철도 차량 시스템과 주변 환경을 구성하는 모든 부품과 하위 조립품을 고려할 때, 레일 상단을 따라 가상의 선을 그리는 데 도움이 됩니다. 이 선은 시스템을 두 개의 주요 그룹으로 나눕니다. 선 위에 위치한 첫 번째 그룹은 1차 및 2차 서스펜션 및 철도 차량과 함께 대차 프레임(또는 두 개의 측면 프레임과 지지대의 조합)으로 표시되는 "철도 차량(rolling stock)"입니다. 선 아래에 있는 두 번째 그룹은 레일, 패스너, 침, 밸러스트 및 기타 부품으로 표시되는 "길"입니다. 두 그룹 사이의 인터페이스는 휠 세트가 있는 액슬입니다.
이 시스템에서 대부분의 간단한 요소는 기본 부품 테스트를 통해 처리할 수 있지만, 철도 차량 내에서 부품 또는 하위 어셈블리를 평가하려면 다음의 세 가지 똑같이 중요한 요소를 고려해야 합니다. 바로 피로, 성능 및 편안함입니다.
피로 수명은 승객 승차 시 높이 평가 (또는 생각)되는 것이 아닐 수 있지만, 철도 차량의 설계 및 서비스에서 매우 중요한 부분을 나타냅니다. 지난 세기 동안 철도 산업은 철도 부품의 설계 및 제조에서 피로 테스트의 중요성을 이해하고 인식하게 되었습니다. 일관된 피로 수명과 승객 안전을 보장하기 위해 많은 인증 표준이 개발되었습니다.
인증 표준 적합성
철도 부품 및 하위 시스템 제조업체는 볼스터용 M-202-97, 측면 프레임용 M-203-05 및 대차용 UIC 615와 같은 국제 표준을 포함하여 적절한 인증 표준을 충족하기 위해 부품 및 하위 시스템을 테스트해야 합니다. 이러한 표준은 새 부품의 피로 수명과 내구성을 설정하는 데 사용되는 테스트를 정의하는 데 도움이 되며 승객, 화물 및 경전철 노선의 안전하고 장기적인 운영을 보장하는 데 필수적입니다.
대차, 볼스터 및 측면 프레임 인증 테스트는 제조업체가 특정 구성의 대차 구조 및 부품에 대한 안전 및 신뢰성 테스트를 수행하도록 요구합니다. 성능, 강도 및 내구성을 평가하기 위해 정적 및 동적 하중이 적용됩니다. 테스트 결과에는 피로 수명 데이터뿐만 아니라 궁극적 장애 하중 및 최종 고장 하중 수준이 포함됩니다.
볼스터를 올바르게 테스트하려면 다음과 같은 세 가지 하중이 필요합니다. 바로 암석 하중, 중심 바운스 및 가장자리 바운스입니다(그림 1 참조). 이러한 하중은 실제 서비스 환경에서 볼스터가 받는 힘을 나타냅니다. 측면 프레임의 경우에도 다음과 같은 세 가지 하중이 필요합니다. 바로 수직, 가로 및 중앙 꼬임입니다(그림 2 참조). 이러한 모든 별도의 힘 벡터는 시편에 적절한 하중과 응력 분포를 제공하고 적절한 피로 수명을 보장하는 데 중요합니다.
볼스터 및 측면 프레임을 테스트하려면 적절한 등급의 플로어 스탠딩 하중 프레임이 이상적이며, 이 프레임이 고정하기가 비교적 간단합니다. 그러나 대차 프레임 피로 테스트는 더 정교하고 복잡합니다. 대차 인증 테스트는 국제 및 현지 표준에 의해 정의되며 더 많은 수의 채널과 훨씬 더 복잡한 고정 장치가 필요합니다. 테스트를 위한 하중 배열은 대차의 배열을 기반으로 합니다. 대차 당 액슬 수, 철도 차량당 대차 수, 대차와 철도 차량의 무게 합은 테스트에 필요한 부하를 결정하는 몇 가지 매개변수입니다. 인증 테스트에는 다중 채널, 고하중 시스템이 필요하며 일반적으로 수백만 사이클을 실행합니다. 테스트 중에 변형률 및 기타 신호가 수집되고 분석되어 설계자가 서비스 환경의 하중 역학을 이해하고 스트레스가 높은 영역을 식별하고 그에 따라 설계를 개선하는 데 도움이 됩니다. 유한 요소 분석(FEA) 모델에 대한 변형률 응답을 비교함으로써 엔지니어는 모델을 검증하여 향후 설계를 개선할 수 있습니다.
고급 피로 테스트
인증 표준은 엄격하고 수백만 번의 하중 주기를 요구하지만 적절한 피로 수명과 안전 계수를 확인하는 데 필요한 최소 하중 세트(수직, 가로 및 뒤틀림)에만 중점을 둡니다. 이러한 하중은 정상 작동 중에 예상되는 하중보다 훨씬 높습니다. 하중 이력은 가능한 모든 조합에서 실패율을 0에 가깝게 유지하기 위해 의도적으로 보수적인 방식으로 운영됩니다. 이 방식은 일반적인 화물 대차에 적합한 것으로 입증되었으며 전 세계적으로 (어떤 형태로든)채택되었습니다.
