[논문]철도차량의 윤중 감소가 탈선계수에 미치는 영향 연구

구정서; 오현석

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.2.177

철도차량의 윤중 감소가 탈선계수에 미치는 영향 연구
Study of Influence of Wheel Unloading on Derailment Coefficient of Rolling Stock 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.2, 2013년, pp.177 - 185

구정서 (서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과) , 오현석 (서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과)

초록
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본 논문에서는 윤중감소를 고려한 이론적 새로운 탈선계수 모델을 제시한다. 본 탈선계수 모델은 열차 충돌 원인 탈선현상을 예측할 수 있는 단일 윤축의 이론적 탈선모델을 바탕으로 도출한다. 현재 국내 탈선규정에서는 플랜지 각이 $60^{\circ}$ 이고 마찰계수가 0.3인 조건을 나달식에 적용하여 탈선계수를 구한 후 안전율을 적용하여 0.8을 규정하고 있으나, 플랜지 각이 변경되면 이론적 설명이 부족하게 된다. 따라서 제시한 탈선계수 이론모델을 이용하여 탈선계수 규정 값 0.8을 이론적으로 접근해본다. 또한 국내탈선규정에서 윤중 감소율을 50%까지 허용하고 있으나 명확한 규정근거를 제시하고 있지 않다. 따라서 윤중 규정 50%감소와 탈선계수 규정 값 0.8과의 상관 관계를 앞서 제시한 탈선계수 이론모델을 이용하여 이론적으로 규명한다. 마지막으로 동역학 시뮬레이션을 이용하여 탈선계수 이론모델의 타당성을 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new theoretical derailment coefficient model of wheel-climb derailment is proposed to consider the influence of wheel unloading. The derailment coefficient model is based on the theoretical derailment model of a wheelset that was developed to predict the derailment induced by train collisions. Presently, in domestic derailment regulations, a derailment coefficient of 0.8 is allowable using Nadal's formula, which is for a flange angle of $60^{\circ}$ and a friction coefficient of 0.3. However, theoretical studies focusing on different flange angles to justify the derailment coefficient of 0.8 have not been conducted. Therefore, this study theoretically explains a derailment coefficient of 0.8 using the proposed derailment coefficient model. Furthermore, wheel unloading of up to 50% is accepted without a clear basis. Accordingly, the correlation between a wheel unloading of 50% and a derailment coefficient of 0.8 is confirmed by using the proposed derailment coefficient model. Finally, the validity of the proposed derailment coefficient model is demonstrated through dynamic simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 절에서는 Fig. 1과 같은 단일윤축 모델을 이용하여 타고오름 탈선유형에 대한 탈선계수 이론 모델을 제안하였다.

가설 설정

탈선 조건을 만들기 위해 축중(axle load)을 166kN으로 가정하고, 양쪽 레일의 중심간 거리는 1492mm, 차륜반경은 460mm, 서스펜션 지지점과휠 중심점 사이의 거리는 254mm를 부여하였다. Fig.

