한글초록은 기존선 고속화의 여러 대안 중 선로의 직 복선화 및 신선 건설에 의한 기존철도의 고속화는 시간단축 효과나 선로용량 증대의 폭은 크지만 막대한 투자 재원이 소요된다. 이에 비해 기존선을 그대로 사용하면서 속도를 향상하기 위해 선형개량 및 준고속 틸팅열차의 투입은 기존 인프라를 이용함으로서 보다 경제적이며 실용적이라는 장점이 있다. 하지만, 틸팅열차의 경우 기존열차와는 주행 메카니즘이 다르기 때문에 주행 안전성을 확보하기 위해서는 기존에 부설되어 있는 궤도노반의 성능평가가 선행되어야 한다. 또한 열차주행에 따라 발생하는 노반의 침하는 궤도틀림이나 열차의 탈선 등을 유발할 수 있으므로 틸팅열차 주행에 의해 발생하는 궤도 부담력에 따른 노반의 거동 특성을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 현장계측을 통해 틸팅열차의 기존선 주행속도별(120~180km/h) 주행안전성과 노반성능을 평가하였다. 모든 주행속도에서 탈선계수와 윤중감소율 허용한계치를 만족하였으며, 또한 노반성능 면에서는 기존 운행 고속열차(KTX)에 비하여 작은 노반응답(노반압력, 노반침하, 노반진동가속도)을 보였다. 이러한 계측 결과를 기반으로, 기존열차와 혼용 투입될 틸팅열차는 본 연구의 계측대상 노선과 동일한 성능수준의 궤도노반에서는 최고운영속도(180km/h)에서 안전한 주행이 가능할 것으로 판단된다.
한글초록은 기존선 고속화의 여러 대안 중 선로의 직 복선화 및 신선 건설에 의한 기존철도의 고속화는 시간단축 효과나 선로용량 증대의 폭은 크지만 막대한 투자 재원이 소요된다. 이에 비해 기존선을 그대로 사용하면서 속도를 향상하기 위해 선형개량 및 준고속 틸팅열차의 투입은 기존 인프라를 이용함으로서 보다 경제적이며 실용적이라는 장점이 있다. 하지만, 틸팅열차의 경우 기존열차와는 주행 메카니즘이 다르기 때문에 주행 안전성을 확보하기 위해서는 기존에 부설되어 있는 궤도노반의 성능평가가 선행되어야 한다. 또한 열차주행에 따라 발생하는 노반의 침하는 궤도틀림이나 열차의 탈선 등을 유발할 수 있으므로 틸팅열차 주행에 의해 발생하는 궤도 부담력에 따른 노반의 거동 특성을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 현장계측을 통해 틸팅열차의 기존선 주행속도별(120~180km/h) 주행안전성과 노반성능을 평가하였다. 모든 주행속도에서 탈선계수와 윤중감소율 허용한계치를 만족하였으며, 또한 노반성능 면에서는 기존 운행 고속열차(KTX)에 비하여 작은 노반응답(노반압력, 노반침하, 노반진동가속도)을 보였다. 이러한 계측 결과를 기반으로, 기존열차와 혼용 투입될 틸팅열차는 본 연구의 계측대상 노선과 동일한 성능수준의 궤도노반에서는 최고운영속도(180km/h)에서 안전한 주행이 가능할 것으로 판단된다.
It is a fact that the straightening of track alignment is one of the undoubted ways to improve the train speed on conventional lines, while that requires huge investment resources. Therefore, the operation of a tilting train as well as the minimum improvement of track is suggested as an effective an...
