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문제 정의
- 본 논문에서의 각 부품들의 신뢰성 보증 시험 소개는 최종 설계된 신뢰성 보증 시험을 소개하고 설계된 신뢰성 시험을 실시하여 개발된 제품이 B1수명 15년을 만족하는지를 확인한 결과만 기술하였다.
- 본 연구는 서울메트로의 1～4호선에서 수입하여 사용하고 있는 레일체결장치에 대한 신품과 동종의 사용품을 비교분석하였으며, 레일체결장치의 목표수명을 보증하기 위한 신뢰성 설계방안을 제시하였고 레일체결장치의 7개 부품에 대한 가속수명시험 설계를 통해 목표수명을 보증할 수 있는 적정 시료수와 시험시간을 산출함으로써 각 부품에 대한 신뢰성 확보 방법을 제안하였다.
- 본 연구에서는 서울메트로 1～4호선에서 사용되고 있는 레일체결장치 중 System 300 제품에 대하여 사용 제품을 수거하고 현장 거동을 측정하였으며, 각 부품의 신뢰성 보증시험 설계 및 시험을 통해 부품의 신뢰성을 보증할 수 있는 제품을 개발하였다. 또한, 레일체결장치의 신뢰성등가시험을 설계하고 개발된 제품으로 신뢰성 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 나사스파이크와 베이스플레이트는 모두 금속 소재로 구성되어 고장 메커니즘 및 고장 모드는 피로에 의한 파괴로 규명되었다. 금속 제품은 고분자 제품보다 훨씬 내구성이 우수하기 때문에 본 연구에서는 목표수명과 등가되는 피로시험 횟수를 산출하여 피로시험을 실시하였다.
- 도표 10.에서 보는바와 같이 레일체결장치로 B10수명 15년을 보증할 수 있는 신뢰성 시험을 설계하고 개발된 레일체결장치로 신뢰성 등가시험을 실시하였다. 그 결과 2 set 모두 1×107회 동안 나사 스파이크 및 텐션 클램프의 파손이나 가이드 플레이트의 파손, 레일의 이탈이 없었으므로 신뢰성 시험을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 서울메트로 1～4호선에서 사용되고 있는 레일체결장치 중 System 300 제품에 대하여 사용 제품을 수거하고 현장 거동을 측정하였으며, 각 부품의 신뢰성 보증시험 설계 및 시험을 통해 부품의 신뢰성을 보증할 수 있는 제품을 개발하였다. 또한, 레일체결장치의 신뢰성등가시험을 설계하고 개발된 제품으로 신뢰성 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 레일체결장치가 설치되고 열차가 운행되기 시작한 시점을 근거로 사용 년수별로 각 호선별로 구간을 설정하여 사용제품을 수거하였다. 사용제품 수거는 총 2회에 걸쳐 수거를 하였으며 1차 수거 장소는 열차가 가장 많이 통과하는 구간을 우선적으로 선정하였으며, 2차 수거는 외부에 노출되어 있는 구간을 추가로 선정하여 사용품을 수거하였다.
- 레일체결장치를 구성하고 있는 7개의 부품들로 상기 3.1에서 계산된 부품의 목표수명인 B1수명 15년을 보증하기 위한 신뢰성 보증 시험을 설계하였다. 신뢰성 보증 시험을 설계하기 위해서 사용중인 제품을 수거하여 물리적 특성 분석 및 열화 메커니즘을 규명하였고 고장모드영향분석(FMEA)을 통해 고장 모드 및 주 고장 메커니즘을 규명하여 그에 맞는 가속수명시험을 실시하였다.
- 본 연구는 지식경제부에서 주관하는 부품 · 소재신뢰성기반기술확산사업의 일환으로 진행이 되었으므로 사업의 특성상 개발된 신뢰성 평가기법을 통해 신뢰성 평가기준(RS : Reliability Standard)를 마련하였으며, 한국화학융합시험연구원에서 도시철도용 레일체결장치 부품 중 가이드 플레이트, 나사 스파이크, 풀리우레탄 방진패드의 신뢰성 평가 기준을 그림 9.에서와 같이 제정하였다.
- 신뢰성을 향상시키고자 하는 레일체결장치는 레일패드 등 총 7개의 부품으로 이루어진 하나의 시스템으로 이루어지는 제품으로 목표수명을 정량적으로 제시할 필요가 있다. 본 연구에서는 레일체결장치의 정량적 목표수명을 B10 수명 15년으로 정하고 그에 대한 신뢰수준은 90 %이상으로 정하였다.
