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문제 정의
- 본 연구에서는 고속화된 철도차량의 유지보수에 필요한 주행특성과 구조결함에 대한 평가가 가능한 350km/h급의 유지 보수용 주행시험기의 개념 설계안을 제시하고자 한다. 주행시험기의 설계사양으로는 대차 한 대 분량의 주행 상태를 구현하고, 국내에서 운행되는 대차의 축 간격에 따라 후두부 롤러가 가변되도록 설계하였다.
- 주행시험기(roller rig)는, 레일에 해당하는 롤러(roller)에 차량 또는 대차를 설치하여 주행상태를 재현하는 장치로써, 철도차량의 사행동, 주행안정성 및 주행성능에 대한 특성을 파악하는데 목적이 있다[1]. 이 장비는 롤러를 통해 무한궤도의 차량주행을 구현하여 차량의 차륜과 레일 사이에서의 상호작용에 대한 연구를 수행하고, 철도차량의 주행특성과 차체의 안정성을 평가한다. 따라서, 주행시험기는 국제적으로 수많은 연구 개발을 통해 철도차량의 기술적 발전을 이룩하는데 도움을 주고 있다[2].
- 현재 국내/외에서 개발된 주행시험기는 대차 한 대 또는 철도차량 한 대에 대한 주행성능을 주로 평가한다[4]. 일반적인 주행시험기는 철도차량의 연구 및 개발을 위해 제작되고 있지만[5], 본 연구에서는 상업 운행 중인 대차의 중수검사를 목적으로 설계를 하였다. 즉, 대차 한 대에 철도 차량 가상 질량체(dummy)를 얹어 대차의 주행성능평가가 가능한 모델을 제시하였다.
제안 방법
- (1) 본 연구에서 설계된 350km/h급의 유지보수용 주행시험기는 직선운동과 곡선운동이 구현 가능한 모델로써, 축 간격 가변시스템의 적용으로 국내에서 운행되는 철도차량(새마을호, KTX)의 모든 대차를 시험할 수 있도록 설계하였다.
- 대차의 동적거동을 확인하기 위해 롤러와 대차의 차륜 사이에는 마찰에 의한 충격 접촉(impact contact)조건을 적용 하였다. 주행시험기의 경우 지면에 고정되고, 그 위에 대차 차량이 놓이게 된다.
- 철도차량의 새로운 모델을 개발하면 차량에 적합한 대차 모델도 개발되는데, 대차는 차량 및 용도에 따라 축 간격이 일정하지 않다. 따라서, 설계된 주행시험기의 대차의 축 간격은 2100~3500mm로, 국내에서 운행되는 새마을호와 KTX의 모든 차량에 대한 주행시험이 가능하도록 설계하였다.
- 본 연구에서 제시된 주행시험기는 국내에서 운행 중인 철도차량의 대차에 따른 현가장치, 프레임의 구조적 결함, 차량의 차륜과 축연결부에 대한 결함을 파악할 수 있는 시스템으로 설계하였다. 또한, 제작 사양에 대한 주행 데이터와 시험 대차에 대한 중수검사를 실시하여 데이터의 비교분석을 통해 대차에서 발생할 수 있는 결함을 확인하도록 하였다. 주행시험기의 시험방식은 RTU방식을 기반으로 하며, 곡선 주행은 좌우측 궤조륜의 회전속도 차이를 통하여 모사하도록 설계하였다.
- 벨트를 사용하여 축 간격을 변경 시 모터부도 함께 이동해야 하는 단점이 있어, 유니버셜 커플링(universal coupling)을 사용하여 보완하였다. 또한, 벨트 사용으로 인해 발생하는 소음을 줄일 수 있다.
- 철도차량의 주행테스트는 수 십톤의 외력 하중에 대해 여러 가지 변수를 고려해야 하기 때문에 설계 시 주의해야할 사항들이 매우 많다. 본 연구에서 설계의 주안점은 대차의 높은 하중을 지탱해야하는 구동축으로 선정하여 그 외 부수적인 베어링과 플러머 블록에 대한 설계를 순차적으로 진행하였다. 이때, 구동축의 직경은 축의 양 쪽이 지지되어 회전하는 물체의 직경을 구하는 식 (1)을 적용하였다[6].
