† 교신저자, (주)진합기술연구소 E-mail : [email protected] * (주)진합기술연구소 * (주)피노키오디자인기술개발부 * (사)한국철도차량엔지니어링기술연구소 ** 한국철도대학철도차량기계과
저상고상 철도차량용 승강시스템 스텝 부품 소재의 최적화 모델 적용을
위한 특성 평가
Characterization for Applying to Optimized Model of Flatform System Step
Parts Material for Low-High Platform Railroad Vehicle
곽희만† 최정묵* 김현동* 박민흥* 김철수** Hee-Man Kwak Jung-Muk Choi Hyun-Dong Kin Min-Heung Park Chul-Su Kim
ABSTRACT
Recently, Because of weight lighting and tighten safety regulations of the railway vehicle railroad weight lighting and safety improvement technology is internationally required. Slide step for moving the passenger to high flatform in the railroad vehicle is recognized of important parts. However, Due to high price and weight, it is limited. In this research, In order to apply for railroad, it was redesigned to optimize part count and reduce the price and weight. By choosing honeycombcore as a part for enduring high weight and weight lighting, We produce honeycombpanel of sandwich structure which a different kind connected by using existing stainless(STS304)steel and thermo plasticity glue.
Finally, we can find that honeycombpanel is suitable for weight lighting and high weight. As well as, with test result, we can prove that low-high platform railway system will be optimized, if steps are applied to honeycombpanel.
초 록 최근 국제적으로 철도차량의 경량화 및 안전규제 강화에 따라 철도 경량화 및 안전도 향상 기술이 요구되고 있다.철도차량에서 고상 홈으로 승객들이 이동하기 위해 고안된 슬라이드방식의 스텝은 철도 차량에서 중요한 부품으로 인식되고 있으나 높은 단가와 중량으로 인해 적용이 제한적이다.본 연구에 서는 철도차량에 적용하기 위해 단가 및 중량을 줄이기 위한 방안으로 슬라이딩 스텝을 최적화하여 재 설계하였다.재설계한 슬라이드 방식의 스텝에 대해 해석을 통해 취약한 부분의 부품을 시험을 통해 철 도차량용 부품에 적용 가능한지 알아보고자 한다.슬라이딩 스텝에서 경량화 및 고 하중에 잘 견디기 위한 재료로 하니컴코아를 선정하여 기존의 스테인레스(STS304)과 열가소성 접착제를 이종 접합하여 샌드위치 구조의 하니컴판넬을 제작하였다.시험 결과 경량화 및 높은 하중에 견딜 수 있는 소재임을 확인 하였으며 본 시험 결과를 바탕으로 스텝들에 하니컴판넬을 적용하여 저상고상 철도차량용 승강시 스템 스텝에 최적화된 설계를 도출해 낼 수 있었다. 1.서 론 주 5일 근무제,국민소득의 증가 등 국민의 생활 의식이 다양화,고급화됨에 따라 보다 빠르고 고 급화된 교통수단에 대한 요구가 증대되고,교통약 자에 대한 배려 및 인구 고령화 추세 등의 미래 교통수요 변화에 대비하여 향후 중장거리 구간에 서 여객의 철도수송부담률을 증가시킬 수 있는 기술개발이 필요로 하게 되었다.(1) 이에 최근 도입되어 수도권 전철 경부선 및 장항 선에서 운행 중인 간선전기동차(TEC)에 저상 고 상 승강장(Flatform)겸용 승강시스템이 설치되어 운행중이나 외국 기술을 응용하여 제작된 시스템 으로서,기존 중·고속철도차량의 도입시 안전측면 에서 큰 우려를 내재하고 있다.(2)따라서 본 과 제에서는 향후 국내에 지속적으로 적용하기 위해 국내 현실에 적합한 독자적인 국산화 개발이 필 요하게 되었다.본 연구에서는 차량에서 중요한
부품으로 인식되고 있으나 높은 단가와 중량으로 인해 적용이 제한적인 슬라이딩 스텝에 Honeycomb panel을 적용하여 경량화에 성공하였 다.Honeycomb panel은 단일 부재로 된 재료나 적층 복합재료보다 높은 굽힘 강성 및 강도를 가 지며 차체의 경량화와 공간 확보에 기여할 수 있 어 최근 항공 및 우주산업 뿐만 아니라 지상운송 산업에도 많은 부분에 적용되고 있다.(3)국내에 서는 틸팅열차가 개발되어 기존 알루미늄 차체에 비해 약 20%의 경량화 효과를 갖게 되었다.철도 차량은 기존 산업에 비해 구조적 안정성이 반드 시 확보되어야 한다.(4) 그밖에 하중 및 외팔보 상태에서의 취약한 부 분에 대해서도 역학분석을 통해 최적의 스텝 설 계로 변경하였다.따라서 본 연구에서는 철도차량 에 활용이 나날이 증가하고 있는 경량화 재료인 Honeycomb panel에 대한 기계적 특성을 확보하 고자 하였으며 해석을 통한 초기 모델링의 취약 부품들에 대해 기계역학분석을 통하여 최적의 모 델링을 도출하고자 하였다.(5) 2.스텝 설계 및 역학 분석 2-1.스텝의 최초 모델링 설계 개념 저상고상 철도차량용 승강시스템의 표준화를 위 한 최초의 모델링은 다음과 같다.그림 1에서 보 는바와 같이 Main flame assembly는 총 3개의 sub assembly로 나누어져 있으며,Main frame assembly은 STS304를 사용하여 Sheet metal Design Tool을 활용한 설계로 진행하였다.Main frame이 4파트로 나뉘어져 제작상의 치수관리가 쉽고 전용 Jig를 이용하여 용접하는 형태로 제작 되었다.
