철도 차량 주행 중 휠과 레일의 표면 조도(roughness)의 접촉으로 휠과 레일에서 진동이 발생한다^(1,2). 이렇게 발생한 진동은 점착계수(adhesion coefficient)^(1~3), 전동소음(rolling noise)^(4~6), 마모(wear)⁽⁷⁾, 스퀼 소음(squeal noise)⁽⁸⁾ 등의 휠과 레일 접촉면에서 발생하는 다양한 현상에 영향을 미친다. 따라서, 이러한 다양한 현상들에 대해 잘 이해하기 위해서 우선 주행 중 휠과 레일에서 발생하는 진동 특성을 아는 것이 중요하다.

휠과 레일에서 발생하는 진동에 관한 연구는 실제 철도 차량을 이용한 현장 실험의 어려움 및 모사 시험기의 부재로 인해 주로 이론적인 접근을 통한 연구가 진행되고 있다. 가속, 감속, 항속, 제동(breaking) 등 다양한 차량 주행 상황에서 휠과 레일의 접촉면은 구름/미끄럼 접촉 및 순수 미끄럼 접촉을 하게 되고 이는 휠과 레일의 진동에 영향을 미칠 수 있다. 이에 대한 실험적 연구 사례는 위에서 언급한 다양한 이유로 인해 극히 드물다.

이 연구에서는 휠-레일 진동 모사 실험에 관한 초기 연구로써 한국철도기술연구원에서 보유하고 있는 차량 주행 동역학을 정밀 모사할 수 있는 twin-disk type의 휠-레일 접촉 모사 시험기(Fig. 1)를 활용하여 차량 주행 동역학(train vehicle dynamics)에 따른 휠과 레일의 진동 발생 모사 시험을 수행하였다. 따라서, 이 연구의 목적은 twin-disk 시험기를 활용한 진동 발생 모사 시험의 가능성을 확인하고, 이를 통해 철도 차량 동역학에 따른 진동 특성을 파악하는 것이다.

Fig. 1 
A twin-disk rig, test set-up and sample disks

시간에 따른 휠과 레일 시편의 회전수를 측정한 결과가 Fig. 2에 나타나 있다. Fig. 3에 점착계수 결과가 나타나 있는데 이는 슬립 구간에서(30 ~ 150초 구간) 측정한 토크 및 하중 데이터를 활용하여 계산한 것이다. 구름마찰 시스템(rolling friction system)에서는 슬립이 발생할 때 점착력(adhesion force)이 발생하고, 이때 인가된 하중을 이용하여 식 (2)를 활용하여 점착계수를 구할 수 있다. 점착계수가 최대값일 때의 슬립율을 기준으로 더 작은 슬립율에서는 구름/미끄럼 접촉 조건이 형성되고, 더 큰 슬립율에서는 순수 미끄럼 접촉 조건이 형성된다. 따라서, 이 연구에서 순수 미끄럼 접촉 조건은 슬립율 약 0.9 % 이상부터 발생하는 것을 알 수 있는데 이는 Fig. 2에서 약 52 ~ 150초 구간이다.

철도 차량 주행 동역학은 슬립율을 통해 일반적으로 유추할 수 있다. 0.1 % 이하의 아주 낮은 슬립율은 주로 직선 레일의 항속 주행 시 발생하고 순수 미끄럼 접촉 조건이 발생하는 높은 슬립율은 주로 곡선 주로 및 정지를 위한 제동 시 발생한다. 따라서, 이 실험에서 인가된 0 % ~ 5 %의 슬립율 조건은 철도 차량 주행 중에 발생할 수 있는 다양한 주행 조건(예: 가속, 감속, 제동, 곡선 주행, 직선 항속 주행 등)을 시뮬레이션한 것으로 이해할 수 있다.

Fig. 3의 슬립율 약 1 % ~ 2.5 % 사이에서 큰 움직임이 나타나는데 이는 Fig. 2에서 약 55초 ~ 90초 구간에 나타난 휠과 레일 회전수 진동과 일치하는 구간으로 순수 미끄럼 접촉 시작하는 초기 구간에서 모터가 휠과 레일의 회전속도 차이를 정밀 제어하지 못해서 발생한 것이다. 참고로 이 구간에서의 휠 시편의 회전수는 레일 시편 회전수에 비해 약 18 r/min ~ 35 r/min이 높은 구간이다.

