† 교신저자, 현대 로템(주) 기술연구소, 응용기술연구팀 E-mail : [email protected]
* 현대 로템(주) 기술연구소, 응용기술연구팀
** 현대 로템(주) 기술연구소, 응용기술연구팀
†
국내 경전철 주행중 이상진동에 대한 시험적 평가
An Experimental Evaluation for an abnormal vibration on running of the Domestic LRT (Light Rail Transit)
양희주† 우관제* 이강운** 성재호***
Hee-Joo Yang Kwan-Je Woo Kang-Wun Lee Jae-Ho Seong
ABSTRACT
THE RAILWAY VEHICLE IS CONSISTS OF CARBODY, BOGIE AND WHEELSETS, EACH OF COMPONENTS IS CONNECTED WITH RIGID MASS, SPRING AND DAMPER. EACH OF COMPONENTS HAS TRANSLATION MOTIONS OF LONGITUDINAL (X AXIS), LATERAL (Y AXIS) AND VERTICAL (Z AXIS) DIRECTIONS, ROTATION MOTIONS OF X, Y, Z AXIS WHICH ARE NAMED ROLLING, PITCHING AND YAWING.
THE VIBRATION MODE OF RAILWAY VEHICLE IS DIFFICULT TO FIND THE CHARACTERISTICS OF MOTION DURING THE OPERATION ON THE TRACK BECAUSE THESE HAPPEN TO INDEPENDENCE OR DUPLICATION MOTION CAUSED BY VEHICLE, WHEEL/RAIL AND TRACK IRREGULARITY ETC.
IT IS NAMED AN ABNORMAL VIBRATION THAT THE VIBRATION, WHICH WAS PASSED THE PRIMARY AND SECONDARY SUSPENSION, IS AFFECTED TO THE PASSENGER WITHOUT DAMPING.
THIS PAPER DESCRIBES AN EXPERIENCE EVALUATION TO FIND THE CAUSE OF AN ABNORMAL VIBRATION WHICH WAS HAPPEN AT OPERATING SPEED 60KPH ZONE DURING THE MAINLINE TEST.
1. 서론
철도차량은 차체와 대차와 윤축으로 구성되어 있으며. 각각의 구성품들은 강체와 스프링과 댐퍼등의 요소로 연결되어 있다. 각각의 구성인자들은 전후, 좌우, 상하방향의 병진운동과 각축에 대한 롤링 (Rolling), 피칭(Pitching), 요잉(Yawing)의 회전운동을 가지고 있다. 철도차량이 주행중 나타나는 진동 은 차량, 차륜/레일, 궤도 불규칙도등 각종 요인의 단독 또는 중복으로 일어나기 때문에 각각의 운동성 분을 분석하기는 힘들다.
차량이 선로 위를 달릴 때 궤도 불규칙도에 의해 차량에 외력이 가해지며, 이 외력이 진동을 유발시 킨다. 이 진동은 1차 현가 장치를 통해 대차 프레임에 전달되고 다시 2차 현가 장치를 통해 차체에 전 달된다. 차체로 전달된 진동은 승객에게 직접 영향(서있는 승객)을 미치거나 의자를 통해 영향(앉아있 는 승객)을 주게 된다. 1차와 2차 현가장치를 통과한 진동이 감쇠되지 않고 승객에게 영향을 미치는 경 우를 이상진동이라 한다.
본 논문은 본선 시운전 중 60km/h대역에서 발생한 이상진동의 원인을 파악하기 위한 시험적 평가 방 법으로서 차체, 대차프레임, 윤축에서 측정된 진동가속도 와 차체 고유진동수를 분석하여 이상진동 원인
측정 항목 측정 위치 번호 비고
상하방향 진동
차체 상부 바닥 (차상) 1~4 차체 진동
선두 대차 프레임 5 대차 진동
선두 윤축 6 윤축 진동
관절대차프레임 7 대차 진동
관절 윤축 8 윤축 진동
후위대차 프레임 9 대차 진동
후위 윤축 10 윤축 진동
을 규명하였다.
2. 시험 조건 및 절차
2.1 하중 조건 및 대상 차량
본 시험은 공차 상태에서 실시하였으며, 대상 차량은 이상진동 차량과 정상진동 차량이다.
2.2 시험 장비
- Imc Cronos PL & Cansas system : Data acquisition device - Notebook
- BNC 연결용 케이블 - 가속도계
2.3 측정 위치
차량의 이상 진동을 파악하기 위한 센서 설치 위치 및 측정항목별 측정위치는 도표 1과 그림 1에 나 타내었다.
