[논문]고속철도차량 갱웨이 통로연결막의 내구성 평가

강길현; 우창수; 김철수

doi:10.5762/kais.2014.15.8.4796

초록
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관절형 고속철도차량의 승차감 향상 및 주행안전을 위해서는 객차 갱웨이 통로연결막에 대한 화재안전성, 방음기능과 함께 3축 회전각변위(롤링/요잉/피칭) 모드하의 내구성을 만족하는 것이 중요하다. 그러나 국내의 경우 본 통로연결막에 대한 내구성 시험 및 규격은 아직 표준화되지 않고 있다. 본 연구에서는 비선형 구조해석 결과와 고무피로특성으로부터 피로 수명을 예측하였다. 또한, 리그 피로시험을 구축하여 본 부품의 내구성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To increase the riding comfort and running stability of articulated type high speed railway vehicles(HSRV), it is important that the gangway connections for the passenger car satisfied fire safety, sound proof and durability under triaxial angular displacement (rolling/yawing/pitching) modes. On the...

To increase the riding comfort and running stability of articulated type high speed railway vehicles(HSRV), it is important that the gangway connections for the passenger car satisfied fire safety, sound proof and durability under triaxial angular displacement (rolling/yawing/pitching) modes. On the other hand, a domestic test standard on the durability of the rubber components has not been determined. In this study, the fatigue life was predicted using the results of the nonlinear finite element analysis and the fatigue properties. Moreover, a fatigue rig test of the component was constructed to examine the durability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 실질적인 내구성 평가를 위하여 실물 리그피로시험시스템을 구축함으로서 피로예측수명을 비교·검토하고자한다.
본 연구에서는 관절형 고속철도차량 통로연결막의 안전성 향상 연구일환으로서, 본 고무부품의 피로수명을 예측하고 내구성을 평가하였으며, 이로부터 얻어진 결론은 다음과 같다
한편, 본 부품은 차량 주행시 반복하중과 피로누적에 의한 손상을 받으므로 피로특성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 반복하중(또는 변위)하에 의한 최대 인장변형률을 평가할 수 있는 3차원 고무 피로 시편을 제작하였다[5]. Fig.
본 연구에서는 차량 운행조건을 고려한 통로연결막의 비선형 구조해석결과와 고무피로특성으로부터 피로수명을 예측하고자 한다. 또한 실질적인 내구성 평가를 위하여 실물 리그피로시험시스템을 구축함으로서 피로예측수명을 비교·검토하고자한다.

제안 방법

(2) 본 고무소재의 피로특성은 변위제어하에서 피로시험으로부터 얻어진 피로수명에 대한 최대 εG-L관계선도로부터 평가하였다.
(3) 관절형 고속철도차량용 통로연결막의 내구성 평가를 위하여 본 연구에서는 전기모터구동방식으로 3종류 회전각변위 제어를 수행하는 실물 피로 리그시험기를 구축하였다. 본 리그시험기로부터 평가된 피로수명은 189,923 cycles이다.
Table 2는 본 연구에서 구축한 실물 피로시험기의 주요 기술사양을 정리한 것이다. 본 시험기는 전기모터구동방식으로 3종류 회전각변위 제어를 수행할 수 있다. 참고로 Fig.
본 연구에서 사용된 재료는 철도안전법에서 규정하는 난연성을 갖는 네오프렌 고무(neoprene rubber)이다. 이의 기계적 특성은 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 등2축 인장시험(Equi-biaxial tension test)으로 구하였다[6]. 그림에서 W는 변형률에너지, #는 편향 주연신률(deviatoric principal stretches)이고, μ_i , α_i 는 변형률에너지함수형태의 오그덴 모델(Ogden’s model)[7]의 재료상수들이다.
8은 3종류 회전각 변위 제어창 일례와 실물 피로시험기의 실제 모습을 각각 나타낸 것이다. 조건별 회전각 입력값에 대한 출력신호는 자이로스코프센서(Gyroscope sensor)로 확인하였다.
최대 인장변형률 발생부위가 어떠한 변형에도 일정하게 발생되도록 중심부 형상은 타원 단면형상이다. 피로시험은 변위제어 방식으로 전기모터를 이용하였고, 3개의 시편을 장착하여 각기 다른 평균 변위와 변위 진폭을 부여하면서 수행하였다. 시험편의 피로파손 기준은 최대하중이 초기 하중의 80%까지 감소하는 시점의 사이클 수로 정의하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 철도안전법에서 규정하는 난연성을 갖는 네오프렌 고무(neoprene rubber)이다. 이의 기계적 특성은 Fig.

