종곡선과 평면곡선의 경합조건별 차량주행안전성 및 승차감 평가 Evaluation of Running Safety and Ride Comfort for High Speed Train in Cases of Superimposition of Vertical and Horizontal Curves원문보기
철도선형에서 종곡선과 평면선형의 경합은 차량의 주행안정성 뿐만 아니라 건설비에도 많은 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 종곡선과 평면곡선의 다양한 경합조건별 차량의 주행안전성 및 승차감에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 종곡선과 평면원곡선의 경합 뿐만 아니라 종곡선의 완화곡선상 경합, 그리고 완화곡선-원곡선 연결부상의 경합에서도 차량의 주행안전, 승차감 및 궤도작용력 기준을 모두 만족하는 것으로 나타남을 알 수 있었다.
철도선형에서 종곡선과 평면선형의 경합은 차량의 주행안정성 뿐만 아니라 건설비에도 많은 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 종곡선과 평면곡선의 다양한 경합조건별 차량의 주행안전성 및 승차감에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 종곡선과 평면원곡선의 경합 뿐만 아니라 종곡선의 완화곡선상 경합, 그리고 완화곡선-원곡선 연결부상의 경합에서도 차량의 주행안전, 승차감 및 궤도작용력 기준을 모두 만족하는 것으로 나타남을 알 수 있었다.
In railway construction, superimposition of horizontal and vertical curves has critical effects on the running stability and the ride comfort of vehicles as well as on construction costs. In this study, running safety, ride comfort, and track acting forces were analyzed by a numerical analysis using...
In railway construction, superimposition of horizontal and vertical curves has critical effects on the running stability and the ride comfort of vehicles as well as on construction costs. In this study, running safety, ride comfort, and track acting forces were analyzed by a numerical analysis using the VAMPIRE program according to cases of superimposition of vertical and horizontal curves. From the analysis results, it was found that running safety, riding comfort, and track acting forces in the case of superimposition of vertical and horizontal curves as well as vertical and transition curves meet all of the criteria. Also, in the case of the superimposition of vertical curves and curvature change between horizontal transition curves and circular curves meet all of the criteria.
In railway construction, superimposition of horizontal and vertical curves has critical effects on the running stability and the ride comfort of vehicles as well as on construction costs. In this study, running safety, ride comfort, and track acting forces were analyzed by a numerical analysis using the VAMPIRE program according to cases of superimposition of vertical and horizontal curves. From the analysis results, it was found that running safety, riding comfort, and track acting forces in the case of superimposition of vertical and horizontal curves as well as vertical and transition curves meet all of the criteria. Also, in the case of the superimposition of vertical curves and curvature change between horizontal transition curves and circular curves meet all of the criteria.
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문제 정의
본 논문에서는 평면곡선상 종곡선의 다양한 경합조건이 차량의 동적거동특성 및 궤도에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 총 3가지 경우의 종곡선 경합위치를 선정하여 속도별로 볼록과 오목종곡선에 대해 차량의 주행 안전성과 승차감, 그리고 궤도작용력에 대한 영향을 해석적으로 검토하였다.
본 연구에서는 평면곡선의 다양한 부분에 종곡선이 경합되었을 때 고속 차량의 동적 거동 특성을 파악하고 비교분석 하고자 하였다. 즉 곡률이 일정한 평면원곡선 뿐만 아니라 완화곡선상에서도 곡률의 변화가 급격한 완화곡선-원곡선 연결부, 그리고 곡률변화가 일정한 중앙부에 종곡선을 경합시켜 차량의 동적 거동 특성을 분석하고 궤도작용력, 주행안전성 및 승차감에 미치는 영향을 비교분석 하고자 하였다.
평면곡선상 종곡선 경합위치별 차량 및 궤도에 미치는 영향을 분석하기 위해, 본 연구에서는 승차감, 궤도작용력 및 차량의 주행안전성을 평가하였다. 승차감 평가는 곡선부 전용승차감 평가방법으로 영국 BSI(BS EN 2009)에서 제안하고 있는 PCT승차감 평가방법을 적용하였다[7].
가설 설정
평면선형에 대한 모델링은 완화곡선구간에서 캔트 및 곡률변화가 선형적으로 이루어진다고 가정하였으며, 차량의 동적거동이 수렴할 때까지 살펴보기 위해 곡선의 시 종점 전후로 충분한 직선거리를 확보하였다. 경합시 종곡선에 대해서는 경합의 영향을 분석하기 위해 모두 일정하게 곡선반경 R=25000m, 기울기 2.
