수평틀림이 KTX 주행안전성에 미치는 영향 분석
Characteristics of the Running behavior and Safety for KTX due to Twist
최일윤† 임윤식*
Il-Yoon Choi Yun-sik Lim
ABSTRACT
Vehicle dynamic behavior should be investigated to establish the track irregularity criteria because they have an impact on vehicle dynamic behavior. The influence of twist on running behavior and safety for KTX was instigated by numerical analysis among track geometry quality parameters such as vertical alignment, lateral alignment, twist and track gauge in this paper. The wavelength and amplitude of twist were considered in scenario of this numerical analysis. This research is based on just numerical analysis and the final result which include measurement will be published in the future.
1. 서 론 궤도틀림은 수평틀림, 뒤틀림, 궤간틀림, 고저틀림 및 방향틀림 등이 있으며, 궤도틀림은 차량의 주행 안전성 및 승차감에 영향을 미치게 된다. 고속철도의 경우 차량의 주행안전성 및 승차감 확보를 위하 여 고속철도선로정비지침 [1]에 궤도틀림 항목별로 준공기준/목표기준/주의기준/보수기준/속도제한기준 등으로 허용기준이 규정되어 있다. 이러한 궤도틀림기준을 과도하게 엄격한 기준으로 설정하게 되면 궤도정정작업 빈도가 증가하고 유지보수비용이 증가하게 되며, 빈번한 궤도틀림정정작업은 자갈궤도의 손상 및 궤도 횡방향저항력 저하를 유발 할 수 있으므로, 차량의 주행안전을 만족하는 적정한 허용기 준의 설정은 매우 중요하다. 본 연구에서는 궤도틀림 중 수평틀림이 차량의 동적응답에 미치는 영향을 조사하고자 수평틀림을 입 력변수로 하여 KTX의 주행해석을 실시하였으며, 이러한 수치해석결과를 바탕으로 수평틀림 허용기준 의 개선을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다. 2. 수치해석방법 및 해석시나리오 궤도틀림 영향분석을 위한 수치해석은 철도차량 동특성 해석 상용프로그램인 VAMPIRE 프로그램을 이용하였으며, KTX 차량 20량 편성의 300km/h 주행에 대하여 수치해석을 수행하였다. 수평틀림의 모 델링은 사인파 형태의 궤도틀림을 갖는 것으로 하였으며, 해석시나리오는 다음 표 1과 표 2에 나타낸 바와 같이 한쪽 레일의 고저를 도입하여 수평틀림을 6, 7, 9, 12, 15, 18mm에 대하여 해석을 수행하였 으며, 3～40m의 7가지의 파장대역을 고려하였고, 그림 1과 같이 수평틀림을 모델링하였다. † 책임저자 : 정회원, 한국철도기술연구원, 신교통인프라연구실, 선임연구원 E-mail : iychoi@krri.re.kr TEL : (031)460-5347 FAX : (031)460-5032 * 한국철도기술연구원, 신교통인프라연구실, 연구원
뒤틀림의 값은 수평틀림으로부터 구할 수 있으므로 다음 표에 각 수평틀림 파장대역별로 뒤틀림의 값을 정리하여 나타내었다. 또한, 궤도틀림이 단독으로 존재하지 않고 반복적으로 발생하는 경우에는 차량의 거동에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 수평틀림의 형상을 반파장 뿐만 아니라 주기파장에 대해 서도 해석을 수행하였다. 파장(m) 궤도틀림 크기(mm) 6* 7* 9* 12* 15* 18* 3 6 7 9 12 15 18 5 6 7 9 12 15 18 7 6 7 9 12 15 18 10 6 7 9 12 15 18 15 5.70 6.65 8.55 11.40 14.25 17.10 20 4.86 5.67 7.29 9.72 12.15 14.58 40 2.70 3.15 4.05 5.40 6.75 8.10 표 1 수평 및 뒤틀림 해석시나리오 반주기 파형 * 수평틀림값을 의미하며, 표의 값은 3m 뒤틀림으로 환산한 값을 의미함 파장(m) 궤도틀림 크기(mm) 6* 7* 9* 12* 15* 18* 3 6 7 9 12 15 18 5 11.4 13.3 17.1 22.8 28.5 34.2 7 11.4 13.3 17.1 22.8 28.5 34.2 10 9.6 11.2 14.4 