It is a fact that the straightening of track alignment is one of the undoubted ways to improve the train speed on conventional lines, while that requires huge investment resources. Therefore, the operation of a tilting train as well as the minimum improvement of track is suggested as an effective and economical alternative way for the speed-up of conventional lines. Since a driving mechanism of tilting train is different from those of existing trains, in order to make sure its operation safety and stability on conventional line, the performance of track and roadbed must be preferentially evaluated on the conventional line. Furthermore, it is necessary to estimate the tilting-train-induced roadbed response in detail since the roadbed settlement can lead to the track deformation and even derailment. In this research, the patterns of wheel load and lateral force were monitored and analyzed through the field tests, and the derailment coefficient and degree of wheel off-loading were calculated in order to evaluate the tilting train running safety depending on the running speeds (120km~180km) on the conventional line. Moreover, roadbed pressure, settlement and acceleration were also observed as tilting-train-induced roadbed responses in order to estimate the roadbed stability depending on the running speeds. Consequently, the measured derailment coefficient and degree of wheel off-loading were satisfied with their own required limits, and all of the roadbed responses were less than those of existing high-speed train (KTX) over an entire running speed range considered in this study. As a result of this study, the tilting train which will be operated in combination with existing trains is expected to give no adverse impact on the conventional line even with its improved running speed.
It is a fact that the straightening of track alignment is one of the undoubted ways to improve the train speed on conventional lines, while that requires huge investment resources. Therefore, the operation of a tilting train as well as the minimum improvement of track is suggested as an effective and economical alternative way for the speed-up of conventional lines. Since a driving mechanism of tilting train is different from those of existing trains, in order to make sure its operation safety and stability on conventional line, the performance of track and roadbed must be preferentially evaluated on the conventional line. Furthermore, it is necessary to estimate the tilting-train-induced roadbed response in detail since the roadbed settlement can lead to the track deformation and even derailment. In this research, the patterns of wheel load and lateral force were monitored and analyzed through the field tests, and the derailment coefficient and degree of wheel off-loading were calculated in order to evaluate the tilting train running safety depending on the running speeds (120km~180km) on the conventional line. Moreover, roadbed pressure, settlement and acceleration were also observed as tilting-train-induced roadbed responses in order to estimate the roadbed stability depending on the running speeds. Consequently, the measured derailment coefficient and degree of wheel off-loading were satisfied with their own required limits, and all of the roadbed responses were less than those of existing high-speed train (KTX) over an entire running speed range considered in this study. As a result of this study, the tilting train which will be operated in combination with existing trains is expected to give no adverse impact on the conventional line even with its improved running speed.
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문제 정의
본 연구에서는 기존선 투입예정으로 개발되어 시험운행중인 틸팅열차를 대상으로 주행안전성을 평가하고자 궤도에서 계측된 윤중과 횡압을 근거로 탈선계수와 윤중감소율을 산정하였으며, 또한 노반의 성능을 평가하고자 노반압력, 노반침하, 노반진동가속도를 계측한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 향후 기존선 속도향상을 목적으로 투입되는 틸팅열차의 주행속도별 노반응답을 측정하여, 기존선 투입에 앞서 요구되는 노반의 성능데이터를 확보하고자 하였으며, 이를 위해 틸팅열차의 최고 주행속도(180km/h)가 가능한 호남선 R2000지점에서 현장계측을 실시하여 주행안전성 및 노반의 성능평가를 수행하였다.
제안 방법
노반에 가해지는 열차하중은 열차 종별 및 속도에 따라서 변화하기 때문에 노반응답 측정치를 각 열차의 윤중으로 나누어 단위하중당 노반응답(노반압력, 노반침하, 노반진동가속도)으로 도시하였다(Fig. 16 참조).
따라서 본 연구에서는 기존선에 투입 예정인 틸팅열차의 주행속도에 따른 기존 궤도노반에 미치는 부담력에 대한 비교·분석을 통해 주행 안전성 및 노반 성능평가를 수행하였다.
주행 열차의 실제 발생 응답을 왜곡하거나 데이터의 손실이 발생하지 않도록 수집율(Sampling Rate)을 5kHz로 충분히 설정하였다. 또한 발생한 윤중 이외의 노이즈 성분들은 주파수 분석을 통해 디지털 필터로 Low-Pass filtering과 Hi-Pass filtering 처리를 함으로써 데이터의 신뢰성을 높였다. 또한 궤도 주행안전성 및 노반 성능평가를 위한 계측항목과 이를 위해 설치한 계측센서는 Table 4와 같다.
