Abstract
The damper oil seal of a high-speed railway vehicle is made from nitrile butadiene rubber (NBR) in order to prevent lubricant from leaking into the damper and to stop harmful contaminants from entering the external environment while in service. Oil leakage through the seal primarily occurs from fatigue failure of the damper. Cumulative damage of the seal occurs due to the contact force between the rod and the rubber during movement due to track irregularities and cants, among other factors. Thus, the design of the oil seal should minimize the maximum principal strain at weak points. In this study, the optimal cross section of the damper oil seal was found using the multi-island genetic algorithm method to improve the durability of the damper. The optimal shape of the oil seal was derived using process automation and design optimization software. Nonlinear material properties for finite element analysis (FEA) of the rubber were determined by Marlow's model. The nonlinear FEA confirmed that the maximum principal strain at the oil leakage point was decreased 24% between the initial design and the optimum design.
고속 철도 차량 댐퍼의 오일 씰은 열차 운행동안 외부 환경으로부터 유해한 오염을 막고, 댐퍼 내부에서 오일 누출을 방지하고자 사용되는 니트릴 부타디엔 고무 재질 부품이다. 오일 씰의 주요 고장원인인 누유는 본 댐퍼의 피로 파손을 일으킨다. 뿐만 아니라 본 오일 씰의 누적 손상은 궤도 불규칙과 캔트 등으로 열차 주행동안 반복적인 댐퍼의 상하 운동으로부터 로드와 본 부품 사이에 접촉력으로 인하여 발생한다. 따라서 본 오일 씰의 설계는 취약점에서 최대 주변형률을 최소화하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 댐퍼의 내구성을 향상하기 위하여 다중 섬 유전자 알고리즘을 이용하여 오일 씰 단면형상에 대한 최적설계를 수행하였다. 오일 씰의 최적단면은 절차 자동화 / 최적설계 프로그램을 이용하여 본 연구의 최적설계와 비선형 유한요소해석의 통합절차에 따라 얻어진 것이다. 또한, 비선형 유한요소해석의 입력 자료로서, 본 고무의 비선형 물성 값은 말로우식으로 표현하였다. 취약지점인 오일 누유지점에서 최적단면의 오일 씰은 초기 형상과 비교할 때, 이 지점에서 최대 주변형률이 약 24% 감소함을 확인하였다.
