다중 가속도 측정 정보를 활용한 유기기구 안전성평가 방법에 대한 연구

Abstract

롤러코스터(roller coaster) 레일의 최고부 높이 및 경사 각도가 커짐에 따라 레일 또는 차량에 큰 무리를 주어 기계적 결함을 일으키고 안전사고가 발생하는 경우가 늘어나고 있다. 전 세계적으로 롤러코스터에서 사고가 발생하는 구간은 주로 방향 및 속도가 급격히 변화하는 지점이며, 이 구간에서 가속도가 강하게 발생하여 차축에 큰 무리를 줄 것으로 예상된다. 롤러코스터는 관광진흥법에 따라 안전성 검사를 받아야 하며, 안전성 검사 시 사고 예방을 위하여 가속도에 의한 영향을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 롤러코스터 차축에 작용하는 힘을 구하기 위하여 먼저 롤러코스터 차량을 좌석부(seat), 앞 차축(front axle), 뒷 차축(rear axle)으로 나누어 도식화하였다. 또한 부정정(Statically indeterminate) 개념을 활용하여 차축과 차량 좌석부의 연결체의 수를 가정하였고, 구하고자하는 미지수와 운동방정식의 수를 맞췄다. 그리고 뉴턴의 제2법칙을 응용하여 각 강체의 3차원 법선 및 회전 운동방정식을 수립하였다. 운동방정식을 풀기 위하여 임의의 롤러코스터를 선정하였고, 앞 차축에 가속도 측정기 1개, 뒷 차축에 2개 부착하여 가속도를 총 10회 측정하였다. 측정된 가속도는 matlab을 이용하여 주행 경로에 따른 경향을 파악하였고, 가속도 차를 이용하여 각 회전방향 별 각속도 및 각가속도를 구하였다. 또한 실험 대상의 각 부품 별 질량, 질량중심점 및 형상 정보를 활용하여 각 회전방향 별 질량관성모멘트를 파악하였다. 이를 앞서 수립한 운동방정식에 대입하였고 앞, 뒷 차축에 작용하는 힘 총 8 개를 구하였다. 그리고 Rankine의 최대 주응력 설을 활용하여 최대 하중이 차축 재료의 기준강도 및 피로한도 범위 내에 존재하는지에 대하여 파악하였다. 본 연구에서 가속도 측정 및 수립된 운동방정식의 활용을 통하여 롤러코스터에 작용하는 가속도에 의한 차축에 작용하는 힘을 파악할 수 있었고, 이는 향후 롤러코스터 안전성 평가 시 활용 가능할 것으로 예상된다.