- 본 연구에서 제시된 주행시험기는 국내에서 운행 중인 철도차량의 대차에 따른 현가장치, 프레임의 구조적 결함, 차량의 차륜과 축연결부에 대한 결함을 파악할 수 있는 시스템으로 설계하였다. 또한, 제작 사양에 대한 주행 데이터와 시험 대차에 대한 중수검사를 실시하여 데이터의 비교분석을 통해 대차에서 발생할 수 있는 결함을 확인하도록 하였다.
- 본 연구에서는 350km/h급의 유지 보수용 주행시험기에 대한 개념설계안을 제시하고, 설계에 대한 타당성을 동적주행성능해석과 구조해석을 통해 검증하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
- 즉, 대차 한 대에 철도 차량 가상 질량체(dummy)를 얹어 대차의 주행성능평가가 가능한 모델을 제시하였다. 설계 진행은 주행시험에서 가장 높은 하중을 받는 구동축과 무한궤도레일의 역할을 수행하는 롤러, 철도차량의 대차에 대한 축 간격 가변시스템 부분으로 나누어 진행하였다.
- 설계된 주행시험기는 동특성 해석 프로그램 ADAMS를 사용하여 대차의 주행성능과 구동축에 발생하는 외력을 확인하였다. 주행시험 대차모델은 Fig.
- 6에 나타내고 있다. 설계된 주행시험기는 주행시험 전철도차량의 축 간격을 고려하여 변경할 수 있도록 설계하였고, 좌우측 전두부에 모터를 설치하여 베벨기어를 통한 후두부로의 동력전달이 이루어지도록 설계하였다.
- 시험대차의 차륜은 궤조륜의 최상위에 위치시키기 위해서 대차의 전후/좌우 자유도 및 3축 회전에 대한 자유도를 모두 구속하고, 상하 변위만 발생할 수 있도록 하였다. 이에 차륜축은 프레임과 연결된 개스킷에 의해 고정되어 궤조륜의 최상위에 위치하게 된다.
- 주행시험기의 경우 지면에 고정되고, 그 위에 대차 차량이 놓이게 된다. 이때, 주행 시 발생한 진동으로 인해 차륜/궤조륜에 충격이 발생하기 때문에 충격접촉을 적용하였다. 접촉변수 값들은 Table 2와 같이 국내 철도차량에 대한 가상 주행시험에 사용된 데이터를 기반으로 하여 시험대차의 연구 조건에 맞도록 감쇠계수를 변경하여 적용하였다[8].
- 5에 보듯이 하부 프레임은 끼워맞춤 형식으로 하여 후두부 주행장치가 직선방향으로만 운동하도록 하였다. 이에, 유압장치가 후두부 주행장치 측면에 고정되어 주행시험 전 단계에서 시험할 대차의 사양에 맞게 축 간격을 변경할 수 있도록 설계하였다. 한편, 주행시험기의 축 간격 가변 범위는 1400mm로 유니버셜 커플링(universal coupling)에 의한 가변에 한계가 있기 때문에 시험할 축 간격을 고려하여 교체할 수 있도록 하였다.
- 이때, 주행 시 발생한 진동으로 인해 차륜/궤조륜에 충격이 발생하기 때문에 충격접촉을 적용하였다. 접촉변수 값들은 Table 2와 같이 국내 철도차량에 대한 가상 주행시험에 사용된 데이터를 기반으로 하여 시험대차의 연구 조건에 맞도록 감쇠계수를 변경하여 적용하였다[8]. 주행 시간구배는 가속구간 100초, 정속구간 100초와 감속구간 100초로 선정하였다.