19.2 24 28.8 15 7.02 8.19 10.53 14.04 17.55 21.06 20 5.4 6.3 8.1 10.8 13.5 16.2 40 2.82 3.29 4.23 5.64 7.05 8.46 표 2 수평 및 뒤틀림 해석시나리오 주기 파형 * 수평틀림값을 의미하며, 표의 값은 3m 뒤틀림으로 환산한 값을 의미함 496 498 500 502 504 506 508 510 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Track Irregularity_10m Irreg u la ri ty (mm ) Distance (m) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 495 500 505 510 515 520 525 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Track Irregularity_10m Irreg u la ri ty (mm ) Distance (m) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반주기 수평틀림_10m파장 (b) 반복주기 수평틀림_10m파장 그림 1 궤도틀림 모델링 예 (10m파장)
3. 수치해석 결과분석
차량의 주행안전성과 승차감과 관련하여 UIC518[2] 기준에 Normal Method와 Simplified Method으로 허용기준치가 제시되어 있다. 엄밀한 의미에서 UIC518[2] 은 차량의 승인조건으로 사용되는 기준이나, 국내에는 궤도틀림 허용기준 설정과 관련된 안전 및 승차감기준이 없는 상황이므로 UIC518[2] 기준을 준용하였다. 수치해석결과는 UIC 518[2] 에 제시된 기준에 따라 다음 표 3과 같이 탈선계수, 횡압, 대 차횡가속도, 차체수직가속도 및 차체수평가속도에 대하여 각각 항목별로 신호처리를 수행하였다. UIC 518 기준 허용기준 신호처리방법 탈선계수 0.8 2m 이동평균 횡압 60kN 2m 이동평균 대차 횡가속도 10.6m/s2 10Hz 저역통과(LP) 필터링 차체 횡가속도 2.5m/s2 0.4-10Hz 대역통과(BP) 필터링 차체 수직가속도 2.5m/s2 0.4-10Hz 대역통과(BP) 필터링 표 3 신호처리방법 및 관련 기준 [2] 수평틀림의 크기와 파장에 따른 KTX 주행해석결과를 다음 그림에 나타내었다. 여기서, X축은 파장을 의미하며, Y축은 탈선계수 값을 의미한다. 또한, 범례에 나타낸 6～18mm의 수평틀림은 현정시법 검측 원리를 이용하지 않고 직접 검측되므로 별도의 변환이 필요하지 않으며 수치해석에 도입된 값 자체가 검측치에서 측정되는 값과 동일하다. 뒤틀림의 경우에는 범례의 값을 표 1과 표 2에 나타낸 뒤틀림 환 산값으로 적용하면 뒤틀림에 대한 결과가 된다. 탈선계수의 경우, 수평틀림과의 상관성이 비교적 높은 것으로 평가되었다. 수평틀림 15mm까지는 대 부분 허용기준 이내에 분포하고 있음을 알 수 있었다. 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Wavelength (m) Derailment Maximum De ra ilm e n t 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Wavelength (m) Derailment Maximum De ra ilm e n t 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반파장 (b) 주기파장 그림 2 수평틀림이 탈선계수에 미치는 영향
수평틀림이 궤도 횡압에 미치는 영향을 조사하기 위하여 다음 그림에 각 해석조건별 궤도횡압 수치해석 결과의 최대치를 나타내었다. 수평틀림이 반복적으로 존재하는 경우에 횡압의 응답이 증가하였으며, 전반 적으로 5～15m 파장대역의 민감도가 높았다. 해석검토대상 모두 관련 허용기준을 충분히 만족하였다. 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m 5 10 15 20 25 30 35 40 Wavelength (m)
Lateral wheel load Maximum
L a te ra l w h e e l lo a d ( kN ) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m 5 10 15 20 25 30 35 40 Wavelength (m)
Lateral wheel load Maximum
