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문제 정의
- 본 연구에서는 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 경부고속선에서 차량-궤도 상호 안전성을 평가하였다. 고속철도차량의 제원을 이용하여 해석 모델을 개발하였으며 KTX 차량이 주행하고 있는 실측선로를 해석 모델에 적용하였다.
- 고속철도차량의 제원을 이용하여 해석 모델을 개발하였으며 KTX 차량이 주행하고 있는 실측선로를 해석 모델에 적용하였다. 주행 시 곡선부 제한 속도를 평가한 것으로 분석결과에 대한 차량 속도 제한을 제시하고자 한다. 본 연구 결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
- 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 주행속도에 따른 곡선반경의 영향을 분석하기 위하여 광명역을 기점으로 하행선 120km 부근의 실측 선로데이터를 이용하였고[15] 곡선 반경(R) 7,000m을 기준으로 ±1,000m, ±2,000m로 변경하여 5가지 곡선 선로에 대한 선로 반경을 가정하였고 캔트의 변화는 동일하다고 가정하여 해석하였다.
제안 방법
- 또한 각 차속에 대하여 곡선 반경이 커질수록 탈선계수는 작아지는 경향을 보이고 있다. 각 차량에 대한 탈선계수는 부록(Table 5~7)에 별도로 표시하여 결과값을 제시하였다. 또한 차량 일부(Mc차량, Tc차량)의 탈선계수를 곡선반경과 주행속도에 대한 결과로 Fig.
- 곡선반경이 작아질수록 제한값에 근접하는 결과로 나타났으며, 곡선반경에 따라 제한값을 벗어나는 차량이 발생하였다. 각 차량에 따라 횡압 결과를 부록(Table 8~10)에 별도로 표시하여 결과값을 제시하였다. 또한 차량 일부(Mc 차량, Tc 차량)의 안전성을 곡선반경과 주행속도에 대한 결과로 Fig.
- 차륜과 대차는 1차 현가장치로 연결되어 코일스프링과 수직댐퍼로 구성되며 차량과 대차는 2차 현가장치로 연결되어 공기스프링, 횡댐퍼, 수직댐퍼, 요댐퍼로 구성된다. 개발된 모델은 차체와 대차 사이를 연결해 주는 Z-link의 모델을 추가하여 차체와 대차 사이의 기구학적 구조를 나타내어 상대운동이 가능토록 하였다. 대차의 주요 구성에 대한 용어는 Fig.
- 탈선계수 및 횡압을 평가하는 해석 조건은 UIC 518 규정과 EN14363 규정에 따라 결정하였다. 본 규정에서 제시하고 있는 탈선계수 및 횡압에 의한 제한조건을 선정하여 곡선 통과 주행 속도와 곡선 반경 변화에 따른 열차 주행 안전성 경향을 확인하였다.
- 본 연구에서는 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 동특성 정보를 상용 소프트웨어인 ADAMS/Rail에 적용하여 차량 모델을 개발하였다. KTX, KTXⅡ는 동력집중식으로 전두차의 동력이 집중되어 차량을 견인하는 반면 차세대 고속열차(HEMU-430X)는 동력 분산형으로 각 대차의 동력원에 의해 주행하는 것이 특징이다.
- 또한, 시험 최대속도는 시속 430km이다. 본 연구에서는 다음 3가지 속도에 대하여 안전성 해석을 수행하였다. 차세대 고속열차(HEMU430X)는 개활지에서 시험 운행할 것이며 직선 선로 및 곡선 반경(R) 7,000m 이상에서 운행할 것이다.
