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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.2 pp.57-65
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.2.057

A Study on the Effect of Changes in Chevron Rubber Characteristics on the Vibrational Ride Comfort Level of a Subway Vehicle

Nam Cheol Park*, Jeong Seo Koo*#
*Department of Rolling Stock System, Seoul National University of Science & Technology.
Corresponding Author : koojs@seoultech.ac.kr+82-2-970-6878, +82-2-978-6878
September 12, 2015 November 17, 2015 December 1, 2015

Abstract

The suspension system of a subway vehicle is composed of 1st and 2nd springs. The suspension system is the most important parameter in determining the vibration ride comfort. If the 1st suspension spring is designed as a spring with strong stiffness to improve the running stability at high speed, it causes vehicle vibrations. In this paper, by testing and analyzing changes of the characteristics of Chevron springs, which have been the primary suspension springs used for about 20 years, we study how changing the characteristics affects vehicle acceleration and ride comfort. The lateral and longitudinal vibrational ride comfort index levels were lower than the vertical ones. Therefore, as increasing the stiffness of Chevron springs has the greatest effect on the vertical vibrational ride comfort index level, a countermeasure for vertical vibration reduction is needed when the stiffness increases owing to aging. Finally, maintenance guidelines, including the replacement time for the Chevron rubber, were proposed based on these findings.


도시철도차량 세브론 고무 특성 변화가 진동승차감 레벨에 미치는 영향 연구

박 남철*, 구 정서*#
*서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 도심구간의 전기 철도는 환경 친화적이며 회생에너지 이용 등으로 에너지를 유효하게 이용 할 수 있는 공공교통 수단으로서 안전성과 신속 성, 정시성, 편의성 등 여러 가지 이점을 갖고 있 어 수송 인원은 해마다 증가하고 있다. 하지만 도 시철도의 운행 환경을 보면 호선별 조건에 따라 약간씩 다르나 최고속도가 약 70~80Km/h 정도로 비교적 저속 운행하고 있는데도 불구하고 도심구 간 지하로 통과하는 곡선부가 많아 운행 중 차륜 과 레일의 스킬소음과 진동이 객실 내에서 크게 느껴질 수 있다.

    도시철도 차량이 한층 더 발전되어 이용자에게 쾌적한 교통수단으로 자리 잡기 위해서는 도시철 도가 안고 있는 가장 큰 과제 중의 하나인 진동, 소음에 관한 다양한 문제들을 적절히 극복해 승차 감을 향상시키고 또한 이들 부품에 대한 신뢰성을 확보하여야 할 것이다. 철도차량의 진동, 소음을 감소하기 위해 현가장치에 사용되는 방진고무 부 품은 차량 수명동안 정숙성 및 승차감을 유지하고 높은 신뢰성이 요구되고 있는 부품 중의 하나지만 고무재료의 고유한 특성으로 인하여 다른 금속재 료에 비해 비교적 큰 물성치의 편차를 지니고 있 으면서 특성시험의 재현성도 좋지 않아 차량 및 부품의 신뢰성 설계 및 평가가 어려운 부품으로 알려져 있다.[1]

    차량의 제작사는 고무부품의 강성을 미리 계산 하여 최적의 승차감과 차륜에 미치는 주행안정성 을 파악한 후 현가장치를 구성하고 있으나 실제 차량의 운행환경에서는 고무부품의 강성이 이론적 인 설계치와 상이하게 나타날 수 있어 현차에서의 특성 변화 측정이 필요하다.[2] 본 연구에서는 약 20년 사용한 전동차의 1차 현가장치인 세브론 고 무의 특성변화 상태를 조사 분석하고 이 특성변화 가 차량의 진동가속도 및 승차감 레벨을 얼마나 변화시켰는지를 연구 분석함으로써 세브론 고무 교체시기 도래 연구 등 유지보수 방향을 제시하고 자 하였다.