제안 방법

(1) 윤축에 작용하는 횡력, 좌우 윤중, 마찰계수, 휠의 반경, 궤간, 서스펜션 지지점과 휠 중심점 사이의 거리, 플랜지 각 등의 함수로 이루어진 새로운 탈선계수를 제안하였다.
탈선 조건을 만들기 위해 축중(axle load)을 166kN으로 가정하고, 양쪽 레일의 중심간 거리는 1492mm, 차륜반경은 460mm, 서스펜션 지지점과휠 중심점 사이의 거리는 254mm를 부여하였다. Fig. 2와 같이 양쪽 차륜에 동일한 힘을 받는 상태에서 탈선이 발생하도록 한쪽에 횡력을 충분히 부여하여 탈선계수 값을 구하였다.
Fig. 3과 같이 좌측 윤중이 50% 감소된 좌우측 윤중값과 횡력을 입력하고, 차륜과 레일 사이에 회전 접촉을 발생시키기 위해 레일 길이방향으로 윤축을 초기속도 30km/h로 굴려 시뮬레이션 하였다.
Fig. 4와 같이 우측 윤축이 50% 감소된 좌우측 윤중과 횡력을 입력하고 차륜-레일 사이의 회전 접촉을 발생시키기 위해 윤축을 레일 방향으로 초기속도 30km/h로 굴려 시뮬레이션 하였다.
우측 윤중이 50% 감소한 경우 Table 3에서 이론적으로 타고오름 탈선발생을 예측할 수 있다. Fig. 9와⁽⁹⁾ 같이 타고오름 탈선은 공격각을 10 mrad 이상 부여하였을 때 나달식의 값과 유사한 값을 구할 수 있으므로 공격각을 20 mrad을 부여한 후, 시뮬레이션 하였다. 공격각을 입력하게 되면 공격각에 의해 추가적인 횡력이 발생하므로 W_L, W_R, F 대신에 시뮬레이션 해석 후 차륜-레일 접촉부의 P와Q를 직접 읽어서 탈선발생 시점의 탈선계수를 구하였다.
9와⁽⁹⁾ 같이 타고오름 탈선은 공격각을 10 mrad 이상 부여하였을 때 나달식의 값과 유사한 값을 구할 수 있으므로 공격각을 20 mrad을 부여한 후, 시뮬레이션 하였다. 공격각을 입력하게 되면 공격각에 의해 추가적인 횡력이 발생하므로 W_L, W_R, F 대신에 시뮬레이션 해석 후 차륜-레일 접촉부의 P와Q를 직접 읽어서 탈선발생 시점의 탈선계수를 구하였다.
본 논문은 단일 윤축의 탈선유형별 타고오름 탈선계수 이론모델을 제안하였고, 제안한 이론모델을 이용하여 윤중 감소와 탈선계수 관계를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
앞에서 제안한 이론모델의 타당성을 검증하기 위해 Functionbay사의 다물체동역학 S/W Recurdyn 으로 단일윤축을 시뮬레이션 하여 탈선계수 이론 식을 검증한다.⁽¹¹⁾ 좌측 또는 우측 윤중을 50% 감소시킨 각각의 경우에 대해 시뮬레이션 하고 본 연구에서 제안한 타고오름 탈선 이론모델로 구한 한계탈선계수와 비교하였다.
차량에 윤중 감소가 없는 일반 주행상태를 대상으로 앞에서 제안한 탈선이론모델의 탈선계수를 구하고, 기존의 탈선판별에 사용되고 있는 나달식 및 바인스톡식과 비교하여 제안한 탈선계수와의 관계를 알아본다.
철도차량의 탈선은 크게 타고오름 형태와 미끄러져오름 형태, 전복 형태, 이들이 복합된 형태로 구분할 수 있으나, 본 논문에서는 타고오름 형태를 근간으로 전복 형태와 이들이 복합된 형태를 포함하여 타고오름 탈선유형으로 명명하였다.
최근 본 연구팀은 주행 중 철도차량의 윤축과 레일의 역학적 작용을 이론적으로 분석하여 차륜 타고오름(wheel-climb) 메카니즘을 정상형태, 타고오름 형태, 전복 형태, 이들의 복합 형태 등으로 구분하여, 정상상태, 타고오름(Climb-up) 탈선, 타고오름/ 전복(Climb/roll-over) 탈선, 전복(Roll-over) 탈선 유형등 4가지로 정의한 후, 가상시험모델에 적용하여 열차 충돌 후 탈선거동을 예측하고 평가하였다.^(4,5) 이 연구는 충돌 후 유발되는 탈선거동을 예측하기 위하여 제안된 이론이지만, 본 논문을 통하여 기존의 주행 중 탈선을 평가하는데도 유용하며 국내외 탈선규정에 명시된 윤중 감소와 탈선계수 관계를 규명하는데 유용함을 보이려고 한다.

