[논문]대차틀의 구조해석 및 하중시험에 관한 연구

김원경; 윤성철

가설 설정

(4) 시험결과 모든 조합응력은 피로내구선도상의 안전역에 위치하고 있다. 이상의 결과로부터 대구시 전동차 대차틀은 충분한 정적 강도와 피로강도를 갖고 있는 것으로 판단된다.

제안 방법

구조해석에 적용된 하중조건은 도시철도차량의 안전기 준에 관한 규칙 및 도시철도차량의 성능시험에 관한 기준을 우선 적용하여 수직하중, 비틀림하중, 전후하중, 좌우하 중, 구동장치하중, 주전동기하중, 브레이크하중의 시험하중 에 대한 구조해석을 수행하였으며, 하중시험은 구조해석 결과를 참고하여 각 하중조건에서 높은응력이 예상되는 부위에 스트레인게 이지를 부착하여 도시 철도차량의 성능시 험 에 관한 기준에 의거하여 성능시험을 수행하였다[2, 3-5].
대차틀의 구조해석 결과를 참고하여 각 하중조건에서 높은응력이 예상되는 부위와 형상변화 등에 의한 응력집중이 예상되는 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 수직하중, 비틀림하중, 전후하중, 좌우하중, 구동장치하중, 주전동기하 중, 브레이크하중을 측정하였다. 스트레인 게이지는 대차틀의 대칭성을 고려하여 1/2 부분에 집중적으로 취부하였으며, 중량은 Table 1과 같으며 시험장비 설치도는 Fig.
본 해석은 볼스타리스형 용접구조이며 1차 현가장치인 Roll rubber spring과 2차 현가장치 인 Air spring으로 구성된 구동대차 프레임에 대하여 유한요소법을 이용하여 대차틀 강도평가를 시행하였다. 해석은 쉘요소와 솔리드 요소를 사용하였고 Roll rubber spring은 스프링 요소를 사용하였 다.
시험결과 중에서 응력이 보다 큰 값을 나타내는 결과를 사용하여 조합응력 및 피로내구선도를 구하였다. 조합응력 계산식[6]에서 응력기호는 Table 3에 표시되어 있고 계산결 과 조합응력의 평균응력이 6.
본 연구의 대차는 대구에서 운행예정 인 중형 전동차의 공기스프링식 볼스타레스 대차이며 궤간 1, 435mm, 축간거리 2, 100mm, 차륜경 860mm, 제동방식은 답면제동이다. 주행장치의 주요 구성품인 대차틀에 대하여 먼저 구조해석을 실시한 후 이를 바탕으로 하중시험을 통해 강도를 확인하여 대차의 구조 안정성을 평가하여 대차의 특성을 분석하고자 한다.

대상 데이터

주행장치는 크게 대차틀, 차륜 및 차축, 1차 2차 현가장치, 제동장치, 전동기 및 동력전달 장치 등으로 구성되며, 대차의 구조물이라 할 수 있는 대차 틀은 형상이 복잡하고 하중을 직접 지지할 뿐만 아니라 하 중조건도 정적 및 동적하중이 복합적으로 작용하고 있어, 차체자중 및 승객하중에 의한 정하중과 곡선주행, 제동시 발생하는 준정적하중 및 불규칙한 선로와 차체, 주행장치, 윤축의 운동모드에 의한 동하중을 받고 있다[1]. 본 연구의 대차는 대구에서 운행예정 인 중형 전동차의 공기스프링식 볼스타레스 대차이며 궤간 1, 435mm, 축간거리 2, 100mm, 차륜경 860mm, 제동방식은 답면제동이다. 주행장치의 주요 구성품인 대차틀에 대하여 먼저 구조해석을 실시한 후 이를 바탕으로 하중시험을 통해 강도를 확인하여 대차의 구조 안정성을 평가하여 대차의 특성을 분석하고자 한다.
본 해석은 볼스타리스형 용접구조이며 1차 현가장치인 Roll rubber spring과 2차 현가장치 인 Air spring으로 구성된 구동대차 프레임에 대하여 유한요소법을 이용하여 대차틀 강도평가를 시행하였다. 해석은 쉘요소와 솔리드 요소를 사용하였고 Roll rubber spring은 스프링 요소를 사용하였 다. 해석모델은 Fig.

성능/효과

(2) 최대응력 발생부위는 수직하중시 Brake hanger brk의 흐}단 곡률부에서 13.52kgf/mm², 비틀림흐]중시 Brake hanger brk의 하단 곡률부에서 11.66kgf/mm²으로 사용재질의 허 용응력의 이내에 포함된다.
(3) 조합응력계산결과 최대 평균응력은 제동시 airspring seat(그라인딩)에서 발생된 12.22kgf/mm²이며, 최대 응력 진폭은 주행시 link bracket(모재)의 연결부에서 발생된9.68kgf/mm² 이다.
각각의 하중조건에서 수직하중, 비틀림하중, 전후하중, 주 전동기하중의 경우 시험값과 해석값의 오차가 4-10% 정도이었으며, 좌우하중의 경우 19%, 구동장치하중의 경우 22%, 브레이크하중의 경우 26%정도로 나타났다. 오차가 큰 경우는 향후과제로서 보다 정확한 해석을 위해서 해석 메쉬를 작게 모델링하여 해석한 후 추가 검증이 필요할 것으로 판단된다.
2kgf/mirf 이상인 측정 점들은 Table 6과 같다. 이 결과들을 살펴보면 전체적으로 응력 측정 결과값들은 모두 허용응력 이내에 있음을 알 수 있으며 비틀림하중조건에서의 최대응력은 2, 3위 시험시 brake hanger bracket(스트레인 게이지 No. 52)에서 나타나 고 있으며, 그 값은 11.66kgf/mm²로서 사용재질(SWS490A) 의 허용응력 33kgf/mm² 이내에 있다.
0kgf/mm²이상인 측정점들은 Table 5와 같다. 이 결과를 살펴보면 측정응력들은 모 두 허용응력이내에 있음을 알 수 있으며 수직하중조건에서 의 최대응력은 brake hanger bracket(스트레인 게이지 No.52)에서 발생하였으며, 그 값은 13.52kgf/mm²로서 사용재질 (SWS490A)의/허용응력 33kgf/mm²이내에 있다.
(4) 시험결과 모든 조합응력은 피로내구선도상의 안전역에 위치하고 있다. 이상의 결과로부터 대구시 전동차 대차틀은 충분한 정적 강도와 피로강도를 갖고 있는 것으로 판단된다.

후속연구

각각의 하중조건에서 수직하중, 비틀림하중, 전후하중, 주 전동기하중의 경우 시험값과 해석값의 오차가 4-10% 정도이었으며, 좌우하중의 경우 19%, 구동장치하중의 경우 22%, 브레이크하중의 경우 26%정도로 나타났다. 오차가 큰 경우는 향후과제로서 보다 정확한 해석을 위해서 해석 메쉬를 작게 모델링하여 해석한 후 추가 검증이 필요할 것으로 판단된다.

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