도시철도는 도심내를 운행하는 철도차량으로써, 도시철도 이용이 활발해지고 운행 계획에 따라 급곡선 구간의 운용이 필요할 것으로 예상된다. 하지만 이러한 급곡선 선로에서는 철도차량의 주행 안정성이 현저히 감소하며 크리피지가 증가하게 된다. 크리피지는 차륜이 레일 위를 구를 때 접촉면에서의 속도차에 의한 미끄러짐 량으로 차륜 마모, 진동 등의 원인이 된다. 따라서 크리피지를 줄이는 것은 주행 안정성 확보 및 환경 문제, 비용 저감에 도움을 줄 수 있다. 본 논문에서는 급곡선 선로 주행에 의한 주행방향 크리피지 발생 정도를 전동차를 모델링하여 분석하고 나아가서 급곡선 선로 주행 시 발생할 수 있는 문제점을 최소화하기 위한 대차 특성을 최적화한다.
도시철도는 도심내를 운행하는 철도차량으로써, 도시철도 이용이 활발해지고 운행 계획에 따라 급곡선 구간의 운용이 필요할 것으로 예상된다. 하지만 이러한 급곡선 선로에서는 철도차량의 주행 안정성이 현저히 감소하며 크리피지가 증가하게 된다. 크리피지는 차륜이 레일 위를 구를 때 접촉면에서의 속도차에 의한 미끄러짐 량으로 차륜 마모, 진동 등의 원인이 된다. 따라서 크리피지를 줄이는 것은 주행 안정성 확보 및 환경 문제, 비용 저감에 도움을 줄 수 있다. 본 논문에서는 급곡선 선로 주행에 의한 주행방향 크리피지 발생 정도를 전동차를 모델링하여 분석하고 나아가서 급곡선 선로 주행 시 발생할 수 있는 문제점을 최소화하기 위한 대차 특성을 최적화한다.
Urban railway vehicles operate in downtown areas. Due to increases in the number of passengers and changes in the service plans, railway vehicles are expected to operate on sharp curved tracks. However, on these tracks, the running stability of the railway vehicles is significantly decreased and the...
Urban railway vehicles operate in downtown areas. Due to increases in the number of passengers and changes in the service plans, railway vehicles are expected to operate on sharp curved tracks. However, on these tracks, the running stability of the railway vehicles is significantly decreased and the creepage is increased. Creepage causes the wheel/rail to wear and vibration. Therefore, reducing the creepage helps ensure the running stability and can be beneficial for the environment and cost. In this paper, the longitudinal creepage is analyzed using a railway vehicle model on a sharp curved track. Furthermore, in order to minimize the problems when a railway vehicle runs on a sharp curved track, the characteristics of a bogie are optimized using response optimization.
Urban railway vehicles operate in downtown areas. Due to increases in the number of passengers and changes in the service plans, railway vehicles are expected to operate on sharp curved tracks. However, on these tracks, the running stability of the railway vehicles is significantly decreased and the creepage is increased. Creepage causes the wheel/rail to wear and vibration. Therefore, reducing the creepage helps ensure the running stability and can be beneficial for the environment and cost. In this paper, the longitudinal creepage is analyzed using a railway vehicle model on a sharp curved track. Furthermore, in order to minimize the problems when a railway vehicle runs on a sharp curved track, the characteristics of a bogie are optimized using response optimization.
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문제 정의
9(c)까지 각 휠의 위치마다 주행방향 크리피지에 영향을 미치는 변수가 각각 다름을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 반응 최적화를 수행하여 각 차륜에서의 주행방향 크리피지를 모두 만족하는 최소 곡선반경을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 일반적인 급곡선 궤도(R<500m)보다 더욱 열악한 조건인 곡선반경 (R<100m)에서의 국내 일반 전동대차 주행 특성을 고찰하고 대차 설계비용을 최소화하기 위하여 설계변수를 최소화하고 곡선부를 원활히 주행할 수 있도록 주행방향 크리피지를 개선하는데 목적이 있다.
본 논문에서는 차륜/레일 접촉에서 발생하는 주행방향 크리피지를 최소화하기 위한 대차 특성 최적화를 수행하였다. 최적화 과정은 다음과 같은 일반화된 최적화 공식으로 기초한다.
