[논문]비선형 임계속도 검증을 위한 실험적 연구

정우진; 김성원

문제 정의

후방 대차들간의 연성(coupling)이 작으므로전체 차량 모델을 해석하는데 사용되는 비용과 시간을 절감하기 위하여 동특성 해석에 많이 사용되어진다.⑴ 본 연구에서는 실험을 통해 이런가 정이 타당한지 또는 얼마정도의 차이를 갖는지에 대해 검증하고자 전. 후방 대차를 한량씩 구동하고 각각의 임계속도를 측정하였다.
39m/s(5km/h) 씩 단계적으로 속도를 증감하고 매 단계마다 약 30초씩 그 속도를 유 지한 상태로 선형 및 비선형 임계속도를 측정하는 두 번째 실험이 실시되었다. 두 번재 방법은 비선형 임계속도가 구동 가속도에 의한 관성효과로 발생하는지의 유무를 검증하기 위하여 실시되었다.
비선형 임계속도가 관성에 의한 과도현상이 아님을 확인하기 위하여 주행속도를 연속 그리고 불연속적으로 감가속하면서 선형과 비선형 임계속도들을 측정하였다. 또한 전, 후방 대차를 따로 구동시키고 각각의 임계속도를 측정해 봄으로서 차량의 안전성을 간편하게 예측할 때 대차 모델만을 사용하던 종래의 방법이 타당한지 확인하고자 하였다. 마지막으로 차량의 임계속도와 응답 주파수를 예측하기 위해 산업체에서 사용되던 간편식들의 정확성을 검토하여 보았다.
또한 전, 후방 대차를 따로 구동시키고 각각의 임계속도를 측정해 봄으로서 차량의 안전성을 간편하게 예측할 때 대차 모델만을 사용하던 종래의 방법이 타당한지 확인하고자 하였다. 마지막으로 차량의 임계속도와 응답 주파수를 예측하기 위해 산업체에서 사용되던 간편식들의 정확성을 검토하여 보았다.
있다. 본 연구에서는 실험자료를 바탕으로 이 식들의 정확성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

사행동이 발생될 것이다. 또한 주행속도를 점차 줄인다면 비선형 임계속도까지 이르러서 야사 행동은 소멸될 것이다. 그러나 레일의 불규칙 도(irregularity)나 기타 외란(disturbance)에 의한 충격이 주행 중 차량에 가해진다면 차량의 거동은 선형 임계속도에 다다르기 전에 주기해 (periodic solution)로 도약되므로 정확한 선형 임계속도의 측정이 불가능하다.

제안 방법

임계속도 예측은 이런 모델을 기반으로연구되어질 수 있으므로 정확한 물성치 측정은 매우 중요하다.(17) 1차 및 2차 현가장치의 물성치는 스프링 시험기와 댐퍼 시험기를 사용하여 측정되었다. 관성 모멘트는 엑츄에이터 (actuator)를 설치하고 차량을 정현파로 가진하면서 각각의 각가속도와 반력 등을 측정하여 구하였으며 물성치 측정결과는 table 2 와 같다.
2. 3과 같이 차체의 횡방향 변위를 A점에 변위계를 설치하여 측정하였고 B점에 가속도계를 설치하여 횡방향 가속도를 측정하였다. 차륜의 횡방향 변위와 전방대차 A에 대한 횡 방향 변위는 c, D.
(17) 1차 및 2차 현가장치의 물성치는 스프링 시험기와 댐퍼 시험기를 사용하여 측정되었다. 관성 모멘트는 엑츄에이터 (actuator)를 설치하고 차량을 정현파로 가진하면서 각각의 각가속도와 반력 등을 측정하여 구하였으며 물성치 측정결과는 table 2 와 같다.
비선형 임계속도를 측정하였다. 또한 차량의 안정성을 간편하게 예측할 때 대차모델만을 사용하던 종래의 방법이 타당한지 확인하였으며 차량의 임계속도와 응답주파수를 예측하기 위하여 산업체에서 사용되던 간편식들의 정확성을 검토한 결과 다음의 결과를 도출할 수 있었다.
그러나 해외에서의 실험결과는 대부분 비공개로 분류되어 접근이 용이하지 않고 국내에는 주행시험대 장치가 갖추어져 있지 못하여 임계속도 실험을 수행하지 못하고 있어 이의 예측을 이론해석에만 의존하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 중국 서남교통대학에서 보유 중인 주행시험대를 사용하여 차량의 비선형 임계속도를 측정하였다. 비선형 임계속도가 관성에 의한 과도현상이 아님을 확인하기 위하여 주행속도를 연속 그리고 불연속적으로 감가속하면서 선형과 비선형 임계속도들을 측정하였다.
본 연구에서는 중국 서남교통대학에서 보유 중인 주행시험대를 사용하여 차량의 비선형 임계속도를 측정하였다. 비선형 임계속도가 관성에 의한 과도현상이 아님을 확인하기 위하여 주행속도를 연속 그리고 불연속적으로 감가속하면서 선형과 비선형 임계속도들을 측정하였다. 또한 전, 후방 대차를 따로 구동시키고 각각의 임계속도를 측정해 봄으로서 차량의 안전성을 간편하게 예측할 때 대차 모델만을 사용하던 종래의 방법이 타당한지 확인하고자 하였다.
비선형 임계속도를 주행시험대를 이용하여 측정하였으며 비선형 임계속도가 관성에 의한 과도현상이 아님을 확인하기 위하여 주행속도를 연속 그리고 불연속적으로 감가속하면서 선형 및 비선형 임계속도를 측정하였다. 또한 차량의 안정성을 간편하게 예측할 때 대차모델만을 사용하던 종래의 방법이 타당한지 확인하였으며 차량의 임계속도와 응답주파수를 예측하기 위하여 산업체에서 사용되던 간편식들의 정확성을 검토한 결과 다음의 결과를 도출할 수 있었다.
0.2m/s2의 가속도로 서서히 주행속도를 증가시 켜 처음으로 사행동이 발생되는 속도인 선형 임 계속도를 측정한 후 다시 -OZm/s?의 가속도로 주행속도를 줄이면서 사행동이 소멸되는 속도대 역을 찾아 비선형 임계속도를 결정하는 첫 번째 실험과 1.39m/s(5km/h) 씩 단계적으로 속도를 증감하고 매 단계마다 약 30초씩 그 속도를 유 지한 상태로 선형 및 비선형 임계속도를 측정하는 두 번째 실험이 실시되었다. 두 번재 방법은 비선형 임계속도가 구동 가속도에 의한 관성효과로 발생하는지의 유무를 검증하기 위하여 실시되었다.
⑴ 본 연구에서는 실험을 통해 이런가 정이 타당한지 또는 얼마정도의 차이를 갖는지에 대해 검증하고자 전. 후방 대차를 한량씩 구동하고 각각의 임계속도를 측정하였다. 시험 전 주행시험대의 구동륜은 매끈한 면으로 가공되어 외란이 발생할 가능성을 최대한 제거하였다.

