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문제 정의
- Finally, through 7000R curved track driving analysis at a speed of 550 km/h, the lateral force of the wheels and the derailment quotient are estimated and the applicability of the new concept railway vehicle is confirmed. Keywords : Ultra-high-speed train, Independent rotating wheel, Critical speed, Derailment quotient, Dynamic analysis 초 록 본 논문에서는 레일형 초고속 열차의 개념 설계안을 제안하고 동역학 해석을 통해 주행 동특성을 예측 하고자 한다. 초고속 열차에는 단일 윤축세트가 포함된 새로운 형태의 대차가 적용되었으며, 기존의 일체형 차 축 대신 독립차륜이 적용되었다.
- 독립차륜형 대차는 초고속 영역까지 헌팅에 의한 주행안정성 확보에 유리하나, 자가 중심 복원 기능과 곡선 자가 조향기능이 저하되어 이를 극복하는 기술 이 필요하다. 본 연구에서는 새로운 개념의 독립차륜형 대 차에 대한 동역학 해석 모델 개발하고 이를 이용한 임계속 도 및 동특성 해석을 통해 초고속화의 달성 가능성을 제시 하고자 한다. 2.
제안 방법
- 결 론을 정리하면 다음과 같다. (1) 상용 철도차량 다물체 동역학 해석 프로그램을 이용 하여 3량 1편성으로 구성된 초고속 열차의 개념 설계안에 대한 차량 모델을 개발하였다. 초고속 열차는 기존 고속열 차에서 사용된 일체형 차륜 대신 독립차륜이 적용되었으며 대차 당 하나의 휠셋만 적용되어 저중심화, 축소화 및 경량 화 되었다.
- 이어서 고유치 해석을 통해 차량 모델의 기본적인 타당성을 검증하였다. (2) 생성한 독립차륜형 열차 동역학 모델과 기존 고속철 도인 HEMU-430X의 모델을 활용하여 임계속도 해석을 수 행하였다. 해석을 통해 HEMU-430X는 700km/h이상의 속도 에서 불안정 거동을 보이지만 초고속 열차는 그 이상의 속 도에서도 거동이 안정되는 것을 확인하였다.
- 또한 차륜 프 로파일 변화에 따라서는 기존 S1002에 비해 신규 차륜 프 로파일을 적용했을 때, 궤도 중심으로의 자가 복원 효과가 발생하는 것을 확인하였다. (3) 목표 주행 조건인 곡선반경 7000R의 S형 선로에서 최 고속도 550km/h까지의 주행 해석을 수행하여 각각 횡압, 수 직력, 탈선계수의 변화를 확인하였다. 횡압 및 탈선계수의 변 화 추이가 기존 일체형 차축이 적용된 차량과 비교하여 상 이한 것을 확인하였으며, 크기는 상대적으로 크게 산출되지 만 목표 최고 속도에서 최대 탈선계수 0.
- 하지만 독립차륜의 적용은 기존 일체형 차축과 차륜-레 일 사이의 거동이 전혀 다른 특성을 보이기 때문에 이에 대 한 해석적 검토와 이해가 요구된다. 2.2 동역학 모델링 2.2.1 차량 설계 제원 신규 차량의 물성정보 및 현가장치 특성치를 적용하여 철 도차량의 동역학 모델을 생성하였다. 차량 1량의 길이는 앞 서 언급하였듯이 12,500mm이고 대차간 거리(Bogie base)는 11,500mm이다.
- 자가 중심복원 기능의 확보를 통해 좌, 우 휠에서 발생하는 동하중의 불균 형을 최소화 할 수 있다. 4. 곡선선로 주행해석 4.1 해석 시나리오 본 장에서는 앞서 생성 및 기본적인 검증을 마친 독립차 륜형 초고속 열차의 개념 설계안 동역학 모델을 활용하여, 실제 곡선 선로에서의 주행 해석을 통해 동특성 및 고속 주 행 가능성을 파악한다. 설계 목표 성능은 곡선반경 7000R 선로에서 550km/h의 속도를 만족하는 것으로 해당 목표 성 능 만족 여부를 판단할 수 있는 해석 시나리오를 제시하고 동특성을 분석한다.