실대형 시험을 통해 국내 열차하중 조건에서 강화노반에 작용하는 노반압력 특성을 파악하자고 현장시험을 수행하였으며, 그 결과 강화노반의 상부에서 동적윤중(재하주파수 5Hz) 140kN 재하시 26~33kPa정도의 토압이 발생하였다[11]. 또한 열차(4200호대 기관차, 화차)주행속도에 따른 강화노반과 원지반면에 전달되는 하중을 측정한 결과, 강화노반층상부에서 주행속도 14~45km/h에서 최대 토압의 크기는 약 12kPa의 수준을 보였다[12].
주행 열차의 실제 발생 응답을 왜곡하거나 데이터의 손실이 발생하지 않도록 수집율(Sampling Rate)을 5kHz로 충분히 설정하였다. 또한 발생한 윤중 이외의 노이즈 성분들은 주파수 분석을 통해 디지털 필터로 Low-Pass filtering과 Hi-Pass filtering 처리를 함으로써 데이터의 신뢰성을 높였다.
토압계와 변위계는 주행 차량에 의해 발생한 노반에서의 동적압력(Dynamic Pressure)과 동적변위(Dynamic Displacement)를 계측하기 위해 사용되었다.
틸팅열차 주행시 궤도에서 측정된 동적윤중과 횡압을 기반으로 차량의 주행안전성 평가지수인 주행속도별 탈선계수와 윤중감소율을 산정하였다. 계측 대상구간에서 주행속도에 따라 계측된 틸팅열차의 윤중과 횡압은 각각 58~66kN, 4~7kN의 수준이었으며, 또한 150km/h속도로 주행하는 기존의 KTX차량과 비교하여도 작은 수준의 응답으로 나타났다
틸팅열차의 주행속도에 따라 노반에 전달되는 동적하중의 영향을 상부노반에서 계측된 노반압력의 변화를 통해 평가하였다. Fig.
대상 데이터
본 계측에 있어서, 틸팅열차의 경우 주행속도대역(180km/h 이하)에서 9~11kPa의 토압이 발생하였는데, 경부선 자갈도상궤도의 경우 KTX차량에 의해 상부노반면에 작용하는 압력이 약 20~60kPa의 범위[12]인 것과 비교해볼 때, 이는 틸팅열차가 경량차체로 이루어져 KTX에 비해 축당하중이 작아 노반압력 역시 작게 나온 것으로 판단된다. 또한 측정 대상 노반은 고속열차(KTX)와 기존열차(무궁화, 새마을호, 화물)가 혼용 운영되고 있는 영업노선(호남선)으로 수년간의 유지보수를 통해 자갈도상층 두께가 표준단면(27cm)에 비해 약 10cm정도 두꺼워져 있는 상태이다. 이로 인해 상부노반에 전달되는 열차하중이 표준단면보다 하중분산 효과가 높아 실내시험 및 선행연구결과 보다 토압이 작게 평가되었다.
또한 추정한 EPLT을 활용하여 상부노반 다짐기준(k30 =11× 104kN/m3) 만족여부를 판단하고자 철도총합기술연구소[7]에서 제안한 식 (2)를 활용하였다.
영업선 궤도노반의 현장특성상 노반의 지지력을 평가하기 위하여 DCP(Dynamic Cone Penetration)방법을 활용하였으며, 그 결과는 Konard 등[6]이 제안한 DCP지수(PR)와 EPLT의 상관관계식 (1) 의해 계측대상 노반의 지지력을 추정하였다.
성능/효과
(1) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 주행열차에 의한 동적노반압력은 약 10kPa 정도로 측정되었다. 이는 측정대상구간의 자갈도상층 두께가 유지보수과정을 통해 표준단면보다 약 10cm정도 더 포설되어 상부노반에 전달되는 하중분산효과가 커, 선행연구결과와 비교했을 때 작은 수준의 응답을 보인 것으로 판단된다.
(2) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 노반침하량은 약 0.1mm정도의 작은 수준의 응답을 보였는데, 이는 2001년 계측대상구간의 복선화 작업 완료 후, 현재까지 열차의 반복하중 영향으로 노반의 다짐상태가 충분히 안정화된 상태를 유지하고 있기 때문인 것으로 판단된다. 또한 노반침하량은 노반의 지지력에 상당한 영향을 받게 되는데, 측정대상 구간에서의 단위하중(윤중)당 발생 노반침하량(10.
