중충돌시 도시철도차량의 연결장치 완충특성 해석을 위한 충돌 시뮬레이션 :

지용현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 지용현 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박영일

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

도시철도차량 연결기 흡수장치의 충돌 시뮬레이션을 위한 충돌 실험

지용현 , 임성현 , 박영일 한국자동차공학회논문집 2021.08 학술저널

중충돌시 도시철도차량의 연결장치 완충특성 해석을 위한 충돌 시뮬레이션

지용현 글로벌철도시스템학과 2021.01 학위논문

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일상생활에서 지하철, 고속철도 등 철도차량은 우리 주변에서 흔히 접할 수 있는 편리한 대중교통이 되었고 이를 이용하는 승객들도 대량수송 고속 운행의 교통수단에 대한 안전성 요구도 증가되고 있다.
철도차량은 차량 1칸씩 서로를 연결하여 여러 칸이 연결된 편성 단위로 조합하여 운행하고 있으며 편성 단위로 조합된 차량의 전·후부와 중간에는 차량의 연결 및 운행 중 출발·정지·가속·감속시 충격과 이례상황 등으로 차량 간 충돌이 발생할 경우 승객 사상, 차량 파손 및 화물 손상 방지를 위해 충격에너지를 흡수하고 분산시키기 위한 여러 종류의 연결장치가 설치되어 있다.
국내 철도차량의 연결장치 성능은 차량이 운행 중 충돌 안전성을 확보하기 위하여“철도안전법”등에 따라 제도적 안전기준도 지속적으로 강화되고 있다. 차량을 편성 단위로 연결하는 연결장치의 안전기준은 2005년도 충돌 흡수 기준(5㎞/h)을 제정한 이후 기준이 강화되어 2016년 3월에는“도시철도차량기술기준”에 따라 차량이 상대속도 25㎞/h에서 연결기를 통하여 충돌할 때 충격을 흡수하도록 충돌 안전설계 기준이 강화되었고 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
이와 같이 철도차량의 충격력 흡수, 분산을 위해 사용되는 연결기 성능 및 안전성에 대한 검증을 요구하고 있지만 실제 차량을 충돌하여 안전성을 검증하기 위해서는 소요비용과 위험성 등 어려움으로 시뮬레이션 해석에 의존하고 있다.
본 연구에서는 연결기를 구성하고 있는 각각의 완충장치 종류별 특성을 이용하여 수학적 모델을 개발하였고 이를 해석한 결과가 중충돌시 도시철도차량 연결장치의 완충 특성이 법에서 정하는 기준을 만족하는지를 검증하였다.
충돌 해석을 위한 시험에 적용된 철도차량의 충돌 조건은 철도안전법에 따른 철도차량기술기준 [KRT-VE-Part51-2017(R1)] 5.2.13항 충돌 안전 시험 및 EN 15227의 기준을 적용하여 10칸의 도시철도차량이 25㎞/h로 충돌하는 조건으로 진행되었으며 완충장치 각 단품별 충돌시험을 수행하여 연결기 완충장치의 스트로크의 변위, 에너지 흡수량 및 하중 등을 측정하여 특성을 평가하였다.
평가한 결과 고무완충장치와 직렬로 연결된 유압완충장치는 충격 속도의 급격한 증가와 반력 증가로 인해 변위가 거의 없었으며 중충돌의 경우 증가된 충격력이 충돌 차량에 집중되므로 차량 위치에 따라 특성이 다른 변형튜브를 적용하는 것도 고려해 볼 수 있다. 또한 고무완충장치, 유압완충장치 및 변형튜브의 특성이 충격력, 변위 선도를 비교적 잘 추종하고 충돌 직후 직접 충돌한 차량의 영향으로 모든 차량이 진동하고 결국 모든 차량이 정지하는 것을 확인하였고 충돌 발생 시 각종 완충장치로 인해 다량의 운동에너지가 손실되고 일정 시간이 지나면 연결기 시스템이 더 이상 에너지를 흡수하지 못하고 완충장치 기능이 상실됨을 알 수 있었다.
또한, 수학적 모델을 적용한 해석 프로그램이 연결기 완충장치의 구성요소, 마찰 요소 및 차체의 에너지 흡수 거동과 충돌 차량 들의 속도 등 각 구성요소에 작용되는 힘이 시험 결과를 잘 모사하여 25㎞/h 충돌 시 고무완충장치, 유압완충장치 및 변형튜브의 적용이 도시철도차량의 충돌 흡수 조건을 만족한다는 것을 확인할 수 있었다.