    2.진동 및 승차감 측정이론

    2.1진동 측정

    진동 평가는 가중화된 가속도의 실효값 측정을 항상 포함하여 평가하여야 하며 가중화된 가속도 실효값을 병진 진동은 m/s2로, 회전 진동에 대해 서는 rad/s2으로 표시하며, 식(2.1) 에 의해 계산한 다.[3]

    a ω = [ 1 T a T a ω 2 ( t ) d t ] 1 2
    (2.1)

    a :

    진동가속도

    aw(t) :

    시간영역의 함수로서 병진 또는 회전 진동의 가중화된 가속도(m/s2, rad/s2)

    T :

    측정시간으로서 단위는 초(s)

    진동의 측정은 산출한 도시철도 차량기술기준의 진동 및 승차감 측정에서 명시된 기준으로 차체에 서 측정한 상하방향과 좌우방향 진동가속도를 전 진폭(Peak‐to‐Peak) 평가법으로 평가하며, 진동 평 가 절차는 Fig. 1과 같이 측정된 진동가속도 신호 와 주행 속도를 이용하여 10Hz 저역 통과 필터를 거쳐, 100m 단위로 최대 전진 폭을 산출하며, 해 당 주행속도와 함께 저장하여 5km/h의 단위로 최 대 전진 폭의 산술 평균값을 시험결과에 대한 평 가 레포트로 산출한다.[4] 또한, 좌우 및 수직방향 차체 진동가속도 평가기준과 비교하여 시험차량의 진동 수준을 비교 평가한다.

    도시철도차량의 횡방향 차체 진동 기준은 Fig. 2, Fig. 3과 같이 진동가속도가 80Km/h속도에서 0.175g 미만이어야 하고, 수직방향 차체 진동 기 준은 Fig. 2, Fig. 3 그래프에 의해 80Km/h속도에서 0.25g 미만이어야 한다.

    2.2승차감 측정

    승객이 느끼는 쾌적함의 정도를 나타내는 승차 감 요소는 승객의 중요한 요구사항으로 인식되고 있으며, 이러한 승차감 측정 및 평가 방법은 국제 기준 ISO2631과 UIC513R을 혼용하여 사용하게 주로 되는데, 두 규격에서 제시하는 측정방법과 보정곡선 함수에 의한 가중값은 유사하지만 평가 기준의 경우 두 규격에서 제시하는 방법은 차이가 있다. 또한 ISO 2631에서는 진동가속도의 실효값 을 사용하여 산출된 승차감 레벨을 승차감 수준으 로 표현하며, UIC513R은 승차감 지수를 사용하여 승차감 수준을 나타낸다. 승차감과 관련된 KS규 격에서는 국내의 철도차량에서 일반적으로 UIC와 ISO 평가법을 혼용하여 제시하고 있다. 국내에서 운행되고 있는 객차의 승차감 시험은 KS R 9216 규격에서 ISO 평가법에 따라 승차감 레벨을 이용 하여 승차감 수준을 평가하도록 규정하고 있다. 승차감 레벨 산출은 식(2.2)와 같다.[5]

    L e q ( d B ) = 20 · L o g A ω A r e f
    (2.2)

    Leq는 승차감 레벨, Aω는 의자에서 측정한 진동가 속도 값, Aref는 진동 기준값으로 ISO‐2631에서는 10-6(m/s2)을, 일본은 10-5(m/s2)를 적용하고 있으며, Aω는 0.5~80Hz 대역으로 감각 보정한 진동 가속도 의 실효값을 표시하며, 열차 등급에 따라 적용기 준을 상이하게 정하여 성능평가 항목으로 적용하고 있다. 철도차량의 진동가속도를 측정한 후 승차감 레벨과의 상관관계는 Fig. 4와같이 표현된다.[3]

    3.세브론 고무 강성변화에 따른 진동측정

    3.1세브론 고무의 물리적 특성

    세브론 고무 스프링은 종방향(Longitudinal), 횡방 향(Lateral), 수직방향(Vertical)의 강성(Stiffness)이 서로 연성(Coupled)으로 결합되어 있어 독립적인 강성 선택이 어려우며, 수직축으로 90°에서 140°사 이의 각으로 고정되고, Fig.5 처럼 압축과 전단력을 받는다. 횡방향, 종방향 강성은 수직방향 처짐에 따 라 변할 수 있으며, 두 개의 세브론 탄성 중심이 저 널 중심 높이에 위치 할 경우 종방향 강성이 작용 하고, 탄성 중심이 저널 위 또는 아래에 있을 경우 에는 종 방향 강성이 감소할 수 있다. 따라서 세브 론 고무 스프링의 특성에 영향을 주는 주요 설계 변수는 적층 고무의 물성, 고무의 두께, 중앙 여유 공간의 유무 및 세브론 각 등이 영향을 미치는 요 소이다.[6] Fig. 6

