본 연구는 고속열차 시운전 시험과 이에 따른 주행동특성 고찰 및 개선에 관한 것이다. 고속열차 시운전 시험을 통한 선행 연구에서 도출한 요댐퍼 설치 방법에 따른 후미 진동 개선 방안을 실제 고속철도 차량의 시운전시에 적용하여 후미 진동 저감 효과가 있음을 확인하였다. 또한 전체 차량에 대한 진동저감 방안을 동역학 해석 소프트웨어를 사용하여 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 효과를 시운전 시험을 통하여 확인하였다. 개선된 설계안은 실제 2층 고속열차 객차에 적용되어 주행동특성 문제없이 시운전을 진행하였다. 차세대 고속열차 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 임계속도에 크게 영향을 미치는 4개의 설계변수를 도출하였는데, 이는 1차 탄성조인트 열차진행 방향 강성, 2차 요댐퍼 시리즈 강성, 2차 횡댐퍼 댐핑계수, 차간 댐퍼 댐핑계수 순이었다. 이 설계변수에 대한 최적화를 통하여 임계속도를 23.3% 향상시키는 현가장치 파라미터를 제시하였으며, 이는 차세대 고속열차 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
본 연구는 고속열차 시운전 시험과 이에 따른 주행동특성 고찰 및 개선에 관한 것이다. 고속열차 시운전 시험을 통한 선행 연구에서 도출한 요댐퍼 설치 방법에 따른 후미 진동 개선 방안을 실제 고속철도 차량의 시운전시에 적용하여 후미 진동 저감 효과가 있음을 확인하였다. 또한 전체 차량에 대한 진동저감 방안을 동역학 해석 소프트웨어를 사용하여 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 효과를 시운전 시험을 통하여 확인하였다. 개선된 설계안은 실제 2층 고속열차 객차에 적용되어 주행동특성 문제없이 시운전을 진행하였다. 차세대 고속열차 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 임계속도에 크게 영향을 미치는 4개의 설계변수를 도출하였는데, 이는 1차 탄성조인트 열차진행 방향 강성, 2차 요댐퍼 시리즈 강성, 2차 횡댐퍼 댐핑계수, 차간 댐퍼 댐핑계수 순이었다. 이 설계변수에 대한 최적화를 통하여 임계속도를 23.3% 향상시키는 현가장치 파라미터를 제시하였으며, 이는 차세대 고속열차 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
This paper describes the dynamic behavior and enhancement of Korean high-speed trains. The tail vibration reduction method of the yaw damper installation method change, which was derived from previous research, was applied to the running test of high-speed train. In addition, the vibration reduction...
This paper describes the dynamic behavior and enhancement of Korean high-speed trains. The tail vibration reduction method of the yaw damper installation method change, which was derived from previous research, was applied to the running test of high-speed train. In addition, the vibration reduction method for the entire vehicle was derived by a numerical method and its effect was confirmed by a running test. The improved design was applied to the double-deck high-speed train coaches and the commissioning proceeded without problems in dynamic behavior. Sensitivity analysis of the suspension parameters affecting the critical speed of Korean next-generation high-speed trains was performed and four design variables that greatly affected the critical speed were derived. These were in the order of the primary elastic joint x-directional stiffness, the secondary yaw damper series stiffness, the secondary lateral damper damping coefficient, and the carbody damper damping coefficient. By optimizing the design variables, the suspension parameter that improves the critical speed by 23.3% can be used in the commercial designs of Korean next-generation high-speed trains.
This paper describes the dynamic behavior and enhancement of Korean high-speed trains. The tail vibration reduction method of the yaw damper installation method change, which was derived from previous research, was applied to the running test of high-speed train. In addition, the vibration reduction method for the entire vehicle was derived by a numerical method and its effect was confirmed by a running test. The improved design was applied to the double-deck high-speed train coaches and the commissioning proceeded without problems in dynamic behavior. Sensitivity analysis of the suspension parameters affecting the critical speed of Korean next-generation high-speed trains was performed and four design variables that greatly affected the critical speed were derived. These were in the order of the primary elastic joint x-directional stiffness, the secondary yaw damper series stiffness, the secondary lateral damper damping coefficient, and the carbody damper damping coefficient. By optimizing the design variables, the suspension parameter that improves the critical speed by 23.3% can be used in the commercial designs of Korean next-generation high-speed trains.
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문제 정의
본 연구에서는 선행연구[9]에서 제안한 방법을 실제 적용한 시운전 시험결과에 대해 검토하고, 후미진동 뿐만 아니라 전체 차량의 진동수준을 분석하고, 이를 향상시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 또한 향후 상용화 모델에 적용할 수 있도록 현가장치 최적화를 통하여 임계속도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
본 연구는 고속열차 주행동특성을 개선하기 위하여 진행되었다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 선행연구[9]에서 제안한 방법을 실제 적용한 시운전 시험결과에 대해 검토하고, 후미진동 뿐만 아니라 전체 차량의 진동수준을 분석하고, 이를 향상시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 또한 향후 상용화 모델에 적용할 수 있도록 현가장치 최적화를 통하여 임계속도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
제안 방법
임계속도를 향상시키면 누적주행거리에 따른 차륜 마모시에도 주행안정성을 유지할 수 있다. HEMU-430X의 임계속도를 더 향상시키기 위하여 현가장치 파라미터 최적화를 실시하였다. 이는 상용화 모델 설계에 이용될 수 있으며, 최적화 방법론은 이전 연구[12]에서 사용된 방법을 적용하였다.
또한 전체차량에 대한 진동저감 방안을 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 중 일부의 효과를 시운전을 통하여 확인하였다. 개선된 설계 방안은 실제 2층 고속열차 객차에 적용되어 주행동특성 문제없이 시운전을 진행하였다.
Park[4]등은 HEMU-430X를 400km/h로 시험주행 가능하게 하기 위하여 468km/h 속도 대역에서의 동적거동 및 안정성을 분석하였다. 또한 2차 현가장치의 비선형 특성치를 고려하여 곡선 주행시의 가속도를 최소화할 수 있는 설계 특성을 도출하였다. Sim[5]등은 HEMU-430X의 차량-궤도안전성을 UIC CODE 518 OR[6]에 따라 평가하였는데, 최고속도에서 탈선계수와 횡압이 기준을 만족하는 것을 확인하였다.
선행연구를 통하여 도출한 요댐퍼 설치 방법에 따른 후미진동 개선안을 실제 차량의 시운전시에 적용하여 후미 진동저감 효과가 있음을 확인하였다. 또한 전체차량에 대한 진동저감 방안을 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 중 일부의 효과를 시운전을 통하여 확인하였다. 개선된 설계 방안은 실제 2층 고속열차 객차에 적용되어 주행동특성 문제없이 시운전을 진행하였다.
본 연구에서 요댐퍼 설치각도 β = 0° 로 만들기 위하여 MC 차량의 대차에 설치하는 요댐퍼 브라켓을 재설계하여 Fig. 3과 같이 차량에 설치하였다.
Jeon[7]등은 HEMU- 430X의 시운전을 진행하기 전 동역학 해석 소프트웨어인 VAMPIRE[8]를 이용한 수치해석을 통하여 전두부 유선형 형상유지를 위하여 설치된 한방향 요댐퍼 때문에 후미진동이 예상되었고, 이를 해결하기 위한 다양한 방안을 제시하였다. 실제 시운전시 150km/h 속도에서 후미진동이 발생하였고, 요댐퍼를 양방향으로 바꾸었을 때 후미진동이 사라지고 300km/h까지 시운전을 진행하였다. Jeon[9]등은 HEMU-430X 증속 시운전시험 시의 주행거동에 대해 EN 14363[10]에 따라 평가하였으며, 안전성 기준을 만족함을 확인하였다.
민감도 해석 결과 1차 탄성조인트 x방향 강성 (x1), 2차 요댐퍼 시리즈 강성(x6), 2차 횡댐퍼 댐핑 계수 (x4), 차간 댐퍼 댐핑계수(x8) 순으로 민감도가 큰 것을 알 수 있다. 앞의 민감도 분석에서 영향이 큰 상위 4개인자에 대해 차륜 마모상태일 때의 임계속도를 향상시키 기 위하여 마모된 S1002 차륜프로파일을 이용하여 최적 설계를 수행하였다. 4개의 설계변수에 대한 중심합성 실험 계획표[14]와 반응표면 분석법[15]에 의해 2차 회귀 모형 함수를 추정하였으며, Sequential Quadratic Programming(SQP) 방법[16]을 사용하여 목적 함수를 최소화시키는 설계 변수 값을 도출하였고 이를 Fig.
참고문헌[11]에서 차체헌팅을 피하기 위해서는 차체와 대차를 연결하는 횡방향 강성(Lateral stiffness)과 감쇄력(Lateral damping)이 너무 과하지 않게 설정되어야 한다고 하였다. 이 부분에 착안하여 HEMU-430X의 횡방향 감쇄력을 고려하였다. HEMU-430X는 차체의 폭이 대차의 폭보다 넓기 때문에 요댐퍼를 Fig.
이상의 연구결과는 Fig. 10과 같이 실제 2층 고속열차 객차 2량의 설계에 반영되어 전체 8량 차량 중에서 2층 고속열차 객차 2량의 요댐퍼 4개를 설치각도 β = 0° 로 설치하였다.
이에 요댐퍼 설치각도 β = 0° 로 바꾸면 임계속도(Critical speed)가 상승하여 후미진동이 저감될 수 있음을 이전 연구[9]에서 해석적 방법으로 보였고, 그 이유를 동역학적으로 고찰하였다.
이후 HEMU-430X 6량(전체 요댐퍼 4개 및 TC~M4 : β = 7.35°, MC : β = 0°)에 2층 고속열차 객차 2량을 추가한 8량 1편성 차량(TC-M1-M2-DT1 (Double Deck Trailer 1)-DT2-M3-M4-MC)은 300km/h 속도까지 차체 횡방향가속도에 문제없이 시운전을 진행하였다.
해석을 통하여 휠 프로파일을 XP55(1/20)으로 바꾸었을 때 철도차량이 불안정해지는 임계속도가 S1002보다 더 높게 예측되어 차량에 적용하였으나, 큰 효과가 없었다. 이후 과도한 횡방향 감쇄력이 임계속도를 저하시키는 것으로 예상되어, MC 차량의 요댐퍼 제거(Fig. 4의 Removal of 4 MC yaw damper) 및 설치각도를 조정하는 연구를 수행하였다(Fig. 4의 XP55 wheel). MC 차량의 요댐퍼 개수는 4개, 설치각도 β = 0°일 때 후미진동 발생속도는 서서히 증가하다가 MC, M4차량 중점검 및 대차 재조립 (Reassemble of MC-M4)이후 300km/h 속도에서 후미진동이 사라졌다.
대상 데이터
1과 같이 TC(Tailer Controlled, 운전실이 있는 제어 객차)+4M(Motor Car, 동력객차, M1∼ M4)+MC(Motor Car Controlled, 운전실이 있는 동력차)로 구성되어 있다. 대차는 제어객차(TC)용 부수대차 (Tailer Bogie) 2대, 동력객차 및 제어동력차(M, MC)용 동력대차(Motor Bogie) 10대로 이루어진다.
시운전은 호남고속철도 상행선 광주송정역∼오송역 구간에서 최고속도 300∼350km/h로 진행되었다.
6과 같이 VAMPIRE[8]에서 제공하는 고속선에서 많이 사용하는 직선 15km 구간(ERRI_Low)의 불규칙도를 이용하였다. 차륜 프로파일은 HEMU-430X 12번 대차에서 삭정 후 37,370km 주행한 마모된 XP55(1/20) 프로파일을, 선로 프로파일은 경부고속철도 상행 KP(Kilometer Point) 38.4지점에서 측정된 값을 이용하였다.
이론/모형
앞의 민감도 분석에서 영향이 큰 상위 4개인자에 대해 차륜 마모상태일 때의 임계속도를 향상시키 기 위하여 마모된 S1002 차륜프로파일을 이용하여 최적 설계를 수행하였다. 4개의 설계변수에 대한 중심합성 실험 계획표[14]와 반응표면 분석법[15]에 의해 2차 회귀 모형 함수를 추정하였으며, Sequential Quadratic Programming(SQP) 방법[16]을 사용하여 목적 함수를 최소화시키는 설계 변수 값을 도출하였고 이를 Fig. 12에 나타내었다.
상기의 해석을 통해 도출된 진동저감 방안의 일부를 HEMU-430X에 적용하여 시운전 시험을 진행하였다. 시운전은 호남고속철도 상행선 광주송정역∼오송역 구간에서 최고속도 300∼350km/h로 진행되었다.
5와 같이 구성하였다. 선로불규칙도는 Fig. 6과 같이 VAMPIRE[8]에서 제공하는 고속선에서 많이 사용하는 직선 15km 구간(ERRI_Low)의 불규칙도를 이용하였다. 차륜 프로파일은 HEMU-430X 12번 대차에서 삭정 후 37,370km 주행한 마모된 XP55(1/20) 프로파일을, 선로 프로파일은 경부고속철도 상행 KP(Kilometer Point) 38.
HEMU-430X의 임계속도를 더 향상시키기 위하여 현가장치 파라미터 최적화를 실시하였다. 이는 상용화 모델 설계에 이용될 수 있으며, 최적화 방법론은 이전 연구[12]에서 사용된 방법을 적용하였다. 현가장치 특성치에 대한 민감도 분석을 위하여 Plackett- Burman design[13]을 이용하여 실험계획 및 해석을 수행하였다.
HEMU-430X의 KRTCS 시험을 위해 MC 차량을 선두방향으로 운행하였을 때, 무거워진 TC 차량 때문에 앞절과 동일한 후미진동이 TC차량에서 발생하였다. 이를 고찰하기 위해 VAMPIRE[8]를 이용한 동역학 모델을 Fig. 5와 같이 구성하였다. 선로불규칙도는 Fig.
이는 상용화 모델 설계에 이용될 수 있으며, 최적화 방법론은 이전 연구[12]에서 사용된 방법을 적용하였다. 현가장치 특성치에 대한 민감도 분석을 위하여 Plackett- Burman design[13]을 이용하여 실험계획 및 해석을 수행하였다. 상대적으로 중요한 것으로 판단되는 9개 변수를 선정하고, 목적함수는 차량의 임계속도로 하여 민감도 분석한 결과를 Fig.
성능/효과
1. 선행연구를 통하여 도출한 요댐퍼 설치 방법에 따른 후미진동 개선안을 실제 차량의 시운전시에 적용하여 후미 진동저감 효과가 있음을 확인하였다. 또한 전체차량에 대한 진동저감 방안을 수치 해석적 방법으로 도출하였으며, 그 중 일부의 효과를 시운전을 통하여 확인하였다.
2. 차세대 고속열차 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 1차 탄성조인트 x방향 강성, 2차 요댐퍼 시리즈 강성, 2차 횡댐퍼 댐핑 계수, 차간 댐퍼 댐핑 계수 순으로 임계속도에 크게 영향을 주었다. 이 설계 변수들에 대한 최적화를 통하여 임계속도를 향상시키는 방안을 제시하였으며, 초기상태보다 23.
4의 One-directional yaw damper), 한방향 댐퍼를 양방향으로 바꾸었을 때 300km/h까지 후미진동이 없었다. 300~320km/h에서 다시 후미진동이 발생하였는데 차간 댐퍼를 설치하면서 사라졌고(Fig. 4의 Bi-directional yaw damper), 350~387km/h의 후미진동은 해석적 방법으로 제안된 MC차량의 요댐퍼 댐핑계수를 130% 증가시키면서 사라졌다(Fig. 4의 With carbody damper). 이후 421.
11에 나타내었다. 민감도 해석 결과 1차 탄성조인트 x방향 강성 (x1), 2차 요댐퍼 시리즈 강성(x6), 2차 횡댐퍼 댐핑 계수 (x4), 차간 댐퍼 댐핑계수(x8) 순으로 민감도가 큰 것을 알 수 있다. 앞의 민감도 분석에서 영향이 큰 상위 4개인자에 대해 차륜 마모상태일 때의 임계속도를 향상시키 기 위하여 마모된 S1002 차륜프로파일을 이용하여 최적 설계를 수행하였다.
이 상태에서 요댐퍼 설치각도를 β = 0° 으로 변경할 경우(Case 3), 차체 횡방향가속도가 Case 2 에 비해 평균 7%정도 더 개선될 수 있음을 해석적으로 예측하였다.
차세대 고속열차 임계속도에 영향을 미치는 현가장치 파라미터들에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 1차 탄성조인트 x방향 강성, 2차 요댐퍼 시리즈 강성, 2차 횡댐퍼 댐핑 계수, 차간 댐퍼 댐핑 계수 순으로 임계속도에 크게 영향을 주었다. 이 설계 변수들에 대한 최적화를 통하여 임계속도를 향상시키는 방안을 제시하였으며, 초기상태보다 23.3% 정도 임계속도가 증가함을 확인하였다. 최적화된 현가장치 파라미터는 차세대 고속열차 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
요댐퍼 설치각 도 β = 0° 으로 만든 후 후미진동 발생속도는 조금씩 증가하다가, 300km/h 이상 속도의 시운전시에도 후미진동이 발생하지 않았다. 이를 통해 선행연구[9]에서 예측했던 후미진동 저감 방법이 효과가 있음을 실험적으로 확인하였다.
이는 전체 차량의 요댐퍼 설치각도 β = 0°로 할 경우(Case 3) 횡진동이 감소할 것으로 예상된다. 이상의 시험 결과는 선행연구[9]의 결과와 같이 과도한 횡방향 감쇄력이 차체헌팅을 일으키고, 이를 적절히 조정하면 차체헌팅을 제어할 수 있음을 보여준다. 차체 상하방향 가속도의 경우 수치해석 결과와 유사하게 크게 변화는 없으나, TC차량의 경우 후미진동의 감소에 따른 영향으로 상하방향 가속도도 줄어드는 것을 볼 수 있다.
4의 With carbody damper). 이후 421.4km/h의 최고속도를 달성한 이후 차륜 마모 및 또 다른 이유로 후미진동이 나타나는 속도는 감소하면서 증속시험은 종료되었다(Fig. 4의 130% MC yaw damper). HEMU-430X의 초기 휠프로파일은 S1002 (1/40)이고, 증속시험 이후 300km/h 속도의 안정화시험을 위해 휠 삭정을 실시하였고, 초기에는 후미진동이 없었다.
최적화 결과 임계속도는 23.3% 정도 향상되는 결과를 보였고, 이때의 현가장치 특성치는 HEMU-430X의 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
4의 S1002 wheel). 해석을 통하여 휠 프로파일을 XP55(1/20)으로 바꾸었을 때 철도차량이 불안정해지는 임계속도가 S1002보다 더 높게 예측되어 차량에 적용하였으나, 큰 효과가 없었다. 이후 과도한 횡방향 감쇄력이 임계속도를 저하시키는 것으로 예상되어, MC 차량의 요댐퍼 제거(Fig.
현재 상태인 Case 1에 비해 TC ∼M4 차량의 가운데 요댐퍼 4개를 제거할 경우(Case 2), 전체 차량의 횡방향가속도가 저감되고, 그 값의 Case 1에 비해 평균 14.1% 정도 개선되었다.
횡방향 가속도는 전체적으로 13.1% 정도 감소하며, M1∼M3차량은 조금씩 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
3% 정도 임계속도가 증가함을 확인하였다. 최적화된 현가장치 파라미터는 차세대 고속열차 상용화 모델의 설계에 이용될 수 있다.
현재 전체 차량의 요댐퍼 설치각도 β = 0°를 만들기 위하여 대차 브라켓을 추가 제작 중이며, HEMU-430X에 적용하여 진동저감 효과를 확인할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임계속도란?
임계속도(Critical speed)는 열차가 불안정해지는 속도이며, 차륜 마모에 따라 감소하는 경향을 보인다[12]. 임계속도를 향상시키면 누적주행거리에 따른 차륜 마모시에도 주행안정성을 유지할 수 있다.
임계속도를 향상시키면 좋은 점은?
임계속도(Critical speed)는 열차가 불안정해지는 속도이며, 차륜 마모에 따라 감소하는 경향을 보인다[12]. 임계속도를 향상시키면 누적주행거리에 따른 차륜 마모시에도 주행안정성을 유지할 수 있다. HEMU-430X의 임계속도를 더 향상시키기 위하여 현가장치 파라미터 최적화를 실시하였다.
차세대 고속열차 HEMU- 430X가 가존 고속열차에 비해 유리한 점은?
현재는 국가 R&D 사업인 일반·고속철도용 무선통신 및 제어시스템(KRTCS) 실용화 과제와 고속 궤도검 측시스템 개발을 위한 시운전 차량으로 활용 중이다. 기존 KTX 및 KTX-산천이 동력차와 객차로 구분되는 동력 집중식 차량이라면 차세대 고속열차는 동력 분산형 추진시스템을 적용하여 기존 KTX에 비해 300km/h까지 도달시간을 2분정도 단축할 수 있어, 역이 많은 우리나라 지형에 더 유리한 차량이라고 할 수 있다[1].
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