- 본 연구에서의 현장 측정은 총 2회에 걸쳐 시행하였으며 누적통과톤수가 오래된 구간인 2호선 한양대역 구내와 4호선 동대문역사문화공원～충무로역 구간으로 방진패드의 정적스프링계수에 따른 동적윤중과 궤도지기강성 변화 측정을 위해 방진패드를 교체해가며 측정하였다.
- 레일체결장치가 설치되고 열차가 운행되기 시작한 시점을 근거로 사용 년수별로 각 호선별로 구간을 설정하여 사용제품을 수거하였다. 사용제품 수거는 총 2회에 걸쳐 수거를 하였으며 1차 수거 장소는 열차가 가장 많이 통과하는 구간을 우선적으로 선정하였으며, 2차 수거는 외부에 노출되어 있는 구간을 추가로 선정하여 사용품을 수거하였다.
- 서울메트로에서 현재 사용되고 있는 레일체결장치인 Sytem 300을 선정하여 사용품의 평가 및 분석을 위해 일정 구간에서 사용되고 있는 제품을 수거하고 현장에 센서를 설치하여 열차가 통과할 때 발생되는 하중 등을 분석하기 위해 현장측정을 실시하였다.
- 1에서 계산된 부품의 목표수명인 B1수명 15년을 보증하기 위한 신뢰성 보증 시험을 설계하였다. 신뢰성 보증 시험을 설계하기 위해서 사용중인 제품을 수거하여 물리적 특성 분석 및 열화 메커니즘을 규명하였고 고장모드영향분석(FMEA)을 통해 고장 모드 및 주 고장 메커니즘을 규명하여 그에 맞는 가속수명시험을 실시하였다.
- 이는 탄성패드의 정적스프링계수가 클수록 탄성패드 자체의 변형량이 작아짐으로 인해 레일변위 및 레일패드 변위가 작아지고 레일패드부에서 발생하는 반력이 증가하기 때문에 나타나는 것으로 사료되며 이로 인해 레일체결장치 텐션클램프에 가해지는 하중이 증가할 것으로 예상되며 진동을 흡수하지 못하여 열차 하중이 그대로 도상에 전달될 수 있다. 이외에도 충격계수, 동적 궤도지지강성을 분석하여 자료화하고 레일체결장치의 신뢰성 설계에 반영하였다.
- 일반적으로 알려진 이론과 선행연구, 본 연구를 통해 밝혀진 연구 내용을 토대로 레일체결장치의 고장모드영향분석(FMEA : Failure Mode & Effect Analysis)을 실시하였다.
- 텐션클램프는 기존품과 개발품의 유한요소 해석을 실시하였으며 그 결과를 토대로 피로시험을 실시하여 S-N 선도를 구하였다. S-N선도에서 얻어진 특성 파라미터(parameter)를 활용하여 피로 메커니즘에 대한 가속 모델인 역승 모델(Inverse Power Law Model)을 이용하여 신뢰성 보증시험을 설계하였다.
대상 데이터
- 베이스플레이트는 신뢰성 보증시험에서 파괴가 되지 않았으나 나사스파이크는 기존 제품이 피로시험에서 파손이 일어났다. 기존 제품은 탄소강 20C인 제품이었으며 개선품은 탄소강 45C로 다시 제작하여 시험을 실시하였으며 10개 시험편 모두 신뢰성 보증시험을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 따라서 레일체결장치 구성품들을 Ri라 보고 레일체결장치를 시스템으로 봤을 때 총 7개의 부품 및 소재로 구성이 되어 있으며 레일체결장치의 정량적 목표수명을 B10 수명 15년으로 보증하기 위해서는 #이어야 하고 0.9<R7이므로 # 이상이어야 한다.
이론/모형
- 텐션클램프는 기존품과 개발품의 유한요소 해석을 실시하였으며 그 결과를 토대로 피로시험을 실시하여 S-N 선도를 구하였다. S-N선도에서 얻어진 특성 파라미터(parameter)를 활용하여 피로 메커니즘에 대한 가속 모델인 역승 모델(Inverse Power Law Model)을 이용하여 신뢰성 보증시험을 설계하였다.
- 수거된 사용 제품을 사용 연수별로 수거하여 신품과 사용 제품에 대한 레일체결장치의 정적, 동적 스프링계수를 서울메트로 시방서에 의하여 측정하였다. 그 결과 노선별에서는 2호선에서 스프링계수가 높은 것을 확인할 수 있으며 또한, 사용기간에 따라 스프링계수가 증가되었다.
- 이러한 결과를 토대로 온도와 반응속도의 관계식인 아레니우스 모형(Arrhenius model)을 이용하여 신뢰성 보증 시험을 설계하였다.
성능/효과
- 1) 사용품을 수거하여 정적 · 동적스프링계수를 시험 분석한 결과 1～4호선 중 2호선이 정적·동적스프링계수 결과가 높은 것을 확인하였으며, 사용기간에 따라 정적·동적스프링계수 결과가 높은 것으로 나타났다.