    1차 현가장치는 주행속도에 미치는 영향이 큰 장 치이며, 세브론 고무의 강성은 Table 1과 같이 만차 에서 종방향 강성(Longitudinal Stiffness)이 횡방향 강 성(Lateral Stiffness) 보다 22.8kN/mm 높고, 수직방향 강성(Vertical Stiffness)보다 8.8kN/mm 높아 직선 구 간에서의 주행속도는 높일 수 있지만 곡선 주행시 횡압 및 차륜과 레일의 마모를 증가시킬 수 있다.[6] 장기간 사용한 전동차의 1차 현가장치인 세브론 고무의 물리적 특성 변화가 진동에 미치는 영향과 주행 중 진동승차감에 미치는 영향을 분석하고자 20년 사용한 세브론 고무 512개 자유고 높이를 1mm 단위로 측정한 결과 Fig. 7과 같이 330.0에서 330.9mm 사이가 107개로 약 20% 정도 분포되어 가장 많은 비중을 나타내었으며 평균은 329.3mm로 서 초기 신품 설치시의 높이에서 24.7mm가 축소 되어 안전상 관리를 위해 교환해야 하는 교환기준 인 324.75mm에 4.55mm여유를 가지고 있는 것으 로 측정되었다.

    세브론 고무 수직방향 변화량 측정은 세브론 고무 제작사인 스웨덴 TRELLEBORG사의 측정장비로 강 성 변화량을 측정하였으며, 측정 계산방법은 장착된 세브론 고무의 수직방향으로 0에서 120kN의 압축력 을 작용시킨 후 세브론 고무의 감쇄량을 확인하였다.

    제작사에서 제시한 수직방향 압축력 40kN을 작용 시켰을 때 세브론 고무 감쇄량은 20mm, 20년 사용한 4set를 샘플링하여 강성을 측정한 결과 Fig.8 과 같이 13mm에서 15mm사이로 측정되었으며, 측정결과는 Table. 2와 같이 제작사에서 제시하는 기준 2.0kN/mm 보다 약 30% 높은 2.695kN/mm로 확인되었다. 따라서 세브론 고무 자유고 높이는 품질 기준치를 벗어나지 않았지만 강성(Stiffness)은 제작사에서 권고하는 기준 치 2.0kN/mm ±10%를 초과하고 있었다.

    3.2진동 측정

    고무부품이 철도차량의 진동에 미치는 영향은 차량 의 고유진동과 궤도 노반의 상호 운동의 형태에 따라 동적인 특성이 매우 다양하게 변화한다. 진동 측정시 제반 조건을 모두 다 만족한 상태에서 강성의 변화전, 후의 진동측정은 현실적으로 어렵다. 따라서 본 연구 에서는 동일구간 세브론 고무 강성 변화 전,후의 진 동을 객차 진동성능 기준에 의해 횡방향(Y)과, 수직방 향(Z)의 진동을 측정하고자 5호선 상일동역에서 장한 평역까지 10개역 구간에 대해 Fig. 9와 같이 속도센서와 진동가속도 센서를 설치하여 측정한 후, 진동 데이터 처 리는 분석구간 주행거리를 100m 단위로 구분하고, 저 주파 대역필터를 사용하여 각 구간 내의 진동 가속도의 진 폭(Peak‐Peak) 중 최대치의 고주파 성분을 제거하였으 며 측정구간의 평균 속도를 산출하여 차량속도를 5km/h 단위로 속도 대역을 구분 한 후 최대 전진폭의 평균치를 구하여 중력 단위인 2a[g]로 표시하였다.

    진동측정 결과는 Table 3과 같이 측정되었으며, 강성의 변화 전,후의 횡방향 진동가속도는 Fig. 10 과 같이 강성이 2.0kN/mm 일 때에는 평균 0.074g 로, 2.7kN/mm일 경우는 0.082g로 측정되었다. 따 라서 증가분이 0.008g(10.8%)인 것을 알 수 있다. 그리고 수직방향 진동가속도는 Fig. 11과 같이 강성 이 2.0kN/mm일경우 평균 0.077g이었고 2.7kN/mm 에서는 0.122g로 0.045g(58%)정도 증가함을 확인 하였다. 특히, 강성이 2.7kN/mm상태에서 수직방향 진동가속도가 주의단계까지 증가함을 확인하였다.