Fig. 3 
Adhesion coefficient

휠과 레일 베어링 어셈블리에서 측정된 가속도를 시간의 함수로 나타낸 결과가 Fig. 4에 각각 나타나 있고, Table 2에는 각 구간에서 계산된 가속도의 RMS 값들이 나타나 있다. 전체 구간에서 레일 시편의 진동이 휠 시편의 진동에 비해 약 2배 정도 높은 RMS 값을 보였다. 레일에서 더 높은 진동(가속도) 값이 나타난 결과는 시험기의 구조 특성에 기인하는 것으로 판단된다. 이 연구에서 사용된 twin-disk 시험기는 레일 구동 모터는 고정되어 있고, 휠 구동 모터의 경우 하중 인가를 위하여 LM guide에 얹혀 있는 구조로 되어 있다. 따라서, 발생한 진동으로 인해 휠 구동 모터가 LM guide를 따라 선형 운동을 하게 되는데, 이에 따라 진동으로 측정된 가속도가 낮게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 4 
Vibration results

Fig. 4를 보면 가속 및 감속 구간에서 나타난 휠과 레일의 가속도 값이 유사함을 알 수 있다. 슬립 구간에서는 순수 미끄럼 접촉구간에 비해 구름/미끄럼 접촉구간에서 휠과 레일 모두 두 배 이상의 RMS 값을 나타내었다. 네 구간 중 순수 미끄럼 접촉구간에서 가장 작은 RMS 값을 나타내었데, 이는 감속 구간에 비해서도 50 % 이상 작은 값이다. 이를 통해 가감속 및 직선 주행 등 낮은 슬립율이 나타나는 주행 조건에서 더 높은 진동이 발생함을 알 수 있다.

가감속 구간을 확인해 보면 RPM이 증가 또는 감소함에 따라 진동이 증가 및 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 5를 보면 가감속 구간에서 RPM에 의한 오더 진동 값이 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 차량의 속도 또한 진동에 영향을 미칠 수 있음을 유추해 볼 수 있다. 따라서, 향후 연구에는 진동과 열차속도와의 상관관계에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 5 
Waterfall results of FFT

Fig. 5는 주파수를 워터폴로 나타낸 결과이다. Fig. 5에 나타나 있듯이 휠 및 레일 모두 비슷한 경향을 보였다. 가속 및 구름/미끄럼 접촉구간에서는 약 1200 Hz ~ 1300 Hz에서 가장 높은 진동이 나타났다. 약 1분경부터는 순수 미끄럼 접촉 조건이 발생하면서 가장 높은 진동 값이 나타나는 주파수가 증가하여 약 1500 Hz 인근으로 이동했다가 감속 영역에서는 다시 1200 Hz ~ 1300 Hz로 돌아오는 경향을 나타내었다. 여기서 가속 및 감속 구간은 모두 구름/미끄럼 접촉 조건에 해당한다. 따라서, 가장 높은 진동 값이 나타나는 주파수는 구름/미끄럼 접촉 조건에서는 1.2 kHz ~ 1.3 kHz에서, 그리고 순수 미끄럼 접촉 조건에서는 1.5 kHz에서 발생하는 것으로 알 수 있는데, 이를 통해 접촉 조건이 진동에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

접촉 조건에 따른 진동의 변화를 확인하고자 접촉 조건에 따른 주파수의 변화를 확인하였고, 이는 Fig. 6에 나타나 있다. 두 접촉 조건의 휠과 레일 모두에서 1000 Hz 이하에서 30 Hz 성분의 사이드밴드(sideband)가 나타나는데, Wang and Lee⁽⁹⁾에 따르면 이는 회전체에서 슬립 발생할 시 나타나는 특징이다. 구름/미끄럼 접촉구간에서는 휠과 레일 모두에서 약 1250 Hz 인근에서 가장 높은 진동 값이 발생하였는데, 순수 미끄럼 접촉 조건에서는 이 주파수에서의 진동 값이 현저히 낮아졌다. Fig. 4에 나타난 순수 미끄럼 접촉구간에서의 낮은 진동 값은 약 1250 Hz 성분의 진동이 감소한 것이 가장 큰 이유라고 판단된다.

Fig. 6 
FFT results at different contact zones

이 연구에서는 휠-레일 접촉 모사 시험기를 활용하여 휠과 레일에서 발생하는 진동을 간접 측정하여, 휠과 레일에서 발생하는 진동의 모사 시험 가능성을 확인하였다. 또한, 차량 동역학 및 접촉 조건에 따른 진동 발생 특성을 확인해보았다. 이 연구를 통한 결론은 다음과 같다.

(1) Twin-disk 시험기를 활용한 휠 및 레일 진동 발생 모사 시험 및 진동 발생 특성 연구는 가능한 것으로 판단된다. 특히, 다양한 인자의 영향에 대한 상대 비교 연구 등에 유용하게 활용할 수 있는 것으로 기대된다.

(2) 휠과 레일에서 발생하는 진동 크기 및 특성은 가속, 감속, 브레이킹 등 다양한 차량 동역학의 영향을 받는다.

(3) 휠과 레일에서 발생하는 진동 크기 및 특성은 휠과 레일의 접촉 조건인 구름/미끄럼 접촉 및 순수 미끄럼 접촉 조건의 영향을 받는다.