Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 8 pp. 4796-4801, 014 http://dx.doi.org/10.576/kais.014.15.8.4796 ISSN 1975-4701 / eissn 88-4688 강길현 1, 우창수, 김철수 3* 1 ( 주 ) 현대로템, 한국기계연구원 3 한국교통대학교철도차량시스템공학과 Durability Evaluation of Gangway Connections for the High Speed Railway Vehicles Gil-Hyun Kang 1, Chang-Su Woo, Chul-Su Kim 3* 1 HYUNDAI ROTEM Co., KIMM, 3 Dept. of Railway Vehicle System Engineering, KNUT 요약관절형고속철도차량의승차감향상및주행안전을위해서는객차갱웨이통로연결막에대한화재안전성, 방음기능과함께 3축회전각변위 ( 롤링 / 요잉 / 피칭 ) 모드하의내구성을만족하는것이중요하다. 그러나국내의경우본통로연결막에대한내구성시험및규격은아직표준화되지않고있다. 본연구에서는비선형구조해석결과와고무피로특성으로부터피로수명을예측하였다. 또한, 리그피로시험을구축하여본부품의내구성을검토하였다. Abstract To increase the riding comfort and running stability of articulated type high speed railway vehicles(hsrv), it is important that the gangway connections for the passenger car satisfied fire safety, sound proof and durability under triaxial angular displacement (rolling/yawing/pitching) modes. On the other hand, a domestic test standard on the durability of the rubber components has not been determined. In this study, the fatigue life was predicted using the results of the nonlinear finite element analysis and the fatigue properties. Moreover, a fatigue rig test of the component was constructed to examine the durability. Key Words : Gangway Connection, Durability, Triaxial Angular Displacement, Mixed Mode 1. 서론철도차량의통로연결막 (gangway connection) 은승객들의차량간이동을위하여객차끝단사이에설치한구성품으로서, 이의종류는차종에따라다양하다. 이중에서관절형 (articulated type) 고속철도차량의통로연결막은 Fig. 1 과같이차체갱웨이프레임사이에장착된 중주름구조의난연재고무부품이다. 본고무부품의기술적요구성능은화재안전성, 방음기능과함께주행시차량한계이내에서 3축회전각변위 (triaxial angular displacement) 모드하의내구성 (durability) 을요구한다. 뿐만아니라, 관절형철도차량의조립조건을감안한다면 이의파손에따른빈번한유지보수및교체가어려운실정이다. 그러나, 아직까지본기술인증을위한관련철도안전법및규격에서는화재안전성과기본재료특성범위만을제시하는수준이다. 따라서관절형고속철도차량의승객안전및승차감향상을위해서는고무재질의통로연결막에대한내구성평가에대한체계적인연구가중요하다. 철도차량부품의내구성또는피로해석에관한연구 [1-5] 는응력-수명접근법에준하여금속재질의차량주행장치용부품들을대상으로다양한시험및해석으로부터이의피로수명을평가하였다. 특히철도차량용고무부품기존연구 [4,5] 는재질특성 [4] 과축방향단순모드하 본논문은국토교통부산하국토교통과학기술진흥원에서미래철도기술개발사업의자유공모과제로수행되었음. * Corresponding Author : Chul-Su Kim(Korea National University of Transportation) Tel: +8-070-8855-1649 email: chalskim@ut.ac.kr Received July 11, 014 Revised August 5, 014 Accepted August 7, 014 4796
