[논문]철도차량 연결기용 완충장치에 대한 충돌해석 결과 비교

장현목; 김기남; 박영일

철도차량 연결기용 완충장치에 대한 충돌해석 결과 비교
Comparison of Impact Simulation Result for Rolling Stock Vehicle Coupler System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.13 no.3 = no.58, 2010년, pp.251 - 256

장현목 (서울산업대학교 철도차량시스템공학과) , 김기남 (유진기공산업(주) 철도차량기술연구소) , 박영일 (서울산업대학교 기계설계자동화공학부)

초록
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본 연구에서는 충돌해석 프로그램의 해석 결과와 실제 시험결과에 대한 비교를 통하여 충돌해석 프로그램의 신뢰성에 대한 검증을 진행하였으며, 충돌해석 프로그램을 이용하여 도시철도차량에서 요구하는 차량 편성에 대한 충돌 해석 결과를 제시하였다.

By legislating safety regulations for design, manufacturing and operation of rolling stock through rolling stock safety law, diverse of safety requirements have been established. On the other hands, differences of technical level in practical circumstances between domestic and overseas are pointed out that not be able to be overcome in short period. About collision safety requirements for rolling stock, European countries have been applying TSI requirement to all of rolling stock and domestic collision safety requirements in rolling stock safety law are based on TSI. In following thesis, it is showing an analysis simulation for current rubber cushion and hydraulic buffer system to verify if they are fit to collision safety requirements and result of the simulation program for prior verification. This also suggests a method to prove the performances of coupler system for future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

철도차량에 대한 충돌안전 기준 및 요구조건과 관련해서 유럽에서는 이미 TSI 규정에 따라 모든 철도차량에 적용하고 있으며, 국내의 철도안전법중 충돌안전 기준에 관련된 부분도 TSI[2]에 기반을 두고 있다. 본 논문에서는 철도안전법에서 요구하는 충돌안전조건을 만족하는지 여부를 판단하기 위해 기존의 고무 완충기와 더불어 유압 완충 장치가 포함된 철도차량 연결기용 완충 시스템의 충돌을 해석할 수 있는 시뮬레이션을 보여주고, 사전 검증작업 목적으로 개발된 충돌해석 프로그램의 결과에 대한 검증 및 향후 연결기시스템의 성능 입증을 위한 방안을 제시한다.
본 논문에서는 충돌해석 프로그램의 결과를 비교하기 위하여 두 가지 결과에 대한 비교를 수행하였다. 실제 실험결과와 해석결과를 비교하였을 경우 속도가 증가하면서 결과의 차이가 커지는 경향이 나타났으나 전체적으로 10% 이내의 오차를 보이고 있으며, 이는 실제 발생하는 마찰저항과 짧은 시간에 에너지를 흡수하는 패턴의 차이에 의하여 발생하는 것으로 완충장치의 압축 속도 및 변위에 따른 응답 특성을 정밀하게 얻는다면 정교한 시뮬레이션이 가능할 것으로 생각된다.

제안 방법

75km/h 의 순서로 제어하여 7번에 걸쳐 수행되었으며 완충기의 보존을 위해 처음 두 번을 제외하고는 충돌 시 연결기를 작동시키지 않고 충돌만을 수행하였다. 또한 완충기의 재현성을 확보하기 위해 각 충돌 실험 후에 일정한 휴식을 통해 완충기의 초기온도를 일치시켰다.
완충기의 성능을 측정하기 위한 실험은 단일 객차에 장착된 완충 시스템과 고정벽면에 지지된 완충 시스템이 일정한 간격을 두고 특정한 속도로 충돌할 때 발생하는 현상을 측정 하였다.
충돌 실험을 위해 객차의 속도는 2.7km/h, 3.6km/h, 3.4km/h, 6.0km/h, 7.6km/h, 10km/h, 10.75km/h 의 순서로 제어하여 7번에 걸쳐 수행되었으며 완충기의 보존을 위해 처음 두 번을 제외하고는 충돌 시 연결기를 작동시키지 않고 충돌만을 수행하였다. 또한 완충기의 재현성을 확보하기 위해 각 충돌 실험 후에 일정한 휴식을 통해 완충기의 초기온도를 일치시켰다.
충돌해석에 사용한 프로그램은 차량의 구조와 강성을 단순화하여 Fig. 1과 같이 Matlab으로 차량 편성에 대한 모델링을 구성하였다.

