[논문]현가장치 내 감쇠 제어를 이용한 캡슐트레인 승차감 향상 연구

이진호; 임정열; 유원희; 이관섭

doi:10.5762/kais.2020.21.10.547

초록
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본 연구에서는 캡슐트레인의 승차감 향상을 위하여 캡슐트레인 모델 내의 현가장치에 감쇠 제어 장치를 적용하고 그 효과를 검토하였다. 캡슐트레인의 부상 방식으로 사용되는 초전도 유도 반발식 부상은 별도의 부상제어가 필요 없고 부상 공극이 큰 장점이 있다. 하지만, 본 부상 방식은 공극 변화량이 크고 외부로부터 유입되는 진동에 대한 작은 감쇠 특성으로 인해 캡슐트레인의 승차감을 저하시키는 단점이 있다. 본 연구에서는 캡슐트레인의 승차감 향상을 위해서 1차 및 2차 현가장치 내에 적용되는 감쇠 제어 장치를 고려하였다. 1차 현가장치에 적용되는 감쇠 제어 장치는 외란에 의해 발생하는 진동이 대차로 전달되는 것을 감소시키는 역할을 하고, 2차 현가장치 적용되는 감쇠 제어 장치는 대차의 진동이 차체로 전달되는 것을 감소시키는 역할을 한다. 감쇠 제어가 승차감에 미치는 효과를 검토하기 위하여 캡슐트레인 모델을 기반으로 한 동특성 해석 시뮬레이션을 수행하였다. 검토 결과, 현가장치 내 감쇠 제어를 통해 ISO 기준의 승차감 규격을 만족할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, damping control devices were applied to the suspension system of a capsule train, and the effects were investigated to improve the ride comfort. The superconductor electrodynamic suspension (SC-EDS) method is used for the capsule train levitation. This method has advantages such as no...

In this study, damping control devices were applied to the suspension system of a capsule train, and the effects were investigated to improve the ride comfort. The superconductor electrodynamic suspension (SC-EDS) method is used for the capsule train levitation. This method has advantages such as no gap control and a large gap. However, the SC-EDS method has disadvantages such as large gap variation and small damping characteristics against outer vibration, which causes degradation of the ride comfort. In this study, the damping control devices in the primary and secondary suspension were considered to improve the ride comfort in the capsule train. Damping control devices in the primary and secondary suspension can reduce the vibration transmission from outer disturbances to the bogie and from the bogie to the car body, respectively. Simulations for dynamic characteristics analyses were conducted based on the capsule train dynamic model to investigate the effects of the damping control devices on the ride comfort. As a result, it was confirmed that the ride comfort requirements according to the ISO standard can be satisfied by applying the damping control in the capsule train suspension.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Concept of the capsule train[1]
그림 Fig. 2. Capsule train vehicle with superconductor magnet[1]
그림 Fig. 3. Damping control devices in a front view of the capsule train
그림 Fig. 5. The capsule train model(II) for vertical motion analysis
그림 Fig. 6. Guideway irregularity[1]
그림 Fig. 7. Configuration of the damping control device at the primary suspension
그림 Fig. 4. The capsule train model(I) for lateral motion analysis
표 Table 1. The parameters of the capsule train model[1]
그림 Fig. 8. Mechanism of the induced current generation from the damping control device at the primary suspension[8]
그림 Fig. 9. MR damper[10]
그림 Fig. 10. Skyhook control
그림 Fig. 11. Simulink model for the capsule train dynamic characteristic analysis
그림 Fig. 12. Lateral dynamic characteristics of the capsule train with 1000km/h running (·· benchmark, －· 1^st damping, -- 2^nd damping, ― Both damping)
그림 Fig. 13. Lateral damping forces
그림 Fig. 14. Vertical dynamic characteristics of the capsule train with 1000km/h running (·· benchmark, － · 1^st damping, -- 2^nd damping, ― Both damping)
그림 Fig. 15. Vertical damping forces
그림 Fig. 16. Lateral dynamic characteristics of the capsule train according to the speed (● benchmark, ▲ 1^st damping, ■ 2^nd damping, × Both damping)
그림 Fig. 17. Vertical dynamic characteristics of the capsule train according to the speed (● benchmark, ▲ 1^st damping, ■ 2^nd damping, × Both damping)
표 Table 2. Lateral carbody acceleration reduction percentage(%)
표 Table 3. Vertical carbody acceleration reduction percentage(%)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 캡슐트레인의 승차감 향상을 위해 1차 및 2차 현가장치에 감쇠 제어 장치를 적용하였을 때 예상되는 효과에 대해서 분석하였다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는 캡슐트레인을 대상으로 감쇠 제어 장치의 효과를 검토하기 위하여 감쇠 제어 알고리즘과 외란이 포함된 캡슐트레인 동특성 해석 모델을 구축한 후, 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 감쇠 제어가 승차감에 미치는 영향을 검토하였다.

