철도차량의 탈선 원인에는 레일 및 차축 결함, 트랙 뒤틀림, 측풍 등 다양하다. 그 중 측풍에 의한 탈선은 19세기 초부터 지속적으로 발생되어 측풍에 대한 많은 연구가 이루어졌고, 측풍에 의한 탈선 위험도를 이론적으로 예측할 수 있는 방법들이 제안되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 탈선 이론식에서 고려하지 못한 철도차량의 차체, 대차 및 윤축에 대한 구조체와 현가장치 특성을 반영하여 일정한 측풍이 차체에 작용하였을 때 현가장치 및 휠 / 레일 접촉력을 예측할 수 있는 이론모델을 제시하였다. 측풍에 의한 횡력의 크기가 작을 경우에는 외력이 작용하지 않는 초기상태에 외력을 추가하여 계산한 이론식(1 step)은 ...
철도차량의 탈선 원인에는 레일 및 차축 결함, 트랙 뒤틀림, 측풍 등 다양하다. 그 중 측풍에 의한 탈선은 19세기 초부터 지속적으로 발생되어 측풍에 대한 많은 연구가 이루어졌고, 측풍에 의한 탈선 위험도를 이론적으로 예측할 수 있는 방법들이 제안되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 탈선 이론식에서 고려하지 못한 철도차량의 차체, 대차 및 윤축에 대한 구조체와 현가장치 특성을 반영하여 일정한 측풍이 차체에 작용하였을 때 현가장치 및 휠 / 레일 접촉력을 예측할 수 있는 이론모델을 제시하였다. 측풍에 의한 횡력의 크기가 작을 경우에는 외력이 작용하지 않는 초기상태에 외력을 추가하여 계산한 이론식(1 step)은 다물체 동역학 프로그램과 큰 차이가 발생하지 않는다. 하지만 횡력의 크기가 커져 차체의 변위가 커지게 되면 오차가 커지기 때문에 정적평형 방정식을 반복적으로 계산하는 방법으로 대변위를 고려한 이론식(Multi-step)을 도출하여 다물체 동역학 프로그램을 통해 검증하였다. 또한, 일정한 간격으로 배치된 선로 구조물이나 교량상의 구조물로 인하여 철도차량에 작용하는 주파수를 가진 측풍에 대하여 이론식을 제시하고, 이 과정에서 차량의 제원과 현가장치의 특성을 이용하여 고유진동수를 예측할 수 있는 이론식을 도출하였다. 이론식을 이용하여 측풍의 주파수가 차량 주행안전성에 미치는 영향에 대하여 주파수 별로 분석한 결과 측풍의 주파수가 차량 고유진동수와 일치하면 공진현상이 발생되어 탈선 위험도가 급격히 증가하여 탈선 판정기준을 초과하는 것을 확인하였다. 도출된 이론식은 휠의 플랜지 각도나 마찰계수 등 휠 / 레일 인터페이스에 대해 자세히 다루고 있지 않는다. 이를 보완하기 위해 선행 연구에서 검증된 단일윤축 탈선 이론모델과 연계하여 정확한 탈선 위험도와 탈선 유형을 예측할 수 있다. 국내 측풍에 따른 고속열차 운행규정에 따라 직선 선로 또는 곡선 선로(횡 가속도 0.5 [m/s2], 1 [m/s2])에서 탈선유형에 따라 TSI 기준 또는 UIC 기준으로 탈선 위험도를 평가하였고, 기존에 사용하던 이론식에서는 고려하지 못한 레일 불규칙도에 의한 횡력 및 윤중 변화와 같은 동적 효과를 적용하여 Kunieda 식과 비교하여 개선된 부분을 확인하였다. 그리고 열차와 선로 장애물과의 거리에 따라 차체에 작용하는 공기 압력의 크기가 변하기 때문에 하중의 진폭 크기에 따른 조건과 곡선 선로 주행 시 측풍의 방향 및 각도 등 다양한 측풍조건과 전 세계적으로 다양하게 사용하는 궤간의 크기에 따라 열차의 탈선 위험도와 탈선 유형을 평가하였다. 이전 연구들에서 측풍에 의한 탈선 위험도를 분석하는 연구가 많이 진행되어 왔으나 대표적인 Kunieda 식의 경우에도 차량의 현가특성이나 측풍의 각도 또는 변동 측풍 등을 평가하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 차량 제작 전 기본적인 차량의 제원 및 현가장치 특성을 이용하여 다양한 측풍 및 선로조건에서 차량의 주행안전성을 평가할 수 있는 이론식을 도출하였고, 다물체 동역학 프로그램을 통해 이론의 타당성을 입증하였다.
