궤도틀림은 철도차량의 주행안전성 및 승차감에 매우 큰 영향을 미치는 중요 인자 중 하나이다. 따라서, 차량의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해서는 주행속도, 차량의 동적특성, 궤도틀림 검측차의 검측특성, 검측주기등을 고려하여 적정한 궤도틀림 기준을 설정하고, 관련 기준에 따라 궤도틀림을 철저히 관리하여야 한다. 본 논문에서는 궤도틀림 중에서 방향틀림이 KTX 차량의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 철도차량 동특성 해석프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 방향틀림의 파장과 진폭에 대한 매개변수해석을 수행하였다. 방향틀림 크기와 파장에 따른 KTX의 탈선계수, 대차가속도, 차체가속도 및 궤도횡압 등의 주행거동을 조사하였으며, 방향틀림이 KTX차량의 주행안전성과 승차감에 미치는 영향을 분석하였다. 방향틀림은 차량주행안전성에 미치는 영향이 크며, KTX 주행안전성 확보를 위하여 방향틀림을 엄격하게 관리하여야 함을 알 수 있었다.
궤도틀림은 철도차량의 주행안전성 및 승차감에 매우 큰 영향을 미치는 중요 인자 중 하나이다. 따라서, 차량의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해서는 주행속도, 차량의 동적특성, 궤도틀림 검측차의 검측특성, 검측주기등을 고려하여 적정한 궤도틀림 기준을 설정하고, 관련 기준에 따라 궤도틀림을 철저히 관리하여야 한다. 본 논문에서는 궤도틀림 중에서 방향틀림이 KTX 차량의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 철도차량 동특성 해석프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 방향틀림의 파장과 진폭에 대한 매개변수해석을 수행하였다. 방향틀림 크기와 파장에 따른 KTX의 탈선계수, 대차가속도, 차체가속도 및 궤도횡압 등의 주행거동을 조사하였으며, 방향틀림이 KTX차량의 주행안전성과 승차감에 미치는 영향을 분석하였다. 방향틀림은 차량주행안전성에 미치는 영향이 크며, KTX 주행안전성 확보를 위하여 방향틀림을 엄격하게 관리하여야 함을 알 수 있었다.
Track irregularities is one of the key factors influencing the running behavior of trains. In order to ensure safety and ride comfort of train, the criteria for track irregularities should be adequately established regarding vehicle velocity, vehicle characteristics, characteristics of the track rec...
Track irregularities is one of the key factors influencing the running behavior of trains. In order to ensure safety and ride comfort of train, the criteria for track irregularities should be adequately established regarding vehicle velocity, vehicle characteristics, characteristics of the track recording car, and measurement interval. Also, track maintenance should be carried out thoroughly according to the criteria for managing track irregularities. Numerical analysis was conducted to investigate the influence of track alignment on the running behavior of Korean high speed train(KTX). Various wavelengths and amplitudes of lateral alignment were considered as parameters for this study using the Vampire program, a vehicle dynamics modeling package in railway environment. Derailment, lateral load, bogie acceleration and body acceleration of numerical analysis results due to alignment were investigated. Finally, the influence of the alignment on safety and ride comfort for the KTX was evaluated. This study indicates that alignment irregularities have significant impacts on running safety, and that the criteria used to manage alignment irregularities should be restrictive to ensure the running safety of the KTX.
Track irregularities is one of the key factors influencing the running behavior of trains. In order to ensure safety and ride comfort of train, the criteria for track irregularities should be adequately established regarding vehicle velocity, vehicle characteristics, characteristics of the track recording car, and measurement interval. Also, track maintenance should be carried out thoroughly according to the criteria for managing track irregularities. Numerical analysis was conducted to investigate the influence of track alignment on the running behavior of Korean high speed train(KTX). Various wavelengths and amplitudes of lateral alignment were considered as parameters for this study using the Vampire program, a vehicle dynamics modeling package in railway environment. Derailment, lateral load, bogie acceleration and body acceleration of numerical analysis results due to alignment were investigated. Finally, the influence of the alignment on safety and ride comfort for the KTX was evaluated. This study indicates that alignment irregularities have significant impacts on running safety, and that the criteria used to manage alignment irregularities should be restrictive to ensure the running safety of the KTX.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 방향틀림이 차량의 주행안전성 및 승차감에 어떠한 영향을 미치는가에 대한 정량적 분석을 통하여 궤도유지보수 실무자에게 유용한 정보를 제공함은 물론 궤도틀림 허용기준 재정립을 위한 검토 자료로 활용하고자 하였다.
탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도 및 차체 수직가속도 등의 수치해석결과를 Table 4에 나타낸 신호처리방법에 따라 신호처리를 수행한 후, 해석시나리오별로 KTX 전체 차량에서의 각 응답의 최대치를 구하였다. 방향틀림의 파장과 크기가 KTX 차량의 거동에 미치는 영향을 그래프로 정리하였다.
본 논문에서는 EN13848-5 규정에서 제시하고 있는 D1 및 D2 영역으로 파장대역과 D3 영역의 일부 파장대역을 중심으로 방향틀림의 영향을 검토하였다.
제안 방법
Table 2의 유럽기준의 경우에는 속도제한규정은 유럽철도망 전체의 공동운행을 위하여 특정한 값을 제시하고 있으나, 주의기준과 보수기준은 각 나라의 실정에 따라 권고한 범위내에서 자체적으로 설정하여 궤도틀림 관리를 수행하도록 하고 있다. Table 2의 국내외 기준과 경부고속선에서의 방향틀림 검측결과 등을 종합적으로 고려하여 방향틀림의 크기를 선정하였다. 즉, 다음 Table 3에 나타낸 바와 같이 각각의 파장 대역별로 7~15mm사이의 크기범위에서 6가지에 대한 수치해석을 수행하였다.
방향틀림에 의한 대차 횡가속도 영향을 조사하기 위하여 해석시나리오에 따라 수행한 수치해석결과의 대차 횡가속도를 10Hz 저역통과필터(Lowpass filter) 신호처리를 수행하고, KTX각 대차에서의 최대치 및 최소치를 Fig. 8에 나타내었다.
방향틀림에 의한 차량의 주행응답특성은 탈선계수, 횡압, 대차횡가속도, 차체수직가속도 및 차체수평가속도의 항목에 대하여 분석을 수행하였다. 이들 항목은 차량의 주행안전성과 승차감 평가척도로 활용되고 있으며, 각 항목별 허용기준 및 신호처리 방법[11]을 Table 4에 나타내었다.
방향틀림의 영향분석을 위하여 방향틀림의 파장대역과 진폭을 매개변수로 하여 다양한 수치해석 시나리오에 따라 차량주행해석을 수행하고, KTX의 탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 수직가속도 및 차체 횡가속도에 미치는 영향을 분석하였다.
방향틀림이 KTX의 주행거동에 미치는 영향 분석을 위한 수치해석은 방향틀림을 다음과 같이 사인반파장의 형태로 모델링하여 수행하였다. 방향틀림에 의한 영향분석을 목적으로 하였기 때문에 방향틀림 이외의 다른 궤도틀림을 해석과정에 고려하지 않았다.
방향틀림이 KTX의 주행안전성과 승차감에 미치는 영향분석을 위하여 방향틀림 해석시나리오에 따라 수치해석을 수행하고 해석시나리오별 차량 응답을 정리하였다. 탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도 및 차체 수직가속도 등의 수치해석결과를 Table 4에 나타낸 신호처리방법에 따라 신호처리를 수행한 후, 해석시나리오별로 KTX 전체 차량에서의 각 응답의 최대치를 구하였다.
UIC 518 기준에 의하면, 탈선계수는 20Hz 이상의 저역통과필터(Lowpass Filter)와 2m 이동평균 값을 사용하도록 규정하고 있다. 본 연구결과에서는 안전측의 결과를 제시하기 위하여 필터링은 수행하지 않고 2m 이동평균에 대하여 탈선계수를 정리하였다. 각 방향틀림의 파장과 진폭별로 KTX 20량 전체의 모든 차륜에서 탈선계수의 2m 이동평균의 최대치를 Fig.
즉, 3m의 단파장 영역에서부터 100m의 장파장 영역까지 총 12개 파장대역의 방향틀림을 모델링하여 해석을 수행하였다.
Table 2의 국내외 기준과 경부고속선에서의 방향틀림 검측결과 등을 종합적으로 고려하여 방향틀림의 크기를 선정하였다. 즉, 다음 Table 3에 나타낸 바와 같이 각각의 파장 대역별로 7~15mm사이의 크기범위에서 6가지에 대한 수치해석을 수행하였다.
