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문제 정의
- 하지만 화물열차 운행 시 연결기에 지속적인 충돌이 발생하기 때문에 피로해석이 필요하다. 본 연구에서는 해외 학술대회논문의 AAR 연결기의 재질의 피로한도(323 [MPa])를 참고하여 해석결과를 분석하였다.[10]
- 이 결과를 미국 연결기 규정인 AAR M-211 규정과 해외학술대회논문의 피로평가 값으로 평가하였다. 현재 국내에서는 관련 연구가 많지 않은 실정이며, 본 연구를 통해서 장대열차운행 시 제동 시 연결기에 작용하는 충격력을 평가하고 화물열차 운행 시 연결기의 충격을 줄일 수 있는 조건을 제시하고자 했다. 해석조건을 연결기의 틈새량, 열차 간 제동지연시간으로 두고 해석을 수행하였으며, 아래와 같이 결론을 정리하였다.
제안 방법
- AAR E형 연결기의 평가기준은 [Table 3]과 같이 너클의 영구변형시점을 기준 (181 [ton], 약 1800 [kN])으로 연결기를 평가하였다.
- Simpack을 이용한 동역학 화물열차 모델링의 검증을 위해서는 실제시험이 필요하지만 데이터가 없기 때문에 EN 14531-2 부록의 열차 3량 해석 결과를 비교하여 Simpack 모델링이 올바르게 되었는지 검증하였다. 해석결과를 [Table 7]와 같은 결과를 얻었다.
- 해석결과 [Table 8]와 같이 연결기에 작용하는 최대 충격력을 기준으로 비교 시 약 1~2 [%]의 오차가 발생했다. Simple 모델링으로 해석을 진행해도 용인할 정도의 오차가 발생했기 때문에 화차 50량 모델링 시 Simple 모델링을 적용하여 해석을 진행하였다.
- Cheli 등은 화물열차 3량을 동역학 모델링하여 공차(20 [ton])와 만 차(80 [ton]) 조건을 이용하여 연결기에 작용하는 충격력을 구하고 이를 시험을 통해 시뮬레이션과 비교하였다.[6] 본 연구에서는 화물열차 50량을 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 모델링하고 열차 제동 지연, 틈새량 등에 따른 연결기에 작용하는 충격력을 평가하였다. 또한 이를 미국 연결기 규정인 AAR M-211[7] 규정과 비교하여 분석하고 피로분석을 통해 연결기의 무한 수명을 위한 방안에 대해서 분석하였다.
- [Fig 7]과 같이 휠-레일 접촉을 제거하고 대차를 박스 모델링으로 단순화 시켜서 해석 시간 감소와 수치적 안정성을 높이는 방법을 사용하였다.
- 다물체 동역학 소프트웨어인 다쏘시스템의 Simpack을 사용하여 동역학 해석을 진행하였다. 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적용하고 연결기 사이의 접촉을 적용하였다.
- 두 번째는 열차 간 제동지연시간을 변화시키면서 해석을 진행하였다. 첫 번째 해석 결과에서 틈새량이 5 [mm]~20 [mm]까지는 연결기에 작용하는 최대 충격력이 큰 차이가 없었으므로 열차 간 열차 간 틈새량은 2 [mm]로 고정 하고 제동지연시간을 0.
- 연결기에 작용하는 충격력의 크기는 열차 간 제동지연 시간, 결합된 연결기 틈새량 변화에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 이 2가지를 고려한 조건을 적용하여 해석을 하고 이를 AAR E 연결기의 평가 기준과 비교하였다.
- [6] 본 연구에서는 화물열차 50량을 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 모델링하고 열차 제동 지연, 틈새량 등에 따른 연결기에 작용하는 충격력을 평가하였다. 또한 이를 미국 연결기 규정인 AAR M-211[7] 규정과 비교하여 분석하고 피로분석을 통해 연결기의 무한 수명을 위한 방안에 대해서 분석하였다.
- 본 논문에서는 50량 이상의 장대화물열차 운영을 위해 다물체 동역학 프로그램인 Simpack을 이용하여 화물열차와 연결 장치를 모델링하였다. 이 결과를 미국 연결기 규정인 AAR M-211 규정과 해외학술대회논문의 피로평가 값으로 평가하였다.
- 유럽 규격으로 시간 적분법을 이용하여 제동 관련 파라미터를 계산하고 제동거리, 제동시간, 제동력 등을 구할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 본 연구에서는 EN 14531-2 부록의 열차 3량 해석 결과를 이용하여 모델링 검증에 활용하였다. 규정 예시의 해석 조건 및 결과는 [Table 4]와 같다.
- 화물열차 50량으로 동역학 모델링하였고 [Table 5]와 같이 기관차, 화차 및 대차의 중량을 적용하였다. 본 해석에서는 만차를 기준으로 해석을 진행하였다.
- 다물체 동역학 소프트웨어인 다쏘시스템의 Simpack을 사용하여 동역학 해석을 진행하였다. 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적용하고 연결기 사이의 접촉을 적용하였다. [Fig 4]와 같이 기관차 1량과 화차 49량으로 모델링을 구성하였고 [Fig 5]와 같이 각각 열차 사이의 연결 장치를 모델링하였다.