철도차량의 탈선 원인에는 레일 및 차축 결함, 트랙 뒤틀림, 측풍 등 다양하다. 그 중 측풍에 의한 탈선은 19세기 초부터 지속적으로 발생되어 측풍에 대한 많은 연구가 이루어졌고, 측풍에 의한 탈선 위험도를 이론적으로 예측할 수 있는 방법들이 제안되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 탈선 이론식에서 고려하지 못한 철도차량의 차체, 대차 및 윤축에 대한 구조체와 현가장치 특성을 반영하여 일정한 측풍이 차체에 작용하였을 때 현가장치 및 휠 / 레일 접촉력을 예측할 수 있는 이론모델을 제시하였다. 측풍에 의한 횡력의 크기가 작을 경우에는 외력이 작용하지 않는 초기상태에 외력을 추가하여 계산한 이론식(1 step)은 다물체 동역학 프로그램과 큰 차이가 발생하지 않는다. 하지만 횡력의 크기가 커져 차체의 변위가 커지게 되면 오차가 커지기 때문에 정적평형 방정식을 반복적으로 계산하는 방법으로 대변위를 고려한 이론식(Multi-step)을 도출하여 다물체 동역학 프로그램을 통해 검증하였다. 또한, 일정한 간격으로 배치된 선로 구조물이나 교량상의 구조물로 인하여 철도차량에 작용하는 주파수를 가진 측풍에 대하여 이론식을 제시하고, 이 과정에서 차량의 제원과 현가장치의 특성을 이용하여 고유진동수를 예측할 수 있는 이론식을 도출하였다. 이론식을 이용하여 측풍의 주파수가 차량 주행안전성에 미치는 영향에 대하여 주파수 별로 분석한 결과 측풍의 주파수가 차량 고유진동수와 일치하면 공진현상이 발생되어 탈선 위험도가 급격히 증가하여 탈선 판정기준을 초과하는 것을 확인하였다. 도출된 이론식은 휠의 플랜지 각도나 마찰계수 등 휠 / 레일 인터페이스에 대해 자세히 다루고 있지 않는다. 이를 보완하기 위해 선행 연구에서 검증된 단일윤축 탈선 이론모델과 연계하여 정확한 탈선 위험도와 탈선 유형을 예측할 수 있다. 국내 측풍에 따른 고속열차 운행규정에 따라 직선 선로 또는 곡선 선로(횡 가속도 0.5 [m/s2], 1 [m/s2])에서 탈선유형에 따라 TSI 기준 또는 UIC 기준으로 탈선 위험도를 평가하였고, 기존에 사용하던 이론식에서는 고려하지 못한 레일 불규칙도에 의한 횡력 및 윤중 변화와 같은 동적 효과를 적용하여 Kunieda 식과 비교하여 개선된 부분을 확인하였다. 그리고 열차와 선로 장애물과의 거리에 따라 차체에 작용하는 공기 압력의 크기가 변하기 때문에 하중의 진폭 크기에 따른 조건과 곡선 선로 주행 시 측풍의 방향 및 각도 등 다양한 측풍조건과 전 세계적으로 다양하게 사용하는 궤간의 크기에 따라 열차의 탈선 위험도와 탈선 유형을 평가하였다. 이전 연구들에서 측풍에 의한 탈선 위험도를 분석하는 연구가 많이 진행되어 왔으나 대표적인 Kunieda 식의 경우에도 차량의 현가특성이나 측풍의 각도 또는 변동 측풍 등을 평가하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 차량 제작 전 기본적인 차량의 제원 및 현가장치 특성을 이용하여 다양한 측풍 및 선로조건에서 차량의 주행안전성을 평가할 수 있는 이론식을 도출하였고, 다물체 동역학 프로그램을 통해 이론의 타당성을 입증하였다.
The causes of derailment of a railway vehicle are various : a rail and an axle defects, track twist, cross-wind and so on. Derailments caused by cross-wind have occurred since the beginning of the 19th century. A lot of researchers have studied on cross-wind and proposed a variety of methods that ca...