- 설정캔트는 180mm 를 적용하였다. 4.2 해석 결과 Fig. 9 Results of critical speed analysis (lateral displacement) 앞서 언급한 주행 시나리오를 적용하여 각 속도별로 해석 Fig. 10 Definition of S curve track 독립차륜형 초고속 열차 개념 설계안의 동특성 해석 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 33 을 수행하였다. 먼저 앞서 임계속도를 통해 성능을 비교한 독립차륜형 초고속 열차 개념 설계안(S1002, 신규 차륜 프 로파일 적용)과 HEMU-430X에 대하여 차륜에 발생하는 횡 압, 수직력, 탈선계수를 비교하고 거동의 변화경향 및 범위 를 비교하였다.
- 또한 독립차륜형 열차는 기존 고 속철도에 비해 횡력 및 탈선계수가 높게 산출되는데 이는 차 륜과 레일에 과도한 마모 및 손상을 야기 시키고 차량의 안 전성을 저하시킬 수 있으므로 이에 대한 보완이 필요할 것 이다. 5. 결 론 본 논문에서는 독립차륜형 초고속 열차의 개념 설계안을 대상으로 동역학 해석을 통해 주행 거동을 파악하였다. 결 론을 정리하면 다음과 같다.
- 해석 프로그램은 상용 철도차량 동역학 해 석 프로그램인 ADAMS/Rail을 사용하였다[8]. ADAMS/Rail 에서 차륜과 레일의 접촉력 계산은 선형 이론을 이용하는 방 법, 차륜의 횡방향 운동에 대한 함수로 사전에 계산된 표를 이용하는 방법, 차륜과 레일의 형상 파라미터를 이용하는 방 법이 있는데, 본 논문에서는 사전에 계산된 표를 이용하는 방법을 적용하였다. Fig.
- 6을 통 하여 본 연구에서 적용된 두 종류의 차륜 프로파일에 대한 기하학적인 차이를 확인할 수 있다. Fig. 3 Rail profile (UIC60) Fig. 4 Wheel profile (S1002, new profile) 독립차륜형 초고속 열차 개념 설계안의 동특성 해석 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 31 2.4 고유치 해석을 통한 해석 모델의 타당성 검토 앞서 언급한 차량 모델에 대하여 임계속도 및 주행 해석 을 수행하기에 앞서 고유치 해석(Eigenvalue analysis)을 통 하여 차량 모델의 기본적인 타당성을 확인하였다. 고유치 해 석은 ADAMS/Rail에서 ‘linear analysis’라는 명칭으로 제공 된다.
- 초고속 열차는 기존 고속열 차에서 사용된 일체형 차륜 대신 독립차륜이 적용되었으며 대차 당 하나의 휠셋만 적용되어 저중심화, 축소화 및 경량 화 되었다. 또한 차륜 프로파일은 S1002와 독립차륜에 적합 하게 고안된 신규 프로파일을 적용하여 거동을 비교하였다. 이어서 고유치 해석을 통해 차량 모델의 기본적인 타당성을 검증하였다.
- 또한 안정적인 곡 선 주행 성능 및 승차감 확보를 위하여 틸팅제어 및 대차 조향제어 등과 같은 기술의 적용에 대한 검토도 필요하다. 레일형 초고속 열차의 경우에는 기존의 선로조건 하에서 Abstract In this paper, a concept design of a rail type ultra-high-speed train is proposed and its dynamic characteristics are analyzed. Instead of the existing solid axle, a new type bogie system and independently rotating wheels are applied in the proposed train.
- 10 Definition of S curve track 독립차륜형 초고속 열차 개념 설계안의 동특성 해석 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 33 을 수행하였다. 먼저 앞서 임계속도를 통해 성능을 비교한 독립차륜형 초고속 열차 개념 설계안(S1002, 신규 차륜 프 로파일 적용)과 HEMU-430X에 대하여 차륜에 발생하는 횡 압, 수직력, 탈선계수를 비교하고 거동의 변화경향 및 범위 를 비교하였다. Fig.