그림1.MainFlameAssembly
그림2의 1단 RampAssembly는 총 9개의 sub
assembly로 나누어져 있으며, 메인 슬라이더는 STS 304를 사용하여 SheetMetalDesign Tool 활용한 설계를 진행하였으며,리니어 부싱이 안착 되는 보스는 A 7075(초강듀랄루민)을 사용하여 설계하여 타이밍벨트의 자동장력조절장치와 전동 엔진과의 호환성을 극대화 하였다.
그림2.1단 RampAssembly
그림3에서 2단 Ramp Assembly는 총 6 개의 sub assembly로 나누어져 있으며,2개의 대칭형 시저 링크와과 1개소의 유압실린더에 의해 작동 되는 파트이다. 가장 부하가 큰 부품 소재는 SCM415를 열처리 하도록 설계 하여 강인성을 부 여하였으며,그 밖의 부품은 국부열처리를 할 수 있도록 설계하였다. 그림3.2단 RampAssembly 2-2.스텝 제작 방법 저상고상승강 겸용 시스템 스텝 부품별 강도에 따라 소재를 선정하여 스텝 제작에 유의하였다. 도표1.은 스텝 제작에 쓰인 소재들로 적용된 부품 들을 기재하였다.
구 분 1 2 3 SS41 CoveFrontr Hinge MAIN FRAME Front Cover BELT GripJoint Al6061 Main Floor Side Beam 1stStep Side Beam 2ndSTEP SideBeam SM45C 2ndStCamep Plate PULLEY Pin Crossbeam STS304 Main Frame SIDE Bracket Top 1STEP Under Frame 구 분 인장강도 항복강도 연신율 SS41 450Mpa 245Mpa 21% Al6061 216Mpa 69Mpa 20% SM45C 700Mpa 500Mpa 17% STS304 597Mpa 215Mpa 50% 도표1.스텝에 사용된 소재별 부품 적용부 각 소재들의 기계적 특성값을 고려하여 스텝 부품을 가공하여 제작하였다. 도표2는 스텝에 제작된 소재들의 기계적 특성 값을 나타낸 것이다. 도표2.스텝에 적용된 소재별 기계적 특성 각 부품들을 가공 후 열처리 한 후 스텝에 적 용하였으며,제작 후 해석을 통해 설계 취약부분 을 파악하였다. 2-3.스텝 취약부품 역학분석 본 절에서는 스텝 부품에 대해 역학분석 및 스 텝 부품 시험을 통해 해석에 의해 나타난 취약부 분에 대한 취약 설계부분을 최적의 설계로 대체 하기 위한 결과물 들이다.
