† 교신저자, 서울메트로 기술연구소, 책임연구원 E-mail : [email protected] * 한국화학융합시험연구원 신뢰성본부, 선임연구원 ** 서울메트로 기술연구소, 선임연구원 *** 한국화학융합시험연구원 신뢰성본부, 책임연구원 **** 서울메트로 기술연구소, 수석연구원
철도용 레일체결장치 부품․소재의 실험적 연구를 통한 신뢰성 설계 방안
The Reliability Design Method According to the Experimental Study of
Components and Materials of Railway Rail Fastening System
김효산† 박준형* 정명렬** 박광화*** 이달재****
Hyo-San Kim Joon-Hyung Park Myung-Ryule Kim Kwang-Hwa Park Dal-Jae lee
ABSTRACT
Railway rail fastening system is the critical device which gives big influences to not only the vehicle driving stability and the orbit's structural stability against the impulsive load, but also the noise vibration and the ride comfort. As a part of the low-carbon green growth, the importance of the railroad industry is getting highlights on its excellent energy-efficiency and eco-friendliness. However, so far the Korea's domestic rail fastening system technology is not so good and the technical reliance to abroad is very heavy.
In this study, we conducted comparative analysis on the rail fastening system with new and used one of the same type. And those systems are imported by Seoul Metro and are being used by it. With this basis, we developed the components and the materials and then, established the durability assessment methods appropriate to the Korean domestic circumstances. And through the reliability qualification test on the 7 parts of the rail fastening system, we've improved the reliability and guaranteed the 15 years of service lifetime. () Establishment and standardization of Reliability Standard on the parts of the rail fastening system
such as anti-vibration pads, guide-plate, screw spike made it possible to perform the internationally fair assessment. And it is thought that we can satisfy the manufactures’ and consumers’ needs of cost-cutting and qualification security by shortening of assessment period on rail fastening system.
1. 서론 철도용 레일체결장치는 차량의 주행 안전성과 충격하중에 대한 궤도의 구조적 안정성뿐만 아니라 소 음 진동 및 승차감 등에 큰 영향을 주는 핵심 장치이다. 저탄소 녹색성장의 일환으로 에너지 효율성 및 친환경성이 우수한 철도산업의 중요성이 부각되고 있으나 아직까지 국내 레일체결장치의 기술은 미미하 여 국외의 기술의존도가 매우 높은 실정이다. 하지만 지속적인 연구 및 개발로 국내 궤도와 열차특성에 맞는 제품들이 개발되었으나 레일체결장치 가 개발되어 사용된 기간이 짧아 내구성 검증을 위한 시험방법은 선진국 규격을 그대로 사용하는 것이 일반적이며 최근에는 한국철도표준규격(KRS) 등 레일체결장치의 성능에 대한 평가를 할 수 있는 규격 이 제정되면서 많은 레일체결장치들이 한국철도표준규격에 맞춰 소재의 품질시험 및 체결장치의 성능시 험을 실시하고 있다[1]. 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.
구분 샘플 채취 구간 채취일 1차 종로5가～동대문 상선 ‘09년 9월 한양대 역구내 외선 ‘09년 9월 을지로3가～충무로 하선 ‘09년 9월 충무로～명동 하선 ‘09년 9월 2차 창동역 구내 ‘10년 3월 동호철교 하선 ‘10년 3월 한양대역 ‘10년 3월 도표 1. 사용제품 샘플채취 현황 2. 레일체결장치 사용품의 평가 및 분석 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 발생되 는 하중 등을 분석하기 위해 현장측정을 실시하였다. 2.1 사용제품 수거 레일체결장치가 설치되고 열차가 운행되기 시작한 시점 을 근거로 사용 년수별로 각 호선별로 구간을 설정하여 사용제품을 수거하였다. 사용제품 수거는 총 2회에 걸쳐 수거를 하였으며 1차 수거 장소는 열차가 가장 많이 통과 하는 구간을 우선적으로 선정하였으며, 2차 수거는 외부에 노출되어 있는 구간을 추가로 선정하여 사용품을 수거하 였다. 수거된 사용 제품을 사용 연수별로 수거하여 신품과 사 용 제품에 대한 레일체결장치의 정적, 동적 스프링계수를 서울메트로 시방서에 의하여 측정하였다. 그 결과 노선별 에서는 2호선에서 스프링계수가 높은 것을 확인할 수 있으며 또한, 사용기간에 따라 스프링계수가 증가 되었다.
