기차 여행의 글로벌 성장은 새로운 여객 열차에 대한 수요를 증가시키고 있으며, 이는 전 세계 제조업체들에게 반가운 소식입니다. 동시에 이러한 신차는 더 높은 기대치를 충족시켜야 합니다. 현대의 여객 기차는 더 빠른 속도로 주행하고 편안한 승차감을 제공하며 에너지 효율성을 극대화 \해야 하는 것은 물론 완전한 규정 준수를 달성해야 합니다.
이러한 요구를 동시에 해결하는 것은 어려운 설계 과제를 제시합니다. 효율성은 무게 감량에 달려 있지만 안정성에는 영향을 미치지 않습니다. 안정성은 고속일 때는 달성하기 더욱 어려워지고, 세계에서 가장 빠른 철도 차량은 이제 시속 350km까지 운행합니다. 승차감 또한 고속일 경우에는 달성하기가 더 어렵습니다.
이러한 요소가 관련되어 있기 때문에, 제조업체는 여기서 발생하는 트레이드 오프를 효과적으로 관리하기 위해 새로운 설계를 최적화할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 더 단단한 대차는 더 큰 안정성을 제공하지만, 승객의 편안함은 떨어집니다. 더 나은 핸들링 또는 더 편안한 승객 경험을 제공하기 위해 롤 바의 강성을 변경할 수 있지만, 동시에 둘 다 가능한 것은 아닙니다.
제품 개발 팀은 높은 시장 수요로 인해 극심한 시간 압박을 받고 있으며 설계자는 신속하게 작업해야 합니다. 여기에서 기계적 테스트가 매우 유용합니다.
실험실에서의 과제
테스트 실험실에서 부품 설계자는 새로운 설계의 많은 반복을 고도로 제어되고 반복 가능한 방식을 통해 비교적 빠르게 검사 할 수 있습니다. 테스트 결과는 계수 및 기타 요소를 보여 주며, 이를 더 정확하게 만들기 위해 부품 및 하위 시스템의 가상 모델에 대한 피드백을 할 수 있습니다. 이를 통해 새로운 설계를 분석하고 개선하는 프로세스의 속도를 높일 수 있습니다.
실험실은 자체적으로도 과제를 제공합니다. 관련 테스트 목록은 그 항목 수가 많아서 길고, 각 테스트에는 일반적으로 고유한 설정을 가진 다른 유형의 테스트 시스템이 필요합니다. 새로운 대차 설계를 최적화하는 데 필요한 시스템을 확보하는 것은 비용이 많이 들 수 있습니다. 여러 시스템을 사용하는 경우 테스트 구성 및 실행이 비효율적일 수 있습니다.
가장 큰 문제는 단일 부품이 아닌 전체 메커니즘을 테스트해야 한다는 것입니다. 이것은 직관적이지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 고급 설계 엔지니어는 개별 부품을 테스트하는 것이 전체 보기를 테스트하는 것과 동일한 정확성이나 통찰력을 제공하지 않는다는 것을 이해합니다.
개별 부품 테스트는 관리하기 쉽고 빠르게 수행할 수 있지만, 모든 부품을 시스템으로 테스트하는 것과 동일한 정확도를 제공하지는 않습니다. 구성요소 상호 작용은 마찰 및 축에서 벗어난 동작으로 인해 예기치 않은 동작을 생성합니다. 이러한 상호 작용은 각 구성요소를 개별적으로 평가하여 복제할 수 없습니다. 엔지니어들은 오랫동안 현실적으로 그러할 것이라고 짐작만 해 왔지만, 지난 10년간에 이르러서야 이 점이 분명해졌습니다. 가상 모델은 더욱 정교해졌지만, 엔지니어는 개별 부품 특성을 기반으로 레일의 시스템 성능을 정확하게 예측할 수 없었습니다.
최근에는 완전한 대차 메커니즘의 운동학과 컴플라이언스를 측정하는 데 사용할 수 있는 혁신적인 철도 차량 테스트 시스템이 도입되었습니다. MTS Systems Corp.에서 제공하는 이 시스템은 단일 시스템에서 특성화, 기본 내구성 및 진동 테스트를 모두 제공하는 데도 사용할 수 있습니다.
1차 및 2차 서스펜션 테스트
현재 아시아의 고속 여객 철도 차량 제조업체에 설치된 새로운 대차 측정 시스템은 전체 대차와 전체 철도 차량을 적재하는 데 필요한 크기와 힘을 제공합니다. 테스트 시스템은 이러한 복잡한 메커니즘의 매우 정확한 측정을 위해 설계된 상당한 계측 장치를 통합합니다.
복잡성은 테스트 데이터가 왜곡될 수 있는 여러 방법에서 비롯됩니다. 정확한 결과를 보장하기 위해 테스트 시스템은 다음 모든 현상을 방지(또는 보상)할 수 있어야 합니다. 래쉬 또는 댐핑으로 인한 단계 변화, 시스템 및 시편 공명으로 인한 신호 왜곡 및 노이즈, 누화로 인한 힘 측정 오류, 변환기의 온도 보상, 고정 장치 및 시편의 열 팽창과 수축, 보정 오류, 미끄러짐, 드리프트 또는 변환기, 마운트, 케이블 또는 컨디셔너의 손상이 그러한 현상에 해당합니다. 대부분의 경우 여러 신호를 결합하여 원하는 결과를 계산하고 전체 오류를 통합합니다.
