철도차량 Metal Spring 자가발전 모듈 적용을 위한 피로수명 연구

초록

본 연구에서는 철도시스템 실시간 모니터링에 철도차량 주행중 진동에너지를 이용하여 스스로 전 력을 생산하는 자가발전 기술을 적용하기 위하여 자가발전 모듈 탄성 부품의 철도차량 적용 대한 피로 수명에 대하여 연구하였다. 먼저 실제 고속열차 주행에서 진동 가속도를 측정하여, 속도에 따른 진동가속도 특성을 분석하였다. 그 결과 철도차량의 경우에는 열차의 주행 속도에 따라 발생하는 진동 가속도의 메인 주파수가 Peak 최 대값 기준으로 순간적으로 ±50g 범위를 넘으며, 주행 속도 및 선로 상태에 따라서 다양한 주파수 성분 이 발생하는 것으로 확인 되었다. 이는 곧 철도차량의 진동 가속도 에너지가 자가발전 모듈에 그대로 영향을 주는 것을 의미하며 자가발전 모듈의 탄성 운동부품인 금속 스프링부에도 철도차량 주행 속도에 따라 변위에 많은 변화가 있는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 실제로 자가발전 모듈의 피로수명 을 확인하기 위해, 철도차량에서 측정한 진동 가속도 데이터를 가진기에 입력하여 주행 중 자가발전 모 듈의 금속 스프링부에 대하여 변형의 크기를 레이저 변위계를 이용하여 측정하였다. 그 결과 앞선 논문 에서도 밝힌 바와 같이 자가발전 모듈의 핵심 부품의 경우에는 진동 에너지에 의해 초당 수십 번의 매 우 빠른 주기로 약 4mm 이상의 큰 변위가 발생하고 있는 것으로 확인되었다(2). 그리고 이 결과를 바탕 으로 자가발전 모듈의 정적 피로수명 해석 및 주파수 응답 해석을 수행한 결과 4mm 변위에서 자가발전 모듈의 금속 스프링 부의 수명이 수 104 cycle 단위뿐이 안돼 해당 재질의 무한수명 영역에 도달하지 못하 는 것으로 확인되었다. 따라서 이를 향상하기 위해 변위와 자가발전 모듈 발전량 간의 상관관계 등을 고려하여 실제 철도차량 주파수 변화에서도 필요한 발전을 하면서도 금속 스프링부의 수명을 향상 시킬 수 있는 피로수명 향상 연구가 필요로 한 것을 확인하였다. 또한 실제 자가발전 모듈 신뢰성에 심각한 영향을 줄 수 있는 충격과 같은 고진동 에너지에 대하여 신뢰성을 확보하기 위한 연구가 필요하며, 향 후 실제 주행에서 발생하는 고진동-불규칙 충격 에너지를 견뎌낼 수 있는 탄성 부품에 대한 충격 시험 및 해석 등을 수행하여 구조 최적화를 수행하여 `소재` 부터 `시스템` 레벨까지 자가발전 모듈의 신뢰성 을 확보하고자 한다.