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ISSN : 1229-3059(Print)
ISSN : 2287-2302(Online)
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
Vol.32 No.1 pp.65-72

DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.2.065

Analysis and Evaluation of the Distributed Control Braking System of Long Freight Car Brakes

Byeong-Wook Nam1,Kyung-Ho Lee1†,Won-Hyuk Lee1,Jae-Duck Lee2,Ho-Jin Hwang3
1Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha Univ., Incheon, 22212, Korea
2Dept. Shipbuilding, Kangnam Corp., Busan, 49454, Korea
23Maritime Safety and Environmental Research Division, Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, Daejeon, 34103, Korea
Corresponding author: +82-32-860-7343; E-mail: kyungho@inha.ac.kr
November 14, 2018 November 29, 2018 December 10, 2018

Abstract


In long freight trains, there is a brake time delay in neighboring freight cars, which causes damage and fractures in the couplers, especially at their knuckle. A problem in the couplers of the cars can cause derailment and damages of human life and property. In this study, maximum forces on the couplers are studied when a long freight car brakes with the brake delay time and coupler gap. We make a dynamic model of 50 freight cars and couplers, applying contact between the couplers and a characteristic curve to express the force and displacement of the buffers using SIMPACK, which is a multi-body dynamics program. We use EN 14531-2, which is a standard of freight car brakes, to verify the dynamic model. Then, we compare the analyzed impact force with the coupler knuckle standard after applying the two carriages of a locomotive in the model based on the dispersed double head control system. The result shows that all coupler gap conditions satisfy the infinite lifetime of the material when the brake delay time is 0.1 second.



장대화물열차의 분산제어 제동 시 연결기에 발생하는 충격력 해석 및 분석

남병욱1,이경호1†,이원혁1,이재덕2,황호진3
1인하대학교 조선해양공학과, 2(주)강남 조선사업부, 3선박해양플랜트연구소 해양안전환경연구본부

초록


    1. 서 론

    최근 우리나라와 동북아 및 유라시아 지역 국가 간의 철도를 통한 화물 운송에 대한 중요성이 대 두되고 있다. 특히, 중국이나 러시아를 통해서 화물 열차를 운행 시 서로 다른 특성을 가지고 있는 제 동장치 및 연결기의 상호 인터페이스는 매우 중요 하여 지속적으로 연구가 이루어지고 있다.[1]

    현재 국내에서는 기관차 1량에 화차(freight car) 25 량 등의 구성으로 운영되고 있으며, 최근 40량 장 대화물열차의 시험운행을 진행하였다. 그러나 국외 의 경우 중국은 50량, 미국과 러시아는 70~150량 정도로 이미 대량 편성되어 운영하고 있는 실정이 다.[2]

    화물열차의 경우 제동관압력(BP)에 따라 열차의 위치별로 제동이 체결되는 시점에 차이가 있으며, 이로 인하여 연결기에 제동충격이 발생하고 있다. 아울러 연결기 틈새량은 연결기에 충격력을 크게 증가시키는 요인 중에 하나로 판단된다.

    국내외 화차 운행 시 연결기 손상이 빈번하게 일 어나는 부분은 너클과 너클핀이 결합되는 곳에서 주로 파괴 되고 있다. 특히, 중간 연결기가 파괴될 경우 열차의 탈선이나 화물이 선로에 방치되어 안 전상의 심각한 문제가 발생 할 수 있다.[2-3]

    이러한 문제를 해결하기 위하여 동역학 시뮬레이 션을 통한 철도차량 해석 및 분석 연구가 활발하게 이루어지고 있다.[4]

    A Nasr 등은 각각 다른 제동 지연 시간(0.02 sec, 0.06 sec, 0.1 sec)을 적용하여 연결기에 작용하는 충 격력을 분석하여 열차 제동 시 제동 지연 시간에 따라 연결기에 어떤 영향을 주는지 평가하였고,[5] F. Cheli 등은 화물열차 3량을 동역학 모델링하여 공차(20 ton)와 만 차(80 ton) 조건을 이용하여 연결 기에 작용하는 충격력을 구하고 이를 시험을 통해 시뮬레이션과 비교하였다.[6]