3 Line 4 Line 1 Line 2 Line New
0 10 20 30 40 50 St ati c (P roduct ) ( k N/ mm ) Subway Line Static(Product) Dynamic(Product) 0 20 40 60 0 20 40 St ati c (P roduct ) ( k N/ mm ) Use Month Static(Product) Dynamic(Product) 그림 1. 지하철 노선별 및 사용기간 별 정적, 동적 스프링계수 측정 결과 2.2 현장 측정을 통한 레일체결장치의 작용하중 분석 레일체결장치에는 열차의 중량, 운행속도 등에 의해 불규칙적인 반복하중이 작용하게 되어 설계하중 과는 다른 하중이 작용하기 때문에 실제 사용조건에서의 측정이 필요하다. 본 연구에서의 현장 측정은 총 2회에 걸쳐 시행하였으며 누적통과톤수가 오래된 구간인 2호선 한양대 역 구내와 4호선 동대문역사문화공원～충무로역 구간으로 방진패드의 정적스프링계수에 따른 동적윤중 과 궤도지기강성 변화 측정을 위해 방진패드를 교체해가며 측정하였다. 구 분 신품 고품 #1 고품 #2 고품 #3
동적윤중평균 3.39 tonf 3.37 tonf 3.28 tonf 4.27 tonf
신품 : 고품 - 99.41 96.75 125.95
2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 O LD #2(C H 3) M ean : 3.28 S D : 1.20 N E W #1(C H 2) M ean : 3.39 S D : 0.84 O LD #1(C H 1) M ean : 3.37 SD : 1.28 O LD #1 (C H 1) N E W #1 (C H 2) O LD #2 (C H 3)
Wheel Load (tonf)
Fre quenc y 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 O LD #2(CH 3) M ean : 3.43 SD : 0.67 OLD #3(C H 4) M ean : 4.27 SD : 1.58 OLD #2 (CH 3) OLD #3 (CH 4)
Wheel Load (tonf)
F re que nc y 그림 2. 1차 현장측정에 따른 동적윤중 비교 (신품과 고품 비교(좌), 단차발생구간 비교(우)) 1차 현장측정을 통한 동적윤중 분석결과 도시철도 열차의 최대 동적윤중의 크기는 2.4～5.6 tonf로 분 석되었다. 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. 구분 내 측 외 측 레일 중앙부 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 OLD #1 (Mean : 49.8 , SD : 1.91) OLD #2 (Mean : 49.6 , SD : 2.06) OLD #3 (Mean : 49.7 , SD : 1.63) NEW #1(Mean : 48.9 , SD : 1.17) Fre q u e nc y Wheel load(kN) 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 OLD #1 (Mean : 49.2 , SD : 1.49) OLD #2 (Mean : 48.6 , SD : 1.79) OLD #3 (Mean : 46.8 , SD : 1.75) NEW #1(Mean : 46.6 , SD : 1.40) Fre q u e nc y Wheel load(kN) 레일 패드부 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 OLD #1 (Mean : 28.1 , SD : 1.13) OLD #2 (Mean : 26.7 , SD : 1.13) OLD #3 (Mean : 16.2 , SD : 0.77) NEW #1(Mean : 28.2 , SD : 1.05) Fre q u e nc y Wheel load(kN) 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 OLD #1 (Mean : 31.3 , SD : 0.81) OLD #2 (Mean : 29.5 , SD : 1.10) OLD #3 (Mean : 20.3 , SD : 0.61) NEW #1(Mean : 30.1 , SD : 0.09) Fre q u e nc y Wheel load(kN) 그림 3. 2차 현장측정에 따른 동적윤중 평균값 분석 2차 현장측정을 통한 방진패드별 정적스프링계수에 따른 동적윤중 분석결과 정적스프링계수에 큰 차 이가 없는 신품, 고품#1, 고품#2의 최대 동적응답 평균값은 동일한 것으로 나타났다. 하지만 정적스프링 계수가 가장 큰 고품#3에서는 레일중앙부 최대 동적윤중 평균값은 다른 제품과 동일하였으나, 레일패드 부 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 인 해 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.
