[논문]고속열차 객차의 임계속도 향상에 관한 연구

전창성

doi:10.5762/kais.2016.17.12.603

고속열차 객차의 임계속도 향상에 관한 연구
A Study on Critical Speed Enhancement of High-speed Train Passenger Car 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.12, 2016년, pp.603 - 610

초록
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국내에 고속열차가 도입된 지 12년이 지났고, 국내기술로 개발된 KTX-산천도 운행한지 6년 정도 되었다. 호남선 고속철도의 개통으로 현재 국내 고속선로의 수송용량은 거의 포화상태가 되었고, 이에 따라 수송용량을 증대하기 위하여 열차의 운행속도를 높이는 연구 등 다양한 연구가 수행되고 있다. 본 연구는 그 중 일부로 KTX-산천 고속열차의 운행속도를 350km/h로 높이기 위하여 열차의 임계속도를 향상시키기 위해 수행되었다. KTX와 KTX-산천 영업운행 차량에서 측정된 차륜마모 데이터를 이용하여 KTX-산천 편성 모델에 대한 동역학해석을 수행하였고, KTX-산천 영업차량에서 측정된 진동가속도 측정결과와의 비교를 통하여 해석결과의 타당성을 검증하였다. 고속열차의 운행속도 향상을 위하여 열차의 임계속도 향상을 목표로 대차 주요 현가장치 파라미터에 대한 최적화 연구를 수행하였다. 민감도 분석을 통해 최적화를 위한 주요 현가장치 파라미터를 선정하였고, 반응표면분석법에 의해 2차 회귀 모형 함수를 추정하였다. 2차의 목적함수를 최소화시키는데 있어서 효율적인 성능을 발휘하는 SQP 방법을 사용하여 최적화를 수행한 결과 KTX-산천의 임계속도가 9.4%정도 증가함을 확인하였다. 최적화된 현가장치 파라미터는 KTX-산천 영업속도를 300km/h에서 350km/h로 향상시키기 위한 신규대차 설계 시 반영될 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Over 12 years have passed since the first commercial operation of a Korean high-speed train. Since then, the transport capacity of the high-speed lines has become almost saturated. Therefore, studies have been carried out to increase the operating speed of the trains in order to increase their transportation capacity. This study was carried out to improve the critical speed of the KTX-Sancheon, Korean high-speed train, in order to increase its operating speed. A dynamic analysis of the KTX-Sancheon train was performed using the contact data obtained from the wheel wear profiles that were measured from a KTX-Sancheon train in commercial operation. The analysis results were verified by comparing them with the measurement acceleration data obtained from KTX-Sancheon. The suspension parameters were optimized to improve the operation speed. The critical speed of KTX-Sancheon was increased by 9.4% after the optimization by the response surface method. The optimized suspension parameters are expected to be used for the new bogie design to increase the operating speed of KTX-Sancheon from 300km/h to 350km/h.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

주요 내용은 추진성능 및 효율향상 연구, 주행저항 저감을 위한 공력성능 개선, 주행안정성 확보를 위한 임계속도 향상에 관한 연구 등이다. 본 연구는 KTX-산천 차량 편성의 임계속도를 향상시켜 속도 향상 시 주행안정성을 확보하기 위해 진행된 연구의 일부이다.
본 연구는 KTX-산천 차량의 영업속도를 350km/h로 향상시키기 위한 연구의 일부로, KTX-산천 차량 편성의 임계속도를 향상시키기 위하여 수행되었다. KTX-산천 편성의 해석모델을 작성하고, 영업선에서 측정한 실궤도 불규칙도를 이용하여 동역학해석을 수행하였다.
본 연구에서는 KTX-산천 객차의 주행안정성과 승차감 향상을 위하여 KTX-산천 해석모델을 작성하고 실궤도 불규칙도를 이용한 해석을 수행하였다. 이를 영업운행 열차에서 측정한 진동가속도와 비교하여 해석의 정확도를 검증하였다.
영업운행 차량에서 측정된 차륜마모데이터를 이용하여 KTX-산천 객차대차의 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였는데, 2차 요댐퍼 x방향 시리즈 강성, 안티롤바 x(T)방향 강성, 1차 탄성조인트 x방향 강성, 2차 요댐퍼 x방향 댐핑계수 순으로 임계속도에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이 설계변수들과 반응표면 분석법을 이용한 최적화를 통하여 임계속도를 향상시킬 수 있는 현가장치 설계 파라미터를 제시하였다. 최적화 결과 임계속도가 초기상태보다 9.

