† 교신저자, (주)현대로템 기술연구소 연구원 E-mail : [email protected] * (주)현대로템 기술연구원 책임연구원 ** (주)현대로템 기술연구원 수석연구원
화물전기기관차 차체개발
Development of Carbody Structure for Freight Electric Locomotives
최원호† 곽태호* 김구식**
Choi, won-ho Tea-Ho Kwak Kim, ku-sik
ABSTRACT
Current freight electric locomotives (132 ton) of the eco-friendly and can carry large cargo logistics as a means of generation has increased the demand at home and abroad. Especially, Freight electric locomotives to increase the traction, it is easy to mass and rapid transport. In addition, Freight electric locomotives is no exhaust and low noise compared to diesel –electric locomotives and it can be eco-friendly transportation.
CO_CO BOGIE of Freight electric locomotives has no the center pivot and Traction_Rod and Spring of CO_CO BOGIE is mounted on the body. These freight electric locomotives to be satisfied with the safety regulations. Carbody development satisfied Implementation of optimum body and collision is the focus. Accordingly, the different approach in the upper and lower carbody structure and interior and equipment placement is needed.
On this paper, the contents give explanation of cases on carbody design composed of freight electric locomotives now developed and process of improvement by structure analysis and collision analysis.
1. 서 론
현재 화물전기기관차(132 ton)는 친환경적이고 대용량의 화물을 수송할 수 있어 차세대 물류수단으로 국내외에서 그 수요가 증가하고 있다. 특히 화물전기기관차는 견인력 증대로 대용량 및 빠른 수송이 용 이하다. 또한 기존 화물전기기관차는 디젤전기기관차에 비하여 매연이 없고 저 소음으로 친환경 수송이 가능하다.
화물전기기관차의 대차인 CO_CO BOGIE는 센터피봇이 없고 Traction_Rod와 스프링으로 차체에 취부된 다. 이러한 화물 전기기관차는 철도 안전법을 만족하여야 하며, 최적 조건의 차체 구현과 충돌을 만족 하는 차체 개발이 중점 사항이다. 이에 따라, 차체 구조 및 실내 구성 및 상하기기배치에도 기존과는 다른 접근이 필요하다. 본 논문에서는 현재 개발 양산중인 화물전기기관차의 차체 설계 적용 사례와 구조해석, 충돌해석을 통한 설계 검증 사례를 보여주려고 한다. 2. 본 문
1) 차량 구성 차량은 전기기관차로서 1량 단량에 신규 CO_CO BOGIE를 적용 하였으며,다른 객차나 화물차를 연결 하는 구성이며 외형은 아래와 같다. 2) 차체 상세 설계 가. 차체 설계 개요 - 차체구조는 불연성,MILD 재질 사용을 원칙으로 하며, 구조 및 기능상 불연성으로 할 수 없는 경우 난연성 화재방지 구조로 제작함. - 차체구조는 충분한 강도를 갖는 고강도 재질의 용접구조(또는 기계적 접합구조) - 차체구조는 최대하중과 운행 조건하에서 시스템의 기능을 만족하도록 설계 및 제작 - 모든 부품과 요소는 충분한 내식성을 같도록 할 것이며, 화학적 성질이 다른 이종금속이 서로 접촉하게 되는 경우에는 부식 등을 방지하기 위해 예방조치를 강구. - 스크류, 볼트 및 너트 체결부와 같은 연결부위는 차량진동에 의한 풀림방지 기능을 갖춘 구조로 설계 및 제작함. - 동력 전달은 견인 전동기 회전력 ⇒ 차축 ⇒ 대차 ⇒ 센터 피봇 ⇒ 차체 ⇒연결기 순으로 동력 이 전달 되며, 대차로부터 전달 받는 힘은 차체와 연결기에서 전달하게 되므로 충격에 이상이 없도록 견고한 구조로 설계. - 상체는 일체 구조로 하여 차체 전체의 강도를 유지토록 한다. 언더 프레임에는 강도를 보강하고 기기 취부를 위하여 크로스빔을 용접구조로 설치한다.
