나달식 등 한쪽 차륜과 레일의 접촉력에 기반한 기존 탈선계수식으로는 열차 주행 시 여러 가지 요인에 의해 발생하는 다양한 유형의 탈선을 이론적으로 예측하기 어렵다. 이를 보완하기 위하여 개발된 단일윤축 탈선계수는 타고오름탈선, 미끄러져오름 탈선, 전복탈선 및 이들의 복합유형 탈선을 잘 예측할 수 있고, 접촉부 마찰계수, 플렌지 각 등 기존의 탈선계수식에서 고려하던 기계적 인자뿐만 아니라 윤중감소/증가, 궤간, 차륜직경, 축상 베어링 위치 등 다양한 탈선영향인자들도 고려할 수 있다. 본 논문에서는 단일윤축 탈선계수식으로 이러한 다양한 탈선영향인자들을 고려하여 기존의 나달식, 바인스톡 식 등으로 구할 수 없었던 탈선현상을 분석한다. 마지막으로 동역학 시뮬레이션을 이용하여 이론적인 단일윤축 탈선계수식 결과들의 타당성을 입증한다.
나달식 등 한쪽 차륜과 레일의 접촉력에 기반한 기존 탈선계수식으로는 열차 주행 시 여러 가지 요인에 의해 발생하는 다양한 유형의 탈선을 이론적으로 예측하기 어렵다. 이를 보완하기 위하여 개발된 단일윤축 탈선계수는 타고오름탈선, 미끄러져오름 탈선, 전복탈선 및 이들의 복합유형 탈선을 잘 예측할 수 있고, 접촉부 마찰계수, 플렌지 각 등 기존의 탈선계수식에서 고려하던 기계적 인자뿐만 아니라 윤중감소/증가, 궤간, 차륜직경, 축상 베어링 위치 등 다양한 탈선영향인자들도 고려할 수 있다. 본 논문에서는 단일윤축 탈선계수식으로 이러한 다양한 탈선영향인자들을 고려하여 기존의 나달식, 바인스톡 식 등으로 구할 수 없었던 탈선현상을 분석한다. 마지막으로 동역학 시뮬레이션을 이용하여 이론적인 단일윤축 탈선계수식 결과들의 타당성을 입증한다.
It is difficult to predict derailment with the existing derailment coefficient like Nadal's formula which is based on the contact forces between one wheel and rail. A new derailment coefficient model developed on a wheelset is able to make a better estimate about the climb derailment, slip derailmen...
It is difficult to predict derailment with the existing derailment coefficient like Nadal's formula which is based on the contact forces between one wheel and rail. A new derailment coefficient model developed on a wheelset is able to make a better estimate about the climb derailment, slip derailment, roll over derailment, and mixed derailment types of these. Moreover, not only the mechanical factors considered in the existing derailment coefficients but also other various factors affecting derailment such as wheel unloading and loading, diameter of wheel, and locations of axle-box bearings can be covered with this new derailment coefficient model. That is, the derailment patterns which couldn't be solved with the existing formulas such as Nadal's and Weinstock's models can be analyzed with this wheelset derailment coefficient model because of considering various factors causing derailment. Finally, the validity of the new derailment coefficient model is verified using dynamic model simulations.
It is difficult to predict derailment with the existing derailment coefficient like Nadal's formula which is based on the contact forces between one wheel and rail. A new derailment coefficient model developed on a wheelset is able to make a better estimate about the climb derailment, slip derailment, roll over derailment, and mixed derailment types of these. Moreover, not only the mechanical factors considered in the existing derailment coefficients but also other various factors affecting derailment such as wheel unloading and loading, diameter of wheel, and locations of axle-box bearings can be covered with this new derailment coefficient model. That is, the derailment patterns which couldn't be solved with the existing formulas such as Nadal's and Weinstock's models can be analyzed with this wheelset derailment coefficient model because of considering various factors causing derailment. Finally, the validity of the new derailment coefficient model is verified using dynamic model simulations.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 이러한 비정상 요인이 고려한 이론 탈선계수인 단일윤축 탈선계수를 도출하여 앞에서 언급한 복잡한 유형의 탈선 문제들에 대한 한계 탈선계수를 이론적으로 분석한다. 또한 단일윤축 탈선계수 이론모델에 의하면 횡력, 좌우 윤중, 궤간, 차륜직경, 축상베어링 위치와 차륜중심점 사이의 거리, 마찰계수, 플렌지각 등이 탈선에 영향을 미치는 인자들이므로, 이들의 값들을 철도 현실에 알맞게 변화시켜 가면서 탈선계수 영향인자들이 탈선에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.
