Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 12 pp. 5669-5675, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.12.5669 안승호 1, 정광우 1, 장승호 2, 김철수 3* 1 한국교통대학교철도운전시스템공학과, 2 한국철도기술연구원에코시스템연구실, 3 한국교통대학교철도차량시스템공학과 Durability Evaluation of the Korean Gauge - Adjustable Wheelset System Seung-Ho Ahn 1, Kwang-Woo Chung 1, Seung-Ho Jang 2 and Chul-Su Kim 3* 1 Dept. of Railway Operation System Engineering, Korea National University of Transportation 2 ECO-Transportation System Research Division, Korea Railroad Research Institute 3 Dept. of Railway Vehicle System Engineering, Korea National University of Transportation 요약이종궤간 ( 표준줴 / 광궤 ) 이존재하는유라시아철도네트워크 (TKR, TCR 및 TSR) 의화물운송시간및비용을절감하기위해서는이구간을자유롭게운행할수있는궤간가변윤축시스템의개발이중요하다. 국내에서는기존해외윤축시스템을보완하고자새로운한국형궤간가변윤축시스템을개발및제작중이다. 본연구에서는안전-수명설계관점에서강도와내구성해석을수행하였다. 본시스템의내구성해석결과로서, 주요부품은 1x10 7 사이클까지안전하였다. 또한, 주행중안전성을확인하기위하여국제철도규정 UIC에따라리그피로시험을수행하였다. 이시험을통하여본궤간가변윤축시스템은관련안전규정에만족함을확인하였다. Abstract To reduce the cost and the time of transport in Eurasian railroad networks such as TKR(Trans-Korea Railway), TCR(Trans-China Railway) and TSR(Trans-Siberia Railway) owing to the problem of different track gauges (narrow/standard/broad gauge), it is important to develop the gauge-adjustable wheelset(gaw) system to adapt easily to these gauges. The Korean GAW system is developing and will be adapting to the brand new freight trains' to improve the conventional overseas GAW system. In this study, structural and durability analyses are performed from the viewpoint of the safe-life design. The core parts of the system might be safe in range of 1x10 7 cycles from the result of durability analysis. Moreover, to examine the safety of the system while running on a track, rig fatigue test was performed according to UIC code. The safety of the Korean GAW system is demonstrated through testing that all safety-relevant conditions are satisfied. Key Words : Durability Evaluation, Freight Trains, Gauge-Adjustable Wheelset, Track Gauges 1. 서론 최근우리나라철도는 21세기세계적인교통물류중심지로도약을마련하기위하여, 남북한직결운행및유라시아대륙철도연계운행으로부터아시아철도의표준화까지많은관심및노력을집중하고있다. 그러나대륙철도의연계운행은각국의궤간의상이함으로인한대 차교환이나환적의어려움으로많은문제점을초래한다. 환적, 윤축또는대차교환의방법들은운영비용, 용량의제한, 윤축또는대차를보관할큰공간등으로인하여최선의시스템으로선정되기가어렵다. 그러므로이종궤간주행에서안전성을유지하면서국경에서특정부품을장착하거나제거하기위하여정차가필요없는자동궤간변환장치가요구된다. 즉, 서로상이한궤간 ( 협궤 / 표준 본논문은한국교통대학교교내학술연구비의지원과한국철도기술연구원주요 R&D 사업의연구비를받아수행한연구임. * Corresponding Author : Chul-Su Kim (Korea National University of Transportation) Tel: +82-070-8855-1649 email: chalskim@ut.ac.kr Received November 15, 2012 Revised (1st December 3, 2012, 2nd December 5, 2012) Accepted December 6, 2012 5669