가설 설정

차량이 Fig. 3(b)와 같이 안정되는지 또는 불안정해지는지에 따라 임계속도가 결정된다. Fig.

제안 방법

KTX-산천 편성모델의 임계속도를 향상시키기 위하여 객차대차 주요 현가장치 파라미터에 대한 최적화를 실시하였다. 2수준 요인 실험을 이용한 민감도 분석 방법의 하나로 실험 횟수를 획기적으로 줄인 PlackettBurman design[10]을 이용하여 실험계획 수립 및 해석을 수행하였다.
본 연구는 KTX-산천 차량의 영업속도를 350km/h로 향상시키기 위한 연구의 일부로, KTX-산천 차량 편성의 임계속도를 향상시키기 위하여 수행되었다. KTX-산천 편성의 해석모델을 작성하고, 영업선에서 측정한 실궤도 불규칙도를 이용하여 동역학해석을 수행하였다. 이 해석 결과를 영업운행 열차에서 측정한 진동가속도 값과 비교하여 해석의 정확도를 검증하였다.
이를 영업운행 열차에서 측정한 진동가속도와 비교하여 해석의 정확도를 검증하였다. 또한 고속열차의 임계속도에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구를 수행하였고, 최적화를 통하여 임계속도를 향상시키는 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 철도차량 동역학해석 프로그램인 VAMPIRE[6]를 이용하여 Fig. 1과 같이 KTX-산천 10량 1편성을 모델링하였다. KTX-산천에 사용된 대차는 동력대차, 단부대차, 객차대차 등 3종류이며, 이 중 객차에 사용된 단부대차와 객차대차를 Fig.
영업 운행중인 KTX 및 KTX-산천 고속열차의 XP55차륜의 주행거리에 따라 측정된 휠프로파일을 이용하여[5], KTX-산천 동력차와 편성 모델에 대한 임계속도 해석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 누적 주행거리가 늘어남에 따라 차륜은 마모되고 차륜답면구 배(Conicity)는 증가한다.
Table 2의 실험결과를 조합하여 반응표면분석법(Response surface analysis)[12]에 의해 2차 회귀 모형 함수를 추정하였고, 최적화를 위해 목적함수와 구속조건을 다시 정리하면 식 (2)와 같다. 이 때 목적함수는 차량 임계속도의 최대화이기 때문에 본 문제를 최소화 문제로 변환하기 위하여 회귀 모형 함수에 음의 값을 취하여 주었다. 식 (2)의 설계변수 각각에 대한 설명은 Table 1에 나타나 있다.
본 연구에서는 KTX-산천 객차의 주행안정성과 승차감 향상을 위하여 KTX-산천 해석모델을 작성하고 실궤도 불규칙도를 이용한 해석을 수행하였다. 이를 영업운행 열차에서 측정한 진동가속도와 비교하여 해석의 정확도를 검증하였다. 또한 고속열차의 임계속도에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구를 수행하였고, 최적화를 통하여 임계속도를 향상시키는 방안을 제시하였다.
최소값을 찾는 알고리즘을 구성하는데 있어 본 연구에서는 n개의 독립변수로 구성된 2차의 목적함수를 최소화시키는데 있어서 효율적인 성능을 발휘하는 SQP (Sequential quadratic programming)방법[13]을 사용하여 목적 함수를 최소화시키는 설계 변수 값을 도출하였고, 이를 Table 3에 나타내었다. 최적화 결과 차륜답면구배 0.
2차 요댐퍼 x방향 시리즈 강성(x₆), 안티롤바 x(T)방향 강성(x₇), 1차 탄성조인트 x방향 강성(x₁), 2차 요댐퍼 x방향 댐핑계수(x₅) 순으로 민감도가 큰 것을 알 수 있다. 최적화를 위해 민감도 분석에서 영향이 큰 앞의 4개 변수를 이용하여, 마모된 차륜일 때의 임계속도를 향상시키기 위하여 차륜답면구배 0.187의 마모된 차륜에 대해 최적설계를 수행하였다. 4개의 설계변수에 대한 중심합성실험계획표(Central composite design table)[11]와 각 실험에 대한 임계속도 해석 결과를 Table 2 에 나타내었다.
해석결과와 시험결과를 비교하기 위하여 대전-광명구간의 실궤도에서 측정된 궤도 불규칙도를 이용하여 해석을 수행하였다. 한국철도공사의 협조로 궤도검측차 (EM-120)로 검측된 궤도 불규칙 자료를 변환하여 실궤도 불규칙 데이터를 생성하였다[8, 9].
해석의 정확도를 검증하기 위하여 KTX-산천 영업열차의 운전실과 객실에서 측정한 가속도값과 해석결과를 비교하는 연구를 수행하였다. 측정은 한국철도공사의 협조를 얻어 Fig.