데이터처리

윤중량의 변화는 탈선에 영향을 미치므로 국내에서는 윤중 감소량을 50%까지 허용한다고 규정하고 있고, 이를 기준으로 연구들이 진행되어 왔다.⁽¹⁰⁾ 단일윤축 모델에서 윤중을 50%와 60% 감소시켜 제안한 타고오름 탈선계수 이론모델로 탈선계수를 구하고 탈선규정 값 0.8과의 관계를 분석 평가한다.
(11) 좌측 또는 우측 윤중을 50% 감소시킨 각각의 경우에 대해 시뮬레이션 하고 본 연구에서 제안한 타고오름 탈선 이론모델로 구한 한계탈선계수와 비교하였다. 추가로 다양한 경우에 대하여도 탈선 시뮬레이션으로 검증하였으나 여기서는 생략한다.

성능/효과

(2) 새로운 타고오름 탈선계수 이론모델을 적용하여 분석한 결과, 좌우측 윤중 감소가 없는 경우는 플랜지 각이 60° 이면 나달식과 일치하지만 타고오름 탈선 발생이 어려운 플랜지 각 65°, 70°에서는 낮은 마찰계수 (0.1 또는 0.2) 조건에서 나달의 타고오름탈선 대신에 전복탈선이 발생한다.
(3) 좌측 윤중 감소가 50% 인 경우, 플랜지 각 60°, 마찰계수 0.4 조건에서만 Q/P 가 0.79이고 다른 조건에서는 0.9에서 전복 탈선이 발생한다.
(4) 또한 우측 윤중 감소가 50% 인 경우는 나달식의 결과와 정확히 일치하며 플랜지 각 70°, 마찰계수 0.3, 0.4에서 Q/P가 각각 1.34, 1.12로 규정의 탈선계수 0.8과는 상당히 큰 차이를 보인다.
(5) 따라서 열차는 우측 윤중이 감소하는 경우보다 좌측 윤중이 감소하는 경우가 더 낮은 한계 탈선계수 Q/P를 나타내며, 이때 전복 탈선이 발생한다는 것을 예측 할 수 있었다.
(6) 규정의 윤중 감소 50% 허용과 허용 탈선계수 0.8은 밀접히 연계되어 있으며 제안된 타고오름 탈선계수이론에 의하여 더 이상의 윤중 감소에 대한 한계탈선계수 Q/P도 구할 수 있다. 만약 좌측 윤중 감소가 60% 발생한다면 P/Q는 0.
(7) 제안된 타고오름 탈선계수 이론모델의 예측 값이 동역학 시뮬레이션 해석 값과 상당히 잘 일치하였다.
마지막으로 단일윤축 모델의 동역학적 시뮬레이션 검증을 통해 새로 제안한 탈선계수와 윤중감소 영향 예측결과의 타당성을 입증한다.
본 논문에서는 충돌 후 탈선거동을 평가하는 단일 윤축 탈선이론을 기존의 탈선이론 모델에 맞도록 수정하여 새로운 탈선계수를 제안하고, 현재 사용되는 탈선규정의 나달(Nadal)식, 바인스톡(Weinstock)식과 비교하여 규정의 허용 탈선계수 0.8에 대한 근거가 나달식 등으로부터 설명될 수 없고, 윤중 감소를 고려한본 연구의 탈선계수로 설명될 수 있음을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 수행한, 단일 윤축의 탈선유형별 타고오름 탈선계수 이론모델을 이용하여 윤중 감소와 탈선계수 관계를 분석한 결과를 통해 얻은 결론은 무엇인가?	(1) 윤축에 작용하는 횡력, 좌우 윤중, 마찰계수, 휠의 반경, 궤간, 서스펜션 지지점과 휠 중심점 사이의 거리, 플랜지 각 등의 함수로 이루어진 새로운 탈선계수를 제안하였다. (2) 새로운 타고오름 탈선계수 이론모델을 적용하여 분석한 결과, 좌우측 윤중 감소가 없는 경우는 플랜지 각이 60〬 이면 나달식과 일치하지만 타고오름 탈선 발생이 어려운 플랜지 각 65,〬 70〬에서는 낮은 마찰계수 (0.1 또는 0.2) 조건에서 나달의 타고오름탈선 대신에 전복탈선이 발생한다. (3) 좌측 윤중 감소가 50% 인 경우, 플랜지 각 60〬, 마찰계수 0.4 조건에서만 Q/P 가 0.79이고 다른 조건에서는 0.9에서 전복 탈선이 발생한다. (4) 또한 우측 윤중 감소가 50% 인 경우는 나달식의 결과와 정확히 일치하며 플랜지 각 70,〬마찰계수 0.3, 0.4에서 Q/P가 각각 1.34, 1.12로 규정의 탈선계수 0.8과는 상당히 큰 차이를 보인다. (5) 따라서 열차는 우측 윤중이 감소하는 경우보다 좌측 윤중이 감소하는 경우가 더 낮은 한계 탈선계수 Q/P를 나타내며, 이때 전복 탈선이 발생한다는 것을 예측 할 수 있었다. (6) 규정의 윤중 감소 50% 허용과 허용 탈선계수 0.8은 밀접히 연계되어 있으며 제안된 타고오름 탈선계수이론에 의하여 더 이상의 윤중 감소에 대한 한계탈선계수 Q/P도 구할 수 있다. 만약 좌측 윤중 감소가 60% 발생한다면 P/Q는 0.69 이하라야 안전하다. (7) 제안된 타고오름 탈선계수 이론모델의 예측 값이 동역학 시뮬레이션 해석 값과 상당히 잘 일치하였다.