시스템이 수행하는 가장 중요한 테스트 중 일부는 대차와 액슬 사이의 모든 부품(스프링, 코일 스프링, 토션 바, 고무 비스킷 등)을 포함하는 1차 서스펜션 테스트입니다. 1차 서스펜션이 스티어링, 핸들링 및 어느 정도 승객의 편안함에 영향을 미치지만, 엔지니어는 새로운 디자인을 최적화하기 위해 완전한 휠셋 장착 및 서스펜션 시스템을 매우 자세하게 이해해야 합니다. 1차 서스펜션의 강성은 대차 프레임 강성과 동일한 범위에 있으며, 두 서스펜션 간의 상호 작용은 전체 대차 핸들링 반응을 결정합니다. 이러한 이유로 새로운 테스트 시스템은 개별 부품 기여도 또는 전체 어셈블리 특성을 통합 시스템으로 측정하도록 독특하게 설계되었습니다.
1차 서스펜션 강성 테스트에는 2차 서스펜션을 고정하고, 액슬 베어링 하우징 및 대차 응답 지점에 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 장착하고, 원하는 각 자유도(DOF)에 프로그래밍된 힘 또는 단계를 적용하는 것이 포함됩니다. 유용한 결과를 얻으려면 엔지니어는 로드 셀 및 LVDT의 정확도와 해상도를 보장하고 실험실에서 일정한 온도를 유지하며 다양한 속도로 측정하여 댐핑 특성을 평가해야 합니다. 안정성은 수직뿐만 아니라 결합된 다축 변위의 함수이기 때문에, 수직뿐만 아니라 각 방향에서 대차 강성을 측정하는 것이 중요합니다. 예를 들어 코너링 중에 대차가 휘고(요 축에서 변형됨), 그 휘어짐의 강성은 안정적인 스티어링에 매우 중요합니다.
이 동일한 설정을 사용하여 1차 서스펜션 댐핑 테스트를 수행하고, 스프링 강성과 관련하여 댐핑을 평가할 수 있습니다. 1차 서스펜션 테스트의 테스트 데이터는 모델 생성 및 검증을 위해 대차의 가상 모델로 피드백하는 데 매우 유용합니다.
또 다른 중요한 테스트 세트는 대차 상단과 철도 차량 하단 사이에 있는 2차 서스펜션에서 수행되는 테스트입니다. 이러한 테스트를 위해 1차 서스펜션이 고정되고 2차 서스펜션(일반적으로 한 쌍의 에어백)이 다축 로드 셀에 장착됩니다. 시뮬레이션된 철도 차량 고정 장치는 3DOF로 제한되고 나머지 3DOF에서 제어되어, 서비스에서 보는 것과 동일한 하중 및 변형으로 2차 서스펜션을 제공합니다. 이를 통해 강성과 감쇠 특성을 평가할 수 있습니다. 에어백 "모자"의 기울어진 모양으로 인해 측면 및 롤 강성을 예측하는 것이 특히 어렵습니다. 엘라스토머 소재는 예측할 수 없는 방식으로 변형되며 이러한 움직임은 승차감에 큰 영향을 미칩니다.
추가 성능 테스트
이 시스템이 수행할 수 있는 또 다른 유형의 테스트는 시뮬레이션된 철도 차량 아래에서 대차를 회전시키고 그 강성을 측정하는 스티어링 저항 토크 측정입니다. 이 테스트를 실행하기 위해 각 액슬에 동일하면서 역으로 적용되는 측면 하중 또는 변위가 적용됩니다. 인장/압축 종 방향 힘은 0으로 설정되고 수직 액추에이터는 휠에서 원하는 힘 또는 고정된 평면 운동을 유지하도록 명령을 받습니다.
또한 직선 또는 곡선 트랙의 서스펜션 계수를 테스트하도록 테스트 시스템을 구성할 수 있습니다. 이 테스트에서 시편은 테이블, 대차 및 차체에 각도 측정 자이로가 있는 전체(또는 시뮬레이션 된) 철도 차량입니다. 이 테스트에는 대차의 한쪽에 있는 휠을 원하는 최고 고도까지 올리고, 테이블 각도를 기준으로 대차와 자동차 각도를 측정하는 것이 포함됩니다. 이러한 관계는 완전히 중단하는 데 필요한 여러 요소로 인해 예측하기 어려울 수 있습니다. 제조업체는 유사한 테스트를 사용하여 전도 계수를 이해할 수 있으며, 이는 승차감과 안전을 보장하는 데 매우 중요합니다.
완전한 철도 차량도 평가할 수 있습니다. 엔지니어가 계수 테스트에 대한 동적 응답을 이해하려는 경우, 시스템에 광대역 모양의 노이즈 또는 사인파와 같은 특정 파형을 명령할 수 있습니다. 철도 차량 차체 응답을 측정하고 테스트 소프트웨어를 사용하여, 결과 데이터에서 고유 주파수를 추정할 수 있습니다.
시스템이 수행할 수 있는 다른 테스트로는 무게 중심 위치, 관성 모멘트 테스트 및 온 레일 운영 데이터의 실시간 재생이 있습니다.
다목적 성능 테스트 시스템이 실험실에 있어서의 상당한 자본 투자를 보여주는 것은 사실이지만, 테스트 일정을 가속화하고 비용을 절감하며 테스트 데이터 및 시편 특성화의 정확성을 개선하는 능력을 통해 동일하게 상당한 투자 수익을 제공합니다. 궁극적으로 이러한 기능을 통해 철도 차량 및 대차 제조업체는 모델의 정확성을 개선하고 더 빠르게 혁신을 달성하며, 고품질 차량을 만들고 지속적인 경쟁 우위를 구축할 수 있습니다.