성능/효과

(1) 주행속도를 불연속적으로 감가속하며 차량 및 대차의 임계속도들을 측정하여본 결과 연속적으로 주행속도를 감가속하며 측정한 임계속도들과 같은 결과를 가짐을 확인할 수 있었다. 이것을 통해 비선형 임계속도가 관성효과에 의한 일시적 과도 현상이 아닌 차량 고유의 특이 현상임을 알 수 있었다.
이때의 차량 거동을 사행동 (hunting motion) 이라고 하며 발생속도를 임계속도 (critical speed)라고 정의한다.(1) 정확한 차량의 임계속도 예측은 그 동안 차량의 주행속도가 낮은 속도대역에 머물러왔기 때문에 중요시되지 않았으나 차량의 주행속도가 점차 고속화되는 추세이므로 이것은 곧 시급한 문제로 대두될 것으로 예상된다. 차량의 임계속도는 시스템의 고유치들을 구하고 감쇠율이 “0”이 되는 속도 대역을 찾는 선형해석으로 구하여져왔다2 3] 그러나 선형해석을 통해 구해진 임계속도는 철도차량이 주행하면서 감지되는 실제 임계 속도보다 항상 높이 예측되어진다는 사실이 보고되어지고있다.
(2) 반복 실험을 통해 비선형 임계속도가 선형 임계속도와 같이 항상 일정한 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 이것은 비선형 임계속도가 선형 임계속도와 같이 물성치에 관련된 현상임을 보여주는 것으로서 해석을 통해 비선형 임계속도가 예측될 수도 있음을 보여주는 결과이다.
(3) 대차 안전성 실험과 차량 안전성 실험 결과를 비교해 본 결과 약간의 차이가 있었으나 임계속도들이 비숫한 속도대역에 형성되었다. 따라서 해석에서 대차 모델만으로 임계속도들을 예측하는 것이 타당성을 가짐을 알 수 있었다.
(4) 현장에서 임계속도와 응답 주파수를 예측하는데 사용되던 간편식들의 정확성을 검증하기 위해 이를 실험결과와 비교해 보았으나 계산식들의 정확도에 문제가 있음이 확인하였다.
따라서 해석에서 대차 모델만으로 임계속도들을 예측하는 것이 타당성을 가짐을 알 수 있었다.
선형 및 비선형 임계속도는 주행속도 증감 방법에 관계없이 각각 약 30.6m/s 그리고 27.7m/s 에서 일정하게 발생되었다. 이것은 차량의 비선형 임계속도가 관성효과에 의한 일시적 과도현상이 아닌 물성치와 관련된 차량 고유의 특이현상임을 나타내는 결과로서 선형 임계속도와 같이 해석을 통해 예측될 수 있음을 보여준다.
이것을 통해 비선형 임계속도가 관성효과에 의한 일시적 과도 현상이 아닌 차량 고유의 특이 현상임을 알 수 있었다.
그러므로 동특성 해석에서 차량의 임계속도를 예측하기 위해 대차 모델을 사용하는 것은 때에 따라 유용한 방법이 될 수 있을 것이다. 차량 실험에서도 대차 실험 결과와 같이 주행속도 가감속 방법 차이에 의한 실험 결과 차이는 발생하지 않았으므로 차량의 비선형 임계속도가 차량 고유의 동특성임을 다시 확인할 수 있었다.
대차 실험과 같이. 차륜과 구 동륜 형상의 손상부위를 실험전 원형으로 복원시킴으로서 선형 임계속도 통과 후 주행 속도가 비선형 임계속도에 이르기 전에 외란에 의해 횡 방향 거동이 주기해로 도약하는 것을 방지하였다. 주행속도는 역시 대차 실험과 같은 2가지 방법으로 조절되었으며 실험은 3번에 걸쳐 반복되었다.
V는 각각 윤축의 구름 마찰계수와 축중 그리고 차량속도를 나타낸다. 측정된 물성치를 이용하여 계산해 본 결과 임계속도는 90.8m/s 그리고 이때의 주파수는 2.3Hz 로 예측되었다. 이것은 실제 차량의 측정 임계속도약 32.

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