평면원곡선과 종곡선 경합시 보정캔트의 효과에 대한 해석적 연구 An Analytical Study on the Effects of the Compensation Cant in case of Superimposition of Vertical and Horizontal Circular Curves원문보기
철도선형에서 평면원곡선과 종곡선의 경합은 예기치 않은 주위 환경조건들에 의해 빈번히 발생하고 있으며, 이는 차량의 주행안정성, 승차감, 그리고 궤도유지보수비에 많은 영향을 끼친다. 본 연구에서는 경합부의 역학적 이론을 바탕으로 산정된 보정캔트량을 고속철도에 적용하여 궤도에 미치는 영향 및 차량의 주행안전성, 승차감을 분석하여 보정캔트의 효과에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그 결과 보정캔트가 있는 경우가 차량의 주행안전성 및 궤도작용력, 승차감 측면에서 모두 좋은 것으로 나타났다.
철도선형에서 평면원곡선과 종곡선의 경합은 예기치 않은 주위 환경조건들에 의해 빈번히 발생하고 있으며, 이는 차량의 주행안정성, 승차감, 그리고 궤도유지보수비에 많은 영향을 끼친다. 본 연구에서는 경합부의 역학적 이론을 바탕으로 산정된 보정캔트량을 고속철도에 적용하여 궤도에 미치는 영향 및 차량의 주행안전성, 승차감을 분석하여 보정캔트의 효과에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그 결과 보정캔트가 있는 경우가 차량의 주행안전성 및 궤도작용력, 승차감 측면에서 모두 좋은 것으로 나타났다.
Superimposition of horizontal and vertical curves occurs frequently owing to geographical conditions. It may hamper train ride comfort and running safety and inflate maintenance costs. In this study, when the horizontal and vertical curves are superimposed, in order to analyze the effects of the com...
Superimposition of horizontal and vertical curves occurs frequently owing to geographical conditions. It may hamper train ride comfort and running safety and inflate maintenance costs. In this study, when the horizontal and vertical curves are superimposed, in order to analyze the effects of the compensation cant, the analytical study for running safety, ride comfort and track forces was performed in high speed line. From the analysis results, it was found that it is better to apply the compensation cant at superimposition part.
Superimposition of horizontal and vertical curves occurs frequently owing to geographical conditions. It may hamper train ride comfort and running safety and inflate maintenance costs. In this study, when the horizontal and vertical curves are superimposed, in order to analyze the effects of the compensation cant, the analytical study for running safety, ride comfort and track forces was performed in high speed line. From the analysis results, it was found that it is better to apply the compensation cant at superimposition part.
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문제 정의
본 고에서는 평면원곡선과 종곡선의 경합부에 대한 역학적 이론을 바탕으로 경합시 정량적 보정캔트의 필요성에 대해 살펴보고, 이와 더불어 차량의 주행안전성, 승차감 등에 대한 해석적 검토를 수행하여 보정캔트의 효과에 대해 살펴보고자 하였다. 그 결과 보정캔트가 있는 경우가 차량의 주행안전성 및 궤도작용력 모두 좋은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 평면원곡선과 종곡선의 경합부에 대한 역학적 이론을 바탕으로 경합시 보정캔트량 및 열차한계속도 산정에 대해 살펴보고, 이와 더불어 고속철도의 경우 보정 캔트량 유무에 따른 궤도에 미치는 영향 및 차량의 주행안전성, 승차감 등에 대한 해석적 검토를 수행하여 보정캔트의 효과에 대한 비교연구를 수행하였다.
가설 설정
6은 종곡선이 볼록(convex)과 오목(concave)일 경우에 대한 각각의 선형모델링을 보여주고 있고 Table 3과 Table 4는 해석에 사용된 선형조건을 나타내고 있다. Table 4에서 보여주는 선형조건은 보정캔트 유무에 따른 차량의 거동을 비교하기 위해 보정캔트가 없을 때의 캔트를 100mm로 가정하였으며, 보정캔트는 식(5)에 의해 계산된 값을 적용하였다. 열차속도는 보정캔트가 없을 때의 균형속도로 비교분석을 수행하였다.