제안 방법
경합시 종곡선에 대해서는 경합의 영향을 분석하기 위해 모두 일정하게 곡선반경 R=25000m, 기울기 2.5‰ 일정하게 모델링 하였으며, 경합 부분에 대해서는 응답을 자세히 분석하기 위해 좀 더 상세히 모델링 하였다.
보수적으로 평가하기 위해 종곡선 및 평면선형조건을 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다[6]. 경합조건으로는 종곡선과 평면원곡선, 완화곡선상 종곡선, 완화곡선-원곡선 연결부상 종곡선 경합에 대해 해석을 수행하였다. 또한 열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 향후 속도향상을 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다.
국내에서는 아직 궤도작용력에 대한 기준이 마련되어 있지 않다. 따라서 궤도 작용력에 대해서는 Table 6에서와 같이 UIC518 및 스웨덴 VTI에서 제안하고 있는 기준을 적용하여 평가하였으며, 탈선계수는 국내에서도 동일한 기준((Y/Q)2m=0.8)을 적용하고 있다. Table 6에서 알 수 있듯이 UIC518에서는 윤중에 대한 기준을 열차속도별로 좀더 자세히 분류를 하고 있음을 알 수 있다.
경합조건으로는 종곡선과 평면원곡선, 완화곡선상 종곡선, 완화곡선-원곡선 연결부상 종곡선 경합에 대해 해석을 수행하였다. 또한 열차속도에 따른 영향을 분석하기 위해, 해석 시 열차속도는 현재 국내 고속선의 운행속도와 향후 속도향상을 고려하여 300km/h, 350km/h, 400km/h에 대해 검토를 수행하였다. Table 4에서 해석에 사용된 경합조건을 나타내고 있으며, 3가지 경합조건에 대해 종곡선 형태 및 속도별로 총 18개의 경우에 대해 분석하였다.
고속선에서 평면곡선상 종곡선들의 경합에 따른 영향을 해석적으로 검토하기 위해, 기본적인 선형조건은 Table 3과 같이 적용하였다. 보수적으로 평가하기 위해 종곡선 및 평면선형조건을 철도건설기준규정(2008)을 바탕으로 가장 불리한 조건을 적용하여 차량의 주행안전성을 검토하였다[6]. 경합조건으로는 종곡선과 평면원곡선, 완화곡선상 종곡선, 완화곡선-원곡선 연결부상 종곡선 경합에 대해 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 평면곡선상 종곡선의 다양한 경합조건이 차량의 동적거동특성 및 궤도에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 총 3가지 경우의 종곡선 경합위치를 선정하여 속도별로 볼록과 오목종곡선에 대해 차량의 주행 안전성과 승차감, 그리고 궤도작용력에 대한 영향을 해석적으로 검토하였다.
본 연구에서는 평면곡선의 다양한 부분에 종곡선이 경합되었을 때 고속 차량의 동적 거동 특성을 파악하고 비교분석 하고자 하였다. 즉 곡률이 일정한 평면원곡선 뿐만 아니라 완화곡선상에서도 곡률의 변화가 급격한 완화곡선-원곡선 연결부, 그리고 곡률변화가 일정한 중앙부에 종곡선을 경합시켜 차량의 동적 거동 특성을 분석하고 궤도작용력, 주행안전성 및 승차감에 미치는 영향을 비교분석 하고자 하였다.
대상 데이터
종곡선과 평면곡선의 경합조건이 열차의 고속주행에 미치는 영향을 분석하기 위한 수치해석은 철도차량 동해석 상용 프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 수행하였으며, 해석에 사용된 차량모델은 한국형고속열차모델(G7)을 이용하였다[3]. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다.
이론/모형
선형매개변수 해석을 위한 궤도구조모델은 VAMPIRE상의 기본모델을 활용하였으며, 레일은 UIC60레일을 적용하였다.
평면곡선상 종곡선 경합위치별 차량 및 궤도에 미치는 영향을 분석하기 위해, 본 연구에서는 승차감, 궤도작용력 및 차량의 주행안전성을 평가하였다. 승차감 평가는 곡선부 전용승차감 평가방법으로 영국 BSI(BS EN 2009)에서 제안하고 있는 PCT승차감 평가방법을 적용하였다[7]. 다음 식 (1) 및 식 (2)는 PCT방법에 대한 각각 입석(Standing)과 좌석(Seated)의 실험식을 나타내고 있다.