이론/모형

그러나 본 통로연결막의 작용하중은 Table 1과 같이 두 종류이므로 본 연구에서는 피로 누적 손상법칙(fatigue cumulative damage law)인 식 (3)의 마이너법칙(Miner’s law)을 적용하였다.
해석상의 경계조건은 차체 끝단부(carbody end part) 갱웨이 조립조건에 준하여 구속하였다[6]. 최대 주변형률 이력은 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 얻어진 것이다. Fig.
4는 4종류의 회전각변위 조건하에 통로연결막의 코너부 중심에서 최대 주변형률(Maximum principal strain) 이력 및 분포를 함께 나타낸 것이다. 해석상의 경계조건은 차체 끝단부(carbody end part) 갱웨이 조립조건에 준하여 구속하였다[6]. 최대 주변형률 이력은 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 얻어진 것이다.

후속연구

한편, 본 부품은 차량 주행시 반복하중과 피로누적에 의한 손상을 받으므로 피로특성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 반복하중(또는 변위)하에 의한 최대 인장변형률을 평가할 수 있는 3차원 고무 피로 시편을 제작하였다[5].
향후 연구에는 1km 주행동안 등가 회전각변위 발생횟수를 고려하여 보증거리로 환산하고 추가 시험을 통한 신뢰도평가를 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2중 주름구조의 난연재 고무부품의 기술적 요구성능은 무엇인가	1 과 같이 차체 갱웨이 프레임사이에 장착된 2중 주름구조의 난연재 고무부품이다. 본 고무부품의 기술적 요구성능은 화재안전성, 방음기능과 함께 주행시 차량한계 이내에서 3축 회전각변위(triaxial angular displacement) 모드하의 내구성(durability)을 요구한다. 뿐만아니라, 관절형 철도차량의 조립조건을 감안한다면 이의 파손에 따른 빈번한 유지보수 및 교체가 어려운 실정이다.
	철도차량의 통로연결막은 무엇인가	철도차량의 통로연결막(gangway connection)은승객들의 차량간 이동을 위하여 객차 끝단사이에 설치한 구성품으로서, 이의 종류는 차종에 따라 다양하다. 이중에서 관절형(articulated type) 고속철도차량의 통로연결막은 Fig.
	관절형 고속철도차량의 승차감 향상 및 주행안전을 위해 중요한 것은 무엇인가	관절형 고속철도차량의 승차감 향상 및 주행안전을 위해서는 객차 갱웨이 통로연결막에 대한 화재안전성, 방음기능과 함께 3축 회전각변위(롤링/요잉/피칭) 모드하의 내구성을 만족하는 것이 중요하다. 그러나 국내의 경우 본 통로연결막에 대한 내구성 시험 및 규격은 아직 표준화되지 않고 있다.

참고문헌 (8)

S. H. Ahn, K. W. Chung, S. H. Jang and C. S. Kim, "Durability Evaluation of the Korean Gauge-Adjustable Wheelset System", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 12, pp.5669-5675, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.12.5669

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C. S. Kim and G. H. Kang, "Fatigue Analysis of Reduction Gears Unit in Rolling Stock Considering Operating Characteristics", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 3, pp.1085-1090, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.3.1085

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C. S. Kim and M. H. Park, "Durability Evaluation on Doorstep Equipments Used for Low and High Level Platforms at Railway Vehicle", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 9, pp.3889-3894, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.9.3889

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J. H. Kim, H. M. Hur, "A Study on the Change of the Fatigue Life and The Fracture Morphology Due to the Carbon Black on the Natural Rubber for Vibration-Proof", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 8, No. 1, pp.21-26, 2005.
C. S. Woo, H. S. Park and D. C. Park, "Characteristics and Useful Life Prediction of Rubber Spring for Railway Vehicle", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 10, No. 2, p.211-216, 2007.
G. H. Kang and C. S. Kim, "Nonlinear Analysis of Rubber Bellows for the High Speed Railway Vehicle", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 14, No. 8 pp. 3631-3637, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.8.3631

원문보기 상세보기
R. W. Ogden, "Non-linear Elastic Deformation", Dover Published, INC., Mineola, New York. 1984.
Hyubdai-Rotem, "Gangway Bellows", KTX-II Internal 2nd Report, 2013.

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