콘크리트 매립형 궤도를 운행하는 트램의 주행 안전성을 향상시키기 위해 핵심 구성품인 대차를 개발하고 제작하여 시험 차체와 조립한 후, 단거리 급곡선 급경사 궤도를 건설하고 시험운행을 실시하였다. 대차의 급곡선 주행 중 차륜 플랜지와 매립형 궤도의 간섭을 검토할 수 있는 산식을 제시하였고, 산식 결과에 따라 궤도를 설계하였다. 간략화된 계산식을 도출하여 곡선에서 탈선계수와 윤중감소율을 추정하였다. 단거리 급경사 급곡선 매립형 궤도에서 대차와 차체가 주행할 때에 차체의 가속도를 계측하였고, 영상 시스템을 통해 차륜과 궤도의 인터페이스 상태를 점검하였다. 계산 추정 결과에 따르면 차륜의 탈선계수와 윤중감소율은 안전기준 이하였는데, 실제 주행 시험 중에도 탈선은 발생하지 않았고, 가속도 계측 결과도 주행 안전기준을 만족하였다. 또한, 차륜과 궤도의 간섭은 발생하지 않았고, 영상 모니터링 결과도 차륜의 올라타기 등 탈선조짐은 발견되지 않았으며, 중앙의 피니언과 랙이 원활히 접촉하면서 양호한 주행안전성을 보여주고 있었다. 외부 소음 계측을 통해서 소음 기준을 만족하고 있음을 확인하였다.
콘크리트 매립형 궤도를 운행하는 트램의 주행 안전성을 향상시키기 위해 핵심 구성품인 대차를 개발하고 제작하여 시험 차체와 조립한 후, 단거리 급곡선 급경사 궤도를 건설하고 시험운행을 실시하였다. 대차의 급곡선 주행 중 차륜 플랜지와 매립형 궤도의 간섭을 검토할 수 있는 산식을 제시하였고, 산식 결과에 따라 궤도를 설계하였다. 간략화된 계산식을 도출하여 곡선에서 탈선계수와 윤중감소율을 추정하였다. 단거리 급경사 급곡선 매립형 궤도에서 대차와 차체가 주행할 때에 차체의 가속도를 계측하였고, 영상 시스템을 통해 차륜과 궤도의 인터페이스 상태를 점검하였다. 계산 추정 결과에 따르면 차륜의 탈선계수와 윤중감소율은 안전기준 이하였는데, 실제 주행 시험 중에도 탈선은 발생하지 않았고, 가속도 계측 결과도 주행 안전기준을 만족하였다. 또한, 차륜과 궤도의 간섭은 발생하지 않았고, 영상 모니터링 결과도 차륜의 올라타기 등 탈선조짐은 발견되지 않았으며, 중앙의 피니언과 랙이 원활히 접촉하면서 양호한 주행안전성을 보여주고 있었다. 외부 소음 계측을 통해서 소음 기준을 만족하고 있음을 확인하였다.
To improve the running safety of a tram operating on a concrete embedded track, a bogie, the core system of the tram, was developed and fabricated. After it was integrated with the prototype car body, a short distance track with a sharp curve and steep gradient was constructed for the test operation...
To improve the running safety of a tram operating on a concrete embedded track, a bogie, the core system of the tram, was developed and fabricated. After it was integrated with the prototype car body, a short distance track with a sharp curve and steep gradient was constructed for the test operation. A formula to check the interference of the wheel flange with the track during running was proposed. Based on the results provided by the formula, the track was designed. Another simple formula was derived to estimate the derailment quotient and the wheel unloading ratio. During running on the track, the acceleration of the car body was measured and the interface status between the wheel and the track was monitored by a video system. According to the results calculated by these simple formulas, the derailment quotient and wheel unloading ratio were estimated to be within the safety criteria. In the actual test, no derailment occurred and the measured acceleration satisfied the criteria. Also, there was no interference between the wheel and track. The video monitoring results showed no signs of derailment, such as the climbing of the wheel. The pinion in the center showed good running safety, contacting smoothly with the rack. The measurements of environmental noise proved that the criteria were satisfied.
To improve the running safety of a tram operating on a concrete embedded track, a bogie, the core system of the tram, was developed and fabricated. After it was integrated with the prototype car body, a short distance track with a sharp curve and steep gradient was constructed for the test operation. A formula to check the interference of the wheel flange with the track during running was proposed. Based on the results provided by the formula, the track was designed. Another simple formula was derived to estimate the derailment quotient and the wheel unloading ratio. During running on the track, the acceleration of the car body was measured and the interface status between the wheel and the track was monitored by a video system. According to the results calculated by these simple formulas, the derailment quotient and wheel unloading ratio were estimated to be within the safety criteria. In the actual test, no derailment occurred and the measured acceleration satisfied the criteria. Also, there was no interference between the wheel and track. The video monitoring results showed no signs of derailment, such as the climbing of the wheel. The pinion in the center showed good running safety, contacting smoothly with the rack. The measurements of environmental noise proved that the criteria were satisfied.