도표 3. 최대 동적응답의 평균값 비교(내측) 구분 신품 고품 #1 고품 #2 고품 #3 정적스프링계수 (kN/mm) 17.5 20.48~25.18 24.00~35.18 160.30~186.70 최대 동적윤중 평균값(kN) (레일중앙부) 48.9 49.8 49.6 49.7 최대 동적윤중 평균값(kN) (레일패드부) 28.2 28.1 26.7 16.2 최대 레일변위 평균값(mm) (레일중앙부) 0.64 0.60 0.58 0.12 최대 레일패드변위 평균값(mm) (레일패드부) 0.64 0.62 0.60 0.14 3. 레일체결장치의 신뢰성 보증설계 3.1 System의 신뢰도 신뢰성을 향상시키고자 하는 레일체결장치는 레일패드 등 총 7개의 부품으로 이루어진 하나의 시스템 으로 이루어지는 제품으로 목표수명을 정량적으로 제시할 필요가 있다. 본 연구에서는 레일체결장치의 정량적 목표수명을 B10 수명 15년으로 정하고 그에 대한 신뢰수준은 90 %이상으로 정하였다. 신뢰성 공학의 시스템의 신뢰도를 고려하면 레일체결장치는 직렬 시스템의 제품이므로 각 구성품들 중 1개라도 고장이 나면 전체의 시스템인 레일체결장치가 고장으로 간주되며 시스템의 신뢰도를 고려한 정량적 수명이 설계되어야 한다. 그림 4. 직렬 시스템 신뢰도의 개략도 각 구성품의 신뢰도를 R i라 하고 R i가 모여 하나의 시스템이 되었을 때 시스템의 신뢰도를 R s라 한다면 R s= R 1×R 2×R 3×⋯×R n이며 최종 시스템의 신뢰도는 R s=
∏
n i = 1R i 와 같다. 따라서 레일체결장치 구성품들을 R i라 보고 레일체결장치를 시스템으로 봤을 때 총 7개의 부품 및 소재로 구성이 되어 있으며 레일체결장치의 정량적 목표수명을 B10수명 15년으로 보증하기 위해서는 R s=∏
n i = 1R i= 0.9 < R 1×R 2×⋯×R 7 이어야 하고 0.9 < R 7 이므로 R > ( 0.9) 1 7 = 0.985 이상이 어야 한다. 즉, 각 부품의 신뢰도 R i=0.985 이상이어야 하므로 목표수명을 B1 수명(신뢰도 0.99)으로 설 계를 해야지만 시스템인 레일체결장치를 B10 수명 15년으로 보증할 수 있다. 그림 5. 레일체결장치 및 부품․소재 구성도레일체결장치의 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.
3.2 레일체결장치의 고장모드영향분석(FMEA)
일반적으로 알려진 이론과 선행연구, 본 연구를 통해 밝혀진 연구 내용을 토대로 레일체결장치의 고 장모드영향분석(FMEA : Failure Mode & Effect Analysis)을 실시하였다.