본 연구에서는 일반 전동차의 대차를 이용한 급곡선 주행해석을 수행하였다. 급곡선 주행에서의 주행 특성을 검토하여 주행 성능 개선에 효과적인 파라미터를 검토하였으며, 대차 현가장치의 외적인 설계 요소를 함께 검토하여 주행 성능 개선점을 확인하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
급곡선에서의 주행이므로 주행속도는 15km/h의 저속 주행으로 가정하였다. 1량 2대차의 차량 모델과 2량 3대차의 수정된 차량 모델 주행 특성 경향을 비교하기 위하여 Fig.
급곡선 구간에서의 주행 특성을 확인하고 주행 시 크리피지 변화에 의한 특성을 확인하였다. 또한 차량 주행 특성을 면밀히 검토하기 위해 외란이 없는 트랙으로 가정하였고 급곡선부 크리피지 발생 최소화를 위한 연구단계이므로 도유기가 없는 일반적인 트랙으로 가정하였다. 전체적인 트랙 모델은 Fig.
제안 방법
급곡선에서의 주행이므로 주행속도는 15km/h의 저속 주행으로 가정하였다. 1량 2대차의 차량 모델과 2량 3대차의 수정된 차량 모델 주행 특성 경향을 비교하기 위하여 Fig. 5 궤도모델의 곡선반경 100m에서 주행 해석을 수행하여 비교하였다. 곡선 진입에 따라 탈선계수 및 마모지수가 증가하는 경향은 비슷하지만 2량 3편성 차량 모델이 곡선 주행에 따른 마모가 덜 발생됨을 확인하였고 해석 결과 중에 Front bogie의 결과를 Fig.
2량 편성 모델을 완성하고 곡선 반경에 따라 주행 해석을 수행하였다. 곡선 외측부에서의 주행방향 크리피지 크기를 Fig.
고차의 교호작용을 실험인자로 활용하여 같은 실험 횟수로 더 많은 인자의 영향을 검토하기 위해 부분배치 실험을 적용하였다. 이는 완전 요인배치 실험의 횟수를 1/2, 1/4 등으로 나누어 실험 횟수를 줄이는 것으로 본 연구에서는 1/2 부분 배치법을 적용하여 실험을 수행하였다.
트랙 프로파일은 곡선반경을 30m부터 10mm씩 증가하여 100m까지 해석에 이용하였다. 급곡선 구간에서의 주행 특성을 확인하고 주행 시 크리피지 변화에 의한 특성을 확인하였다. 또한 차량 주행 특성을 면밀히 검토하기 위해 외란이 없는 트랙으로 가정하였고 급곡선부 크리피지 발생 최소화를 위한 연구단계이므로 도유기가 없는 일반적인 트랙으로 가정하였다.
본 연구에서는 일반 전동차의 대차를 이용한 급곡선 주행해석을 수행하였다. 급곡선 주행에서의 주행 특성을 검토하여 주행 성능 개선에 효과적인 파라미터를 검토하였으며, 대차 현가장치의 외적인 설계 요소를 함께 검토하여 주행 성능 개선점을 확인하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
차량의 질량정보는 Table 1에 나타내었고 1차, 2차 현가장치 특성은 Table 2에 나타내었다. 기존 20m 길이의 1량 전동차 모델을 X방향으로 1/2 축소한 2량 편성모델로 변경하였다. 1량 차량의 길이를 1/2로 축소한 이유는 급곡선 주행의 저항을 최소화하면서 약 20m길이에서 설계된 공조장치 시스템 배치 등의 설계를 변경하지 않고 차체 크기를 확보하기 위한 차량 최소 길이로 판단하였기 때문이다.
2로 변경하여 설계변수를 축소하였다. 따라서 설계변수 D1, D2, D6 만을 재설정하여 최적화를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 일반적인 급곡선 궤도(R<500m)보다 더욱 열악한 조건인 곡선반경 (R<100m)에서의 국내 일반 전동대차 주행 특성을 고찰하고 대차 설계비용을 최소화하기 위하여 설계변수를 최소화하고 곡선부를 원활히 주행할 수 있도록 주행방향 크리피지를 개선하는데 목적이 있다. 또한, 기존 운행하는 전동차의 제원을 이용하여 급행 및 완행 열차의 탄력적 운행 방안을 검토하기 위한 것으로 완행 열차의 임시 정차 및 속도 증속 방안을 위하여 급곡선 선로 내에서 운영할 수 있는 급곡선 반경 제시 및 급곡선 주행 시 차륜의 영향도 분석, 특성 최적화를 반응표면법을 이용하여 제시하는 것이다. 본 연구를 진행하기 위하여 철도차량 전용 해석 상용 툴(VI-Rail)을 이용하고 휠/레일 접촉이론은 Kalker의 FASTSIM[10]을 적용하였다.
