[논문]용접형 대차 프레임의 피로강도 보강에 관한 연구

장득열; 전형용

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.5.145

용접형 대차 프레임의 피로강도 보강에 관한 연구
Reinforcement for Fatigue Fracture of Welded Bogie Frames 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.5, 2016년, pp.145 - 151

Abstract ▼ AI-Helper

We consider the position and thickness of reinforcement with respect to fatigue fracture of welded bogie frames and propose an appropriate reinforcement method for many cases. The bogie frame is usually designed in accordance with JIS and KS, and operates under harsh load conditions: dynamic loads generated while driving, various loads during operation, and large load differences between loading and unloading. Consequently, fatigue failure often occurs throughout the bogie frame. We modelled the reinforcing method using ANSYS software and reviewed stress in the vicinity of common fatigue failure sites through computer simulation, optimizing the position and thickness of reinforcement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

2와 같이 크랙이 발생하여 상당부분 파괴되었다. 그 원인을 분석한 결과 운행 중에 발생한 제동력이 크게 작용한 것으로 판단되어 이 하중을 중심으로 그 보완 대책을 마련하고자 한다.
본 논문은 화차용 용접 대차 프레임의 피로파괴 보강에 관한 연구이다. 이 대차 프레임은 1990년 이후에 국내 물류수송의 효율 극대화를 꾀하기 위하여 고속전철과 함께 고속화 사업을 검토하고 추진된 때부터 이다.
이러한 피로파괴가 발생하면 먼저 발생위치와 크랙의 성장 경로를 확인하고 이에 대한 적절한 보강이 필요하지만 어디를 어떻게 보강해야 할지 신속한 결정을 내리기 어렵게 한다. 본 연구는 이러한 피로파괴 문제가 발생했을 때 가장 저렴한 방법으로 최대 효과를 올릴 수 있는 보완 방법에 대하여 연구하고자 하였으며 그 방법으로 보강 위치와 두께를 설계인자로 하여 여러 경우의 수를 대상으로 최적의 보완 방법을 제시하고자 하였다.

가설 설정

1. 리브와 하판의 강도는 상호 연관성이 무시할 정도로 미약하다.

제안 방법

그로 인하여 차량도 이에 준하는 성능을 만족시키기 위하여 개발이 함께 착수되어 객·화차가 각각 150km/h와 120km/h로 달릴 수 있는 차체 및 대차를 개발하게 되었다.
이를 개선하기 위하여 기존의 경부선과 호남선 철도를 곡률반경(1)과 캔트(2)를 개량하여 객·화차의 최고속도를 각각 150km/h와 120km/h로 향상시켜 지금의 속도(3) 수준으로 향상된 것이다.
트랜섬 위상설계의 결과, 리브에서는 U5V2의 영역이 하판에서는 X2Y3의 영역에서 가장 효과가 크다고 예상되었으므로 본 절에서는 이를 대상으로 각각의 보강 영역에 보강 두께를 6 ~ 15mm까지 4단계로 나누어 두께를 조합하여 해석을 수행하였다. 그 결과 리브에서 산출된 응력 값을 Fig.
트랜섬의 리브의 강도를 검토하기 위하여 크랙이 발생한 곳 즉, brake beam bracket가 부착된 곳을 중심으로 Fig. 3과 같이 상하로 50mm 간격으로 3개, 좌우로 35mm간격으로 11개로 나누어 격자구조로 분할하여 Fig. 4와 같이 전체를 셀 요소로 하여 요소의 수를 4,560개 절점의 수를 4,616로 모델링(8) 하였고, 구속조건(9)은 실제 차량이 운행할 때 작용하는 상태를 묘사하여 축 스프링을 지탱하는 곳을 구속하였다.
트랜섬의 하판의 강도를 검토하기 위하여 Fig.7과 같은 방법으로 크랙이 발생한 곳과 최고응력이 발생한 곳을 중심으로 하판의 좌우로 양분하고 높이방향으로 4등분으로 분할하였고 이를 중심으로 동일한 하중을 부가하여 초기 설계 상태로 구조해석을 실시하여 원안의 응력분포를 산출하였고, 이어서 하판의 분할영역에 보강효과를 주기 위하여 원래의 설계 안(하판 14mm, 리브 12mm)로 하고 해당 보강영역에 일정한 두께 15mm로 보강하여 하판의 전체두께를 29mm로 하여 응력을 구한 결과 Fig. 8과 같이 발생하였다. 여기서 나타난 바와 같이 하판을 영역별로 보강을 하였음에도 불구하고 리브의 응력감소는 약 3.