대상 데이터

1과 같이 KTX-산천 10량 1편성을 모델링하였다. KTX-산천에 사용된 대차는 동력대차, 단부대차, 객차대차 등 3종류이며, 이 중 객차에 사용된 단부대차와 객차대차를 Fig. 2에 나타내었으며, 현가장치 물성치는 제조사에서 제공한 값을 사용하였다. 궤도모델은 Fig.
먼저 차량의 주요 구성요소 중 상대적으로 중요한 것으로 판단되는 10개의 변수를 선정하고, 이를 Table 1에 정리하였다. 이 변수들을 이용하여 민감도 분석을 실시하였으며, 목적함수는 차량의 임계속도로 선정하였다. Table 1은 차량의 성능향상을 위해 필요한 설계변수의 수준 및 값들을 보여준다.
해석의 정확도를 검증하기 위하여 KTX-산천 영업열차의 운전실과 객실에서 측정한 가속도값과 해석결과를 비교하는 연구를 수행하였다. 측정은 한국철도공사의 협조를 얻어 Fig. 5와 같이 경부고속철도 대전-광명 구간을 운행중인 KTX-산천 영업열차의 전후부 운전실과 중간, 후미객차의 차체 바닥에 가속도계(PCB Piezotronics 사의 Model 3711D1FA3G)를 좌우방향과 상하방향으로 설치하여 데이터를 획득하였다. 측정된 데이터의 분석은 National Instrument사의 DIAdem 프로그램[7]을 이용하였다.
해석결과와 시험결과를 비교하기 위하여 대전-광명구간의 실궤도에서 측정된 궤도 불규칙도를 이용하여 해석을 수행하였다. 한국철도공사의 협조로 궤도검측차 (EM-120)로 검측된 궤도 불규칙 자료를 변환하여 실궤도 불규칙 데이터를 생성하였다[8, 9].

데이터처리

KTX-산천 편성의 해석모델을 작성하고, 영업선에서 측정한 실궤도 불규칙도를 이용하여 동역학해석을 수행하였다. 이 해석 결과를 영업운행 열차에서 측정한 진동가속도 값과 비교하여 해석의 정확도를 검증하였다.
5와 같이 경부고속철도 대전-광명 구간을 운행중인 KTX-산천 영업열차의 전후부 운전실과 중간, 후미객차의 차체 바닥에 가속도계(PCB Piezotronics 사의 Model 3711D1FA3G)를 좌우방향과 상하방향으로 설치하여 데이터를 획득하였다. 측정된 데이터의 분석은 National Instrument사의 DIAdem 프로그램[7]을 이용하였다. 측정된 운전실과 객실의 차체 횡방향 및 상하방향 가속도에 0.

