[논문]견인력 및 점착력 특성 분석을 통한 전동차 최대 가속도 규격 선정에 관한 연구

김정태; 김무선; 고경준; 장동욱

doi:10.5762/kais.2015.16.11.7934

견인력 및 점착력 특성 분석을 통한 전동차 최대 가속도 규격 선정에 관한 연구
The Study on the Standardization of the Maximum Acceleration of the Electric Multiple Unit through the Analysis of the Traction and the Adhesion Characteristics 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.11, 2015년, pp.7934 - 7940

김정태 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부) , 김무선 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부) , 고경준 (한국철도기술연구원 미래전략센터) , 장동욱 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부)

초록
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도시철도의 표정속도를 증가시키기 위한 여러 가지 방법 중 가속도를 높이는 방법이 있다. 전동기의 견인력을 높이면 일정 목표 수준까지는 가속도를 향상시킬 수 있으나 점착력 제한 등으로 어느 수준 이상에서는 슬립이 발생하여 목표 가속도를 낼 수 없게 된다. 주행저항도 목표 가속도 선정 시 고려해야 할 요소이다. 견인력과 점착력 및 주행저항은 속도에 따라 변하는 함수이므로 가속도 규격을 선정하기 위해서는 속도에 따른 견인력, 점착력, 주행저항 등의 변화에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 차세대전동차를 대상으로 하였는데 이 전동차의 경우 전두부가 유선형이고 1C1M 방식의 모터제어를 수행하므로 기존의 주행저항 수식과 점착력 수식을 적용하는 것은 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 견인력과 점착력 수식으로부터 가속도 제한을 구하고 실제 시험 결과와 비교하여 대상 전동차에 맞는 점착력 수식을 도출한다. 이를 바탕으로 차세대전동차의 M카, T카 편성을 변경할 경우 수치적으로 가능한 최대 가속도 규격을 도출한다. 이렇게 이론적 한계를 제시함으로써 실제 가속도 규격 선정 시 도움이 될 수 있도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The raise of the acceleration can be one of possible methods to increase the scheduled speed of the metropolitan railway system. It is possible to raise the acceleration to the some point by increasing the traction power of the motor. However, there is a limit of the acceleration because the traction power over some level related to the adhesion causes a slip, which prevents from accomplishing the target acceleration. The running resistance is also an important factor to consider. Both the adhesion and the running resistance as well as the traction power vary according to the velocity. Therefore, the standardization of the acceleration needs the analysis of these factors as a function of velocity. In this study, we focus on the advanced urban transit unit(AUTS) for the standardization. We derive a novel equation of the adhesion suitable for the AUTS by investigation of the traction and adhesion equation as well as the experiment data. And finally we propose the standard of the acceleration based on this analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 차세대 전동차를 대상으로 편성을 변경하여 고성능 전동차를 구현하고자 할 때 가능한 최대가속도 값과 규격을 제시하였다. 이를 위해 먼저 점착력, 주행저항 및 견인력 등 관련된 변수를 파악하고 이들과 최대가속도와의 관계를 수식으로 나타내었다.

가설 설정

대상이 되는 전동차는 현재 제작이 완료되고 현재 신뢰성시험 중인 차세대전동차(AUTS, Advanced Urban Transit System)이다. 본 연구에서는 차세대전동차의 편성을 변경하여 고성능 정동차를 구현하는 것을 가정하였다. 이 절에서는 차세대 전동차의 가속도와 관련된 특성인 점착계수, 주행저항을 기술하며 이를 사용하여 도출한 가속도 선정 수식을 제시한다.

