Study on the Structural Strength of Deep Well Rail Car in Railway Applications

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철도적용에서 곡형차량의 구조강도에 관한 연구

윤성철^1,, 김정국¹ Sung Cheol Yoon^1, and Jeongguk Kim¹

1 한국철도기술연구원 신교통연구본부 (New Transportation Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-31-460-5512 Manuscript received: 2015.8.20. / Revised: 2016.2.17. / Accepted: 2016.2.23.

Stress tests were conducted in the carbody of the railroad car to check the structural strength of the body of the railroad car. The objective of this study was to evaluate safety of the carbody of a railroad car under the maximal strength. The carbody of rolling stock is a principal structure that supports major equipment of the underframe and the freight. Therefore, the strength evaluation of this structure is important. This study was carried out to analyze the structure of carbody and evaluate safety under maximum vertical load, compressive load, and torsional load. Accordingly, stress tests were conducted on the carbody to measure the stress on each of their parts. Before the load test, a structural-analysis program was used for the stress distribution analysis of the body structure.

KEYWORDS: Stress analysis (응력해석), Stress test (응력시험), Natural frequency (고유진동수), Displacement (변위)

1. 서론

최근에 국내에서 철도를 이용한 화물수송은 다 른 교통수단인 도로에 의한 차량수송과 비교하여 시간적인 측면에서 정시성이 있고 화물을 대량으 로 수송할 수 있어 편리하다고 할 수 있다. 본 연 구의 차량은 특수차량을 수송하기 위해 SM490YA, SM490A와 SS400으로 설계 제작되었다. 본 연구의 필요성은 곡형차량 설계시 준수하여야 할 제작설 명서의 일반사항, 주요제원, 사용조건, 기술사항, 용접 등의 요구조건을 만족하도록 설계하였으며, 제작된 신규차량의 영업운행 시행전 차량의 안전 성 검증을 위하여 차량의 구조설계 및 제작상태를 확인하는 것이다. 철도차량 전동차 차체에 대한

연구는 스테인리스 또는 알루미늄 적용 차체에 대 한 연구^1,2가 있으며,^3,4 철도차량의 차체에 대한 연 구는 용접구조용 압연강재 (Rolled Steels for Welded Structure) 적용 차체에 대한 연구⁵가 있다. 특수차 량을 수송하기 위해 제작된 차량 언더프레임의 제 작상태를 확인하기 위해 차체시험을 실시하고자 한다. 차체시험을 실시하여 응력, 변위 등을 측정 하고 차체의 강도 및 강성을 확인하여 차체의 안 전성을 평가하고자 한다. 본 연구의 곡형차량 모 델은 차체길이 20,530 mm, 폭 3,180 mm, 차체높이 단부 1,150 mm, Depressed 700 mm 이며 운행 최고 속도는 90 km/h 이다.

차량의 제원을 살펴보면 대차중심간 거리 15,740 mm 이며 차량의 중량으로는 자중 48,780 kg, 적재중 __________

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량 60,000 kg, 대차중량은 2 set에 14,690 kg 이다.

차량 재질의 특성은 Table 1에서 알 수 있다.

2. 차체의 구조해석

구조해석은 상용 유한요소 해석 프로그램 인 ANSYS V12를 이용하여 모델링과 해석을 수행 하였다. 해석모델은 차폭방향과 길이방향을 고 려하여 1/4을 모델링하였으며, 모델에 사용된 요 소는 쉘 및 솔리드 요소를 사용하였다. 메쉬에서 사용된 절점수는 134,606개이며 요소수는 70,328 개이다.

차체재질의 물성치는 Table 2에서, 구속조건과 하중조건은 Tables 3과 4에서 알 수 있으며 접촉조 건은 Bolster의 센터피봇에 더미센터 플레이트를

형성하여 Rough Contact (X축 free, Y축 free, Z축 free) 조건을 부여하였다.

3. 차체의 정하중시험 3.1 시험장비

시험에 사용된 장비는 구체 지지용 Vertical Jig, 압축 하중용 Compression Jig, 3점 지지용 3점 지지 Jig, 비틀림 지지용 비틀림 Jig, 응력측정용 Universal Digital Strain Measuring System, Multi-Channel Automatic Scanner, 하중 측정용 Load Cell, 진동수 측정용 가속도계, 변위 측정용 Dial Gauge, 압축 하중용 Hydraulic Pump와 Oil Jack를 사용하였다.