종곡선과 평면곡선의 경합조건이 열차의 고속주행에 미치는 영향을 분석하기 위한 수치해석은 철도차량 동해석 상용 프로그램인 VAMPIRE를 이용하여 수행하였으며, 해석에 사용된 차량모델은 한국형고속열차모델(G7)을 이용하였다[3]. 해석차량은 총 7량으로 구성되어 있으며, 10개의 보기와 20개의 윤축을 가지고 있다.
평면곡선상 종곡선의 경합위치별 차량의 주행안전성 및 승차감, 그리고 궤도 작용력을 분석하기 위해 철도건설기준규정(2008)에서 가장 보수적인 선형조건을 적용하여 해석을 수행하였다[6]. Fig.
해석시 사용한 필터링은 UIC518 및 Kufver(1997)의 방법을 바탕으로, Table 5와 같이 적용하였으며, 각 평가항목에 대해 최대값을 채택하였다[8,9].
성능/효과
경합위치에 따른 검토결과, 승차감과 탈선 계수는 볼록종곡선일 경우 평면원곡선상 경합이 가장 나쁜 것으로 나타났으며 오목종곡선일 경우 에는 반대로 가장 좋은 것으로 나타났다.
궤도작용력의 경우 경합위치별로 윤중은 약 1~5kN정도, 횡압은 0.8~3.7kN정도의 차이를 보였 으며 기준과 비교해 안전한 것으로 나타났다.
그림에서 알 수 있듯이 종곡선의 형태와는 무관하게 속도가 증가함에 따라 탈선계수가 증가하고 승차감이 나빠지는 것으로 나타났으며, 궤도작용력 또한 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 종곡선 형태에 따라서 승차감 측면에서는 평면 원곡선상 경합(C1)에서 볼록종곡선이 오목종곡선에 비해 불리한 것으로 나타났다. 이는 볼록종곡선의 경우 상향가속도 성분에 의한 횡가속도의 증가가 영향을 미치는 판단된다.
9에서는 경합조건중 종곡선의 형태, 즉 오목 종곡선과 볼록 종곡선 경합이 차량의 주행안전성 및 승차감, 그리고 궤도작용력에 미치는 영향을 분석한 결과이다. 그림에서 알 수 있듯이 종곡선의 형태와는 무관하게 속도가 증가함에 따라 탈선계수가 증가하고 승차감이 나빠지는 것으로 나타났으며, 궤도작용력 또한 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 종곡선 형태에 따라서 승차감 측면에서는 평면 원곡선상 경합(C1)에서 볼록종곡선이 오목종곡선에 비해 불리한 것으로 나타났다.
이는 볼록종곡선의 경우 상향가속도 성분에 의한 횡가속도의 증가가 영향을 미치는 판단된다. 반면 곡률이 변화하는 완화곡선 및 완화곡선-원곡선 연결부상 경합(C2,C3)에 대해서는 종곡선의 형태와 상관없이 거의 유사한 것으로 나타났으며 탈선계수는 미소한 차이지만 대체적으로 오목종곡선이 크게 나타남을 알 수 있었다. 궤도작용력에서는, 평면원곡선에서는 볼록종곡선 경합의 경우가 상향가속도 성분에 의해 윤중은 최대 7kN정도 감소하고 횡압은 약 3kN정도 증가하는 것으로 나타났으며, 나머지 두 가지 경우(C2,C3)에 대해서는 거의 유사하거나 오목 종곡선이 다소 크게 나타났는데, 이는 곡률변화에 따른 차량거동이 다소 불규칙하게 나타나기 때문으로 판단된다.
이상의 결과로부터 종곡선이 평면곡선상 다양한 경합위치에 따라서도 차량의 동적거동특성은 대체 적으로 유사한 경향이 나타남을 알 수 있었으며, 또한 그 값의 차이는 아주 미소하며 모두 기준을 만족함을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터, 평면곡선상 종곡선의 다양한 경합위치에 따라서도 차량의 동적거동특성이 전체적으로 유사한 경향이 나타남을 알 수 있었으며, 그 값의 차이는 아주 작다는 것을 알 수 있었다. 또한 차량의 주행안전성 및 궤도작용력이 Table 6의 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
7에서는 차량의 승차감에 가장 큰 영향을 미치는 차체의 횡가속도와 주행안전성에 영향을 미치는 탈선 계수에 대한 차량의 시간이력 응답특성을 거리로 환산하여 나타낸 것이다. 전반적으로 열차속도가 높을수록 횡가속도 및 탈선계수값이 크게 나타남을 알 수 있었으며, 각 속도대역별로 종곡선 형태 및 평면곡선상 경합위치에 따라서 미미한 차이는 있으나, 대체적으로 비슷한 양상의 응답특성을 보이는 것으로 나타났다.