- 또한 차세대 고속열차(HEMU-430X)가 목표로 하는 최고 운영 속도(370km/h)와 최대 시험속도(430km/h)는 기존 고속열차(KTX)의 운영속도와 최대속도보다 증가하여 개발 중이며, KTX가 운영 중인 경부고속선에서 시험 주행해야 하기 때문에 주행 시험 전에 차세대 고속열차(HEMU430X)에 대한 차량-궤도 안전성을 검토해야 한다. 본 연구에서는 차세대 고속열차(HEMU-430X)를 다물체 동역학 해석 도구인 ADAMS/Rail을 이용하여 개발하였고 차륜/궤도의 접촉에 의한 작용력 이론 식을 바탕으로 UIC518[10]과 EN14363[11]에 따라 탈선평가를 수행하였다. 탈선평가 전에 개발된 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 실제차량을 이용한 롤러리그 시험 결과와 해석적 검증을 선행하였다.
- 본 연구에서는 탈선계수(Q/P)의 제한 값을 UIC 규정에서 제시한 0.8로 적용하였고 2m 이동에 대한 탈선계수의 평균에 대하여 평가하였다.
- 해석 전에 개발된 모델의 적정성을 확인하기 위하여 롤러리그 시험을 이용한 시험 결과와 비교하였다. 시험 방법은 차량이 롤러리그 위에서 일정속도로 주행 중 차륜에 롤러리그의 yaw 방향으로 6Hz의 가진 주파수로 가진 후 차량의 안정화 정도를 확인하는 실험이다. 실제 차량 중에서 M3 차량으로 롤러리그 가진 시험을 하였다.
- UIC에서는 이와 같은 횡압을 안전성 측면에서 제한하고 있으며 식 (5)와 같이 제한 값을 제시하고 있다. 이 값을 기준으로 차세대 고속열차(HEMU-430X) 모델에서 횡압의 변화를 검토하였다.
- 8로 제한하고 있다. 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 탈선계수의 영향을 조사하고자 실측선로에서 곡선반경을 변경하면서 차량 속도에 따른 결과를 확인하였다. Fig.
- 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 횡압의 영향을 조사하고자 실측선로에 곡선반경을 변경하면서 차량 속도에 따른 결과를 확인하였다. Fig.
- 철도차량 주행 안전을 위한 동역학 해석은 UIC 규정에서 제시하고 있는 탈선계수와 횡압에 대하여 각각 살펴보았다. 탈선계수는 플랜지(Flange) 타오르기 탈선 등에 대한 안전도를 평가한 것이고, 횡압은 궤도 구조물이 버티는 지지강도 측면에서 해석한 것이다.
- 현재 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 탈선해석을 기존 경부고속선 구간에서 살펴보았으며, 열차의 속도변화와 곡선반경 변화에 따른 주행 안전성 해석을 하였다. 해석 결과를 바탕으로 본선 운전에 필요한 안전 확보 기본 자료를 생성하여 곡선 선로를 통과하는 철도차량의 최대 속도와 최소 곡선반경을 제시하였다.
- 탈선평가 전에 개발된 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 실제차량을 이용한 롤러리그 시험 결과와 해석적 검증을 선행하였다. 현재 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 탈선해석을 기존 경부고속선 구간에서 살펴보았으며, 열차의 속도변화와 곡선반경 변화에 따른 주행 안전성 해석을 하였다. 해석 결과를 바탕으로 본선 운전에 필요한 안전 확보 기본 자료를 생성하여 곡선 선로를 통과하는 철도차량의 최대 속도와 최소 곡선반경을 제시하였다.
대상 데이터
- 불규칙 선로 모델은 고속선로로 운영 중인 풍세교-비룡터널 구간 중 곡선 반경(R) 7,000m인 첫 번째 구간의 실제 측정값을 이용하였다. EN14363[11] 규정에 따라 실측선로 데이터를 사용하였고 궤도검측차(EM-120)로 검측된 선로 자료를 이용하여 불규칙 데이터를 모델링하였다. 궤도불규칙 데이터의 일부를 Fig.
- 본 연구에서는 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 경부고속선에서 차량-궤도 상호 안전성을 평가하였다. 고속철도차량의 제원을 이용하여 해석 모델을 개발하였으며 KTX 차량이 주행하고 있는 실측선로를 해석 모델에 적용하였다. 주행 시 곡선부 제한 속도를 평가한 것으로 분석결과에 대한 차량 속도 제한을 제시하고자 한다.