제안 방법
은 완화곡선상에서 횡가속도, 횡저크, 롤속도를 고려하여 평가하는 시스템이며 평가기준은 백분율(%)로서, 이 값이 클수록 승차감이 나쁘다는 것을 의미한다. 그리고 본 연구에서는 불리한 조건을 고려하여 입석에 대해서만 평가를 수행하였다.
1)을 적용하여 도상종류별 최소선형기준을 적용하였다. 그리고 주요 매개변수로서 경합여부, 보정캔트 유무에 따른 차량의 동적해석을 수행하고 주행안전성을 검토하였다.
해석시 선형조건은 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 도상종류별 최소선형기준을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였으며, 보정캔트의 효과를 분석하기 위해서 보정캔트 유무에 따른 비교검토도 수행하였다.
선형조건별 보정캔트 유무에 따른 차량의 주행안전성 및 승차감을 검토하고자 차세대 고속열차(HEMU)모델을 이용해 차량의 동역학적 거동을 분석 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 해석을 수행하였다[5].
여기서 외력의 합력이 궤간의 중앙을 지날 때를 D=0, 그리고 외력의 합력이 외측레일-차륜 접촉점에 작용하는 경우를 전복한계 상태로서 D=1로 정의 하였으며, 이때 외력에 의한 외측레일-차륜 접촉점에서의 모멘트의 합력이 ‘0’이 된다. 앞의 3가지 힘의 성분중 경합에 의해 변화하는 성분은 초과원심력으로, 본 연구에서는 초과원심력 성분만을 고려하였다.
일본의 Masaharu KUNIEDA는 철도차량의 곡선 주행시 전복에 관한 역학적 이론을 제시하였다[4]. 여기서는 철도차량 전복에 가장 크게 영향을 미치는 힘으로 초과원심력, 진동관성력, 풍압력을 고려하였으며 전복에 대한 위험율(D)로 정의하여 평가를 하였다. 여기서 외력의 합력이 궤간의 중앙을 지날 때를 D=0, 그리고 외력의 합력이 외측레일-차륜 접촉점에 작용하는 경우를 전복한계 상태로서 D=1로 정의 하였으며, 이때 외력에 의한 외측레일-차륜 접촉점에서의 모멘트의 합력이 ‘0’이 된다.
Table 4에서 보여주는 선형조건은 보정캔트 유무에 따른 차량의 거동을 비교하기 위해 보정캔트가 없을 때의 캔트를 100mm로 가정하였으며, 보정캔트는 식(5)에 의해 계산된 값을 적용하였다. 열차속도는 보정캔트가 없을 때의 균형속도로 비교분석을 수행하였다.
열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 HEMU차량의 최고속도를 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다.
대상 데이터
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 자갈도상의 경우는 VAMPIRE상의 기본모델을 활용하였으며, 콘크리트 도상에 대해서는 일부 실험값을 적용하였다. 그리고 레일은 UIC60레일을 적용하였다.
해석에 사용된 차량모델은 한국철도기술연구원에서 개발중인 차세대 고속열차(HEMU)모델을 이용하였다. 시제차량은 총 6량으로 구성되어 있으며, 이중 해석차량모델은 총 1량으로 M차량을 기준으로 모델링 되었다. Table 1 및 Fig.
해석에 사용된 차량모델은 한국철도기술연구원에서 개발중인 차세대 고속열차(HEMU)모델을 이용하였다. 시제차량은 총 6량으로 구성되어 있으며, 이중 해석차량모델은 총 1량으로 M차량을 기준으로 모델링 되었다.
데이터처리
선형조건별 보정캔트 유무에 따른 차량의 주행안전성 및 승차감을 검토하고자 차세대 고속열차(HEMU)모델을 이용해 차량의 동역학적 거동을 분석 하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 해석을 수행하였다[5].
이론/모형
경합 시 차량의 주행안전성을 검토하기 위해 현재 국내의 철도건설기준규정(2008)의 최소선형조건을 적용하여 경합조건별 해석을 수행하였다. Fig.
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 자갈도상의 경우는 VAMPIRE상의 기본모델을 활용하였으며, 콘크리트 도상에 대해서는 일부 실험값을 적용하였다. 그리고 레일은 UIC60레일을 적용하였다.
