2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A067

도시형 자기부상열차 대차 프레임의 정적 강도 평가

Evaluation of static strength of a bogie frame for urban magev train

한정우*†, 이종민*, 방제성*, 송시엽**, 최정용**

Jeong-Woo Han*†

, Jong-Min Lee*, Je-Sung Bang

*, See-Yeob Song

**, Jeong-Yong Choi

**

Abstract This study presents that a static test method of bogie frame was developed considering characteristics of maglev train itself and possible occurring loads and then static strength for the bogie frame of Korean maglev evaluated experimentally through the static test. The results of the static test showed that the highest stress was measured at a connecting part of casting block and side frame as the result of electromagnet cling load test. When evaluating static strength based on yield strength, it is found to be within safety side. And also all stress levels measured do not exceed the yield strength of the used material. Keywords : Urban maglev train, Bogie frame, Static strength, Static test

초 록 본 논문은 도시형 자기부상열차의 고유특성과 주행 중에 발생 가능한 하중을 고려하여 대차 프레임의 정하중시험법을 개발하였으며, 한국형 자기부상열차를 대상으로 정하중 실험을 수행하여 대차프레임의 정적강도를 실험적으로 평가하였다. 정하중 시험결과, 전자석 흡착하중시험에서 가장 높은 응력이 발생되었으며, 발생부위는 캐스팅 블록과 사이드 프레임 연결부로서 대차 프레임의 정적 구조강도를 소재의 항복강도를 기준으로 평가할 때, 정적강도 측면에서 안전측에 있음을 확인하였다. 또한, 하중별 정하중시험에서 측정된 모든 응력준위도 사용재질의 항복강도를 초과하지 않음을 확인하였다.

주요어 : 도시형 자기부상열차, 대차 프레임, 정적 강도, 정하중시험

1. 서 론

도시형 자기부상열차의 대차 프레임은 일반적으로 부상력, 안내력, 추진력을 받으면서 운

행하며, 발생가능성은 희박하지만, 제어시스템 이상으로 인한 전자석의 레일에 흡착 또는 부

상실패로 인한 레일 위로의 낙하 등의 예상치 못한 하중을 받기 때문에 정하중에 견딜 수

있는 충분한 강도가 확보되어야 하며, 적절한 시험평가법을 통해 이를 검증하여야 한다[1-4].

철도차량의 대차 프레임에 대한 정하중 시험평가법은 바퀴식 차량의 경우, UIC, EN 또는

JIS 규격[5-7] 등에 잘 정립되어 있으며, 자기부상열차의 경우, 이미 상용 운행되고 있는

LINIMO[8] 및 TRANSRAPID[9]의 개발과정에서 다양한 해석과 시험평가법을 정립하고 시험

을 통해 대차 프레임의 안전성을 검증하였다. 그러나, 국내에서 개발한 자기부상열차의 경우,

† 교신저자: 한국기계연구원 기계시스템안전연구본부(jwhan@kimm.re.kr)

* 한국기계연구원 기계시스템안전연구본부

** 현대로템㈜ 기술연구소 응용기술연구팀

바

제

시

가

자

설

블

메

횡

알

사

s

구

3

L

1

으

하

구

수

바퀴식과 다

제한적 기술

시험방법을

가능한 하중

자기부상열차

한국형 자

설치되어 있

블록(casting

메커니즘(sli

횡방향과 비

알루미늄 소

사용하였다.

pring pocke

구조로 되어

3.1 정하중조

본 논문에

LINIMO의 설

과 같이 크

으며, 정상주

하고, 비정상

구성하였다.

수의 곱으로

다른 특성으로

술공개로 인

찾기가 매우

중을 고려

차를 대상으

자기부상열차

있는 2개의

block), 전

ding mecha

비틀림에 대

소재로 제작

캐스팅 블

et) 및 타이

어 있다.

조건

에서는 도시

설계기준을

크게 정상주행

주행하중은

상하중은 안

식(1)은 정

로 표현된다.

