[논문]철도차량용 공기스프링 신뢰성 평가기준 및 시험

우창수; 김완두; 김석원; 김영구

문제 정의

철도차량용 공기 스프링의 신뢰성 평가 기준은 철도차량 및 공기스프링 제조회사, 철도청, 연구소 등에서 구성된 기술위원들이 기준원안을 작성하고, 신뢰성 기술위원회에서 조정하는 형태를 취하였다. 평가기준은 제품의 특성을 충분히 파악하여 시험 가능한 항목과 안정성을 확보할 수 있는 요구 성능으로 하였으며, 제품의 외관 및 치수검사, 제품 특성 시험 등에 관한 종합 성능 시험규정과 안전도시험 및 수명평가시험을 통하여 공기스프링의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목적으로 하였다. 따라서 이 기준의 작성에는 KS 규격과 국제적으로도 권위가 있는 JIS, MIL, NF 등 국제규격과 선진 외국 규격을 참고하여 표1과 같이 신뢰성 평가 항목 및 기준을 정하였다.
공기스프링은 내부 압력 변화에 따른 수직 지지하중과 수직 및 수평 방향의 강성 등이 주요 설계 변수로서, 고무벨로우즈의 형상, 코드의 각도, 고정 부위인상 . 하판의 모양에 따라 특성이 바뀌게 되므로 여러가지 해석 및 시험 등을 통하여 설계변수의 영향을 규명하고, 요구되는 특성을 만족하는 제품을 만든 후 최종적으로 제품의 신뢰성을 확보하기 위한 시험을 실시하였다.

제안 방법

고무물성시험은 제품과 동일한 상태로 제작된 2개의 고무시험 편에 대하여 인장 강도, 연신율, 경도 등을 측정하였으며, 가황고무의 노화 정도를 측정하기 위한 노화시험은 100±1 ℃에서 96시간 가열하여 노화시킨 후, 시험전 .후의 인장 강도 및 연신율의 변화율을 산출하였다.
국내에서 개발된 전동차용 공기 스프링의 신뢰성을 평가하기 위해, 그림2에서와 같이 100톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 보조 공기통을 설치하여 종합 성능시험과 수명시험을 수행하였다. 수평방향 시험에서는 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도를 높이기 위하여 곡선 구름운동장치를 이용하였다.
공기스프링의 종합 성능시험은 철도차량용 공기 스프링 신뢰성 평가기준(RS B 0009)에 규정되어 있는 시험방법에 따라 수행하였다 [5]. 기본적인 시험으로 외관 및 치수검사, 기밀시험, 신축시험을 하였으며, 특성시험으로 공기압력 변화에 따른 수직지지하중과 수직 및 수평방향의 정. 동적 강성 측정시험, 내용적 및 최대 횡변위 시험, 스톱퍼 특성시험을 실시하였다.
기본적인 시험으로 외관 및 치수검사, 기밀시험, 신축시험을 하였으며, 특성시험으로 공기압력 변화에 따른 수직지지하중과 수직 및 수평방향의 정. 동적 강성 측정시험, 내용적 및 최대 횡변위 시험, 스톱퍼 특성시험을 실시하였다.
평가기준은 제품의 특성을 충분히 파악하여 시험 가능한 항목과 안정성을 확보할 수 있는 요구 성능으로 하였으며, 제품의 외관 및 치수검사, 제품 특성 시험 등에 관한 종합 성능 시험규정과 안전도시험 및 수명평가시험을 통하여 공기스프링의 신뢰성을 보다 정확히 파악하여 평가하는 것을 목적으로 하였다. 따라서 이 기준의 작성에는 KS 규격과 국제적으로도 권위가 있는 JIS, MIL, NF 등 국제규격과 선진 외국 규격을 참고하여 표1과 같이 신뢰성 평가 항목 및 기준을 정하였다.[3, 4]
철도차량용 공기 스프링은 100만회를 수명으로 하는데, 이 수명을보장하는 의미는 다음과 같다. 본 연구에서는 형태 모수 β의 값은 와이블 분포 dB에서 고무재료의 형태 모수 값 8=1.1을 이용하여 평균수명(MTTF)에 대응하는 척도 모수(0)를 다음과 같이 구하였다.
철도차량 운행 중에 공기스프링에는 수직 방향 하중과 수평 방향 하중이 전달되게 된다. 수직 방향 하중은 주로 궤도면의 상하방향 요철과 차량의 상하 방향 진동에 의해 발생되며, 수평 방향 하중은 승객의 편중 승차, 곡선로 주행 및 가감 속 시에 발생되게 되므로, 수직과 수평 방향 하중에 대한 내구성 시험을 2개의 시료에 대해 각각 실시하여 제품의 내구 수명을 평가하였다.
국내에서 개발된 전동차용 공기 스프링의 신뢰성을 평가하기 위해, 그림2에서와 같이 100톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 보조 공기통을 설치하여 종합 성능시험과 수명시험을 수행하였다. 수평방향 시험에서는 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도를 높이기 위하여 곡선 구름운동장치를 이용하였다.
실험실 차원에서 내구수명평가가 완료된 공기스프링의 최종 성능보증을 위하여 실제 차량에 장착한 후 적용성 을 평가하는 실차시험을 실시하였다. 개발된 공기스프링을 전동차에 장착한 후 시험 선로인 분당선의 분당역과 수서역 간 을 왕복하면서 승차감을 측정한 결과, 상하 및 좌우 방향은 비교차량보다는 약간 낮은 경향을 보이고 있으며, 전후 방향은 거의 일치하는 현상을 나타내었는데, 시험차량에서의 승차감이 조금이라도 낮은 경향을 나타내는 것은 시험차량에 장착된 공기스프링의 강성이 비교차량보다 낮은데 원인이 있는 것으로 추측된다.
고무물성시험은 제품과 동일한 상태로 제작된 2개의 고무시험 편에 대하여 인장 강도, 연신율, 경도 등을 측정하였으며, 가황고무의 노화 정도를 측정하기 위한 노화시험은 100±1 ℃에서 96시간 가열하여 노화시킨 후, 시험전 .후의 인장 강도 및 연신율의 변화율을 산출하였다. 시험 결과는 표 2에서 보는 바와 같이 고무물성은 모든 시험 항목에서 평가기준을 만족하였다.

