[논문]기존선의 선형조건을 고려한 틸팅차량의 허용속도 평가

유영화; 엄주환; 엄기영

기존선의 선형조건을 고려한 틸팅차량의 허용속도 평가
Allowable Speed of Tilting Car in the Conventional Line 원문보기

A quantitative analysis on the amounts of cant and lateral displacement of gravitational center due to the introduction of high-speed tilting car was carried out, based on the current alignment of the conventional line. In addition, the maximum allowable speed in curve and the level of improvement in maximum speed of tilting car were evaluated through the comparison with the maximum speed of locomotive. It was found that the tilting car produces an equivalent amount of cant, which corresponds to 47.5 % of current actual cant. This effect could be explained by the fact that 1.34 m, which is the height of gravitational center of tilting car from the rail level, is much lower than that of locomotive and thus guarantees much higher level of safety in curve. The equivalent amount of cant due to the lateral displacement of gravitational center followed by tilting in curve was 2.4 mm. It was small but not enough to be neglected and must be included in calculating the maximum speed in curve. It could be concluded that the 15 % speed-up of the conventional line is reasonable under the current condition of alignment.

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문제 정의

이에 대하여 본 연구에서는 기존 노선(중앙선)의 선형현황을 바탕으로 틸팅차량의 투입으로 인한 캔트량 증가효과와 곡선부 주행 시 틸팅각도에 의한 외방편기량의 정량적 평가를 통한 곡선부의 최고 허용속도를 산정하도록 한다. 또한 기존차량의 곡선부 최고 주행속도와의 비교/분석을 통하여 속도향상 효율을 분석함으로써 향후 기존선의 주행속도 향상방안 연구를 위한 기초 자료를 제시하는 데 그 목적이 있다.
틸팅차량은 차체의 자세제어에 의해 승차감의 큰 저하 없이 일반차량보다 곡선부를 빠른 속도로 주행할 수 있는 장점이 있는 차량으로서, 곡선부가 많은 노선에 서 의 운행 시간 단축 효과가 큰 특징이 있다[6]. 이에 대하여 본 연구에서는 기존 노선(중앙선)의 선형현황을 바탕으로 틸팅차량의 투입으로 인한 캔트량 증가효과와 곡선부 주행 시 틸팅각도에 의한 외방편기량의 정량적 평가를 통한 곡선부의 최고 허용속도를 산정하도록 한다. 또한 기존차량의 곡선부 최고 주행속도와의 비교/분석을 통하여 속도향상 효율을 분석함으로써 향후 기존선의 주행속도 향상방안 연구를 위한 기초 자료를 제시하는 데 그 목적이 있다.

제안 방법

최고 주행속도를 산정하였다. 또한 기존차량의 최고 주행속도와의 비교 및 검토를 통하여 틸팅차량의 투입에 의한 속도향상을 정량적으로 평가하였다. 본 연구의 수행결과로서 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 기존선의 선형조건에 대해서 고속의 틸팅차량으로 인한 캔트향상과 편기량에 대한 정량적인 분석을 수행하였고, 이를 바탕으로 한 기존선 곡선부에서의 최고 주행속도를 산정하였다. 또한 기존차량의 최고 주행속도와의 비교 및 검토를 통하여 틸팅차량의 투입에 의한 속도향상을 정량적으로 평가하였다.

대상 데이터

km/h와 180 km/h이다. 이 열차의 주행을 위한 선로 구축물은 표준궤 간 1435 mm에 대 해서 운행선로의 최소곡선반경 250 m 이상 및 캔트의 최대치로서 160 mm를 설정하고 있다.

이론/모형

곡선부에서 차량의 전복 안전성 평가를 위한 방법으로 널리 사용되고 있는 1/3법칙(One-Third Rule)[8]을 적용하여, 전복 안전성을 확보하기 위한 제한속도를 구하면 다음과 같다. 1/3법칙은 차량에 작용하는 원심력과 중력의 벡타합이 궤간의 1/3이내에 들어야 안전하다는 기준으로 국내에서 적용하고 있는 안전율 3 이상에 해당하는 것이다.

성능/효과

I) 기존선에 틸팅차량의 투입으로 인하여 기존 설정캔트의 47.5 %에 상당하는 캔트 향상 효과가 있으며, 그 주된 요인으로는 틸팅차량의 무게 중심고가 약 1.34 m로 기존차량에 비해서 크게 낮으므로 곡선부주행시 보다 높은 안전성이 확보되고 있기 때문이다.
iii) 기존선의 선형현황을 근거한 곡선반경별 최고속도산정 결과로부터, 틸팅차량의 투입으로 기존차량에 비해서 약 15 %의 속도향상이 가능함을 알 수 있었다. 이 때 속도향상의 백분율은 캔트량에 크게 좌우된다.
4 %의 속도향상이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 기존선(중앙선)구간에 틸팅차량을 투입할 경우 캔트량 수정 없이 약 14.4 %의 속도향상이 가능한 것으로 나타났다. Table 4는 현재 기존선(중앙선)의 곡선반경과 설정캔트에 따른 기존차량과 틸팅차량의 최고 통과속도를 계산하여 정리하였고, Fig.
높다. 따라서 본 과제에서는 무게 중심고가 높은 차량 즉, 차량 Tc의 만차인 경우를 기본적으로 적용하도록 하며, 무게 중심고가 낮은 차량에 대해서는 충분한 안전율을 갖는 것으로 간주한다.
8 km/h로 된다. 따라서 현재의 선로 조건하에서는 틸팅차량 투입으로 인하여 기존차량 대비 약 15 %의 속도향상이 가능한 것으로 나타났다.
여기서 계산에 사용된 설정캔트는 기존선의 보선 사무소에서 관리하고 있는 현장 캔트이다. 영주 구간 전체에서 곡선부 구간만을 대상으로 하였을 때, 기존 차량의 최고속도의 평균인 88.3 km/h에서 틸팅차량의 최고속도의 평균은 101.1 km/h로서 평균 14.5 %의 속도향상을 도모할 수 있는 것으로 분석되었으며, 제천구간의 곡선부의 경우, 기존 차량의 최고속도의 평균인 91.4 km/h에서 틸팅차량의 최고속도의 평균은 104.5 km/h로서 평균 14.3 %의 속도향상을 도모할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 원주구간의 경우에는 97.
0 km/h를 얻을 수 있다. 이 결과로부터 편기량이 클수록 주행속도는 작아지며, 따라서 편기량을 고려하는 것이 보다 안전측임을 알 수 있다.

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