	본 연구팀이 차륜 타고오름(wheel-climb) 메카니즘을 구분한 종류는 무엇인가?	최근 본 연구팀은 주행 중 철도차량의 윤축과 레일의 역학적 작용을 이론적으로 분석하여 차륜 타고오름(wheel-climb) 메카니즘을 정상형태, 타고오름 형태, 전복 형태, 이들의 복합 형태 등으로 구분하여, 정상상태, 타고오름(Climb-up) 탈선, 타고오름/ 전복(Climb/roll-over) 탈선, 전복(Roll-over) 탈선 유형등 4가지로 정의한 후, 가상시험모델에 적용하여 열차 충돌 후 탈선거동을 예측하고 평가하였다.(4,5) 이 연구는 충돌 후 유발되는 탈선거동을 예측하기 위하여 제안된 이론이지만, 본 논문을 통하여 기존의 주행 중 탈선을 평가하는데도 유용하며 국내외 탈선규정에 명시된 윤중 감소와 탈선계수 관계를 규명하는데 유용함을 보이려고 한다.
	열차의 특징은 무엇인가?	대량 운송수단 중의 하나인 열차는 사고가 발생하면 대부분 큰 사고로 이어져 많은 인명과 재산피해가 발생하기 때문에 사고 방지를 위해 많은 연구와 안전기준이 마련되어 왔다.(1~4)

참고문헌 (11)

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상세보기
Yang, Y. B. and Wu, Y. S., 2002, "Dynamic Stability of Trains Moving over Bridges Shaken by Earthquakes," Journal of Sound and Vibration, Vol. 258, No. 1, pp. 65-94.

상세보기
Cho, H. J. and Koo, J. S., 2012, "A Numerical Study of the Derailment Caused by Collision of a Rail Vehicle Using a Virtual Testing Model," Vehicle System Dynamics, Vol. 50, No. 1, pp. 79-108.

상세보기
Koo, J. S. and Choi, S. Y., 2012, "Theoretical Development of a Simplified Wheelset Model to Evaluate Collision-induced Derailments of Rolling Stock," Journal of Sound and Vibration, Vol. 331, No. 13, pp. 3172-3198.

상세보기
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Profillidis, V. A., 2006, "Railway Management and Engineering(3rd ed.)," Ashgate, Vermont, pp. 283-288.
Shabana, A. A., Zaazaa K. E., Sugiyama H., 2007, "Railroad Vehicle Dynamics," CRC Press, New York, pp. 6-20.
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Functionbay, Recurdyn, www.functionbay.com.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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