반경이 작은 곡선이 종종 존재하는 도시 내에서 운행되는 도시형자기부상열차는 전자석과 레일 사이에 기계적 접촉 없이 곡선주행을 할 수 있어야 한다. 특히, 안내제어가 없는 자기부상열차에 있어서는 승차감을 확보하면서 곡선추종성능을 향상시키기 위하여 차간 댐퍼의 설치가 고려된다. 자기부상 차량용 차간 댐퍼는 곡선 진출입시 차량에 발생하는 요(Yaw) 방향의 진동을 최소화할 수 있어야 함과 동시에, 부상 전자석이 레일과 접촉이 없도록 해야 한다. 본 논문에서는 곡선주행에서의 차간 댐퍼의 승차감과 곡선추종성에의 영향을 분석하는데 목적이 있다. 이를 위하여 부상제어, 차량, 대차 및 궤도가 포함된 동역학 모델을 이용한 동특성 시뮬레이션이 수행된다. 시뮬레이션을 통하여 차간 댐퍼의 효과가 분석되고 시험 선로에서의 주행시험을 실시하여 해석 결과의 신뢰성에 대한 검증이 이루어졌다.
반경이 작은 곡선이 종종 존재하는 도시 내에서 운행되는 도시형자기부상열차는 전자석과 레일 사이에 기계적 접촉 없이 곡선주행을 할 수 있어야 한다. 특히, 안내제어가 없는 자기부상열차에 있어서는 승차감을 확보하면서 곡선추종성능을 향상시키기 위하여 차간 댐퍼의 설치가 고려된다. 자기부상 차량용 차간 댐퍼는 곡선 진출입시 차량에 발생하는 요(Yaw) 방향의 진동을 최소화할 수 있어야 함과 동시에, 부상 전자석이 레일과 접촉이 없도록 해야 한다. 본 논문에서는 곡선주행에서의 차간 댐퍼의 승차감과 곡선추종성에의 영향을 분석하는데 목적이 있다. 이를 위하여 부상제어, 차량, 대차 및 궤도가 포함된 동역학 모델을 이용한 동특성 시뮬레이션이 수행된다. 시뮬레이션을 통하여 차간 댐퍼의 효과가 분석되고 시험 선로에서의 주행시험을 실시하여 해석 결과의 신뢰성에 대한 검증이 이루어졌다.
In a magnetic train set composed of more than two cars, the installation of dampers between cars is carefully considered for improving both the ride quality and the safety, particularly during curve negotiation. In this study, a dynamic simulation of the ride quality and curve negotiation of a Magle...
In a magnetic train set composed of more than two cars, the installation of dampers between cars is carefully considered for improving both the ride quality and the safety, particularly during curve negotiation. In this study, a dynamic simulation of the ride quality and curve negotiation of a Maglev vehicle was carried out. The dynamic model is developed based on multibody dynamics. The presented full vehicle multibody dynamic model integrates the electromagnet model and its control algorithm. By using this model, the effects of the dampers are numerically analyzed. The proposed damper is installed on the vehicle and tested to analyze its effects. In this study, the simulation and measured results of the vehicle behavior and ride quality are discussed.
In a magnetic train set composed of more than two cars, the installation of dampers between cars is carefully considered for improving both the ride quality and the safety, particularly during curve negotiation. In this study, a dynamic simulation of the ride quality and curve negotiation of a Maglev vehicle was carried out. The dynamic model is developed based on multibody dynamics. The presented full vehicle multibody dynamic model integrates the electromagnet model and its control algorithm. By using this model, the effects of the dampers are numerically analyzed. The proposed damper is installed on the vehicle and tested to analyze its effects. In this study, the simulation and measured results of the vehicle behavior and ride quality are discussed.
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문제 정의
선행 연구 또한 자기부상열차의 차간 댐퍼가 승차감을 개선시킬 수 있다는 것을 제시했지만 곡선추종성에 대한 문제는 언급하지 않았다.(2) 따라서 이번 연구는 차간 댐퍼의 설치에 따른 승차감 및 곡선추종성능에 대한 댐퍼의 영향도를 분석하는데 목적이 있다. 이 연구를 수행하기 위해서 상전도 흡인식 자기부상열차의 상세한 동역학 모델의 적용이 제안된다.
다음은 시험선로의 또 다른 곡선인 반경 180m의 곡선 형상을 주행하는 시뮬레이션 결과를 분석해 보고자 한다. Fig.
