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문제 정의
- 본 논문에서는 50량 이상의 장대화물열차의 효율적인 운영을 위하여 열차 편성 변화에 따른 연결기 충격력을 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 해석 및 분석하였다.
가설 설정
- 이와 같이 EN 14531-2 규정과 동역학 모델의 오차 범위는 미미한 것으로 확인되었으므로, 이 방식으로 열차 50량 모델링을 구성하여도 문제가 없다고 평가하였다.[9]
제안 방법
- Fig 5는 단순화 모델의 검증을 위하여 휠-레일 접촉 모델과 동일한 중량을 적용하여 각각 5량, 10량, 15량, 20량 조건으로 해석을 수행하였다. 연결기에 작용하는 최대 충격력 값을 비교한 결과 약1~2 %의 오차가 발생하였으며, Table 5에 해석 결과를 비교 분석하였다.
- Simulation A의 경우 양쪽 끝에 기관차를 편성하여 양쪽에 끝에서 부터 동시에 제동 (분산중련 무선제어 시스템)이며, Simulation B는 기관차를 처음과 중간(26량)에 연결하여 동시에 제동하는 제어 방법을 적용하였다.
- [C] 부분은 화물열차 연결기가 회전 시좌우 작동가능 범위로 13.5°의 구속조건을 적용하여 특정범위 내에서 구동하도록 모델링 하였다.
- 화물열차는 제동 관련 규정 예시가 없기 때문에 제동력은 고속열차를 기준으로 분석하였으며, 제동 초기속도는 200 km/h로 적용하였다. 각각의 열차 무게에 감속도를 곱하여 제동력 산출하였으며, 제동거리와 제동시간을 분석하였다.
- 본 논문에서는 분산중련제어 시스템을 적용하여 50량 화물열차 편성을 Fig. 9와 같이 2가지로 구성하여 연결기 틈새량 20~100 mm, 제동 지연시간을 0.1 sec로 고정하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 실제 비상제동 시험한 데이터를 적용하여 화차 50량의 제동지연 시간 및 공주시간을 산출하였으며, 분산제어 제동을 하는 화물열차의 편성을 2가지로 구성하여 해석 및 분석을 진행하였다.
- 본 해석에서는 만차(Full car)를 기준으로 해석을 진행하였으며, 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적용하였다. 동역학 해석에 사용된 화물열차의 구성은 Fig 3과 같이 기관차(locomotive) 1량과 화차(freight car) 49량으로 모델링 하였으며, 각각 열차 사이의 연결기 및 완충기(coupler)를 모델링하였다.
- 시험은 12량과 39량에서 만차 최대제동압력을 측정하여 이 결과를 바탕으로 Table 7에서와 같이 화차 50량의 제동지연 시간 및 공주시간을 산출하였다.[8]
- 화물열차 50량 해석을 진행하였으며, 해석조건을 Table 6에 정리하였다. 연결기 제동지연시간 0.1 sec에 연결기 틈새량 20 mm일 때의 조건으로 해석을 실시하였다. 해석결과 Fig.
- 2와 같이 Miner Enterprises inc.의 Crown SE 스틸 완충기의 특성을 이용하였으며, Fig. 4의 [A] 부분의 입력특성으로 사용되어 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
- 이 규정에서는 시간 적분법을 이용하여 제동 관련 파라미터를 계산하고 분석하는 방법을 제시하고 있어 제동거리, 제동시간, 제동력 등을 시뮬레이션과 비교하여 검증하였다.
- 이를 고려하여 제동 지연시간과 공주시간을 동역학 모델에 적용하였으며, 연결기의 틈새량을 5~50 mm 까지 변화시키면서 해석을 수행하였다.
- 지난 선행연구로 장대화물열차 50량을 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK을 이용하여 모델링하고 열차 제동 지연 및 틈새량 등에 따른 연결기에 작용하는 충격력을 평가하였다.[9]
- 해석 조건으로 연결기의 틈새량, 제동지연 및 공주시간, 열차 편성 변화 (분산중련제어 시스템)으로 해석을 수행하였으며, 아래와 같이 결론을 정리하였다.
- 화물열차는 제동 관련 규정 예시가 없기 때문에 제동력은 고속열차를 기준으로 분석하였으며, 제동 초기속도는 200 km/h로 적용하였다. 각각의 열차 무게에 감속도를 곱하여 제동력 산출하였으며, 제동거리와 제동시간을 분석하였다.