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 궤 / 광궤 ) 에서선로를대차교환이나환적없이신속하고안전하게직결운행할수있는궤간가변윤축시스템 (gauge-adjustable wheelset system) 이필요하다 [1-3]. 이시스템은이종궤간 ( 협궤 / 표준궤 / 광궤 ) 을겸용운행하므로동북아물류운송시간및비용을절감할수있다 [4]. 궤간가변차량에대하여해외각국은자국의상황에적합한기술개발및운행을추진하는중이다 [1-4]. 예를들어폴란드의 SUW2000은궤간가변동안차륜을축방향으로이동시켜 20~30개의잠금기구를반복적으로사용하므로높은피로파손과과도한제작 / 유지보수비용의문제점을갖는다 [3]. 독일의 DBAG/RAFIL-V는 3쌍의잠금레버를잠금기구와원주방향배열의압축스프링을채택한구조를가지며, 이중에서잠금레버는축의원주외측으로돌출하도록내설되어큰부피와복잡한형태로구성되는문제점을갖고있다 [5]. 이러한기존해외궤간가변윤축시스템의문제점을해결하기위하여국내에서는개념설계 [2,6] 로부터한국형궤간가변윤축시스템을개발중이다. 본시스템은부품갯수와제작비용을절감하고, 독창적인변환메커니즘으로부터장착의편의성과회전관성을줄이는장점을갖는다 [2,5]. 이의개발연구는개념설계를거쳐제작중이지만, 현재이를검증할수있는국내관련규격및내구성검증과같은체계적인연구는미비한실정이다. 한국형궤간가변화차 (Gauge-adjustable freight train) 의안전성을확보하기위해서는국제철도규정인 UIC 510-4[7] 에준한궤간가변윤축의내구성을평가하는것이중요하다. 그러나이를위해서는복잡한실물시험과다수의시제품을사용하여오랜기간내구성실물시험과같은리그피로시험을수행하는것이필요하다. 따라서본연구에서는현재설계중인궤간가변윤축에대한개발기간및시제품제작비용의최소화를위하여, 피로해석상용소프트웨어를이용하여한국형궤간가변윤축시스템의내구성해석을수행하고자한다. 또한 UIC 510-4[7] 에의거한리그피로시험을수행함으로서, 궤간가변윤축시스템의안전성을검토하고자한다. 2. 궤간가변윤축시스템 본윤축시스템은그림 1과같이크게 6가지부품으로서, 고정캡을갖는차축 (shaft), 구르브원통을갖는차륜 (wheel), 압축코일스프링 (spring), 플랜지 (flange), 잠금기구 (locker), 스프링홀더 (spring holder) 로구성된다. 그림 2는표준궤도에서광궤로변환시궤간가변장치의윤축시스템동작메커니즘을순차적으로나타낸것이 다. 이의동작메커니즘을살펴보면다음과같다. 그림 2(a)~(c) 에서플랜지는잠금기구에삽입되고, 삽입한상태로잠금기구는시계방향으로회전하면서차륜의구르브원통은해제된다. 이로인하여그림 2(d) 와같이가이드레일에따라차륜의구르브원통은이동하므로표준궤도에서광궤로변환된다. 그리고그림 2(e)~(f) 에서변환중에플랜지와잠금기구는다시분리되고, 잠금기구는반시계방향으로역회전하면서다시차륜구르브원통에구속된다. [Fig. 1] The core parts of Korean GAW system (a) (d) (b) (e) (c) (f) [Fig. 2] The changing process of the GAW system 3. 시험방법 3.1 시험규정 본연구에서개발예정인궤간가변윤축시스템은 UIC 510-4[7] 에의거표준궤에서유라시아철도운행에투입되기전에임시허가서를얻기위하여안전관련모든조건들을만족하는시험을통하여검증받아야한다. 이규정은이종궤간을가진노선위를운행할수있는자동궤간가변대차에대한리그피로시험기준을포함하고있 5670
다. 부하조건은표준궤를설정한상태에서표 1과같이총 3단계피로하중프로그램을실시한다. 본연구에서축중 (axle load, P) 은화차용궤간가변윤축을고려한 22ton 이다. 그림 3은 UIC 510-4에준한윤축의리그시험에서수직 ( ) 및횡방향 ( ) 하중이력을나타낸것이다. 참고로그림 4는궤간가변윤축시스템에대한리그피로시험의실제모습을나타낸것이다. 궤간가변윤축시스템은 UIC 규정에준한시험을통하여피로수명 10 7 cycles까지각부품에서파손또는균열발생의유무로부터이의안전성을검토한다. 3.2 시험방법 3.2.1 재료 본연구에선택한재질은 5종류의탄소강으로서고정캡, 플랜지, 잠금기구의재질은 SF50A이며, 스프링의재질은 SUP9강이며, 스프링홀더및플랜지재질은 SC410, 차축과차륜은 KS R 9220 및 KS R 9221 규격에서제시된 RSW1, RSA1이다 [5]. 