에서방진고무부품의특성평가 [5] 에국한되었다. 그러나, 본통로연결막과같이 3축회전각변위와혼합모드조건하에고무부품의내구성평가관련연구는아직까지미비한실정이다. 본연구에서는차량운행조건을고려한통로연결막의비선형구조해석결과와고무피로특성으로부터피로수명을예측하고자한다. 또한실질적인내구성평가를위하여실물리그피로시험시스템을구축함으로서피로예측수명을비교 검토하고자한다. 구형타입으로반복하중에의한이완이발생되지않고압축 / 인장변형이가능하다. 최대인장변형률발생부위가어떠한변형에도일정하게발생되도록중심부형상은타원단면형상이다. 피로시험은변위제어방식으로전기모터를이용하였고, 3개의시편을장착하여각기다른평균변위와변위진폭을부여하면서수행하였다. 시험편의피로파손기준은최대하중이초기하중의 80% 까지감소하는시점의사이클수로정의하였다..0 Engineering stress (MPa) 1.6 1. N i αi αi αi Ogden s model : W = μ λ 1 + λ + λ 3 3 i 1 α = i μ 1 μ μ 3 α 1 α α 3 7.53E-7.66E-6 1.06 5.98E-6.167 100% 0.0 0.0 0.1 0. 0.3 0.5 [Fig. 1] Gangway connection of the articulated high speed railway vehicle Engineering strain [Fig. ] Stress-strain curves of the neoprene rubber under equi-biaxial tension. 물성및피로시험본연구에서사용된재료는철도안전법에서규정하는난연성을갖는네오프렌고무 (neoprene rubber) 이다. 이의기계적특성은 Fig. 에서나타낸바와같이등축인장시험 (Equi-biaxial tension test) 으로구하였다 [6]. 그림에서 는변형률에너지,, 는편향주연신률 (deviatoric principal stretches) 이고,, 는변형률에너지함수형태의오그덴모델 (Ogden s model)[7] 의재료상수들이다. 한편, 본부품은차량주행시반복하중과피로누적에의한손상을받으므로피로특성평가가필요하다. 본연구에서는반복하중 ( 또는변위 ) 하에의한최대인장변형률을평가할수있는 3차원고무피로시편을제작하였다 [5]. Fig. 3은본부품의소재피로특성평가를위한피로시험기와 3차원고무피로시험편을함께나타낸것이다. 고무피로시편은양단에금속편을가황하여접착시킨장 3. 해석및시험결과 3.1 비선형구조해석 Fig. 4는 4종류의회전각변위조건하에통로연결막의코너부중심에서최대주변형률 (Maximum principal strain) 이력및분포를함께나타낸것이다. 해석상의경계조건은차체끝단부 (carbody end part) 갱웨이조립조건에준하여구속하였다 [6]. 최대주변형률이력은비선형유한요소해석프로그램인 ABAQUS를이용하여얻어진것이다. Fig. 4의해석결과로부터심각한하중모드는롤링각 (rolling, ) 과혼합모드조건 (mixed mode, + ) 이며, 최대주변형률값은주름사이의골지점 (valley) 에서각각 0.738 및 0.765이다. 이들 가지조건은 Table 1과같이내구성평가를위한실물피로시험 (fatigue test) 의가속화된작용하중조건으로적용된다. 4797
한국산학기술학회논문지제 15 권제 8 호, 014 3. 내구성해석 Fig. 5는본통로연결막의내구성평가절차를나타낸것이다. 피로수명예측은비선형구조해석에서얻은공칭변형률로부터식 (1) 에의하여최대그린-라그란지변형률 (Green-Lagrange strain) 로변환하고, 고무소재의변형률-수명 ( ) 선도에준하여계산된다. (a) Three-dimensional dumbbell specimen (1) 여기서 공칭변형률이고, 은그린-라그란지변형률이다. Fig. 6은변위제어하에서 Fig. 3의피로시험으로부터얻어진피로수명에대한최대그린-라그란지변형률 (maximum ) 관계선도를나타낸것이다. 여기서최대 에따른본고무소재의피로수명예측식은식 () 와같다. (b) Experimental apparatus of rubber fatigue test [Fig. 3] Fatigue test system of rubber () [Fig. 5] Flowchart of durability evaluation of gangway connection for HSRV Maximum principal strain(mm/mm) 1.0 0.6 0. Mixed(Yawing and rolling) Rolling Yawing Pitching Max. G-L Strain 3 0.9 1 0.7 0.6 0.5 0.3 0. 0.0 0.0 0. 0.6 1.0 Increment of step [Fig. 4] Maximum principal strain distribution and histories of gangway connection for HSRV 0.1 10 5 10 6 10 7 Fatigue Life (Cycles) 5x10 7 [Fig. 6] Fatigue life test result of the dumbbell specimen (Maximum - curve) 4798
