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문제 정의
- 즉 승객이 어쩔수 없이 이용하는 교통수단이 아니라 타고 싶은 차량이 되어야 하고 운행도시의 특화돤 문화 상품으로서의 역할을 하여야 한다. 본연구에서는 이러한 관점에서 기존의 차량 설계방식과는 달리 도시환경조화적인 차량의 형상을 먼저 디자인하고 이를 축소 모델로 제작한후 경량전철건설을 계획하고 있는 운영처전문가들의 객관적인 평가를 받아 차량의 기본설계를 수행하였다. 차량개발시 이러한 방법으로의 시도가 한국의 철도차량 분야에 지속적으로 적용되어 이용자 중심의 차량, 한국고유의 형상을 가진 차량으로 되도록 하여야 할 것이다.
제안 방법
- 경 량전철차체의 구조는 도시철도차량의 성능시험기 준, 안전기준을 만족하여야 하므로 설계한 구조체의 강도를 이론적으로 검증하기 위해 강도해석을 수행하였다. 하중조건은 「도시철도차량 구조체 하중시험방법」 및 JIS 7105 「철도차량 구체의 하중시험 방법」에근거하여 강도를 평가하였다.
- 단면(b)를 참고하여 (c)와 같이 단면형상을 결정하였다. 경량전철차량은 표준전동차에 비해 차체 폭 및 높이가 작으므로 객실내 공간 활용이 제한적일 수밖에 없으나, 차체측부를 동일 곡선 반경으로 처리하여 단면 형상의 미려도와 부재의 표준화에 따른 금형비 절감 등을 고려하였다.
- 측면구조틀은 표준전동차와 동일한 단면폭 40mm의 중공 압출재를 기본으로 하였으며 압출 금형을 표준화시켜 동일 압출재를 적용함으로써 차량조립이 용이하도록 하여 제작원가를 낮출 수 있게 하였다. 또한 기존의 측 골조는 직선 또는 곡선이라 할 지라도 압출재는 직선으로 제작되었으나 본 경량전철에 적용되는 측부의 골조는 일정한 곡면(R=10,000 nun)을 갖는 형상으로 미려도 측면를 고려하여 설계하였다. 또한 출입문을 취부하기 위해 고무차륜AGT는 폭 1,100 mm, 높이 1,900 mm 크기의 개구부를 4,820 mm의 간격으로 설치하였다.
- 또한 기존의 측 골조는 직선 또는 곡선이라 할 지라도 압출재는 직선으로 제작되었으나 본 경량전철에 적용되는 측부의 골조는 일정한 곡면(R=10,000 nun)을 갖는 형상으로 미려도 측면를 고려하여 설계하였다. 또한 출입문을 취부하기 위해 고무차륜AGT는 폭 1,100 mm, 높이 1,900 mm 크기의 개구부를 4,820 mm의 간격으로 설치하였다.
- 이 구조는 수직하중, 연결기를 통해 전달되는 압축하중 및 대차를 통해 전달되는 하중에 대해서 강도적으로 충분히 견딜 수 있도록 설계되어진 구조이며 각종 전장품과 배관 . 배선은 압출재 하부에 있는 T-Slot을 통해 장착하게 된다 압출재는 조립시 공차 관리를 위하여 슬립조인트(서로 끼우는 타입)로 설계하였고, 코너부 양쪽 솔바(sole bar)와 압출재 사이는 강도상 중요한 부위로서 용접변형으로 인한 열영향을 최소화하도록 압출재 윗면과 아랫면을 지그재그로 연결되도록 설계하였다.
- 특히 차체의 외형은 운행도시의 주변환경과 조화되어 그 도시의 특화된 문화상품의 한 부분으로서의 역할을 하여야 하므로 기존의 차량설계 방식에서 탈피하여 전문디자인의 개념이 도입되어야 한다. 본 연구에서는 경량전철 차량의 이러한 특성에 맞게 차체를 개념설계하고 이를 이용하여 1/10의 모델로 제작하여 철도관련 운영처의 의견을 수렴하여 형상을 결정하였다. 이러한 형상을 기본으로 하여 차체를 기본설계하고 강도평가를 위해 구조해석을 수행하였다.
- 승객의 시야를 확보하여 여행 중에 파노라마적인 외부 풍경을 즐길 수 있도록 창문의 크기를 최대한 크게 하고 국민체위기준을 참고하여 쾌적한 객실내부가 되는 공간이 확보되도록 하였다. 이 기준에 따라 그림 3과같이 25세의 성인남자승객이 앉은 자세에서 팔 높이를 기준으로 차체의 최대 폭이 되도록 하고 앉은 자세와 선 자세에서 눈 높이를 고려하여 창문의 주요치수를 선정하였다.
- 본 연구에서는 경량전철 차량의 이러한 특성에 맞게 차체를 개념설계하고 이를 이용하여 1/10의 모델로 제작하여 철도관련 운영처의 의견을 수렴하여 형상을 결정하였다. 이러한 형상을 기본으로 하여 차체를 기본설계하고 강도평가를 위해 구조해석을 수행하였다. 특히 고무차륜형식의 경량전철은 국내에 적용한 실적이 없으나 한국철도기술연구원에서 운영 처를 대상으로 설문 조사한 결과 선호도가 가장 높은 차량시스템으로서, 개발완료시 국내에 활용도가 높은 차량시스템이 될 것으로 판단된다.