The causes of derailment of a railway vehicle are various : a rail and an axle defects, track twist, cross-wind and so on. Derailments caused by cross-wind have occurred since the beginning of the 19th century. A lot of researchers have studied on cross-wind and proposed a variety of methods that can theoretically predict the risk of derailment. In this study, when constant cross-wind acts on a railway vehicle, a theoretical derailment model that can predict wheel / rail contact forces and suspension forces was suggested. The theoretical model took into account the suspension characteristics and structural characteristics (a car body, a bogie and a wheel set) that were not considered in existing derailment theories. When a cross-wind force acting on a railway vehicle is weak, the result of the theory (1 step) which calculated by adding wind forces to the initial state is similar to the result of a multi-body dynamics program (SIMPACK). But the theory (Multi-step) considering the large displacement by calculating repeatedly static equilibrium equations was derived and verified through the multi-body dynamics program because the error of 1 step theory is greater as the displacement of a car body increases with the strong cross-wind force. In addition, a theoretical equation was suggested for cross-wind with frequency by the structures on a track or bridge structures placed at regular intervals. In the process, a theoretical formula that can predict the natural frequency by using the specifications of a railway vehicle was derived. The influence of the frequency of cross-wind on the driving safety using the theoretical formula was analyzed according to frequency. When the frequency of cross-wind matches the natural frequency of the vehicle, the resonance phenomenon was occurred and the risk of derailment was increased rapidly. Even though the derived theoretical formula in this study doesn't cover the wheel / rail interface in detail, such as a flange angle or a friction coefficient, it is possible to predict an accurate derailment risk and a derailment behavior by applying the derailment theory of single wheel-set which was verified in a previous study. Derailment risk was assessed on the basis of TSI or UIC code on a straight or curved track (lateral acceleration of 0.5 [m/s2], 1 [m/s2]) using the operating regulations of high-speed train in Korea. The theory derived in this paper was improved compared with Kunieda's formula by applying dynamic effects such as lateral forces and wheel unloading by rail irregularity that where not considered in previous theories. Derailment risks and derailment behaviors were evaluated according to the conditions depending on the magnitude of wind forces and the direction and angle of cross-wind on curved track, as well as the gauge used in various sizes around the world. In conclusion, existing theories including Kunieda's formula which is typically used in Japan have a limitation to predict the derailment risk by considering characteristics of suspensions, angles or frequencies of cross-wind although a lot of formulas about derailment have derived to evaluate the derailment risk. In this study, the theory was derived to predict the derailment risk under various cross-wind and track conditions, using characteristics of suspension and vehicle specifications in the design process of a train.
The causes of derailment of a railway vehicle are various : a rail and an axle defects, track twist, cross-wind and so on. Derailments caused by cross-wind have occurred since the beginning of the 19th century. A lot of researchers have studied on cross-wind and proposed a variety of methods that can theoretically predict the risk of derailment. In this study, when constant cross-wind acts on a railway vehicle, a theoretical derailment model that can predict wheel / rail contact forces and suspension forces was suggested. The theoretical model took into account the suspension characteristics and structural characteristics (a car body, a bogie and a wheel set) that were not considered in existing derailment theories. When a cross-wind force acting on a railway vehicle is weak, the result of the theory (1 step) which calculated by adding wind forces to the initial state is similar to the result of a multi-body dynamics program (SIMPACK). But the theory (Multi-step) considering the large displacement by calculating repeatedly static equilibrium equations was derived and verified through the multi-body dynamics program because the error of 1 step theory is greater as the displacement of a car body increases with the strong cross-wind force. In addition, a theoretical equation was suggested for cross-wind with frequency by the structures on a track or bridge structures placed at regular intervals. In the process, a theoretical formula that can predict the natural frequency by using the specifications of a railway vehicle was derived. The influence of the frequency of cross-wind on the driving safety using the theoretical formula was analyzed according to frequency. When the frequency of cross-wind matches the natural frequency of the vehicle, the resonance phenomenon was occurred and the risk of derailment was increased rapidly. Even though the derived theoretical formula in this study doesn't cover the wheel / rail interface in detail, such as a flange angle or a friction coefficient, it is possible to predict an accurate derailment risk and a derailment behavior by applying the derailment theory of single wheel-set which was verified in a previous study. Derailment risk was assessed on the basis of TSI or UIC code on a straight or curved track (lateral acceleration of 0.5 [m/s2], 1 [m/s2]) using the operating regulations of high-speed train in Korea. The theory derived in this paper was improved compared with Kunieda's formula by applying dynamic effects such as lateral forces and wheel unloading by rail irregularity that where not considered in previous theories. Derailment risks and derailment behaviors were evaluated according to the conditions depending on the magnitude of wind forces and the direction and angle of cross-wind on curved track, as well as the gauge used in various sizes around the world. In conclusion, existing theories including Kunieda's formula which is typically used in Japan have a limitation to predict the derailment risk by considering characteristics of suspensions, angles or frequencies of cross-wind although a lot of formulas about derailment have derived to evaluate the derailment risk. In this study, the theory was derived to predict the derailment risk under various cross-wind and track conditions, using characteristics of suspension and vehicle specifications in the design process of a train.
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