- 1차 현장측정을 통한 동적윤중 분석결과 도시철도 열차의 최대 동적윤중의 크기는 2.4～5.6 tonf로 분석되었다. 또한, 도표 2.
- 2) 현장측정 결과 콘크리트 슬래브 단차 및 침목간격이 긴 구간에서는 동적윤중 평균값이 증가하였으며 방진패드의 정적스프링계수가 높은 제품이 설치된 구간에서는 패드부의 최대 동적윤중 평균값과 레일변위 및 레일패드변위가 낮게 발생하여 진등을 흡수하지 못하는 것을 확인하였다..
- 2차 현장측정을 통한 방진패드별 정적스프링계수에 따른 동적윤중 분석결과 정적스프링계수에 큰 차이가 없는 신품, 고품#1, 고품#2의 최대 동적응답 평균값은 동일한 것으로 나타났다. 하지만 정적스프링계수가 가장 큰 고품#3에서는 레일중앙부 최대 동적윤중 평균값은 다른 제품과 동일하였으나, 레일패드부 최대 동적윤중 평균값과 레일변위 및 레일패드변위는 가장 낮게 발생하는 것으로 분석되었다.
- 3) 레일체결장치의 각 부품들의 신뢰성 보증시험을 설계하고 그에 따라 개발된 부품들을 시험한 결과 나사스파이크와 방진패드는 신뢰성 보증시험을 만족하지 못하여 소재 변경 및 배합 변경을 통해 신뢰성 보증시험을 모두 만족하는 결과를 얻었다.
- 4) 레일체결장치의 신뢰성등가시험을 설계하고 그에 따라 레일체결장치를 시험한 결과 2개의 체결장치 모두 1×107회의 피로시험을 통과하는 것을 확인하였다.
- 가이드 플레이트 및 매입전 소재로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 5개의 인장 시험편으로 100℃의 열 열화 조건에서 250 시간 동안 시험한 후 인장시험을 통해 신장률을 체크하여 5개의 인장강도 변화율 결과값이 -45 %이내가 4개 이상(고장수 1개 이하)이면 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15 년을 보증할 수 있다.
- 5 ㎜의 sine 파형으로 5 ㎐의 주파수에서 5×106 회 피로시험을 실시하여 2개의 시험편 모두 고장이 없을 경우 신뢰수주ns 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있다. 개발된 제품으로 위의 시험방법대로 시험한 결과 2개의 제품 시험편 모두 균열 및 파괴가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 그 결과 2 set 모두 1×107회 동안 나사 스파이크 및 텐션 클램프의 파손이나 가이드 플레이트의 파손, 레일의 이탈이 없었으므로 신뢰성 시험을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 수거된 사용 제품을 사용 연수별로 수거하여 신품과 사용 제품에 대한 레일체결장치의 정적, 동적 스프링계수를 서울메트로 시방서에 의하여 측정하였다. 그 결과 노선별에서는 2호선에서 스프링계수가 높은 것을 확인할 수 있으며 또한, 사용기간에 따라 스프링계수가 증가되었다.
- 6 tonf로 분석되었다. 또한, 도표 2.에서 보는바와 같이 신품과 고품의 동적윤중 평균값은 약 3.3 tonf이나 콘크리트 슬래브의 단차 및 침목간격이 길었던 고품#3의 경우에는 신품구간에서 측정된 동적윤중 평균값에 비해 약 25% 동적윤중이 증가는 것으로 분석되었다.
- 레일체결장치의 고장모드영향분석 결과 고장 등급에서 치명고장(Ⅰ)과 중대고장(Ⅱ)인 고장모드는 텐션클램프와 나사스파이크의 파괴와 강성 증가로 판단되었다. 텐션 클램프와 나사스파이크는 각 소재의 내피로성 결여로 인해 고장이 발생하는 것으로 추정되었으며 강성이 증가되는 것은 피로와 환경적인 요인에 의해 방진패드의 방진 기능이 결여되어 고장이 발생하는 것으로 추정되었다.
- 레일체결장치의 신뢰수준은 각 부품의 신뢰수준을 90%로 하여 수명시험을 통과하였을 경우, CL = 1 - (0.1)7 = 0.999999 에 의하여 99.99% 의 신뢰수준임을 확인할 수 있다.
- 레일패드 소재로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 33개의 인장 시험편으로 80℃의 열 열화 조건에서 600시간 동안 시험한 후 인장시험을 통해 신장률을 체크하여 33개의 신장률 변화율 결과값이 ±50 %이내가 32개 이상(고장수 1개 이하)이면 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있다.
