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문제 정의
- 본 연구는 영업운행 중인 고속열차의 진동 문제를 고찰하고, 이를 개선하기 위하여 진행되었다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.
- KTX-산천은 도입 이후 KTX에 비해 객차의 진동이 많이 발생한다는 민원이 있었다. 이를 해결하기 위한 방안을 도출하기 위하여 본 연구가 시작되었다. 먼저 영업운행 중인 고속철도 차량의 진동 수준을 파악하기 위하여, KTX 및 KTX-산천 객차 및 운전실에 대한 진동 측정이 실시되었다.
- 2의 측정결과와 Table 1의 해석결과에서 알 수 있듯이 KTX-산천 동력차(PC1, PC2)의 차체 진동가속도는 객차에 비해 크며, 이는 동력차량에 취부된 설비의 고장을 가속시키며, 운전자의 피로를 상승시킨다. 이에 동력차의 진동을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. KTX-산천의 동력차량과 동력대차는 2차 코일스프링, 2차 수직댐퍼 및 2차 횡댐퍼 등으로 연결되어 있고, 전동기 및 모터감속기는 차체에 취부되어 있다.
제안 방법
- 1. 고속열차의 진동 수준을 알기 위하여 차체 진동가속도에 대한 측정이 수행되었다. 측정결과 운전실이 객차보다 진동이 크며, 열차 후미로 갈수록 진동이 더 커졌다.
- 2. KTX-산천 진동 경향과 개선점을 도출하기 위하여 동역학 해석을 수행하였다. 해석결과는 시험결과와 유사하였으며, 객차 양 끝단의 단부객차 상부와 동력차량의 진동을 저감시킬 필요가 있었다.
- KTX-산천의 동력차량과 동력대차는 2차 코일스프링, 2차 수직댐퍼 및 2차 횡댐퍼 등으로 연결되어 있고, 전동기 및 모터감속기는 차체에 취부되어 있다. Fig. 2의 측정결과 횡방향보다는 상하방향 진동 개선이 필요하였고, 이에 2차 코일스프링 탄성계수 및 2차 수직댐퍼 댐핑계수를 변경하여 해석을 수행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다.
- 7의 요댐퍼 이상품은 운행시 문제가 있었던 제품의 사후 시험 결과인데 정상품에 비해 인장 시는 정상 작동하나, 압축 시 댐퍼의 기능을 상실하였다. 동력차 모델은 별도로 구성하였고, 요댐퍼는 과도한 진동을 억제하기 위한 장치이므로 Fig. 6의 분기기구간의 선로불규칙도를 이용하였다. 해석결과는 Table 4에 나타내었다.
- 2%, 분기기구간에서는 11% 정도 진동이 감소할 것으로 예상되었다. 동력차량의 진동저감을 위해 2차 코일스프링의 강성을 감소시키고, 2차 수직댐퍼의 댐핑계수를 증가시키는 방안을 제안하였다.
- 이 모델을 이용하여 KTX-산천의 진동 문제를 해결할 수 있는 다양한 방안을 수치 해석적 방법으로 고찰하였으며, 몇 가지 진동 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 고속열차 운영 중 발생할 수 있는 현가장치의 불량, 오조립 등이 고속철도 차량의 진동에 미치는 영향을 시운전 결과와 수치해석을 통하여 살펴보았다.
- KTX-산천 100호대 영업운행 이후 차체진동에 대한 민원이 발생하여 200호대 KTX-호남 차량에서는 차체 진동문제를 개선하기 위하여 4가지 개선설계를 수행하였다. 먼저 객차 양쪽 끝 단부대차 상부의 횡방향 진동을 개선하기 위해 단부대차 횡댐퍼 댐핑계수를 KTX-산천 대비 50% 감소하였고(Case 2), 객차 전체의 진동을 개선하기 위해 차간 안티롤 댐퍼 댐핑계수를 50% 증가시켰고(Case 3), 객차 및 단부대차의 요댐퍼 댐핑계수를 34% 증가시켰으며(Case 4), 또한 객차대차의 요댐퍼 방향을 변경하였다(Case 5). 상기의 경우에 대하여 정상구간 및 분기기구간을 300km/h로 주행하였을 때 차체 가속도 RMS값을 Table 2에 정리하였다.
- 이를 해결하기 위한 방안을 도출하기 위하여 본 연구가 시작되었다. 먼저 영업운행 중인 고속철도 차량의 진동 수준을 파악하기 위하여, KTX 및 KTX-산천 객차 및 운전실에 대한 진동 측정이 실시되었다. 이를 토대로 진동 문제를 수치 해석적으로 고찰하기 위하여 철도차량 동역학 소프트웨어인 VAMPIRE[10]를 이용하여 모사하였다.