L a te ra l w h e e l lo a d ( kN ) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반파장 (b) 주기파장 그림 3 수평틀림이 궤도 횡압에 미치는 영향 수평틀림이 대차 횡가속도에 미치는 영향을 살펴보면, 반주기 보다 반복 궤도틀림에서 대차 횡가속도 응답이 증가하였다. 반주기 파장에서는 10～30m 파장대역의 수평틀림이 대차 횡가속도와의 상관성이 높 았으며, 검토 대상 모두 허용기준 보다 매우 작은 값을 보였다. 한편, 반복 궤도틀림을 나타내는 주기파 형의 경우에는 10m 파장대역에서 대차 횡가속도가 크게 증가하였으며, 허용기준에 근접하고 있었다. 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
Bogie Lateral Acceleration
Wavelength (m) L a te ra l A c c e le ra ti o n (m /s 2) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
Bogie Lateral Acceleration
L a te ra l A c c e le ra ti o n (m /s 2) Wavelength (m) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반파장 (b) 주기파장 그림 4 수평틀림이 대차 횡가속도에 미치는 영향 차체 횡가속도와 수평틀림과의 관계를 살펴보면, 반주기 파형의 경우에는 15m파장 이상에서 응답이 증가하였으나, 주기파형에서는 15m 파장에서 가장 큰 응답을 보였다. 다만, 이 경우에도 허용치의 약 40% 이내로써 관련기준을 충분히 만족하였다.
3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Body Lateral Acceleration
Wavelength (m) L a te ra l A c c e le ra ti o n (m /s 2) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Body Lateral Acceleration
Wavelength (m) L a te ra l A c c e le ra ti o n (m /s 2) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반파장 (b) 주기파장 그림 5 수평틀림이 차체 횡가속도에 미치는 영향 수평틀림이 차체 수직가속도에 미치는 영향은 3～7m 단파장 대역에서 제한적으로 발생하고 있었으며, 7m 이상의 파장대역에서는 차체수직가속도에 미치는 영향이 미미하였다. 검토대상 해석시나리오에서 관련 허용기준을 충분히 만족하고 있음을 확인할 수 있었다. 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Body Vertical Acceleration
V e rt ic a l A c c e le ra ti o n ( m /s 2) Wavelength (m) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm 3m 5m 7m 10m 15m 20m 40m -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Body Vertical Acceleration
Ve rt ic a l Ac c e le ra ti o n ( m /s 2 ) Wavelength (m) 6mm 7mm 9mm 12mm 15mm 18mm (a) 반파장 (b) 주기파장 그림 6 수평틀림이 차체 수직가속도에 미치는 영향 4. 결 론 궤도틀림 중 수평틀림이 고속철도의 주행에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 정량적으로 분석하였 다. 수평틀림의 파장과 크기가 미치는 영향을 조사하여 궤도틀림 허용기준 설정의 기초자료로 활용하 고자 다양한 조건에 대한 VAMPIRE 프로그램을 이용하여 KTX주행해석을 수행하였다.
해석결과는 UIC518[2]에서 제시된 기준에 따라 신호처리를 수행하고 관련 허용 기준치와 비교하였다. 검토결과에 의하면, 수평 및 뒤틀림은 차량 주행안전성과 승차감에 비교적 상관성이 높은 것으로 평가 되었으므로 궤도틀림 허용기준을 다소 엄격하게 관리해야함을 알 수 있었다. 수평틀림이 탈선계수, 궤 도횡압, 대차 횡가속도, 차체 수직 및 횡 가속도에 미치는 영향을 살펴보면, 반주기 수평틀림 보다 반 복주기 수평틀림에서 응답이 증가함을 알 수 있었다. 즉, 수평틀림이 단독으로 존재하지 않고 반복적으 로 발생하는 경우 차량의 거동에 악영향을 미치고 있음을 의미한다. 참고문헌 1. 선로정비지침(2007), 국토해양부
2. UIC CODE 518, Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour - Safety - Track fatigue - Ride quality, 2005
