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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 고속선 자갈궤도의 관리수준에 대한 평가를 수행하고자 하였다. 궤도틀림에 대한 평가는 궤도틀림 검측결과를 이용하여 직접적으로 평가하는 방법도 있지만, 차량의 주행안정성 및 승차감을 이용하여 간접적으로도 평가할 수 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행중이다[2-5].
제안 방법
- 경부고속선 광명~동대구 고속선 구간의 차체 진동가속도 계측데이터에 대하여 Table 2의 방법에 따라 신호 처리, 즉 0.4～10Hz의 대역통과필터링(Bandpass filter)을 수행하였다.
- 국내 경부고속선 및 프랑스 고속선의 자갈궤도 구간에서 측정한 차량진동가속도의 크기별 분포특성을 정량적으로 분석하기 위하여 160, 200, 230, 270km/h 속도 대역으로 구분하여 빈도분포특성을 조사하였다.
- 궤도틀림에 대한 평가는 궤도틀림 검측결과를 이용하여 직접적으로 평가하는 방법도 있지만, 차량의 주행안정성 및 승차감을 이용하여 간접적으로도 평가할 수 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행중이다[2-5]. 본 논문에서는 차량진동가속도 계측결과를 이용하여 국내 고속선과 프랑스 고속선의 관리수준을 비교분석 하였으며, UIC518 규격에 제시된 허용기준과의 비교분석을 수행하였다.
- 차량진동가속도 계측은 국내 경부고속철도 광명~동대구과 프랑스 고속철도에서 수행하였으며, 객실 바닥에 가속도 센서를 설치하여 2,000Hz의 샘플링주파수로 측정을 수행하였다. 국내 고속선은 총 3회에 걸쳐 계측된 데이터 중에서 콘크리트궤도 구간과 기존선 연결선 구간을 제외하고, 160km/h이상으로 주행한 구간을 대상으로 분석하였다.
대상 데이터
- 차량진동가속도 계측은 국내 경부고속철도 광명~동대구과 프랑스 고속철도에서 수행하였으며, 객실 바닥에 가속도 센서를 설치하여 2,000Hz의 샘플링주파수로 측정을 수행하였다. 국내 고속선은 총 3회에 걸쳐 계측된 데이터 중에서 콘크리트궤도 구간과 기존선 연결선 구간을 제외하고, 160km/h이상으로 주행한 구간을 대상으로 분석하였다. 또한, 프랑스 고속선은 2차례에 걸쳐 계측된 자갈궤도 구간을 대상으로 분석하였다.
- 국내 고속선은 총 3회에 걸쳐 계측된 데이터 중에서 콘크리트궤도 구간과 기존선 연결선 구간을 제외하고, 160km/h이상으로 주행한 구간을 대상으로 분석하였다. 또한, 프랑스 고속선은 2차례에 걸쳐 계측된 자갈궤도 구간을 대상으로 분석하였다. 차량진동가속도의 측정 노선 및 시기와 측정대상 차량에 대한 세부내용은 Table 3에 기술하였다.
성능/효과
- 6은 상하방향 차체 진동가속도의 초과빈도분포를 속도대역별로 구분하여 비교한 결과를 나타낸 그래프이다. 270km/h 이하의 속도구간에서는 상하방향 차체 진동가속도는 국내 경부고속철도 보다 프랑스 고속철도가 작은 값을 갖는 것으로 평가되었다.
- 1의 그래프는 맨 위로부터 아랫방향으로 주행속도(Speed), 상하방향 차체가속도(Acc_Zq), 좌우방향 차체가속도(Acc_Yq)를 의미한다. Fig. 1로부터 상하방향의 차체 진동가속도가 좌우방향의 차체 진동가속도보다 다소 크게 분포되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 차량속도가 증가함에 따라 차체 진동가속도가 다소 커지는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 상하방향 차체 진동가속도는 270km/h 이하의 속도구간에서는 프랑스 고속철도가 우수하였으나, 270km/h를 초과하는 고속구간에서는 경부고속철도가 우수한 것으로 평가되었다. 경부고속철도의 상하방향 차체 진동가속도의 최댓값은 1.0m/s2로써 UIC518 규격의 간편법(Simplified method)에서 제시하고 있는 주행거동(Running behavior)의 기준인 2.5m/s2의 40%수준으로 해당 기준을 모두 만족하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 2에 나타내었다. 국내 고속선의 경우와 마찬가지로 상하방향의 차체 진동가속도가 좌우방향의 차체 진동가속도 보다 다소 큰 값을 보였으며, 속도가 증가함에 따라 차체 진동가속도가 다소 커지는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 3m/s2 이상의 비교적 큰 가속도의 값의 분포에서는 경부고속철도의 값이 프랑스 고속철도보다 작은 값을 보이고 있어서 국내 경부고속철도가 프랑스 보다 우수한 것으로 평가되었다. 궤도틀림 중에서 방향틀림과 수평틀림이 좌우방향 차체 진동가속도에 가장 큰 영향을 미치므로, 국내 경부고속선의 방향틀림과 수평틀림의 관리는 좌우방향 차체 진동가속도 측면에서 경부고속철도가 프랑스보다 우수할 정도로 충분히 양호하게 관리되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 230km/h 이상의 속도대역에서 경부고속선의 최대 좌우방향가속도는 0.