- 2에 나타내었고, Tc(객차) + M1~M4(동력객차) + Mc(동력차)로 구성된 6량 1편성 해석 모델이다. 대차는 동력차의 동력대차 2대, 동력객차의 동력대차 8대, 객차의 대차 2대로 구성되어 있으며 각 차량은 분산형 대차로 구성되어 있다. Tc 차량을 제외하고 모두 동력대차로 구성되어 있다.
- 차세대 고속열차(HEMU-430X) 시제차량의 질량 및 관성정보는 부록(Table 3~4)에 별도로 표시하여 제시하였다. 본 모델에 적용된 동특성 정보는 제작사에서 제공되었으며, 각 대차 모델의 구성은 부록(Fig. 11)과 같이 2가지 종류의 대차로 모델링되었다. 두 대차의 차이는 요댐퍼 위치이며, 전두부 형상 때문에 요댐퍼가 단방향으로 된 Tc차량의 Fig.
- 불규칙 선로 모델은 고속선로로 운영 중인 풍세교-비룡터널 구간 중 곡선 반경(R) 7,000m인 첫 번째 구간의 실제 측정값을 이용하였다. EN14363[11] 규정에 따라 실측선로 데이터를 사용하였고 궤도검측차(EM-120)로 검측된 선로 자료를 이용하여 불규칙 데이터를 모델링하였다.
- 시험 방법은 차량이 롤러리그 위에서 일정속도로 주행 중 차륜에 롤러리그의 yaw 방향으로 6Hz의 가진 주파수로 가진 후 차량의 안정화 정도를 확인하는 실험이다. 실제 차량 중에서 M3 차량으로 롤러리그 가진 시험을 하였다. 시험 결과, 차체와 대차가 차륜에서 전달된 가진력에 의해 횡방향으로 거동하였고 가진 종료 후 차량이 공진하지 않고 안정화되었다.
- 4에 나타내었다. 차륜 모델은 EN13715[14]에 제시된 S1002 프로파일을 사용하였고 궤도 형상은 UIC60의 1/20 프로파일을 사용하였다.
- 본 연구에서는 다음 3가지 속도에 대하여 안전성 해석을 수행하였다. 차세대 고속열차(HEMU430X)는 개활지에서 시험 운행할 것이며 직선 선로 및 곡선 반경(R) 7,000m 이상에서 운행할 것이다.
데이터처리
- 본 연구에서는 차세대 고속열차(HEMU-430X)를 다물체 동역학 해석 도구인 ADAMS/Rail을 이용하여 개발하였고 차륜/궤도의 접촉에 의한 작용력 이론 식을 바탕으로 UIC518[10]과 EN14363[11]에 따라 탈선평가를 수행하였다. 탈선평가 전에 개발된 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 실제차량을 이용한 롤러리그 시험 결과와 해석적 검증을 선행하였다. 현재 개발 중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 탈선해석을 기존 경부고속선 구간에서 살펴보았으며, 열차의 속도변화와 곡선반경 변화에 따른 주행 안전성 해석을 하였다.
- 해석 전에 개발된 모델의 적정성을 확인하기 위하여 롤러리그 시험을 이용한 시험 결과와 비교하였다. 시험 방법은 차량이 롤러리그 위에서 일정속도로 주행 중 차륜에 롤러리그의 yaw 방향으로 6Hz의 가진 주파수로 가진 후 차량의 안정화 정도를 확인하는 실험이다.
- 탈선계수는 플랜지(Flange) 타오르기 탈선 등에 대한 안전도를 평가한 것이고, 횡압은 궤도 구조물이 버티는 지지강도 측면에서 해석한 것이다. 해석결과 의 최대값을 그림을 통하여 나타내었으며 규정에서 제시하고 있는 제한 값과 비교하여 곡선 주행에서의 목표속도에 대한 안전성 결과를 비교하였다. 안전기준은 UIC 518에 따라 결과를 분석하였다.