구 분 치 수 비 고 차 량 길 이 21,200 mm 차 량 높 이 3,876 mm 차 체 폭 3,120mm 바 닥 높 이 1,536 mm 레일 상면 기준(TOR) 연 결 면 간 거 리 22,520 mm 나. 차체 주요 치수 다. 차체 구조 설계 - 차체의 구조는 차체 하부를 구성하는 구조물인 언더프레임, 측면을 구성하는 구조물인 측구조, 지붕을 구성하는 구조물인 지붕구조, 전두부를 구성하는 구조물인 전두부로 이루진다. - 기관차 차체는 높은 기계적 강도가 요구되기 때문에 자체 지지 구조로서 설계된다. 자체 지지형 의 기관차 차체는 모든 기계적 강도와 강성에 대한 조건을 만족시키고 전기 용접한 구조로써, 주 요 조립부는 뒷벽을 갖는 2개의 운전실, 양 측벽, 언더 프레임, 4개의 분리형 지붕을 가진 기계실 로 구성된다. 그림1. 차체 3D 구조
라. 언더프레임(UNDERFRAME) 설계
- 언더프레임 골조는 수직하중(차량중량 132TON), 연결기를 통하여 전달되는 하중을 견딜 수 있는 구조이며 SIDE_BUFFER를 설치하여 차대차 충돌을 고려한 설계
- 저상대차와의 인터페이스 사항을 반영하여, 각종 DAMPER류 및 TRACTION ROD에서 전달되는 하중을 상부구조로 분산할 수 있는 충분한 강도의 구조로 설계하였으며,차체의 들어올림을 위해 적절한 구조물 장치(Jacking 및 Lifting용)를 설치함
그림2. UNDERFRAME 구조 마. 측 골조(SIDE FRAME) 설계
- Traction_Motor Blower 설치를 위한 골조부분은 변형이나 응력집중을 최소화할 수 있는 구조로 설계 - 방수구조로서 CAB 과 ROOF, U/F을 연결 지지해주는 구조로 용접 수밀구조로 설계
바. 지붕 골조(ROOF FRAME) 설계 - 지붕은 4개의 부분으로 구성되고 측벽의 엔드 프레임과 크로스 스틱에 볼트로 취부된다. 분리형 지붕 을 통하여 기계실의 전장품과 공기장치 기기들의 설치와 분리, 보수시에 작업을 쉽게 해준다. - 판토 그라프 및 지붕위에 장착되는 전장품들의 하중에 견딜 수 있도록 지붕 골조에 충분한 강성을 갖 도록 설계한다. - 또한 기계실내로 누수가 되지 않도록 기밀 구조를 유지 하도록 한다. - 지붕에는 빗물이나 기타 이 물질이 고이지 않도록 곡선형의 단면으로 하고 배수로 장치가 되어 있다. 사. 전두부 골조(CAB FRAME) 설계 - 운전실 주요 골조의 대부분은 정적하중에 잘 견디는 중공형 단면으로 설계된다.높은 응력을 받는 부 분은 골조 및 판의 두께를 증가시켜 보강하고 전두부 형상은 좋은 음향적 감쇠 및 고속에의 공기 저항 최소화, 그리고 전면 충격 하중을 최대한 크게 할 수 있는 구조로 설계된다. - 운전실은 양 측부에서 출입할 수 있도록 힌지 타입의 출입문이 설치 되고, 측출입문 골조는 응력집중 을 받게 되므로 모서리 부위에 충분한 보강을 한다. - 운전실 뒷벽에는 각종 기기들과 운전자 편의 설비를 지지할 수 있는 구조로 설계되어 지며, 또한 기 계실로 통하는 기계실 출입문이 있어 전후 운전실 간에 출입이 가능하다. 기계실에서 발생하는 소음이 운전실로의 투과를 최소화하기 위해서 운전실과 기계실 사이에는 방음재를 사용한다 - 대형장애물 충돌시 차체(CAB)의 국부적 변형으로 운전자 생존공간 확보와 감속도 기준을 만족하는 설 계. 그림5. 전두부(CAB FRAME) 구조