로 인하여

인하여 현실

우 어렵다.

하여 대차

으로 대차 프

2. 도시

차에 적용되

사이드 프레

전자석 폴(ma

anism)을 적

대하여 자유

되었으며, 안

블록은 EN A

빔, 착지륜

Figure

3.

시형 자기부

참고하여

행하중(norm

부상주행과

안내스키드,

정하중 계산

.

기존의 규격

적으로는 대

본 논문에서

차 프레임의

프레임의 정

시형 자기부

되는 대차

레임(side fr

agnet pole)

용한 4절점

유로운 변위

안내 스키드

AC42200 소

륜, 사이드

1 Configuratio

대차 프레

부상열차 특

정적 하중조

mal service

과 착지주행

비틀림, 추

산식으로 만차

격을 적용하

대차 프레임

서는 자기부

의 정하중

적 강도를

부상열차의

프레임은

rame)과 이를

등 주요

링크 구조

위를 허용한

드(lateral ski

소재의 알루

프레임, 전

on of Korean M

레임의 정적

특성이 반영

조건을 결정

load)와 비정

조건으로 나

추진전동기,

차하중과 대

하는데 한계

임의 안전성

부상열차의

시험방법

실험적으로

의 대차 프레

그림 1과

를 연결하는

부재로 구성

조로 되어 있

한다. 부재의

id) 및 전자

루미늄 주물

전자석 브라

Maglev bogie fra

적강도평가

영된 동역학

정하였다[8,

정상하중(ex

나누어 수직

제동, 전자

대차 프레임

가 있으며,

성을 평가할

고유특성과

법을 개발하

로 평가하였다

레임

과 같이 전

는 타이 빔(

성된다. 타이

있어, 직선 또

의 대부분은

자석 폴 등 일

재로서, 공

켓의 연결부

ame

학 시뮬레이

10-11]. 정적

xceptional lo

직, 좌우, 전

자석흡착, 수

에 작용하는

해외 선진

수 있는

과 주행 중에

하였으며,

다.

자석과 전

(tie beam),

이 빔은 슬

또는 곡선

은 A6005

일부만 강

기스프링 포

부가 있는

이션 결과와

적 하중조건

oad)으로 구

전후하중이며

수직낙하 하

는 최대 동

사들의

적절한

에 발생

한국형

동기가

캐스팅

슬라이딩

주행시

계열의

소재를

포켓(air

복잡한

와 일본

건은 표

구분하였

며 구성

하중으로

동하중계

� ��

4����� � �� ����

��1

여기서, mv는 차체중량, mb는 대차중량, c1은 승객하중, nb는 차량당 대차수이며, k는 주행중

각 하중방향에 대한 동적계수값이다.

Table 1 Loads for static test of bogie frame

Running condition Load case

Load1) (kN)

Boundary Condition k4)

Support Point2) Load Point3)

Normal service load

Levitated running

Vertical 21.851 EM AS 1.2 ~ 1.9

Lateral 6.555 EM AS 0.4 ~ 0.8

Longitudinal 8.351 EM+TR LM 0.2 ~ 0.4

Running on ground

Vertical 25.748 LW AS 0.4 ~ 0.8

Lateral 8.497 LW AS 1.2 ~ 1.9

Longitudinal 14.715 LW+TR LM 0.2 ~ 0.4

Exceptional load

Guidance skid 7.933(LR)

10.578(RG) GS AS

Twist 21.815

or 15mm EM AS

LIM reaction 6.501(z)

17.404(y) EM+TR LM+LM

Braking 8.280 EM+TR AS+BI

Magnet clinging 13.918(z) 45.500(x)

EM AS+TR

Vehicle drop 32.373(z) 8.829(z)