이론/모형
- 85, 견인차, 객차의 경우 1을 적용한다. 본 연구에서는 UIC518 규정에 따라 1을 적용하였다[10,11].
- 해석결과 의 최대값을 그림을 통하여 나타내었으며 규정에서 제시하고 있는 제한 값과 비교하여 곡선 주행에서의 목표속도에 대한 안전성 결과를 비교하였다. 안전기준은 UIC 518에 따라 결과를 분석하였다.
- 또한 EN14363[11]에서도 동일한 내용으로 철도차량의 동적특성 안전평가를 규정하고 있다. 탈선계수 및 횡압을 평가하는 해석 조건은 UIC 518 규정과 EN14363 규정에 따라 결정하였다. 본 규정에서 제시하고 있는 탈선계수 및 횡압에 의한 제한조건을 선정하여 곡선 통과 주행 속도와 곡선 반경 변화에 따른 열차 주행 안전성 경향을 확인하였다.
성능/효과
- (1) 탈선계수에 의한 평가는 어떠한 상황에서도 만족함을 확인할 수 있었다. 이는 곡선반경 주행 시 차륜의 플랜지 접촉(Flange contact)에 의해 수평력과 수직력 상승이 동시에 일어나는 것으로 짐작할 수 있고, 탈선평가는 다양한 방법에 의해 수행되어야 함을 나타낸다.
- (2) 곡선반경이 커질수록 주행 안전성은 좋아지는 것으로 나타났으며, 개활지 직선선로에서는 최고 시험속도 430km/h에서 주행할 수 있는 결과를 얻었다.
- (3) 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 경부고속선 주행 시, 실제 목표 운영 속도인 370km/h와 곡선 반경(R) 7,000m에 대하여 국제규정을 만족하는 것을 확인 할 수 있으며, 이를 통하여 운영속도에 대한 안전성을 확보하였다.
- (4) 차세대 고속열차(HEMU-430X)의 경부고속선 주행 해석은 UIC 518 기준에 따라 평가하였고 횡압 평가 결과, 곡선반경(R) 7,000m, 8,000m, 9,000m에 대한 주행속도 370km/h, 400km/h, 430km/h(주행속도에 10% 상승한 407km/h, 440km/h, 473km/h에서 주행 해석 결과임)의 주행 안전성을 각각 확보하였다.
- 각 차량에서 후미 대차(Bogie No. 1,3,5,7,9,11)의 탈선계수가 전두 대차(Bogie No. 2,4,6,8,10,12)에 비하여 다소 높은 값을 보이고 있지만 탈선계수의 제한값에는 미치지 못 함을 확인 할 수 있다. 이는 곡선주행 시 전두대차 차륜의 플랜지 접촉(Flange contact)에 의한 차량 거동이 후미대차 주행에 영향을 미치게 되어 후미대차 차륜의 황압 증가로 나타나며, 따라서 탈선계수가 증가하게 된다[16,17].
- 6(b)는 대차 횡방향 가속도의 경향을 나타낸다. 결과로부터 가진 후 차량의 횡방향 안정성을 확인 할 수 있으며, 시험 결과와 해석 결과의 경향이 비슷한 것을 확인할 수 있다. 횡방향 가속도에 대한 최대값과 RMS값을 Table 2에 나타내었다.
- 10에서는 같은 곡선반경에서 주행속도가 작을수록 횡압의 크기는 작게 나타났다. 곡선반경(R) 7,000m에서는 속도 370km/h에서 기준을 만족하였으며 곡선반경(R) 8,000m에서는 속도 400km/h에서 기준을 만족하고, 곡선반경(R) 9,000m에서는 모든 속도에 대하여 만족하였다.
- 실제 차량 중에서 M3 차량으로 롤러리그 가진 시험을 하였다. 시험 결과, 차체와 대차가 차륜에서 전달된 가진력에 의해 횡방향으로 거동하였고 가진 종료 후 차량이 공진하지 않고 안정화되었다. Fig.
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