1/2수준 요인배치법에 의한 실험계획표는 Table 5에 나타내었다. 설계변수 D1~D6까지 각 실험마다 겹치지 않도록 배열하였으며, 각 해석마다 주행방향 크리피지를 결과값으로 확인하였다. 2량 1편성 모델은 차륜이 12개 이므로 해석 결과에 의한 주행방향 크리피지는 12개이다.
고차의 교호작용을 실험인자로 활용하여 같은 실험 횟수로 더 많은 인자의 영향을 검토하기 위해 부분배치 실험을 적용하였다. 이는 완전 요인배치 실험의 횟수를 1/2, 1/4 등으로 나누어 실험 횟수를 줄이는 것으로 본 연구에서는 1/2 부분 배치법을 적용하여 실험을 수행하였다.
전절에서 수행한 최적화 결과는 기존 대차모델을 변경 시 고려요소가 존재하므로 설계변수를 축소한 최적화를 수행하기로 한다. 차륜반경 및 축거의 변경은 차량 하부 설계가 재검토 되어야 하므로 기존 설계값을 적용하고 차륜의 답면구배는 0.
전절에서 수행한 최적화 결과는 기존 대차모델을 변경 시 고려요소가 존재하므로 설계변수를 축소한 최적화를 수행하기로 한다. 차륜반경 및 축거의 변경은 차량 하부 설계가 재검토 되어야 하므로 기존 설계값을 적용하고 차륜의 답면구배는 0.2에서 주행방향 크리피지가 줄어드는 효과가 있으므로 설계값을 0.2로 변경하여 설계변수를 축소하였다. 따라서 설계변수 D1, D2, D6 만을 재설정하여 최적화를 수행하였다.
차륜 프로파일(wheel profile)은 도시철도에서 주로 사용되는 KNR20(답면구배 1/20)을 모델에 적용하였다. 추가적으로 차량의 주행 거동 분석을 위하여 차륜 프로파일의 답면구배를 변경하여 1/10 답면구배와 1/5 답면구배를 적용하여 경향을 분석하였다. Fig.
축거를 선정하였고, 모든 차축이 곡선의 중심을 향하는 것이 불가능할 때 곡선부 궤간을 약간 넓히는 슬랙을 고려하였으며, 현가계 전후강성을 유연하게 하여 곡선주행 시 자기조향기능을 향상시킬 수 있는 설계변수(주행방향 강성)를 고려하였다. 총 6개의 설계변수를 선정하였으며 설계변수는 2수준으로 Table 4에 나타내었다.
대상 데이터
좌표계의 중심은 (0,0,0)에 위치해 있다. 대상 차량은 2량 1편성, 연접대차를 적용한 모델로 열차 위치는 Fig. 3과 같다. 적용 차량의 연접대차는 인접한 차량을 공기 스프링에 의해 지지하고 후미차량은 선두차량과 볼조인트(ball joint)로 연결하여 차량 사이와 차량/대차 사이의 회전운동을 원활히 할 수 있도록 구성하였다.
Box-Behnken 계획법은 설계변수가 3개일 경우, 총 실험횟수는 13회를 수행하게 되며 실험계획표는 Table 8과 같다. 전절과 동일한 곡선반경(70m)에서 해석을 수행하였다. 각 차륜에서 측정된 주행방향 크리피지 결과는 부록(Table 10)에 나타내었고 이를 근거로 식 (5)와 같은 반응표면 모델식을 구하였다.
본 연구를 진행하기 위하여 철도차량 전용 해석 상용 툴(VI-Rail)을 이용하고 휠/레일 접촉이론은 Kalker의 FASTSIM[10]을 적용하였다. 차량 모델은 1축 차륜을 이용하는 전동차 설계 제원을 이용하여 동역학 철도차량 모델을 개발하였다.
