† 교신저자, 연세대학교 기계공학과/한국철도기술연구원, 차세대고속철도사업단 E-mail : [email protected]
* 한국철도기술연구원, 차세대고속철도사업단
차세대 고속열차용 대차프레임의 건전성 모니터링을 위한 실험적 연구
A Experimental Study for Health Monitoring of Bogie Frame for Next
Generation High-Speed Train
고재하† 김상수* 최성훈* 김석원* 전흥재**
Jae-Ha Ko Sang-Soo Kim Sunghoon Choi Seog won Kim Heoung-Jae Chun
ABSTRACT
The bogie is one of the most important components in a railway vehicle. So a lot of study has been carried out for safety and reliability of the bogie frame in experimental and simulation. In this paper, Presents an experimental study on health monitoring of next generation high-speed train bogie frame. The ultimate objective of this paper is to estimate the sensor located for health monitoring of bogie. The result from this study might be used essential data in order to construct the next generation high speed train bogie frame health monitoring.
1. 서론 철도차량용 대차프레임은 대차시스템의 핵심부품으로서 차체의 하중을 지지하고, 승객 및 차량의 안전, 주 행성능 및 승차감에 지대한 영향을 미치는 핵심 구조물이다. 대차의 구조물이라 할 수 있는 대차프레임은 형 상이 복잡하고 하중을 직접 지지할 뿐만 아니라, 하중조건도 정적 및 동적하중이 복잡하게 작용하고 있다. 최근 철도의 속도향상으로 철도시스템의 주행 안전성에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이와 관련하여 시스 템의 안전성, 고속주행성능, 유지보수의 효율성 등이 중요한 인자가 되고 있다. 철도 분야에서도 철도차량의 시스템의 유지보수와 관련하여, 차량 제작이나 운행 중에 형성된 결함 또는 손상의 조기 검출 및 관리를 위 한 건전성 평가기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 이에 따른 건전성 평가가 반드시 이루어져야 한다. 차세대 고속철도사업단 에서는 한국 최초로 400km/h급 분산형 고속열차를 개발 중에 있으며, 시운전 계획 에 있다. 분산형 고속철도의 본선 시운전 시 대차의 건전성 평가를 위해 FBG(Fiber Bragg Grating)센서를 통한 건전성평가 시스템이 구축 될 예정이며, 시스템 구축을 위해서 전기식센서를 대체한 FBG센서의 사용 타당성을 검토 및 전성 평가를 위한 하중 및 구조해석데이터를 통해 센서의 측정위치에 대한 선정이 있었다. 대차의 피로 및 응력해석을 통해 대차프레임에 대한 구조해석을 실시 취약 부를 도출 하였고, 해석된 데이터 를 통하여 건전성평가를 위한 센서의 위치를 선정하였으며, 스트레인게이지 센서를 이용한 취약부위 변형률 측정 실험을 하였다. 2. 본론 2.1 대차프레임의 정규모드해석 및 가속도계 위치도출
정규모드해석(Normal modal analysis)을 이용하여 모재부와 용접대차프레임의 고유진동수를 검토하였다. 이는 용접대차프레임의 유한 요소 망에 대한 검증을 위한 연구로서, 해석에 입력된 재질의 탄성계수(elastic modulus)는 207GPa이고, 프아송비(poisson`s ratio)는 0.29이다. 요소망 모델링 및 전후처리과정은 요소망 생성 전용소프트웨어인 MSC.PATRAN을 사용하였으며, 정규모드해석은 MSC.NASTRAN을 사용하였다. 모드 별 대차프레임의 고유진동수 해석 결과는 1차에서 5차까지의 고유진동수는 30~89Hz로 나타났다.