1) 연결기 높이 압축하중 = (공차중량 – 대차중량 – Bareframe 중량) + 압축하중 = (132.0 – 27.5×2 – 33.5) + 압축하중(2000kN) = 수직하중(43.5톤) + 압축하중(2000kN) 2) 캔트레일 높이 압축하중 = (공차중량 – 대차중량 – Bareframe 중량) + 압축하중 = (132.0 – 27.5×2 – 33.5)+ 캔트레일 압축하중(300kN) = 수직하중(43.5톤) + 캔트레일 높이 압축하중(300kN)) 3) 윈도우 가드 레일 압축하중 = (공차중량 – 대차중량 – Bareframe 중량) + 압축하중 = (132.0 – 27.5×2 – 33.5)+ 윈도우 가드레일 압축하중(300kN) = 수직하중(43.5 톤) + 압축하중(300kN) 4) 수직하중 = (공차중량 – 대차중량) × 1.3g = (132.0 – 27.5×2) × 1.3g = 100 톤 5) 인장하중 = (공차중량 - 대차중량 - Bareframe 중량) + 인장하중 = (132.0 – 27.5×2 – 33.5)+ 인장하중(1500kN) = 수직하중(43.5 톤) + 인장하중(1500kN) 6) 조합하중 = 수직하중(100 톤) + 인장하중(1500kN) 또는 압축하중(2000kN) 7) 운행하중 = (공차중량 – 대차중량) × 1.2g = (132.0 – 27.5×2) × 1.2g = 92.4 톤 8) 굽힘 고유진동수 Bareframe 중량 상태(33.5 톤) 3. 차체 강도 해석 가. 구체 강도 검토 개요 - 구조체는 주어진 시험 조건하에서 측정된 응력이 구체 재질의 항복 강도를 초과하지 않도록 함 - 최대하중시 차체의 휨량은 적절한 값을 가지며, 각종 출입문의 동작이 원활토록 하고, 공차시 캠버량은 공차시부터 최대하중시까지의 휨량(Deflection)을 보상할 수 있어야 함 - 구조체 압축강도 : 200톤 이상 (연결기 위치) - 구조체의 충돌기준 : 철도안전법 내 철도차량안전기준에 관한 규칙의 충돌 안전기준 따름 나. 구체 강도 해석 결과 1) 해석 인용 규격 : - 철도차량 안전기준에 관한 지침(이하 안전기준이라 함) - 철도차량 성능시험 시행 지침(이하 성능시험이라 함) 3) 차체 해석 모델링 4) 차량 하중 조건 - 적용 하중
구분 하중조건 최대응력 (kgf/mm^2) 발생부위 재질 허용응력 (kgf/mm^2) 비 고 1 수직하중 23.55 2차 스프링 지지 상판 SMA490B 37 허 용 응 력 2 연결기 높이 압축하중 25.22 연결기 mounting
pad hole SMA490B 37
3 인장하중 19.06 연결기 mounting
pad hole SMA490B 37
4 윈도우 가드 레일 높이 압축 하중 12.3 Cab의 윈도우 가드 레일 높이 stiffner SS400 25 5 캔트레일 높이 압축 하중 13.34 2차 스프링 지지 상판 SMA490B 37 6 조합하중 (인장+수직) 29.81 2차 스프링 지지 상판 SMA490B 37 5) 차체 강도 해석 결과 - 수직 하중 조건 - 압축 하중 조건( - 윈도우 다드레일 높이압축 조건 - 인장조합하중 조건 6) 차체 강도 해석 결과 종합
4. 차체 충돌 해석 - 화물 전기기관차 충돌해석을 위해 전체 유한요소 모델을 개발하였으며 해석 모델은 그림 1과 같다. 전체 차체 모델은 3-D솔리드 요소와 2-D 쉘요소를 사용 하여 모델링 되었다. 본 해석을 위해 전체의1/2 모델을 사용 하였으며 총 절점수는 300,077개이며 요소수는 310,847개이다. 연결기와 사이드 버퍼 모델 은 1-D Beam 요소를 사용하여 모델링 하였으며, 각 Beam 모델에 각각의 특성 곡선을 적용하여 주었다. 연결기와 사이드 버퍼의 특성 곡선은 그림 2, 3과 같다. 연결기는 Pad에 Mounting 되어 있는 전단볼트 의 강성을 초과 하는 하중이 걸리면 볼트가 파손되어 후방으로 후퇴(shear-off) 하게 된다. 