최근 러시아를 포함한 동북아 경제의 중요성이 커지고 있으며, 유라시아이니셔티브 정책에 따르면 동북 아시아의 운송, 물류 및 연결성 향상은 미래 성장 동력의 과제 중 하나로 부상하고 있다. 그러나 각국의 차량 시스템이 다르기 때문에 국가 간 철도 차량은 원활하게 운행되지 못하고 있는 실정이다. 서로 다른 시스템의 차량을 안전하게 연계 운행하려는 시도는 유럽-러시아간에 활발하게 이루어지고 있는 실정이나, 동북아-러시아간에는 근래에 들어 연구가 시작되고 있는 추세이다. 특히, 화차의 연결기는 국내 및 중국은 미국의 AAR(Association of American Railroads) 규격을 기본으로 한 연결기를, 러시아는 국가 표준인 GOST(USSR State Standards)를 적용한 연결기를 사용하고 있어, 헤드 형상이 서로 상이하여 상호간 연결이 불가능한 실정일 뿐 아니라, 요구하고 있는 재료의 화학적 성질과 기계적 성질이 상이하다. 이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기를 상호 연결할 수 있는 가변형 연결기 및 연결기 어댑터를 개발하는데 있어, 각 국가에서 제시하고 있는 요구사항을 조사하고, 특히, 연결기에 대하여 요구하는 기계적 성질을 만족하는 재질을 개발하는 과정에서 시험을 통한 그 가능성을 분석하여, 향후 각 국가에서 안전하게 사용할 수 있는 연결기 어댑터 제작의 발판을 마련하고자 한다.
최근 러시아를 포함한 동북아 경제의 중요성이 커지고 있으며, 유라시아 이니셔티브 정책에 따르면 동북 아시아의 운송, 물류 및 연결성 향상은 미래 성장 동력의 과제 중 하나로 부상하고 있다. 그러나 각국의 차량 시스템이 다르기 때문에 국가 간 철도 차량은 원활하게 운행되지 못하고 있는 실정이다. 서로 다른 시스템의 차량을 안전하게 연계 운행하려는 시도는 유럽-러시아간에 활발하게 이루어지고 있는 실정이나, 동북아-러시아간에는 근래에 들어 연구가 시작되고 있는 추세이다. 특히, 화차의 연결기는 국내 및 중국은 미국의 AAR(Association of American Railroads) 규격을 기본으로 한 연결기를, 러시아는 국가 표준인 GOST(USSR State Standards)를 적용한 연결기를 사용하고 있어, 헤드 형상이 서로 상이하여 상호간 연결이 불가능한 실정일 뿐 아니라, 요구하고 있는 재료의 화학적 성질과 기계적 성질이 상이하다. 이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기를 상호 연결할 수 있는 가변형 연결기 및 연결기 어댑터를 개발하는데 있어, 각 국가에서 제시하고 있는 요구사항을 조사하고, 특히, 연결기에 대하여 요구하는 기계적 성질을 만족하는 재질을 개발하는 과정에서 시험을 통한 그 가능성을 분석하여, 향후 각 국가에서 안전하게 사용할 수 있는 연결기 어댑터 제작의 발판을 마련하고자 한다.
Recently, the importance of the northeast economies including Russia has been growing, and according to the Eurasian initiative policy, the enhancement of transportation, logistics and connectivity between the northeast Asian countries is emerging as one of the challenges for future growth. However,...
Recently, the importance of the northeast economies including Russia has been growing, and according to the Eurasian initiative policy, the enhancement of transportation, logistics and connectivity between the northeast Asian countries is emerging as one of the challenges for future growth. However, due to the different vehicle systems used in each country, the railway connections between countries are not operating smoothly. Especially, the couplers of the railway cars which pass through the countries of northeast Asia including Russia have different regulations, which render their shape and characteristics incompatible. In this study, we propose a method of interconnecting the AAR type coupler used in Korea and China and the CA-3 type coupler compatible with the Russian GOST standard, and verify that its structural safety conforms with each set of regulations. We analyze the possibilities offered by this method of interconnection by performing tests while developing materials satisfying the mechanical properties required for the freight coupler.
Recently, the importance of the northeast economies including Russia has been growing, and according to the Eurasian initiative policy, the enhancement of transportation, logistics and connectivity between the northeast Asian countries is emerging as one of the challenges for future growth. However, due to the different vehicle systems used in each country, the railway connections between countries are not operating smoothly. Especially, the couplers of the railway cars which pass through the countries of northeast Asia including Russia have different regulations, which render their shape and characteristics incompatible. In this study, we propose a method of interconnecting the AAR type coupler used in Korea and China and the CA-3 type coupler compatible with the Russian GOST standard, and verify that its structural safety conforms with each set of regulations. We analyze the possibilities offered by this method of interconnection by performing tests while developing materials satisfying the mechanical properties required for the freight coupler.