대상 데이터

[6]. 본 연구의 대상품인 철도차량용 공기 스프링의 신뢰성 평가도 기계류 부품의 수명 분포로 널리 사용되는 와이블(weibull) 분포의 무고 장 데이터 분석을 이용하였다. 철도차량용 공기 스프링은 100만회를 수명으로 하는데, 이 수명을보장하는 의미는 다음과 같다.
주요 구성 부품은 그림1에서 보는 바와 같이 상판(upper plate), 고무 벨로우즈(rubber bellows), 하판(lower plate), 보조 고무스프링(stoper)둥이다. 고무 벨로우즈의 내층과 외충은 NR과 CR이 혼합된 고무충이며, 중간에는 고무보다 탄성계수가 훨씬 큰 나일론 보강코드가 삽입되어 있는 복합재료 형태를 띠고 있으며, 고무충과 보강코드로 인하여 이방성과 비선형성을 갖게 된다.

이론/모형

공기스프링의 종합 성능시험은 철도차량용 공기 스프링 신뢰성 평가기준(RS B 0009)에 규정되어 있는 시험방법에 따라 수행하였다 [5]. 기본적인 시험으로 외관 및 치수검사, 기밀시험, 신축시험을 하였으며, 특성시험으로 공기압력 변화에 따른 수직지지하중과 수직 및 수평방향의 정.

