[논문]완화곡선형상별 차량주행안전성 및 승차감 분석

최일윤; 엄주환; 김만철; 박찬경

문제 정의

본 연구에서는 국내에서 이용되고 있는 3차포물선 완화곡선과 일본 등에서 이용되고 있는 사인반파장 완화곡선의 성능을 차량의 주행안전성, 승차감 측면에서 비교하였다.
본 연구에서는 완화곡선형상별 성능비교를 위하여, 3차포물선과 사인반파장 완화곡선을 갖는 선로선형에 대해 차량의 주행속도를 150km/h에서 400km/h까지 50km/h 간격으로 변화시켜 수치해석을 수행하였다.
본 절에서는 3차포물선 및 사인반파장 완화곡선을 갖는 곡선부에서의 차량의 시간이력 응답 특성을 도해적으로 설명 하기 위하여 400km/h 주행속도의 예제를 그림으로 정리하였다.

제안 방법

10Hz 저역통과(LowPass) 필터링을 수행한 후, 완화곡선별 횡방향 대차가속도의 최대치를 구하여 다음 그림에 비교하였다.
본 연구에서는 승차안락감(Ride comfort)만을 평가하였으며, 완화곡선부의 승차감평가를 위하여 EN규정[4,5]에 제시된 완화곡선부 승차감평가기법(Pct)을 사용하였다. EN규정에 제시된 완화곡선부 승차감평가기법(Pct)은 좌석과 입석으로 구분되어 있으며, 본 연구에서는 좌석(Seated)를 기준으로 승차감평가를 수행하였다.
곡선부 선로선형은 차량의 주행속도별로 구분하여 설정하였다. 완화곡선의 경우, 3차 포물선은 국내의 철도건설기준[3]에 따라 해석조건을 산정하였으나, 사인반파장의 선로선 형은 국내에 기준이 없기 때문에 일본의 신간선철도설계기준[4]을 사용하였다.
본 연구에서는 완화곡선의 형상에 따른 성능비교를 위하여 국내에서 사용되는 3차 포물선의 완화곡선과 일본에서 사용되고 있는 사인반파장 완화곡선에 대한 차량주행해석을 실시하고, 해석결과를 주행안전성 및 승차감 측면에서 완화곡선의 성능을 정량적으로 비교 분석하였다.
사인반파장과 3차포물선 완화곡선을 갖는 선로선형에 대한 주행속도별 해석결과를 주행안전성과 승차감 항목별로 비교분석하였다. 탈선계수, 횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도에 대한 분석 및 승차감에 대한 비교 분석은 UIC와 EN 규정[5,6]에 따라 수행하였다.

데이터처리

수치해석은 차량주행해석 프로그램인 VAMPIRE을 이용하였으며, 차량모델은 Fig. 2에 나타낸 한국형고속열차(G7) 차량을 이용하여 해석을 수행하였다.
승차감평가를 위한 신호처리는 2.52Hz Low Pass Filter를사용하였으며, 상기의 횡가속도, 횡저크 및 롤속도의 값은 1sec 이동평균값을 사용하였다.

이론/모형

완화곡선의 경우, 3차 포물선은 국내의 철도건설기준[3]에 따라 해석조건을 산정하였으나, 사인반파장의 선로선 형은 국내에 기준이 없기 때문에 일본의 신간선철도설계기준[4]을 사용하였다. 다만, 3차 포물선의 해석조건과 유사하게 하기 위하여 곡선반경, 캔트, 원곡선 길이는 3차 포물선의 해석조건과 동일하게 하였으나, 완화곡선길이의 경우에는 일본의 설계기준이 국내기준 보다 다소 길게 되어 있으므로 일본 기준을 사용하였다.
본 연구에서는 승차안락감(Ride comfort)만을 평가하였으며, 완화곡선부의 승차감평가를 위하여 EN규정[4,5]에 제시된 완화곡선부 승차감평가기법(Pct)을 사용하였다. EN규정에 제시된 완화곡선부 승차감평가기법(Pct)은 좌석과 입석으로 구분되어 있으며, 본 연구에서는 좌석(Seated)를 기준으로 승차감평가를 수행하였다.
곡선부 선로선형은 차량의 주행속도별로 구분하여 설정하였다. 완화곡선의 경우, 3차 포물선은 국내의 철도건설기준[3]에 따라 해석조건을 산정하였으나, 사인반파장의 선로선 형은 국내에 기준이 없기 때문에 일본의 신간선철도설계기준[4]을 사용하였다. 다만, 3차 포물선의 해석조건과 유사하게 하기 위하여 곡선반경, 캔트, 원곡선 길이는 3차 포물선의 해석조건과 동일하게 하였으나, 완화곡선길이의 경우에는 일본의 설계기준이 국내기준 보다 다소 길게 되어 있으므로 일본 기준을 사용하였다.
사인반파장과 3차포물선 완화곡선을 갖는 선로선형에 대한 주행속도별 해석결과를 주행안전성과 승차감 항목별로 비교분석하였다. 탈선계수, 횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도에 대한 분석 및 승차감에 대한 비교 분석은 UIC와 EN 규정[5,6]에 따라 수행하였다.