3.2 스트레인게이지 취부

곡형차량 (Deep Well Rail Car) 구조체는 전후 좌 우방향으로 대칭이므로 1/4영역에서 구조해석을 참 고하여 응력집중이 예상되는 지점에 50개의 Strain Gage를 취부하여 총 50 Channel의 Bridge 회로를 구성하였다. 부착된 Gage의 취부 위치는 Figs. 1와 2에 표시하였다.

3.3 다이얼게이지 설치

다이얼게이지를 사이드실에 길이방향으로 가능 Table 1 The features of the materials for the deep well

rail car

Material Yield stress (MPa)

SM490YA 362 SM490A 323

SS400 245

Table 2 Physical character of the materials Type Unit Standard Remarks Poisson ratio - 0.3

Elastic coefficient Pa 2E+11

Density kg/m³ 7,850

Bulk modulus Pa 1.6667E+11 Shear modulus Pa 7.6923E+10

Yield point MPa 362

Table 3 Constraint condition Type Bolster 3 points

Fixed axis bolster

Torsional load axis bolster Vertical

load

X axis free Y axis free Z axis fix

- - -

Compres- sive load

- - -

3-point support -

- -

Torsional

load - -

X axis fix Y axis fix Z axis fix

Table 4 Load condition

unit: kg

Type Load Remarks

Vertical load

Body weight vertical load

Live load 12,447 34,090 78,000

Compres- Sive load

Vertical load

Coupler compressive

load 2,220 34,090 220,000

3-Point support

Vertical load

-

2,220 34,090 -

Torsional load

Bolster fixed

load

Torsional load 34,090 50,000 2,500

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한 등간격으로 설치하고, 지지점인 Bolster, Cross beam 등 구조체의 변형모드가 변곡점이 되는 부분 에 설치한다. 갯수는 한쪽 Side Sill에 5개씩 총 10 개를 양쪽에 설치하였다.

3.4 굽힘 고유진동수 측정

구조체의 수직방향 지지는 전후대차의 Center Pivot 위치의 2개소에 지지되고 유압실린더에 가까 운쪽은 U-Type Roller로, 압축지그에 가까운 쪽은 V-Type Roller로 지지한 후 가상의 Bolster 자리를 지지하고, 차체중심에 진동이 가능한 하중 약 1톤 을 가한 후 순간적으로 제거한다. 이때 발생하는 굽힘고유진동수 측정시험은 공차상태의 하중조건 에 대해서 실시한다. 시험절차는 구조체를 수직하 중시험과 동일하게 지지하며, 가속도계를 사이드 실에 부착하고 측정장치를 연결한 후 하중을 차체 중심에 가한 후 순간적으로 제거한다. 이때 발생 하는 굽힘고유진동수를 측정한다.

Table 5 Evaluation standards Segment Measured

values Evaluation standards Vertical

load test

Strength Within the yield strength of the material Deflection Less than 52 Compressive

load test Strength Within the yield strength of the material Composite

load test Strength Within the yield strength of the material 3-point

support test Strength Within the yield strength of the material Torsional

load test Strength Within the yield strength of the material Bending natural

frequency measurement

frequency More than 10.0 Hz Torsional natural

frequency measurement

frequency -

3.5 비틀림 고유진동수 측정

한쪽의 Bolster 중심선상의 2개소를 지지대로 지 지한 후 고정 프레임으로 고정하고 (중량물을 부하 하여 고정) 반대편 구조체의 Bolster 중심위치에 나 이프에지로 지지대를 지지한 후 지지점 부근에 하 중을 부하한 후 가상의 중량물로 Bolster 자리를 고 정하고, 반대측 Bolster 측면에 진동이 가능한 하중 약 1톤을 가한 후 순간적으로 제거하여 이때 발생 하는 비틀림 고유진동수 측정시험은 공차상태의 하 중조건에 대해서 실시한다. 시험절차는 구조체를 비 틀림 하중시험과 동일하게 지지하며, 가속도계를 사 이드실에 부착하고 측정장치를 연결한 후 하중을 Bolster 측면에 부과한 후 순간적으로 제거한다. 이 때 발생하는 비틀림 고유진동수를 측정한다.