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문제 정의
트램 1편성을 이루는 3량의 차체는 각각의 대차시스템 위에 놓이게 되며 회전이 자유로운 연결기로 연결되므로 전후 견인력 전달을 제외하고는 독립적인 거동을 보이게 된다. 따라서 1량의 차체에 대해 주행안전성을 검증함으로 전체 트램의 주행안전성을 평가할 수 있다.
UIC에서는 단순화된 방법을 이용하여 주행안전성을 평가하는 방법도 규정하고 있다[7]. 본 연구에서는 실제 궤도에서 시험운행을 통해 계측된 결과를 이용하여 단순화된 방법으로 주행안전성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 콘크리트 매립형 궤도를 운행하는 대차의 주행안정성을 검토하고, 단거리 궤도상에서 시험운행을 통해 검증하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 트램이 급경사 급곡선 매립형 콘크리트궤도 위에서 장애 없이 안정적으로 운행할 수 있도록 설계 변수를 검토하고, 주행안전성을 사전에 점검하였다. 또한, 검토 결과를 바탕으로 콘크리트궤도를 제작하여 소형 시험선로를 건설하고, 급경사 트램 1편성을 이루는 차체 1량과 대차시스템을 제작하여 시험선로 상에서 운행하고 성능을 계측함으로써, 차륜과 궤도의 호환성 및 주행안전성을 평가하였다.
급경사와 급곡선이 많은 도로에서 자동차 겸용으로 사용하기 위해 매립형 콘크리트 톱니궤도 기술을 개발하였다. 개발된 기술을 적용하여 Fig.
기존 연구에서 급경사와 급곡선 운행을 위한 대차시스템이 개발되어 주행시험대에서 주행시험을 수행하였고 성능을 검증하였다[2]. 그런데, 주행시험대 시험은 대차가 주행하면서 이동하는 것이 아니라 Fig.
대차와 추진시스템의 기본적인 안전성을 검증하고 궤도와의 인터페이스 성능을 확인하기 위해 시험궤도상에서 주행시험을 실시하였다. 차체에 가속도계를 설치하여 주행 중 차량의 동요를 계측하였고, 영상 카메라를 대차하부에 설치하여 주행 중에 차륜의 동작 상태를 모니터링 하였다.
차량 주행 중에서 발생한 소음의 방사 정도를 알기 위해 마이크로폰을 설치하여 외부 소음을 계측하였다. 또한 차륜과 피니언이 궤도의 레일과 랙에 맞물려 주행하는 과정의 궤적을 추적하였다. 주행시험 중에 계측항목을 정리하면 Table 4와 같고, 각 계측기의 위치는 Fig.
본 연구에서는 트램이 급경사 급곡선 매립형 콘크리트궤도 위에서 장애 없이 안정적으로 운행할 수 있도록 설계 변수를 검토하고, 주행안전성을 사전에 점검하였다. 또한, 검토 결과를 바탕으로 콘크리트궤도를 제작하여 소형 시험선로를 건설하고, 급경사 트램 1편성을 이루는 차체 1량과 대차시스템을 제작하여 시험선로 상에서 운행하고 성능을 계측함으로써, 차륜과 궤도의 호환성 및 주행안전성을 평가하였다.
차체에 가속도계를 설치하여 주행 중 차량의 동요를 계측하였고, 영상 카메라를 대차하부에 설치하여 주행 중에 차륜의 동작 상태를 모니터링 하였다. 차량 주행 중에서 발생한 소음의 방사 정도를 알기 위해 마이크로폰을 설치하여 외부 소음을 계측하였다. 또한 차륜과 피니언이 궤도의 레일과 랙에 맞물려 주행하는 과정의 궤적을 추적하였다.
대차와 추진시스템의 기본적인 안전성을 검증하고 궤도와의 인터페이스 성능을 확인하기 위해 시험궤도상에서 주행시험을 실시하였다. 차체에 가속도계를 설치하여 주행 중 차량의 동요를 계측하였고, 영상 카메라를 대차하부에 설치하여 주행 중에 차륜의 동작 상태를 모니터링 하였다. 차량 주행 중에서 발생한 소음의 방사 정도를 알기 위해 마이크로폰을 설치하여 외부 소음을 계측하였다.
대상 데이터
시험궤도는 전체 길이가 40m로서 경사는 100‰이고, 곡선반경은 국내 도로에 나타나는 최소 반경인 10m로 하였다.
5와 같이 주행하게 된다. 차체 언더프레임 상에 추진에 필요한 추진제어장치와 압축기, 배터리 등을 탑재하였다. 시험차체는 배터리에 의한 전원공급으로 차체 하부에 부착된 견인전동기를 구동하여 추진하게 된다.
성능/효과
(1) 급곡선과 급경사가 많은 도로에 설치된 매립형 궤도를 대차가 주행하는 경우 곡선에서 차륜 플랜지가 공격각을 이룰 때, 궤도와 간섭을 일으키지 않는 최소 간격을 계산하는 산식을 제안하여 매립형 궤도 설계 시에 반영하고, 시험궤도를 건설하여 대차 주행시험을 통해 계산식의 타당성을 입증하였다.