성능/효과

10Hz 저역통과(LowPass) 필터링을 수행한 횡방향 차체가 속도 결과에서는 궤도틀림이 존재하지 않은 경우에는 사인 반파장 완화곡선의 횡방향 대차가속도 값은 3차포물선에 비하여 약 5% 작은 것으로 해석되었다. 한편, 궤도틀림의 효과는 타 검토항목에 비하여 상대적으로 작게 평가되었다.
3차포물선과 사인반파장 완화곡선에 대해 살펴보면, 궤도틀림을 고려하지 않은 경우에는 사인반파장의 값이 150~200km/ h 속도대역에서는 0.4% 불리한 것으로 평가되었으나, 300~400km/h 속도대역에서 약 1.6~3.4% 정도 승차감이 우수한 것으로 평가되었다.
궤도틀림을 배제하고 순수하게 완화곡선의 영향만을 고려한 수치해석결과에 의하면, 모든 속도대역에서 사인반파장 완화곡선이 3차포물선의 경우 보다 탈선계수 4.6~8.5%, 횡방향 대차가속도 4.1~8.9%, 횡방향 차체가속도 2.2~5.5%, 정도 향상된 결과를 보이고 있음을 알 수 있었다. 다만, 횡압은 200~250km/h 속도대역에서 사인반파장이 -1.
횡방향 대차가속도에 대하여 10Hz 저역통과(LowPass) 필터링을 수행한 결과를 다음 그림에 정리하였다. 궤도틀림이 없는 경우에는 3차포물선 완화곡선에서 대차가속도의 변동폭이 비교적 크게 나타났으며, 사인반파장 완화곡선의 횡방향 대차가속도 값이 다소 작게 나타났다.
즉, 동일한 궤도틀림이 존재하는 경우에, 저속의 대역에서 보다 속도가 증가함에 따라 탈선계수 증가량이 크게 나타났으며 이는 합리적인 결과로 판단된다. 궤도틀림이 존재하는 경우 (CP_TI, SIN_TI)를 살펴보면, 200 및 400km/h 속도에서는 사인반파장의 탈선계수가 3차포물선에 비하여 약 6.5% 정도 감소하였으나, 300km/h 주행속도에서는 사인반파장 탈선 계수가 오히려 약 13% 증가하였다. 이러한 현상 즉 주행속도 별로 사인반파장과 3차포물선 완화곡선의 탈선계수 값이 증가/감소하는 현상은 두 완화곡선의 완화곡선길이가 서로 달라서 완화곡선 및 원곡선상의 도입된 궤도틀림값이 서로 다르기 때문으로 판단된다.
궤도틀림이 존재하는 경우, 횡방향 차체가속도의 값이 다소 증가하였으나, 그 증가폭은 탈선계수, 횡압 및 대차가속도에 비하여 매우 작게 나타났다. 이는 궤도틀림의 파장이 단파장 성분으로 구성되어 있어서 차체의 가속도에 미치는 영향이 작고, 신호처리과정에서 저주파의 성분만을 필터링 하였기 때문으로 판단된다.
5%, 정도 향상된 결과를 보이고 있음을 알 수 있었다. 다만, 횡압은 200~250km/h 속도대역에서 사인반파장이 -1.8~-0.5% 정도 불리한 것으로 평가되었으나, 300~400km/h 속도대역에서는 사인반파장이 2.5~7.5% 우수한 것으로 평가되었다. 또한, 승차감 평가결과는 250km/h 이하의 속도대역에서는 승차감이 거의 유사하였고, 300~400km/h 속도대역에서 약 1.
5% 우수한 것으로 평가되었다. 또한, 승차감 평가결과는 250km/h 이하의 속도대역에서는 승차감이 거의 유사하였고, 300~400km/h 속도대역에서 약 1.6~3.4% 정도 승차감이 우수한 것으로 평가되었다.
본 논문의 수치해석적 검토결과에 의하면, 전체적으로 사인반파장 완화곡선이 차량의 주행안전성 및 승차감 측면에서 유리함을 알 수 있었으며, 특히 고속대역에서 사인반파장 완화곡선이 우수한 것으로 평가되었다.
그러나, 궤도틀림이 존재하는 경우에는 궤도틀림에 의한 탈선계수의 영향이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 즉, 동일한 궤도틀림이 존재하는 경우에, 저속의 대역에서 보다 속도가 증가함에 따라 탈선계수 증가량이 크게 나타났으며 이는 합리적인 결과로 판단된다. 궤도틀림이 존재하는 경우 (CP_TI, SIN_TI)를 살펴보면, 200 및 400km/h 속도에서는 사인반파장의 탈선계수가 3차포물선에 비하여 약 6.

후속연구

그러나, 철도의 속도향상 및 초고속화, 최근 시공기술의 발달과 콘크리트궤도 사용으로 인한 궤도틀림 감소 등 변화된 철도환경에 따라 사인반파장 완화곡선 도입이 유리한 환경이 조성되고 있음을 주목할 필요가 있다. 변화된 철도환경에 적합한 완화곡선 도입의 필요성을 검토할 경우, 본 연구결과의 완화곡선 성능에 대한 정량적 비교결과를 활용할 수 있으리라 판단된다.
국내의 경우, 3차포물선 완화곡선을 주로 사용하고 있으나, 최근 급격히 발달하고 있는 철도기술을 감안한다면 다른 형식의 완화곡선 채택의 필요성에 대한 논의가 필요하다고 판단된다. 본 연구결과는 완화곡선의 형상별 성능에 대한 정량적 분석결과를 제시함으로써 이러한 논의과정에서 기술적 검토자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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