성능/효과

또한, 고무 완충기 모델만을 사용한 편성단위의 충돌해석 결과에서는 약 5% 정도의 유사한 해석 결과를 보이고 있다. 이는 고무 완충기의 경우 유압완충기 모델보다 단순한 형태의 압축력과 변위 특성을 이용하여 모델링 되기 때문에 오차의 발생요인이 적다고 할 수 있다.
상기의 충돌해석 결과는 외국사의 충돌해석 결과와 비교할 경우 신뢰할 수 있는 수준의 외국사와 국내에서 개발한 충돌해석 프로그램을 이용한 충돌해석 결과를 비교할 경우 약 5% 정도의 차이를 보이고 있다.
본 논문에서는 충돌해석 프로그램의 결과를 비교하기 위하여 두 가지 결과에 대한 비교를 수행하였다. 실제 실험결과와 해석결과를 비교하였을 경우 속도가 증가하면서 결과의 차이가 커지는 경향이 나타났으나 전체적으로 10% 이내의 오차를 보이고 있으며, 이는 실제 발생하는 마찰저항과 짧은 시간에 에너지를 흡수하는 패턴의 차이에 의하여 발생하는 것으로 완충장치의 압축 속도 및 변위에 따른 응답 특성을 정밀하게 얻는다면 정교한 시뮬레이션이 가능할 것으로 생각된다. 그러나, 이러한 부분은 현실적으로 충돌시험을 통하여 자료를 확보할 수 있는 부분이지만 국내여건상 충돌시험을 진행할 수 있는 여건이 준비되어 있지 않기 때문에 자료 확보에 어려움이 있다.
유압 완충기의 경우 변위 및 속도에 의존하는 함수로 그 응답력을 표현할 경우 실제 충돌 시의 거동과 10% 내외로 근접한 해석 결과를 보여줄 수 있으며 철도 차량의 마찰 모델을 적용하여 실험값과 보다 근접한 결과를 도출할 수 있음을 보여주었다.
이렇게 해석되는 이유로 각 완충기의 강성이 다소 작게 설계되었을 수 있기 때문인 것으로 판단되며, 고속충돌의 경우 실제 특성보다 작은 기울기를 가져 그 강성을 적절하게 표현하고 있지 않다고도 볼 수 있다. 즉, 상대적으로 빨리 압축될 때, 고무의 강성이 줄어드는 경향이 있는데 이로 인해 같은 변위에 도달할지라도 고무가 흡수할 수 있는 에너지가 감소하고 결과적으로 전반적으로 전달되는 응답력에 있어 해석 결과가 상대적으로 높게 나오는 현상을 보이는 것으로 생각된다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서 해석한 동일한 완충시스템을 해석할 때, 과도한 구름 저항을 등가 적용할 경우 Table 2와 같이 실제 충돌과 유사한 결과를 얻을 수 있는 가능성이 있지만 근본적으로 시뮬레이션이 실제 충돌을 반영하기 위해 수정된 모델이 필요하다고 볼 수 있다.
충돌해석 결과에서는 완충장치에서 발생하는 최대충격력이 각각 525kN, 502kN 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이 충격력은 차량의 Underframe으로 전달 된다. 따라서, 차량에서는 요구조건에 부합되는 설계를 위하여 Underframe이 최소한 525kN, 502kN의 충격력을 겯딜 수 있도록 설계되어야 한다.
해석 결과에 따르면 완충기 모델의 경우 고무 완충기를 변위에 의존하는 함수로만 표현하여 충돌을 해석할 때, 실제의 충돌 결과와 상당히 근접한 결과를 보여줄 수 있을지라도 유압 완충기의 경우, 단순히 변위에 의존하는 함수만으로 표현하기에는 부족하다. 이는 유압 완충기의 경우, 그 물리적 현상이 댐퍼의 역할을 하기 때문에 이를 적절하게 표현할 수 있는 모델이 필요한 것으로 생각해 볼 수 있다.