이론/모형

KTX-산천 편성모델의 임계속도를 향상시키기 위하여 객차대차 주요 현가장치 파라미터에 대한 최적화를 실시하였다. 2수준 요인 실험을 이용한 민감도 분석 방법의 하나로 실험 횟수를 획기적으로 줄인 PlackettBurman design[10]을 이용하여 실험계획 수립 및 해석을 수행하였다. 먼저 차량의 주요 구성요소 중 상대적으로 중요한 것으로 판단되는 10개의 변수를 선정하고, 이를 Table 1에 정리하였다.
표에서 Current는 현재에 사용하고 있는 값을 나타내며, Min과 Max는 각각 설계변수들의 하한값 및 상한값을 의미한다. Table 1의 설계변수를 이용하여 Plackett-Burman design에 의한 실험계획 및 해석을 수행하여 반응함수식을 식 (1)과 같이 구하였다. 식 (1)의 설계변수 각각에 대한 설명은 Table 1에 나타나 있다.
4개의 설계변수에 대한 중심합성실험계획표(Central composite design table)[11]와 각 실험에 대한 임계속도 해석 결과를 Table 2 에 나타내었다. Table 2의 실험결과를 조합하여 반응표면분석법(Response surface analysis)[12]에 의해 2차 회귀 모형 함수를 추정하였고, 최적화를 위해 목적함수와 구속조건을 다시 정리하면 식 (2)와 같다. 이 때 목적함수는 차량 임계속도의 최대화이기 때문에 본 문제를 최소화 문제로 변환하기 위하여 회귀 모형 함수에 음의 값을 취하여 주었다.

성능/효과

Hur[4]등은 전동차 차륜에 대한 마모 특성과 차륜의 마모가 차량 진동특성에 미치는 영향을 분석하였는데, 차륜 삭정 후 주행 초기(30,000km 이하)에는 차륜 치수 및 등가답면구배 변화가 심한 직립 마모 특성을 보이고 있음을 확인하였다. 또한 누적주행거리가 증가함에 따라 차륜의 마모가 진전되고 그에 따른 차체의 진동 수준은 증가하는 경향을 보이고 있음을 확인하였다.
본 연구에 이용된 차륜마모 형상 측정에 관한 내용은 저자 등의 다른 연구에서 발표하였는데, Jeon[5]등은 KTX 와 KTX-산천 차량의 주행거리에 따른 차륜마모형상을 측정하였고, 누적주행거리에 따라 차륜답면구배(Conicity)는 증가함을 확인하였다. 또한 차륜마모데이터를 이용하여 KTX-산천 동력차의 임계속도 향상을 위한 연구를 수행하였는데, 최적화 결과 동력차의 임계속도는 34.1% 향상되었다.
영업운행 차량에서 측정된 차륜마모데이터를 이용하여 KTX-산천 객차대차의 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였는데, 2차 요댐퍼 x방향 시리즈 강성, 안티롤바 x(T)방향 강성, 1차 탄성조인트 x방향 강성, 2차 요댐퍼 x방향 댐핑계수 순으로 임계속도에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이 설계변수들과 반응표면 분석법을 이용한 최적화를 통하여 임계속도를 향상시킬 수 있는 현가장치 설계 파라미터를 제시하였다.
이 설계변수들과 반응표면 분석법을 이용한 최적화를 통하여 임계속도를 향상시킬 수 있는 현가장치 설계 파라미터를 제시하였다. 최적화 결과 임계속도가 초기상태보다 9.4% 정도 증가함을 확인하였다. 최적화된 현가장치 설계 파라미터는 KTX-산천 영업속도를 350km/h로 향상시키기 위한 신규대차 설계 시 반영될 예정이다.