    현재 국외에서는 유무선 기술을 적용한 화물차량 의 분산제어기술을 개발하여 실제운행 제동시스템 에 적용하고 있다. 최근 국내에서도 분산제어 시스 템 프로토콜 개발을 위하여 화물열차 50량을 연결 하여 부산신항에서 진례역까지 총 21km를 왕복운 행하는 시험이 진행되었으며, 유선 및 무선 분산제 어 시스템 구성방안을 제안하고 검증하는 연구가 수행되었다. 이와 함께 장대화물열차 50량 편성의 상용제동 및 비상제동 특성에 대한 연구도 지속적 으로 수행되고 있다.[7-8]

    지난 선행연구로 장대화물열차 50량을 다물체 동 역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 모델링하고 열차 제동 지연 및 틈새량 등에 따른 연결기에 작 용하는 충격력을 평가하였다.[9]

    본 연구에서는 실제 비상제동 시험한 데이터를 적용하여 화차 50량의 제동지연 시간 및 공주시간 을 산출하였으며, 분산제어 제동을 하는 화물열차 의 편성을 2가지로 구성하여 해석 및 분석을 진행 하였다.

    2. AAR E형 연결기 및 완충장치

    2.1 AAR E형 연결기

    연결기는 열차의 편성을 조성하는데 차량 간의 연 결에 필요한 장치로 국내의 화물열차 차량에는 북 미 철도협회 (Association of American Railroads : AAR)에서 표준 연결기로 지정한 AAR E 연결기를 사용한다.

    연결기의 본체는 크게 헤드(head), 샹크(shank), 테 일(tail)의 3부분으로 구성되어 있고, 헤드 부분은 너클(knuckle)과 로크(lock), 로크 리프트(lock-lift assembly), 너클 스로워(thrower), 너클 핀(knuckle pin) 등의 구성으로 되어 있다. Fig. 1은 연결기 구 성을 설명하기 위하여 Strato inc.의 AAR E 연결기 자료를 참고하였다.[1, 15]

    연결기 테일 부분은 충격을 흡수하는 완충기와 연 결되어 사용된다. 국내 화차에는 최대하중 200 ton 용량의 고무완충기(rubber draft gear)를 주로 사용하 고 있으며, 해외 화차의 경우 고무완충기가 아닌 스틸완충기 (steel draft gear)를 사용하고 있다.

    스틸 완충기는 압축 저항력이 고무완충기 보다 2배 이상 크고, 에너지 흡수 측면에서 4배 이상 에너지 흡수율이 좋다.

    해외 화차의 경우 장대 열차(50량 이상)으로 편성 되는 경우가 많기 때문에 열차 제동 시 연결기에 작용하는 충격력이 크므로 완충기 고려 시 에너지 흡수율이 중요하다. Table 1

    본 연구에서는 Fig. 2와 같이 Miner Enterprises inc. 의 Crown SE 스틸 완충기의 특성을 이용하였으며, Fig. 4의 [A] 부분의 입력특성으로 사용되어 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 3

    3. 동역학 시뮬레이션

    3.1 동역학 해석 모델링

    화물열차 50량 모델링은 다물체 동역학 프로그램 인 SIMPACK의 기본 열차모델을 이용하여 모델링 하였으며, 열차의 중량을 Table 2와 같이 기관차, 화차 및 대차 부분으로 나누어 각각 적용하였다.

    본 해석에서는 만차(Full car)를 기준으로 해석을 진행하였으며, 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적 용하였다. 동역학 해석에 사용된 화물열차의 구성 은 Fig 3과 같이 기관차(locomotive) 1량과 화차 (freight car) 49량으로 모델링 하였으며, 각각 열차 사이의 연결기 및 완충기(coupler)를 모델링하였다.

    연결기 및 완충기의 구성은 Fig 4와 같이 [A] 부 분에는 완충기의 특성 커브(F-D curve)를 적용하였 고, [B] 부분에는 연결기 간 틈새량과 접촉조건을 적용하였다. [C] 부분은 화물열차 연결기가 회전 시 좌우 작동가능 범위로 13.5°의 구속조건을 적용하여 특정범위 내에서 구동하도록 모델링 하였다.

    화물열차의 동역학 모델을 검증하기 위하여 제동 거리 산출에 가장 많이 적용되는 EN 14531-2 규정 에 따라서 3량 해석 결과를 비교하였다.[11,12]

    이 규정에서는 시간 적분법을 이용하여 제동 관 련 파라미터를 계산하고 분석하는 방법을 제시하고 있어 제동거리, 제동시간, 제동력 등을 시뮬레이션 과 비교하여 검증하였다.