2-3-1.StaticAnalysis:2ndStepFloor 정역학 분석의 대상은 가장 가혹한 하중 조건 일 때로 하여 2차 발판이 고상 홈에 도킹하기 직 전 하중이 적용되었을 때로 하였다. 그림에 도시된 바와 같이 2차 발판의 가장 끝 단에 FPassanger가 주어졌을 때의 역학 조건을 단순 화하면 그림4의 형태와 같다. 그림4.2차 발판 하중조건 그림5.2차발판의 정적 하중분포 이와 같은 구조에서 2차 발판을 중심으로 정적 인 하중 분포(그림5)를 살펴 보면 FPassanger이외에 FPin과 FRoller의 세 가지 힘이 각각의 모멘트 팔의 길이에 따라 다음과 같이 평형된 상태로 정리할 수 있다. 그림6에서 FPin은 Carrier Plate와 연결되는 힌 지 핀에서 주어지는 반력이며 FRoller는 크로스빔에 서 2차 발판의 진출을 위한 구름 롤러에서 주어 지는 반력이다. 그림6.2차발판의 힘의 모멘트 평형조건 ; ∑F=0, FRoller=FPin+FPassanger FRoller=FPassanger(l1+l2)/l1 ∑M=0 FPin× l1=FPassanger× l2, FPin=FPassanger× l2/l1 목업 제품 하중 : FPassanger=4kN(400kg),l1=80,l2=370인 경우
FRoller=2,250(kg) FPin=1,850(kg) 구조 개선 제품 하중 ; FPassanger=4kN(400kg),l1=149,l2=370인 경우 FRoller=1,393(kg)약 38% 하중감소 FPin=993(kg)약 46% 하중감소
2-3-2.StaticAnalysis:CarrierPlate
2차 발판에 주어지는 하중을 직접적으로 지지 해주면서 2차 발판의 진출과 복귀 운동을 담당하 고 있는 CarrierPlate의 정적 하중 평형 상태는 그림7과 같다. 그림7.CarrierPlate의 정적 하중분포 그림8.CarrierPlate의 힘의 모멘트 그림8에 도시된 상태에서 보았을 때 Carrier Plate 오른쪽 끝단에 FPin이 적용되었을 경우 CarrierPlate에 작용하는 반력은 앞열 LM블럭에 의한 반력 FLM1과 뒷열 LM블럭에 의한 반력 FLM2이다.이러한 반력들을 모멘트 팔 길이에 따 라 정리하자면 다음과 같다. 경계조건 ; FPin=993kg l1=100(mm) l2=30 평형조건 ; ∑F=0 FLM1=FPin+FLM2, FLM1=FPin(l1+l2)/l1 ∑M=0 FLM2× l1=FPin× l2, FLM2=FPin× l2/l1 FLM1=1,291(kg) FLM1(Ceil)=1,049(kg)
18.75% loadreducebyCeilRoller
FLM2=298(kg)
FLM2(Ceil)=242(kg)
18.75% loadreducebyCeilRoller
Carrier Plate에 전달되는 하중(FPin)이 Ceil Roller에 의해 감소됨을 알 수 있었다.즉 Pin의 전단면 기준 약 81.25%로 감소되었다. 따라서,앞열 LM블럭 1EA당 작용 하중은 646kg 이며 정격정하중 약 1,700kg 이내에 있고 뒷열 LM블럭 1EA당 작용 하중은 149kg으로 정격정하 중 약 1,700kg 이내에 있다.또한 하중 분산을 위 한 CeilRoller가 하중을 분산시킬 경우 앞열 LM 블럭의 1EA당 작용 하중은 525kg,뒷열 LM블럭 1EA당 작용 하중은 121kg이다.
2-3-3.Cam AngleAnalysis
그림9.Cam AngleAnalysis
캠각이란 그림9에서 보는바와 같이 2차 발판이 고상홈에 도달할 시 객차와 홈 양단에 발판이 안 착되도록 2차 발판의 진출 경사각을 조절하기 위 한 각도이다. 경계조건 ; α =3.5(deg) l1=59(mm) l1+l2≒ 519 l2=460(2차 발판 행정거리) h2=28
기하학적 조건 ; h1=h2× l1/(l1+l2) h1=3.2(mm)(2차발판 하강을 위한 캠 각도) h1=4(mm)이면 → α =3.9(deg)까지 확보 h2=28~35mm 까지 하강 가능 따라서 캠각 조절을 위한 2차 발판 밑면의 캠 플레이트의 두께는 4mm가 적당함을 알 수 있다.
2-3-4.ElectricMotorAnalysis
2차 발판의 진출 및 복귀 행정용 전동 모터의 회전력 평형 상태를 그림 10과 11에 나타냈으며 그 가정식은 다음과 같이 정리할 수 있다.