LS AS+LM

1) LR : Levitated running, RG : Running on ground, z : Vertical direction, y : Lateral direction, x : Longitudinal direction 2) EM : Electromagnet, LW : Landing wheel, TR : Traction rod bracket, GS : Lateral skid bracket, LS : Landing skid 3) AS : Air spring pocket, LM : Linear motor bracket, BI : Brake Installation bracket 4) See Eq. 1

3.2 정하중 시험

대차 프레임의 응력을 측정하기 위하여 응력집중부 또는 고응력 부위에 스트레인 게이지

를 부착하였다. 그림 2는 정상주행 및 비정상주행조건에 대한 정하중시험 결과이다. 그림 2a

의 정상주행조건의 경우, 50 MPa 이상의 응력이 작용하는 부위는 캐스팅 블록 및 타이 빔의

연결부이며 특히, 착지주행 좌우하중조건으로 측정된 지지점 부근의 캐스팅 블록의 랜딩휠

연결부에서 -79MPa의 가장 높은 압축응력이 발생하였다. 그림 2b의 비정상주행조건의 경우,

고응력 부위는 하중조건에 따라 다양하게 나타나는데, 100MPa을 초과하는 부위는 트랙션 로

드 브라켓, 캐스팅 블록, 전자석 브라켓, 사이드 프레임의 연결부이다. 이 중 가장 높은 응력

은 전자석 흡착하중시험에서 얻어진 결과로서 캐스팅 블록과 사이드 프레임 연결부에서

131MPa로 측정되었는데, 대차 프레임의 정적 구조강도를 소재의 항복강도인 215 MPa을 기

준으로 평가할 때, 안전율이 1.64로서 정적강도 측면에서 안전측에 있음을 확인하였다.

Strain gage numbers

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Measured stress(MPa)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

TB

Vertical load(LR)

Lateral load(LR)

Longitudinal load(LR)

Vertical load(RG)

Lateral load(RG)

Longitudinal load(RG)

CB(L)CB(M) CB(M)

TB : Tie beamCB(L) : Casting block(Landing wheel connection)CB(M) : Casting block(Magnet bracket connection)

Strain gage numbers

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Measured stress(MPa)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Guidance skid(LR)

Guidance skid(RG)

Twist

LIM reaction

Braking

Magnet clinging

Vehicle drop

TR

CB(M)

CB(S)

SF

CB(M) : Casting block (Magnet bracket connection)CB(S) : Casting block (Side frame connection)TR : Traction rod bracketSF : Side frame

(a) Normal service load (b) Exceptional load

Figure 2 Measured stresses from static load test

4. 결 론

본 논문은 자기부상열차의 고유특성과 주행 중에 발생 가능한 하중을 고려하여 대차 프

레임의 정하중 시험법을 개발하였으며, 국내에서 개발된 도시형 자기부상열차의 대차 프레

임을 대상으로 대상으로 정적 강도를 실험적으로 평가하였다. 정하중 시험결과, 가장 높게

측정된 응력은 전자석 흡착하중시험에서 얻어진 결과로서 캐스팅 블록과 사이드 프레임 연

결부에서 측정되었으며, 대차 프레임의 정적 구조강도를 소재의 항복강도를 기준으로 평가

할 때, 정적강도 측면에서 안전측에 있음을 확인하였다. 각 시험에서 측정된 모든 응력준위

도 사용재질의 항복강도를 초과하지 않음을 확인하였다.

후 기

본 연구는 국토해양부 도시형 자기부상열차 실용화 사업의 일환으로 수행되었음을

밝혀두면서, 연구수행에 지원해 주신 관계자 여러분께 감사드립니다.

참고문헌

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test, Engineering failure analysis, 12, pp. 1326-1337.

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standard, Proceedings of WCRR 2008.

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International Union of Railway.

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requirements of bogie frames, European Committee for Standardization.

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[9] U. S. Department of Transportation (2002) Electromagnetic field characteristics of the Transrapid

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a maglev vehicle using flexible multibody dynamics, Proceedings of Conference of the Korean Society

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