그러나 현대의 여객 차량에서 대차, 서스펜션 및 자동차 인터페이스는 화물보다 훨씬 더 복잡합니다. 고속 승객 대차는 복잡한 용접물입니다. 댐퍼, 서스펜션 링크 및 보조 부품(압축기, 브레이크 캘리퍼스)과 같은 품목은 모두 대차에 추가 하중을 가합니다. 이러한 하중은 종종 인증 표준에 설명된 것과 매우 다른 하중 벡터 및 위치로 구성됩니다. 이러한 하중의 위치, 크기, 벡터 및 단계는 실제 대차 작동 환경을 최대한 현실적으로 복제하는 데 관심이 있는 테스트 엔지니어에게 중요합니다.
이러한 상황에서는 빠르게 복잡성이 문제가 됩니다. 인증 테스트는 일반적으로 10개 미만의 채널(대부분의 경우 6개 미만)을 사용하지만 고급 개발 테스트에는 20개 이상(경우에 따라 30개 이상)의 제어 채널이 필요할 수 있습니다. 추가 하중과 인증 표준에서 규정한 하중을 결합하는 것은 고정장치 측면에서 큰 도전입니다.
이러한 복잡성을 해결하는 것이 필수적입니다. 지난 10~15년 동안 더 높은 신뢰성, 더 나은 성능과 더 큰 편안함을 제공하는 철도 차량에 대한 최종 사용자의 수요가 상당히 증가했습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 제조업체는 인증 표준이 처음 설정되었을 때 사용할 수 없었던 재료 및 제조 방법을 개발하고 있습니다. 철도 시스템의 거의 모든 부품을 설계하고 제조하는 데 사용되는 새로운 재료, 특히 새로운 중량 감소 방법으로 인해 기존 인증 테스트 범위를 벗어나는 새로운 개발 테스트 절차가 필요했습니다.
이러한 대규모 구조 응용 분야의 경우 맞춤형 액추에이터 구성이 있는 2열 또는 4열 포털 프레임이 필요합니다(그림 3 참조). 대차에 가해지는 많은 힘이 높기 때문에 이러한 하중을 복제하는 데 사용되는 액추에이터는 크기가 큽니다. 액추에이터를 하중 포인트에 직접 적용하려면, 동일한 물리적 공간을 동시에 점유하기 위해 여러 액추에이터가 필요할 수 있습니다. 이것은 고정 장치 및 운동학적 메커니즘에 대한 상당한 전문 지식이 있어야 풀 수 있는 문제입니다. 액추에이터, 레버, 스트럿(하중 지지 기둥) 및 베어링의 조합은 올바른 위치에 하중 벡터를 적용하는 데 사용됩니다. 하중 센서는 액추에이터, 하중 스트럿 또는 반응 고정 장치에 설치할 수 있습니다. 스트럿과 액추에이터의 양쪽 끝에 있는 스위블 베어링은 측면 및 굽힘 하중을 제거합니다. 어떤 경우에는 하중 지점에 더 잘 접근할 수 있도록 시편을 뒤집을 수 있습니다.
한 액추에이터의 동작이 다른 액추에이터에 영향을 미칠 때, 교차 결합은 극복해야 할 심각한 제어 문제를 일으킵니다. 디지털 컨트롤러와 소프트웨어는 간섭 위험을 제거하고 정확한 하중을 보장하기 위해 영향을 받는 채널의 진폭과 단계를 조정하기 위해 함께 작동해야 합니다. 일반적으로 고급 컨트롤 기술이 사용됩니다. 시편, 프레임 및 액추에이터 하위 시스템을 포함한 전체 시스템에는 자연적인 비선형성이 포함될 수 있습니다. 이러한 비선형성을 고려하려면 시편에 원하는 하중 이력을 달성하기 위해 구동 신호를 수정해야 할 수 있습니다.
조정은 일반적으로 전체 시스템의 주파수 응답 함수(FRF) 매트릭스를 기반으로 하는 MTS Remote Parameter Control(RPC®)과 같은 고급 신호 처리 소프트웨어로 이루어집니다. 소프트웨어는 컨트롤러 명령을 측정하고 원하는 주파수 범위에서 시편 응답의 진폭 및 단계와 비교합니다. 명령과 응답 사이의 모든 교차 결합 및 기타 선형 차이를 포함하는 교차 결합 행렬이 생성됩니다. 이 FRF를 도치하여 원하는 응답을 곱합니다. 그 결과 교차 결합 및 관련 문제를 보완하는 액추에이터 드라이브 파일이 생성됩니다. 비선형 기여는 오류를 계산하고 해당 수정 파일을 만든 다음 이전 드라이브 파일에 수정 사항을 적용하여 수정됩니다. 이 반복적인 프로세스는 원하는 정확도에 도달할 때까지 반복됩니다. 이러한 제어 보상 기술을 적용하면 훨씬 더 높은 빈도에서 테스트를 정확하게 실행할 수 있으므로 테스트 시간이 단축되고 테스트 품질이 향상됩니다.
이 프로세스가 진행되는 동안 엔지니어는 많은 양의 데이터를 수집하고 관리할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 테스트 시스템은 설계에서 잠재적인 취약성을 찾기 위해, 최대 250개의 변형률 게이지 및 변위 채널을 수용해야 할 수 있습니다. 이 데이터 중 일부는 제어 시스템에서 사용하기 위해 실시간으로 수집해야 하지만, 오프라인 분석 및 컴퓨터 이용 공학(CAE) 모델과의 비교를 위해 더 많은 양의 데이터를 수집해야 합니다.
이러한 모든 문제를 극복하는 것은 어렵지만 투자할 만한 가치가 있습니다. 그 결과 부품 제조업체는 설계를 최적화하고 신제품을 차별화하며, 고객이 새로운 부품의 품질과 신뢰성에 대하여 고객에게 필요한 확신을 가질 수 있습니다.