성능/효과

• 1차 및 2차 감쇠 장치는 각각 고주파수 진동 및 저주파수 진동 감소에 효과가 있음
• 감쇠 장치를 이용한 차체 진동 감소를 통해 수평 및 수직 방향으로의 ISO-2631 승차감 기준을 만족시킬 수 있음
• 속도별로 감쇠 장치에 의한 차체 가속도의 진동 감소 효과를 분석한 결과, 수평 방향 진동은 평균 64~72% 감소하고, 수직 방향 진동은 평균 68~70% 감소함

후속연구

실제 MR 댐퍼 및 유압 댐퍼와 같은 감쇠 장치에는 시간 지연(time delay) 및 히스테리시스(hysteresis) 특성이 존재하기 때문에 이를 고려한 제어 알고리즘이 적용되어야 한다. 또한, 실제 주행 중인 차량에서 감쇠 제어에 필요한 정보(즉, 차체 및 대차 속도)는 직접 얻을 수 없기 때문에 간접적인 방법 (가속도 신호를 적분하는 방법 등)을 통해 얻어야 하는데, 이때 발생할 수 있는 오차에 대한 보완 방안도 필요 하다.
감쇠 장치를 실제 시스템에 적용할 경우 다음과 같은 사항이 추가로 고려되어야 한다. 실제 MR 댐퍼 및 유압 댐퍼와 같은 감쇠 장치에는 시간 지연(time delay) 및 히스테리시스(hysteresis) 특성이 존재하기 때문에 이를 고려한 제어 알고리즘이 적용되어야 한다. 또한, 실제 주행 중인 차량에서 감쇠 제어에 필요한 정보(즉, 차체 및 대차 속도)는 직접 얻을 수 없기 때문에 간접적인 방법 (가속도 신호를 적분하는 방법 등)을 통해 얻어야 하는데, 이때 발생할 수 있는 오차에 대한 보완 방안도 필요 하다.
향후 에는 1차 및 2차 감쇠 장치에 대한 실험모델 또는 축소모델을 실제 제작하고, 제작된 장치를 이용한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 실험을 수행하여 장치의 성능을 실험적으로 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캡슐트레인은 부상 및 안내를 위해 어떤 방법을 사용하고 있는가?	캡슐트레인은 부상 및 안내를 위해 초전도 유도 반발식 (Superconducting Electro Dynamic Suspension (SC-EDS), 이하 SC-EDS) 방법을 사용하는데, 본 방식은 별도의 부상·안내 제어가 필요 없어 시스템이 간단하고, 부상·안내 공극이 커서 인프라 건설비용을 낮출 수있는 장점이 있다[3]. 그러나 SC-EDS는 부상·안내 공극 변화가 커서 차체로 전달되는 진동량이 크고, 부상·안내력에 감쇠 특성이 작아서 주행 중 외부로부터 발생하는 진동 전파의 차단이 어려운 단점이 있다[4,5].
	초전도 유도 반발식의 단점은?	캡슐트레인은 부상 및 안내를 위해 초전도 유도 반발식 (Superconducting Electro Dynamic Suspension (SC-EDS), 이하 SC-EDS) 방법을 사용하는데, 본 방식은 별도의 부상·안내 제어가 필요 없어 시스템이 간단하고, 부상·안내 공극이 커서 인프라 건설비용을 낮출 수있는 장점이 있다[3]. 그러나 SC-EDS는 부상·안내 공극 변화가 커서 차체로 전달되는 진동량이 크고, 부상·안내력에 감쇠 특성이 작아서 주행 중 외부로부터 발생하는 진동 전파의 차단이 어려운 단점이 있다[4,5]. 이와 같은 특성으로 인해 주행 중 외란에 의해 발생하는 진동이 대차를 거쳐 차체에 쉽게 전달되어 승객의 승차감을 악화시키게 되므로, 대차 및 차체로 전달되는 진동을 저감 하기 위한 별도의 장치가 필요하다.
	초전도 유도 반발식의 장점은?	캡슐트레인은 부상 및 안내를 위해 초전도 유도 반발식 (Superconducting Electro Dynamic Suspension (SC-EDS), 이하 SC-EDS) 방법을 사용하는데, 본 방식은 별도의 부상·안내 제어가 필요 없어 시스템이 간단하고, 부상·안내 공극이 커서 인프라 건설비용을 낮출 수있는 장점이 있다[3]. 그러나 SC-EDS는 부상·안내 공극 변화가 커서 차체로 전달되는 진동량이 크고, 부상·안내력에 감쇠 특성이 작아서 주행 중 외부로부터 발생하는 진동 전파의 차단이 어려운 단점이 있다[4,5].