- 고유치 해 석은 ADAMS/Rail에서 ‘linear analysis’라는 명칭으로 제공 된다. 모델의 고유치 해석을 통하여 주요 거동에 대한 모드 및 주파수를 확인하였다. 철도차량의 주요 모드가 3Hz 미 만을 갖는 것이 일반적이며, 만약 그 이상의 고주파에서 주 요 모드가 확인 될 때에는 모델의 타당성을 재확인해볼 필 요가 있다.
- 비선형 예측 방법은 비선형 차륜-레일 프로파일이 적용된 모델을 수치적분을 적 용하여 주행시키고 차량에 초기 외란을 가하여 거동의 수렴 여부를 판단하여 임계속도를 파악하는 방법이다. 본 논문에 서는 초고속 열차 개념 설계안의 동역학 모델을 사용하여 비 선형 방법을 통해 임계속도를 파악하였다. 해석에 사용된 가 진 입력 자료는 상용 철도차량 해석 프로프로그램인 VAMPIRE 에서 제공하는 순간 불규칙도 선로 모델을 사용하였다[13].
- 1 해석 시나리오 본 장에서는 앞서 생성 및 기본적인 검증을 마친 독립차 륜형 초고속 열차의 개념 설계안 동역학 모델을 활용하여, 실제 곡선 선로에서의 주행 해석을 통해 동특성 및 고속 주 행 가능성을 파악한다. 설계 목표 성능은 곡선반경 7000R 선로에서 550km/h의 속도를 만족하는 것으로 해당 목표 성 능 만족 여부를 판단할 수 있는 해석 시나리오를 제시하고 동특성을 분석한다. 주행 특성을 파악하기 위하여 다음과 같 은 선로와 시나리오를 적용하여 해석을 수행한다.
- 또한 차륜 프로파일은 S1002와 독립차륜에 적합 하게 고안된 신규 프로파일을 적용하여 거동을 비교하였다. 이어서 고유치 해석을 통해 차량 모델의 기본적인 타당성을 검증하였다. (2) 생성한 독립차륜형 열차 동역학 모델과 기존 고속철 도인 HEMU-430X의 모델을 활용하여 임계속도 해석을 수 행하였다.
- 초고속 열차에는 단일 윤축세트가 포함된 새로운 형태의 대차가 적용되었으며, 기존의 일체형 차 축 대신 독립차륜이 적용되었다. 초고속 열차의 동특성을 파악하기 위하여 먼저, 차량에 대한 동역학 수치해석 모델을 개발하고 고유치 해석을 통해 해석 모델의 기본적인 타당성을 검증하였다. 또한, 임계속도 해석을 통하 여 기존 고속철도 HEMU-430X 차량에 비해 향상된 성능을 확인하였으며, 7000R 곡선선로에서 550km/h 주행해 석을 통하여 횡압, 탈선계수 등을 예측하고 초고속 열차 개념 설계안의 적용 가능성을 파악하였다.
- 2 임계속도 해석 결과 임계속도 해석은 본 연구의 대상인 독립차륜형 초고속 열 차 개념 설계안과 기존 고속철도인 HEMU-430X 모델에 대 하여 각각 수행하며, 차륜 프로파일도 S1002와 신규 차륜 프 로파일을 각각 적용하여 프로파일 변화에 따른 거동 변화를 동시에 비교하였다. 해석 속도는 300, 500, 700km/h이며 각 모델에 대하여 선두 차량 앞 대차의 좌측 차륜의 횡방향 변 위와 수직방향 변위 결과를 비교, 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 5 Rolling radius difference Fig. 6 Contact angle difference Fig. 7 Results of eigenvalue analysis Fig. 8 Track irregularity for critical speed analysis 이진희·김남포·심경석·박태원 32 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 3.2 임계속도 해석 결과 임계속도 해석은 본 연구의 대상인 독립차륜형 초고속 열 차 개념 설계안과 기존 고속철도인 HEMU-430X 모델에 대 하여 각각 수행하며, 차륜 프로파일도 S1002와 신규 차륜 프 로파일을 각각 적용하여 프로파일 변화에 따른 거동 변화를 동시에 비교하였다.
- 레일 역시 곡면으로 구성되어 있으며 따라서 이 들의 프로파일 형태에 따라 특성에 차이가 발생한다. 레일은 Fig. 3에 제시된 UIC60 의 프로파일을 적용하였다[9]. 차륜에는 두 종류의 프로파일 이 적용되었다.