(3) 대차 주행시험을 통해 탈선이나 차륜 간섭 등이 없이 곡선을 원활하게 통과함을 확인하였고, 계측된 가속도를 통해 주행안전성이 확보됨을 확인하였다.
(4) 주행과정의 영상 모니터링을 통해서도 피니언과 랙궤도의 원활한 접촉을 확인하였고, 외부 소음 계측을 통해서 소음 기준을 만족하고 있음을 확인하였다.
(5) 본 연구에서 개발한 콘크리트 매립형 궤도와 급경사 급곡선 추진 대차는 주행안전성을 확보하고 있음을 확인하였다.
Table 6에 따르면 주행시험 중에 계측한 차체의 수직 가속도는 목표치 이내에 들어가서 승차감이 확보될 수 있음을 알 수 있다. 대차가 시험궤도를 주행 중에 견인전동기 등 추진 시스템의 주요 구성품이 궤도와 간섭을 일으키지 않아 대차와 궤도의 호환성은 확보된 것으로 판정되었다. 드라이빙 기어 등 동력 전달장치도 주행 중에 이상 거동을 보이지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무가선 저상트램의 한계점은 무엇인가?
도로상 매립형 궤도에서 운행하는 무가선 저상트램이 개발되어 시험선에서 시험운행 중에 있다[3]. 그러나, 무가선 저상트램이 운행할 수 있는 최소 곡선반경은 25m이므로, U턴과 같은 급곡선이 있는 도로에서 함께 운행하기에는 한계가 있다. 자갈궤도를 주행하는 열차의 주행안전성에 대한 연구는 시험계측 및 평가, 해석 분야에서 상당히 축적되어 있으나[4], 콘크리트 매립형 궤도의 급곡선 주행안전성에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
급경사 트램에 요구되는 주요 사양을 충족하기 위해 대차시스템에 필요한 것은 무엇인가?
급경사 트램에 요구되는 주요 사양을 정리하면 다음의 Table 1과 같다[2]. 요구되는 주요 사양을 충족하기 위해 대차시스템에는 톱니바퀴(pinion) 추진장치가 필요하다. 급곡선 주행을 위해 차륜에 베어링이 삽입되어 좌우 차륜이 독립적으로 회전할 수 있다.
매립형 궤도가 급곡선인 경우 어떤 문제가 생기는가?
해외에서는 도로와 같이 운용되는 부유식 교량에도 경전철의 운행을 검토하고 있는데[1], 부유식 교량에 경전철이 운행하기 위해서는 진출입시 경사와 곡선이 심한 선로에서 콘크리트 매립형 톱니궤도가 필요하다. 매립형 궤도가 직선인 경우에는 주행상 문제가 없으나, 급곡선인 경우에는 차체원심력에 의한 횡하중의 증가로 탈선이 우려될 뿐만 아니라, 차륜 플랜지의 공격각이 커져서 콘크리트궤도와 간섭이 생길 수도 있다.
참고문헌 (9)
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S. I. Seo, H. S. Mun, J. H. Mun, M.. E. Suk, "Development and Performance Evaluation of Traction System for Steep Gradient and Sharp Curve Track", Jour. of the Korea Academia-Industrial cooperation Soc., Vol. 17, No. 9, pp. 493-501, Sep. 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.9.493
S. H. Lee, Y. S. Kang, J. H. Kwak, H. C. Hyeong, S. W. Han, Y. H Oh, "Development of Wireless Tram and Embedded Rail Track System in Korea", Korean Soc. of Civil Eng., Vol. 6, No. 60, pp. 57-61, June 2012.
K. Y. Eum, S. S. Kim, Y. H. Kim, M. S. Lee, H. C Jeong, "Comparison and Analysis of the Running Safety Followed by Derailment Coefficient and Wheel off-loading at the Curves", Proc. of Korean Soc. for Railway Fall Conference, pp. 347-358, Oct. 2009.
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C. K Park, K. W. Ki, Y. G. Young, S. W Kim, J. Y Mok, "Estimation of the Dynamic Behavior for Korean High Speed Train at 350km/h using the Accelerations according to the UIC Code 518 OR", Jour. of Korean Soc. for Railway, Vol. 9, No. 5, pp.1-6, Nov. 2006.
UIC, Testing and Approval of Railway Vehicles from the Point of View of Their Dynamic Behavior-Safety-Track Fatigue-Running Behavior, Code 518 OR, pp. 41-47, International Union of Railways, Sep. 2009.
MLIT, Regulation on the Construction Standards of Railway, Enforcement No. 2014-607, pp. 13-14, Ministry of Land and Transport, Oct. 2014.
MLIT, Technical Standards for Metro Railway Vehicle -Trams, KRTS-VE-Part52-2016, pp. 4-5, Ministry of Land and Transport, Mar. 2016.
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