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문제 정의
이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기를 상호 연결할 수 있는 가변형 연결기 및 연결기 어댑터를 개발하는 데 있어, 각 국가에서 제시하고 있는 요구사항을 조사하고, 특히, 연결기에 대하여 요구하는 기계적 성질을 만족하는 재질을 개발하는 과정에서 시험을 통한 그 가능성을 분석하여, 향후 각 국가에서 안전하게 사용할 수 있는 연결기 어댑터 제작의 발판을 마련하고자 한다. 다음 Fig.
본 연구에서 개발되는 재질의 화학적 성분은 AAR과 GOST규정을 모두 만족하는 성분을 가지며, 기계적 성질은 상대적으로 우수한 규격, 즉, 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축율은 AAR Gr, E 재질의 값을 만족하고, 경도(BH)는 241 ∼ 262사이, 충격강도는 -60℃에서 20J 이상의 물성치를 갖는 재질 개발을 목표로 하였다
이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 AAR 및 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기 재질을 제시하고자 하였다. 조정된 화학적성분과 열처리를 통하여 공시재를 제작하였고, 시험결과 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축율, 충격강도 값은 목표하는 값을 만족하였으나 경도의 시험결과는 그렇지 못하였다.
제안 방법
국내, 미국(AAR), 러시아(GOST) 규정에서 요구하고 있는 철도차량 화차의 연결기 재질의 요구사항에 대하여 조사·분석하였다.
본 실험에서 각종 시험편 제작을 위해서 1,500kg 전기로에서 목표 화학성분을 달성하기 위한 각종 금속성분을 배합하여 용해하였다. 용해온도 1,550℃, 용해시간은 2시간 진행하였다.
용해온도 1,550℃, 용해시간은 2시간 진행하였다. 용해 후 상부의 불순물을 제거하고 성분 확인용 시험몰드에 용탕을 주입하여 화학성분을 확인하며 공시재 사형몰드에 주입하였다. 시편 채취를 위한 공시재의 화학성분은 다음 Table 3.
이는 Jin Huang 등이 연결기의 너클 파괴 분석에 대한 이전의 연구에서 재료 내의 Cr, Ni 함유량의 증가에 따라 인장강도 및 항복강도 등의 기계적 성질이 우수하게 나온 것을 참조하여 주물 화학성분 조성을 수행한 결과이다[6]. 즉, 인장강도를 증가시키는 동시에 충격강도를 증가시키기 위한 화학적 성분을 구성하도록 하였다.
5시간 유지 후 수냉시켰다. 최종적으로 510~550℃에서 4시간동안 템퍼링 후 공냉시키는 방법을 사용하였다.
KS, ASTM, GOST규격을 조사한 결과 시편의 크기는 동일함을 확인하였다. 시험 방법은 GOST에서 -60℃에서 수행하도록 되어있어, U-notch 충격시험편을 사용하여 충격강도 시험을 수행하였다. 충격강도 시편은 총 3개로 수행하여 평균값을 도출하였다.
경도시험을 수행하기 위하여 각국의 규격을 비교한 결과 크기는 규정되지 않고 있으며, 다만, 압흔 깊이의 8배 이상의 시편 두께를 요구하고 있어, 다음과 같은 규격으로 제작하고, 누르개 지름 10mm, 공칭시험하중 29,420N으로 시험을 수행하였다.
이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 AAR 및 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기 재질을 제시하고자 하였다. 조정된 화학적성분과 열처리를 통하여 공시재를 제작하였고, 시험결과 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축율, 충격강도 값은 목표하는 값을 만족하였으나 경도의 시험결과는 그렇지 못하였다. 이는 목표로 하였던 경도 값의 폭이 매우 좁기 때문이기도 하며, 향후, Cr, Ni 등의 화학적 성분을 변화시키며, 동시에 최적의 열처리를 찾은 방법으로 연구를 추가로 수행할 예정이다.
대상 데이터
시험 방법은 GOST에서 -60℃에서 수행하도록 되어있어, U-notch 충격시험편을 사용하여 충격강도 시험을 수행하였다. 충격강도 시편은 총 3개로 수행하여 평균값을 도출하였다.
성능/효과
공시재의 화학적 성분을 분석한 결과 본 연구에서 목표로 한 AAR과 GOST 규정을 모두 만족할 수는 없었으며, Cr, Ni의 화학성분이 GOST에서 규정하고 있는 값보다 약간 높은 것을 알 수 있다. 이는 Jin Huang 등이 연결기의 너클 파괴 분석에 대한 이전의 연구에서 재료 내의 Cr, Ni 함유량의 증가에 따라 인장강도 및 항복강도 등의 기계적 성질이 우수하게 나온 것을 참조하여 주물 화학성분 조성을 수행한 결과이다[6].
화차의 연결기는 차량 간 연결하는 경우와 운행 중에 추진 및 제동에 의하여 충격을 많이 받아 충격강도가 안전상 매우 중요한 항목이다. KS, ASTM, GOST규격을 조사한 결과 시편의 크기는 동일함을 확인하였다. 시험 방법은 GOST에서 -60℃에서 수행하도록 되어있어, U-notch 충격시험편을 사용하여 충격강도 시험을 수행하였다.