위의 평가기준은 국토해양부에서 고시하여 국 내에서 2005년부터 철도차량의 안전운행을 위해 적용되고 있는 철도안전법, 철도차량 안전기준에 관한 지침, 하중조건의 하중종류, 하중기준을 시험 에 적용하였다.

3.6 평가기준

차체의 언더프레임은 구조용강판인 SM490YA, SM490A와 SS400로 제작되어 있다. 수직하중, 압 축하중, 조합하중, 3점 지지, 비틀림하중 작용시 평 가기준은 측정한 응력값이 재질의 항복강도 이내 이어야 하며, 처짐량은 캠버량 이내, 굽힘 고유진 동수는 10.0 Hz 이상 이어야 한다.

Fig. 1 Strain gage attachment location

Fig. 2 Strain gage attachment location

(4)

3.7 시험방법^6-8 3.7.1 수직하중시험

구조체의 수직방향 지지는 전후대차의 Center Pivot 위치의 2개소에 지지되고 유압실린더에 가까운쪽 은 U-Type Roller로, 압축지그에 가까운 쪽은 V-Type Roller로 지지한다.

Vertical Load

(Carbody Weight) x (1.0g Dynamic Load Factor) Bare Frame Weight

34,090 x1.3 31,870 12,447 kg

= +

−

= − =

(1)

Loading Weight

Loading Weight x (1.0g Dynamic Load Factor) 60,000 x1.3 78,000 kg

= +

= =

(2)

3.7.2 압축하중시험

양차단의 연결기 부착 위치에 시험용 압축지그 를 설치하고, 한쪽은 압축지그로 고정하고, 다른한 쪽은 유압실린더를 부착하여 이곳에 압축하중을 부과한다.

Vertical Load

(Tare Weight Bogie Weight Bare Frame Weight) (48,780 14,690 31,870) 2,220 kg

= − −

= − − =

(3) Compressive Load

220,000 kg

= (4)

3.7.3 3 점지지시험

구조체 지지방법은 Bolster 부근의 쟈키 받침대 4개소를 정점으로 로드셀로 수평으로 지지하고 그 4개 지지점중 한 개의 로드셀 아래에 쟈키를 설치 한다. 구조체의 4 점중에 유압쟈키를 설치한 1개 지지점을 하강시켜 3점지지로 한다. 이에 대한 시 험장치도는 Fig. 3에 나타내었다.

Uniformly Distributed Load

(Carbody Weight Bare Frame Weight) (34,090 31,870) 2,220 kg

= −

= − =

(5)

3.7.4 비틀림하중시험

한쪽의 Bolster 중심선상의 2개소를 지지대로 지지 한 후 고정 프레임으로 고정하고 (중량물을 부하하여 고정) 반대편 구조체의 Bolster 중심위치에 나이프에지

로 지지대를 지지한 후 지지점 부근에 하중을 부하한 다. 이에 대한 시험장치도는 Fig. 4에 나타내었다.

Fixed Load 50,000 kg

= (6)

Torsional Load 3,978 kgf m

= ⋅ (7)

3.7.5 처짐량 측정

처짐량은 다이얼게이지를 길이방향으로 사이드 실에 설치하여 수직하중과 압축하중시 중앙점과 좌우 끝단에서 처짐량을 측정한다.

3.7.6 굽힘 고유진동수 측정

구조체의 수직방향 지지는 전후대차의 Center Pivot 위치의 2개소에 지지되고 한쪽은 U-Type Roller 로, 다른쪽은 V-Type Roller로 지지하고 차량의 중 앙부분에 1톤의 부하를 가하고 순간적으로 부하를 제거하여 구조체에 자유진동을 발생시킨다.

3.7.7 비틀림 고유진동수 측정

비틀림하중시험의 구조체지지 방법과 동일한 방법으로 지지하고 차량의 Bolster 측면 부분에 1 톤의 부하를 가하고 순간적으로 부하를 제거하여 구조체에 자유진동을 발생시킨다.

