇠력 유지를 위해 2016년도 중정비 대상 50개 편성을 대상으로 4년검사2-7) 정밀점검 시행전 횡댐퍼 800개에 대해 감쇠력 시험결과 86.25%(690개)가 불량이었고, 4년검사 정밀점검 시행후 출창한 전동차 4개 편성을 대상으로 1개 편성 8량중 4량(전부 2량:TC Car, 중간 2량:TCar)에 취부되어 있는 횡댐퍼 8개를 12개월, 28개월, 36개월, 44개월 주기로 총 4회 32개를 취거한 후감쇠력 평가 시험을 시행하여 사용기간에 따라 감쇠력이 변화되는 고장원인을 분석하고, 감쇠력 불량 해소대책을 실제 적용하여 횡댐퍼 기존품과 개선품에 대한 내구성 시험을 통해 성능 향상여부에 대한 검증 단계를 거쳐 차기 중정비 4년 검사 전까지 감쇠력 허용기준을 만족할 수 있는 성능 향상 대책을 제시하고자 하였다.
- 직선운동에 의한 샤프트와 오일씰 간의 마찰 하중데이터를 얻기 위해 다음 그림과 같이 피스톤 동작속도 32 mm/s로 정방향으로 2초간 모션 해석 진행(총 행정거리 64 mm)과 0~2초 구간중 하중이 가장 크게 발생하는 구간의 하중을 정적해석용 데이터로 지정(최대 하중 구간 : 0.5초) 하였다.
- 횡댐퍼의 오일씰의 기존품과 개선품에 대한 내구성 향상여부를 확인하기 위해 유한요소 해석 프로그램인 SOLIDWORKS 2017 시뮬레이션을 사용10)하여 물성조건(basic state:경도 65~75, 인장 100 kgf/㎠ 이상, 신율 250 이상)이 동일한 조건하에 기존품과 개선품의 형상차이에 의한 비교와 구조해석을 시행하였다.
대상 데이터
- 시험 sample는 Fig. 4의 제어차(TC car) 전 후부 2량과 중간 부수차(T1,T2 car) 2량 총 4량에서 8개를 대상으로 하였다.
성능/효과
- (1) 횡댐퍼는 사용시간에 따라 감쇠력이 비례하여 감소만 되는게 아니라 반대로 감쇠력이 커지는 경우도 있었고, 오일량 감소시 감쇠력도 비례하여 감소하였다.
- (2) 횡댐퍼 사용 오일 sample 5개(42M~48M)에 대한 성분 시험결과 신유대비 철이 473~1932배, 구리가 36~98배가 검출되어 이런 이물질은 Damping valve를 순환하는 오일량을 감소시켜 감쇠력 변화에 원인이 되었다.
- (3) 정적해석에서는 횡댐퍼 오일씰 개선품이 기존품 대비 작은 응력이 발생하였고, 플롯범위는 5.582e-005~5.0e-003 Mpa이었다. 작은 응력이 발생하였다.
- (4) 피로해석에서는 기존품은 상부 영역에서 낮은 수명을 보이는 부분이 발생하였으나, 개선품은 대부분의 영역에서 임의 지정한 1.0e+006 사이클까지 파괴가 일어나지 않아 내구성이 더 향상되었음을 확인 할 수 있었다.
- (5) 50만회 내구성시험 후 횡댐퍼 감쇠력 시험결과 기존품은 허용한도(Limit)를 밑도는 불량 상태이었지만 개선품은 허용한도 내로 내구성 향상에 효과가 있었다.
- 4년검사 정밀점검을 위해 입창한 전동차 2개 편성(706, 719)의 횡댐퍼를 취거하여 Table 2와 같이 오일 변화량(Oil amount)을 조사한 결과 보수품(Repair) 대비 사용품(Products)이 30~200 ㎖가 감소하였고, 감쇠력(Damping force)도 비례하여 감소하였다.
- 기존품과 개선품에 대한 고무재질 탄성계수에서 파생된 곡선을 기반으로 해석을 진행한 결과 Fig. 20과 같이 기존품은 제품 상부 영역에서 낮은 수명을 가지는 부분이 발생하였으나, 개선품은 대부분의 영역에서 임의 지정한 1.0e+006 사이클까지 파괴가 일어나지 않아 수명이 향상되었음을 확인하였다.
- 오일 Sample 6개(신유-1개, 3년 6월-1개, 3년 9월-1개, 4년-3개)에 대한 성분 시험결과 사용유 Sample 5개 모두 Table 3과 같이 횡댐퍼 작동시 오일이 접촉하는 실린더와 피스톤, 밸브, 동가스켓 등 부품의 마모와 금속의 부식으로 신유보다 철이 473~1932배, 구리가 36~98배가 검출되어 교체시기가 도래되었음을 확인하였다. 오일내 이런 철, 구리 등 이물질은 Damping valve를 순환하는 오일량에 감소시켜 감쇠력 변화8)에 원인이 된다.
- 오일댐퍼시험기로 속도를 0.01, 0.02, 0.032, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1V(m/s)로 7단계로 변화하면서 총 sample 32개(1편성 8개)를 시험한 결과 Fig. 5와 같이 350Kgf±15%을 벗어난 불량률이 84.4%(27개)이었다.
- 오일씰 형상이 변경 안된 기존품과 오일씰 형상이 변경된 개선품이 취부된 횡댐퍼를 내구성시험12)을 통해 성능 개선여부를 확인하기 위해 J사 보유장비(DFT-07-35-4)에 9° 기울여 취부한후 60 mm 행정을 60 mm/sec 속도로 연속 50만회 동작 시험을 시행한 후 감쇠력 시험을 5회 시행한 결과 Fig. 21과 같이 기존품은 허용한도(Limit)를 밑도는 불량상태지만, 개선품은 허용한도(Limit)내로 내구성이 향상되었다.
- 오일씰은 횡댐퍼 내부 Rod guide stop nut와 Piston rod 중간에 취부되어 피스톤 작동 원활화와 오일의 누유방지 기능 및 외부로부터 침투되는 먼지 등 오염물질이 내부에 침투되지 못하게 하는 기능을 수행하고 있으나, 장시간 사용으로 고무경도계(GS-706N)로 경도를 측정한 결과 Fig. 16과 같이 신품은 65(기준치 65~75) 불량품은 80으로 신품보다 불량품의 경도가 15이상 높아 Fig. 17의 현미경으로 오일씰 seal width 일부분이 경화균열되어 찢어지고 미세한 균열과 조직이 떨어지면서 오일씰 자체의 기능이 상실되어 오일이 누유 되면서 이음과 인장 압축시 감쇠력 불량이 발생하였음을 확인하였다.
- 이 연구에서는 전동차 횡댐퍼 내부 부품중에서 오일누유 고장과 밀접한 연관 관계를 갖는 오일씰의 형상 변경과 구조 및 피로해석 및 내구성시험을 통해 감쇠력 불량고장 예방과 내구성 향상에 효과가 있음을 확인하였다.
후속연구
- 향후 오일씰 기존품과 개선품이 취부된 횡댐퍼에 대한 실차시험을 시행하여 진동과 승차감의 변화 분석 및 개선된 오일씰 실차 적용시 추적관찰을 통해 제기능을 하고 있는지에 대한 연구를 수행할 것이다.
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