차륜 프로파일(wheel profile)은 도시철도에서 주로 사용되는 KNR20(답면구배 1/20)을 모델에 적용하였다. 추가적으로 차량의 주행 거동 분석을 위하여 차륜 프로파일의 답면구배를 변경하여 1/10 답면구배와 1/5 답면구배를 적용하여 경향을 분석하였다.
트랙 프로파일은 곡선반경을 30m부터 10mm씩 증가하여 100m까지 해석에 이용하였다. 급곡선 구간에서의 주행 특성을 확인하고 주행 시 크리피지 변화에 의한 특성을 확인하였다.
데이터처리
각 실험계획에 의한 32회의 해석을 완료하였으며, Minitab[13]을 이용하여 요인분석을 수행하였다. 각 차륜에서의 주행방향 크리피지의 민감도를 분석한 결과, 주효과의 영향 분포가 각 차륜마다 다르게 나타남을 Fig.
이론/모형
또한, 기존 운행하는 전동차의 제원을 이용하여 급행 및 완행 열차의 탄력적 운행 방안을 검토하기 위한 것으로 완행 열차의 임시 정차 및 속도 증속 방안을 위하여 급곡선 선로 내에서 운영할 수 있는 급곡선 반경 제시 및 급곡선 주행 시 차륜의 영향도 분석, 특성 최적화를 반응표면법을 이용하여 제시하는 것이다. 본 연구를 진행하기 위하여 철도차량 전용 해석 상용 툴(VI-Rail)을 이용하고 휠/레일 접촉이론은 Kalker의 FASTSIM[10]을 적용하였다. 차량 모델은 1축 차륜을 이용하는 전동차 설계 제원을 이용하여 동역학 철도차량 모델을 개발하였다.
본 연구에서 차량의 동적 거동 해석은 VI-Rail을 이용하였으며 Wheel/Rail 접촉 알고리즘은 FASTSIM을 적용하였다. 모델링 된 차량의 좌표계는 Fig.
성능/효과
특히 Fig. 10(a)에서 전륜에 비하 후륜의 outer, inner wheel의 D2 및 각 설계변수의 제곱항이 민감하게 나타났다. 이는 Front bogie에는 모든 설계변수가 민감하다는 것을 의미이다.
2) 설계변수를 6개에서 차량에 대한 설계변수 3개만으로 최적화를 수행하여도 주행방향 크리피지의 저감이 가능함을 확인하였으며 설계 시 차량 제원 변경으로 주행방향 크리피지를 최소화할 수 있음을 확인하였다.
3) 선로 곡선반경이 작아질수록 상기 서술한 설계변수로는 크리피지 저감이 힘들 것으로 판단된다. 현가 특성 변경 외에 급곡선 주행 안정화를 극복하기 위해서는 좌우 차륜이 하나의 차축에 고정되어 같은 회전 속도를 가지는 단일 휠셋이 아닌 독립차륜[15]을 이용하여 좌우 회전을 달리하여 곡선 회전을 원활히 주행하거나 대차에 조향기능[16]을 추가하여 곡선주행에서 원활하게 주행할 수 있는 기술이 필요할 것으로 판단된다.
3개의 설계변수를 이용하여 최적화를 수행하였고 결과는 Table 9와 같으며 결과적으로 1차 현가장치의 값만이 작아짐을 확인할 수 있다.
4) 차륜 마모 개선을 위한 크리피지 감소는 현가장치 최적화를 통하여 개선할 수 있으며 Fig. 6과 같이 차량의 길이가 작아지면 급곡선에서 탈선계수 및 마모가 개선됨을 알 수 있었다. 본 논문은 향후 급곡선을 주행하게 될 철도차량 설계에 활용될 수 있을 것이다.
12는 ADAMS/Rail에서 해석한 결과를 비교한 그림이다. 각각 곡선부 외측 휠과 내측 휠에서의 주행방향 개선 효과를 확인할 수 있으며, 최적화 후 주행방향 크리피지가 0.02 이하의 값으로 모두 확보됨을 확인할 수 있다. 특히 주행방향의 곡선부 외측의 크리지피 개선에 효과적임을 알 수 있다.
반면 D1, D2의 영향도는 D6에 비하여 민감한 정도가 작다. 결과적으로 Front bogie에서 설계변수 변화에 따라 크리피지가 크게 변화할 것을 예측할 수 있으며 그 외 Middle bogie와 Rear bogie는 영향도가 상대적으로 작으므로 크리피지 변화에 크게 민감하지 않음을 확인할 수 있다.