차량의 현가장치 등 KTX 차량 특성을 VAMPIRE 차량모델로 모델링을 수행하고, 경부고속선의 최고 주행속도인 300km/h에 대하여 해석을 수행하였다.
방향틀림이 KTX의 주행안전성과 승차감에 미치는 영향분석을 위하여 방향틀림 해석시나리오에 따라 수치해석을 수행하고 해석시나리오별 차량 응답을 정리하였다. 탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도 및 차체 수직가속도 등의 수치해석결과를 Table 4에 나타낸 신호처리방법에 따라 신호처리를 수행한 후, 해석시나리오별로 KTX 전체 차량에서의 각 응답의 최대치를 구하였다. 방향틀림의 파장과 크기가 KTX 차량의 거동에 미치는 영향을 그래프로 정리하였다.
대상 데이터
KTX 차량은 실제 20량 편성을 사용하였으며, Fig. 1과 같이 P(동력차)+MT(동력객차)+16T(객차)+MT(동력객차)+P(동력차)로 모델링하였다. 대차는 동력차의 동력대차(Power Motor Bogie) 4대, 동력객차(Moterized Trailer Bogie) 2대, 동력객차와 객차 또는 객차와 객차를 연결하는 관절대차(Articulated Trailer Bogie) 17대로 구성되어 있다.
1과 같이 P(동력차)+MT(동력객차)+16T(객차)+MT(동력객차)+P(동력차)로 모델링하였다. 대차는 동력차의 동력대차(Power Motor Bogie) 4대, 동력객차(Moterized Trailer Bogie) 2대, 동력객차와 객차 또는 객차와 객차를 연결하는 관절대차(Articulated Trailer Bogie) 17대로 구성되어 있다.
주행속도에 따라서 각 파장별 응답특성이 다소 다르게 나타날 수 있으나, 일반적으로 속도가 증가할수록 차량의 응답이 증가하며 국외의 궤도틀림 기준에서도 속도가 증가시궤도틀림을 보다 엄격하게 관리하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 경부고속선의 최고속도인 300km/h를 대상으로 수치해석을 수행하였다.
데이터처리
방향틀림이 KTX의 주행거동에 미치는 영향 분석을 위한 수치해석은 철도 차량 동해석 상용 프로그램(VAMPIRE)를 이용하여 수행하였다.
본 논문에서는 VAMPIRE 프로그램을 이용한 수치해석을 수행하고, 방향틀림의 크기와 파장이 KTX의 주행안전성에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하였으며, 승차감 분석은 차체가속도 결과를 이용하였다.
성능/효과
둘째, 고저틀림이 KTX의 주행거동에 미치는 영향분석 결과[8]에 의하면 고저틀림은 차체 수직 가속도를 제외하고는 주행안전성과 승차감에 미치는 영향이 매우 낮은 것으로 평가되었다. 그러나, 본 연구에서 검토한 방향틀림의 경우에는 KTX 주행 안전성에 미치는 영향이 상당히 높은 것으로 평가되고 있으므로 방향틀림은 보다 철저히 관리되어야 할 것으로 판단된다.
방향틀림에 의한 탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도 및 차체 수직가속도의 수치해석 결과를 살펴보면, 방향틀림이 도입된 500m 지점에서부터 차량의 응답이 급격히 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 차량의 횡방향거동과 관련이 있는 탈선계수, 궤도횡압, 대차 및 차체 횡가속도 등은 비교적 큰 값을 보이고 있으나, 방향틀림에 의한 차체 수직가속도는 매우 작게 나타났다.
수치해석 분석결과에 의하면, 방향틀림의 크기가 작은 경우에는 탈선계수의 증가폭이 작았으나 방향틀림의 크기가 어느 정도 이상이 되면 탈선계수가 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다. 또한, 탈선계수는 25m 이하의 단파장영역 뿐만 아니라, 40m 이상의 파장대역에서도 비교적 크게 나타났다. 특히, 50m 파장대역에서 비교적 큰 값을 보였다.
9에 나타내었다. 모든 해석시나리오에서 차체 수직가속도는 매우 작은 값을 갖는 것으로 평가되었으며, 이는 방향틀림은 차체 수직가속도는 발생에 영향을 미치지 않음을 의미한다.