표 2는본시스템의재질에따른기계적특성을정리한것이다. [Table 1] Fatigue test conditions of UIC 510-4 Stage No. of Cycles Vertical load, [kn] Dynamic Transverse load, [kn] Dynamic I 6 X 10 6 ±0.5P at 4Hz ±0.3P at 2Hz II 2 X 10 6 ±0.6P at 4Hz ±0.36P at 2Hz III 2 X 10 6 ±0.7P at 4Hz ±0.42P at 2Hz * P: axle load(22ton) 다. 이들은본시스템의내구성해석의피로특성자료로서사용된다. 4. 해석및시험결과 4.1 정하중하에서응력해석결과 4.1.1 경계조건그림 5는한국형궤간가변윤축시스템의피로강도및응력해석을위한주요부품에대한유한요소망생성 (finite element mesh generation) 및경계조건을나타낸것이다. 요소형태는 3차원해석을위한 8절점직육면체요소이며, 총요소수와노드수는각각 52,992개와 79,471 개이다. 해석에입력자료로사용되는재질의탄성계수 (elastic modulus) 는 207GPa, 프와송비 (poisson's ratio) 는 0.29이다. 요소망모델링은요소망생성전용소프트웨어인 MSC.PATRAN[8] 및 MSC.MENTAT[9] 를사용하였으며, 응력해석시뮬레이션은 MSC.MARC[9] 으로수행하였다. 그림 5(a) 의경계조건은양끝부분에서리그피로시험조건을고려하여변위및회전에대한 6자유도 (Ux=Uy=Uz=0, Rx=Ry=Rz=0) 를모두구속하였다. 또한스프링과스프링홀더및축의경계조건은접촉지점에서 6자유도를서로구속하고있는 Glue Contact 이다. 그리고플랜지와잠금기구및차륜사이의경계조건은궤간가변구간에서작동을고려하여 Touch Contact 이다. 그림 5(b) 는 UIC510-4에따라표준궤의주행조건에서수직및좌우하중조건이다. [Fig. 3] Fatigue load histories of UIC 510-4 2.2.2 피로특성궤간가변윤축의내구성해석을위해서는응력해석결과및하중이력과함께재질의피로물성치가필요하다. 각재질에대한피로물성치는식 (1) 의응력-수명선도 (S-N curves) 로부터표 3과같다 [5]. (1) 여기서 = 응력진폭 (stress range), = 파손사이클수 (cycles to failure), A, b는재료상수 (material constant) 이 [Fig. 4] Rig fatigue test of the GAW system [Table 2] Mechanical properties of materials for GAW system[5] Materials Yield Strength Tensile Strength Elongation [MPa] [MPa] [%] SF50A 330 526 39 SC410C 247 476 31 SUP9 1275 1324 34 RSW1 420 835 14 RSA1 295 590 20 5671
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 [Table 3] Material constant of S-N curves[5] Materials A b SF50A 360.58-0.038 SC410 518.08-0.084 SUP9 734.51-0.029 RSW1 467.74-0.015 RSA1 495.79-0.039 U x =U y =U z =0 R x =R y =R z =0 U x =U y =U z =0 R x =R y =R z =0 Shaft Spring Spring holder Spring Holder Flange Shaft Locker Glue contact body Wheel Wheel Locker Flange (a) Contact conditions Touch contact body 조건하에차륜판부에서반지름방향의응력해석결과와변형률게이지로부터변환된응력값을비교한결과이다. 변형률게이지부착위치는그림 7에서나타낸바와같다. 부착된단축변형률게이지는차륜에반지름방향으로축중심으로부터 140mm지점에 40mm간격으로내면 2개및외면에 1개를부착하였다. 각지점에서응력해석결과와계측값의오차는 7% 이내이다. 이로부터측정시험의측정불확도, 센서부착위치와해석취약부사이의변동성을감안할때, 본응력해석결과는시험조건을비교적잘반영하였다고판단된다. 이상의응력해석결과는궤간가변윤축시스템의피로해석의입력자료로서사용된다. 그림 8은광궤에서그림 7과동일조건하에본시스템의응력해석결과이다. 광궤의취약부위는표준궤경우와유사하며, 최대 von-mises 응력은각각 110MPa와 116MPa이다. 참고로표 5는표준궤 (1435mm) 및광궤 (1520mm) 조건하에강도설계관점에서주요부품들의최대 von-mises 응력과안전계수를정리한것이다. 여기서안전계수는항복강도에대한최대응력값을의미한다. 표에서보는바와같이궤간가변윤축시스템의부품들은최대하중부여에서도최소 2.3이상의안전계수를가진다. P v Vertical Load Transverse Load -P t P t (b) Applied loading type condition [Fig. 5] Boundary and contact condition in standard gauge 4.1.2 응력해석및시험결과그림 6은표준궤 (1435mm) 에서최대수직및횡방향하중하에궤간가변윤축시스템에대한응력해석결과를나타낸것이다. 