대상 데이터

이때 대차의 개발 모델이 프랑스 Y25형 대차이다. 그 당시 이를 개발하기 위하여 국내 제작업체에서 여러 모델을 대상으로 개발을 검토했지만 막대한 개발비와 시험비용을 감당하기 어렵고 무엇보다도 개발된 대차가 언제 상용화될지 몰라 주저하고 있을 때, 당시 운행 당사자인 철도청이 먼저 개발하였고 그대상은 Y25형 대차이었다. 이 대차는 유럽에서 장기간 운행하고 검증되어 아무런 문제가 발생하지 않았지만 국내에서는 어떤 기술제휴나 기술지원 없이 당시 철도청에서 개발하여 지금까지 운행함으로써 많은 시행착오를 겪으면서 여러 가지 문제점을 야기했고 이에 대한 보완을 거처 지금에 이른 것이다.
그로 인하여 차량도 이에 준하는 성능을 만족시키기 위하여 개발이 함께 착수되어 객·화차가 각각 150km/h와 120km/h로 달릴 수 있는 차체 및 대차를 개발하게 되었다. 이때 대차의 개발 모델이 프랑스 Y25형 대차이다. 그 당시 이를 개발하기 위하여 국내 제작업체에서 여러 모델을 대상으로 개발을 검토했지만 막대한 개발비와 시험비용을 감당하기 어렵고 무엇보다도 개발된 대차가 언제 상용화될지 몰라 주저하고 있을 때, 당시 운행 당사자인 철도청이 먼저 개발하였고 그대상은 Y25형 대차이었다.
트랜섬의 보강위상설계를 진행하기 위하여 U3V1 ~ U5V2까지 6영역을 대상으로 하판에 X1Y1 ~ X2Y5영역까지 보강영역을 변화시켜 리브와 하판을 각각 같은 두께 15mm를 보강하여 해당영역의 리브에는 27mm, 하판에는 29mm를 적용하여 해석을 수행한 결과, 리브의 응력은 Table 3과 하판의 응력은 Table 4와 같이 산출되었다. 여기서 나타난 바와 같이 동일한 하판 보강영역에서 리브의 보강 영역이 넓어짐에 따라 리브의 응력 값은 감소하고 있지만 U3V1 ~ U5V1 영역에서는 큰 변화가 없고 U5V2 영역에서만 급격하게 감소하는 경향을 띠고 있다.