- 이를 억제하기 위하여 차체와 대차사이에 안티 요댐퍼를 설치하게 되는데 오랜 운행 또는 다른 요인으로 인하여 성능이 저하되는 경우가 있어 유지보수가 중요하다. 안티 요댐퍼 성능저하시의 차량 진동을 검토하기 Fig. 7과 같이 동력차량의 요댐퍼 이상품에 대한 동역학 해석을 수행하였다. Fig.
- 앞절의 측정결과를 통하여 KTX 및 KTX-산천 운전실과 KTX-산천 객차의 진동을 저감할 필요가 있었고, 이를 위해 동역학 해석을 수행하였다. 동역학 해석에 사용된 모델은 선행연구[6]에서 사용된 모델과 동일하며 Fig.
- 수치해석 모델은 시험결과와 비교를 통하여 검증하였다. 이 모델을 이용하여 KTX-산천의 진동 문제를 해결할 수 있는 다양한 방안을 수치 해석적 방법으로 고찰하였으며, 몇 가지 진동 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 고속열차 운영 중 발생할 수 있는 현가장치의 불량, 오조립 등이 고속철도 차량의 진동에 미치는 영향을 시운전 결과와 수치해석을 통하여 살펴보았다.
- 초기 국내의 고속철도는 프랑스에서 KTX 차량(20량1편성) 일부를 수입하였고, 일부는 국내에서 제작하는 방식으로 46편성 920량을 경부고속철도 구간에 도입하였다. 이 차량을 토대로 한국형 고속열차 시제차량(HSR-350X)을 국내에서 개발하였다. 이 개발 결과를 바탕으로 10량 1편성인 KTX-산천 차량이 양산되었으며, 총 71편성 710량이 경부고속철도, 호남고속철도, 수서고속철도, 경강선용 고속철도 구간에서 운영되고 있다.
- 차륜마모의 영향을 살펴보기 위하여 요댐퍼 및 횡댐퍼 이상 상태에서 마모차륜과 신조차륜에 대한 해석을 수행하였다. 마모차륜 해석에 사용된 선로 불규칙도는 Fig.
- 6과 같이 경부고속선 대전~광명 방향 KP 95~92 천안역 부근 3km 직선구간을 사용하였다. 차체 횡방향 및 상하방향 가속도, 대차 프레임의 횡방향 가속도를 해석을 통해 구하였고, 해석구간의 RMS값을 이용하여 평가를 수행하였다.
- 측정에 사용된 장비는 선행연구 [6]에서 사용한 장비와 동일하며, KTX와 KTX-산천에 대해 전후위 운전실, 중간객차 및 후미객차의 진동을 측정하였다.
대상 데이터
- 각 차량에 동력이 분산되어 있는 동력 분산형 고속열차는 시제열차(HEMU-430X)를 거쳐 상용 모델(EMU-250, EMU-320)의 제작이 진행되고 있으며, 2020년 경 도입될 예정이다. Fig. 1은 KTX-산천 세 번째 모델로 SR에서 운행 중인 SRT차량이다. KTX-산천은 10량 1편성의 차량으로 PC1(운전실이 있는 동력차) + 8T(객차, T1∼T8) + PC2로 구성되어 있다.
- KTX-산천은 10량 1편성의 차량으로 PC1(운전실이 있는 동력차) + 8T(객차, T1∼T8) + PC2로 구성되어 있다. 대차는 PC(동력차)용 동력대차(Power Bogie) 4대, 객차 양끝의 단부대차(End Tailer Bogie) 2대, 객차사이의 연접대차(Articulated Bogie) 7대 등 13대로 구성되어 있다. KTX는 20량 1편성으로 동력을 보강하기 위해 양끝 쪽 객차의 반에 동력이 있으며, 총 3량의 동력차가 있다고 볼 수 있다.
- 해석에 사용된 휠 프로파일은 현재 고속열차에서 사용하는 XP55(1/20)이며, 일반적인 주행거동을 보기 위하여 삭정 후 175,562km 주행한 마모된 차륜에서 추출하였다. 선로 프로파일은 경부고속선 상행 KP 38.4km 지점에서 측정한 마모된 UIC60-20 프로파일을 사용하였다. 해석에 사용된 선로 불규칙도는 정상적인 구간에 대해서는 Fig.