- 지붕구조톨은 기존 한국형 표준전동차 곡면(R=6, 850 mm)을 그대로 유지시켜 외판이 일체형인 개단면 압출형재와 캔트레일(cant rail)를 적용시켜 금형비를 절감하도록 설계하였다. 지붕구조틀은 외판과 골조일체형인 지붕판넬과 캔트레일이 용접되어 있는 구조이며 제작시 생기는 변형 및 제작 공차 흡수를 위해 캔트 레일과 지붕 판재가 용접되는 곳에 슬립조인트(slip joint)를 두고 있는 구조이다.
- 따라서 차량이 곡선 통과시 건축한계 내에서 원활하게 통과할 수 있어야 한다. 차량 조향방식을 보기방식(bogie type)으로 적용하고 운행조건은 2.2절에서와 같은 조건을 적용한후 편성차량이 곡선 선로상을 주행할 때의 차체단부편기량, 차체 단부 간의 이격거리, 연결기의 수진각도를 검토하였다.
- 특히 이 구조는 이중벽 구조가 되므로 외부로부터 전달되는 소음을 효과적으로 차단할 수 있는 구조가 된다. 측면구조틀은 표준전동차와 동일한 단면폭 40mm의 중공 압출재를 기본으로 하였으며 압출 금형을 표준화시켜 동일 압출재를 적용함으로써 차량조립이 용이하도록 하여 제작원가를 낮출 수 있게 하였다. 또한 기존의 측 골조는 직선 또는 곡선이라 할 지라도 압출재는 직선으로 제작되었으나 본 경량전철에 적용되는 측부의 골조는 일정한 곡면(R=10,000 nun)을 갖는 형상으로 미려도 측면를 고려하여 설계하였다.
대상 데이터
- 6000계열의 알루미늄 합금강 A6005A의 재질을 압출하여 사용하였으며 재질의 기계적 성질은 다음 표와 같다.
- 끝칸막이 구조틀은 외판이 일체형인 개단면 압출형재와 중실 구조의 압출재를 적용하여 설계되었다. 선두차의 전두부를 제외한 끝칸막이에 출입구를 설치하여 이동을 자유롭게 하였다.
- 언더프레임을 구성하는 압출재는 국내에서 생산가능한 압출재(폭 600mm × 깊이 85mm의 면적 기준)의 범위내에서 설계하였다. 이 구조는 수직하중, 연결기를 통해 전달되는 압축하중 및 대차를 통해 전달되는 하중에 대해서 강도적으로 충분히 견딜 수 있도록 설계되어진 구조이며 각종 전장품과 배관 .
- 이 기준에 따라 그림 3과같이 25세의 성인남자승객이 앉은 자세에서 팔 높이를 기준으로 차체의 최대 폭이 되도록 하고 앉은 자세와 선 자세에서 눈 높이를 고려하여 창문의 주요치수를 선정하였다.
데이터처리
- 하중조건은 「도시철도차량 구조체 하중시험방법」 및 JIS 7105 「철도차량 구체의 하중시험 방법」에근거하여 강도를 평가하였다. 모델링 작업은 MSC/PATRAN9.0으로 하고 NASTRAN 69로 해석 하였다. 해석결과 차체는 수직하중, 고유진동수, 비틀림하중' 압축하중에 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다.
이론/모형
- 차체의 개발목표사양은 건설교통부에서 고시한 표준사양(건교부 제 1998-53, '98.2.26)을기본으로 하고 설계방향을 다음과 같이 설정하였다.
- 하중조건은 「도시철도차량 구조체 하중시험방법」 및 JIS 7105 「철도차량 구체의 하중시험 방법」에근거하여 강도를 평가하였다. 모델링 작업은 MSC/PATRAN9.
성능/효과
- 검토결과 편성차량은 최소곡선반경 30 m에서도 건축한계와 간섭없이 주행이 가능하였다.
- 0으로 하고 NASTRAN 69로 해석 하였다. 해석결과 차체는 수직하중, 고유진동수, 비틀림하중' 압축하중에 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다. 그림10은 해석결과의 예로서 압축하중에 대하여 나타내었고 기타 사항은 참고문헌 [1] 에 상세하게 기술하였다.
후속연구
- 본연구에서는 이러한 관점에서 기존의 차량 설계방식과는 달리 도시환경조화적인 차량의 형상을 먼저 디자인하고 이를 축소 모델로 제작한후 경량전철건설을 계획하고 있는 운영처전문가들의 객관적인 평가를 받아 차량의 기본설계를 수행하였다. 차량개발시 이러한 방법으로의 시도가 한국의 철도차량 분야에 지속적으로 적용되어 이용자 중심의 차량, 한국고유의 형상을 가진 차량으로 되도록 하여야 할 것이다.
- 향후, 차량의 개발 일정에 맞추어 승객이 이용하는 객실에 대한 실내 공간배치 및 색감에 대해서도 모델을 제작한후 그 결과를 실내설계에 반영하는 방법으로 차량개발을 완성하여 대중교통수단이 신문화를 창출할 수 있는 방향으로 연구를 지속적으로 수행 할 것이다.
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