철도차량의 aar e coupler-knuckle 강도성능 검증 방안에 대한...
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2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S155
철도차량의 AAR E Coupler-Knuckle 강도성능 검증 방안에 대한 연구 A study on the AAR E Coupler-Knuckle Strength Performance Verification
According to EN 12663
정규진*†, 박경봉*, 전시현*
Gyu-Jin Jung*†, Keong-Bong Park*, Si-Hyun Jeon*
Abstract A study is aimed at applied to bodies of a railway vehicle design specifications of EN
12663:2010(Railway application-Structural requirements of railway vehicle bodies) to verify the strength of the connection due to AAR E Coupler-Knuckle of railway vehicles. Knuckle is the tensile force acting on the resistance to the vehicle weight, by performing a finite element
analysis of the P-Ⅱ(1500 kN) condition EN 12663, AAR E Coupler-Knuckle part of the evaluation of the
strength, evaluated the safety and traction. Keywords : AAR E Coupler - Knuckle, Tensile force, Safety, Traction
초 록 본 논문에서는 철도차량의 연결기인 AAR E Coupler 의 Knuckle 강도를 검증하기
위하여 철도차량의 차체설계 규격인 EN 12663:2010 (Railway applications-Structural
requirements of railway vehicle bodies)를 적용하였다. Knuckle 에 작용하는 인장력은
차량중량에 대한 저항력으로 EN 12663:2010 의 Category P-II 조건(1500 kN)으로 유한
요소해석을 실시하여 AAR E Coupler 의 Knuckle 부에 대한 강도평가, 안전성 및 견인력을
검토하고자 한다. 주요어 : AAR E 커플러-너클, 인장력, 안전성, 견인력
1. 서 론
철도차량의 커플러는 철도차량의 안전 운행을을 위해서는 매우 중요한 부품 가운데 하나
이다. 철도차량의 사고는 자주 발생하지는 않으나, 매우 큰 충돌에너지를 지니므로 막대한
재산 손해뿐만 아니라, 수많은 인명피해를 야기한다. 또한 철도차량의 고속화와 대형화가
추진되면서 더욱 큰 사고에 의한 위험성을 내포하게 되었다. 철도차량의 충돌시, 차량의 무
게중심은 커플러보다 높이 존재하므로, 충돌시 최대 하중을 견디지 못하는 커플러는, 차량
이 다른 차량을 타고 넘는 오버 라이드(override)가 발생하여 탈선(derailment) 및 전복사
고(rollover)가 발생 된다. 본 연구에서는, 철도차량의 차체의 구조물을 영구변형으로부터
보호 할 수 있는 에너지 흡수 구조물의 충돌특성을 향상 시키는 커플러을 설계하는데 있어,
유한 해석을 통해 적절한 해석 방안을 마련하고자 한다.
† 교신저자: 현대로템(주), 기술연구소 철차연구5팀([email protected])
* 현대로템(주), 기술연구소 철차연구5팀
2. 본 론
2.1 Knuckle의 연결 형상
Knuckle의 경우 상호 인접한 연결기와는 [그림 1]과 같이 연결되며, Knuckle의 회전중심
은 연결기의 중심에서 약 95mm 정도 편위 되어 있다.
그림 1 연결기 Knuckle 의 연결
2.2 재질의 물성치
2.2.1 기계적 성질
재질 인장강도(N/mm2) 항복점(N/mm2) 연 신 율 단면수축율
M-201 GRADE“E”
824 MPa 686 MPa 14 % 이상 30 % 이상
2.22 화학적 성질(%)
순서 재질 C Si Mn P S V Cr
1 M-201
GRADE“E” 0.32 Max.
1.5 Max.
1.85 Max
0.04 Max
0.04 Max
- -
2.3 강도 해석
AAR E type 연결기의 형상은 [그림 2]와 같으며, 강도 해석은 연결기의 Knuckle에 대해서
실시한다. 강도해석의 대상인 Knuckle 형상은 [그림 2]와 같다.
그림 2 연결기 Knuckle 형상
재질의 응력 거동은 탄성영역 내에서 탄성계수(E)에 비례하는 선형적 특성을 보이므로, 응
력 (σ)은 항복응력을 넘어서기 전까지 다음과 같은 관계를 만족한다.
σ : 응력
E : 탄성계수(Elastic Modulus)
ε : 변형률
안전계수는 다음과 같은 식을 통해 구해진다.