방향틀림 즉, 수평방향의 궤도틀림은 차체 수직가속도 경우와는 달리 차체 횡가속도와는 상관성이 높은 것으로 평가되었다.
방향틀림에 의한 대차 횡가속도는 전반적으로 파장이 작을수록 크게 나타났으며, 파장이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 다만, 50m 파장대역에서는 방향틀림에 의한 대차 횡가속도가 다소 크게 나타났다.
방향틀림에 의한 탈선계수, 궤도횡압, 대차 횡가속도, 차체 횡가속도 및 차체 수직가속도의 수치해석 결과를 살펴보면, 방향틀림이 도입된 500m 지점에서부터 차량의 응답이 급격히 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 차량의 횡방향거동과 관련이 있는 탈선계수, 궤도횡압, 대차 및 차체 횡가속도 등은 비교적 큰 값을 보이고 있으나, 방향틀림에 의한 차체 수직가속도는 매우 작게 나타났다.
첫째, 방향틀림은 차량의 주행안전성에 미치는 영향이 매우 높은 것으로 평가되었다. 방향틀림은 탈선계수, 궤도횡압,대차 횡가속도 등과 상관성이 매우 높게 나타났으며, 차체횡가속도와도 높은 상관성을 보이고 있었다.
방향틀림의 크기에 따른 궤도횡압의 발생 특성을 살펴보면, 탈선계수의 경우와 마찬가지로 방향틀림 크기가 증가할수록 궤도횡압의 증가폭이 더욱 커지는 비선형성을 보이고 있음을 알 수 있다. 방향틀림의 파장별 대역별 영향의 경우, 궤도횡압의 크기가 작게 나타난 8mm 이내의 방향틀림에서는 25m~75m 파장대역에서 다소 증가하는 현상을 보였으나, 방향틀림의 크기가 커질수록 단파장 대역의 영향이 매우 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
03 이내의 값을 보였다. 즉, 방향틀림에 의한 탈선계수는 고저틀림에 비하여 매우 높게 발생하는 것으로 평가되었으며, 이는 방향틀림이 KTX의 주행안전성과 상관관계가 상당히 높음을 의미한다. 따라서, KTX 차량운행시 주행안전성 확보를 위해서는 방향틀림을 고저틀림 보다 훨씬 엄격하게 관리하여야 할 것이다.
첫째, 방향틀림은 차량의 주행안전성에 미치는 영향이 매우 높은 것으로 평가되었다. 방향틀림은 탈선계수, 궤도횡압,대차 횡가속도 등과 상관성이 매우 높게 나타났으며, 차체횡가속도와도 높은 상관성을 보이고 있었다.
후속연구
둘째, 고저틀림이 KTX의 주행거동에 미치는 영향분석 결과[8]에 의하면 고저틀림은 차체 수직 가속도를 제외하고는 주행안전성과 승차감에 미치는 영향이 매우 낮은 것으로 평가되었다. 그러나, 본 연구에서 검토한 방향틀림의 경우에는 KTX 주행 안전성에 미치는 영향이 상당히 높은 것으로 평가되고 있으므로 방향틀림은 보다 철저히 관리되어야 할 것으로 판단된다.
즉, 방향틀림에 의한 탈선계수는 고저틀림에 비하여 매우 높게 발생하는 것으로 평가되었으며, 이는 방향틀림이 KTX의 주행안전성과 상관관계가 상당히 높음을 의미한다. 따라서, KTX 차량운행시 주행안전성 확보를 위해서는 방향틀림을 고저틀림 보다 훨씬 엄격하게 관리하여야 할 것이다.
마지막으로, 주행안전성 측면에서는 방향틀림 보수기준은 고저틀림 보다 엄격하게 설정할 필요가 있으며, 고저틀림과 방향틀림의 보수기준이 동일한 일반철도 궤도틀림 기준 등은 향후 체계적 검토를 통하여 합리적 개선방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
방향틀림과 KTX주행거동과의 상관관계 분석 결과는 방향틀림 허용기준 재정립을 위한 기초자료로 활용이 가능하며, 각 파장대역별 영향 검토결과는 궤도틀림 유지관리 실무자에게 궤도틀림 정정작업시 각 파장대역별 보수 및 정정의 우선 순위 의사결정 등에 기초자료로 유용하게 활용이 가능할 것으로 판단된다.