본 논문의 단일윤축 탈선계수 이론모델(9)은 최근 연구(10)된 바 있는 열차 충돌 후 탈선유형을 판단할 수 있는 단일윤축의 이론적 탈선모델을 바탕으로 도출되었으며, 동역학 시뮬레이션(11)을 통해 탈선계수 이론모델의 타당성을 입증하여 주행 중 탈선유형과 탈선거동을 예측하는 하나의 지표로 활용 수 있음을 보이려고 한다.
본 절에서는 궤간이 탈선에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 현재 대표적으로 광궤는 러시아궤간(1520mm), 협궤는 케이프궤간 (1067mm)이 많이 사용되므로 현재표준궤간(1435mm)과 러시아궤간, 케이프궤간을 비교하였다.
본 절에서는 차륜직경이 탈선에 미치는 영향을 분석하였다. 본 논문에 사용된 모델은 KTX모델로서 차륜직경이 920mm이다.
제안 방법
(1) 본 논문의 단일윤축 탈선계수식은 나달식 등 기존의 탈선계수에서 고려할 수 없는 궤간, 차륜 반경, 좌우윤중 증감, 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리 등 탈선에 영향을 미치는 윤축의 기계적 인자들을 고려하여 탈선현상을 분석할 수 있다.
본 논문에 사용된 모델은 KTX모델로서 차륜직경이 920mm이다. KTX 차륜직경은 70mm까지 삭정이 가능하기 때문에 70mm 삭정 후(850mm)와 삭정 전(920mm)을 비교하였다.
본 장에서는 윤축의 기계적 인자들 중 궤간, 차륜직경, 축상 베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리 등을 변경하여 탈선에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 각각의 인자들을 변경한 후, Fig. 5의 횡력과 윤중을 부여하여 탈선을 발생시키고, 마찰계수와 플렌지각 별로 한계탈선계수를 구하였다.
열차는 주행 중 측풍, 곡선부 주행, 궤도틀림등 여러 가지 요인에 의해 한 쪽 윤중만 감소되는 경우도 있지만 한쪽이 증가하고 반대쪽은 감소하는 경우도 발생하게 된다. 따라서 본 절에서는 윤중의 증가와 감소가 동시에 발생하는 경우에 대하여 한계탈선계수를 구하여 국내 탈선계수 규정 값과 비교한다.
따라서 본 논문에서는 이러한 비정상 요인이 고려한 이론 탈선계수인 단일윤축 탈선계수를 도출하여 앞에서 언급한 복잡한 유형의 탈선 문제들에 대한 한계 탈선계수를 이론적으로 분석한다. 또한 단일윤축 탈선계수 이론모델에 의하면 횡력, 좌우 윤중, 궤간, 차륜직경, 축상베어링 위치와 차륜중심점 사이의 거리, 마찰계수, 플렌지각 등이 탈선에 영향을 미치는 인자들이므로, 이들의 값들을 철도 현실에 알맞게 변화시켜 가면서 탈선계수 영향인자들이 탈선에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.
앞 절에서 좌측 또는 우측 윤중을 50%감소시킬 경우, 각각의 조건마다 탈선유형과 탈선계수가 다르게 구해졌다. 만약 충분한 탈선진행 시간이나 거리가 보장된다면 가장 낮은 탈선계수를 가진 탈선유형이 발생할 것이므로 좌측 또는 우측 윤중이 감소되는 각각의 조건 별로 가장 낮은 탈선유형의 탈선계수만 취합하여 국내 탈선규정값 0.8과 비교하였다.
본 논문에서는 단일윤축에 대한 타고오름 탈선 계수 및 미끄러져오름 탈선계수의 이론모델을 도출하고, 단일윤축의 탈선에 영향을 미치는 기계적 인자와 탈선계수(Q/P)와의 관계를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 장에서는 윤축의 기계적 인자들 중 궤간, 차륜직경, 축상 베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리 등을 변경하여 탈선에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 각각의 인자들을 변경한 후, Fig.
본 절에서는 단일윤축 탈선계수 이론모델을 이용하여 좌측 또는 우측 윤중을 50%감소시킨 후 탈선계수와 탈선거동을 구하여 윤중 감소를 고려할 수 없는 나달식이나 바인스톡식의 탈선계수 및 탈선거동과 비교분석 하였다.
본 절에서는 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리 변화에 따른 탈선계수를 비교하였다. 이를 위해 KTX모델(254mm)과 HEMU-400X 모델(279mm), 고속화차(12) 모델(232mm)을 비교 분석하였다.