후속연구

4% 정도 증가함을 확인하였다. 최적화된 현가장치 설계 파라미터는 KTX-산천 영업속도를 350km/h로 향상시키기 위한 신규대차 설계 시 반영될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도 차량의 사행동은 무엇인가?	차륜의 답면구배에 의한 자기조향 기능은 윤축에 좌우방향의 운동을 일으키는 원인이 되며, 심할 경우 경우 사행동을 일으키게 된다. 철도 차량의 사행동은 공진현상 중 하나로 주로 직선부를 고속으로 주행할 경우 차체나 대차, 차축들이 연직축 둘레방향으로 회전진동을 일으키는 현상이며, 궤도나 차체에 손상을 준다. 사행동이 일어날 때의 속도를 임계속도(Critical speed)라 한다[1].
	국가연구개발사업으로 진행되고 있는 차량의 핵심부품 개선에 관한 연구의 주요 내용은 무엇인가?	그 중 하나로 300km/h인 KTX-산천 차량의 영업속도를 350km/h 로 향상시키기 위한 차량의 핵심부품 개선에 관한 연구가 국가연구개발사업으로 진행되고 있다. 주요 내용은 추진성능 및 효율향상 연구, 주행저항 저감을 위한 공력성능 개선, 주행안정성 확보를 위한 임계속도 향상에 관한 연구 등이다. 본 연구는 KTX-산천 차량 편성의 임계속도를 향상시켜 속도 향상 시 주행안정성을 확보하기 위해 진행된 연구의 일부이다.
	크리피지와 크립력이란 무엇인가?	이 접촉면에 형성된 점착력에 의해 열차는 움직이게 된다. 열차의 진행방향으로 힘이 작용할 때(추진 또는 제동) 접촉면의 접선속도와 열차의 속도는 차이가 발생하며, 이 비율을 크리피지(Longitudinal creepage)라고 하고, 이때 나타나는 힘을 크립력(Creep force)이라 한다. 이때 좌우방향으로도 힘이 작용하게 되며, 이는 열차의사행동을 일으키는 힘이라고 할 수 있다.

참고문헌 (13)

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H.M. Hur, W.H. You, "A Study on the Wear Characteristics of Wheel Profile for High Speed Rolling-Stock," Journal of the Korean Society for Railway, vol. 8, no. 5, pp. 477-482, 2005.
H.M. Hur, J.H. Park, W.H. You et al., "An Analysis on the Influence of Wheel Flange Wear on the Vibration of EMU," Journal of the Korean Society for Railway, vol. 12, no. 2, pp. 230-235, 2009.
C.S. Jeon, H.S. Cho, C.S. Park, S.W. Kim and T.W. Park, "Critical speed enhancement of a Korean high-speed train through optimization with measured wheel profiles," Proc IMechE Part F : J Rail and Rapid Transit(OnlineFirst), 2016. http://pif.sagepub.com/content/early/recent (August 2, 2016) DOI: http://dx.doi.org/10.1177/0954409716662091

상세보기
DeltaRail Group Limited, VAMPIRE Pro V6.20 Users' Manual, 2013.
National Instruments, DIAdem Users' Manual, 2013.
W.J. Chung, Y.S. Ham, "Investigation of the Track Irregularities Reconstruction Methods," Key Engineering Materials, pp. 1659-1664, 2004. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.270-273.1659

상세보기
W.J. Chung, K.I. Han, "A Basic Investigation for Reconstruction Profile of Track Irregularities Measured by Chord Method," Proceedings of the Korean Society for Railway Autumn Conference, pp. 1086-1903, 2002.
R.L. Plackett, J.P. Burman, "The Design of Optimum Multifactorial Experiments," Biometrika, vol. 33, no. 4, pp. 305-325, 1946. DOI: https://doi.org/10.1093/biomet/33.4.305

상세보기
S.H. Park, Design of Experiments. Minyoung Publishing Co., 2009.
R.H. Myers, D.C. Montgomery. Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. John Wiley & Sons, Inc. 1995.
S.S. Rao. Engineering Optimization: Theory and Practice. John Wiley & Sons, Inc. 1996.

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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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