고무차륜형식 경량전철 차량 동응력 측정 결과 분석 및 결과 고찰
A Study on The Test Results of Dynamic Stress of Rubber Tired AGT
권 태† 김영식* 남양희** 박희철***
Kwon Tae Young Sik Kim Yang Hee Nam Hee Chul Park
ABSTRACT
Recently in worldwide and Korea domestically, the LRT vehicles are introduced as reputable urban transit system, in a view of energy saving, punctuality and eco-friendly as well as transport efficiency. At first time in Korea, the Busan metro Line 4 was applied with AGT system which is a kind of LRT using the Rubber tired AGT vehicle and developed from 1999 to 2004 in charge of Korean government. Busan selected the AGT system for Metro Line 4 as the solution of traffic jam and networking the intercity. At present, Busan Metro Line 4 has been running since opened at March 30, 2011.
The vehicle of Busan metro line 4 is aiming the maximization of LRT vehicle advantage that is the lightness of vehicle size and vehicle weight. So, it did size downed and weight downed by lightened the weight of car frame and bogies and by the compactness of electrical on-board equipments. The study carried out the structure analysis to verify and safety and performance of car body and bogie frame of Busan Metro Line 4 vehicles. In this study, it was analyzed the stress of main load and verified the fatigue strength. And measured the dynamic stress sending to body structure and bogie frame while running on main line and analyzed the fatigue stress. As a result, it verified the safety and life cycle of car body and bogie frame.
Key Word : Fatigue strength, Rain flow cycle counting, Dynamic stress, Rubber tired AGT, Railway vehicle 1. 서론 최근에 국내 도시철도차량은 에너지 절감과 정시성, 환경친화성, 수송효율 등을 고려하여 경량전철 차량 보급이 증대되고 있는 추세이다. 국토해양부가 국책사업으로 1999년부터 2004년까지 국산화 개발을 완료한 고무차륜형식 경량전철 차량이 부산도시철도 4호선에 국내 최초로 도입되어 상용화 되었다. 부산도시철도 4호선은 부산지역의 교통난 해소와 시외간 연결 교통망 구축을 위하여 2011년 3월 30일 개통되어 무인운전방식으로 성공리에 운영 중이다. 부산도시철도 4호선 전동차는 고무차륜 경량전철 차량 특성을 고려하여 차체 및 대차 등 구조물을 경량화 시켰으며 차량의 각종장치를 컴팩트하게 단순화시켜 적용하였다. 본 연구에서는 부산도시철도 4호선 고무차륜형식 경량전철 차량의 차체와 대차프레임의 안전성과 성능을 확보하기 위하여 구조해석 을 통한 주요하중별 응력을 분석하고, 본선 주행시 구조체 및 대차 프레임으로 전달되는 동응력을 측정 하여 피로내구수명을 확인코자 한다. † 교신저자, 부산교통공사 경전철운영사업소 차량부 과장 E-mail : [email protected] * (주)우진산전, 차량설계1팀 팀장 ** 부산교통공사 경전철운영사업소, 차량부장 *** 부산교통공사 운영본부, 차량검수팀장
2. 시험 방법
차체 및 대차프레임의 구조해석 결과와 정하중 시험[그림1 ~ 4]을 통해 상대적으로 응력이 높은 부 위에 스트레인게이지를 부착하고, 게이지 위치에서 발생되는 응력을 실시간으로 저장한다. 측정구간은 부산도시철도 4호선 안평역에서 미남역까지 편도 12.7km 전체 노선이며, 공차와 만차 조건을 조성하여 전 구간을 각 2회 왕복하여 측정하였다.
Fig. 1 Vertical load test of the car-body Fig. 2 3-point loading test
Fig. 3 Static load test of the rotation-frame Fig. 4 Static load test of the guide-frame
2.1 동응력 시험 장치
동응력 시험에 사용된 장치는 아래와 같다.