표 1. 측정 항목 별 측정 위치
그림 1. 센서 설치 위치
측정위치 이상진동차량 정상진동차량
50~60km/h 60~70km/h 70~80km/h 50~60km/h 60~70km/h 70~80km/h
1_선두 차상 4.5 6.7 9.4 1.0 2.2 3.8
2_볼스타 상부 9.1 18.1 8.6 1.7 1.7 1.8
3_볼스타 상부 2.9 21.1 6.9 2.8 3.6 3.1
4_후위 차상 2.7 13.2 7.5 1.2 1.5 2.7
5_선두 대차 48.0 76.8 50.6 13.1 19.5 35.9
6_관절 대차 8.0 8.0 12.5 25.8 31.4 44.6
7_후위 대차 25.7 77.1 89.0 10.5 9.4 33.3
8_선두 윤축 52.8 66.2 69.5 10.4 10.8 12.8
9_관절 윤축 7.8 15.3 20.0 39.8 44.1 54.3
10_후위 윤축 11.7 11.5 8.7 10.9 11.5 21.9
3. 시험 결과
3.1 고유 진동수 측정
임팩트 해머와 가속도계를 이용하여 차체의 고유진동수를 측정하였다. 정상진동차량과 이상진동차량 에서 동일한 주파수가 측정되었으며 결과는 아래와 같다.
- 1차 현가장치에 의한 진동 모드 : 8 Hz - 2차 현가장치에 의한 진동 모드 : 2 Hz
3.２ 진동가속도 측정
차체 상부 바닥(차상)과 대차프레임, 윤축의 진동가속도를 측정하였다. 이상진동차량과 정상진동차량 에 대한 측정데이터는 그림 2~3에 나타내었다. 8~10Hz 대역의 진동가속도 레벨을 주행속도별로 분석 하여 표2와 그림 4~5에 나타내었고, 속도별 주파수 분석 결과를 그림 6~11에 나타내었다. 주행속도 50km/h이상에서 분석한 결과는 다음과 같다.
- 이상 진동차량에서는 차량 속도에 따라 차상의 주파수 성분이 변화하는 이상진동이 발생함 => 차륜의 회전 주파수와 이상진동의 주파수가 일치.
- 이상 진동차량의 차상진동은 차량 속도에 따라 증가하다가 60km/h대역에서 최대 진동이 발생하 였으며, 그 이상의 속도에서는 줄어 듦 => 60km/h에서의 차륜 회전 주파수(8Hz)와 차체의 고유 진동수(8Hz)가 공진.
- 이상 진동차량의 선두대차와 후위대차, 윤축의 진동 가속도는 차량속도에 따라 증가하였으며, 관절대차와 관절 윤축은 이상진동 발생하지 않음.
- 정상 진동 차량의 차상진동은 뚜렷한 이상진동이 발생하지 않음.
표 2. 8~10Hz대역의 속도별 진동가속도 레벨 (mg)
4. 결론
차량에서 발생한 이상진동의 원인을 파악하기 위해 차체 고유 진동수와 차체 상부/대차프레임/윤축에 서 측정된 진동가속도의 rms값 비교 및 주파수 분석을 하였다. 이상 진동을 유발하는 인자는 차륜 불균 형으로 분석되었으며, 원인 및 해결 방안을 아래와 같이 기술하였다 .
<원인>
- 선두 윤축과 후위 윤축의 차륜 불균형에 의해 차상에서 이상진동이 발생하였으며, 이러한 진동이 대차 프레임을 가진되었고, 대차 진동이 차체로 전달되었음.
- 차체로 전달된 진동은 특정속도대역(60kph)에서 차체의 고유 진동수와 공진하여 차체 바닥에 이상진동이 발생함.
<해결 방안 및 결과>
- 선두 윤축과 후위 윤축의 차륜 삭정을 제안하였으며, 차륜 삭정후 주행 시험시 이상진동이 더 이상 발생하지 않았음.
참고문헌
1. 양보식, “기계설비의 진동상태 감시 및 진단,” 2006.
2. Simon Iwnicki, "Handbook of Railway Vehicle Dynamics"
3. DeltaRail, "Introduction to Railway Vehicle Dynamics"
4. Vijay Garg, “Dynamics of Railway Vehicle System”
<Appendix A. 측정 데이터>
그림 2. 진동가속도 (이상진동차량)
그림 3. 진동가속도 (정상진동차량)
<Appendix B. 진동가속도 레벨>
속도별 진동가속도 레벨 (이상진동차량)
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
1_선두 차상
2_볼스타 상부
3_볼스타 상부
4_후위 차상
5_선두 대차
6_관절 대차
7_후위 대차
8_선두 윤축
9_관절 윤축
10_후위 윤축
측정위치
8~10Hz 영역에서의 진동가속도 레벨 (mg)
50~60km/h 60~70km/h 70~80km/h
속도별 진동가속도 레벨 (정상진동차량)
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
1_선두 차상
2_볼스타 상부
3_볼스타 상부
4_후위 차상
5_선두 대차
6_관절 대차
7_후위 대차
8_선두 윤축
9_관절 윤축
10_후위 윤축
측정위치
8~10Hz 영역에서의 진동가속도 레벨 (mg)
50~60km/h 60~70km/h 70~80km/h
그림 4. 속도별 진동가속도 레벨(이상진동차량) 그림 5. 속도별 진동가속도 레벨(정상진동차량)
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
<<Appendix C. 주파수 분석결과>
그림 6. 볼스터 상부 (이상진동차량) 그림 7.볼스터 상부 (정상진동차량)
그림 8. 선두 대차 (이상진동차량) 그림 9. 선두 대차 (정상진동차량)
그림 10. 선두 윤축 (이상진동차량) 그림 11. 선두 윤축 (정상진동차량)
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
50~60km/h 40~50km/h
60~70km/h
70~80km/h