도표 4. 레일체결장치의 고장 모드 및 영향분석(설계 FMEA) [9] 부품 명 기능 고장모드 고장 추정원인 고장의 잠재적 영향 고장 검지법 고장 개선대책 중 요 도 발 생 빈 도 고 장 등 급 레일 체결 장치 열차 운행에 의해 발생되는 진동감쇠, 레일 휨 거동 제안, 레일회전 방지 텐션 클램프 파괴 내피로성 결여, 잔류응력 기계적 강도 저하, 설계 불량 고장분석 및 물성 측정 9 3 Ⅱ 설계변경 및 성형 가공 개선 나사 스파이크 파괴 내피로성 결여 기계적 강도 저하 피로시험 9 2 Ⅱ 소재 변경 강성 증가 내피로성 결여방진패드의 치수변화, 경도변화, 물리적 특성 변화 노화시험 후 물성측정 9 7 Ⅰ 배합설계 변경 레일의 이탈 텐션 클램프의 영구변형 및 가이드 플레이트 파괴 기계적 강도 저하 내오일시험 과 내습성 시험 후 물성측정 10 1 Ⅲ 설계 변경 및 성형가공 개선 전기에 의한 부식 전기저항 결여레일패드의 치수변화, 물리적 특성 변화 노화시험 후 물성측정 6 1 Ⅲ 소재 변경 슬래브 파괴 플레이트 파괴베이스 기계적 강도 저하 피로시험 5 1 Ⅲ 소재 변경 체결장치 이탈 매입전의 파괴 기계적 강도 저하 내오일시험 과 내습성 시험 후 물성측정 6 1 Ⅲ 설계 변경 및 성형가공 개선 ※ 중요도 : 기능적 고장의 영향에 따른 중요도에 따라 표시 : 임무달성불능(10)～임무에 전혀 영향 없음(1) ※ 발생빈도 : 고장 발생의 빈도에 따라 표시 : 10-2이상(10)～10-7이하(1) ※ 고장등급 : Ⅰ: 임무실패, 인명손실(치명고장 ～ Ⅳ: 영향 전혀 없음(미소고장) 레일체결장치의 고장모드영향분석 결과 고장 등급에서 치명고장(Ⅰ)과 중대고장(Ⅱ)인 고장모드는 텐 션클램프와 나사스파이크의 파괴와 강성 증가로 판단되었다. 텐션 클램프와 나사스파이크는 각 소재의 내피로성 결여로 인해 고장이 발생하는 것으로 추정되었으며 강성이 증가되는 것은 피로와 환경적인 요 인에 의해 방진패드의 방진 기능이 결여되어 고장이 발생하는 것으로 추정되었다. 4. 각 부품․소재의 신뢰성 보증 시험 레일체결장치를 구성하고 있는 7개의 부품들로 상기 3.1에서 계산된 부품의 목표수명인 B1수명 15년 을 보증하기 위한 신뢰성 보증 시험을 설계하였다. 신뢰성 보증 시험을 설계하기 위해서 사용중인 제품 을 수거하여 물리적 특성 분석 및 열화 메커니즘을 규명하였고 고장모드영향분석(FMEA)을 통해 고장 모드 및 주 고장 메커니즘을 규명하여 그에 맞는 가속수명시험을 실시하였다. 본 논문에서의 각 부품들의 신뢰성 보증 시험 소개는 최종 설계된 신뢰성 보증 시험을 소개하고 설계 된 신뢰성 시험을 실시하여 개발된 제품이 B1수명 15년을 만족하는지를 확인한 결과만 기술하였다. 4.1 레일패드의 신뢰성 보증 시험 현장에서 사용중인 레일패드로 정적 스프링계수를 측정하여 본 결과 사용기간과는 무관하게 스프링계 수 값이 다른 것을 확인할 수 있었으며 물리적 특성 시험을 실시한 결과도 인장강도나 경도는 크게 변
화된 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. 레일패드의 주 고장요인은 균열 및 경화이며 고장 메커니즘은 고분자의 특성과 사용 환경을 고려하여 본 결과 열에 의한 노화가 발생하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 토대로 온도와 반응속도의 관계식인 아레니우스 모형(Arrhenius model)을 이용하여 신뢰 성 보증 시험을 설계하였다. 도표 5. 레일패드의 신뢰성 보증 시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B1 수명 15년 15년 동안 100개 중 1개가 고장날 확률 신뢰수준 90 % 시험 시료 수 33개 고장 수 1개 이하 33개의 시료 중 고장판단 기준을 벗어나는 것이 1개 이하 열 노화시험 온도 80 ℃ 열 노화시험 조건 600 시간 고장판단 기준 초기 신장률의 ±50 % 물리적 특성의 저하로 인해 ±50 %이상 변화하면 고장으로 간주 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 결과 값이 ±50 %이내가 32개 이상(고장수 1개 이하)이면 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있다. 도표 5.에서의 신뢰성 시험 조건으로 레일패드 제품에서 인장시험편을 33개 채취하여 시험한 결과 그 림 6.에서 보는바와 같이 33개 시험편 모두 고장판정기준 이내이므로 신뢰성 보증 시험을 통과하였다. 5 10 15 20 25 30 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 critical point Percent age cha nge i n t ensi le s trengt h ( % ) Sample No. critical point Tensile strength change after ageing test of Rail pad
그림 6. 레일패드의 신뢰성 보증 시험 결과 4.2 텐션클램프의 신뢰성 보증 시험
텐션클램프는 기존품과 개발품의 유한요소 해석을 실시하였으며 그 결과를 토대로 피로시험을 실시하 여 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.
