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축소모델을 통한 고속철도 차량의 진동특성 해석 및 검증
Analysis of the Vibration Characteristics of a High-Speed Train using a Scale Model 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.16 no.1 = no.74, 2013년, pp.7 - 13  

한재현 (Department of Mechanical Engineering, Hongik University) ,  김태민 (Department of Mechanical Engineering, Hongik University) ,  김정태 (Department of Mechanical System Design Engineering, Hongik University)

초록
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철도차량의 실차 규모 동특성시험은 설비 구축, 대차의 제작 및 시험 조건의 설정등과 관련하여 비용, 시간 등의 증대로 많은 어려움이 따른다. 본 연구에서는 실험실 환경에서 차량 진동문제와 안전성을 평가하기 위한 목적으로 축소모델을 제작하고, 개발된 축소모델이 해당 철도차량의 동특성을 정밀하게 모사하는지를 검증하는 평가방법에 대한 연구를 수행하였다. 축소이론은 Jaschinski 상사기법의 이론을 적용하였으며, 1/10 축소모델을 구축하였다. 본 연구에서는 축소 대차의 상하 진동에 초점을 맞혀 시스템을 제작하였다. 시스템은 구동부, 보기, 대차 등 3개의 하부구조로 구성되었으며, 실제 차량으로 환산 시 400km/hr까지 실험가능 하도록 목표로 하였다. 축소 대차의 설계 및 제작과 함께, 동역학해석 프로그램인 ADAMS/View를 이용하여 고유치 해석을 수행하였다. 전산해석으로 도출된 고유진동수는 실험결과와 비교 분석되었다. 시스템이 가지고 있는 초기 5개의 자유도에 상응한 고유진동수를 비교한 결과, 개발된 상사 이론에 따른 축소모형은 충분한 신뢰성을 확보한 것으로 검증되었다. 본 연구에서 개발된 축소모델은 대학실험실에서 차량진동모드를 모사하는 용도로 기획되었으나, 추후 자유도의 추가보완을 통해 고속철도 차량의 대차와 보기구조 동특성 해석에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A scaled version of a roller rig is developed to demonstrate the dynamic characteristics of a railway vehicle for academic purposes. This rig is designed based on Jaschinski's similarity law. It is scaled to 1/10 of actual size and allows 9-DOF motion to examine the up and down vibration of a train ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 축소 대차 모델 구축 시 동역학 해석 프로그램인 ADAMS/View을 이용하여, 축소 대차의 동특성 결과를 실제 차량과 비교 분석하여 신뢰성을 파악하고자 하였다. 본 논문에서는 ADAMS/View 모델을 축소대차의 진동특성 경향 파악에 중점적으로 사용하여 축소대차 설계의 신뢰성을 확보하고자 연구를 수행하였다. ADAMS/View 모델을 이용하여 축소 대차 모델에 대한 고유치 해석을 수행하였으며, 객차와 대차의 상호작용에 의한 모드형상을 확인하였다.
  • 본 연구는 고속철도 차량의 동특성 평가 시, 실차를 이용한 시험에서의 물리적 경제적 어려움을 보완하기 위해, 실제 차량과 동일한 동특성을 갖는 축소 대차를 제작함을 목표로 한다. 축소대차 제작은 Jaschinski 상사기법의 이론을 적용하여 1/10 축소모델을 설계하였으며, 축소 대차의 상하진동에 초점을 맞혀 9 자유도 시스템으로 단순화하여 제작하였다.
  • 본 연구는 고속철도 축소모델을 이용하여 직선 주행하는 철도 차량의 동특성 예측 및 평가를 위한 기초연구로서 9-자유도를 갖는 1/10 스케일의 축소 대차를 설계 및 제작하였다. 고속철도 동력분산형 차량을 대상으로 설계하였으며, 주행속도, 객차의 하중 등의 변화에 따른 주행시험이 가능하도록 설계하였으며, 축소모델은 Jaschinski 상사기법을 이용하여 관련 변수를 상사하여 사용하였다.
  • 본 연구에서는 동력 분산형 철도차량을 대상으로 선정하였으며, 단일 대차를 설계하여 대차의 동특성을 파악하고자 설계하였다. 본 모델의 좌표축은 그림 1과 같이 설정하였다.
  • 표 2는 기존의 상사기법에 따른 설계 파라미터의 scaling factor가 어떻게 조절되는 지를 보여준다. 본 연구에서는 실험환경에서 중력가속도를 고려하지 않는 Jaschinski 상사기법을 선정하였으며, 1/10 축소모델 설계를 목표로 연구를 수행하였다. 선정한 Jaschinski 상사기법은 철도차량 다물체 동역학 이론과 비선형 방정식의 타당성을 검증하기 위한 방법으로 활용된다[2,4].
  • 축소 대차 모델 구축 시 동역학 해석 프로그램인 ADAMS/View을 이용하여, 축소 대차의 동특성 결과를 실제 차량과 비교 분석하여 신뢰성을 파악하고자 하였다. 본 논문에서는 ADAMS/View 모델을 축소대차의 진동특성 경향 파악에 중점적으로 사용하여 축소대차 설계의 신뢰성을 확보하고자 연구를 수행하였다.