종곡선 형태에 따른 검토결과, 승차감은 평면 원곡선상 경합에서 볼록 종곡선이 오목 종곡선에 비해 약 3% 정도 나쁜 것으로 나타났으며, 곡률이 변화하는 완화곡선부상 경합에 대해서는 종곡선의 형태와 상관없이 거의 유사한 것으로 나타났다. 탈선계수 및 궤도작용력도 대부분 미소한 차이로 유사한 경향을 보였으며 기준과 비교해 모두 안전한 것으로 평가되었다.
종곡선 형태에 따른 검토결과, 승차감은 평면 원곡선상 경합에서 볼록 종곡선이 오목 종곡선에 비해 약 3% 정도 나쁜 것으로 나타났으며, 곡률이 변화하는 완화곡선부상 경합에 대해서는 종곡선의 형태와 상관없이 거의 유사한 것으로 나타났다. 탈선계수 및 궤도작용력도 대부분 미소한 차이로 유사한 경향을 보였으며 기준과 비교해 모두 안전한 것으로 평가되었다.
후속연구
따라서 본 해석적 연구결과로는 종곡선 형태별 다양한 경합위치에서도 승차감 및 주행안전성, 그리고 궤도작용력 측면에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 향후 다양한 경합 조건에 대한 기준 설정 및 설계시 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도건설에서 선형설계는 어떤 요소인가?
철도건설에서 선형설계는 열차속도, 차량의 주행안전성, 승차감 등에 영향을 미칠 뿐만 아니라 유지보수 및 건설비에도 직접적으로 영향을 미치는 아주 중요한 요소이다. 현재 국내에서는 경부고속선에 이어 호남고속선의 개통을 앞두고 있으며, 또한 기존선 고속화를 위해 지속적으로 기존선로를 개량하고 있다.
최근 철도경쟁력 확보를 위해 선형에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며, 이와 동시에 선형경합에 대해서도 다양한 연구가 수행된 이유는?
철도건설에서 선형설계는 열차속도, 차량의 주행안전성, 승차감 등에 영향을 미칠 뿐만 아니라 유지보수 및 건설비에도 직접적으로 영향을 미치는 아주 중요한 요소이다. 현재 국내에서는 경부고속선에 이어 호남고속선의 개통을 앞두고 있으며, 또한 기존선 고속화를 위해 지속적으로 기존선로를 개량하고 있다. 이러한 철도건설 및 개량에서 곡선반경이나 선형경합 등의 선형설계요소들은 특히 철도건설비에 큰 영향을 끼치는 주요한 부분이다. 이에 따라 최근 철도경쟁력 확보를 위해 선형에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며, 이와 동시에 선형경합에 대해서도 다양한 연구가 수행된 바 있다[1-4].
철도선형에서 종곡선과 평면선형의 경합은 어디에 많은 영향을 끼치는가?
철도선형에서 종곡선과 평면선형의 경합은 차량의 주행안정성 뿐만 아니라 건설비에도 많은 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 종곡선과 평면곡선의 다양한 경합조건별 차량의 주행안전성 및 승차감에 미치는 영향을 분석하였다.
참고문헌 (10)
J.H. Um, I.Y. Choi, S.C. Yang, M.C. Kim (2011) Optimization of alignment considering ride comfort for superimposition of vertical and horizontal curves, Proc. IMechE, Vol. 225 Part F: J. Rail and Rapid Transit, pp. 649-662.
J.H. Um, S.C. Yang, E.K. Kim, I.Y. Choi, et al. (2010), A study on evaluation method of ride comfort considering superimposition of vertical and horizontal curve, Journal of the Korean Society for Railway, 13(3), pp. 309-316.
J.H. Um, M.C. Kim, I.W. Lee, B.C. Goo (2012) An analytical study on running safety and ride comfort in case of superimposition of vertical and transition curves, Journal of the Korean Society for Railway, 15(2), pp. 172-178.
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BS EN 12299 Railway applications (2009) Ride comfort for passengers-Measurement and evaluation, BSI.
Bjorn Kufver (1997) Optimization of single horizontal curves in railway alignments, VTI report 424A.
UIC Code 518-OR (2005) Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavior- Safety-Track fatigue-Ride quality, 3rd edition, International Union of Railway.
FACT Deliverable D3 (2004), Tracks for tilting trains.
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