30 5 0 (3) Max. Displacement (mm) 15 10 FEA results of the dumbbell specimen 5 10 5 10 6 10 7 Fatigue Life (Cycles) (a) Displacement vs. life curve Max. Green Lagrange Strain 3.5 3.0.5.0 1.5 1.0 0.5 0.0 ε GL = -0.0031 + 0.051*d + 0.00191*d compression tension -0.5-15 -10-5 0 5 10 15 0 5 30 35 Displacement (mm) (b) Max. G-L strain with an increase of displacement 여기서 와 는각각작용사이클수및파손사이클수이고, 는파손블록수이다. 이로부터본부품의예상피로수명은 4,363blocks(349,046 cycles) 이다. [Table 1] Maximum principal strain under applied angular displacements 1 Applied angular displacement(causes) Rolling(±, cant deficiency, side wind speed, etc) Mixed(Rolling(± ) + Yawing(, curved siding track condition in HSRV depot) No. of cycles (,, : a given value by means of production company [8]) 40 40 Max. G-L Strain 0 3 0.9 1 0.7 0.6 0.5 0.3 0. N f = 748,169 * [Max. G-L Strain] -.057 0.1 10 5 10 6 10 7 Fatigue Life (Cycles) (c) G-L strain vs. life curve n 1 ε m1 ε a1 One repetition Calculation of Max. G-L strain n ε m E = + i ε a (( εg L 1) 1) / ε = AN G L ε a3 ε m3 Δ ε 3 (d) Prediction of fatigue life using Miner s law [Fig. 7] Estimation process of fatigue life B f 1 B f = n j N fj one rep. Fig. 7은본통로연결막의피로수명을예측하는절차를나타낸것이다. 먼저장구형고무피로시험결과인 Fig. 7(a) 의최대변위-수명선도를얻는다. 최대변위값은 Fig. 7(b) 와같이피로시험편의유한요소해석을이용하여최대 으로변환된다. 그리고 Fig. 7(c) 와 (d) 에서보는바와같이본고무부품의피로수명은식 () 와 Fig. 4의해석결과로부터예측할수있다. 그러나본통로연결막의작용하중은 Table 1과같이두종류이므로본연구에서는피로누적손상법칙 (fatigue cumulative damage law) 인식 (3) 의마이너법칙 (Miner s law) 을적용하였다. 3.3 내구성시험 본부품의내구성평가를위해서실제차량주행시심각한조건인 Table 1의롤링과혼합모드조건하에서실물피로시험을수행하는것이필요하다. Table 는본연구에서구축한실물피로시험기의주요기술사양을정리한것이다. 본시험기는전기모터구동방식으로 3종류회전각변위제어를수행할수있다. 참고로 Fig. 8은 3종류회전각변위제어창일례와실물피로시험기의실제모습을각각나타낸것이다. 조건별회전각입력값에대한출력신호는자이로스코프센서 (Gyroscope sensor) 로확인하였다. [Table ] Specification of fatigue test rig Subsystem Motor and reduction units Frame size Instrumentation system Contents motor: 0.65kW, 000rpm No.: 3(Yaw/Pitch/Roll) reducing ratio: 1:10 990 x 800 x,39 (Width x Thick x Height, units: mm) Gyroscope sensor - 6 DOF, 1-56Hz selectable output rate (RTxQ) Control unit - Micro computer, A/D converter and S/W etc. Fig. 9는본통로연결막의실물피로파손과피로시험결과를함께나타낸것이다. 그림 9(a) 에서보는바와같이피로시험기의피로파손은실제철도차량의파손사례와유사한위치에서발생하였다. 또한 Table 1의조건하에서본부품의피로수명은 189,93 cycles이며, 이는예측수명보다약 46 % 짧으며, 오차범위 배이내에서일치한다. 4799
한국산학기술학회논문지제 15 권제 8 호, 014 4. 결론 (a) Command windows (b) Experimental apparatus [Fig. 8] Fatigue testing equipment and softwares 본연구에서는관절형고속철도차량통로연결막의안전성향상연구일환으로서, 본고무부품의피로수명을예측하고내구성을평가하였으며, 이로부터얻어진결론은다음과같다. (1) 본부품의심각한하중모드는롤링모드와혼합모드 ( 롤링 + 요잉 ) 이며, 이들 가지조건은내구성평가를위한실물피로시험 (fatigue test) 의가속화된작용하중조건으로적용된다. () 본고무소재의피로특성은변위제어하에서피로시험으로부터얻어진피로수명에대한최대 관계선도로부터평가하였다. 여기서최대 에따른본고무소재의피로수명예측식은다음과같다. (3) 관절형고속철도차량용통로연결막의내구성평가를위하여본연구에서는전기모터구동방식으로 3 종류회전각변위제어를수행하는실물피로리그시험기를구축하였다. 본리그시험기로부터평가된피로수명은 189,93 cycles이다. 이는예측수명 (349,046 cycles) 보다약 46 % 짧지만, 오차범위 배이내에서일치한다. 