본 연구에서는 도로 겸용 궤도상을 운행하는 인터모달 트램에 적용하는 대차 시스템의 구조 안전성을 검증하고자 대차프레임에 대해 하중 시험과 강도 평가를 수행하였다. 기존 철도의 궤도와는 달리 급곡선과 급구배가 많은 도로상에 건설된 궤도의 특성을 고려하여 하중을 산정하였고, 기존 표준 규격의 기준 하중과 비교하였다. 비교 결과, 인터모달 트램 대차시스템에 작용하는 수직하중은 기존 표준 규격에서 제시하는 수직하중보다 작으나, 전후하중 및 좌우하중은 기존 표준 규격에 제시하는 하중 이상이 되었다. 표준 규격의 수직하중은 다양한 종류의 열차를 포괄하기 때문에 보수적인 값을 제안하고 있으나, 전후하중과 좌우하중은 급구배 급곡선을 고려하지 않기 때문에 대차 프레임에 작용하는 실제 하중과 차이가 있게 된다. 새로운 철도시스템의 개발 시에는 표준 규격 하중보다도 실제 작용 하중을 산정하여 적용하는 것이 합리적임을 알 수 있었다. 산정된 하중을 기초로 제작된 대차 프레임에 스트레인게이지를 부착하고 대형 하중 프레임에 세팅한 후, 유압 액튜에이터를 이용하여 하중을 가하고 응력을 계측하였다. 응력 계측 결과 대차 프레임에 발생하는 최대 응력은 프레임 단면이 변화되는 곡선부나 브라켓이 취부되는 취약부에서 발생하였으나 허용응력 이하가 되어 구조적 안전성이 확보된 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 도로 겸용 궤도상을 운행하는 인터모달 트램에 적용하는 대차 시스템의 구조 안전성을 검증하고자 대차프레임에 대해 하중 시험과 강도 평가를 수행하였다. 기존 철도의 궤도와는 달리 급곡선과 급구배가 많은 도로상에 건설된 궤도의 특성을 고려하여 하중을 산정하였고, 기존 표준 규격의 기준 하중과 비교하였다. 비교 결과, 인터모달 트램 대차시스템에 작용하는 수직하중은 기존 표준 규격에서 제시하는 수직하중보다 작으나, 전후하중 및 좌우하중은 기존 표준 규격에 제시하는 하중 이상이 되었다. 표준 규격의 수직하중은 다양한 종류의 열차를 포괄하기 때문에 보수적인 값을 제안하고 있으나, 전후하중과 좌우하중은 급구배 급곡선을 고려하지 않기 때문에 대차 프레임에 작용하는 실제 하중과 차이가 있게 된다. 새로운 철도시스템의 개발 시에는 표준 규격 하중보다도 실제 작용 하중을 산정하여 적용하는 것이 합리적임을 알 수 있었다. 산정된 하중을 기초로 제작된 대차 프레임에 스트레인게이지를 부착하고 대형 하중 프레임에 세팅한 후, 유압 액튜에이터를 이용하여 하중을 가하고 응력을 계측하였다. 응력 계측 결과 대차 프레임에 발생하는 최대 응력은 프레임 단면이 변화되는 곡선부나 브라켓이 취부되는 취약부에서 발생하였으나 허용응력 이하가 되어 구조적 안전성이 확보된 것으로 평가되었다.
In this study, loading tests and a strength evaluation of the bogie frame were conducted to verify the structural safety of the bogie system in an intermodal tram, which runs with cars on a road track. The loads were calculated taking into account the features of the road track with many sharp curve...
In this study, loading tests and a strength evaluation of the bogie frame were conducted to verify the structural safety of the bogie system in an intermodal tram, which runs with cars on a road track. The loads were calculated taking into account the features of the road track with many sharp curves and steep gradients, which are different from the track of conventional railway. They were compared with the loads specified in the previous standard specifications. After the comparison, it was confirmed that the loads acting on the bogie system operating on a road track are slightly different from the specified loads. The specified vertical load of the standard specification for all kinds of trains is conservative, but the specified lateral and longitudinal loads are less than the calculated loads. The application of the actual loads was proven to be reasonable in the development of a new railway system. Based on the defined loads, the bogie frame was fabricated on which strain gauges were attached. It was set on the large loading frame so that the stresses could be measured when loads were applied by hydraulic actuators. After measuring the stresses, it was shown that they were below the allowable stress, which verified the structural safety of the bogie frame.
In this study, loading tests and a strength evaluation of the bogie frame were conducted to verify the structural safety of the bogie system in an intermodal tram, which runs with cars on a road track. The loads were calculated taking into account the features of the road track with many sharp curves and steep gradients, which are different from the track of conventional railway. They were compared with the loads specified in the previous standard specifications. After the comparison, it was confirmed that the loads acting on the bogie system operating on a road track are slightly different from the specified loads. The specified vertical load of the standard specification for all kinds of trains is conservative, but the specified lateral and longitudinal loads are less than the calculated loads. The application of the actual loads was proven to be reasonable in the development of a new railway system. Based on the defined loads, the bogie frame was fabricated on which strain gauges were attached. It was set on the large loading frame so that the stresses could be measured when loads were applied by hydraulic actuators. After measuring the stresses, it was shown that they were below the allowable stress, which verified the structural safety of the bogie frame.
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문제 정의
일반적으로 철도차량용 대차프레임의 설계 및 제작과 강도 평가를 위해서는 표준규격에 제시된 하중을 적용하고 있으나[4], 운행 선로가 다르고, 대차의 기능도 다른 경우에는 실제의 하중을 산정하여 적용하는 것이 구조적 안전성을 확인할 수 있는 합리적인 방법이다. 따라서 본 연구에서는 규격 제시 하중과 함께 인터모달 트램용 대차에 적용되는 실제 하중을 산정하여 시험 평가에 활용하고자 한다.