성능/효과

2. 리브의 상하방향 보강효과는 아래에서부터 70% 높이까지는 높이에 비례하며 70%를 초과하면 그 효과는 비례하지 않고 감소한다.
3. 리브의 좌우방향 보강효과는 범위가 확대될수록 커진다.
4. 하판의 보강효과는 Y2위치를 초과하면서 크게 나타나며 Y2~Y4에서는 보강효과가 비슷하다.
5. 두께에 관한 보강효과는 하판과 리브는 두꺼울수록 커지나 리브는 하판의 두께와 동일하면 오히려 효과가 감소하며 리브의 두께가 하판 보다 약간 얇게 보강하는 것이 더 효과적이다.
2%에 불과하여 이들 상호간에 보강효과는 대등하다. 따라서 본 대차 프레임의 위상설계는 리브의 상하방향으로 V1 ~ V2, 좌우방향으로 U3 ~ U5의 범위를 하판의 X2Y2 ~ X2Y3의 범위를 결정하여 이를 대상으로 위상설계를 진행하는 것이 타당하다고 생각된다.
두께에 의한 보강효과는 하판의 두께가 크게 영향을 끼치고 리브의 두께는 큰 보강효과를 나타내지 못한다는 것이다. 따라서 하판은 두껍게 할수록 보강효과가 나타나며 리브는 하판보다 얇은 두께를 가지는 것이 보강효과가 최대가 되므로 본 연구에서는 하판의 두께를 최대치인 15mm로 리브의 두께는 12mm로 보강하는 것이 리브와 하판의 응력의 차가 발생하지 않아 최대의 보강효과를 가진다고 판단된다. Table 5는 앞 절에서 검토한 위상설계에서 U3V1, U3V2, U5V1, U5V2 의 리브위치와 X2Y2, X2Y3의 하판위치 범위에 대하여 리브의 보강두께를 12mm, 하판의 보강두께 15mm로 하여 응력 값을 구한 것이다.
리브를 좌우방향으로 11영역으로 구분하여 리브 상하와 같은 방법으로 15mm로 보강한 결과, 발생된 응력은 Fig. 6에서 나타난 바와 같이 하판의 응력은 역시 거의 변화가 없고 리브의 응력은 보강 위치에 따라 차이가 났으나 U1V3 ~ U2V3은 보강 효과가 약 5.5~7.6%로 미약하고 U3V3 ~ U5V3영역은 각각 15%, 16.8%, 18%이며 U6V3은 전면을 보강함에도 보강효과가 21.5%로 U3V3 ~ U5V3의 효과와 비슷하고 전면보강작업을 고려할 때, 현실적으로 문제가 있어 이를 제외하였다. 따라서 U3V3 ~ U5V3영역은 U6V3영역과 보강효과가 비슷하고 이들 상호간에 15% ~ 18%의 범위에 있어 근접한 보강 효과를 나타내고 있다.
이 모델에 동일한 하중을 부가하여 초기 설계 모델에 대하여 구조해석⁽¹⁰⁾을 실시하여 응력을 구한 결과, 하판에서 21.60 Kg/mm²와 리브에서 11.81 Kg/mm²이 발생하였고 이어서 리브의 상하를 3등분한 영역에 보강효과를 주기 위하여 원래의 설계 안(하판 14mm, 리브 12mm)에 해당 보강 영역에 일정한 두께 15mm로 보강하여 리브의 전체두께를 27mm로 하여 응력을 구한 결과, Fig. 5와 같이 산출되었다. 하판의 응력은 리브 전면을 보강한다 하더라도 거의 변화가 없어 보강효과가 5.
트랜섬 원안을 대상으로 효과적인 보강 영역을 찾기 위하여 상기와 같은 방법으로 해석한 결과, 리브와 하판의 보강효과는 상호간에 독립적이며, 리브의 상하의 보강효과는 보강면적에 따라 응력이 감소하나 V1 ~ V2까지는 상하 높이에 비례하여 응력이 감소하고 V2를 초과하여 V3영역으로 갈수록 보강 높이에 비례하지 않고 응력 감소율이 급격하게 저하된다. 리브의 좌우의 보강효과는 영역별로 보강효과의 차이가 발생하지만 좁은 좌우 영역에서는 보강효과가 미소하지만 일정한 영역 U3을 초과한 영역에서 보강 효과를 크게 나타나며 이들 상호간에 응력 감소율이 비슷하다.
5와 같이 산출되었다. 하판의 응력은 리브 전면을 보강한다 하더라도 거의 변화가 없어 보강효과가 5.6%에 불과하고, 리브의 응력은 보강면적이 증가함에 따라 감소하였다. 이것은 본 대차 프레임의 구조에서 리브와 하판이 상호간에 강도상으로 크게 영향을 미치지 않고 있다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화차의 특징은 무엇인가?	객차의 하중은 승객과 수화물의 중량 이므로 영·공차의 하중 차가 불과 5톤 전후이다. 그러나 화차는 기본적으로 화물의 중량이 약 50톤 정도이므로 영·공차의 하중의 차가 심하다. 이러한 하중 특성이 있음에도 불구하고 화차용 대차 프레임의 구조는 객차나 전동차 수준에 미달하여 강도와 강성이 부족한 느낌이 있다.
	기존의 기준으로 설계한 대차 프레임에 예기치 못한 곳에서 피로파괴가 일어나는 이유는?	그러나 화차는 기본적으로 화물의 중량이 약 50톤 정도이므로 영·공차의 하중의 차가 심하다. 이러한 하중 특성이 있음에도 불구하고 화차용 대차 프레임의 구조는 객차나 전동차 수준에 미달하여 강도와 강성이 부족한 느낌이 있다. 또한, 화차가 주행 중에 발생하는 여러 가지(4)의 하중 즉, 수직, 전후, 좌우하중, 제동력이 작용되고 여기에 주행 중에 발생하는 동 하중이 추가되어 열악한 하중 상태에 놓이게 된다. 이런 하중은 일반화된 최대 하중이므로 이를 기준으로 설계하지만 실제로 예기치 못한 최악의 하중이 작용할 수 있다.
	1990년대 철도개발 추세는 어땠는지 설명하시오	이 대차 프레임은 1990년 이후에 국내 물류수송의 효율 극대화를 꾀하기 위하여 고속전철과 함께 고속화 사업을 검토하고 추진된 때부터 이다. 당시의 시대 분위기는 경부, 호남, 영동 고속전철의 도입을 검토하고 이것이 완공된 이후에 여객운송은 고속전철로 화물운송은 기존의 선로로 운행한다는 시대적인 목적에 따라 기존의 철도는 여객운송보다는 화물운송에 더 많은 비중을 두어 각종 차량의 고속화 개발이 추진되었다. 그때의 국내 철도 시스템은 객차는 시속 120km, 화차는 90km가 최고속도이어서 빠른 물류 수송에 한계가 있었고, 이때의 화차용 대차 프레임은 전부가 3-Piece형 주강 대차 프레임이었다.

참고문헌 (10)

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Cho, S. J., Han, J. W., Park, Y. J., Lee, G. H., "Structural Analysis of a Planetary Gear Carrier in the Slewing Reducer for Tower Crane," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 5, pp. 1-7, 2014.
Kim, S. K., Lee, J. W., "Analytical Study on the Structural Strength of an Air Compressor for Main Engine Starting of 22000TEU Class Container Ships," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 5, pp. 60-67, 2015.

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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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