- 레일패드의 주 고장요인은 균열 및 경화이며 고장 메커니즘은 고분자의 특성과 사용 환경을 고려하여 본 결과 열에 의한 노화가 발생하는 것으로 확인되었다.
- 현장에서 사용중인 레일패드로 정적 스프링계수를 측정하여 본 결과 사용기간과는 무관하게 스프링계수 값이 다른 것을 확인할 수 있었으며 물리적 특성 시험을 실시한 결과도 인장강도나 경도는 크게 변화된 것을 확인할 수 없었다. 반면 신장률이 사용기간이 경과함에 따라 약간 증가되는 것을 확인할 수 있었으나 이는 제품에서 시험편을 채취할 때 채취 위치가 신장률에 영향을 주는 것을 확인하였다.
- 상기에서 기술한 4.에서 소개된 바와 같이 레일체결장치를 구성하는 각 부품들의 목표수명을 평가할 수 있는 신뢰성 시험방법을 설계하였으며 시험 결과 개선제품 대부분 시험 결과를 만족하였으나 신뢰성 시험을 만족하지 못하는 부품에 대해서는 제품의 소재 변경 및 배합 변경을 통해 신뢰성 시험을 만족하는 제품으로 개선하였다. 레일체결장치의 각 부품들이 목표수명(B1 수명 15년)을 모두 만족하였으므로 수명이 보증된 부품들로 이루어진 system은 목표수명과 등가하는(동일한 수명만큼) 시험을 통해 system의 신뢰성을 보증할 수 있다.
- 레일체결장치의 고장모드영향분석 결과 고장 등급에서 치명고장(Ⅰ)과 중대고장(Ⅱ)인 고장모드는 텐션클램프와 나사스파이크의 파괴와 강성 증가로 판단되었다. 텐션 클램프와 나사스파이크는 각 소재의 내피로성 결여로 인해 고장이 발생하는 것으로 추정되었으며 강성이 증가되는 것은 피로와 환경적인 요인에 의해 방진패드의 방진 기능이 결여되어 고장이 발생하는 것으로 추정되었다.
- 텐션클램프 제품으로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 2개의 제품 시험편으로 시험진폭 ±1.5 ㎜의 sine 파형으로 5 ㎐의 주파수에서 5×106 회 피로시험을 실시하여 2개의 시험편 모두 고장이 없을 경우 신뢰수주ns 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있다.
- 폴리우레탄 방진패드 제품으로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 3개의 제품 시험편으로 70 ℃의 챔버안에서 (5～70) kN의 하중을 4 ㎐의 주기로 1×107회 동안 수명시험을 실시하여 3개 시험편 모두 고장이 발생하지 않으면 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있으며 개발된 제품으로 신뢰성 보증 시험 결과 3개 제품 시험편 모두 파괴가 되지 않았으며 정적 스프링계수 변화율이 150 %이내의 결과를 얻었다.
- 2차 현장측정을 통한 방진패드별 정적스프링계수에 따른 동적윤중 분석결과 정적스프링계수에 큰 차이가 없는 신품, 고품#1, 고품#2의 최대 동적응답 평균값은 동일한 것으로 나타났다. 하지만 정적스프링계수가 가장 큰 고품#3에서는 레일중앙부 최대 동적윤중 평균값은 다른 제품과 동일하였으나, 레일패드부 최대 동적윤중 평균값과 레일변위 및 레일패드변위는 가장 낮게 발생하는 것으로 분석되었다. 이는 탄성패드의 정적스프링계수가 클수록 탄성패드 자체의 변형량이 작아짐으로 인해 레일변위 및 레일패드 변위가 작아지고 레일패드부에서 발생하는 반력이 증가하기 때문에 나타나는 것으로 사료되며 이로 인해 레일체결장치 텐션클램프에 가해지는 하중이 증가할 것으로 예상되며 진동을 흡수하지 못하여 열차 하중이 그대로 도상에 전달될 수 있다.
- 현장에서 사용중인 레일패드로 정적 스프링계수를 측정하여 본 결과 사용기간과는 무관하게 스프링계수 값이 다른 것을 확인할 수 있었으며 물리적 특성 시험을 실시한 결과도 인장강도나 경도는 크게 변화된 것을 확인할 수 없었다. 반면 신장률이 사용기간이 경과함에 따라 약간 증가되는 것을 확인할 수 있었으나 이는 제품에서 시험편을 채취할 때 채취 위치가 신장률에 영향을 주는 것을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 본 연구를 통해 도시철도 운행선에서 사용되는 레일체결장치용 각 부품들과 레일체결장치의 보증수명 설계 기법을 제안함으로써 국내 사용환경을 고려한 도시철도용 레일체결장치의 성능을 한 단계 업그레이드 시킬 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
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