위의 시험결과에서 알 수 있듯이 개발된 재질에 대한 시험결과 인장강도는 912MPa로 연구의 목표로 한 826.8MPa 이상, 항복강도는 710MPa(목표 689MPa), 연 신율 24%(목표 14%이상), 단면수축율 46%(목표 30% 이상), 경도 BH 277(목표 BH 241~262), 충격강도 33J (목표 20J)의 값을 얻었다. 경도를 제외한 기계적 성질은 본 연구에서 목표로 한 GOST 및 AAR규정에서 요구하는 값을 모두 만족하는 결과를 얻었다.
8MPa 이상, 항복강도는 710MPa(목표 689MPa), 연 신율 24%(목표 14%이상), 단면수축율 46%(목표 30% 이상), 경도 BH 277(목표 BH 241~262), 충격강도 33J (목표 20J)의 값을 얻었다. 경도를 제외한 기계적 성질은 본 연구에서 목표로 한 GOST 및 AAR규정에서 요구하는 값을 모두 만족하는 결과를 얻었다.
후속연구
조정된 화학적성분과 열처리를 통하여 공시재를 제작하였고, 시험결과 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축율, 충격강도 값은 목표하는 값을 만족하였으나 경도의 시험결과는 그렇지 못하였다. 이는 목표로 하였던 경도 값의 폭이 매우 좁기 때문이기도 하며, 향후, Cr, Ni 등의 화학적 성분을 변화시키며, 동시에 최적의 열처리를 찾은 방법으로 연구를 추가로 수행할 예정이다. 본 연구를 통한 학술적/기술적 기여는 다음과 같을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량의 연결기가 중요한 구성품인 이유는?
철도차량의 연결기는 추진력 및 제동력을 차량 간에 전달하는 기능을 하는 안전상 매우 중요한 구성품으로서, 최근에 들어 화차의 장대화의 필요성으로 인하여, 그 구조적 안전성이 더욱 중요해지고 있다. 최근에 개정된 철도안전법 규정에 따라 2016년부터 시행하는 철도용품 기술기준에서는 안전상의 중요성으로 차륜, 차축과 더불어 연결 장치를 형식승인의 대상으로 규정하고 있다[1].
국가 간 철도 차량이 현재 원활하게 운행되지 못하는 이유는?
최근 러시아를 포함한 동북아 경제의 중요성이 커지고 있으며, 유라시아 이니셔티브 정책에 따르면 동북 아시아의 운송, 물류 및 연결성 향상은 미래 성장 동력의 과제 중 하나로 부상하고 있다. 그러나 각국의 차량 시스템이 다르기 때문에 국가 간 철도 차량은 원활하게 운행되지 못하고 있는 실정이다. 서로 다른 시스템의 차량을 안전하게 연계 운행하려는 시도는 유럽-러시아간에 활발하게 이루어지고 있는 실정이나, 동북아-러시아간에는 근래에 들어 연구가 시작되고 있는 추세이다.
동북아-러시아간 화차를 상호 연결하는것이 어려운 이유는?
서로 다른 시스템의 차량을 안전하게 연계 운행하려는 시도는 유럽-러시아간에 활발하게 이루어지고 있는 실정이나, 동북아-러시아간에는 근래에 들어 연구가 시작되고 있는 추세이다. 특히, 화차의 연결기는 국내 및 중국은 미국의 AAR(Association of American Railroads) 규격을 기본으로 한 연결기를, 러시아는 국가 표준인 GOST(USSR State Standards)를 적용한 연결기를 사용하고 있어, 헤드 형상이 서로 상이하여 상호간 연결이 불가능한 실정일 뿐 아니라, 요구하고 있는 재료의 화학적 성질과 기계적 성질이 상이하다. 이에, 본 논문에서는 국내 철도용품 기술기준과 러시아의 GOST 규정을 만족하는 연결기를 상호 연결할 수 있는 가변형 연결기 및 연결기 어댑터를 개발하는데 있어, 각 국가에서 제시하고 있는 요구사항을 조사하고, 특히, 연결기에 대하여 요구하는 기계적 성질을 만족하는 재질을 개발하는 과정에서 시험을 통한 그 가능성을 분석하여, 향후 각 국가에서 안전하게 사용할 수 있는 연결기 어댑터 제작의 발판을 마련하고자 한다.
AAR M-211, "Foundry and Product Approval Requirements for The Manufacture of Couplers, Coupler Yokes, Knuckles, Follower Blocks, And Coupler Parts", 2013.
Choi Hanbyul, Choi SeokBeom, Journal of Korea Trade "A Study on the Efficient Methods of Rail Transport Network under the Eurasia Initiative", vol. 41, no. 3, pp. 109-133, 2016.
Jung Jun Park, Hee Seung Na, Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, "Establishment of test line for interchangeable vehicle / infra. interface", vol. 28, no. 12, pp. 3-8, 2015.
GOST 22703, "Moulded pieces of automatic coupler equipment for 1520mm gauge railway rolling stock. General specification", 1991.
J. Huang, Lu Xia, Youshou Zhang, Sinian Li, "Investigation on brittle fracture mechanism of a grade E cast steel knuckle", Case Studies in Engineering Failure Analysis 2, pp. 15-24, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.csefa.2013.12.007
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