그림 1의 모드해석 결과로부터 각 사이드 프레임의 액슬부에서 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이로부터 가속도계의 위치는 액슬부 위치에 치부하는 것이 합리적이며, 1개 대차프레임에 가속도계의 취적위치는 좌우
의 가속도 차이를 고려하여 대차사이드 프레임 끝단에 대각선 방향으로 x,y,z 총 6개를 치부하는 것이 타당 하다는 결론을 도출하였다.1 그림 1. 모드변화에 따른 대차프레임의 고유진동수 (1-5차) 2.2 대차프레임의 응력 및 피로해석 대차 안전 모니터링 평가를 위하여 EN규격 피로 하중하에서 연속용접부기법에 준한 단축피로해석과 EN규격 피로 하중하에서 용접부를 고려한 E2S2범위에 따른 다축피로해석을 각각 수행하였다. 다축피로 해석의 경우, 각각의 이론식에 따른 대차프레임의 내구수명은 다르게 평가되지만 취약부 위치는 대부분 동일하게 나타났다. 그림2는 EN규격 리그시험 하중이력하에서 피로해석 결과에 따른 취약부위 이며, 단 축 피로해석 결과에 따른 취약부위인 Stopper Bracket 부근은 따로 표시하였다. 안전성 모니터링을 위 해 부착되어야 할 취약부의 위치는 그림2에 붉은색으로 나타내었다. 해석의 결과로부터 대차프레임의 취약부 위치는 그림2와 같으며, 고속철도차량 대차의 안전모니터링을 위한 대차프레임의 변형률게이지 취적위치는 Stopper Bracket부근에 좌우측에 2쌍의 3축 로제트 변형률게이지를 대각선으로 우선 순위 적으로 설치되어야 하며, 여유에 따라 추가적으로 취약부위에 설치되어야 한다고 사료된다.3
그림 2. 대차프레임의 취약부 2.3 대차프레임의 변형률 측정 실험에 사용된 대차프레임의 재질구성과 형상은 그림 3과 같으며 재질의 기계적 성질은 표 1에 제시 하였다. SM490BP 가 주로 사용되며 인장강도는 490MPa, 항복강도는 365MPa 이다. 계측은 피로 시험 3단계 하중조건에서 계측되었으며, 피로 하중은 UIC Code615-4의 절차에 따라 3단계로 나뉘어서 진 행된다. 초기 600만회 까지는 100%의 피로하중을 재하하고, 이후 200만회 마다 20%를 증가한 하중을 재하하게 된다.4 3단계 하중조건은 상하 정하중 요소 100%, 준정하중 요소와 동하중 요소는 140%로 증대하여 적용되게 된다. 상하 하중으로는 정하중 109,737N, 준정하중 ±15,367N, 동하중 ±30,735N을 재하하게 되며, 좌우 하중으로는 준정하중 ±52,185N, 동하중 ±52,185N 재하하게 되며 비틀림 효과로 동하중 18.2mm 나타난다. 표 1. 재질의 기계적 성질 (MPa) No. 재질 항복강도 인장강도 피로강도 비고 모재부 연삭부 용접부 1 SM490BP 365 490 155 110 70 주요강판 TRANSOM PIPE 2 ASTM-A618 345 485 135 BRACKET GUIDE 3 BS3100-A1 230 430 135
그림 3. 대차프레임의 재질 구성
변형률을 측정하기 위해서 그림 4와 같이 측정 시스템을 구성하였다. 3축 로제트 게이지 6개를 취약 부위에 부착하여 약 30분씩 계측하였다. 계측에 사용된 센서는 KYOWA사의 3축 로제트 스트레인게이 지로 Gage Factor는 2.06±1.0%이고, Gage Resistance는 120.0±0.8 이다. 1축 스트레인게이지는 Gage Factor 2.1과 Gage Resistance는 120.0 를 이용하였다. 계측 장비로는 National Instruments사의 SCXI-1600 섀시와 입력모듈인 SCXI-1520, SCXI-1314 터미널 블록을 연결하고 각 센서들의 데이터 전송 케이블을 데이터 컴퓨터에 연결하여 Signal Express2010을 이용해 계측하였다. 그림 4. 계측장비 구성 대차프레임의 변형률 측정부위는 그림 5와 같다. 구조해석 결과에 따라 취약부위에 우선적으로 부착 했으며 각 측정부위에 게이지에 대한 넘버링을 1-6번까지 표시하였다. 사이드프레임의 센서넘버 1번은 사이드프레임의 변형률을 측정하였고, 2번은 사이드프레임의 용접비드에 스트레인게이지를 부착해 용접 부위에 변형률을 측정하였다. 이는 추 후 사이드프레임 강판 부위와 용접비드부와의 변형률 차이를 알 수 있을 거라 생각된다. Stopper Bracket부근의 용접부위의 스트레인게이지를 부착하는 것은 실험상황 에 맞지 않아 용접비드와 가장 가까운 곳에 게이지를 부착하여 측정하였다.