도표 6. 텐션클램프의 신뢰성 보증 시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B1 수명 15년 15년 동안 100개 중 1개가 고장날 확률 신뢰수준 90 % 시험 시료 수 2개 고장 수 무고장 2개의 시험편 모두 고장이 발생하지 않아야함. 피로시험 조건 Pre-disp. Amplitude : ±1.5 ㎜: 체결힘과 동일 높이
Frequency : 5 ㎐ Sine wave
피로시험 횟수 5×106 Cycle 고장판단 기준 균열 및 파단 피로시험 중 균열이 발생되거나 제품이 파괴되면 고장으로 간주 텐션클램프 제품으로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 2개의 제품 시험편으로 시험진 폭 ±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. 개발된 제품으로 위의 시험방법대로 시험한 결과 2개의 제품 시험편 모두 균열 및 파괴가 없는 것을 확인할 수 있었다. 4.3 가이드플레이트 및 매입전의 신뢰성 보증 시험 가이드플레이트와 매입전은 고분자(플라스틱)소재로 동일한 소재를 사용하고 있으며 가이드플레이트 의 경우는 강도를 보강하기 위해 유리섬유(Glass fiber)를 혼합하여 제조하고 있다. 가이드플레이트의 자 세한 신뢰성 설계방안은 “가이드플레이트 사용품의 실험적 연구를 통한 신뢰성 설계방안”[2] 논문에 기 술되어 있다. 도표 7. 가이드플레이트 및 매입전 소재의 성능열화 특성에 따른 신뢰성 보증 시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B1 수명 15년 15년 동안 100개 중 1개가 고장날 확률 신뢰수준 90 % 시험 시료 수 5개 고장 수 1개 이하 5개의 시료 중 고장판단 기준을 벗어나는 것이 1개 이하 열 노화시험 온도 100 ℃ 열 노화시험 조건 250 시간 고장판단 기준 초기 인장강도의 -45 % 물리적 특성의 저하로 인해 –45 % 이상 변화되면 고장으로 간주 가이드 플레이트 및 매입전 소재로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 5개의 인장 시험 편으로 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. 도표 7.에서의 신뢰성 시험 조건으로 가이드 플레이트 및 매입전 소재로 인장시험편을 5개 채취하여
시험한 결과 그림 7.에서 보는바와 같이 5개 시험편 모두 고장판정기준 이내이므로 신뢰성 보증 시험을 통과하였다. 그림 7. 가이드플레이트 및 매입전 소재의 신뢰성 보증 시험 결과 4.4 방진패드의 신뢰성 보증 시험 방진패드는 고분자(폴리우레탄)소재를 사용하고 있으며 방진 성능을 높이기 위해 고밀도 발포를 하여 제작되고 있다. 방진패드의 강성변화 분석기법 및 자세한 신뢰성 설계방안은 “레일체결장치용 폴리우레 탄 탄성패드의 강성변화 분석기법 연구”[3] 논문에 기술되어 있다. 도표 8. 방진패드의 신뢰성 보증 시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B1 수명 15년 15년 동안 100개 중 1개가 고장 날 확률 신뢰수준 90 % 시험 시료 수 3개 고장 수 무고장 3개의 시험편 모두 고장이 발생하지 않아야 함. 피로시험 조건 시험온도 : 70 ℃시험하중 : (5～70) kN
Frequency : 4 ㎐ Sine wave