성능/효과

(2) 신뢰성 평가 기준을 따라 국내에서 개발한 전동차용 공기스프링에 대해 고무물성 및 종합 성 능시험의 모든 항목에서 평가기준을 만족하였으며, 수명시험에서는 수직 방향 120만회, 수평방향 60만 회 동안 공기스프링에 아무런 이상이 발생되지 않았으며, 특성변화도 초기 성능의 10% 이내에 있어 평가기준을 만족하였다.
(3) 개발된 공기 스프링에 대한 실차시험 결과, 시험차량과 기존 제품이 장착된 비교차량의 승차감보다 약간 낮은 경향을 나타내었는데, 이는 시험차량에 장착된 공기스프링의 강성이 비교 차량보다 낮은데 원인이 있는 것으로 추측된다.
(4) 본 연구에서 수행한 철도차량용 공기 스프링에 대한 신뢰성은 신뢰 수준 90%에서 평균 수명 100만회를 보장할 수 있다.
실험실 차원에서 내구수명평가가 완료된 공기스프링의 최종 성능보증을 위하여 실제 차량에 장착한 후 적용성 을 평가하는 실차시험을 실시하였다. 개발된 공기스프링을 전동차에 장착한 후 시험 선로인 분당선의 분당역과 수서역 간 을 왕복하면서 승차감을 측정한 결과, 상하 및 좌우 방향은 비교차량보다는 약간 낮은 경향을 보이고 있으며, 전후 방향은 거의 일치하는 현상을 나타내었는데, 시험차량에서의 승차감이 조금이라도 낮은 경향을 나타내는 것은 시험차량에 장착된 공기스프링의 강성이 비교차량보다 낮은데 원인이 있는 것으로 추측된다. 그림4는 운행기간 1년 동안 실차시험을 실시한 차량으로부터 분리한 공기 스프링에 대한 특성 시험을 수행하여 실차시험 전, 후의 시험 결과를 보여준다.
공기스프링의 여러가지 요구 성능 항목 중에서 가장 기본이 되는 수직 지지하중은 압력 변화에 따른 수직지지하중이 선형적인 관계를 나타내었으며, 시험 기준인 0.3 MPa에서의 수직 지지하중 은 75.9 kN으로 평가기준인 76 kN±5%를 만족하였다. 정 .
국내에서 개발된 공기 스프링에 대한 종합 성능시험 결과, 평가기준을 모두 만족하는 양호한 결과를 얻었으며, 사용기간이 오래될수록 고무 자체의 노화 현상으로 인해 강성이 증가하여 승차감에 영향을 미칠 것으로 예상되어 초기 특성값을 기준값의 하한선에 맞추면 장기간 사용 후에도 기준 범위를 크게 벗어나지 않으리라 사료된다.
따라서, 본 연구에서 수행한 철도차량용 공기 스프링에 대한 신뢰성은 2개의 시료를 시험하여 120만 동안 무고장이기 때문에 신뢰 수준 90%에서 평균 수명 100만회가 보장된다고 할 수 있다.
그림4는 운행기간 1년 동안 실차시험을 실시한 차량으로부터 분리한 공기 스프링에 대한 특성 시험을 수행하여 실차시험 전, 후의 시험 결과를 보여준다. 수직 지지하중은 2개의 시험 편 모두 큰 변화가 없었으며, 수직 정강성은 실차시험 전보다 4-5%, 수평정강성은 7~8%, 스톱퍼는 6~7 % 정도의 변화를 나타내었다. 이는 고무제품의 노화로 인한 경도 증가로 강성값이 조금 증가된 것으로 판단된다.
수평 방향의 하중을 직접적으로 지지하고 있는 중요한 부품으로, 스톱퍼 역시 고유의 하중-변위 곡선을 갖고 있어 이러한 특성을 만족시켜야만 보다 정확한 공기 스프링의 특성을 얻을 수 있다. 스톱퍼의 정적하중-변위 시험을 통하여 평가기준인 8 mm±15%을 만족하는 8.37 mm의 변위를 나타내었다.
후의 인장 강도 및 연신율의 변화율을 산출하였다. 시험 결과는 표 2에서 보는 바와 같이 고무물성은 모든 시험 항목에서 평가기준을 만족하였다.

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