차량의 주행안전성 검토를 위한 선형조건은 철도건설기준규정(2008.9.1)을 적용하여 도상종류별 최소선형기준을 적용하였다. 그리고 주요 매개변수로서 경합여부, 보정캔트 유무에 따른 차량의 동적해석을 수행하고 주행안전성을 검토하였다.
해석시 사용한 필터링은 UIC518OR(2005)의 기준을 바탕으로 적용하였으며, 승차감 평가방법은 BSI(2009)에서 제안하고 있는 PCT방법을 이용하였다[7,8].
해석시 선형조건은 현행 국내에서 적용하고 있는 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 하여 도상종류별 최소선형기준을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다. 또한 종곡선의 형태별, 즉 볼록(convex)/오목(concave)곡선에 대해서도 비교검토를 수행하였으며, 보정캔트의 효과를 분석하기 위해서 보정캔트 유무에 따른 비교검토도 수행하였다.
성능/효과
궤도작용력은 Fig. 9와 Fig. 10에서 보듯이 열차속도가 높을수록 궤도에 미치는 힘이 증가하는 것을 알 수 있으며, 콘크리트도상이 자갈도상보다 전반적으로 크게 나타났다. 그리고 횡압은 볼록종곡선이 크게, 윤중은 오목종곡선이 크게 나타남을 알 수 있는데, 이는 볼록종곡선의 경우 상향가속도 성분에 의해 윤중감소를 야기시키고 힘의 합력이 곡선외측으로 발생하기 때문인 것으로 판단된다.
14에서는 경합시 도상종별 보정캔트의 효과를 분석한 결과를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 보정캔트 적용 유무에 따라서는 차량의 주행안전성 및 궤도작용력이 모두 보정캔트가 있는 경우가 좋은 것으로 나타났으며, 특히 승차감의 경우는 크게는 약 2배 정도 좋은 것으로 나타남을 알 수 있었다.
7에서 알 수 있듯이 전반적으로 속도가 높을수록 승차감이 좋지 않음을 알 수 있으며 도상종별 승차감 차이가 확연함을 알 수 있다. 또한 콘크리트도상이 자갈도상에 비해 승차감이 좋지 않은 것으로 나타났다. 종곡선의 형태별로는 볼록 종곡선이 승차감 측면에서 가장 불리한 것으로 나타났으며, 오목 종곡선은 오히려 평면곡선 보다 좋은 것으로 나타났다.
승차감 분석결과, Fig. 7에서 알 수 있듯이 전반적으로 속도가 높을수록 승차감이 좋지 않음을 알 수 있으며 도상종별 승차감 차이가 확연함을 알 수 있다. 또한 콘크리트도상이 자갈도상에 비해 승차감이 좋지 않은 것으로 나타났다.
또한 콘크리트도상이 자갈도상에 비해 승차감이 좋지 않은 것으로 나타났다. 종곡선의 형태별로는 볼록 종곡선이 승차감 측면에서 가장 불리한 것으로 나타났으며, 오목 종곡선은 오히려 평면곡선 보다 좋은 것으로 나타났다.
탈선계수는 Fig. 8에서 보듯이 대부분 콘크리트도상이 자갈도상에 비해 크게 나타났으며, 상향가속도 성분으로 인해 볼록곡선의 경우가 가장 불리한 것으로 나타남을 알 수 있었다. 하지만 해석에 사용된 선형조건의 경우 경합여부에 상관없이 대부분 0.
후속연구
다만 기존운행선상에서의 적용은 적절한 캔트체감 및 완화곡선길이 연장 등의 선형개량 등이 필요할 수 있으므로, 이로 인한 열차운행에 지장이 없는 범위내에서 적용하여야 할 것으로 판단된다. 그리고 향후에는 다양한 선형 조건을 고려한 경합부에서의 실제 동적거동을 면밀히 분석하여 적정보정캔트 설정한계에 대한 보완연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 경합시 보정캔트 및 열차한계속도 설정은 경합부에서의 승차감 및 차량의 주행안전성을 향상시키고 궤도에 미치는 영향을 최소화 한다는 것을 해석적으로 알 수 있었으며, 향후 철도건설기준으로 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다. 다만 기존운행선상에서의 적용은 적절한 캔트체감 및 완화곡선길이 연장 등의 선형개량 등이 필요할 수 있으므로, 이로 인한 열차운행에 지장이 없는 범위내에서 적용하여야 할 것으로 판단된다. 그리고 향후에는 다양한 선형 조건을 고려한 경합부에서의 실제 동적거동을 면밀히 분석하여 적정보정캔트 설정한계에 대한 보완연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 경합시 보정캔트 및 열차한계속도 설정은 경합부에서의 승차감 및 차량의 주행안전성을 향상시키고 궤도에 미치는 영향을 최소화 한다는 것을 해석적으로 알 수 있었으며, 향후 철도건설기준으로 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다. 다만 기존운행선상에서의 적용은 적절한 캔트체감 및 완화곡선길이 연장 등의 선형개량 등이 필요할 수 있으므로, 이로 인한 열차운행에 지장이 없는 범위내에서 적용하여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량 전복에 가장 크게 영향을 미치는 힘으로 고려되는 힘은?