(1) 이런 구조로 인해 주로 작은 반경의 곡선을 주행하는 도시형 자기부상열차에서는 곡선추종성 및 승차감 등의 보다 엄밀한 동특성 확인이 요구된다. 이를 위해 본 논문의 저자들은 시험 선로에서 다양한 동특성 시험을 수행하였으며, 동시에 동적 성능을 향상시키는 연구를 진행해왔다. 그 중 Fig.
1 과 같이 곡선주행 중 차량의 요진동(Yaw motion)이 관찰되어 승차감에 악영향을 줄 수 있으므로 저감 방안에 대한 연구의 필요성이 제기되었다. 이에 본 논문에서는 일반적으로 2 량으로 구성된 열차에 있어서 차량간의 상대적 운동을 감소시켜 승차감과 같은 주행성능을 향상시키기 위하여 Fig. 2 와 같이 차량 사이의 댐퍼 설치를 고려하고자 한다. 그러나 바퀴식 열차와는 달리 전자석을 이용하여 비접촉으로 주행하는 자기부상열차에 있어서는 차간 댐퍼가 승차감을 향상시킬 수 있으나 곡선추종성은 약화시킬 수도 있다.
제안 방법
본 논문에서는 다물체동역학 해석은 Virtual Lab. Motion(8) 프로그램을 사용하였으며, 전자석 및 제어, 그리고 곡선가이드웨이의 모델 등을 수식화하여 별도의 사용자 서브루틴(user defined subroutine)으로 구성하였다. 동역학 해석 과정은 다물체 동역학 모델에서 위치, 가속도 값을 이용하여 각 전자석과 레일간의 공극을 계산하고, 사용자 서브루틴의 전자석 부상력과 제어식을 이용하여 제어 전류 및 제어 전자석 힘을 추정하고 다시 모델에 인가하여 운동방정식을 계산한다.
곡선추종성에서의 차간 댐퍼 효과를 분석하기 위하여 댐퍼를 설치 한 경우와 미 설치한 경우, 두 경우에 대해 시뮬레이션과 시험을 수행하였다. 횡 공극 및 가속도 측정 위치는 Fig.
또한, 전자석의 힘은 극의 길이 방향과 위치에 따라서 가이드레일과 전자석간의 횡 공극이 다르게 나타난다. 그러므로 전자석의 부상력과 안내력을 정확하게 계산하기 위하여 전자석을 다수로 이산화하여 모델링을 하였다.
한편, 차량 간 댐퍼는 TSDA (Translational Spring Damper Actuator)를 사용하여 모델링 하였다. 댐퍼의 물성치는 자기부상열차 차량의 물성치, 2 차 현가장치인 공기스프링의 횡 방향 특성을 고려하여 요구되는 댐퍼의 용량을 계산하였다. 또한, 차간 댐퍼의 작동으로 전자석과 궤도의 접촉이 발생하지 않아야 하므로 전자석의 최대 발생 횡력을 근거로 차간 댐퍼의 댐핑력을 제한하였다.
Motion(8) 프로그램을 사용하였으며, 전자석 및 제어, 그리고 곡선가이드웨이의 모델 등을 수식화하여 별도의 사용자 서브루틴(user defined subroutine)으로 구성하였다. 동역학 해석 과정은 다물체 동역학 모델에서 위치, 가속도 값을 이용하여 각 전자석과 레일간의 공극을 계산하고, 사용자 서브루틴의 전자석 부상력과 제어식을 이용하여 제어 전류 및 제어 전자석 힘을 추정하고 다시 모델에 인가하여 운동방정식을 계산한다.(1,4,6)
이는 해석의 신뢰성을 확인하기 위해 수행하였으며, 요 가속도를 직접적으로 측정하는 대신에 횡 가속도 비교 응답으로 간접 검증하였다. 두 경우에 대해 각각 8 번씩 주행하여 횡 가속도를 측정하였다. Fig.
본 논문에서 중요하게 분석되어야 할 전자석과 궤도 사이의 횡 공극과 승차감은 차량에서의 위치에 따라서 다르기 때문에 전체차량 모델 적용이 필요하며, 2 량 1 편성으로 구성된 실제 자기부상열차를 다물체동역학 모델 기법으로 Fig. 6 과 같이 모델링 하였다. 이 모델은 모든 부품이 3 차원 운동이 가능한 상세한 동적 모델로써 장점을 가진다.
부상력과 안내력을 포함한 전자석 현가장치를 가진 자기부상열차 동역학 모델을 제시하여 차간 댐퍼 설치에 따른 승차감 및 곡선추종성 영향 분석을 수행하였다. 분석은 댐퍼 설치 유무에 따라 요 가속도 및 횡 공극 응답을 통해 이루어졌다.