- 첫 번째는 연결기 틈새량을 변화시키면서 해석을 진행하였다. 열차 간 제동지연 시간은 0.1 [sec]로 고정을 하고 틈새량을 5 [mm]부터 50 [mm]까지 증가시키면서 해석을 진행하였다. 해석결과 [Fig 12]과 같이 틈새량이 40 [mm] 이상에서는 연결기의 너클의 영구변형 기준을 넘어섰다.
- 두 번째는 열차 간 제동지연시간을 변화시키면서 해석을 진행하였다. 첫 번째 해석 결과에서 틈새량이 5 [mm]~20 [mm]까지는 연결기에 작용하는 최대 충격력이 큰 차이가 없었으므로 열차 간 열차 간 틈새량은 2 [mm]로 고정 하고 제동지연시간을 0.1 [sec]부터 연결기 너클 영구 무한 수명기준을 만족할 때까지 제동지연시간을 줄이면서 해석을 진행하였다. 해석결과 [Fig 13]과 같이 제동지연시간이 0.
- 첫 번째는 연결기 틈새량을 변화시키면서 해석을 진행하였다. 열차 간 제동지연 시간은 0.
- 현재 국내에서는 관련 연구가 많지 않은 실정이며, 본 연구를 통해서 장대열차운행 시 제동 시 연결기에 작용하는 충격력을 평가하고 화물열차 운행 시 연결기의 충격을 줄일 수 있는 조건을 제시하고자 했다. 해석조건을 연결기의 틈새량, 열차 간 제동지연시간으로 두고 해석을 수행하였으며, 아래와 같이 결론을 정리하였다.
- 화물열차 General 모델링과 Simple 모델링을 각각 5량 , 10량 , 15량으로 편성하여 연결기에 작용하는 충격력을 비교하였다.
대상 데이터
- AAR E형 연결기의 재료는 M-201 Grade E를 사용한다. 이 재질의 기계적 성질은 [Table 1], 화학적 성질 [Table 2]와 같다.
- 스틸 완충기의 경우도 [Fig 3]와 같이 Loading과 Unloading 시 다른 곡선의 형태로 나타난다. [Fig 3]의 커브는 해외에서 많이 사용되고 있는 Miner Enterprises inc의 Crown SE 모델의 특성 값을 사용하였다.[8]
- 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적용하고 연결기 사이의 접촉을 적용하였다. [Fig 4]와 같이 기관차 1량과 화차 49량으로 모델링을 구성하였고 [Fig 5]와 같이 각각 열차 사이의 연결 장치를 모델링하였다.[Fig 5]의 [A] 부분에는 스틸 완충기 [Fig 3]의 특성 커브를 적용하였고 [B] 부분에는 연결기 간 틈새량과 접촉을 적용하였다.
- 연결기의 본체는 [Fig 1]과 같이 헤드(Head), 샹크(Shank), 테일(Tail)의 3부분으로 구성되어 있고 추가로 너클과 로크, 로터리 로크, 너클 스로워, 너클핀 등으로 구성되어 있다. 너클의 뒷부분의 돌기 때문에 너클핀이 파손되어도 연결기가 분리 되지 않는다.
- 화물열차 50량으로 동역학 모델링하였고 [Table 5]와 같이 기관차, 화차 및 대차의 중량을 적용하였다. 본 해석에서는 만차를 기준으로 해석을 진행하였다.
데이터처리
- 이를 해결하기 위해서는 동역학 모델링 단순화 하는 것이 필요했다. Simpack 유저 미팅 자료를 참고하여 단순화 모델링및 해석을 하였고 이를 단순화 하지 않은 모델링 해석결과를 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 50량 이상의 장대화물열차 운영을 위해 다물체 동역학 프로그램인 Simpack을 이용하여 화물열차와 연결 장치를 모델링하였다. 이 결과를 미국 연결기 규정인 AAR M-211 규정과 해외학술대회논문의 피로평가 값으로 평가하였다. 현재 국내에서는 관련 연구가 많지 않은 실정이며, 본 연구를 통해서 장대열차운행 시 제동 시 연결기에 작용하는 충격력을 평가하고 화물열차 운행 시 연결기의 충격을 줄일 수 있는 조건을 제시하고자 했다.
성능/효과
- 1. 연결기 틈새량 변화에 따른 충격력 해석 및분석하여 이를 AAR E 연결기 너클 기준과 비교한 결과 제동 지연시간이 0.1 [sec]일 때 틈새량 40 [mm] 이상 시 연결기 너클의 영구변형이 발생하였다. 또한 모든 틈새량 조건에 재료의 무한 수명을 만족시키지 못했다.
- 2. 열차 간 제동 지연 시간 변화에 따른 충격력 해석 및 분석하여 이를 연결기 너클 기준과 비교한 결과 틈새량이 20 [mm] 일 때, 제동지연시간이 0.06 [sec] 이하에서 재료의 무한 수명을 만족시켰다.
- 3. 틈새량을 20 [mm] 이하로 유지하면서 제동지연시간을 0.06 [sec]이하로 유지하여 열차를 편성하면 연결기 재질의 피로한도 보다 작은 응력 값이 발생하기 때문에 연결기의 무한 수명을 만족시킬수 있다.
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