일본의 Masaharu KUNIEDA는 철도차량의 곡선 주행시 전복에 관한 역학적 이론을 제시하였다[4]. 여기서는 철도차량 전복에 가장 크게 영향을 미치는 힘으로 초과원심력, 진동관성력, 풍압력을 고려하였으며 전복에 대한 위험율(D)로 정의하여 평가를 하였다. 여기서 외력의 합력이 궤간의 중앙을 지날 때를 D=0, 그리고 외력의 합력이 외측레일-차륜 접촉점에 작용하는 경우를 전복한계 상태로서 D=1로 정의 하였으며, 이때 외력에 의한 외측레일-차륜 접촉점에서의 모멘트의 합력이 ‘0’이 된다.
철도노선 설계 시 평면 및 종단선형의 경합이 어떤 요인에 의해 필요하게 되는가?
그러므로 설계에서는 가급적 경합을 피하고 있으며, 국내 기준에서도 부득이한 경우에만 경합을 허용하도록 하고 있다. 그러나 지형조건 및 사회 환경적 요인에 의하여 이들 경합이 필요하게 될 경우가 발생되며, 실제로 국내 경부고속선의 경우 평면선형의 약 90% 이상이 경합되어 있는 실정이다. 즉 국토가 좁고 산악지형이 많은 국내의 지형조건에서는 피할 수 없는 현실이라고 판단된다. 따라서 이러한 경합부에 대해 궤도에 미치는 영향이 최소화 될 수 있도록 면밀한 이론적 검토를 바탕으로 한 정량적 기준이 마련될 필요가 있다.
철도선형에서 평면원곡선과 종곡선의 경합의 특징은?
철도선형에서 평면원곡선과 종곡선의 경합은 예기치 않은 주위 환경조건들에 의해 빈번히 발생하고 있으며, 이는 차량의 주행안정성, 승차감, 그리고 궤도유지보수비에 많은 영향을 끼친다. 본 연구에서는 경합부의 역학적 이론을 바탕으로 산정된 보정캔트량을 고속철도에 적용하여 궤도에 미치는 영향 및 차량의 주행안전성, 승차감을 분석하여 보정캔트의 효과에 대한 해석적 연구를 수행하였다.
참고문헌 (9)
J.H. Um, I.Y. Choi, S.C. Yang, I.H. Lee, et al (2010) Comparative Study on Ride Comfort and Optimum Horizontal Curve Conditions for Superimposition of Vertical and Horizontal Curve, Journal of the Korean Society for Railway, 13(6), pp 589-594.
J.H. Um, S.C. Yang, E.K. Kim, I.Y. Choi, et.al. (2010) A study on evaluation method of ride comfort considering superimposition of vertical and horizontal curve, Journal of the Korean Society for Railway, 13(3), pp. 309-316.
Technical Standard Research Committee for Civil Engineering, "Technical standard for railway(Civil Engineering Part), 2002
Masaharu KUNIEDA(1972), Theoretical Study on the Mechanics of Overturn of Railway Rolling Stock, RTRI, N0 793.
AEA Technology. VAMPIRE User Manual.
Korea Railroad Research Institute Report (2009) "A study on determining the replacement cycle for rail fastening systems".
UIC Code 518-OR (2005) "Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Ride quality", 3rd edition, International Union of Railway
BSI, "BS EN 12299 Railway applications(2009)-Ride comfort for passengers-Measurement and evaluation".
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2008), Railway construction standard.
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