    화물열차는 제동 관련 규정 예시가 없기 때문에 제동력은 고속열차를 기준으로 분석하였으며, 제동 초기속도는 200 km/h로 적용하였다. 각각의 열차 무게에 감속도를 곱하여 제동력 산출하였으며, 제 동거리와 제동시간을 분석하였다.

    모델링에 사용된 해석 조건을 Table 3에서 확인 할 수 있으며, Table 4에 해석 결과를 정리하였다. 해석결과는 EN 14531-2의 제동거리는 1656.68 m 제동시간은 58 sec, 동역학 모델의 제동거리는 1686.76 m 제동시간은 61 sec 이다. EN 14531-2 대 비 제동거리를 비교했을 때 약 1.8 %, 제동시간을 비교했을 때 4.9 % 오차가 발생하였다.

    이와 같이 EN 14531-2 규정과 동역학 모델의 오 차 범위는 미미한 것으로 확인되었으므로, 이 방식 으로 열차 50량 모델링을 구성하여도 문제가 없다 고 평가하였다.[9]

    연결기의 충격력을 확인하는 동역학 모델링의 경 우 해석시간을 단축시키기 위하여 단순화 모델을 적절히 이용하기도 한다. 독일 BD BAHN의 화물열 차 동역학 모델링 연구결과를 참고하여 열차의 휠- 레일 접촉을 제거하고, 박스 모델링으로 단순화 시 켜서 해석시간을 감소와 수치적 안정성을 향상 시 킬 수 있었다.[13]

    Fig 5는 단순화 모델의 검증을 위하여 휠-레일 접촉 모델과 동일한 중량을 적용하여 각각 5량, 10 량, 15량, 20량 조건으로 해석을 수행하였다. 연결 기에 작용하는 최대 충격력 값을 비교한 결과 약 1~2 %의 오차가 발생하였으며, Table 5에 해석 결 과를 비교 분석하였다.

    이와 같이 단순화 모델을 적용하여 해석을 진행 하더라도 오차의 범위가 작게 발생하기 때문에 50 량 이상의 장대화물열차 모델링 시 단순화 모델을 적용하여 적합하다고 판단된다.

    3.2 제동 지연에 따른 최대 충격력 해석

    화물열차 50량 해석을 진행하였으며, 해석조건을 Table 6에 정리하였다. 연결기 제동지연시간 0.1 sec 에 연결기 틈새량 20 mm일 때의 조건으로 해석을 실시하였다. 해석결과 Fig. 6와 같이 29번째 연결기 에서 최대 988 kN 이 발생하였다.

    AAR M-211 규정에 따르면 AAR E 연결기의 경 우 연결기 몸체에서 3114 kN, 너클Image1.gif 1800 kN 이상 가해질 때 연결기의 영구변형이 발생하지 않 을 것으로 명시되어 있다.[10] 아울러 화물열차를 운 행 시 제동에 의하여 연결기에 지속적인 충돌이 발 생하기 때문에 피로해석이 필요하다.

    AAR E 연결기의 재질의 피로한도 323 MPa 을 참고하여 해석결과를 분석하였으며,[14] 선행연구 결 과 피로한도를 만족시키기 위해서는 연결기의 작용 하는 충격력이 790 kN 이하로 발생해야한다.[9]

    3.3 제동시험 데이터를 이용한 해석 결과

    유진기공산업(주)에서 한국철도공사의 신조차량 전 기기관차 도입 시 39량 편성시험을 진행하였다.

    시험은 12량과 39량에서 만차 최대제동압력을 측 정하여 이 결과를 바탕으로 Table 7에서와 같이 화 차 50량의 제동지연 시간 및 공주시간을 산출하였 다.[8]

    이를 고려하여 제동 지연시간과 공주시간을 동역 학 모델에 적용하였으며, 연결기의 틈새량을 5~50 mm 까지 변화시키면서 해석을 수행하였다.

    해석결과 Fig. 7과 같이 틈새량이 50 mm 이상일 때 너클의 영구변형 기준을 넘었으며, 모든 결과에 서 연결기 너클의 피로수명 기준인 790 kN을 넘어 만족시키지 못 했다.