피로시험 횟수 1×107 Cycle 고장판단 기준 균열 및 파손 없을 것정적 스프링계수 변화율 : 150 % 이내 피로시험 중 균열 및 파손이 발생되지 말아야 하며 또는 정적스프링계수 변화 율이 150 % 이상이면 고장 폴리우레탄 방진패드 제품으로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 3개의 제품 시험편으 로 70 ℃의 챔버안에서 (5～70) kN의 하중을 4 ㎐의 주기로 1×107회 동안 수명시험을 실시하여 3개 시 험편 모두 고장이 발생하지 않으면 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있으며 개발된 제품으 로 신뢰성 보증 시험 결과 3개 제품 시험편 모두 파괴가 되지 않았으며 정적 스프링계수 변화율이 150 %이내의 결과를 얻었다. 4.5 나사스파이크 및 베이스플레이트의 신뢰성 보증 시험 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 9. 나사스파이크 및 베이스플레이트의 신뢰성 보증 시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B1 수명 15년 15년 동안 100개 중 1개가 고장날 확률 신뢰수준 90 % 시험 시료 수 10개 고장 수 1개 이하 10개의 시험편 중 9개 시험편이 고장나지 말아야함. 피로시험 조건 시험하중 : (28～281) ㎫
Frequency : 5 ㎐ Sine wave
피로시험 횟수 2.56×106 Cycle 고장판단 기준 균열 및 파손 피로시험 중 균열이 발생되거나 제품이 파괴되면 고장으로 간주 나사스파이크 및 베이스플레이트는 강재로 15년에 등가하는 가속수명시험을 하기 위해서는 10개의 시 험편으로 시험응력 (28～281) ㎫의 응력을 5 ㎐의 주기로 2.56×106회 피로시험을 실시하여 고장수가 1개 이하일 경우 신뢰수준 90 %에서 B1수명 15년을 보증할 수 있다. 베이스플레이트는 신뢰성 보증시험에서 파괴가 되지 않았으나 나사스파이크는 기존 제품이 피로시험 에서 파손이 일어났다. 기존 제품은 탄소강 20C인 제품이었으며 개선품은 탄소강 45C로 다시 제작하여 시험을 실시하였으며 10개 시험편 모두 신뢰성 보증시험을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
5. 레일체결장치의 신뢰성 등가시험(RQT : Reliability Qualification Test)
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 만족하 는 제품으로 개선하였다. 레일체결장치의 각 부품들이 목표수명(B1 수명 15년)을 모두 만족하였으므로 수명이 보증된 부품들로 이루어진 system은 목표수명과 등가하는(동일한 수명만큼) 시험을 통해 system 의 신뢰성을 보증할 수 있다. 도표 10. 레일체결장치의 신뢰성 등가시험 설계 구 분 내 용 비 고 목표 수명 B10 수명 15년 15년 동안 100개 중 10개가 고장날 확률 신뢰수준 99.9 % 3.1 System의 신뢰도에서 계산된 신뢰수준 시험 시료 수 2개 고장 수 무고장 2 set의 레일체결장치 모두 고장이 나지 말아야 함. 피로시험 조건 시험하중 : (1～70) kNFrequency : 4 ㎐ - 피로 파형 : Sine wave - 시험하중은 동적윤중 평균값의 2.5배 - 시험 주파수는 실제 열차거동 시 발생 되는 주파수 적용 피로시험 횟수 1×107 Cycle 가속계수를 적용한 등가 피로시험 횟수 고장판단 기준 - 나사 스파이크의 파손 - 텐션 클램프의 파손 - 가이드 플레이트의 파손 - 레일의 이탈 레일체결장치의 FMEA를 통한 중요 고장등급에서 발생할 수 있는 고장 모드 선정