    4.진동 승차감 측정

    4.1측정 구간 및 특정시스템

    진동 승차감 측정은 Fig. 12와 같이 서울 도시철 도 5호선 장한평역부터 천호역까지 4구간을 샘플 측정 대상으로 선정하여 구간마다 출발 후 약 65~75km/h까지 속도를 증가시켜 세브론 고무 강성 변화 전, 후에 대하여 측정을 실시하였다.

    또한 진동 승차감 측정 장비는 VM53A 모델을 사 용하여 종방향(X), 횡방향(Y), 수직방향(Z)에 대해 Fig.13과 같이 측정 장비를 설치하여 진동 승차감 측정을 실시하였다.

    4.2종방향(X) 진동승차감 레벨

    종방향(X) 진동승차감 레벨(dB) 측정결과는 Fig. 14 와 같이 측정되었으며 80dB 이상인 구간의 값 을 수직방향 강성이 2.0kN/mm 일 때 측정한 값과 2.7kN/mm일 때 측정한 값을 각각 평균해서 Table 4와 같이 비교한 결과 강성이 2.0kN/mm인 세브론 고무의 종방향(X) 승차감 레벨 평균은 84.1dB이고 강성이 2.7kN/mm에서는 85.2dB로 1.1dB가 증가된 것으로 확인되었다. 따라서 피크값은 강성이 2.0kN/mm일 경우 90dB 이상으로 측정된 것이 총 14회이고, 최대피크는 94.9dB였으며, 2.7kN/mm에 서는 90dB이상으로 측정된 것이 25회이고, 최대값 은 95.3dB를 나타내어 세브론 고무 사용연수가 경 과된 제품에서 종방향(X) 진동승차감 레벨과 피크 값이 높게 측정되었다. 따라서 Table 4처럼 진동 승차감레벨의 변화는 사용연수 증가 시 피크 값이 증가함을 확인하였다.

    4.3횡방향(Y) 진동승차감 레벨

    횡방향(Y) 진동승차감레벨(dB)을 측정한 결과 Fig. 15의 그래프처럼 측정되었으며 70dB이상의 평균값을 기준으로 분석한 결과 Table 5에 나타 난 결과처럼 세브론 고무 강성이 2.0kN/mm일 경 우 69.1dB, 강성이 2.7kN/mm일 경우 71.5dB로 측 정되어 2.4dB정도 증가하였다. 전체적인 진동승차 감 레벨 수준은 종방향(약 80dB)값에 비해 약 10dB정도 낮은 레벨을 나타내었다. 세브론 러버 뿐만 아니라 2차 현가장치인 공기스프링과 횡 댐 퍼에 의해서 횡진동을 감소시켜 승차감을 안정화 하는 기능이 있음을 확인 할 수 있었다.

    진동승차감 레벨 피크 값은 2.0kN/mm일 경우 80dB 이상 6회, 최대 값은 83.0dB로 나타났으며, 2.7kN/mm일 경우 80dB이상 값이 9회 측정되어 강 성 증가 시 피크 값이 증가 되는 것을 확인하였다.

    4.4수직방향(Z) 진동승차감

    수직방향(Z) 진동승차감 레벨(dB)은 세브론 고 무 강성이 2.0kN/mm일 경우, 구간별 전체평균이 79.6dB이고, 세브론 고무 강성이 2.7kN/mm일 경우 는 82.1dB로 측정되어, 강성 증가시 진동승차감은 2.5dB 증가되는 것을 확인하였으며, 구간별 수직 방향 진동승차감 변화량은 Fig. 16 그래프와 Table 6과 같다. 또한 피크 값은 세브론 고무 강성이 2.0kN/mm일 경우 85dB 이상 값은 총 8회, 최대값 은 90.8dB로 측정되었고, 세브론 고무 강성이 2.7kN/mm일 경우 진동승차감 레벨이 85dB 이상인 경우가 28회 발생되었으며 85dB 이상일 경우가 2.7kN/mm 인 경우 보다 85dB 이상 값이 20회이상 발생하였다.