- 1 차량 설계 제원 신규 차량의 물성정보 및 현가장치 특성치를 적용하여 철 도차량의 동역학 모델을 생성하였다. 차량 1량의 길이는 앞 서 언급하였듯이 12,500mm이고 대차간 거리(Bogie base)는 11,500mm이다. 또한, 차륜-레일 접촉점간 거리는 1,500mm 이며, 레일 내측간 최단거리를 의미하는 궤간(Gauge)은 국 Fig.
- 1(a)는 본 연구의 해석 대상인 레일형 초고속 열차에 대한 개념도를 보여준다. 차량은 총 3량 1편성으로 구성되 어 있으며, 1량의 길이는 12.5m이고 대차 중심간 거리는 11.5m이다. 차체 1량은 전, 후 두 개의 대차가 지지하는 구 조이며, 각 대차는 독립차륜이 적용된 단일 윤축세트로 구 성된 것이 특징이다.
- 5m이다. 차체 1량은 전, 후 두 개의 대차가 지지하는 구 조이며, 각 대차는 독립차륜이 적용된 단일 윤축세트로 구 성된 것이 특징이다. Fig.
- 3ton인 것에 비하여 전체적으로 축 소화 및 경량화 되었음을 알 수 있다. 현가장치는 크게 코 일스프링으로 구성된 1차 스프링과 공기스프링으로 구성된 2차 스프링, 횡 댐퍼, 상하 댐퍼, 횡 버퍼로 구성되며 상세 한 수치의 제시는 생략한다. 견인장치 및 대차 커플링 장치 는 임의의 강체를 추가하여 모델링 하였으며 차체 혹은 타 대차와 연결하여 상호작용 할 수 있도록 모델상에 구현되었 다.
이론/모형
- 2는 앞서 설명한 차량의 제원 및 특성치를 반영하여 생성한 3량 1편성 독립차륜형 초고속 열차 동역학 모델의 모습을 보여준다. 해석 프로그램은 상용 철도차량 동역학 해 석 프로그램인 ADAMS/Rail을 사용하였다[8]. ADAMS/Rail 에서 차륜과 레일의 접촉력 계산은 선형 이론을 이용하는 방 법, 차륜의 횡방향 운동에 대한 함수로 사전에 계산된 표를 이용하는 방법, 차륜과 레일의 형상 파라미터를 이용하는 방 법이 있는데, 본 논문에서는 사전에 계산된 표를 이용하는 방법을 적용하였다.
- 본 논문에 서는 초고속 열차 개념 설계안의 동역학 모델을 사용하여 비 선형 방법을 통해 임계속도를 파악하였다. 해석에 사용된 가 진 입력 자료는 상용 철도차량 해석 프로프로그램인 VAMPIRE 에서 제공하는 순간 불규칙도 선로 모델을 사용하였다[13]. 입력 선도는 초기 일정 구간에서 레일에 좌우, 상하 방향으 로 Fig.
성능/효과
- 1Hz 이하로 산출된 것을 확 인할 수 있으며 차량의 거동이 대략적으로 타당한 범위를 보 인다고 판단할 수 있다. 3. 임계속도 해석 3.1 해석 궤도 철도차량의 거동은 원추형상의 차륜과 레일의 상호작용으 로 인하여 기본적으로 사행동(Snake motion)을 보이며 차량 과 차륜-레일의 특성에 따라 일정 주행속도 이상이 될 시 사 행동의 진폭이 커지며 수렴하지 않는 거동을 보이게 된다. 이를 헌팅(Hunting)이라고 하며, 차량이 이러한 헌팅 거동을 보이기 전까지의 속도를 임계속도(Critical speed)라고 한다 [12].