장비명 모델명
Strain gauge HBM 350
Data acquisition system HBM MGC Plus
Notebook (Data store)
2.2 스트레인 게이지 부착 정하중 시험결과를 바탕으로 정적응력이 가장 크게 발생한 지점인 차체에 6개 지점, 선회프레임에 5개 지점과 안내프레임 6개 지점에 스트레인 게이지를 부착하였다. 측정 채널과 게이지번호는 표 1과 같 으며, 취부위치는 그림 6 ~ 그림 8과 같다. 측정 채널 게이지번호 측정 채널 게이지번호 Ch. 1 선회프레임 1 Ch. 6 안내프레임 2 Ch. 2 선회프레임 19 Ch. 7 안내프레임 27 Ch. 3 선회프레임 21 Ch. 8 안내프레임 28 Ch. 4 선회프레임 37 Ch. 9 안내프레임 71 Ch. 5 선회프레임 36 Ch. 10 안내프레임 88 Ch. 11 안내프레임 98 Ch. 12 차체 31 Ch. 15 차체 39 Ch. 13 차체 32 Ch. 16 차체 101 Ch. 14 차체 38 Ch. 17 차체 102
Table 1 Channel and gauge number
Position of strain gauge on the rotation frame
1
Rotation frame gauge no. 1
19 36
Rotation frame gauge no.19, 36
21 37
Rotation frame gauge no.21, 37 Fig. 6 Position of strain gauge on the rotation frame
Position of strain gauge on the guide frame
2
Guide frame gauge no. 2
28 27
Guide frame gauge no.27, 28
71
Guide frame gauge no. 71
98 88
Guide frame gauge no. 88, 98 Fig. 7 Position of strain gauge on the guide frame
Position of strain gauge on the under frame(MC1)
32
Car body gauge no. 32
38
Car body gauge no. 38
101
Car body gauge no. 101
102
Car body gauge no. 102 Fig. 8 Position of strain gauge on the under frame
3. 시험결과 3.1 대차 정하중 시험 후 합성응력 정하중 시험시 측정된 각각의 응력을 합성한 결과 및 위치는 표 2와 같다. 측정 채널 게이지번호 합성응력(MPa) 비고 Ch. 1 선회프레임 1 63.7 용접 사상부 Ch. 2 선회프레임 19 64.7 모재 Ch. 3 선회프레임 21 63.7 모재 Ch. 4 선회프레임 37 83.4 모재 Ch. 5 선회프레임 36 81.4 모재 Ch. 6 안내프레임 2 59.8 모재 Ch. 7 안내프레임 27 50.0 용접 사상부 Ch. 8 안내프레임 28 43.1 용접 사상부 Ch. 9 안내프레임 71 60.8 용접 사상부 Ch. 10 안내프레임 88 59.8 용접 사상부 Ch. 11 안내프레임 98 58.8 모재
Table 2 Result of the composition of stress at gauge point (Static load test)
3.2 대차 동하중 시험 결과 가. 대차 동하중 시험결과
시험 결과는 공차와 만차 조건에서 측정한 결과를 Rainflow 싸이클 카운팅하여 응력진폭과 평균응 력을 구하였고, 이때 평균응력은 정하중 시험에서 발생한 평균응력을 추가하였다. 본선주행시 측정된 동응력파형 결과는 그림 9 ~ 12와 같다.
Fig. 9 Empty vehicle, Ch. 1 ~ 5 (Rotation frame)
Fig. 10 Empty vehicle, Ch. 6 ~ 11 (Guide frame)
Fig. 11 Full vehicle, Ch. 1 ~ 5 (Rotation frame)
Fig. 12 Full vehicle, Ch. 6 ~ 11 (Guide frame) 나. 대차 피로한도 평가 기준 대차 프레임에 사용된 재질은 SS400 & SM400이며, 기계적 성질은 표 3과 같다. 재 질 항복강도(MPa) 피로한도(MPa) 모재부 사상부 용접부 SS400 & SM400 240 140 110 70
Table 3 Mechanical characteristics of materials of bogie frame
시험 후 측정된 응력은 조합응력으로 환산하여 피로내구선도를 이용하여 무한수명 여부를 판단한다. 피로내구선도는 그림 13 에서 보여주고 있다. 여기서 x축은 평균응력, y축은 응력 진폭이며 조합된 결과는 피로내구선도 상의 위치에 따라 안전성을 판정할 수 있다. 모재부 용접후 Grinding 부 용접부 위험부위 용접후 Grinding부는 위험, 모재부는 안전함 용접후는 위험, 용접후 Grinding부는 안전함 안전함
다. 대차 피로한도 평가 결과 평균응력과 응력진폭 값이 높게 나타난 선회프레임 Ch. 2, 3과 안내프레임 Ch. 7, 8에 대한 싸이클 카운팅 결과 및 피로한도 선도를 그림 14 ~ 17과 같이 나타내었다. -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material
a) Empty vehicle condition b) Full vehicle condition
Fig. 14 Result of cycle counting and durability diagram at Ch.2 (Rotation frame)
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material
a) Empty vehicle condition b) Full vehicle condition
Fig. 15 Result of cycle counting and durability diagram at Ch.3 (Rotation frame)
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Weld grinding St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Weld grinding St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material