순서이다. 곡선 외측부 크리피지가 대체로 높게 나왔으며 곡선반경이 작아질수록 크리피지의 크기는 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다. 크리피지의 증가는 Slip량이 증가함을 의미하며 Slip이 증가하면 차륜에서 마모량이 증가함을 의미한다.
5 궤도모델의 곡선반경 100m에서 주행 해석을 수행하여 비교하였다. 곡선 진입에 따라 탈선계수 및 마모지수가 증가하는 경향은 비슷하지만 2량 3편성 차량 모델이 곡선 주행에 따른 마모가 덜 발생됨을 확인하였고 해석 결과 중에 Front bogie의 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
각 그래프마다 0에서 멀리 떨어질수록 각 차륜에서 민감하게 영향을 미치는 설계변수이다. 대체로 D5, D6이 주행방향 크리피지에 가장 민감한 결과를 보였으며 Fig. 9(a)의 D1, D2가 다소 민감한 결과를 보였다. 반면, D4의 민감도는 가장 적은 것으로 확인되었다.
최적화 결과, 설계 변수 선정 시 -1과 +1수준의 끝 부분에서 최적화 결과가 나왔다. 1차 주행방향 강성값만이 중간값에서의 결과를 보였다.
후속연구
6과 같이 차량의 길이가 작아지면 급곡선에서 탈선계수 및 마모가 개선됨을 알 수 있었다. 본 논문은 향후 급곡선을 주행하게 될 철도차량 설계에 활용될 수 있을 것이다.
철도차량이 주행하는 급곡선에서의 주행 성능 개선은 차륜 반경차, 현가특성 변경, Slack 적용 등에 의한 주행방향 크리피지 개선 외에도 임계속도 확보, 횡방향 크리피지 개선 등도 함께 고려되어야 한다. 향후 연구에서는 횡방향 크리피지를 일정 수준 이하의 값을 확보할 수 있는 연구를 진행하여 급곡선 주행에서 발생할 수 있는 마모 저감 및 주행 안정성 등을 고찰하는 연구를 진행 할 예정이다.
3) 선로 곡선반경이 작아질수록 상기 서술한 설계변수로는 크리피지 저감이 힘들 것으로 판단된다. 현가 특성 변경 외에 급곡선 주행 안정화를 극복하기 위해서는 좌우 차륜이 하나의 차축에 고정되어 같은 회전 속도를 가지는 단일 휠셋이 아닌 독립차륜[15]을 이용하여 좌우 회전을 달리하여 곡선 회전을 원활히 주행하거나 대차에 조향기능[16]을 추가하여 곡선주행에서 원활하게 주행할 수 있는 기술이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
급곡선 궤도(R<500m)에서는 무슨 문제가 발생하는가?
급곡선 궤도(R<500m)에서는 차륜과 레일의 스틱/슬립(stick/slip)에 의한 파상마모가 주로 발생한다. 이는 스퀼(squeal) 소음의 주원인이 되며[1,2] 차륜의 주행 방향과 레일 방향의 각도 차에 의해 충격이 발생하여 열차는 불안정한 거동을 보이게 된다[3].
반응표면법은 무엇인가?
반응표면법은 설계변수가 여러 개일 경우, 이들의 반복해석을 최소화하여 상호 평가하는 방법이다. 반응표면법은 1950년대에 Box와 Wilson[6]에 의해 통계분야에서 처음으로 발표된 이후 최근까지 반응표면을 이용한 다양한 연구가 진행 중이다.
차륜과 레일의 스틱/슬립(stick/slip)에 의한 파상마모로 인해 야기되는 현상은?
급곡선 궤도(R<500m)에서는 차륜과 레일의 스틱/슬립(stick/slip)에 의한 파상마모가 주로 발생한다. 이는 스퀼(squeal) 소음의 주원인이 되며[1,2] 차륜의 주행 방향과 레일 방향의 각도 차에 의해 충격이 발생하여 열차는 불안정한 거동을 보이게 된다[3]. 이러한 곡선부 소음/진동 현상을 Rudd 등[4]은 축거와 곡선반경 사이에서 소음 발생 현상을 연구하였으며, Monk-Sleel 등[5]은 횡방향 크리피지에 의해 발생한 소음이 주행방향 크리피지에 미치는 영향을 조사하였다.
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