- 이를 통하여 독립차륜의 적용으로 인하여 임계속도가 대 폭 향상된 것을 확인할 수 있다. 다음으로 동일한 독립차륜 형 열차에서 차륜의 프로파일을 기존의 S1002를 적용했을 때와 답면 영역의 구배를 증가시킨 신규 차륜 프로파일을 적 용했을 때의 결과를 비교하면 S1002를 적용하였을 때는 앞 서 언급하였듯이 횡방향 복원력이 발생하지 않지만 신규 차 륜 프로파일을 적용한 경우에는 복원력이 발생하여 초기 중 심 위치로 돌아오는 것을 확인할 수 있다. 이는 상대적으로 높은 답면구배에서 발생하는 횡력으로 인한 결과로 판단할 수 있다.
- 11에 제시된 결과에서 일체형 차축을 적용한 차량과 독립차륜을 적용한 차량의 거동을 비 교해보면 서로 상이한 것을 볼 수 있으며, 독립차륜에서 일 반적으로 S형 곡선 통과 시 예상되는 거동과는 다른 특성 을 보이는 것을 볼 수 있다. 독립차륜형 열차에서 차륜 프 로파일 변경에 따른 거동 변화를 살펴보면 S1002 프로파일 에 비해 신규 프로파일이 횡압과 그에 따른 탈선계수가 상 대적으로 높게 산출되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 신규 프로파일의 답면 영역 구배가 높기 때문에 야기되는 결과로 판단할 수 있다. 탈선계수를 살펴보면 모두 최대 0.
- 해석을 통해 HEMU-430X는 700km/h이상의 속도 에서 불안정 거동을 보이지만 초고속 열차는 그 이상의 속 도에서도 거동이 안정되는 것을 확인하였다. 또한 차륜 프 로파일 변화에 따라서는 기존 S1002에 비해 신규 차륜 프 로파일을 적용했을 때, 궤도 중심으로의 자가 복원 효과가 발생하는 것을 확인하였다. (3) 목표 주행 조건인 곡선반경 7000R의 S형 선로에서 최 고속도 550km/h까지의 주행 해석을 수행하여 각각 횡압, 수 직력, 탈선계수의 변화를 확인하였다.
- 초고속 열차의 동특성을 파악하기 위하여 먼저, 차량에 대한 동역학 수치해석 모델을 개발하고 고유치 해석을 통해 해석 모델의 기본적인 타당성을 검증하였다. 또한, 임계속도 해석을 통하 여 기존 고속철도 HEMU-430X 차량에 비해 향상된 성능을 확인하였으며, 7000R 곡선선로에서 550km/h 주행해 석을 통하여 횡압, 탈선계수 등을 예측하고 초고속 열차 개념 설계안의 적용 가능성을 파악하였다. 주요어 : 초고속 열차, 독립차륜, 임계속도, 탈선계수, 동역학 해석 *Corresponding author.
- 9에서 초기 횡방향 변위가 -3mm 위치인 것은 차륜의 지역 좌표 계로 부터의 정의된 거리이기 때문이며, 동특성과는 관계없 음을 밝힌다. 먼저 독립차륜형 초고속 열차와 기존 일체형 차축이 적용된 HEMU-430X의 거동을 비교하면 500km/h까 지의 속도에서는 초기 외란에 의한 변위 발생 후 일정 시 간 안에 수렴이 되는 것을 볼 수 있다. 하지만 700km/h의 속도에서는 HEMU-430X의 거동이 수렴하지 못하고 플랜지 접촉에 의한 헌팅 운동을 보이는 것을 알 수 있다.
- 이는 상대적으로 높은 답면구배에서 발생하는 횡력으로 인한 결과로 판단할 수 있다. 이를 통하여 신규 차륜 프로파일의 자가 중심복원 기능(Self-centering) 효과를 확인할 수 있다. 자가 중심복원 기능의 확보를 통해 좌, 우 휠에서 발생하는 동하중의 불균 형을 최소화 할 수 있다.
- (2) 생성한 독립차륜형 열차 동역학 모델과 기존 고속철 도인 HEMU-430X의 모델을 활용하여 임계속도 해석을 수 행하였다. 해석을 통해 HEMU-430X는 700km/h이상의 속도 에서 불안정 거동을 보이지만 초고속 열차는 그 이상의 속 도에서도 거동이 안정되는 것을 확인하였다. 또한 차륜 프 로파일 변화에 따라서는 기존 S1002에 비해 신규 차륜 프 로파일을 적용했을 때, 궤도 중심으로의 자가 복원 효과가 발생하는 것을 확인하였다.