제안 방법

이를 위해 먼저 점착력, 주행저항 및 견인력 등 관련된 변수를 파악하고 이들과 최대가속도와의 관계를 수식으로 나타내었다. 다음엔 이수식으로 도출한 최대가속도와 시험결과를 비교하여 위의 변수 중 점착계수에 관한 수식을 차세대 전동차에 맞게 조정하였다. 차세대 전동차의 경우 1C1M의 향상된 방식으로 차륜을 제어하므로 기존 전동차보다 점착력이 높게 나타난다.
차세대 전동차의 경우 1C1M의 향상된 방식으로 차륜을 제어하므로 기존 전동차보다 점착력이 높게 나타난다. 마지막으로 조정된 점착계수 수식을 사용하여 차세대 전동차의 M카와 T카의 수를 조정하여 편성할 경우 가능한 최대가속도 규격을 도출하였다. 가속도 시험 절차 상 측정되는 가속도는 평균 가속도이므로 측정결과와 비교하기 위해서는 속도에 따른 최대가속도 변화를 계속 추적해가면서 평균을 내어 도출해야 한다.
본 연구에서는 속도 변화에 따른 점착력, 주행 저항, 견인력 변화를 분석하고 여러 시험 데이터를 바탕으로 적합한 수치를 도출하며 속도에 따른 가속도를 시뮬레이션 한다. 이를 통해 전동차 편성 변경에 따른 최대 가속도 규격을 선정하여 제시한다.
앞에서 구한 점착계수 수식을 적용하고 견인력과 점착력에 의해 제한되는 최대 가속도를 구하여 편성 별 최대 가속도 규격을 선정하였다. 현재 3M3T로 구성되어 있는 차세대전동차의 편성을 변경하여 M카의 비중을 늘려 고성능전동차를 제작할 경우 가속도 최대값에 대하여 알아본다.
여기에서는 전동차의 점착계수에 관한 수식 (3)에 대하여 차세대전동차 시험 결과와 비교하여 적합하도록 계수를 조정하도록 한다. 차세대전동차의 경우 1C1M 전동기 제어와 재점착 제어기능을 통해 점착계수가 더 높아진다[14,17,18].
이 절에서는 앞에서 제시한 최대 가속도 수식과 실제 차세대 전동차의 시험결과를 비교하여 조정된 점착계수 수식을 도출한다. 이를 사용하여 차세대 전동차의 편성에서 M카의 비율을 증가시켜 가속도가 증가된 고성능전동차를 구현하고자 할 때 수치적으로 가능한 최대 가속도를 구한다.
본 연구에서는 차세대전동차의 편성을 변경하여 고성능 정동차를 구현하는 것을 가정하였다. 이 절에서는 차세대 전동차의 가속도와 관련된 특성인 점착계수, 주행저항을 기술하며 이를 사용하여 도출한 가속도 선정 수식을 제시한다.
이 절에서는 앞에서 제시한 최대 가속도 수식과 실제 차세대 전동차의 시험결과를 비교하여 조정된 점착계수 수식을 도출한다. 이를 사용하여 차세대 전동차의 편성에서 M카의 비율을 증가시켜 가속도가 증가된 고성능전동차를 구현하고자 할 때 수치적으로 가능한 최대 가속도를 구한다.
본 연구에서는 차세대 전동차를 대상으로 편성을 변경하여 고성능 전동차를 구현하고자 할 때 가능한 최대가속도 값과 규격을 제시하였다. 이를 위해 먼저 점착력, 주행저항 및 견인력 등 관련된 변수를 파악하고 이들과 최대가속도와의 관계를 수식으로 나타내었다. 다음엔 이수식으로 도출한 최대가속도와 시험결과를 비교하여 위의 변수 중 점착계수에 관한 수식을 차세대 전동차에 맞게 조정하였다.
이 값과 이를 바탕으로 선정한 가속도 규격을 Table 3에 나타내었다. 현재 개발된 기본 편성인 6량 1편성을 기준으로 M카의 비중을 늘린 경우와 우리나라 전동차 중 가장 큰 편성인 10량 1편성을 기준으로 M카의 비중을 늘린 경우 모두에 대하여 값을 구하였다. 차량 편성 전체를 M카로 할 경우 견인력 및 점착력으로 구한 값으로는 6.

대상 데이터

대상이 되는 전동차는 현재 제작이 완료되고 현재 신뢰성시험 중인 차세대전동차(AUTS, Advanced Urban Transit System)이다. 본 연구에서는 차세대전동차의 편성을 변경하여 고성능 정동차를 구현하는 것을 가정하였다.
3km/h/s의 최대 가속도 성능 규격을 만족시킨다. 차세대전동차는 총 6량 편성에 3M3T(3 motors, 3 trailers)로 구성되어 있는데 본 연구에서는 표정속도 향상을 위해 M카(motor car)의 비중을 늘려 구성하는 방안을 고려한다. 가속도와 점착력을 구하기 위해서는 차량 별 중량을 알아야 하는데 Table 1에 차세대전동차의 편성과 차량 별 공차 중량을 정리하였다.