후속연구

그러나 프로그램의 목적이 충돌시 발생하는 힘의 크기를 구하는 것이므로 향후 이를 어느 정도의 오차를 포함하는 범위에서 등가 모델을 구성할 수 있을 것으로 예상된다.
실제 차량시스템의 충돌현상은 단순히 완충기의 특성뿐 아니라 주변 충돌 환경에 의한 마찰 요인이 작용하므로 시뮬레이션 결과가 크게 나타나게 된다. 앞으로 이러한 시뮬레이션 상의 오차를 보상할 수 있는 추가적인 고려가 필요할 것으로 생각된다.
이상의 연구결과를 바탕으로 향후에는 유압완충기를 적용할 경우에 발생하는 오차를 줄일 수 있는 방법에 대한 연구를 통하여 실제 실험결과와 근접한 결과를 얻을 경우 다양한 차량모델에 대한 충돌해석에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
이를 보완하기 위해 본 논문에서 해석한 동일한 완충시스템을 해석할 때, 과도한 구름 저항을 등가 적용할 경우 Table 2와 같이 실제 충돌과 유사한 결과를 얻을 수 있는 가능성이 있지만 근본적으로 시뮬레이션이 실제 충돌을 반영하기 위해 수정된 모델이 필요하다고 볼 수 있다. 일반적으로 충돌 실험이 10km/h 미만의 저속에서 수행되는 것을 감안하여 실험 시 속도의 감소 등을 정밀하게 측정하여 보다 정확한 마찰 모델을 시뮬레이션에 적용하고 다양한 조건에서 각 완충기의 압축 속도 및 변위에 따른 응답력 특성을 정밀하게 얻는다면 정교한 시뮬레이션이 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고무 완충장치는 어디에 사용되는가?	연결기의 완충장치로 사용하는 고무 완충장치는 특성곡선을 반영하는 부분과 속도의 변화를 판단하는 부분으로 Fig. 2와 같이 구성하였다.
	철도안전법으로 무엇을 법규화 하였는가?	철도안전법으로 철도차량의 설계제작운용에 대한 안전기준을 법규화[1] 하면서 다양한 안전 요구조건들이 규정화되었으나, 철도안전법에서 요구하는 수준과 현실적인 국내 기술수준과의 차이점은 단기간에 극복할 수 없는 문제로 지적되었다.
	전반적인 시뮬레이션에서 실제 실험의 충돌보다 주기가 짧은 충돌 거동을 보이는데 이로 인해 차량의 운동 에너지를 흡수하는 시간이 짧아지고 최대 응답력이 다소 높게 나온 것으로 해석하는 이유는 무엇인가?	전반적인 시뮬레이션에서 실제 실험의 충돌보다 주기가 짧은 충돌 거동을 보이는데 이로 인해 차량의 운동 에너지를 흡수하는 시간이 짧아지고 최대 응답력이 다소 높게 나온 것으로 해석된다. 이렇게 해석되는 이유로 각 완충기의 강성이 다소 작게 설계되었을 수 있기 때문인 것으로 판단되며, 고속충돌의 경우 실제 특성보다 작은 기울기를 가져 그 강성을 적절하게 표현하고 있지 않다고도 볼 수 있다. 즉, 상대적으로 빨리 압축될 때, 고무의 강성이 줄어드는 경향이 있는데 이로 인해 같은 변위에 도달할지라도 고무가 흡수할 수 있는 에너지가 감소하고 결과적으로 전반적으로 전달되는 응답력에 있어 해석 결과가 상대적으로 높게 나오는 현상을 보이는 것으로 생각된다.

참고문헌 (7)

Safety Notice for Rolling Stock Vehicle (2005) Clause 3, Crash Safety Standards, Article 36, Rollingstock Connections.
M.-Y. Park, Y.-I. Park, J.-S. Koo (2010) Equivalent modeling technique for 1-D collision dynamics using 3-D finite element analysis of rollingstock, Journal of the Korea Society for Railway, 13(2), pp. 139-146.
N. Kim, H. Jang, K. Kim, Y.-i. Park (2008) Equivalent model of coupling system based on experimental results, KSAE08- S0175, The 2008 Spring Conference Korean Society of Automotive Engineers, pp. 1061-1065.
N. Kim, S. Yang, K. Kim, H. Jang, Y.-i. Park, Impact Simulation of coupling buffers for trains, The 2007 Spring Conference Korean Society of Automotive Engineers, pp. 2008-2014.
K.-N. Kim, T.-H. Ko, Y.-I. Park (2007) Design of coupler system for the tilting train, The 2007 Spring Conference, The Korean Society of Mechanical Engineers.
K.-N. Kim, T.-H. Ko, H.-M. Jang, Y.-I. Park (2007) The impact test for automatic coupler system on the Korean Tilting Train eXpress, The 2007 Spring Conference for Railway, Korea Society for Railway.
Final report on research contract No. 70 100/81 dd 1984 of the Federal Ministry of Transport, Prof. Dr. Ing. Helmut Bugarcic.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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