(3) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 노반진동가속도의 탁월주파수성분은 40~60Hz대역 내에서 주행속도에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 더욱이 노반진동가속도 크기 역시 주행속도에 따라 뚜렷한 선형적 증가를 보이는 것을 알 수 있다.
(4) 종합적으로, 최고운영속도(180km/h) 내에서 틸팅열차가 기존선 궤도노반에 미치는 부담력은 경량차체로 이루어진 열차특성과 자갈도상궤도로 이루어진 선로특성으로 인해 궤도노반 안전성에 제한적인 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 또한 이러한 계측 결과를 기반으로, 기존열차와 혼용 투입될 틸팅열차는 본 연구의 계측대상 노선과 동일한 성능 수준의 궤도노반에서는 최고운영속도(180km/h)내에서 안전한 주행이 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 16에서 보는 바와 같이, 노반압력과 노반침하는 열차 속도에 민감한 응답을 보이지 않았으나, 상대적으로 노반진동가속도는 열차주행속도에 비례하여 뚜렷하게 증가하는 경향을 보였다.
틸팅열차 주행시 궤도에서 측정된 동적윤중과 횡압을 기반으로 차량의 주행안전성 평가지수인 주행속도별 탈선계수와 윤중감소율을 산정하였다. 계측 대상구간에서 주행속도에 따라 계측된 틸팅열차의 윤중과 횡압은 각각 58~66kN, 4~7kN의 수준이었으며, 또한 150km/h속도로 주행하는 기존의 KTX차량과 비교하여도 작은 수준의 응답으로 나타났다
계측대상 노반재료의 기본물성을 평가한 결과(Table 2, Fig. 3 참조), 흙의 종류는 통일분류법(USCS)상 SM계열이며, 최적함수비 8.2%, 최대건조밀도(γd max )는 20.4kN/m3이다.
기존 상관식을 활용하여 CBR을 추정한 결과, 24~33%의 범위로 나타났으며, 이는 이일화 등[10]에 의한 상대다짐도 95%의 실대형 구축 노반에서 CBR이 8~9%정도인 결과와 비교 했을 때 계측대상 현장노반의 지지력은 매우 양호한 것으로 판단된다.
이는 측정대상구간의 자갈도상층 두께가 유지보수과정을 통해 표준단면보다 약 10cm정도 더 포설되어 상부노반에 전달되는 하중분산효과가 커, 선행연구결과와 비교했을 때 작은 수준의 응답을 보인 것으로 판단된다. 또한 주행속도가 노반압력에 미치는 영향은 뚜렷하지 않은 것으로 나타났다.
본 계측에서 대상으로한 속도대역에서의 틸팅열차 윤중감소율은 대체적으로 열차속도에 비례하여 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 주행속도 증가에 따른 윤중 감소가 원인으로 판단된다. 또한 틸팅열차 차축별 윤중감소율 산정결과, 내측부는 동력객차부(M)에서 외측부는 객차부(T)에서 최대 윤중감소율이 나타났다. 그러나 현장계측에 의한 차축별 윤중감소율은 모두 허용한계치(0.
본 계측에서 대상으로한 속도대역에서의 틸팅열차 윤중감소율은 대체적으로 열차속도에 비례하여 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 주행속도 증가에 따른 윤중 감소가 원인으로 판단된다. 또한 틸팅열차 차축별 윤중감소율 산정결과, 내측부는 동력객차부(M)에서 외측부는 객차부(T)에서 최대 윤중감소율이 나타났다.
13과 같다. 틸팅열차 주행속도별 노반에 발생한 진동가속도는 0.2~0.6g(Peak-to-Peak Amplitude)범위의 수준으로, 주행속도에 따라 선형적으로 증가하는 뚜렷한 경향을 보였다. 또한 FFT(Fast Fourier Transform)분석을 통해 탁월주파 수성분이 40~60Hz대역으로 나타나 일반적으로 보고되고 있는 다짐된 노반의 주파수특성과 일치하였다.