- 측정에 사용된 장비는 선행연구 [6]에서 사용한 장비와 동일하며, KTX와 KTX-산천에 대해 전후위 운전실, 중간객차 및 후미객차의 진동을 측정하였다. 측정구간은 경부고속철도 부산~광명구간이며 부산~동대구 구간은 콘크리트 도상, 동대구~대전~광명구간은 자갈도상이다. 측정 신호는 0.
- 4km 지점에서 측정한 마모된 UIC60-20 프로파일을 사용하였다. 해석에 사용된 선로 불규칙도는 정상적인 구간에 대해서는 Fig. 5와 같이 일반적인 고속선 선로불규칙도로 VAMPIRE[10] 소프트웨어에서 제공하는 ERRI_low 15km 구간을, 진동을 크게 일으키는 분기기 구간에 대해서는 Fig. 6과 같이 경부고속선 대전~광명 방향 KP 95~92 천안역 부근 3km 직선구간을 사용하였다. 차체 횡방향 및 상하방향 가속도, 대차 프레임의 횡방향 가속도를 해석을 통해 구하였고, 해석구간의 RMS값을 이용하여 평가를 수행하였다.
- 4에 나타내었다. 해석에 사용된 휠 프로파일은 현재 고속열차에서 사용하는 XP55(1/20)이며, 일반적인 주행거동을 보기 위하여 삭정 후 175,562km 주행한 마모된 차륜에서 추출하였다. 선로 프로파일은 경부고속선 상행 KP 38.
데이터처리
- 이를 토대로 진동 문제를 수치 해석적으로 고찰하기 위하여 철도차량 동역학 소프트웨어인 VAMPIRE[10]를 이용하여 모사하였다. 수치해석 모델은 시험결과와 비교를 통하여 검증하였다. 이 모델을 이용하여 KTX-산천의 진동 문제를 해결할 수 있는 다양한 방안을 수치 해석적 방법으로 고찰하였으며, 몇 가지 진동 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 측정구간은 경부고속철도 부산~광명구간이며 부산~동대구 구간은 콘크리트 도상, 동대구~대전~광명구간은 자갈도상이다. 측정 신호는 0.4~10Hz의 주파수 필터를 적용한 후 1초 단위로 RMS(Root Mean Square)값을 도출하고, 구간별 최대값을 표시하였다.
이론/모형
- 먼저 영업운행 중인 고속철도 차량의 진동 수준을 파악하기 위하여, KTX 및 KTX-산천 객차 및 운전실에 대한 진동 측정이 실시되었다. 이를 토대로 진동 문제를 수치 해석적으로 고찰하기 위하여 철도차량 동역학 소프트웨어인 VAMPIRE[10]를 이용하여 모사하였다. 수치해석 모델은 시험결과와 비교를 통하여 검증하였다.
성능/효과
- 3. 현가장치의 불량, 오조립 등 성능저하가 차체 및 대차의 진동을 증가시키는 것을 시운전 결과와 해석결과를 통하여 살펴보았으며, 현가장치 올바른 유지보수가 차량 진동을 저감시킴을 알 수 있었다. 차륜 마모에 대한 적절한 관리는 운행 효율 및 차체 진동저감에 중요한 역할을 하며, 현재 차륜 프로파일을 변경하여 차륜 삭정간 주행거리를 늘리려는 연구가 진행 중이다.
- 이를 고려하여 2차 코일스프링 횡방향과 상하방향 강성을 50% 감소하였을 때(Case 2), KTX-산천(Case 1)대비 차체 횡가속도는 약 14%, 상하가속도는 약 39% 정도 개선된다. 2차 수직댐퍼 댐핑계수를 200% 증가시켰을 때(Case 3) 차체 상하가속도는 약 21% 정도 개선되며, 두가지 경우를 모두 적용하였을 때(Case 4) 차체 횡방향 가속도는 약 15%, 상하가속도는 약 50% 정도 개선되는 해석결과를 보인다. 이때 대차 횡가속도는 약 4% 정도 증가하였으며, 동력차의 전동기가 차체 하부에 설치되므로 대차와의 변위를 고려한 결과 차체 진동 감소로 인하여 변위 폭의 감소가 예측되었다.
- 59% 개선되는 해석결과를 보이며, 차체 상하방향 가속도나 대차 횡방향 가속도에서는 큰 차이가 없다. KTX-호남에 적용한 방법 중 안티롤 댐퍼 댐핑계수 증가(Case 3)와 객차대차 요댐퍼 방향 변경(Case 5)은 큰 효과가 없어서, 이를 제외하고 단부대차 횡댐퍼 댐핑계수 감소(Case 2)와 요댐퍼 댐핑계수 증가(Case 5)를 KTX-산천에 적용하였을 때(Case 7) KTX-호남 차량과 유사한 경향을 보임을 해석적으로 확인하였다.