a) Empty vehicle condition b) Full vehicle condition
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Weld grinding St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Weld grinding St ress A m pl itude (M Pa)
Mean Stress (MPa)
Base Material
a) Empty vehicle condition b) Full vehicle condition
Fig 17 Result of cycle counting and durability diagram at Ch.8 (Guide frame) 3.3 알루미늄 차체의 피로해석 및 시편 피로시험 결과
가. 피로해석 조건 및 결과
Table 4 Input data for fatigue analysis
구분 항목 Mc 비고 1 공차 중량(Kgf) 11,500 2 Bareframe중량(Kgf) 2,250 3 대차중량(Kgf) 3,500 4 최대승객하중(Kgf) 10,000 5 동하중계수 0.2g 성능시험기준(구조체하중시험 3.라) 피로해석은 차량의 수직하중 19.35톤 상태에서 동하중 계수 0.2g의 변동하중 3.87톤이 수직방향으 로 반복되는 피로 조건, 즉 그림 18과 같이 0.8g ~ 1.2g 사이의 하중이 반복되는 조건에 대하여 실 시한다. 응력-수명피로 해석을 수행하기 위해서는 재료의 기계적 성질 외 피로 데이터로서 응력-수명곡선 (S-N Curve)이 필요하여, 본 피로해석의 대상차량인 경량전철 차체와 동일한 재질에 대해 한밭대학 교 용접공학센터에서 실시한 피로시험으로부터 획득한 알루미늄 용접재 A6005A-T6의 피로 데이터 를 사용하였다. 이 피로 데이터는 응력비 R=0.05, 파손확률 2.3%의 경우에 대하여 용접재 표준 시 험편으로 피로 시험을 실시한 결과로서 2x106사이클에서의 맞대기 용접의 피로강도가 3.0kgf/mm2 이었다. 여기서, 파손확률 2.3%, 피로수명 2x106 사이클에서의 피로강도를 알루미늄 합금의 피로한 도로 규정한 것은 ECC 규격에 따른 것이다.4) 차체에 대한 피로해석을 실시하기 위해 응력비 R = 0.05의 조건하에서 표준시험편을 통하여 얻어 진 피로 데이터를 Goodman식을 이용하여 R=-1.0의 S-N곡선으로 환산하였으며, 변환된 응력진폭절
편(Stress Range Intercept) 값인 SRI = 706.8kgf/mm2, 피로강도지수(Fatigue Strength Exponent)
값인 b = -0.3155를 얻었다. 변환된 피로데이터를 이용하여 수정된 S-N 곡선은 그림 19와 같다. AL6005A-T6 용접재의 피로 시험데이터를 이용한 차체의 피로해석은 수직하중조건에서의 응력 결
과를 이용하였고, 평균응력효과, 표면거칠기 효과, 가공의 효과 등을 고려한 피로해석 결과 피로균열 이 발생할 수 있는 최소 수명 위치는 그림 20과 같으며, 대차와 연결되는 차체의 볼스타 하부이나
○ 해석조건 - 최대승객하중 : 10톤 - 수직하중 : 19.35톤 · 변동하중 : 3.6톤(0.2g) ○ 해석수명 : 6.885 x 107 - 기준 싸이클의 6.885 배 (근거 BS 12663, 2000 5.2항) Fig. 20 The result, Loading cycle for the fatigue analysis
Fig. 18 Loading cycle for the fatigue analysis Fig. 19 AL6005A-T6, S-N Curve (R = -1.0)
나. 알루미늄 시편 피로시험 결과
차체에 사용된 알루미늄 모재 및 용접 시편에 대하여 1×107cycles에서도 파단이 발생하지 않는 응
력(피로강도, Fatigue Strength)이 모재시편에서 175㎫(그림 21), 용접시편에서 110㎫(그림 22) 이 었다. 이것은 국제적으로 요구되는 기준을 초과하는 것이어서 사용하는 데는 충분하다.
Fig. 21 Fatigue test results of raw specimens Fig. 22 Fatigue test results of welded specimens
3.4 알루미늄 차체의 피로한도 평가 가. 차체 동하중 시험결과
(10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m) (10-6 m/m)
Fig. 23 Empty vehicle, Ch. 12 - 17 (car body) Fig. 24 Full vehicle Ch. 12 - 17 (car body) 시험 결과는 표 5와 같으며, 공차와 만차 조건에서 본선주행시 최대응력 발생부는 CH 14(대차와
연결되는 차체의 볼스타 하부)이다.
Table 5 Result of measurement of dynamic-stress on the car body
측정 채널 게이지번호 측정최대값(kgf/mm2) 공차 만차 Ch. 12 차체 31 0.54 0.61 Ch. 13 차체 32 0.86 0.78 Ch. 14 차체 38 2.45 3.46 Ch. 15 차체 39 0.46 0.53 Ch. 16 차체 101 -0.44 0.57 Ch. 17 차체 102 0.65 0.52 나. 차체 피로한도 평가결과 알루미늄 차체의 동하중 시험결과 만차하중 조건에서 최대응력은 3.46kgf/mm2 (35.3MPa)이었으며, 알루미늄(AL6005A-T6)의 용접부 피로한도는 피로 시험 결과 값이 110MPa이므로 피로한도에 대한 안전율 은 3.12임을 알 수 있다. 따라서 차체는 운행 중에 작용하는 피로 하중에 대해서 안전하다고 할 수 있다. 4. 결론 국내 최초 고무차륜형식 경량전철 차량으로 완전무인운전방식으로 상업운용되고 있는 부산도시철도 4호선 전동차의 운행안전성과 무한내구수명을 확인하기 위한 차체 및 대차에 대한 동응력 피로한도를 측정한 결과 공/만차 운행 시 대차의 선회프레임 및 안내프레임과 알루미늄 차체에서 발생한 동응력은 피로내구선도 상의 안전영역에 위치하고 있음을 확인하였다.
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