유한요소 및 실험 모드해석을 통한 궤도점검차량의 동특성 평가

Abstract

레일은 차량과 궤도를 연결하는 가장 중요한 요소로써, 레일품질관리는 열차안전운행에 가장 중요한 사항이다. 레일은 차량의 반복운행과 통과톤수 증가, 날씨와 기온 변화 등 여러 요인에 의해 변형이 발생하기 때문에 사전점검과 예방보수를 통해 안전사고에 대비하고 있다. 궤도점검차량은 이를 목표로 균열검측 모듈을 장착한 차량으로써, 철로 및 콘크리트 도상의 균열을 빠르게 검출한다. 차량의 정확한 균열 계측 및 운행을 위해서는 진동에 의한 영향이 최소화 되어야 하며, 동특성 평가가 반드시 진행되어야 한다. 본 논문에서는 유한요소 및 실험 모드해석을 통해 궤도점검차의 동특성 평가를 진행하였다. 일반적으로 열차에 입력되는 가진 형태는 지형에 의한 바닥 가진이며, 주파수가 10 Hz 미만인 특성을 지니고 있다. 따라서 공진을 회피하기 위해서는 철도기준법에 따라서 궤도점검차의 1차 공진주파수를 10Hz 이상으로 설계해야 한다. 먼저 궤도점검차의 제작 이전에 유한요소 해석을 통해 차체의 고유진동수를 계산하였을 때 비틀림 고유진동수는 12.272Hz, 굽힘 고유진동수는 12.812Hz로써 기준 요구 사항의 적합성을 확인하였다. 이후에 설계를 기반으로 제작된 궤도점검차의 모드 시험을 통해서 비틀림 및 굽힘 고유진동수를 확인하였다. 모드 시험은 굽힘 하중과 비틀림 하중을 차체 바닥에 달아 초기변위를 인가한 뒤 하중을 제거함으로써 진행하였다. 이 때 굽힘 고유 진동수가 14 Hz, 비틀림 고유 진동수가 11 Hz로 나타나서 모두 10 Hz 이상이므로 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 해석과 실험으로 얻은 고유진동수의 평균 오차율이 9.815%로 나타난다. 실험 모드 결과를 유한요소 해석으로 정확히 구현하기 위해 기존 모델을 수정하였으며, 이 때 비틀림 고유진동수는 11.056Hz, 굽힘 고유진동수는 14.546Hz로 나타났다. 실험 결과와 비교하여 평균 오차율이 2.1%로 개선된 것을 볼 수 있었으며 수정된 모델에서 높은 신뢰도로 실험 결과를 예측하고 있음을 확인하였다.