0 50 100 150 200 250 300 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 Strain Time (s) strain_0 strain_90 strain_45 0 50 100 150 200 250 300 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 St rai n Time (s) Strain_0 Strain_90 Strain_45 (a) 1번 센서 변형률 이력 (b) 2번 센서 변형률 이력 그림 5. 변형률 측정 위치 2.4 변형률 데이터 각 부위별로 취득한 변형률데이터는 그림 6과 같다. 30분간 측정된 변형률은 피로하중 조건 특성상 반복 하중이 가해지므로 약 300초가량의 데이터를 분리해서 표시하였다. 측정된 변형률은 noise를 제거 하기 위해 0.5초 단위로 150개의 평균데이터의 평균값을 취했으며, 각각 축 방향에 따라 3 가지의 변형 률이 나타나게 된다. 사이드 프레임에서 측정된 변형률은 종방향 과 횡방향의 변형률이 큰 값을 나타냈 으며 이는 모드해석과 관련하여 종 방향과 횡 방향의 모니터링을 명확히 해야 할 필요성을 나타낸다. 또한 용접비드부위에 나타난 변형률은 사이드프레임 부위와 다르게 45 부위에 변형률이 가장 뚜렷하게 나타났으며 이는 용접비드부위의 걸리는 변형률이 사이드 프레임과는 다르다는걸 알 수 있다. 피로해석 상 가장 큰 취약부위를 나타내었던 Stopper Bracket 부위에 변형률은 이번 계측에서도 다른 부위보다 가장 큰 변형률을 나타내었다. 이는 대차프레임의 가장 취약부위라고 볼 수 있으며 건전성 모니터링 시 가장 우선적으로 모니터링 해야 할 부위라고 생각할 수 있다. 마지막으로 계측 부위 3번과 6번의 변형 률은 그리 심하지 않은 걸 로 계측되었다. 이는 해석 상 가장 낮은 순위인 4순위 계측 부분이며 변형률 에서도 낮은 변형률을 나타냈다. 하지만 본선 시운전 시 대차 안전성을 위해서 여유가 될 시 계측을 해 야 할 부위로 생각된다.
0 50 100 150 200 250 300 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 St rai n Time (s) strain_0 strain_90 strain_45 0 50 100 150 200 250 300 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 St rai n Time(s) Strain_0 Strain_90 Strain_45 (c) 3번 센서 변형률 이력 (d) 4번 센서 변형률 이력 0 50 100 150 200 250 300 -2.0x10-4 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 S tr ai n Time(s) Strian_0 Strian_90 Strian_45 0 50 100 150 200 250 300 -6.0x10-4 -4.0x10-4 -2.0x10-4 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 S tr ai n Time(s) strain_0 strain_90 strain_45 (e) 5번 센서 변형률 이력 (f) 6번 센서 변형률 이력 그림 6. 측정된 변형률 이력 (1-6) 3. 결론 본 실험에서는 FBG를 이용한 고속철도용 대차프레임의 건전성 모니터링을 위하여 응력 및 피로해석 으로 도출한 취약부위에 일반 스트레인 게이지로 변형률을 미리 측정해보았다. 이를 통하여 취약 부위 에 변형률 과 사이드프레임 용접비드 부위에 변형률을 얻을 수 있었다. 또한 사이드프레임부의 변형률 과 용접비드부위에 변형률이 다르게 나타는 것을 확인하였으며 이는 용접비드부위에 변형률이 다르게 걸리며 따라서 추 후 피로 및 응력해석이나 유한요소해석에 있어서 용접비드 부위를 다르게 평가 할 수 있는 방법이 필요하다는 알 수 있었다. 응력 및 피로해석 결과에 따라 취약부위 1순위인 Stopper Bracket 부근에 가장 큰 변형률이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며 4순위는 가장 적은 변형률을 나타 내는 것을 확인 할 수 있었다. 이 번 실험을 통해서 해석을 통한 취약부위에 대한 변형률 성향을 파악 할 수 있었으며 추 후 본선 시운전 시 건전성 모니터링을 위해서 측정된 변형률을 가지고 대차의 안전 성을 파악 할 수 있는 평가방법에 대한 연구가 수행 되어야 할 것이다. 후기 본 연구는 국토해양부가 시행하는 “시스템 성능평가 기술개발”과제의 지원을 받고 있음을 밝히며 지 원에 감사드립니다.
참고문헌
1. 차세대고속철도기술개발사업 2단계 보고서 “시스템 성능평가 기술개발,” 2011.
2. EN 13749, Method of specifying the structural requirements of bogie frames, DAV2011-03-30 3. 차세대고속철도기술개발사업 2단계 보고서(공동 및 위탁과제) “시스템 성능평가 기술개발,” 2011. 4. UIC Code 615-4, Bogie frame structure strength tests, 2nd edition, 2003