그림10.ElectricMotorAnalysis
경계조건 ; dPulley=26mm α =3.5(deg),l1=59mm mg≒ 23kg,l2=230mm 평형조건 ; 그림11.전동 모터의 회전력 평형조건 ∑F=0 FRoller× cos(α)=FPin+mg, FMotor=FRoller× sin(α) ∑M=0 FRoller× cos(α)×l1=mg× (l1+l2) FMotor=TMotor× 2/dPulley FRoller=113(kg) FMotor=6.9(kg) TMotor= 90kg-mm =90N-cm
(※ DunkerMotor:500N-cm)
3.스텝의 해석 및 Honeycomb Panel시험 결과
3-1.스텝 해석
다음은 스텝 모델링에 FEA simulation을 통해 모델링의 취약한 부위를 나타낸 것이다. 그림 (a)는 해석결과 Hinge부위에서 최대응력 이 650Mpa,그림 (b)는 Belt연결부에서 최대응 력이 632Mpa,그림(c)1차 step부에서는 446Mpa 의 최대응력이 나타났으며,그림(d)는 베어링부에 345Mpa의 최대응력이 작용하는 것을 해석을 통 해 알 수 있었다. (a)Hinge부 최대응력 분포 (b)Belt연결부 최대응력 분포 (c)1차 step부 응력 분포
(d)베어링부 최대응력 분포
그림12.AnalysismodelforFEA simulation:
3-2.HoneycombMechanicalProperty
그림13에서 보는바와 같이 하니컴 코어는 육각 형의 벌집형태의 구조로 구조로 건축용 하니컴 판넬 뿐만 아니라 중량비 강성,즉 경량화가 요구 되면서 강성이 필요로 하는 모든 산업분야 전반 에 걸쳐 그 응용분야를 가지고 있는 첨단 소재분 야의 기초재이다.1/4"픽셀을 가지는 Honeycomb Core와 STS304을 Bonding재로 압착하여 저상고 상승강 시스템의 스텝에 적용 가능한 판재를 제 작하였다.
그림13.HoneycombCore의 형상
3-3.HoneycombPanelTest
본 절에서는 저상고상 승강 시스템의 스텝의
그림14.3PointBendingTest전
발판으로 고려되고 있는 HoneycombPanel에 대한 3PointBendingTest및 Compression test의 실험 방법 및 데이터 값이다.
3-3-1.3PointBendingTest
저상고상 승강시스템에 적용하고자 하는
Honeycombpanel은 그림13의 소재에 STS304을 Bonding하여 제작하였다.
3pointbendingtest은 ASTM C393기준에 따라 수행하였으며 Instron장비로 변위제어는
5mm/min,Extention40mm로 설정하였으며,변위 측정은 하중 시험기에서 나오는 변위 데이터로 측정하였다.5개의 시편을 시험하여 최대값과 최저값을 제외한 나머지값의 평균값을 구하였다.
그림 14와 15는 3pointbending test전과 test 후를 보여주고 있다.
Honeycomb+STS304 3Point Bending Test 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 10 20 30 40 50 Displacement(mm) L o a d (k N )
그림16.3PointBendingTest
3PointBending시 Displacement6mm에서 최대하중 3.02kN을 나타내고 있으며,그림 16의 Graph에서 보는바와 같이 최대하중 값 이후 하중값이 작아지는 것은 Bondig부의 접촉면이 떨어지는 현상때문이라는 것을 알 수 있었다. 3-3-2.CompressionTest
Compressiontest은 ASTM C365기준에 의거하였다. 시험은 Instron장비로 변위제어 5mm/min, Extention15mm로 설정하였으며,변위 측정은 하중 시험기에서 나오는 변위 데이터로 측정하였다.5개의 시편을 시험하여 최대값과 최저값을 제외한 나머지값의 평균값을 구하였다. 그림 17와 18는 CompressionTest전과 Test 후를 보여주고 있다. 그림17.CompressionTest전 그림18.CompressionTest후
Honeycomb+STS304 Compression Test
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Displacement(mm) L o a d (k N ) 그림19.CompressionTest CompressionTest시 Displacement0.4mm에서 최대하중 13.7kN을 나타내고 있다. 4.결 론 본 논문은 현재 진행중인 저상고상승강 시스템 스텝에 경량화 및 최적의 설계를 도출하고자 역학적 분석과 소재에 대한 시험을 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1)높이 85mm 이내의 공간에 3단의 발판이 승객의 탑승을 보조할 수 있는 텔레스코픽 방식의 승강시스템을 설계할 수 있다. 2)객차의 프레임을 손상하지 않고 기존 열차에
탑재하여 고상홈에서의 탑승을 도모할 수 있는 승강시스템의 설계가 가능하였다. 3)발판의 경량화를 통해 85mm 두께의 제약된 승강시스템 공간 내에 1차 발판과 2차 발판의 진출/복귀 행정을 구동할 수 있는 동력장치의 선정이 가능하였다.
4)3PointBending시 Displacement6mm에서 최대하중 3.02kN을 나타내고 있으며,최대하중 값 이후 하중값이 작아지는 것은 Bondig부의 접촉면이 떨어지는 현상때문이라는 것을 알 수 있었다. 5)CompressionTest시 Displacement0.4mm에서 최대하중 13.7kN을 나타내고 있다. 참고문헌
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