철도차량 충돌에 의한 타고오름 탈선거동 예측을 위한 단일윤축 이론모델 개발 Development of a Theoretical Wheelset Model to Predict Wheel-climbing Derailment Behaviors Caused by Rolling Stock Collision원문보기
본 논문에서는 열차 충돌로 발생되는 충격으로 차축에 큰 수직하중 및 수평하중이 부과될 때 플랜지가 레일을 타고 오르는 탈선현상을 예측할 수 있는 단일 윤축의 이론적 탈선 모델을 연구하였다. 철도차량 충돌 시 크게 타고오름(wheel-climbing), 들려오름(lift-up), 전복(roll-over) 등과 이들의 복합유형탈선이 발생할 수 있다. 타고오름 및 복합 유형의 탈선은 세 가지(Climb-over, Climb/roll-over, Roll-over)로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 충돌 후 탈선거동을 예측하기 위하여 타고오름 및 복합 유형 탈선에 대한 단일윤축 이론모델을 제안하고, 정의한 세 가지 탈선거동이 발생하기 위한 조건을 제시하였다. 타고오름 및 복합 유형의 탈선거동을 예측하기 위하여 제안된 단일윤축 이론모델의 타당성을 단순플랜지 형상 윤축모델을 사용한 동역학 시뮬레이션을 통하여 검증하고, 타당성을 보인다.
본 논문에서는 열차 충돌로 발생되는 충격으로 차축에 큰 수직하중 및 수평하중이 부과될 때 플랜지가 레일을 타고 오르는 탈선현상을 예측할 수 있는 단일 윤축의 이론적 탈선 모델을 연구하였다. 철도차량 충돌 시 크게 타고오름(wheel-climbing), 들려오름(lift-up), 전복(roll-over) 등과 이들의 복합유형탈선이 발생할 수 있다. 타고오름 및 복합 유형의 탈선은 세 가지(Climb-over, Climb/roll-over, Roll-over)로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 충돌 후 탈선거동을 예측하기 위하여 타고오름 및 복합 유형 탈선에 대한 단일윤축 이론모델을 제안하고, 정의한 세 가지 탈선거동이 발생하기 위한 조건을 제시하였다. 타고오름 및 복합 유형의 탈선거동을 예측하기 위하여 제안된 단일윤축 이론모델의 타당성을 단순플랜지 형상 윤축모델을 사용한 동역학 시뮬레이션을 통하여 검증하고, 타당성을 보인다.
This study formulates the theoretical wheel-set model to evaluate wheel-climbing derailments of rolling stock due to collision, and verifies this theory with dynamic simulations. The impact forces occurring during collision are transmitted from a car body to axles through suspensions. As a result of...
This study formulates the theoretical wheel-set model to evaluate wheel-climbing derailments of rolling stock due to collision, and verifies this theory with dynamic simulations. The impact forces occurring during collision are transmitted from a car body to axles through suspensions. As a result of combinations of horizontal and vertical forces applied to axles, rolling stock may lead to derailment. The derailment type will depend on the combinations of the horizontal and vertical forces, flange angle and friction coefficient. According to collision conditions, the wheel-lift, wheel-climbing or roll-over derailments can occur between wheel and rail. In this theoretical derailment model of wheelset, the wheel-climbing derailment types are classified into Climb-over, Climb/roll-over, and pure Roll-over according to derailment mechanism between wheel and rail, and we proposed the theoretical conditions to generate each derailment mechanism. The theoretical wheel-set model was verified by dynamic simulations.
This study formulates the theoretical wheel-set model to evaluate wheel-climbing derailments of rolling stock due to collision, and verifies this theory with dynamic simulations. The impact forces occurring during collision are transmitted from a car body to axles through suspensions. As a result of combinations of horizontal and vertical forces applied to axles, rolling stock may lead to derailment. The derailment type will depend on the combinations of the horizontal and vertical forces, flange angle and friction coefficient. According to collision conditions, the wheel-lift, wheel-climbing or roll-over derailments can occur between wheel and rail. In this theoretical derailment model of wheelset, the wheel-climbing derailment types are classified into Climb-over, Climb/roll-over, and pure Roll-over according to derailment mechanism between wheel and rail, and we proposed the theoretical conditions to generate each derailment mechanism. The theoretical wheel-set model was verified by dynamic simulations.