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 만족하 는 결과를 얻을 수 있었다. 그림 8. 레일체결장치 신뢰성 등가시험 장면 6. 레일체결장치용 부품의 신뢰성 평가기준 마련 본 연구는 지식경제부에서 주관하는 부품․소재신뢰성기반기술확산사업의 일환으로 진행이 되었으므 로 사업의 특성상 개발된 신뢰성 평가기법을 통해 신뢰성 평가기준(RS : Reliability Standard)를 마련하였 으며, 한국화학융합시험연구원에서 도시철도용 레일체결장치 부품 중 가이드 플레이트, 나사 스파이크, 풀리우레탄 방진패드의 신뢰성 평가 기준을 그림 9.에서와 같이 제정하였다. 그림 9. 신뢰성 평가기준 제정 7. 결론 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 부 품의 신뢰성을 보증할 수 있는 제품을 개발하였다. 또한, 레일체결장치의 신뢰성등가시험을 설계하고 개 발된 제품으로 신뢰성 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1) 사용품을 수거하여 정적․동적스프링계수를 시험 분석한 결과 1～4호선 중 2호선이 정적․동적스 프링계수 결과가 높은 것을 확인하였으며, 사용기간에 따라 정적․동적스프링계수 결과가 높은 것으로 나타났다. 2) 현장측정 결과 콘크리트 슬래브 단차 및 침목간격이 긴 구간에서는 동적윤중 평균값이 증가하였으 며 방진패드의 정적스프링계수가 높은 제품이 설치된 구간에서는 패드부의 최대 동적윤중 평균값과 레 일변위 및 레일패드변위가 낮게 발생하여 진등을 흡수하지 못하는 것을 확인하였다..
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 체결장 치 모두 1×107회의 피로시험을 통과하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 도시철도 운행선에서 사용되는 레일체결장치용 각 부품들과 레일체결장치의 보증수명 설계 기법을 제안함으로써 국내 사용환경을 고려한 도시철도용 레일체결장치의 성능을 한 단 계 업그레이드 시킬 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다. 감사의 글 본 연구는 지식경제부 부품․소재신뢰성기반기술확산사업의 연구비 지원에 의해 수행된 결과임을 밝 힙니다. 참고문헌 1. 권태수 외, “새로운 레일체결장치 개발에 관한 연구”, 한국철도학회, 한국철도학회 2000년도 추계학술 대회논문집, pp.319-327, 2000. 2. 박준형 외, “가이드플레이트 사용품의 실험적 연구를 통한 신뢰성 설계방안”, 한국철도학회 추계학술 대회논문집, pp.233, 2010. 3. 박광화 외, “레일체결장치용 폴리우레탄 탄성패드의 강성변화 분석기법 연구”, 한국철도학회 추계학술 대회논문집, pp.317, 2010. 4. 서울메트로, “레일탄성체결장치 표준규격서”, 2005. 5. 서정원 외, “철도차량 차륜의 구름접촉피로의 시험적 연구”, 한국철도학회 춘계학술대회논문집, 2004 6. 서울과학기술대학교 철도전문대학원 뉴레일연구소, “노후레일의 교체주기 산정을 위한 보고서”, 서울 메트로, 2007. 7. 우창수 외, “가속 열 노화시험을 통한 레일패드 사용수명 예측”, 한국철도학회, 한국철도학회 2009년 도 춘계학술대회논문집, pp.1010-1015, 2009. 8. 지식경제부, “철도용 레일체결장치 핵심부품․소재의 신뢰성 향상에 관한 보고서”, 2011.
9. D.H. Stamatis, "Failure Mode and Effect Analysis : FMEA from theory to execution," ASQR Quality Press, pp.125-152, 1995.
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