철도차량이 주행 중 여러 가지 비정상 요인에 의해 발생하는 탈선유형은 크게 타고오름 유형 탈선과 미끄러져오름 유형 탈선으로 구분할 수 있다. 본 절에서는 타고오름 탈선 유형으로 열차의 차륜이 레일을 타고 오르는 상황을 표현하는 역학적 관계와 최근 연구된 단일윤축의 이론적 탈선모델(10)을 이용하여 이론적 타고오름 탈선계수를 도출한다.
앞에서 적용한 단일윤축 탈선계수 이론모델의 타당성을 검증하기 위해 Function bay사의 동역학 해석프로그램인 Recurdyn으로 단일윤축 동역학 모델을 시뮬레이션 하였다. 앞에서 사용한 다양한 탈선 조건 중 좌우 윤중이 각각 50% 감소한 경우에 대해 검증을 실시한다. 탈선이 발생하기 전에 차륜과 레일 사이에 충분한 구름접촉을 발생하도록 초기속도 30km/h로 윤축을 구르게 한 후, 좌우 윤중값과 횡력을 입력하여 시뮬레이션 하였다.
앞에서 적용한 단일윤축 탈선계수 이론모델의 타당성을 검증하기 위해 Function bay사의 동역학 해석프로그램인 Recurdyn으로 단일윤축 동역학 모델을 시뮬레이션 하였다. 앞에서 사용한 다양한 탈선 조건 중 좌우 윤중이 각각 50% 감소한 경우에 대해 검증을 실시한다.
(나) 우측 윤중이 50%감소한 경우
우측 윤중이 50%감소한 경우의 탈선계수와 탈선거동을 구했다
. 탈선을 유발하기 위하여 Fig.
축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리는 좌우 윤중 변화가 있어야 영향을 미치기 때문에 좌측 윤중을 50% 감소시켜 탈선계수를 구하였다. 이때 KTX 차륜직경은 신품일 경우 920mm이지만 차륜직경의 영향을 배제하기 위하여 HEMU-400X 및 고속화차 차륜직경과 동일한 860mm직경(삭정된 경우)을 적용하였다.
좌측 윤중이 50%감소한 경우의 탈선계수와 탈선거동을 구하였다.
차륜이 레일 위로 미끄러져 오르는 상황을 역학적인 관계로 표현하여, 최근 연구된 바(10) 있는 단일윤축 탈선모델에 적용하여 이론적 탈선계수를 도출한다. Fig.
9~11은 축상베어링 위치와 차륜중심점 사이의 거리에 따른 탈선계수를 플렌지각 별로 나타낸 것이다. 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리는 좌우 윤중 변화가 있어야 영향을 미치기 때문에 좌측 윤중을 50% 감소시켜 탈선계수를 구하였다. 이때 KTX 차륜직경은 신품일 경우 920mm이지만 차륜직경의 영향을 배제하기 위하여 HEMU-400X 및 고속화차 차륜직경과 동일한 860mm직경(삭정된 경우)을 적용하였다.
앞에서 사용한 다양한 탈선 조건 중 좌우 윤중이 각각 50% 감소한 경우에 대해 검증을 실시한다. 탈선이 발생하기 전에 차륜과 레일 사이에 충분한 구름접촉을 발생하도록 초기속도 30km/h로 윤축을 구르게 한 후, 좌우 윤중값과 횡력을 입력하여 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서는 KTX 차륜 프로파일로 XP_55고속차량 기본 프로파일을 단순화한 1/20 답면을 사용하였고, 그리고 UIC_60레일을 사용하였습니다.
본 절에서는 궤간이 탈선에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 현재 대표적으로 광궤는 러시아궤간(1520mm), 협궤는 케이프궤간 (1067mm)이 많이 사용되므로 현재표준궤간(1435mm)과 러시아궤간, 케이프궤간을 비교하였다.
대상 데이터
본 절에서는 차륜직경이 탈선에 미치는 영향을 분석하였다. 본 논문에 사용된 모델은 KTX모델로서 차륜직경이 920mm이다. KTX 차륜직경은 70mm까지 삭정이 가능하기 때문에 70mm 삭정 후(850mm)와 삭정 전(920mm)을 비교하였다.
5와 같이 횡력을 충분히 부여하여 탈선을 발생시킨 후, 이때 발생하는 한계탈선계수를 제안한 단일윤축 탈선계수식으로 구하고, 식 (27)∼(29)로 구한 기존 탈선계수값과 비교한다. 본 논문에서는 KTX 윤축 모델을 적용하여 축중은 166kN, 궤간거리는 1435mm, 차륜반경은 460mm, 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리는 254mm로 설정하였다.