가설 설정

  • 대차의 동특성에 대하여, 객차는 하중의 효과가 지배적이기 때문에 상하방향 진동계로 단순화하였다. 또한, 고속철도가 곡선 또는 상하 기울기가 없는 평평한 직선구간을 달린다고 가정하여 대차는 상하방향 진동과 대차가 Y축을 기준으로 회전하는 pitch 운동, 대차의 lateral운동과 yaw운동만을 고려하였다. 또한 대차와 윤축 사이에 2개의 swing arm구조의 회전운동을 고려하여 9 자유도로 모델로 설계하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 고속철도 차량은 많은 연구를 통해 무엇을 이루고 있는가? 현재 고속철도 차량은 빠르고 편리한 친환경 교통수단으로 자리 잡고 있으며, 많은 연구를 통해 고속화, 경량화를 이루고 있다. 하지만 고속철도의 고속화에 따른 차량의 안전성 감소, 진동 증가에 의한 승객의 승차감 악영향이 예상된다.
철도차량의 실차 규모 동특성시험은 어떤 어려움이 있는가? 철도차량의 실차 규모 동특성시험은 설비 구축, 대차의 제작 및 시험 조건의 설정등과 관련하여 비용, 시간 등의 증대로 많은 어려움이 따른다. 본 연구에서는 실험실 환경에서 차량 진동문제와 안전성을 평가하기 위한 목적으로 축소모델을 제작하고, 개발된 축소모델이 해당 철도차량의 동특성을 정밀하게 모사하는지를 검증하는 평가방법에 대한 연구를 수행하였다.
고속철도 차량의 고속화는 어떤 문제를 야기할 수 있는가? 현재 고속철도 차량은 빠르고 편리한 친환경 교통수단으로 자리 잡고 있으며, 많은 연구를 통해 고속화, 경량화를 이루고 있다. 하지만 고속철도의 고속화에 따른 차량의 안전성 감소, 진동 증가에 의한 승객의 승차감 악영향이 예상된다.
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참고문헌 (8)

  1. H.M. Hur, J.H. Park, W.H. You, T.W. Park (2007) A study on the scale model of roller rig for bogie testing, Proceeding of the Korean Society for Precision Engineering Annual Conference, pp. 835-836. 

  2. B.G. Eom, S.Y. Lee, S.B. Oh, B.B. Kang, H.S. Lee (2011) A study on the design of small-scaled derailment simulator considering similarity rules, Applied Physics Letters, 86(3), pp. 551-561. 

  3. M. Gretzschel, A. Jaschinski (2004) Design of an active wheelset on a scaled roller rig, Vehicle System Dynamics, 41(5), pp. 365-381. 

  4. A. Jaschinski, H. Chollet, S, Iwnicki, A. Wickens, J.V. Wurzen (1999) The application of roller rig to railway vehicle dynamics, Vehicle System Dynamics, 31, pp. 345-392. 

  5. R.M. Lee, P.H. Lee, S.W. Lee, J.C. Koo, Y.S. Choi (2008) Dynamic analysis of railway vehicle using mathematical modeling of high-speed EMU, Proceedings of the KSR Annual Autumn Conference, pp. 1426-1434. 

  6. K. Nishimura, N.C. Perkins, W. Zhang (2004) Suspension dynamics and design optimization of a high speed railway vehicle, Proceedings of the ASME/lEEE Joint Rail Conference, pp. 129-139. 

  7. S.Y. Lee, B.G. Eom, B.B. Kang, H.S. Lee (2011) A study on the dynamic analysis of 1/5 scale derailment simulator model, Proceedings of the KSR Annual Spring Conference, pp. 337-342. 

  8. MSC software (2005) MSC. ADAMS 2005 User's Manual. 

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