    3.4 열차 편성 변화에 따른 해석 결과

    분산중련제어 시스템은 Fig. 8과 같이 기관차 2대 를 화차 앞뒤에 나누어 연결하고 앞의 기관차(제어 기관차)가 뒤의 기관차(피제어기관차)를 유선 혹은 무선으로 제어하는 기술이다.[7]

    특히 50량 이상의 장대화물열차를 운행을 위한 핵심기술로 미국, 중국, 호주 등 일부 국가에서만 운용되고 있다. 최근 국내에서도 기술 개발을 시작 했으며, 열차의 길이가 총 1.2 km에 달하는 80량 시험운행에 성공하였다.

    본 논문에서는 분산중련제어 시스템을 적용하여 50량 화물열차 편성을 Fig. 9와 같이 2가지로 구성 하여 연결기 틈새량 20~100 mm, 제동 지연시간을 0.1 sec로 고정하여 해석을 수행하였다.

    Simulation A의 경우 양쪽 끝에 기관차를 편성하 여 양쪽에 끝에서 부터 동시에 제동 (분산중련 무 선제어 시스템)이며, Simulation B는 기관차를 처음 과 중간(26량)에 연결하여 동시에 제동하는 제어 방 법을 적용하였다.

    해석결과 Fig. 10과 같이 모든 틈새량 조건에서 연결기 너클 재질의 무한 수명 기준을 만족시킴을 알 수 있었고, Simulation A가 Simulation B 보다 모 든 틈새량 조건에서 충격력이 작게 나옴을 알 수 있었다.

    6. 결 론

    본 논문에서는 50량 이상의 장대화물열차의 효율 적인 운영을 위하여 열차 편성 변화에 따른 연결기 충격력을 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 해석 및 분석하였다.

    해석 조건으로 연결기의 틈새량, 제동지연 및 공 주시간, 열차 편성 변화 (분산중련제어 시스템)으로 해석을 수행하였으며, 아래와 같이 결론을 정리하 였다.

    1. 실차시험에서 도출한 제동지연 시간 및 공주시 간을 적용하여 충격력 해석 및 분석하였으며, 연결기 너클 기준과 비교한 결과 틈새량이 50 mm 이상이 되었을 때 연결기 너클의 영구변형 이 발생하였고, 모든 틈새 조건에 재료의 무한 수명을 만족시키지 못 했다.

    2. 분산중련 무선제어 시스템을 참고하여 기관차 2량을 모델링의 적용하여 충격력 해석 및 분석 하여 이를 연결기 너클 기준과 비교한 결과 제 동 지연시간이 0.1 sec 일 때, 모든 틈새량 조 건에서 재료의 무한 수명을 만족시켰다.

    3. 분산제어 시스템을 적용하기 위한 화물열차 편 성 구성 및 연결기 종류별 인터페이스 개발의 기초자료로 활용이 가능하다.

    4. 향후 우리나라와 동북아 및 유라시아 지역 국 가간의 철도를 통한 화물 운송에 국가 간 서로 다른 제동특성에 대비하여 본 연구결과를 적용 하여 활용이 가능할 것으로 판단된다.

    후 기

    “본 논문은 국토교통부 철도기술연구사업의 연구비 지원(17RTRP-B118949-02)에 의해 연구되었음”

    Figure

    KSMPE-18-65_F1.gif
    AAR E coupler drawing
    KSMPE-18-65_F2.gif
    F-D curve of steel draft gear
    KSMPE-18-65_F3.gif
    Dynamic models of 50 freight cars
    KSMPE-18-65_F4.gif
    Dynamic models of coupler and draft gear
    KSMPE-18-65_F5.gif
    General model and Box model of Freight cars
    KSMPE-18-65_F6.gif
    Results of coupler forces in 50 freight cars
    KSMPE-18-65_F7.gif
    Results of maximum coupler force according to experiment data
    KSMPE-18-65_F8.gif
    Schematic diagram of LOCOTROL system
    KSMPE-18-65_F9.gif
    Two different train configuration systems
    KSMPE-18-65_F10.gif
    Results of maximum coupler force according to Two different train configuration systems

    Table

    Mechanical property of AAR E coupler
    Freight cars mass
    Results and conditions of an example of 3 freight cars in EN 14531-2
    Comparisons of the results in 3 freight car's simulation
    Comparisons of maximum impulsive forces to the couplers in 5, 10, 15 freight cars
    Conditions for simulation analysis of 50 freight cars
    Experiment results about brake delay

    Reference

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