부상력과 안내력을 포함한 전자석 현가장치를 가진 자기부상열차 동역학 모델을 제시하여 차간 댐퍼 설치에 따른 승차감 및 곡선추종성 영향 분석을 수행하였다. 분석은 댐퍼 설치 유무에 따라 요 가속도 및 횡 공극 응답을 통해 이루어졌다. 그 결과, 곡률 반경 60m 와 180m 의 곡선 형상을 주행하는 시뮬레이션에서는 두 경우 모두 댐퍼 설치 시 요 가속도가 감소되는 경향성을 보이고 있다.
4. 주행 시험
시험선로에서 주행 시험을 통해 댐퍼 설치와 미설치한 경우에 대해 차량의 횡 가속도 응답을 각각 측정하였다. 이는 해석의 신뢰성을 확인하기 위해 수행하였으며, 요 가속도를 직접적으로 측정하는 대신에 횡 가속도 비교 응답으로 간접 검증하였다.
시험선로에서 주행 시험을 통해 댐퍼 설치와 미설치한 경우에 대해 차량의 횡 가속도 응답을 각각 측정하였다. 이는 해석의 신뢰성을 확인하기 위해 수행하였으며, 요 가속도를 직접적으로 측정하는 대신에 횡 가속도 비교 응답으로 간접 검증하였다. 두 경우에 대해 각각 8 번씩 주행하여 횡 가속도를 측정하였다.
동역학 모델은 다물체 동역학 모델이며 부상 시스템이 상세하게 포함되는 것이 특징이다. 제안된 모델을 이용하여 댐퍼 특성에 따른 승차감, 곡선추종성이 해석된다. 마지막으로 시험 선로에서의 곡선 주행 시험을 통하여 해석결과의 신뢰성을 확인하였으며, 차간 댐퍼 효과에 의한 승차감에 대한 개선 평가가 이루어진다.
한편, 차량 간 댐퍼는 TSDA (Translational Spring Damper Actuator)를 사용하여 모델링 하였다. 댐퍼의 물성치는 자기부상열차 차량의 물성치, 2 차 현가장치인 공기스프링의 횡 방향 특성을 고려하여 요구되는 댐퍼의 용량을 계산하였다.
대상 데이터
곡선주행 시뮬레이션을 위한 곡선 가이드웨이 형상은 시험선로의 곡선 형상 조건을 대상으로 수행하였으며, Table 3 에 곡선 형상 및 주행 조건을 제시하였다.(10)
데이터처리
Fig. 11 의 결과는 댐퍼 설치 유무에 따라 곡선추종성 평가 척도인 횡 공극 응답을 비교 분석하였다. 횡 공극 측정 부위는 차량의 요 운동에 영향을 주는 1 번과 4 번 대차이며 그 결과는 1 번 대차는 원곡선 진입 후 2 초 정도 일정 크기의 진동이 발생하여 수렴이 지연되고 있으며 4 번 대차에서도 유사한 진동이 발생되는 것을 볼 수 있다.
성능/효과
한편, 해석 결과의 신뢰성을 간접적으로 검증하고자 횡 가속도 응답 주행 시험을 수행 한 결과는 댐퍼 설치한 경우가 설치하지 않는 결과 보다 선두 차량과 후미차량 둘 다 횡 가속도가 감소하는 것을 알 수 있다. 결론적으로 차간 댐퍼는 자기부상열차의 곡선 주행에서 보다 나은 승차감을 향상시킬 수 있는 현가요소장치라 할 수 있다. 다만 댐퍼의 힘은 속도에 종속적이기 때문에 동일한 댐퍼가 주행속도, 곡선의 반경 크기에 따라서 그 영향이 다를 수 있다.
분석은 댐퍼 설치 유무에 따라 요 가속도 및 횡 공극 응답을 통해 이루어졌다. 그 결과, 곡률 반경 60m 와 180m 의 곡선 형상을 주행하는 시뮬레이션에서는 두 경우 모두 댐퍼 설치 시 요 가속도가 감소되는 경향성을 보이고 있다. 곡선추종성 평가 척도인 횡 공극 응답은 보다 작은 반경인 60m 곡선주행에서는 차간 댐퍼 설치로 완화구간과 원곡선 진입 시에 일정 시간 진동이 발생하지만 횡 공극 피크치는 유사하므로 곡선추종성에의 영향은 미비하다고 판단된다.