In our daily life, railroad vehicles such as subways and high-speed rail have become convenient public transportation that we can often encounter around us, and the passengers who use them are also increasing the safety requirements for mass transportation and high-speed operation.
Railroad cars are operated by connecting one car to each other and operating in combination in a group unit with multiple sections connected. Impacts during start/stop/acceleration/deceleration during operation and connecting the vehicles in the front, rear, and middle of the combined vehicle. In the event of a collision between vehicles due to an unusual situation, etc., various types of connection devices are installed to absorb and disperse the impact energy to prevent passenger injury, vehicle damage, and cargo damage.
In order to ensure the safety of collision safety while the vehicle is operating, the institutional safety standards are continuously being strengthened in accordance with the “Railway Safety Act”, etc. The safety standards for connection devices that connect vehicles in units have been strengthened since the enactment of the collision absorption standard (5 km/h) in 2005. Collision safety design standards have been strengthened to absorb shocks when a collision occurs through a connector at 25 km/h, and the trend is continuously increasing.
As such, verification of the performance and safety of the connector used for absorbing and distributing the impact force of railroad vehicles is required, but in order to verify the safety of the actual vehicle crashing, it is dependent on simulation analysis due to difficulties such as cost and risk.
In this study, a mathematical model was developed using the characteristics of each type of shock absorber composing the connector, and it was verified whether the analysis result satisfies the standard stipulated by the law in the case of a heavy collision.
The collision conditions of railroad vehicles applied to the test for collision analysis are 10 spaces by applying the standards of 5.2.13 collision safety test and EN 15227 of the Railroad Vehicle Technical Standard according to the Railroad Safety Act [KRT-VE-Part51-2017(R1)] of urban railroad vehicles collided at 25 km/h, and each shock absorber was subjected to a crash test to measure the stroke displacement, energy absorption, and load of the coupler shock absorber to evaluate its characteristics.
As a result of the evaluation, the hydraulic shock absorber connected in series with the rubber shock absorber had almost no displacement due to the rapid increase in the impact speed and the increase in the reaction force. A tube may also be considered. In addition, it was confirmed that the characteristics of the rubber shock absorber, the hydraulic shock absorber, and the deformation tube follow the impact force and displacement curve relatively well, and immediately after the collision, all the vehicles vibrated and eventually all the vehicles stopped under the influence of the directly impacted vehicle. It was found that a large amount of kinetic energy was lost due to the shock absorber, and after a certain period of time, the coupler system could no longer absorb the energy and the shock absorber function was lost.
In addition, the analysis program applied with the mathematical model simulates the test results well for the forces acting on each component, such as the components of the coupler shock absorber, the friction element, the energy absorption behavior of the vehicle body, and the speed of the collision vehicles. It was confirmed that the application of the shock absorber, the hydraulic shock absorber and the deforming tube satisfies the collision absorption condition of the urban railroad vehicle.

#Rolling Stock(철도차량) #Coupler(연결기) #Buffer Characteristic(완충특성) #Collision Test(충돌 실험)

요 약 ⅰ
표 목 차 ⅴ
그림목차 ⅵ
기호설명 ⅸ
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 철도차량의 충돌에 대한 안전 규정 3
3. 국·내외 연구 동향 6
4. 연구의 내용 8
Ⅱ. 철도차량 연결기 완충장치의 역할 및 성능 10
1. 연결기 완충장치 역할 10
2. 완충장치 종류별 성능 및 특징 14
1) 다판식 싱글형 고무완충장치 (Single Type) 14
2) 다판식 더블형 고무완충장치 (Double Type) 15
3) 링형 고무완충장치 (Ring Type) 16
4) 관절형 고무완충장치 (EFG2, EFG3) 17
5) 유압완충장치 (Hydraulic Buffer) 22
6) 변형튜브 (Deformation Tube) 26
7) 전단볼트 (Shear off System) 28
Ⅲ. 철도차량 연결기의 충돌시험 30
1. 연결기 완충장치의 충돌시험 구성 30
2. 시험에 적용된 철도차량 구성 및 제원 34
3. 완충장치 충돌시험 결과 35
Ⅳ. 충돌 시뮬레이션 39
1. 시뮬레이션을 위한 완충장치 시스템 구성 39
2. 시뮬레이션 조건 39
3. 철도차량 및 연결장치 시스템 모델 42
4. 충돌 시뮬레이션 프로그램 47
5. 개발 프로그램에 대한 검증 54
6. 시뮬레이션 결과 및 논의 57
Ⅴ. 결 론 61
참고문헌 63
영문요약(Abstract) 66

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