[논문]철도차량 1차현가 특성에 따른 윤축 조향각 성능 분석

허현무; 안다훈; 박준혁

doi:10.7736/kspe.2015.32.7.597

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we studied the steering performance of wheelset with primary suspension characteristics of railway vehicle. We carry out dynamic analysis and experimental study for the vehicle models which are different primary suspension characteristics. The steering angle of a vehicle model (Case 1...

In this paper, we studied the steering performance of wheelset with primary suspension characteristics of railway vehicle. We carry out dynamic analysis and experimental study for the vehicle models which are different primary suspension characteristics. The steering angle of a vehicle model (Case 1) operating in domestic subway lines is insufficient compared with an objective steering angle for curved track. And the steering angle of a vehicle model (Case 2) with improved self-steering performance of wheelset is a little improved compare to previous vehicle model. But also Case 2 model is still insufficient compared with an objective steering angle and has its limit in steering performance. So to overcome this limit of steering performance of passive type railway vehicle, an active steering technology is being developed. In case of vehicle model with active steering system, the steering performance is improved remarkably compared to passive type vehicle model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내 기존 철도차량의 윤축의 자기 조향성능을 분석하고자 한다. 이를 위하여 철도차량에 대한 윤축 조향각 해석을 수행하였으며 실차 실험을 통하여 실 주행 시 발생하는 윤축의 조향각 성능을 측정, 분석하였다.

가설 설정

철도차량 1차 현가 특성에 따른 윤축 조향각 구현 성능을 해석하기 위하여 곡선구간 주행 시를 가정한 동역학 해석을 수행하였다. 동역학 해석은 다물체 동역학 해석프로그램인 VI-Rail을 사용하였다.

제안 방법

국내 기존 철도차량의 1차현가 특성에 따른 윤축의 자기 조향성능을 분석하고자 1차현가 특성이 상이한 차량모델에 대하여 곡선구간 주행 시 윤축 조향각을 해석하였고 실차를 대상으로 조향각을 측정하였다.
이를 위하여 철도차량에 대한 윤축 조향각 해석을 수행하였으며 실차 실험을 통하여 실 주행 시 발생하는 윤축의 조향각 성능을 측정, 분석하였다. 또한 조향 성능 향상을 위하여 능동조향제어에 의한 윤축 조향각 구현성능에 대하여도 분석하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 국내 기존 철도차량의 윤축의 자기 조향성능을 분석하고자 한다. 이를 위하여 철도차량에 대한 윤축 조향각 해석을 수행하였으며 실차 실험을 통하여 실 주행 시 발생하는 윤축의 조향각 성능을 측정, 분석하였다. 또한 조향 성능 향상을 위하여 능동조향제어에 의한 윤축 조향각 구현성능에 대하여도 분석하고자 한다.
전절에서 해석한 윤축 조향각 해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 각 차량모델에 대한 실차를 대상으로 실선로 주행 시 발생하는 윤축 조향각을 측정하였다.

대상 데이터

차량 모델은 자기조향 성능이 다른 Case 1과 Case 2 두 모델을 대상으로 하였다. Case 1은 국내에서 운용중인 전동차를 대상으로 모델링 하였으며 차량 모델 물성치는 Table 1과 같다. Case 2은 자기조향성능을 향상시킨 개발한 시제차량을 대상으로 모델링 하였으며 차량 모델 물성치는 Table 2와 같다.
Case 1은 국내에서 운용중인 전동차를 대상으로 모델링 하였으며 차량 모델 물성치는 Table 1과 같다. Case 2은 자기조향성능을 향상시킨 개발한 시제차량을 대상으로 모델링 하였으며 차량 모델 물성치는 Table 2와 같다.
실제 Case 1 차량모델은 급곡선 운용 전동차 차량모델로서 국내에서 운용중인 다른 전동차 차량모델에 비하여 상대적으로 자기조향성능이 다소 양호하게 설계된 차량이다. 이에 비하여 한 예로 종방향 강성이 매우 큰 셰브론 축상스프링을 적용한 전동차 차량모델의 윤축 조향각 성능을 해석하면 Fig.
조향각 해석을 위한 궤도모델은 궤도틀림이 없는 곡률반경 200m인 R200에서부터 곡률반경1000m인 R1000 곡선을 대상으로 모델링 하였다. 속도는 각 곡선구간에 부합한 균형속도 조건을 부여하였다.
차량 모델은 자기조향 성능이 다른 Case 1과 Case 2 두 모델을 대상으로 하였다. Case 1은 국내에서 운용중인 전동차를 대상으로 모델링 하였으며 차량 모델 물성치는 Table 1과 같다.

이론/모형

철도차량 1차 현가 특성에 따른 윤축 조향각 구현 성능을 해석하기 위하여 곡선구간 주행 시를 가정한 동역학 해석을 수행하였다. 동역학 해석은 다물체 동역학 해석프로그램인 VI-Rail을 사용하였다.

성능/효과

국내에서 운용중인 전동차를 대상으로 한 차량 모델(Case 1)의 경우, 조향각 구현 성능은 곡률반경별 요구되는 목표 조향각에 크게 못 미치는 매우 미흡한 수준으로 해석적, 실험적으로 확인하였다.
위와 같이 수동형 철도차량의 윤축 자기조향성능 한계를 극복하기 위하여 능동조향제어기술을 적용한 능동조향차량의 경우, 윤축 조향각 구현 성능은 해석적으론 목표 조향각에 부합한 결과를 보일 것으로 예측된다.
자기조향성능을 향상시킨 개발한 시제차량을 대상으로 한 차량모델(Case 2)의 경우, 조향각 구현 성능은 Case 1에 비해선 향상되었지만 목표 조향각에는 크게 못 미치는 수준으로 평가되었다. 또한 수동형 차량으로 자기조향성능을 크게 향상시켰다고 하나 곡률반경이 심한 급곡선에선 성능의 한계를 보이고 있다.