작용하중값은표 1에서 UIC 510-4의 3단계최대하중조건이며, 그림 6(a) 및그림 6(b) 는각각수직하중및내측횡방향하중 (0.7 and -0.42 ) 조건과수직하중및외측횡방향하중 (0.7 and 0.42 ) 하에서 von-mises 응력분포를나타낸것이다. 그림 6(a) 와그림 6(b) 에서동일수직하중조건에서내측 (-0.42 ) 및외측 (0.42 ) 횡방향하중하에서취약부는각각차륜판부및차축상의끝부분이며, 이의최대 von-mises 응력은각각 109MPa와 129MPa이다. 참고로표 4는그림 6(b) 의하중 (a) 0.7 and -0.42 (b) 0.7 & 0.42 [Fig. 6] Stress analysis results of the GAW system in standard gauge 5672
[Table 4] Comparison of static test and analysis results of wheel Wheel Test Analysis Error(%) 1-34MPa 1-35MPa 1 2-48MPa 2-49MPa 2 3-14MPa 3-15MPa 7 [Table 5] Safety factors of major parts for GAW system GAW System Standard gauge Materials Max. von- Mises stress [MPa] Yield Strength [MPa] Factor of Safety (a) (b) (a) (b) Locker SF50A 45 89 330 7.3 3.7 Wheel RSW1 109 61 420 3.9 6.9 Shaft RSA1 100 129 295 3.0 2.3 Broad gauge Locker SF50A 16 8 330 20.6 41.3 Wheel RSW1 110 58 420 3.8 7.2 Shaft RSA1 89 116 295 3.3 2.5 (a): 0.7 and -0.42, (b): 0.7 and 0.42 [Fig. 7] Measurement position of strain gauge in the GAW system 4.2 피로해석및리그피로시험결과그림 9는표준궤조건하에그림 2의하중이력으로부터본시스템의주요부품의피로해석결과를나타낸것이다. 재질의피로특성은표 3의피로물성치를사용하였고, 피로해석시뮬레이션은상용소프트웨어 MSC.FATIGUE 2006을이용하여수행하였다. 그림에서보는바와같이궤간가변윤축시스템의부품들의내구성은 10 7 cycles 까지는안전하다. 그리고그림 10은 1000만회리그피로시험종료후주요부품의비파괴검사사진이다. 시험전및피로하중시험의각단계에서피로균열은비파괴검사 ( 염료침투법 ) 에서발견되지않았다. 참고로표 6은응력해석결과및시험결과를 UIC 510-4과비교한것이다. 이로부터본궤간가변윤축시스템은 UIC 510-4의안전요구조건을만족하였다. (a) 0.7 and -0.42 (b) 0.7 & 0.42 [Fig. 8] Stress analysis results of the GAW system in broad gauge [Fig. 9] Results of durability analysis according to UIC code 5673
한국산학기술학회논문지제 13 권제 12 호, 2012 3. 본윤축시스템의내구성해석및리그피로시험결과, 각부품들의내구성은 10 7 cycles까지안전하였다. 또한리그피로시험종료후에비파괴시험 ( 염료침투법 ) 으로부터각부품의피로균열은없으므로 UIC 510-4에서제시하는안전요구조건을만족하였다. References [Fig. 10] Results of Non-destructive testing after rig fatigue test(10 7 cycles) [Table 6] Comparison of results between rig fatigue test and durability analysis according to UIC code Type of gauge Max. von-mises stress[mpa] Durability analysis ( 10 7 cycles) Rig fatigue test* (a) (b) Standard 109 129 Safe No crack Broad 110 116 Safe No crack (a): 0.7 and -0.42, (b): 0.7 and 0.42 *: UIC code 5104-4(on the condition of Fig. 3) 4. 결론 본연구에서는궤간가변윤축시스템에대한안전성검토의연구일환으로, UIC규정에의거한내구성해석및리그피로시험을수행하였다. 이로부터얻어진결론은다음과같다. 1. 표준궤에서응력해석결과로부터궤간가변윤축시스템의주요취약부는차륜판부및차축상의끝부분이며, 이의최대 von-mises 응력은각각 109MPa 와 129MPa이다. 