S.F : 안전계수(Safety Factor)
σ : 응력
σy : 항복응력
2.3.1 응력 분포 및 변위
응력 분포는 [그림 ]과 같으며, 최대응력은 내측의 곡면구간에서 314.3N/mm2 이 발생한다.
Grade E 재질의 Knuckle의 항복강도(100,000 psi=690 N/mm2)를 고려하면, 안전율은 약 2.2
이다. 하중 조건은, 70 ton 인장하중이다.
그림 3 응력 분포(단위: N/mm2 = MPa)
변위 변화량은 [그림 ]과 같고, 연결된 상태에서 두 연결기 몸체의 최대 변위량은 0.54
mm이다.
그림 4 변위(단위: mm)
2.4 견인력 안전성 검토(90 ton, 150 ton) 2.4.1 내측 응력 분포
[그림 5]는 90 ton 의 견인력으로 인하여 체결측 연결기의 Knuckle 과의 접촉으로 발생되
는 응력 분포도를 나타내고 있다. 이때 발생하는 Knuckle 체결측의 각 절점 응력 평균은
329 MPa 이며, 최대 약 411 MPa 의 응력이 나타나고 있다.
#100003 #76605 #9164 #75822 #76874 #75819 #77024 #9336 #75961
Data 그래프 응력 분포
그림 5 Knuckle 내측 응력 분포 (90 ton)
[그림 6]는 150 ton 의 견인력으로 인하여 체결측 연결기의 Knuckle 과의 접촉으로 발생
되는 응력분포를 나타나고 있으며, Knuckle 의 상/하측으로 옮겨 갈수록 응력이 높아지고
있으나 모두 AAR "Grade E" 의 항복점 이내에서 발생되고 있음을 볼 수 있으며, 각 절점
의 응력 평균은 464 MPa 이며, 최대 약 591 MPa 의 응력이 발생하고 있다.
#15745 #76616 #75952 #76209 #76834 #77056 #9168 #9283 #75996
Data 그래프 응력 분포
그림 6 Knuckle 내측 응력 분포 (150 ton)
2.4.2 회전부 응력 분포
AAR E Type 연결기의 경우 견인력의 경우 Pivot pin 이 아닌 Knuckle 의 기계적인 구속체
결 방식으로 모든 외력을 받게 되며, [그림 7]은 90 ton 의 견인력으로 인하여 발생하는
응력분포를 나타내고 있으며, 각 절점의 평균은 315 MPa 이며, 최대 약 411 MPa 응력이
발생하고 있다.
#99296 #99549 #15738 #52939 #100003 #3490 #3481
Data 그래프 응력 분포
그림 7 Knuckle 회전부 응력 분포 (90 ton)
[그림 8]은 150 ton 의 견인력으로 인하여 발생하는 응력분포를 나타내고 있으며, 각 절
점의 응력 분포 평균은 499 MPa 이며, 최대 약 560 MPa 의 응력이 발생하고 있다.
#15739 #99520 #15737 #56638 #52980 #3483 #100008
Data 그래프 응력 분포
그림 8 Knuckle 회전부 응력 분포 (150 ton)
3. 결 론
철도차량을 연결하여 견인할 경우, 철도차량의 중량이 모두 연결기에 인장력으로 작용하
는 것이 아니므로, 실제로 얼마의 인장력이 작용 할지 예상하는 것은 여러가지 변수에 대
한 가정이 있어야 한다. 여기서는 knuckle에 작용하는 인장력은 차량 중량에 대한 저항이
37.87 kgf/ton 일 경우, 75ton 철도차량인 경우 약 3.8%의 힘(2,835kgf)이 저항력으로 작
용한다고 예상할 수 있으며, Knuckle의 항복강도를 기준으로 할 경우 77,835kgf의 인장력
에서 안전율이 2.2 이므로 총 171,237kgf의 인장력을 견딜 수 있을 것으로 예상된다.
또한, Knuckle 의 경우 90 ton, 150 ton 의 견인력을 견디고 있으면, 안전률의 경우 평균
응력 기준 90 ton 에서 2.0, 150 ton 에서 1.3 이상을 가지며, 최대응력 기준 90 ton 에
서 1.6, 150 ton 에서 1.15 이상의 안전률을 가지고 있다.
참고문헌
[1] EN 12663:2010, " Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies."