[논문]자기부상열차와 가이드웨이 상호작용을 고려한 가이드웨이 구조물의 진동사용성 처짐 한계

이진호; 김성일

doi:10.7782/jksr.2017.20.1.111

자기부상열차와 가이드웨이 상호작용을 고려한 가이드웨이 구조물의 진동사용성 처짐 한계
Deflection Limits based on the Vibration Serviceability of Guideway Structures Considering Maglev Train-Guideway Interaction 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.20 no.1 = no.98, 2017년, pp.111 - 119

이진호 (Pukyong National University) , 김성일 (Korea Railroad Research Institute)

초록
AI-Helper

이 연구에서는 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려하여 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐한계를 제안한다. 간략화된 자기부상철도 시스템의 운동방정식을 유도하고, 자기부상력 제어를 위한 되먹임 상수가 부상공극의 변동량이 최소가 되도록 최적화한다. 이 시스템에 대하여 자기부상열차의 운행속도, 가이드웨이 경간장, 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가며, 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도에 대한 사용성 기준을 만족하는 가이드웨이의 처짐한계를 조사한다. 해석 결과로부터 자기부상열차의 2차 현가장치에 대한 요구 조건과 가이드웨이 구조물이 만족시켜야 하는 처짐한계를 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, deflection limits based on the vibration serviceability of guideway structures are proposed considering maglev train-guideway interaction. Equations of motion are derived for a simplified maglev railway. Feedback constants for the control of the electromagnetic force for levitation are optimized in order to minimize the airgap fluctuations. Deflection limits for a guideway are calculated for various operating speeds of a maglev train, span lengths of a guideway, and natural frequencies and damping ratios of the second suspension in order to satisfy the serviceability criteria for airgaps and for the vertical acceleration of a cabin. From the analysis results, proposed are requirements for the second suspension of maglev trains and deflection limits for guideway structures.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

2장에서 서술한 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려한 해석기법을 사용하여 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐한계를 산정하는 방법에 대해 서술하고자 한다.
이 연구에서는 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐 한계를 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려하여 제안하고자 한다. 2차 현가장치로 연결된 2개의 질량으로 근사한 자기부상열차가 단순보로 모사한 가이드웨이 구조물을 운행할 때, 자기부상열차의 운행속도, 가이드웨이 경간장, 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가며, 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도가 사용성 기준을 만족하도록 하는 가이드웨이의 처짐한계를 조사하고자 한다. 이를 위한 논문의 구성은 다음과 같다.
이 연구에서는 Fig. 1과 같이 간략화된 자기부상열차-가이드웨이 상호작용계를 고려하고자 한다. 차량은 속도 V로 이동하고, 시간 t에서 x_c(t)의 위치에 존재한다.
이 연구에서는 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려하여 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐 한계를 제안하였다. 간략화된 자기부상철도 시스템의 운동방정식을 유도하고, 자기부상력 제어를 위한 되먹임 상수가 부상공극의 변동량이 최소가 되도록 최적화하여 결정하였다.
이 연구에서는 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐 한계를 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려하여 제안하고자 한다. 2차 현가장치로 연결된 2개의 질량으로 근사한 자기부상열차가 단순보로 모사한 가이드웨이 구조물을 운행할 때, 자기부상열차의 운행속도, 가이드웨이 경간장, 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가며, 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도가 사용성 기준을 만족하도록 하는 가이드웨이의 처짐한계를 조사하고자 한다.
이 연구에서는 진동사용성을 확보하기 위해 만족시켜야 하는 기준으로 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도에 관한 기준을 고려한다. 즉, 자기부상열차의 부상을 안정적으로 유지할 수 있도록 식 (2) ~ (5)의 지배방정식으로부터 얻은 부상공극 크기의 변동량이 ±3mm 이내가 되도록 한다.
이에 이 연구에서는 자기부상열차 2차 현가장치의 고유진동수 ωn을 1Hz 이하로, 감쇠비 ξ는 0.3 이상으로 설정하는 것을 제안하고자 한다.

제안 방법

Lee 등[8]은 Linear Quadratic Gaussian 능동 제어기를 이용하는 자기부상열차와 가이드웨이 교량의 동적상호작용 해석을 수행하여 그 거동 특성을 분석하였다. Yau는 지진하중과 풍하중이 작용하는 자기부상열차-가이드웨이 상호작용 시스템의 동해석을 수행하였다[9,10]. Lee와 Kim은 최적화된 가속도 되먹임 기반 부상공극제어기법을 이용하여 자기부상철도 시스템의 동해석을 수행하였고 그 동적 거동 특성을 조사하였다[11].
이 연구에서는 자기부상열차-가이드웨이 상호작용을 고려하여 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 진동사용성을 고려한 처짐 한계를 제안하였다. 간략화된 자기부상철도 시스템의 운동방정식을 유도하고, 자기부상력 제어를 위한 되먹임 상수가 부상공극의 변동량이 최소가 되도록 최적화하여 결정하였다. 이 시스템에 대하여 자기부상열차의 운행속도, 가이드웨이 경간장, 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가며, 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도에 대한 사용성 기준을 만족하는 가이드웨이의 처짐한계를 조사하였다.
간략화된 자기부상철도 시스템의 운동방정식을 유도하고, 자기부상력 제어를 위한 되먹임 상수가 부상공극의 변동량이 최소가 되도록 최적화하여 결정하였다. 이 시스템에 대하여 자기부상열차의 운행속도, 가이드웨이 경간장, 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가며, 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도에 대한 사용성 기준을 만족하는 가이드웨이의 처짐한계를 조사하였다.
이 연구에서는 가이드웨이 구조물의 경간장 L과 경간장/처짐비 Rδ를 다음과 같이 변화시켜 가며 처짐한계를 조사한다.
이 연구에서는 다양한 자기부상철도 시스템에 대하여 가이드웨이의 휨강성 EI을 변화시켜가며 식 (6)과 식 (7)의 기준을 만족하는지를 조사한다. 단, 이 과정에서 다음의 목적함수가 최소값을 가지도록 식 (1)의 부상공극 제어기법의 되먹임 상수 k₁, k₂, k₃, k₄, k₅을 최적화하여 지배방정식 (2) ~ (5)의 해를 얻는다.
3의 값을 가진다[18]. 이 연구에서는 이 값을 기준으로 다음과 같이 2차 현가장치의 고유진동수와 감쇠비를 변화시켜 가면 처짐한계를 조사한다.
이러한 사실에 근거하여, 이 연구에서는 ISO 2631의 ‘불편함(uncomfortable)’을 기준으로 연직가속도에 대한 허용기준을 제시하였다.
하지만 자기부상열차의 부상공극과 차체 가속도에 대한 차량과 가이드웨이의 질량비의 영향은 그리 크지 않다[11]. 즉, 가이드웨이 단위 길이 당 질량의 변동이 식 (6)과 (7)의 판정 기준에 미치는 영향은 미미할 것이고, 이에 기반하여 이 연구에서는 가이드웨이 구조물의 단위 길이 당 질량 m = 177.2kg/m로 설정하여 매개변수 해석을 수행한다. 가이드웨이 구조물의 감쇠비의 값은 0.
즉, 이 연구에서는 최적화된 부상공극 제어기법의 되먹임 상수를 이용하여 식 (7)의 진동사용성 기준을 만족하는 가이드웨이구조물의 처짐한계를 산정하고자 한다.

대상 데이터

이 질량은 인천공항 자기부상열차의 만차 질량으로부터 결정한 값이다[17]. Fig. 3에 보인 바와 같이 인천공항 자기부상열차는 2량 1편성으로 구성되어 있는데, 1량의 만차 질량은 28,352kg이고 질량 2000kg의 대차 4개와 차체로 구성되어 있다. 또한, 1개의 대차에는 4쌍의 부상전자석이 설치되어 있다.

성능/효과

(1) 자기부상열차 2차 현가장치의 고유진동수 f_n은 1Hz 이하가 되어야 한다.

후속연구

이 연구에서 산정한 Table 2의 처짐한계는 이 기준보다는 완화된 값이지만, 앞에서 설명한 바와 같이 자기부상철도 시스템의 동적 거동을 엄밀히 고려하여 산정한 좀 더 정밀한 기준이라고 할 수 있다. 완화된 Table 2의 처짐 한계를 적용하면 기존의 구조물보다는 좀 더 경제적인 가이드웨이 구조물의 설계가 가능해 질 것이다.
사용성을 확보하기 위해 만족시켜야 하는 기준으로 주요한 것은 부상공극의 크기와 차체의 연직가속도에 관한 기준을 들 수 있을 것이다. 자기부상열차의 부상을 안정적으로 유지할 수 있도록 부상공극의 크기가 허용 최소치 이상이 되어야 할 것이고, 승객에게 편안한 승차감을 제공하기 위하여 차체의 연직가속도가 허용 최대치 이하가 되어야 할 것이다. 그런데, 앞에서 언급한 바와 같이, 자기부상열차의 부상공극의 크기와 차체 연직가속도는 자기부상열차와 가이드웨이 간의 상호작용에 의해서 크게 영향을 받게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도는 어떤 장점을 가진 교통 수단인가?	산업혁명 이후로 철도는 인적, 물적 자원 수송을 위한 주요한 교통 수단으로 자리매김하여 왔다. 철도는 교통 체증의 영향을 받지 않기 때문에 언제 어디서나 신속한 인적, 물적 자원의 운송이 가능하고, 탄소 배출량의 최소화가 가능한 친환경적이고 미래 지향적인 교통 수단이라고 할 수 있다. 이와 같은 장점으로 인해 전세계적으로 다양한 고속철도, 도시철도, 광역철도 시스템이 개발되어 운행되고 있다.
	자기부상열차는 어떤 힘에 의해 부상하는가?	자기부상열차는 대차에 설치된 전자석의 전자기력에 의해 부상을 하게 된다. 이 전자기력은 부상공극의 크기에 따라 제어되고, 이를 통하여 차량의 부상을 유지하고 운동 상태가 결정되게 된다.
	본 논문에서 자기부상철도 시스템에 제안한 요구조건은 무엇인가?	(1) 자기부상열차 2차 현가장치의 고유진동수 fn은 1Hz 이하가 되어야 한다. (2) 자기부상열차 2차 현가장치의 감쇠비 ξ는 0.30 이상이 되어야 한다. (3) 가이드웨이 구조물은 Table 2의 처짐한계를 만족시켜야 한다.

참고문헌 (19)

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상세보기
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Korea Rail Network Authority (2013) Railway Design Code.

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