- 본 연구에서는 고속화된 철도차량의 유지보수에 필요한 주행특성과 구조결함에 대한 평가가 가능한 350km/h급의 유지 보수용 주행시험기의 개념 설계안을 제시하고자 한다. 주행시험기의 설계사양으로는 대차 한 대 분량의 주행 상태를 구현하고, 국내에서 운행되는 대차의 축 간격에 따라 후두부 롤러가 가변되도록 설계하였다. 또한, 설계된 모델은 동적해석 프로그램 ADAMS를 이용하여 동적모델을 제시하여 주행 특성을 검증하였고, 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 통해 구조안전성을 평가하였다.
- 또한, 제작 사양에 대한 주행 데이터와 시험 대차에 대한 중수검사를 실시하여 데이터의 비교분석을 통해 대차에서 발생할 수 있는 결함을 확인하도록 하였다. 주행시험기의 시험방식은 RTU방식을 기반으로 하며, 곡선 주행은 좌우측 궤조륜의 회전속도 차이를 통하여 모사하도록 설계하였다. 이때, 회전속도의 차이는 좌우측에 모터를 각각 설치하여 조정할 수 있도록 하였다.
- 일반적인 주행시험기는 철도차량의 연구 및 개발을 위해 제작되고 있지만[5], 본 연구에서는 상업 운행 중인 대차의 중수검사를 목적으로 설계를 하였다. 즉, 대차 한 대에 철도 차량 가상 질량체(dummy)를 얹어 대차의 주행성능평가가 가능한 모델을 제시하였다. 설계 진행은 주행시험에서 가장 높은 하중을 받는 구동축과 무한궤도레일의 역할을 수행하는 롤러, 철도차량의 대차에 대한 축 간격 가변시스템 부분으로 나누어 진행하였다.
대상 데이터
- 주행시험기 설계사양은 Table 1에 나타낸 주요 제원을 바탕으로 설계를 수행하였고, 실제 대차의 운행조건을 고려하여 레일의 역할을 하는 롤러는 국제규격 UIC-60레일을 사용하였다[3]. 가상 주행시험을 실시하기 위한 대차 모델은 H형 프레임의 고속철도 차량의 대차를 사용하였다.
- 5~2배의 안전계수를 곱하여 선정하였다. 따라서, Fig. 1에서 보는 바와 같이 도면에서 나타낸 구동축의 직경은 100~150mm이고, 총 길이는 1260mm의 단일축으로 설계하였다. Fig.
- 시험대차를 구동 하는데 필요한 주행시험기 모델은 롤러, 구동축, 동력 전달축, 플러머 블록(flumor block), 기어부와 커플링(coupling)으로 구성되어 있다. 이때, 플러머 블록은 지면으로부터 주행시험기를 고정하고, 디스크 커플링(disk coupling)은 시간구배에 따른 각속도를 입력하여 롤러부로의 동력이 전달될 수 있게 하였다.
- 유한요소해석에 사용된 요소는 솔리드 185번이며, 하중 조건은 모델의 상부노드에 최대 접촉하중인 670kN을 적용 하였다. 이때, 베어링과 플러머 블록이 위치하는 지점은 자유도를 모두 구속하였다.
- 4의 그래프는 롤러의 직경이 1300mm일 경우 1370mm보다 낮은 속도에서 난조임계속도에 도달하는 것을 실험을 통해 검증한 결과이다. 이에, 대차의 주행시험을 고속에서 보다 안전하게 실시할 수 있도록 롤러의 지름을 1370mm로 선정하였다[7].
- 일반적으로 고속, 고하중의 축의 경우 SM20C~SM50C, SF, SCM과 SNCM 등의 강재를 사용하는데, 본 연구에서는 SM45C를 선정하였으며, 물성은 Table 3과 같다.
- 접촉변수 값들은 Table 2와 같이 국내 철도차량에 대한 가상 주행시험에 사용된 데이터를 기반으로 하여 시험대차의 연구 조건에 맞도록 감쇠계수를 변경하여 적용하였다[8]. 주행 시간구배는 가속구간 100초, 정속구간 100초와 감속구간 100초로 선정하였다.
- 설계된 주행시험기는 동특성 해석 프로그램 ADAMS를 사용하여 대차의 주행성능과 구동축에 발생하는 외력을 확인하였다. 주행시험 대차모델은 Fig. 7과 같이 H형 프레임의 고속철도 차량용 대차를 사용하였다.
