[논문]KTX 차량 후미진동 해석(I)

강부병; 김영우; 왕영용

[국내논문] KTX 차량 후미진동 해석(I)
Dynamic Analysis of KTX Vibration at the Tail of the Train 원문보기

강부병 (한국철도기술연구원, 차량기계연구본부) , 김영우 (한국고속철도건설공단, 차량본) , 왕영용 (철도청, 대전철도차량정비)

The acceptance test of KTX has been performed in Korea. During the test, lateral vibration of carbody over the accepted value called sway was found. Many activities have been taken to find the cause of the vibration and the counter-measure. KTX has 20 car trainset formation whose trailer cars are linked by articulate bogies. So this study is performed to see the effects of long trainset formation on vehicle dynamics and the train stability by 16 car vehicle model. Firstly the reliable vehicle model which shows well the tendencies appeared in the tests on the high speed test line is required to find the cause of lateral vibration and the countermeasure. Vehicle model was made for the analysis with VAMPIRE. The analysis results show that secondary air spring lateral stiffness is the most significant parameter to cause carbody lateral vibration. Mode analysis results show that the least damped mode shape is similar to the vibration pattern shown in the tests that the amplitude of the motion increases along the train set and decreases in the tail part. The lateral vibration was "appeared at the speed range between 100km/h and 200km/h and disappeared at the low speed and the high speed.

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문제 정의

이러한 독특한 차량편성과 한국의 동절기 저온 환경 등이 고속차량의 독특한 진동을 발생시키는 것으로 생각된다. 본 논문에서는 KTX 차량의 다량편성모델링을 통하여 후미진동을 해석적으로 재현하고 2 차 공기스프링 특성과 차륜답면구배가 후미진동에 미치는 영향에 대하여 해석적으로 연구한 결과를 보여주고자 한다. KTX 차량의 동특성 해석은 영국 AEA 에서 개발한 철도 차량 동력학 전용해석 프로그램인 Vampire를 이용하여 수행되었다.

제안 방법

본 논문에서는 KTX 차량의 다량편성모델링을 통하여 후미진동을 해석적으로 재현하고 2 차 공기스프링 특성과 차륜답면구배가 후미진동에 미치는 영향에 대하여 해석적으로 연구한 결과를 보여주고자 한다. KTX 차량의 동특성 해석은 영국 AEA 에서 개발한 철도 차량 동력학 전용해석 프로그램인 Vampire를 이용하여 수행되었다.
경부 고속선 궤도 모델링은 궤도 검측차로 검측한 실제 데이터를 가공하여 이용하였다. 서울기점 106.

대상 데이터

해석용 시스템 편성 모델은 Fig. 1에서와 같이 P(동력차) + MT(동력객차) + 12T(객차) + MT(동력객차) + P(동력차)로 구성하였으며, 대차는 동력차용 동력 대차(PMB, Power Motor Bogie) 4대, 동력객 차(MT)용동력 대차(MTB, Motorized Tailer Bogie) 전후 2대 및 동력 객차와 객차, 객차와 객차를 연결하는 관절대차 (ATB, Articulated Trailer Bogie) 13대로 구성되어져있다. 숫자는 강체의 질량번호를 의미하며 뒤에서 해석 결과 설명시 이 질량번호를 기준으로 기술하였다.
데이터를 가공하여 이용하였다. 서울기점 106.3 Km- 123.3 Km 구간의 검측데이타를 Vampire에서 요구하는 궤도입력 조건으로 변환하여 모델링 하였다. Fig.
2는 해석구간의 궤도데이타를 보여준다. 해석구간에는 곡선반경 7000 m 구간이 포함되어 있다.
차륜 답면부 형상 모델에는 경부고속열차에 적용된 NFF0U2(GV40, 답면구배 1/40)와 답면구배 증가 시 특성을 검토하기 위하여 시험선에서 시험중인 XP55 (답면구배 0.055)를 모델링하여 사용하였고 레일 형상에는 경부 고속선에 사용되고 있는 UIC₆₀ 레일의 1/20 경사된 모델을 사용하였다. Fig.
5는 200 Km/h로 주행시 해석결과로서 해석모델의 13번 차체 중심 횡 방향 진동가속도 해 석 결과이다. 해석모델은 횡방향 강성이 0.2 MN/m이고 차륜 답 면은 기존 KTX차륜을 적용하였다. 실차 시험시차량의 조건이 정확하게 어느 값인지는 알 수가 없다.

데이터처리

실차 시험시차량의 조건이 정확하게 어느 값인지는 알 수가 없다. 단지 시험결과를 검토해 볼 때 시험데이타의 횡 진동의 크기가 Fig. 4와 Fig. 5를 비교해보면 공기 스프링 횡강성이 0.2 MN/m 일 때의 해석결과와 유사하여 이 차량모델을 사용하여 얻은 해석결과와 비교하였다. Fig.

성능/효과

6Hz를 중심으로 유사하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 해석으로 얻어진 진동의 크기와 진동 주파수가 측정된 후미진동의 특성을 질 반영하고 있어 차량모델이 후미 진동 현상을 재현하고 있음을 확인하였다.
2 MN/m인 경우 속도변화에 따른 차호별 횡방향 진동(RMS)변화를 보여준다. 100 Km/h속도에서는 안정한 값을 보이다가 125 Km/h, 150 Km/h로 속도가 상승되면서 후미부 진동의 크기가 급격히 증가하고 200 Km/h, 250 Km/h로 상승하면서 안정화되다가 300 Km/h에서 다시 약간 증가하는 것을 알 수 있다. Fig.
i) 시험시 즉정된 후미진동의 진동수와 차량의 고 유모 우드 해석시 나타난 차량후미부 불안정모우드의진동수 대역이 05Hz-0.6Hz로 거의 일치하였다.
ii) 차량의 0.5Hz-0.6Hz대역의 불안정 모우드 형상은 후부 쪽으로 커지다가 감소하는 경향을 보였고 시험 시 관측된 횡진동 분포 형상과 유사하였다.
ⅲ) 고유모우드 해석결과 답면구배가 커지면 객차부후미 횡진동을 발생시키는 불안정모우드가 사라졌고 관절대차에 XP55 WHEEL(답면구배 0.055) 을 적용한 실차 시험에서 후미부 불안정 진동이 사라짐을 확인함으로써 답면구배 증가가 불안정 모 우드에 영향을 미침을 확인하였다.
ⅳ) 후미진동 발생이 답면 구배에 민감한 결과로부터 궤도 틀림보다는 차량의 사행동 진동수가 KTX 차량의 장대 편성 불안정 모우드 진동수와 일치 할 때 횡진동이 발생하는 것으로 판단된다.
7은 해석결과의 주파수 분석 결과이다. 주파수 분석결과를 비교해보면 해석시와 시험 시 진동주파수 분포가 0.6Hz를 중심으로 유사하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 해석으로 얻어진 진동의 크기와 진동 주파수가 측정된 후미진동의 특성을 질 반영하고 있어 차량모델이 후미 진동 현상을 재현하고 있음을 확인하였다.

후속연구

향후에는 차륜답면구배 변화가 휠과 레일의 인터페이스 및 고속에서의 차량 안정성에 미치는 영향에 대한 심도 있는 검토가 이루어져야 할 것으로 생각되며 본 연구결과 얻어진 해석 기술 및 차량모델을 활용하여 횡진동 방지 대책 및 운행중 발생하는 KTX의 진동 관련 문제에 대한 지속적인 연구가 이루어질 수 있으리라 생각된다.

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