성능/효과

차세대전동차는 동력분산식이며 기동성과 승무원 및 승객 편의성을 향상시킨 전동차로써 유선형 전두부 및 1C1M (1 controller 1 motor)방식의 직접구동전동기를 사용하여 주행저항을 감소시키고 출력을 증대시켰다[6]. 따라서, 기존 전동차의 최대 가속도 3.0km/h/s 보다 향상된 3.3km/h/s의 최대 가속도 성능 규격을 만족시킨다. 차세대전동차는 총 6량 편성에 3M3T(3 motors, 3 trailers)로 구성되어 있는데 본 연구에서는 표정속도 향상을 위해 M카(motor car)의 비중을 늘려 구성하는 방안을 고려한다.
Table 2에 기술된 값은 속도를 변화시켜가면서 가속도 제한을 도출한 후 이의 평균값을 구한 것이다. 시험결과와 비교해보면 두 경우 모두 점착력에 의해 제한되는 최대 가속도가 시험결과보다 작게 나왔음을 알 수 있으며, 이를 통해 차세대전동차의 점착력 향상 확인이 가능하다. 견인력의 경우 만차에서는 시험결과와 수식에 의한 결과가 거의 부합한다(2% 오차).
가속도 시험 절차 상 측정되는 가속도는 평균 가속도이므로 측정결과와 비교하기 위해서는 속도에 따른 최대가속도 변화를 계속 추적해가면서 평균을 내어 도출해야 한다. 이를 위해 각 변수 별로 적절한 수식을 세우고 속도 변화에 따른 시뮬레이션을 수행함으로써 이론적으로 알맞은 값을 얻을 수 있었다. 실제 규격은 가격 등 다양한 요소를 고려해서 정해야 하지만 본 연구에서 제시한 이론적 한계는 규격을 선정하는데 도움이 될 것이다.

후속연구

여기서 v는 속도(km/h)이다. 본 연구에서는 차세대전동차를 대상으로 하였으므로 (3)을 적용하는 것을 검토해볼 수 있으나 차세대전동차의 경우 점착력을 증가시키기 위한 여러 기술들이 적용되었으므로 이를 그대로 적용할 수는 없다. 따라서 시험결과를 바탕으로 (3)에서 일부 계수를 수정하여 적합한 수식을 도출한 후 적용한다.
이를 위해 각 변수 별로 적절한 수식을 세우고 속도 변화에 따른 시뮬레이션을 수행함으로써 이론적으로 알맞은 값을 얻을 수 있었다. 실제 규격은 가격 등 다양한 요소를 고려해서 정해야 하지만 본 연구에서 제시한 이론적 한계는 규격을 선정하는데 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점착력이란 무엇인가?	그러나 가속도를 일정 수준 이상으로 높이고자 하면 차륜과 레일 사이에 미끄러짐이 발생하여 목표한 바를 달성할 수 없게 된다. 차륜의 회전이 레일 위를 미끄러지지 않고 열차를 가속하는데 사용될 수 있도록 하는 힘이 점착력이며[2] 최대 가속도는 점착력을 초과 하지 않는 범위에서 달성할 수 있다. 주행저항 또한 최대가속도 규격 선정에서 고려해야 할 중요한 요소이다.
	동력분산식 전동차의 장점은?	동력분산식 전동차의 경우 전동기의 용량 증대 없이 편성 중 M카의 비중을 높여서 가속도를 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이렇게 견인력을 증가시키더라도 이를 포함하여 점착력, 주행저항은 속도에 따라 변하는 값이므로 최대 가속도 규격을 선정하기 위해서는 이들의 속도에 따른 변화를 분석하여야 한다.
	전동차의 가감속도를 증가시키기 위해서는?	도시철도의 표정속도를 증가시키기 위하여 여러 가지 방법이 제안되었는데, 이 중 전동차의 가감속도를 증가시키는 것은 특히 역간 거리가 짧은 노선에서 효과적인 방법이다[1]. 그런데 가속도의 경우 이를 증가시키기 위해서는 전동기의 용량을 증대시키거나 M카의 비중을 높여야 한다. 그러나 가속도를 일정 수준 이상으로 높이고자 하면 차륜과 레일 사이에 미끄러짐이 발생하여 목표한 바를 달성할 수 없게 된다.

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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