- 화물열차의 동역학 모델을 검증하기 위하여 제동 거리 산출에 가장 많이 적용되는 EN 14531-2 규정에 따라서 3량 해석 결과를 비교하였다.[11,12]
대상 데이터
- 본 해석에서는 만차(Full car)를 기준으로 해석을 진행하였으며, 스틸 완충기의 완충기 특성 값을 적용하였다. 동역학 해석에 사용된 화물열차의 구성은 Fig 3과 같이 기관차(locomotive) 1량과 화차(freight car) 49량으로 모델링 하였으며, 각각 열차 사이의 연결기 및 완충기(coupler)를 모델링하였다.
- 연결기의 본체는 크게 헤드(head), 샹크(shank), 테일(tail)의 3부분으로 구성되어 있고, 헤드 부분은 너클(knuckle)과 로크(lock), 로크 리프트(lock-lift assembly), 너클 스로워(thrower), 너클 핀(knuckle pin) 등의 구성으로 되어 있다. Fig.
- 유진기공산업(주)에서 한국철도공사의 신조차량 전기기관차 도입 시 39량 편성시험을 진행하였다.
- 1은 연결기 구성을 설명하기 위하여 Strato inc.의 AAR E 연결기 자료를 참고하였다.[1, 15]
- 현재 국내에서는 기관차 1량에 화차(freight car) 25량 등의 구성으로 운영되고 있으며, 최근 40량 장대화물열차의 시험운행을 진행하였다. 그러나 국외의 경우 중국은 50량, 미국과 러시아는 70~150량 정도로 이미 대량 편성되어 운영하고 있는 실정이다.
- 화물열차 50량 해석을 진행하였으며, 해석조건을 Table 6에 정리하였다. 연결기 제동지연시간 0.
데이터처리
- Fig 5는 단순화 모델의 검증을 위하여 휠-레일 접촉 모델과 동일한 중량을 적용하여 각각 5량, 10량, 15량, 20량 조건으로 해석을 수행하였다. 연결기에 작용하는 최대 충격력 값을 비교한 결과 약1~2 %의 오차가 발생하였으며, Table 5에 해석 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 화물열차 50량 모델링은 다물체 동역학 프로그램인 SIMPACK의 기본 열차모델을 이용하여 모델링하였으며, 열차의 중량을 Table 2와 같이 기관차, 화차 및 대차 부분으로 나누어 각각 적용하였다.
성능/효과
- 1. 실차시험에서 도출한 제동지연 시간 및 공주시간을 적용하여 충격력 해석 및 분석하였으며, 연결기 너클 기준과 비교한 결과 틈새량이 50 mm 이상이 되었을 때 연결기 너클의 영구변형이 발생하였고, 모든 틈새 조건에 재료의 무한 수명을 만족시키지 못 했다.
- 2. 분산중련 무선제어 시스템을 참고하여 기관차 2량을 모델링의 적용하여 충격력 해석 및 분석하여 이를 연결기 너클 기준과 비교한 결과 제동 지연시간이 0.1 sec 일 때, 모든 틈새량 조건에서 재료의 무한 수명을 만족시켰다.
- 연결기의 충격력을 확인하는 동역학 모델링의 경우 해석시간을 단축시키기 위하여 단순화 모델을 적절히 이용하기도 한다. 독일 BD BAHN의 화물열차 동역학 모델링 연구결과를 참고하여 열차의 휠-레일 접촉을 제거하고, 박스 모델링으로 단순화 시켜서 해석시간을 감소와 수치적 안정성을 향상 시킬 수 있었다.[13]
- 해석결과 Fig. 10과 같이 모든 틈새량 조건에서 연결기 너클 재질의 무한 수명 기준을 만족시킴을 알 수 있었고, Simulation A가 Simulation B 보다 모든 틈새량 조건에서 충격력이 작게 나옴을 알 수 있었다.
- 모델링에 사용된 해석 조건을 Table 3에서 확인할 수 있으며, Table 4에 해석 결과를 정리하였다. 해석결과는 EN 14531-2의 제동거리는 1656.68 m 제동시간은 58 sec, 동역학 모델의 제동거리는 1686.76 m 제동시간은 61 sec 이다. EN 14531-2 대비 제동거리를 비교했을 때 약 1.
후속연구
- 3. 분산제어 시스템을 적용하기 위한 화물열차 편성 구성 및 연결기 종류별 인터페이스 개발의 기초자료로 활용이 가능하다.
- 4. 향후 우리나라와 동북아 및 유라시아 지역 국가간의 철도를 통한 화물 운송에 국가 간 서로 다른 제동특성에 대비하여 본 연구결과를 적용하여 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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