- 해석결과는 시험결과와 유사하였으며, 객차 양 끝단의 단부객차 상부와 동력차량의 진동을 저감시킬 필요가 있었다. 객차의 진동을 저감하기 위하여 KTX-호남(200호대) 차량은 4가지 개선 설계를 수행하였고, 이 중 KTX-산천에 적용할 수 있는 방법을 해석에 적용하였을 때, 정상구간에서는 2.2%, 분기기구간에서는 11% 정도 진동이 감소할 것으로 예상되었다. 동력차량의 진동저감을 위해 2차 코일스프링의 강성을 감소시키고, 2차 수직댐퍼의 댐핑계수를 증가시키는 방안을 제안하였다.
- 이때 대차 횡가속도는 약 4% 정도 증가하였으며, 동력차의 전동기가 차체 하부에 설치되므로 대차와의 변위를 고려한 결과 차체 진동 감소로 인하여 변위 폭의 감소가 예측되었다. 이 결과를 토대로 동력차의 진동정감을 위해 2차 수직댐퍼 댐핑계수 증가 및 2차 코일스프링 강성을 감소시키는 시도를 해 볼 수 있다.
- 8(b)와 같이 사라졌다. 이 부분을 검토하기 위하여 시운전 후 9번 대차의 요댐퍼와 횡댐퍼에 대한 댐퍼 특성시험을 실시하였는데, 요댐퍼는 Fig. 9와 같이 기준치를 조금 벗어난 정상품과 거의 유사한 이상품이었고, 횡댐퍼는 대차 중정비 후 조립시 상하방향 조립이 잘못되어 Fig 10과 같이 인장시 댐퍼의 기능을 상실한 상태였다. 이에 대해 정상구간에서 VAMPIRE를 이용한 동역학 해석을 수행한 결과 9번 대차 횡가속도 RMS값은 전체적으로 16% 정도 증가하였으며, 요댐퍼로 인해 4%, 횡댐퍼 취부 오류로 인해 12% 정도 증가하였다.
- 이상의 결과에서 요댐퍼 및 횡댐퍼 등의 현가장치 성능저하에 따라 차체 및 대차 진동가속도가 커짐을 알 수 있고, 현가장치의 올바른 유지보수가 고속열차의 진동을 저감시킬 수 있다. 차륜마모 또한 진동에 영향을 주며 유지보수 비용과 차량 진동 정도를 보아가며 적절히 관리하는 것이 중요하다.
- 9와 같이 기준치를 조금 벗어난 정상품과 거의 유사한 이상품이었고, 횡댐퍼는 대차 중정비 후 조립시 상하방향 조립이 잘못되어 Fig 10과 같이 인장시 댐퍼의 기능을 상실한 상태였다. 이에 대해 정상구간에서 VAMPIRE를 이용한 동역학 해석을 수행한 결과 9번 대차 횡가속도 RMS값은 전체적으로 16% 정도 증가하였으며, 요댐퍼로 인해 4%, 횡댐퍼 취부 오류로 인해 12% 정도 증가하였다.
- 고속열차의 진동 수준을 알기 위하여 차체 진동가속도에 대한 측정이 수행되었다. 측정결과 운전실이 객차보다 진동이 크며, 열차 후미로 갈수록 진동이 더 커졌다. 운전실 및 객차 모두 수직방향 진동이 횡방향 진동에 비해서 크며, 콘크리트 구간에 비해 자갈궤도에서 진동의 최대값이 크다.
- 측정결과 운전실이 객차보다 진동이 크며, 열차 후미로 갈수록 진동이 더 커진다. 운전실 및 객차 모두 수직방향 진동이 횡방향 진동에 비해서 크며, 콘크리트 구간에 비해 자갈궤도에서 진동의 최대값이 크다.
- KTX-산천 진동 경향과 개선점을 도출하기 위하여 동역학 해석을 수행하였다. 해석결과는 시험결과와 유사하였으며, 객차 양 끝단의 단부객차 상부와 동력차량의 진동을 저감시킬 필요가 있었다. 객차의 진동을 저감하기 위하여 KTX-호남(200호대) 차량은 4가지 개선 설계를 수행하였고, 이 중 KTX-산천에 적용할 수 있는 방법을 해석에 적용하였을 때, 정상구간에서는 2.
후속연구
- KTX-산천은 10량 1편성 차량으로 GV40 프로파일 적용 시 현재까지 특별한 횡진동 문제가 발생하지 않았다. 향후 겨울철 시운전 및 중련운전 결과를 보고 확대 시행 여부를 결정할 예정이다.
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