따라서시험편의단축인장모드와본부품의 3축회전각변위모드차이로인하여다소수명오차는있지만, 리그시험인가수준설정시최대 에의한피로수명의예측에사용할수있다. 향후연구에는 1km 주행동안등가회전각변위발생횟수를고려하여보증거리로환산하고추가시험을통한신뢰도평가를수행할것이다. References (a) Real failure vs. failure of test rig (b) final result [Fig. 9] The result of fatigue failure for the gangway connections [1] S. H. Ahn, K. W. Chung, S. H. Jang and C. S. Kim, Durability Evaluation of the Korean Gauge-Adjustable Wheelset System, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 1, pp.5669-5675, 01. DOI: http://dx.doi.org/10.576/kais.01.13.1.5669 [] C. S. Kim and G. H. Kang, Fatigue Analysis of Reduction Gears Unit in Rolling Stock Considering Operating Characteristics, Journal of the Korea 4800
Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 1, No. 3, pp.1085-1090, 011. DOI: http://dx.doi.org/10.576/kais.011.1.3.1085 [3] C. S. Kim and M. H. Park, Durability Evaluation on Doorstep Equipments Used for Low and High Level Platforms at Railway Vehicle, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 9, pp.3889-3894, 01. DOI: http://dx.doi.org/10.576/kais.01.13.9.3889 [4] J. H. Kim, H. M. Hur, "A Study on the Change of the Fatigue Life and The Fracture Morphology Due to the Carbon Black on the Natural Rubber for Vibration-Proof", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 8, No. 1, pp.1-6, 005. [5] C. S. Woo, H. S. Park and D. C. Park, Characteristics and Useful Life Prediction of Rubber Spring for Railway Vehicle, Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 10, No., p.11-16, 007. [6] G. H. Kang and C. S. Kim, Nonlinear Analysis of Rubber Bellows for the High Speed Railway Vehicle, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 14, No. 8 pp. 3631-3637, 013. DOI: http://dx.doi.org/10.576/kais.013.14.8.3631 [7] R. W. Ogden, Non-linear Elastic Deformation, Dover Published, INC., Mineola, New York. 1984. [8] Hyubdai-Rotem, Gangway Bellows, KTX-II Internal nd Report, 013. 우창수 (Chang-Su Woo) [ 정회원 ] < 관심분야 > 나노역학, 고무부품신뢰성 1987 년 월 : 서울대기계설계학과졸업 ( 공학석사 ) 004 년 8 월 : 영남대기계공학과졸업 ( 공학박사 ) 01 년 3 월 ~ 현재 : 국토교통부철도기술심의위원 1987 년 7 월 ~ 현재 : 한국기계연구원나노역학연구실장 김철수 (Chul-Su Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 철도차량설계, 철도차량 RAMS 00 년 8 월 : 한양대일반대학원기계설계학과졸업 ( 공학박사 ) 008 년 11 월 ~ 현재 : 국토해양부철도기술심의위원 003 년 3 월 ~ 현재 : 한국교통대학교철도차량시스템공학과교수 강길현 (Gil-Hyun Kang) [ 정회원 ] 001년 1월 : 영국 The University of Birmingham 기계공학과졸업 (Ph D) 1981년 5월 ~ 007년 6월 : 기술고등고시 16회철도청, 철도공사근무, 현재국토해양부고속철도운영위원 010년 7월 ~ 현재 : 현대로템철도사업본부근무 < 관심분야 > 철도차량설계, 철도차량진동소음 4801