탈선이 발생하기 전에 차륜과 레일 사이에 충분한 구름접촉을 발생하도록 초기속도 30km/h로 윤축을 구르게 한 후, 좌우 윤중값과 횡력을 입력하여 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서는 KTX 차륜 프로파일로 XP_55고속차량 기본 프로파일을 단순화한 1/20 답면을 사용하였고, 그리고 UIC_60레일을 사용하였습니다.
본 절에서는 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리 변화에 따른 탈선계수를 비교하였다. 이를 위해 KTX모델(254mm)과 HEMU-400X 모델(279mm), 고속화차(12) 모델(232mm)을 비교 분석하였다.
성능/효과
(2) 표준궤간과 비교하여 케이프궤간은 쉽게 탈선되고 러시아궤간은 어렵게 탈선된다. 즉 궤간이 좁을수록 탈선이 쉽게 발생하였다(α=25˚, μ=0.
(3) 차륜직경은 클수록 탈선이 쉽게 발생한다(α=25˚, μ=0.1 경우, 삭정 전후를 기준으로 최대 3.7% 차이).
(4) 축상베어링 위치와 차륜 중심점 사이의 거리가 길수록 탈선이 쉽게 발생한다. 즉 α=20˚, μ=0.
(5) 윤중이 50% 감소하면 국내 탈선계수 규정값 0.8을 만족하지만 좌우 윤중의 증감을 동시에 고려하면 윤중증감을 35%까지만 허용해야 탈선 계수가 0.8을 만족한다. 좌우 윤중 증감을 동시에 50%까지 허용하면 탈선계수는 0.
(6) 본 단일윤축 탈선계수 이론모델을 Recurdyn 동역학 시뮬레이션을 통해 검증한 결과, 최대 오차율 6.3%로 잘 일치하였다.
(8) 근래 전동차 등에 많이 적용되는 70˚ 이상 플렌지 차륜의 경우, 기존의 탈선계수(횡력/윤중)는 너무 큰 값이 되어 규정에서 제한하는 탈선계수 값과 큰 차이가 발생한다. 또한계탈선계수에 영향을 미칠 것으로 판단되는 궤간, 차륜직경, 축상베어링 취부 위치 등 윤축 치수와 관련된 기계적 인자들이 다루어 지지 못하는 문제도 있다.
Table 10은 좌측 윤중이 50% 감소한 경우의 조건별 시뮬레이션 결과를 이론식 결과와 비교하여 나타내었다. 최대 오차율이 6.3%로 이론식 결과와 시뮬레이션 결과가 상당히 일치하였다. 그러나 시뮬레이션에서는 차륜-레일 접촉점 수와 위치가 1점 또는 2점 등으로 변하게 되지만, Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도안전규정을 제정하여 철도 사고에 적용하고 있는 이유는?
철도 사고는 대형참사의 위험이 크기 때문에 철도안전규정(1)을 제정하여 적용하고 있으며, 각종 충돌 및 탈선 사고에 관한 연구(2~4)들도 진행되고 있다. 그 중에서도 주행 중 다양한 원인에 의하여 발생하는 탈선사고도 잘 관리되어야 하는 철도안전 문제의 하나이다.
주행중 비정상 요인에 의한 탈선은 어떻게 발생될 수 있는가?
최근 철도차량의 고속화 추세와 더불어 측풍, 지진, 장애물 충돌, 궤도 이상 등 주행중 비정상 요인에 의한 탈선에 관심이 집중되고 있다. 이러한 조건에서의 탈선은 플렌지 타고오름 뿐만 아니라 플렌지 미끄러져 오름, 전복탈선, 이들 탈선유형의 복합적 형태 등 다양하게 발생할 수 있다. 또 이러한 복잡한 유형의 탈선에 영향을 미치는 기계적 인자들도, 기존의 플렌지 각, 접촉부 마찰계수뿐만 아니라 윤중감소/증가, 궤간, 차륜직경, 축상베어링 위치 등 다양한 영향인자들이 고려되어야 한다.
탈선 안전성을 평가하는 척도는?
탈선 안전성을 평가하는 척도로 1908년 나달(Nadal)이 제안한 탈선계수식과 1984년 바인스톡(Weinstock)이 제안한 탈선계수 등(5~7)이 있으나 실제 안전규정에서는 시험과 시뮬레이션 등으로 도출된 보수적인 한계탈선계수 값이 채용되고 있다.(8) 근래 전동차 등에 많이 적용되는 70˚ 이상 플렌지 차륜의 경우, 기존의 탈선계수(횡력/윤중)는 너무 큰 값이 되어 규정에서 제한하는 탈선계수 값과 큰 차이가 발생한다.
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