- 3m/s2 이하의 분포비율은 경부고속철도와 프랑스 고속철도는 거의 유사하였다. 그러나 0.3m/s2 이상의 비교적 큰 가속도의 값의 분포에서는 경부고속철도의 값이 프랑스 고속철도보다 작은 값을 보이고 있어서 국내 경부고속철도가 프랑스 보다 우수한 것으로 평가되었다. 궤도틀림 중에서 방향틀림과 수평틀림이 좌우방향 차체 진동가속도에 가장 큰 영향을 미치므로, 국내 경부고속선의 방향틀림과 수평틀림의 관리는 좌우방향 차체 진동가속도 측면에서 경부고속철도가 프랑스보다 우수할 정도로 충분히 양호하게 관리되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 4m/s2 이하의 크기를 갖는 좌우방향 차체 진동가속도의 분포비율은 경부고속철도와 프랑스 고속철도가 거의 유사하였다. 그러나 0.4m/s2 이상의 비교적 큰 가속도의 값의 분포에서는 경부고속철도가 프랑스 고속철도보다 작은 값을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 상하방향 차체 진동가속도의 최댓값은 경부고속철도 1.
- 0m/s2이다. 따라서 최댓값 측면에서도 경부고속선의 차체좌우방향가속도가 프랑스 보다 양호한 것으로 평가되었다.
- 1로부터 상하방향의 차체 진동가속도가 좌우방향의 차체 진동가속도보다 다소 크게 분포되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 차량속도가 증가함에 따라 차체 진동가속도가 다소 커지는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 차체 진동가속도는 차량의 속도뿐만 아니라 궤도선형 및 궤도틀림 등 궤도상태에 따라 영향을 받게 되며, 측정된 구간의 궤도상태가 동일하지 않기 때문에 유사한 속도에도 차량진동가속도가 다소의 편차를 보이고 있었다.
- 이는 좌우방향 차량가속도에 영향을 주는 방향틀림 또는 수평틀림의 값이 고속구간에 비하여 크게 발생하였기 때문으로 판단된다. 또한, 프랑스 고속철도에서 270km/h 이상의 고속구간은 상하방향가속도가 좌우방향가속도 보다 큰 값을 갖는 것으로 평가되었으나, 160～270km/h 구간에서는 좌우방향가속도가 오히려 상하방향가속도보다 큰 것으로 평가되었다.
- 상하방향 차체 진동가속도는 270km/h 이하의 속도구간에서는 프랑스 고속철도가 우수하였으나, 270km/h를 초과하는 고속구간에서는 경부고속철도가 우수한 것으로 평가되었다. 경부고속철도의 상하방향 차체 진동가속도의 최댓값은 1.
- 상하방향 차체 진동가속도의 비교결과에서는 270km/h 이하의 속도구간에서는 프랑스가 상대적으로 다소 우수하였으나, 270km/h 보다 높은 고속구간에서는 국내의 경부고속철도가 우수한 결과를 나타났다.
- 종합적으로 판단해 보면, 국내 경부고속철도와 프랑스 고속철도의 좌우방향 차체 진동가속도의 비교결과로부터 국내 경부고속철도가 상대적으로 우수한 것으로 평가되었다. 이는 좌우방향 차체 진동가속도에 영향을 주는 방향틀림 또는 수평틀림의 궤도틀림의 관리가 경부고속철도가 프랑스보다 우수할 정도로 충분히 양호하게 관리되고 있음을 의미한다.
- 270km/h 보다 높은 속도구간에서는 상하방향 차체 진동가속도는 상이한 결과를 보였다. 즉, 약 0.4m/s2 이하의 크기를 갖는 좌우방향 차체 진동가속도의 분포비율은 경부고속철도와 프랑스 고속철도가 거의 유사하였다. 그러나 0.
- 한편, 국내경부고속철도 및 프랑스 고속철도의 상하방향 차체가속도 최댓값은 모든 속도대역에서 UIC518 규격의 간편법(Simplified method)에서 제시하고 있는 주행거동 (Running behavior)의 기준인 2.5m/s2 보다 작은 값을 갖는 것으로 평가되어 해당 기준을 모두 만족하고 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 따라서 국내 경부고속선의 자갈궤도의 유지보수가 적정하게 이루어지고 있는가에 대한 정량적이고 객관적인 고찰이 필요하다. 본 논문에서는 국내와 유사한 조건을 갖고 있는 고속철도 선진국인 프랑스 자갈궤도와의 차량진동가속도에 대한 정량적 비교를 통하여 국내의 현황을 확인하였으며, 이러한 비교를 통하여 고속선 유지관리에 피드백하는 과정은 고속철도 자갈궤도 유지보수에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.
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