Fig. 3 3-Point support test structure support method

Fig. 4 Torsional load test structure support method

(5)

Fig. 5 Stress diagram of vertical load

Fig. 6 Stress diagram of compressive load 4. 구조해석 결과

구조해석결과 최대응력은 수직하중시 하부곡선 부 시작부위에서, 압축하중시 Center Sill Stopper 부 위에서 발생하였다. Figs. 5와 6은 수직하중시와 압 축하중시의 구조해석결과를 보여주고 있다.

Fig. 7 Flow chart of vertical load test

일반적인 구조해석에서 모서리부분에 부분적으 로 응력이 집중되어 과도한 응력값을 나타내지만, 전체구조에서는 강도에 영향을 미치는 부분이 아 니므로 무시하는 부분이 발생하는데 이를 특이해 라 하며, 구조의 강도검토에서는 특이해를 제외한 부분의 최대강도를 적용한다.

5. 하중시험 결과^9,10 5.1 수직하중시험

시험하중은 90.5톤 (전체 등분포 12.5톤, 중앙 부위 78톤)이며 하중을 단계별로 부가하였다. 전체 등분포 하중은 0톤, 12.5톤을 가하고 중앙 부위 (Depressed) 등분포 하중은 0톤, 30톤, 45톤, 60톤, 78 톤, 0톤의 시험하중을 가한 후 응력 계측장비로 응 력을 저장하고, 설치된 Dial Gauge 로 부터 변위량 을 측정한다. Table 6과 같이 최대응력은 Center Sill Bottom Plate 부위에서 발생하였다.

Bolster 는 차량의 프레임으로 대차를 취부하 는 부분의 횡방향의 부재로 차체 전체의 질량 및 차체에 부하되는 하중을 지지하고 대차에 전달하 기 위해 강성이 높은 대형의 부재가 이용 된다.

Cross Beam은 센터실과 사이드실을 횡방향으로 가로질러서 설치되는 부재이다. Center Pivot 는 대 차와 차체와의 결합부로서 대차의 회전중심이 되 며, 수직하중 및 수평력 또는 수평력만을 전달하 는 것이다.

(6)

Fig. 8 Flow chart of compressive load test 5.2 압축하중시험

시험하중은 수직하중 2.3톤과 압축하중 220톤 이며 하중을 단계별로 부가하였다. 전체 등분포 하중 0톤, 2.3톤을 가한 후 압축하중 0톤, 50톤, 100톤, 150톤, 200톤, 220톤, 0톤의 시험하중을 가한 후 응력 계측장비로 응력을 저장하고, Table 6과 같이 최대응력은 Bolster Bottom Plate 부위에서 발 생하였다.

5.3 3 점지지시험

시험하중은 전체 등분포 하중을 부가하였다.

전체 등분포 하중 0톤, 2.3톤의 시험하중을 가한 후 4점 지지점중에 1개 지지점의 유압쟈키를 하강 시킨다. 이때 응력 계측장비로 응력을 저장한다.

Table 6과 같이 최대응력은 Middle Sill Bottom Plate 부위에서 발생하였다.

Fig. 9 A Picture of a deep well rail car being tested

Fig. 10 A Picture of a deep well rail car 5.4 비틀림하중시험

시험하중은 Frame 고정용 하중을 부가하였다.

Frame 고정용 하중 0톤, 50톤을 가한 후 비틀림 모 우멘트 3,978 kgf·m의 비틀림 모우멘트 하중을 가 한다. 이때 응력 계측장비로 응력을 저장한다.

Table 6과 같이 최대응력은 Center Sill Bottom Plate 부위에서 발생하였다.