- (3) 목표 주행 조건인 곡선반경 7000R의 S형 선로에서 최 고속도 550km/h까지의 주행 해석을 수행하여 각각 횡압, 수 직력, 탈선계수의 변화를 확인하였다. 횡압 및 탈선계수의 변 화 추이가 기존 일체형 차축이 적용된 차량과 비교하여 상 이한 것을 확인하였으며, 크기는 상대적으로 크게 산출되지 만 목표 최고 속도에서 최대 탈선계수 0.5 미만을 확보하여 국제규정의 제한값을 만족하는 것을 확인하였다 본 연구 결과를 통해 독립차륜형 초고속 열차의 개발 및 적용에 대한 가능성을 확인할 수 있었다. 차후 상세 모델 개 발 및 궤도 불규칙도를 적용한 성능 평가 등을 추가적으로 수행할 수 있을 것이며, 선형 추진제어에 따른 수직방향 반 Fig.
후속연구
- 하지만 본 해석 궤도는 궤도 불규칙도가 적용되지 않은 이상적인 궤도이기 때문에 차후 불규칙도가 적용된 선로에서의 주행 가능성 여부를 추가적 으로 판단해야 할 것이다. 또한 독립차륜형 열차는 기존 고 속철도에 비해 횡력 및 탈선계수가 높게 산출되는데 이는 차 륜과 레일에 과도한 마모 및 손상을 야기 시키고 차량의 안 전성을 저하시킬 수 있으므로 이에 대한 보완이 필요할 것 이다. 5.
- 11 Comparison of analysis results in S curve track 이진희·김남포·심경석·박태원 34 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 력의 효과 및 틸팅제어 반영에 따른 승차감 향상 효과 등 을 분석할 수 있을 것이다. 본 논문의 결과가 독립차륜형 초 고속 열차를 설계하는 데에 기초 자료로 활용될 수 있을 것 이다. 후 기 본 연구는 한국철도기술연구원의 주요사업인 레일방식 초 고속철도 핵심기술개발과제의 일환으로 수행되었습니다.
- 레일형 초고속 열차는 선형 추 진이 적용되기 때문에 비점착구동이 가능하며 이로 인하여 휠과 레일은 단순히 차량의 지지, 안내의 역할을 하므로 기 존 점착구동 방식에서 발생하는 속도한계를 극복할 수 있다 [3]. 이러한 레일형 초고속열차가 실용화되기 위해서는 국내 지형에 맞는 궤도조건을 포함해야 할 것이며, 기본적으로 고 속열차의 개발 요구사항인 주행 안전성 및 승차감 개선, 충 분한 수송 능력 등을 확보해야 할 것이다. 또한 안정적인 곡 선 주행 성능 및 승차감 확보를 위하여 틸팅제어 및 대차 조향제어 등과 같은 기술의 적용에 대한 검토도 필요하다.
- 차후 상세 모델 개 발 및 궤도 불규칙도를 적용한 성능 평가 등을 추가적으로 수행할 수 있을 것이며, 선형 추진제어에 따른 수직방향 반 Fig. 11 Comparison of analysis results in S curve track 이진희·김남포·심경석·박태원 34 한국철도학회논문집 제17권 제1호(2014년 2월) 력의 효과 및 틸팅제어 반영에 따른 승차감 향상 효과 등 을 분석할 수 있을 것이다.
- 5 이하 의 범위를 만족하는 것을 볼 수 있으며, 이는 목표 주행 조 건인 7000R 곡선 선로에서 550km/h로 정상 주행할 수 있 음을 해석적으로 제시해준다. 하지만 본 해석 궤도는 궤도 불규칙도가 적용되지 않은 이상적인 궤도이기 때문에 차후 불규칙도가 적용된 선로에서의 주행 가능성 여부를 추가적 으로 판단해야 할 것이다. 또한 독립차륜형 열차는 기존 고 속철도에 비해 횡력 및 탈선계수가 높게 산출되는데 이는 차 륜과 레일에 과도한 마모 및 손상을 야기 시키고 차량의 안 전성을 저하시킬 수 있으므로 이에 대한 보완이 필요할 것 이다.
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