참고문헌 (11)

Core technology development of subsonic capsule train, Annual Report. Korea Railroad Research Institute, Korea, 2018.
E. Musk, Hyperloop Alpha. White paper, 2014.
H. James, "Technical assessment of maglev system concepts," US army corps of engineers. 1998.
J. He, H. Coffey, "Magnetic damping forces in figure-eight-shaped null-flux coil suspension systems," IEEE Transactions on Magnetics, 33(5), pp.4230-4232, 1997.

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K. Higashi, S. Ohashi, H. Ohsaki, E. Masada, "Magnetic damping of the electrodynamic suspension-type superconducting levitation system," Electr. Eng. JPN., 127(2), pp.49-60, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1520-6416(19990430)127:2%3C49::AID-EEJ7%3E3.0.CO;2-X

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H. Claus, W. Schiehlen, "Modeling and simulation of railway bogie structural vibrations," J Vehicle System Dynamics, 29(S1), pp.538-552, 1998. DOI: https://doi.org/10.1080/00423119808969585

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K. Watanabe, H. Yoshioka, E. Suzuki, T. Tohtake, M. Nagai, "A Study of Vibration Control Systems for Superconducting Maglev Vehicles(Vibration Control of Lateral and Rolling Motions)," Journal of System Design and Dynamics, 1(3), pp.593-604, 2007. DOI: https://doi.org/10.1299/jsdd.1.593

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E. Suzuki, J. Shirasaki, K. Watanabe, H. Hoshino, M. Nagai, "Vibration reduction methods for superconducting Maglev vehicles." In Proceedings of the 8th World Congress on Railway Research (WCRR 2008), 2008.
T. Yamamoto, T. Murai, H. Hasegawa, H, Yoshioka, S. Fujiwara, S, Hatsukade, "Development of Distributed-type Linear Generator with Damping Control," Quarterly Report of Rtri. 41. pp.83-88, 2000. DOI: https://doi.org/10.2219/rtriqr.41.83
How Does an MR Damper Work? [Internet]. Parker LOAD, https://www.lord.com/products-and-solutions/activevibration-control/industrial-suspension-systems/howdoes-mr-damper-work (accessed Aug. 31, 2020)
ISO 2631-1. Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements. International Organization for Standardization. 1997.

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