따라서, 급구배와 급곡선을 주행하는 인터모달 트램은 기존 트램과는 다르게 개발되어야 하고, 다른 환경 하에서 적합성과 성능, 안전성이 검증되어야 한다. 이를 위한 첫 번째 단계로서, 본 연구에서는 인터모달 트램에 적용되는 대차시스템을 개발하기 위해 먼저 대차프레임을 제작하고 구조적 안전성을 평가하고자 한다.
제안 방법
대차프레임은 차륜 상부의 1차 스프링과 차체 하부의 2차 스프링에서 전달되는 하중, 센터 피봇의 전후 및 좌우 하중을 견딜 수 있도록 설계되었다. 대차프레임의 주요 재질은 고장력 강재 SMA48으로서 주요 부재의 두께는 12t를 기본으로 설계하였다.
도로 겸용 인터모달 트램의 추진을 위한 대차시스템의 프레임 안전성 평가를 위해 하중 산정 및 시험, 강도 평가를 실시한 결과 다음의 결론이 얻어졌다.
도로에서 주행하는 인터모달 트램은 60‰의 한계를 넘어 자동차 이상의 경사 주행 능력을 갖추기 위해 180‰의 구배를 운행할 수 있도록 톱니바퀴 주행 장치를 추가하였다.
제작된 대차프레임의 안전성을 검증하기 위해 앞절에서 계산된 하중조건에 따라 하중시험을 실시하였다. Table 3에서 제시된 식을 적용하여 대차 프레임에 작용시킬 시험하중을 구하면 Table 4와 같다.
대상 데이터
대차프레임은 차륜 상부의 1차 스프링과 차체 하부의 2차 스프링에서 전달되는 하중, 센터 피봇의 전후 및 좌우 하중을 견딜 수 있도록 설계되었다. 대차프레임의 주요 재질은 고장력 강재 SMA48으로서 주요 부재의 두께는 12t를 기본으로 설계하였다. 제동기를 설치하기 위해 브라켓도 추가하였다.
6와 같이 설계 및 제작되었다. 하중 작용 시 대차프레임의 각 부위에서의 응력을 측정하기 위하여 주요 지점에서 길이 5mm 단축 스트레인 게이지 71개와 3축 스트레인 게이지 3개를 Fig. 7과 같이 부착하였다.
성능/효과
(2) 급곡선 주행에 따른 좌우하중은 곡선 반경감소에 따라 원심력이 증가하여 기존 표준규격의 하중보다 12.0kN 더 커지게 된다.
(3) 급구배에 따른 전후하중은 구배하중이 큰 비중을 차지하여 기존 규격에서 제시한 0.3g 가속도에 기초한 전후하중에 비해 1.3kN 더 커지게 된다.
(4) 인터모달 트램의 대차프레임에 결정된 하중조건에 따라 하중프레임에서 하중시험을 실시한 결과 최대응력은 단면이 변화되거나 브라켓이 취부되는 취약부에서 발생하였으나 허용응력 이하가 되어 대차프레임의 구조적 안전성이 확보된 것으로 평가된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트램의 단점은?
트램은 철제 차륜으로 레일 위를 주행하기 때문에 차륜과 레일간 마찰력이 적어 추진 에너지 절감에 유리하나 급구배를 올라가는 것이 곤란하다. 일반 도로는 고무 타이어로 주행하는 자동차 기준으로 건설되고 있으므로 트램의 주행 한계인 60‰ 이상 되는 곳이 많아 트램이 적용되기에 제한이 있다.
교통문제를 해결 하기 위한 효과적 방법은?
교통 체증으로 인한 시간 지체와 사고 위험 등의 불편은 물론이고 배기가스에 의한 오염물질과 미세먼지 배출로 인해 환경적인 재앙이 되고 있다. 따라서, 교통문제를 해결하기 위한 효과적인 대안은 친환경적인 대중 교통 수단을 늘리는 것이라 할 수 있다. 대표적인 친환경 대중교통 수단은 철도이고, 그 중에서 경전철이 효율적인 교통수단이 된다.
대차시스템의 프레임 안전성 평가결과 급구배시 전후하중은 어떠한가?
(3) 급구배에 따른 전후하중은 구배하중이 큰 비중을 차지하여 기존 규격에서 제시한 0.3g 가속도에 기초한 전후하중에 비해 1.3kN 더 커지게 된다.
참고문헌 (6)
Hwang, D. H., Choi, J. H., Song, S. Y., Strength assessment of standardized bogie frame for urban EMU, Proceedings of 2005 Annual Spring Conference of Korean Society for Railway, pp. 447-452, 2005.
Kim, W. K, Won, S. T., Jeon, C. S., A study on the load test method and result for bogie frame of new LRT, Proceedings of 2008 Annual Autumn Conference of Korean Society for Railway, pp. 1679-1688, 2008.
Kim, H. G. et al., Current status of development and test for wireless low floor tram, Proceedings of 2013 Annual Spring Conference of Korean Society for Railway, pp. 1396-1402, 2013.
MOLT, Technical specifications for light rail vehicle tram, Part 5, Enforcement 2012-516, Ministry of Land and Transport, pp. 17-19, 2012.
Lee, J. R. et.al., Hybrid low-floor tram development, Land Infrastructure and Transport R&D report, pp. 786-789, 2013.
Kim S. H., Introduction of railway system, Jajak Academy, pp. 100-120, 2007.
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