틸팅열차 주행에 의한 노반침하를 측정한 결과(Fig. 12), 탄성침하량은 노반관리를 위해 제시된 허용탄성침하량(2.5mm)에 크게 미치지 못하는 일정한 수준(0.1mm 이하)을 보였으며, 또한 열차 주행속도에 따라 민감한 응답을 보이지는 않았다. 이처럼 상대적으로 작은 변위응답을 보이는 것은 계측대상 구간이 2001년 복선화작업 완료 후, 현재까지 열차의 반복하중으로 인한 노반의 압축 및 유지보수의 영향으로 노반의 다짐상태가 충분히 안정화된 상태를 유지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
또한 노반침하량은 노반의 지지력에 상당한 영향을 받게 되는데, 측정대상 구간에서의 단위하중(윤중)당 발생 노반침하량(10.7~13.2×10-4mm/kN)은 선행연구결과(20×10-4mm/kN)와 비교했을 때, 대상노반의 지지력 수준을 평가할 수 있는 지표로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도의 장점은 무엇인가?
철도는 정시성과 안전성, 신속성이 주요한 특성이면서 장점이라 할 수 있는데 우리나라 지형 특성상 곡선이 많은 기존선에서 속도의 증가를 통한 신속성의 확보는 제한이 있다. 특히 곡선부에서 열차가 주행하는 경우 원심력이 증가하게 되므로 승객의 승차감 향상과 안전성 확보 차원에서 속도를 감소시킬 수밖에 없다.
틸팅열차는 어떤 기술인가?
틸팅열차는 곡선부 주행 시 차체를 곡선의 내측으로 기울이게 하는 기술로서, 곡선부 주행 시 발생하는 원심가속도의 횡방향 성분을 중력가속도의 횡방향 성분으로 감쇄시킴으로써 승객이 느끼는 횡가속도를 저감시키는 기술이다. 열차에 이와 같은 틸팅기술을 적용하면 승차감 향상뿐 만 아니라 곡선부 통과속도를 증가시킬 수 있게 되므로 운행시간이 단축되며, 곡선부 통과시의 가감속 빈도도 줄어들어 그만큼의 에너지소비도 줄일 수 있게 된다.
본 연구에서 노반의 성능을 평가하고자 노반압력, 노반침하, 노반진동가속도를 계측한 결과는 무엇인가?
(1) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 주행열차에 의한 동적노반압력은 약 10kPa 정도로 측정되었다. 이는 측정대상구간의 자갈도상층 두께가 유지보수과정을 통해 표준단면보다 약 10cm정도 더 포설되어 상부노반에 전달되는 하중분산효과가 커, 선행연구결과와 비교했을 때 작은 수준의 응답을 보인 것으로 판단된다. 또한 주행속도가 노반압력에 미치는 영향은 뚜렷하지 않은 것으로 나타났다.
(2) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 노반침하량은 약 0.1mm정도의 작은 수준의 응답을 보였는데, 이는 2001년 계측대상구간의 복선화 작업 완료 후, 현재까지 열차의 반복하중 영향으로 노반의 다짐상태가 충분히 안정화된 상태를 유지하고 있기 때문인 것으로 판단된다. 또한 노반침하량은 노반의 지지력에 상당한 영향을 받게 되는데, 측정대상 구간에서의 단위하중(윤중)당 발생 노반침하량(10.7~13.2×10-4mm/kN)은 선행연구결과(20×10-4mm/kN)와 비교했을 때, 대상노반의 지지력 수준을 평가할 수 있는 지표로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 틸팅열차 주행속도 대역(120~180km/h)에서 노반진동 가속도의 탁월주파수성분은 40~60Hz대역 내에서 주행속도에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 더욱이 노반진동가속도 크기 역시 주행속도에 따라 뚜렷한 선형적 증가를 보이는 것을 알 수 있다.
(4) 종합적으로, 최고운영속도(180km/h) 내에서 틸팅열차가 기존선 궤도노반에 미치는 부담력은 경량차체로 이루어진 열차특성과 자갈도상궤도로 이루어진 선로특성으로 인해 궤도노반 안전성에 제한적인 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 또한 이러한 계측 결과를 기반으로, 기존열차와 혼용 투입될 틸팅열차는 본 연구의 계측대상 노선과 동일한 성능 수준의 궤도노반에서는 최고운영속도(180km/h)내에서 안전한 주행이 가능할 것으로 판단된다.
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