2017 년도 한국철도학회 추계계학술대회 논문집 KSR2017A064

요댐퍼 취부 브라켓 표준모델에 대한 피로평가 Fatigue Evaluations for the Standard Model of Yaw Damper Bracket

김우진*, 김광우*, 김승택*, 이장욱*

Woo Jin Kim*, Kwang Woo Kim*, Seung Tech Kim*, Jang Wook Lee*

초 록 요댐퍼는 철도차량의 차체가 주행 중 반복적으로 발생하는 요잉(yawing) 운동에 대하여 직접적으로 받는 하중을 감쇄해 주는 역할을 한다. 따라서 댐퍼는 요잉 하중을 감쇄하기 위하여 댐퍼하중이 댐퍼 브라켓에 전달되며 이 브라켓은 피로하중에 견딜 수 있어야 한다. 요댐퍼 브라켓 구조물은 주로 용접형 구조물로 설계 및 제작되며, 외팔보 형태의 구조 설계되었으나 반복되는 외력과 피로강도에 강건한 구조로 설계되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 요댐퍼 브라켓 구조물의 피로강도에 취약한 용접부를 최소화하고 볼트 취부형 구조로 설계 제안하였다. 또한 요댐퍼 브라켓 구조물의 구조해석을 통하여 강건성 및 강도 평가하고 실험적 방법으로 표준 모델을 개발하여 설계의 기준을 마련하고자 한다.

주요어 : 요댐퍼, 피로강도, 댐퍼 브라켓, 표준모델

1. 서 론

철도차량의 차체와 대차 사이를 연결하는 요댐퍼는 운행 중에 대차에서 발생하는 요잉 운동(yawing motion)에 대하여 감쇄하기 위하여 댐퍼가 작동하며, 이 댐퍼 하중이 차체의 댐퍼 브라켓에 그대로 전달하여 피로하중을 받게 된다. 종전 댐퍼 브라켓은 용접구조물 형태였으며, 피로강도에 매우 취약하여 운행중에 균열이 발생하기도 하였다. 따라서, 본 연구에서는 용접구조물 형태인 요댐퍼 브라켓 구조물을 피로강도에 취약한 용접부를 최소화하고 볼트 취부형 구조물로 변경하여 해석적 방법을 통하여 구조 강도를 평가하고, 실험적 방법을 통하여 피로하중에 의한 강도를 검증하여 향후 요댐퍼 브라켓의 표준모델로 선정하고자 한다.

* 현대로템주식회사 기술연구소 응용기술연구팀

2. 본 론

2.1 요댐퍼 표준모델 피로 해석 평가 2.1.1 피로 평가 기준

Table 1은 BS7608의 Class B와 F2에 대하여 피로평가 비교표를 나타내었다. 요댐퍼 브라켓 표준 모델의 관심부위는 모재부인 경우 Class B로 용접부인 경우 F2에 해당되며 일반적으로 철도차량에 적용되는 피로하중 1천만회에 견딜 수 있는 기준을 적용하였다.

Table 1 Details of basic S-N curves (BS7608)

Class m N=107 cycles

(N/mm2) C2

B 4.0 100 1.01×1015 F 3.0 40 6.33×1011 F2 3.0 35 4.32×1011

2.1.2 요댐퍼 표준모델 피로해석 결과

Table 2.에서는 요댐퍼 브라켓 피로 평가 결과를 요약하였다. Class B와 Class F2의 피로강도 비교 결과와 같이 브라켓 취부를

용접으로 적용하는 경우, 용접 등급 저하로 Fatigue Damage가 기준을 초과하는걸 볼 수 있으며, 볼트 취부 구조일 경우에는 Fatigue Damage를 모두 만족하는 걸 볼 수 있다.

Table 2 Summary for fatigue analysis evaluations (1st)

Fig. 1 Stress contour of fatigue analysis (1st)

위에 해석결과에 따라 아래의 Fig.2 같이

조치를 하여 피로강도를 만족할 수 있게 하였다. Fig. 2 Locations for welding part remove

2.2 요댐퍼 표준모델 피로 시험 평가 2.2.1 요댐퍼 표준모델 피로시험 1차 요댐퍼 브라켓 주변 용접부를 제거하였으나,

Out side sill과 Inner side sill 피치(단속) 용접부 제거 과정에서 남아 있는 잔여 용접부 내부 노치 끝단에서 미세 균열이 발생하였다. (피로시험 500만회 후)

Fig. 3 Results of fatigue test (1st) 재해석 결과 용접부위 모두 피로강도를 만족하지 못하였으며, 이 부위 용접부 제거시 기준을 만족할 수 있음을 확인하였다.

Table 3 Summary for fatigue analysis evaluations (2nd)

위치 (Fig. 1 참조)

피로하중 조건 : ±16 kN (1×107) Fatigue Damage

+16kN -16kN Stress Range

모재인 경우

(BS7608: Class B)

용접부

인 경우(BS7608:Class F2)

A -18 31 49 0.0059 2.7440

-27 18 45 0.0024 2.1254

B 35 -10 45 0.0024 2.1254

10 -26 36 0.0002 1.0882

C 32 -16 48 0.0048 2.5794

16 -32 48 0.0048 2.5794

위치 (Fig. 4 참조)

피로하중 조건 : ±16 kN (1×107) Fatigue

Damage+16kN -16kN Stress Range BS7608

Case A (모재)

43 -7 50 Class B 0.063

37 -14 51 Class B 0.068

Case B (피치용접)

54 -5 59 Class F 4.790

33 -17 50 Class F 2.915

Case C (전용접)

48 -3 51 Class F 3.094

29 -8 37 Class F 1.181

Fig. 4 Stress contour of fatigue analysis (2nd) 2.2.2 요댐퍼 표준모델 피로시험 2차 요댐퍼 브라켓 구조물에 대하여 2차 개선 후 피로시험을 실시하였다. 개선 내용으로 용접부 절취부 삭제 및 브라켓 인근 부위 용접 미실시하였으며, Side sill 내측 용접개소를 2개소에서 5개소를 증가하였다. 또한 탭패드의 형상변경하고 취부 홀을 1개소 추가하였다.

Fig. 5와 같이 시험 결과는 균열없이

1,000만회 시험을 완료하였다.

Fig. 5 Results of fatigue test (2nd step)

3. 결 론

본 연구에서는 차체와 대차를 연결하는 요댐퍼 취부 브라켓 구조물에 대한 표준모델을 개발하여 해석적으로 구조강도를 평가하였으며, 실험적 방법을 통하여 이를 검증하였다. 댐퍼의 작동 하중의 크기는 크지 않으나, 반복적으로 발생하며, 브라켓의 구조 또한 외팔보 구조로 반복하중에 매우 취약한 구조이다. 더군다나 용접 구조물인 경우 피로강도가 더욱 낮아지므로 이를 보완할 필요가 있다고 판단되었다. 따라서 요댐퍼 브라켓의 표준모델은 용접부를 제거하여 ±16kN의 하중으로 1×107

cycle 동안 균열이 발생하지 않는다는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었으며, 이는 볼트 구조로 개발하여야 피로강도 유리하다고 결론 지어진다.

참고문헌

[1] BS-7608-2014 : Guide to fatigue design and assessment of steel products

[2] ERRI B 12/RP 17, (8th Edition) : Programme of tests to be carried out on wagons with steel underframe and body structure (suitable for being fitted with the automatic buffing and draw coupler) and in their cast steel frame bogies

[3] ERRI B 12/RP 60 – 2nd EDITION : Test to demonstrate the strength of railway vehicles, Regulations for proof tests and maximum permissible stressees

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