    5.결 론

    본 연구에서는 1차 현가장치로 사용하는 도시철 도 차량의 세브론 고무 강성 변화가 주행 중 진동 승차감에 미치는 영향을 분석하기 위해 세브론 고 무 강성의 변화정도에 따라 차량의 진동가속도와 진동승차감 레벨이 변화되는 정도를 분석한 결과 다음과 같은 연구결과를 얻었다.

    첫째, 약 20년 사용한 세브론 고무의 자유고 높이 는 초기 자유고 높이 354mm보다 평균 약24.7mm 가 축소되어 329.3mm이며 품질관리 기준 최저 높이 324.7mm보다 4.6mm정도 여유가 있었으며, 수직방향 강성은 초기 설계 값 2kN/mm(±10%) 보 다 34.75% 증가된 2.695kN/mm로서 세브론 고무의 자유고 높이는 품질관리 기준을 초과하지 않으나, 강성은 제작사 권고치를 초과하였음을 확인하였다.

    둘째, 세브론 고무의 수직방향 강성변화(2.0→ 2.7kN/mm, 35%)에 따른 속도별 평균 최대 진동가 속도는 횡방향(Y)의 경우 0.008g(10.8%) 증가하였 으며, 수직방향(X)은 0.045g(58%) 증가되었다. 따 라서 열차 주행 안전성과 상관관계가 유의미한 횡 방향 최대 진동가속도는 기준 범위 이내에 있는 것으로 확인되었으며, 세브론 고무의 강성이 2.7kN/mm일 경우에 승객 승차감과 상관관계가 높 은 수직방향 최대 진동가속도 레벨은 측정대상 중 일부가 경계 수준에 근접하여 도입 후 20년 경과 품 중 일부는 교체시기가 도래되었음을 확인할 수 있었다.

    셋째, 전동차 진동승차감 레벨 측정결과, 세브론 고무 신품이 설치된 전동차의 경우 수직방향 진동 승차감 레벨은 79.6dB이나, 20년 사용 후는 82.1dB로 나타 나 약2.5dB정도 증가하였고, 종방 향은 84.1dB에서 1.1dB 증가하였으며, 횡방향은 약 70dB레벨 수준에서 2.0dB 증가하여 세브론 고 무의 강성 증가는 수직방향 진동승차감 레벨에 가 장 영향이 크게 미치므로 강성 증가 시 수직방향 진동 저감 대책이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 변화가 적은 횡방향 진동승차감은 추가적 인 연구가 필요함을 알 수 있었다.

    후 기

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사 업의 연구비지원(15CTAP-C077444-02)에 의해 수 행되었습니다.

    Figure

    KSMPE-15-57_F1.gif
    Vibration Evaluation Flow Chart
    KSMPE-15-57_F2.gif
    Evaluation Criteria for the Lateral Vibration Acceleration
    KSMPE-15-57_F3.gif
    Evaluation Criteria for the Vertical Vibration Acceleration
    KSMPE-15-57_F4.gif
    Vibration Acceleration and Rides Comfort the Reference Value Comparison
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    Characteristics of the Chevron Rubber
    KSMPE-15-57_F6.gif
    Installed Chevron Rubber Spring
    KSMPE-15-57_F7.gif
    Chevron Spring Height Measurement Results
    KSMPE-15-57_F8.gif
    Chevron Rubber Stiffness Measurement Result
    KSMPE-15-57_F9.gif
    Vibration Measurement Equipment Installation
    KSMPE-15-57_F10.gif
    Lateral Vibration Acceleration Measurement Result
    KSMPE-15-57_F11.gif
    Vertical Vibration Acceleration Measurement Result
    KSMPE-15-57_F12.gif
    Interval Velocity Curve(SEOUL Subway Line5)
    KSMPE-15-57_F13.gif
    Ride Comfort Measurement Installed Photo
    KSMPE-15-57_F14.gif
    Longitudinal Ride Comfort Level Measurement Result(SEOUL Subway Line5)
    KSMPE-15-57_F15.gif
    Lateral Ride Comfort Level Measurement Result(SEOUL Subway Line5)
    KSMPE-15-57_F16.gif
    Vertical Ride Comfort Measurement Result(SEOUL Subway Line5)

    Table

    Stiffness Characteristics of the Chevron Rubber
    Stiffness Measurement Result
    Acceleration Measurement Result
    Longitudinal ride comfort measurement average
    Lateral Ride Comfort Measurement Average
    Vertical Ride Comfort Measurement Average

    Reference

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