각각의 기 기장치 및 대차의 모델링은 집중하중 요소를 사용하여 정의하여 주었다. - 편성충돌 수행을 위한 표준구성 열차는 1-D 스프링 요소를 사용하여 모델링 되었으며, 각 스프링 요 소에는 중간연결기 특성곡선 및 안전기준[2] 부록 나. 에 명시된 15kJ/ton의 에너지 흡수량 (붕괴하중 2,000kN)을 고려한 특성 곡선을 적용하여 주었다. 표준 열차의 중량은 각 차량별 45톤 기준이다. - 전체 해석에 사용된 모델은 선두에 화물 전기기관차(3-D)를 나머지 후위를 4량의 표준구성(1-D)차량 으로 구성 하였다. 4.1 차체 충돌해석 결과 - 정면 충돌 사고 각본 전체 충돌 시 화물 전기기관차의 길이 방향 중심의 사이드 실에서의 감속도는 약 3.4g 정도가 발생 하였다. 그림 12에서 볼 수 있듯이 충돌 전/후의 과정에서 차체의 충돌이나 어떠한 영구 변형도 발생하지 않고 각 에너지 흡수 장치의 압축만이 발생 되었다. - 대형 장애물 충돌 사고 각본 화물 전기기관차와 표준구성(4량 1편성) 열차를 상대속도 110km/h의 속도로 대형 장애물에 충돌 해석한 결과 전두부 윈도우를 중심으로 상, 하부가 변형 되는 양상을 보였다. 즉, 최종 충돌 후 운전석의 확보 된 공간은 약 334mm 정도로 예상된다. 하지만 본 평가에서는 충돌 시 컨트롤 데스크 자체의 변형은 고 려 되지 않았으므로 실제 충돌 시 해석 값보다 많은 공간이 확보 될 것으로 예상된다.
- 소형 장애물 충돌 사고 각본 1) 정적 하중 조건 에너지 흡수용으로 모델링 된 사각 튜브의 끝단에서 최대를 보이며 값은 27.96kgk/mm^2이다. 이 값은 사용 재질인 SMA490B의 허용 응력인 36을 넘지 않는 값이다 2) 동정 하중 조건 에너지 흡수 사각 튜브에서 국부적인 변형이 생긴 것을 알 수 있다. 5. 결론 철도공사 화물 전기기관차 차체의 충돌해석 3가지 시나리오를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. - 정면 충돌 사고 각본 (1) 충돌 시 모든 운동에너지는 에너지 흡수 장치(연결기, 사이드 버퍼)를 통해 흡수 되었으며, 차체 의 변형은 발생 하지 않았다. (2) 충돌 시 차체에서 발생 하는 감속도는 약 3.4g로 철도안전법 상의 기준인 7.5g를 만족하였다. - 대형 장애물 충돌 사고 각본 (1) 충돌 시 모든 운동에너지는 에너지 흡수는 차체의 운전실 프레임 부분과 대형장애물을 통해 흡수 되었다. 운전실 앞 부분을 제외한 차체의 부분에 영구 변형이 발생 하지 않았다. (2) 충돌 시 차체에서 발생 하는 감속도는 약 2.0g로 철도안전법 상의 기준인 7.55g를 만족하였다. (2) 충돌 후 운전자의 생존공간은 컨트롤 데스크 상부에서 309mm 하부에서 334mm가 확보 되어 철도 안전법상의 300mm 이상의 공간 확보 사양을 만족하였다. - 소형 장애물 충돌 사고 각본 (1) 정적 하중 강도의 두가지 하중 타입인 a-type과 b-type의 정적 강도는 각각 29.26kgk/mm^2 과 27.96kgk/mm^2 으로 사용 재질의 허용응력을 넘지 않았다. (2) 동적 하중 강도의 두가지 하중을 타입인 a-type과 b-type의 항복을 넘어 각각 32.4kJ과 27kJ의 에너지를 흡수하며 차체의 제거기가 탈락 하거나 차체의 손상을 줄 정도의 변형이 일어나지 않음을 확인 하였다. 이상의 결과로부터 본 전기기관차의 차체는 설계사양서 및 철도안전법 상의 충돌 기준을 충분히 확 보하고 있는 것으로 판단된다.