후속연구

따라서 국내 급곡선 운용 철도차량 운용기관의 차량 조향성능 미흡으로 인한 차륜, 레일의 마모, 소음 및 민원 발생, 마모 분진으로 인한 전장품 고장 등에 기인한 운용상의 애로점, 유지보수 비용 증가 등의 현안을 고려하면, 기존 철도차량의 자기조향성능 한계를 극복할 수 있는 능동조향기술을 적용한 차량 개발이 효율적일 것으로 판단된다.
따라서 차량 조향성능 미흡으로 차륜, 레일의 마모, 소음, 분진 발생 등 운용 및 유지보수 측면에서 애로점을 안고 있는 국내 철도운영기관의 만성적 현안을 고려하면 기존 철도차량의 자기조향 성능 한계를 극복할 수 있는 능동조향기술에 대한 연구 개발 및 실용화가 효율적일 것으로 판단된다.
자기조향성능을 향상시킨 개발한 시제차량을 대상으로 한 차량모델(Case 2)의 경우, 조향각 구현 성능은 Case 1에 비해선 향상되었지만 목표 조향각에는 크게 못 미치는 수준으로 평가되었다. 또한 수동형 차량으로 자기조향성능을 크게 향상시켰다고 하나 곡률반경이 심한 급곡선에선 성능의 한계를 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조향각이란 무엇인가?	조향각은 곡선구간 주행 시 대차 내에서 전후 윤축 간에 형성되는 각으로 정의된다.2 윤축 조향각이 클수록 윤축이 곡선의 곡률반경 중심에 부합하게 부채꼴 형상으로 정렬이 가능하여 원활한 곡선 주행이 가능하다.
	철도차량의 곡선주행 성능은 무엇을 포함하는가?	철도차량의 곡선주행 성능은 주행안전성 확보와 더불어 곡선구간을 차륜의 마모나 소음 발생 없이 원활히 주행할 수 있는 성능을 포함한다. 즉, 곡선구간 주행 시 윤축이 곡선구간의 곡률반경에 부합하게 윤축이 정렬할 수 있는 자기 조향성능이 요구된다.
	능동조향제어를 적용한 능동조향대차에 대한 연구개발이 활발히 진행되는 이유는 어떠한 한계를 극복하기 위함인가?	반면, 윤축의 조향각 구현 성능이 미흡할수록 차륜과 레일간에 공격각(angle of attack)이 크게 발생하고 이는 곡선구간 주행 시 차륜의 종방향, 횡방향으로 불필요한 힘을 발생시켜 차륜, 레일의 과도한 마모 및 소음 발생의 주요한 요인이 되고 있다.3,4 최근, 이러한 기존 철도차량의 곡선부 주행성능의 한계를 극복하기 위하여 능동조향(activ steering)제어를 적용한 능동조향대차에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (11)

JSME, "Dynamics of Railway Vehicle," Electronic Car Research Society, pp. 12-14, 1994.
Hur, H. M., Park, J. H., and Kim, N. P., "A Study on the Wheelset Steering Angle of the Rolling Stock," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 1541-1542, 2011.
Karl, P. and Werner, S., "System Dynamics and Long-Term Behaviour of Railway Vehicle, Track and Subgrade," Springer, pp. 38-45, 2002.
Vincent, N., Koch, J., Chollet, H., and Guerder, J., "Curve Squeal of Urban Rolling Stock - Part 1: State of the Art and Field Measurements," Journal of Sound and Vibration, Vol. 293, No. 3, pp. 691-700, 2006.

상세보기
Perez, J., Busturia, J., and Goodall, R., "Control Strategies for Active Steering of Bogie-Based Railway Vehicles," Control Engineering Practice, Vol. 10, No. 9, pp. 1005-1012, 2002.

상세보기
Mei, T. and Goodall, R., "Recent Development in Active Steering of Railway Vehicles," Vehicle System Dynamics, Vol. 39, No. 6, pp. 415-436, 2003.

상세보기
Hur, H. M., Yoo, W. H., Kim, M. S., and Kim, N. P., "Steering Performance Analysis on Practical Active Steering Control Strategy," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 1045-1046, 2010.
Hur, H.-M., Park, J.-H., and You, W.-H., "Curvature Estimation Method of Curve Section Using Relative Displacement between Body and Bogie of Rolling-Stock," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 36, No. 11, pp. 1479-1485, 2012.

원문보기 상세보기
Umehara, Y., Kamoshita, S., Ishiguri, K., and Yamanaga, Y., "Development of Electro-Hydraulic Actuator with Fail-Safe Function for Steering System," Quarterly Report of RTRI, Vol. 55, No. 3, pp. 131-137, 2014.

상세보기
Railway Technology, "Bombardier TWINDEXX Double-Deck Trains," http://www.railway-technology.com/projects/bombardier-twindexx-double-decktrains/ (Accessed 23 June 2015)
DCD, "DCD Rolling Stock Launches A World-First In Locomotive Steering," http://www.dcdjika.co.za/-PresOffice/tabid/452/articleType/ArticleView/articleId/169/DCD-Rolling-Stock-Launches-A-World-First-In-Locomotive-Steering.aspx (Accessed 23 June 2015)

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