응력해석결과의검증을위하여변형률게이지로측정한결과, 해석값과계측값의오차는 7% 이내이므로응력해석결과는시험조건을비교적잘반영하였다고판단된다. 참고로광궤조건에서최대von-Mises 응력은차축에서발생하였으며, 이는표준궤조건보다약간작은 116MPa이다. 2. 보수적인정적설계관점에서궤간가변윤축시스템의각부품들은표준궤최대하중조건하에서최소 2.3이상의안전계수를가진다. [1] H. S. Na, S-H Jang, J-S Han, A Comparative Study of the Technical Characteristics of Variable-Gauge Systems,, Proc. of 2004 Spring Conference for Railway, pp. 645-651, 2004. [2] C. S. Kim, et al., Structural Analysis of Locking Parts in the Gauge - Adjustable Wheelset, Journal of the Korean Society for Railway, pp. 33-38, 2008. [3] SUW2000, Polish System of Automatic Track Gauge Changing for Wagons, Coaches And Traction Vehicles in Transcontinental Railway Traffic, pp. 1-34, 2000. [4] K. W. Chung, C. S. Kim and S. H. Jang, Technical Evaluation of Railway Transportation System with the Change of Gauge, Journal of the Korea Academia- Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 5 pp. 1954-1962, 2012. [5] KRRI, Technical Development of Gauge-Adjustable System, Korea Institute of Construction & Transportation Technology Evaluation and Planning, pp. 29-150, 2008. [6] M. H. Park and C. S. Kim, Conceptual Design on Doorstep Equipments Used for Low and High Level Railway Platforms, Journal of the Korea Academia- Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 9 pp. 3882-3888, 2012. [7] UIC 510-4, 2 nd ed,, Wagons; Variable-Gauge Running Gear for 1435mm/1520mm and 1668mm - Recommendations for Bilateral Agreements", Union International Railway, 2000. [8] MSC.SOFTWARE, MSC.PATRAN ver. 2006 User s Manual, 2006. [9] MSC. SOFTWARE, MSC.MARC/MENTAT ver. 2006 User s Manual, 2005. [10] MSC. SOFTWARE, MSC.FATIGUE ver. 2006 User s Manual, 2006. 5674
안승호 (Seung-Ho Ahn) [ 정회원 ] 김철수 (Chul-Su Kim) [ 정회원 ] 2004년 2월 : 한양대대학원기계공학과졸업 ( 공박 ) 1981년 ~ 1996년 2월 : 철도청근무 1996년 3월 ~ 2012년 2월 : 한국철도대학철도운전기전과교수 2012년 3월 ~ 현재 : 한국교통대학교철도운전시스템공학과교수 철도운전이론, 철도안전, 용접공학 철도차량설계, 철도차량 RAMS 2002 년 8 월 : 한양대일반대학원기계설계학과졸업 ( 공학박사 ) 2008 년 1 월 ~ 현재 : 국토해양부철도기술심의위원 2003 년 3 월 ~ 현재 : 한국교통대학교철도차량시스템공학과부교수 정광우 (Kwang-Woo Chung) [ 정회원 ] 1991 년 2 월 : 성균관대학교일반대학원전자공학과 ( 공학석사 ) 1995 년 2 월 : 성균관대학교일반대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 1996 년 2 월 ~ 현재 : 한국교통대학교철도운전시스템공학과교수 철도차량, 철도신호, 철도 RAMS 장승호 (Seung-Ho Jang) [ 정회원 ] 1997 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 공학박사 ) 2003 년 4 월 ~ 현재 : 한국철도기술연구원선임연구원 철도차량 기계, 소음진동 5675