S 값으로 댐퍼 설치 유무에 따른 효과를 비교하였다. 비교한 결과는 모두 댐퍼 설치 한 경우가 선두 차량과 후미 차량에서 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 시뮬레이션 결과와 동일한 경향을 보여주는 결과이며, 또한 차간 댐퍼가 자기부상열차의 승차감을 향상시킬 수 있는 현가요소 장치라 결론 지을 수 있다.
또한 선두 차량과 후미 차량 모두 댐퍼 설치한 경우에 전반적으로 요 가속도가 감소되는 것을 볼 수 있다. 이 결과로 차간 댐퍼가 60m 의 작은 반경을 가진 곡선을 자기부상 열차가 주행하는 경우, 승차감을 향상시키는 효과 가 있다고 할 수 있다.
비교한 결과는 모두 댐퍼 설치 한 경우가 선두 차량과 후미 차량에서 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 시뮬레이션 결과와 동일한 경향을 보여주는 결과이며, 또한 차간 댐퍼가 자기부상열차의 승차감을 향상시킬 수 있는 현가요소 장치라 결론 지을 수 있다.
후속연구
마지막으로 시험 선로에서의 곡선 주행 시험을 통하여 해석결과의 신뢰성을 확인하였으며, 차간 댐퍼 효과에 의한 승차감에 대한 개선 평가가 이루어진다. 또한 본 논문의 결과는 차간 댐퍼 채택 여부를 결정하는데 활용할 수 있을 것이다.
제안된 모델을 이용하여 댐퍼 특성에 따른 승차감, 곡선추종성이 해석된다. 마지막으로 시험 선로에서의 곡선 주행 시험을 통하여 해석결과의 신뢰성을 확인하였으며, 차간 댐퍼 효과에 의한 승차감에 대한 개선 평가가 이루어진다. 또한 본 논문의 결과는 차간 댐퍼 채택 여부를 결정하는데 활용할 수 있을 것이다.
(2) 따라서 이번 연구는 차간 댐퍼의 설치에 따른 승차감 및 곡선추종성능에 대한 댐퍼의 영향도를 분석하는데 목적이 있다. 이 연구를 수행하기 위해서 상전도 흡인식 자기부상열차의 상세한 동역학 모델의 적용이 제안된다. 동역학 모델은 다물체 동역학 모델이며 부상 시스템이 상세하게 포함되는 것이 특징이다.
다만 댐퍼의 힘은 속도에 종속적이기 때문에 동일한 댐퍼가 주행속도, 곡선의 반경 크기에 따라서 그 영향이 다를 수 있다. 향후 차간 댐퍼의 효과를 직접적으로 시험을 통해 분석하고 댐퍼의 최적화 방향에 대한 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자기부상열차의 동특성에 영향을 미치는 주요 인자는?
자기부상열차의 동특성에 영향을 미치는 주요 인자들은 1 차 현가장치인 전자석, 2 차 현가장치인 공기스프링, 선로 형상불규칙도, 그리고 운행속도 등을 들 수 있다. 특히, 도시형 상전도 흡인식 자기부상열차는 전자석의 수직 부상은 능동적으로 제어하나 횡방향 즉 안내는 부상 전자석의 횡방향 힘성분을 단순히 이용하기만 한다.
동역학 모델의 특징은?
이 연구를 수행하기 위해서 상전도 흡인식 자기부상열차의 상세한 동역학 모델의 적용이 제안된다. 동역학 모델은 다물체 동역학 모델이며 부상 시스템이 상세하게 포함되는 것이 특징이다. 제안된 모델을 이용하여 댐퍼 특성에 따른 승차감, 곡선추종성이 해석된다.
도시형 자기부상열차에서 곡선추종성 및 승차감 등의 보다 엄밀한 동특성 확인이 요구되는 이유는?
자기부상열차의 동특성에 영향을 미치는 주요 인자들은 1 차 현가장치인 전자석, 2 차 현가장치인 공기스프링, 선로 형상불규칙도, 그리고 운행속도 등을 들 수 있다. 특히, 도시형 상전도 흡인식 자기부상열차는 전자석의 수직 부상은 능동적으로 제어하나 횡방향 즉 안내는 부상 전자석의 횡방향 힘성분을 단순히 이용하기만 한다. (1) 이런 구조로 인해 주로 작은 반경의 곡선을 주행하는 도시형 자기부상열차에서는 곡선추종성 및 승차감 등의 보다 엄밀한 동특성 확인이 요구된다.
참고문헌 (10)
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