또한 75m 이상 파장에서는 대부분 앞쪽 2번째 차량에서 최대치가 발생하였다. 이러한 최대치 발생위치에 대한 분석결과는 KTX 차량의 탈선계수계측시험시 탈선계수 측정 차륜의 선정 등에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차량의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해 필요한 것?
궤도틀림은 철도차량의 주행안전성 및 승차감에 매우 큰 영향을 미치는 중요 인자 중 하나이다. 따라서, 차량의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해서는 주행속도, 차량의 동적특성, 궤도틀림 검측차의 검측특성, 검측주기등을 고려하여 적정한 궤도틀림 기준을 설정하고, 관련 기준에 따라 궤도틀림을 철저히 관리하여야 한다. 본 논문에서는 궤도틀림 중에서 방향틀림이 KTX 차량의 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 철도차량 동특성 해석프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 방향틀림의 파장과 진폭에 대한 매개변수해석을 수행하였다.
궤도틀림이란?
궤도틀림은 철도차량의 주행안전성 및 승차감에 매우 큰 영향을 미치는 중요 인자 중 하나이다. 따라서, 차량의 주행안전성과 승차감의 확보를 위해서는 주행속도, 차량의 동적특성, 궤도틀림 검측차의 검측특성, 검측주기등을 고려하여 적정한 궤도틀림 기준을 설정하고, 관련 기준에 따라 궤도틀림을 철저히 관리하여야 한다.
평면곡선, 종곡선, 완화곡선 및 설정 캔트 등의 철도 선형은 어떤 변형들이 발생하는가?
철도 선형 즉 평면곡선, 종곡선, 완화곡선 및 설정 캔트 등은 차량의 주행안전성 및 승차감에 영향을 미치게 되므로 관련 기준에 따라 설계·시공되어야 하며 철저하게 관리되어야 한다. 그러나, 철도 선형은 운행과정에서 여러 원인에 의하여 당초 설계된 위치로부터 변형이 발생하게 되며, 이러한 궤도틀림은 고저틀림, 방향틀림, 수평틀림, 뒤틀림 및 궤간틀림으로 구분된다.
참고문헌 (11)
Magdy El-Sibaie, David Jamieson, David C. Tyrell, J. Christopher Dorsey, et al. (1997) Engineering Studies in Support of the Development of High-Speed Track Geometry Specifications, IEEE/ASME Joint Railroad Conference, Boston.
K.-D. Kang (2004) A study of analysis method for the track geometry measuring data on high speed railway, Journal of the Korean Society for Railway, 7(4), pp. 291-295
S.-S. Kim, C.-S. Park (2008) High speed rail measurement system of HSR-350x, Journal of the Korean Society for Railway, 11(2), pp. 115-119
Y.-S. Shim, K.-D. Kim, S.-U. Lee, B.-K. Woo, K.-W. Lee (2010) A study on high speed railway track deterioration prediction, Spring Conference of Korean Society for Railway, Changwon, pp. 261-267.
Y.-S. Lim, I.-Y. Choi (2011) Characteristics of the running behavior for tilting train due to alignment based on numerical analysis, Autumn Conference of Korean Society for Railway, Jeju, pp. 3187-3194.
I.-Y. Choi, J.-H. Um, Y.-S. Lim (2010) Characteristics of the Running behavior and Safety for Tilting train due to Vertical Alignment, Spring conference of Korean Society for Railway, Changwon, pp. 1937-1942
I.-Y. Choi, Y.-S. Lim (2011) Characteristics of the Running behavior and Safety for KTX due to Twist, Autumn Conference of Korean Society for Railway, Jeju, pp. 337-342.
I.-Y. Choi, D.-H. Koo, S.-Y. Hwang, Y.-S. Lim (2010) Analysis on safety and ride comfort of KTX according to track surface, Journal of the Korean Society for Railway, 13(6), pp. 583-588.
European Standard. Railway Applications-Track - Track geometry quality - Part 1: Characterisationof track geometry (2008) BS EN 13848-1.
European Standard. Railway Applications-Track - Track geometry quality - Part 5: Geometric quality levels (2008) BS EN 13848-5.
Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour - Safety - Track fatigue - Running behaviour (2009) UIC 518.
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