5.5 합성응력 산출

수직하중과 압축하중이 동시에 작용한다고 가 정하고 이때, 발생한 응력이 재질의 항복응력을 Table 6 The results of the stress tests

Item Measured maximal value Standard (MPa)

The area where the maximal value occurred Tension Compression

Strength (MPa)

Vertical load 131.6 -41.6 Less than 362.9 Center sill bottom plate Compressive load 30.6 -148.7 Less than 362.9 Bolster bottom plate

Composite load 88.7 -148.7 Less than 362.9 Bolster bottom plate 3-point support 1.8 -1.4 Less than 362.9 Middle sill bottom plate

Torsional load 13.7 -7.6 Less than 362.9 Center sill bottom plate Deflection (mm) Vertical load 36.8 Less than 52 Deflection at the center point

Bending natural frequency 13.0 More than 10.0 Torsional natural frequency 15.0 -

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초과하는지 여부를 검토하였으며, 이를 위하여 수 직하중과 수평압축하중의 시험데이터에 근거한 응 력을 중첩시켜 합성응력을 산출하였다. 최대응력 값은 Table 6과 같이 항복응력이내에 있음을 알 수 있다.

5.6 처짐량

처짐량은 수직하중시 36.8 mm가 발생하였으며 캠버량의 기준치 52 mm 이내에 있음을 알 수 있다.

5.7 굽힘 고유진동수 측정

굽힘 고유진동수 측정결과 13.0 Hz로 측정되어 기준치 10.0 Hz 이상임을 알 수 있다.

5.8 비틀림 고유진동수 측정

비틀림 고유진동수 측정결과 15.0 Hz로 측정되 었다.

6. 시험과 해석결과 비교

구조해석과 하중시험의 하중조건별 최대응력을 비교한 결과 Table 7과 같은 결과를 얻었다.

각각의 하중조건에서 수직하중, 압축하중, 3점지 지의 경우 시험값과 해석값의 오차가 13-28% 정도 이었으며, 압축하중의 경우 해석과 시험결과 위치가 상이하여 원인을 분석하니 해석시 고응력 발생부위 에 시험용 연결기가 조립되어 있어 그위치에 스트 레인게이지를 부착할 수 없었다. 5ch의 경우 Fig.

11과 같이 시험값과 유사한 경향을 보이며, Stopper 부위의 응력은 앞에서 언급한 특이해로 간주되고, 비틀림하중의 경우 50% 정도로 나타났다.

오차가 큰 경우는 향후과제로서 보다 정확한 해석을 위해서 해석 메쉬를 작게 모델링하여 해석 한 후 추가 검증이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 11 Stress diagram of compressive load 7. 결론

수직하중, 압축하중, 3점지지, 비틀림하중 시험 결과 곡형차량 (Deep Well Rail Car) 구조체는 최대 하중에서 발생하는 응력이 모두 사용 재질의 항복 강도 이내에 존재하고 있음을 확인할 수 있었다.

수직하중 작용시 최대응력이 발생한 부위는 Center Sill Bottom Plate 에서 발생하였으며, 응력값 은 시험시 131.6 MPa (14ch)이었다. 압축하중시 발 생하는 최대응력은 Bolster Bottom Plate에서 발생하 였고 응력값은 -148.7 MPa (5ch)이었다. 수직하중과 압축하중 작용시의 응력을 이용하여 조합하중 응 력을 계산하였으며, 최대응력은 Bolster Bottom Plate 에서 -148.7 MPa (5ch)이 발생하였으며 재료의 항복 강도 이내였다. 3점지지 시험시 발생하는 최대 응 력은 Middle Sill Bottom Plate에서 발생하였고 1.8 MPa (15ch)이었다. 비틀림하중 시험시 발생하는 최 대응력은 Center Sill Bottom Plate에서 발생하였고 13.7 MPa (41ch)이었다.

수직하중 작용시 최대 처짐량은 중앙부에서 발 생하였으며 36.8 mm로서 역캠버가 발생하지 않았 으며, 굽힘 고유진동수 측정결과 13.0 Hz로서 기준 값을 만족하고 있다.

후 기

본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업의 연 구비 지원으로 수행되었습니다.

REFERENCES

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Table 7 Test and analysis results Segment Test

Results

Analysis Results

Test / Analysis

The area (MPa) Vertical

load 131.6 179.3 0.73 Center Sill Bottom Plate Compres-

sive load 148.7 130.6 1.13 Center Sill Bottom Plate 3-point

support 1.8 2.5 0.72 Middle Sill Bottom Plate Torsional

load 13.7 27.5 0.50 Center Sill Bottom Plate

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