- 주행시험기 설계사양은 Table 1에 나타낸 주요 제원을 바탕으로 설계를 수행하였고, 실제 대차의 운행조건을 고려하여 레일의 역할을 하는 롤러는 국제규격 UIC-60레일을 사용하였다[3]. 가상 주행시험을 실시하기 위한 대차 모델은 H형 프레임의 고속철도 차량의 대차를 사용하였다.
데이터처리
- 도출된 하중 값을 적용하여 유한요소해석 프로그램인 ANSYS에서 구조해석을 수행하였으며, 이 때 사용된 유한 요소모델은 Fig. 12와 같다.
- 주행시험기의 설계사양으로는 대차 한 대 분량의 주행 상태를 구현하고, 국내에서 운행되는 대차의 축 간격에 따라 후두부 롤러가 가변되도록 설계하였다. 또한, 설계된 모델은 동적해석 프로그램 ADAMS를 이용하여 동적모델을 제시하여 주행 특성을 검증하였고, 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 통해 구조안전성을 평가하였다.
성능/효과
- (2) 동특성 해석 프로그램인 ADAMS를 통해 주행시험기의 주행성능 평가를 위한 동적모델을 제시하였고, 이를 통해 대차의 시험 설계 목표인 350km/h에 도달하는 것을 확인하였다.
- (3) 대차 차륜와 롤러의 최대접촉하중에 대한 구동축의 구조적 안전성을 검증한 결과 축의 구조강성과 강도가 안전한 것으로 확인되었다.
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2.4 최대 접촉하중에 대한 구조 안전성 평가
가상 주행시험을 통해 롤러 위에서 구동하는 차량은 접촉변수의 영향으로 진동이 발생하는 것을 확인하였다.
- 롤러의 회전으로 휠과 접촉되는 위치는 시간에 따라 변화하고, 접촉되는 위치에 따라 받는 하중이 다르기 때문에 과도해석을 실시해야하지만, 계산시간이 매우 많이 소요되며 최대 하중에 대한 정하중 해석에서 충분히 안전한 상태인 것을 확인하여 과도해석은 실시하지 않았다.
- 18MPa이 발생하였다. 이때, 축의 항복응력 값이 515MPa로써 강도 측면에서도 안전함을 확인하였다.
- 이때, 차륜의 가변은 50초를 기점으로 발생하였고 60초 이후로 감소하여 80초 지점에서 안정되는 것을 확인할 수 있다. 이에, 프레임의 상하변위는 이중코일스프링의 영향을 받아 상하로 진동하면서 차륜의 변위가 감소하는 60초를 기점으로 안정화 된다고 판단되었다.
- 8은 대차의 최고속도 구현에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 롤러의 최고 각속도를 142rad/sec로 설정하였을 때, 대차의 휠은 접촉에 의해 최고 각속도가 210 rad/sec이 된다. 휠 각속도를 직선속도로 변환하면 350km/h가 되어 연구 목적에 맞는 속도가 구현되는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 전두부와 후두부 휠의 각속도가 동일하게 나오는 것은 동력전달에 따른 손실이 발생하지 않는 상태로 가정하여 주행시험을 실시하였기 때문이다.
후속연구
- (4) 향후 본 연구에서 설계된 주행시험기는 실제품을 제작하는데 필요한 사양을 제시할 수 있다.
- (5) 철도차량 차륜과 주행시험기 궤조륜간의 접촉조건에 대한 추가적인 연구를 통해 실제주행과 동일한 동적 시뮬레이션이 가능하도록 진행할 것이다.
- ADAMS를 이용한 가상주행시험을 통해 대차의 최고속도의 구현, 프레임의 상하변위와 차륜의 좌우변위에 대한 데이터를 도출이 가능하였으며, 이는 실제 모델이 제작되었을 때, 가상주행시험과 실제 주행시험에 대한 데이터가 구축되면 대차의 결함여부를 판단하는 기초 데이터로 활용할 수 있을 것이다.
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