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문제 정의
본 논문에서는 충돌 후 탈선거동 중 타고오름 및 전복 복합 유형 탈선에 대한 단일윤축 이론모델을 제안하고, 정의한 세 가지 탈선거동이 발생하기 위한 조건을 제시하였다. 개발된 단일윤축 탈선 이론모델은 상용 프로그램을 이용한 동역학 시뮬레이션으로 비교분석하고, 윤축의 탈선이론을 이용한 탈선거동의 예측방법을 고찰하였다.
본 절에서는 타고오름 탈선이론을 사용하여 윤축의 탈선거동을 예측하는 방법에 대하여 고찰한다. 철도차량이 충돌 후 외력이 발생하는 순간에 최초 발생된 거동을 Table 2의 탈선유형으로 분류할 수 있기 때문에, 윤축이 정상상태에서 탈선거동이 발생할 때 어떤 이론식을 추종하는지 여부를 살펴보는 것이 중요하다.
제안 방법
본 논문에서는 충돌 후 탈선거동 중 타고오름 및 전복 복합 유형 탈선에 대한 단일윤축 이론모델을 제안하고, 정의한 세 가지 탈선거동이 발생하기 위한 조건을 제시하였다. 개발된 단일윤축 탈선 이론모델은 상용 프로그램을 이용한 동역학 시뮬레이션으로 비교분석하고, 윤축의 탈선이론을 이용한 탈선거동의 예측방법을 고찰하였다.
본 장에서는 각 유형에 대하여 해당 거동이 발생할 수 있는 하중조건을 이론적으로 분석하였다.
본 연구에서는 충돌 후 타고오름 탈선에 대하여 발생할 수 있는 유형을 Climb-over, Climb/roll-over, Roll-over 로 정의하고, 레일을 벗어나지 않고 정상 주행 상태를 정상상태로 정의하였다. 정의한 각 거동의 단일윤축 탈선예측 이론모델을 제시하였고, 이론모델을 사용하여 각 거동이 발생할 수 있는 하중조건을 도출할 수 있었다. 제시한 이론모델은 도출한 하중조건을 입력으로 한 동역학 시뮬레이션을 통하여 검증을 수행하였고, 이론모델의 검토조건을 모두 만족하였다.
충돌에 의하여 윤축에 탈선거동이 발생할 때 차륜 플랜지와 레일의 접촉 부위에서 미끄러져오름, 타고오름 또는 전복 현상이 단독/복합되어 발생하여 탈선에 이르게 되는데 본 논문에서는 타고오름과 전복의 복합현상을 타고오름 탈선유형(Wheel-climbing derailment type)으로 정의하고, 이 타고오름 탈선유형에 대하여 정상상태, Climb-over, Climb/rollover, Roll-over로 분류하여 각 유형에 대한 윤축이론모델을 제시하였다.
동역학 윤축모델의 플랜지는 플랜지 여각 20°(α=20°, 플랜지각 70°)의 단순형상을 사용하였고, 차륜레일 마찰계수는 0.2이며 동적 Coulomb friction 모델을 사용하였다.
철도차량은 크게 승객이 탑승하는 차체부와 이를 지지하는 대차부로 구성되어 있으며, 대차부는 현가장치와 차축, 차륜으로 구성되어 있다. 외부에서 차체로 가해지는 하중은 현가장치를 통하여 차축으로 전달되고, 또 차량이 운동을 하는 동안에는 전후 좌우 상하방향의 속도변화가 발생하면 이들은 관성력의 형태로 현가장치를 거쳐 차축에 전달된다.
데이터처리
앞에서 제시한 이론모델의 타당성을 검증하기 위하여 동역학해석 프로그램인 Functionbay사의 RecurDyn으로 시뮬레이션 하였다. 동역학 윤축모델의 플랜지는 플랜지 여각 20°(α=20°, 플랜지각 70°)의 단순형상을 사용하였고, 차륜레일 마찰계수는 0.
정의한 각 거동의 단일윤축 탈선예측 이론모델을 제시하였고, 이론모델을 사용하여 각 거동이 발생할 수 있는 하중조건을 도출할 수 있었다. 제시한 이론모델은 도출한 하중조건을 입력으로 한 동역학 시뮬레이션을 통하여 검증을 수행하였고, 이론모델의 검토조건을 모두 만족하였다.
이론/모형
Roll-over 탈선조건의 검증도 시뮬레이션으로 하였다. Fig.
성능/효과
시뮬레이션 결과도 탈선이 시작되는 1.522sec에서부터 완료되는 1.594sec까지 Roll-over 탈선의 성립조건인 RF>0, RR>0, θ<0을 만족하였다.
시뮬레이션 결과에 의하면, 탈선이 시작되는 1.535sec에서부터 탈선이 완료되는 시점인 1.746sec까지 Climb-over 탈선의 성립조건인 (RF>0, RL>0, dR>0)를 만족하였으며, Fig. 8에서 보이는 탈선거동 또한 Climb-over 유형이었다.
시뮬레이션결과에 의하면, 탈선이 시작되는 1.521sec에서부터 탈선이 완료되는 시점인 1.607sec까지 Climb/rollover 탈선의 성립조건인 RF>0, θ0을 만족하였다.
후속연구
본 연구의 결과는 철도차량 충돌 해석 시 차체로부터 현가 장치를 통하여 차축으로 전달되는 수평/수직력을 본 단일 윤축탈선이론 모델에 적용시킴으로써 충돌해석 시 차륜레일 사이의 복잡한 접촉 모델을 생략하고도 탈선 발생여부를 평가하는데 사용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충돌 안정성을 평가하기 위한 가장 합리적인 대안은?
충돌 안정성을 평가하기 위한 합리적인 대안은 가상의 충돌시험모델을 사용하는 것이다[4-7]. 가상시험모델을 사용하여 충돌 후 거동을 평가한 연구사례가 있고[8-10], 주행 중탈선 안정성을 평가하기 위한 다물체 동역학 해석과 차륜-레일접촉 모델연구도 이루어지고 있다[11,12].
철도차량은 충돌 시 어떤 유형으로 탈선이 되는가?
철도차량은 충돌 시 크게 타고오름(wheel-climbing), 들려오름(lift-up), 전복(roll-over) 형태와 이들이 복합된 유형으로 탈선할 수 있다. 동역학적 이론 관점에서 타고오름 및 복합 유형의 탈선은 세 가지(Climb-over, Climb/roll-over, Rollover)로 정의하고, 들려오름 및 복합 유형의 탈선은 세 가지(Slip-over, Slip/roll-over, Roll-over)로 정의할 수 있다[13].
높은 외력이 가해지는 충돌의 순간에 윤축에 급격한 수직/수평하중이 가해지면서 탈선이 유발되는데 이 때, 무엇에 따라 탈선의 유형이 달라질 수 있는가?
특히 높은 외력이 가해지는 충돌의 순간에는 윤축에 급격한 수직/수평하중이 가해지면서 탈선을 유발할 수 있다. 이 때 발생한 수직/수평하중의 조합, 차륜-레일 접촉부위의 마찰계수, 차륜 플랜지의 각도, 차륜의 공격각 등에 따라 탈선의 유형이 달라질 수 있다.
참고문헌 (14)
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Rolling Stock Safety Regulation, Notification No. 2007-278 of the MLTM, 2007.
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D.C. Tyrell, K.J. Sevrson, B.J. Marquis (1995) "Analysis of Occupant Protection Strategies in Train Collisions", ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition", AMD-Vol. 210, pp. 539-557.
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H.J. Cho (2009) Study on Wheel-rail Models for Prediction of Derailment Behavior after Collision Using Virtual Testing Model, A Doctoral Thesis, Seoul National University of Technology, Korea.
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