Vibration Characteristic of Full Weight Case Maglev Vehicle Running at Switching System

† 신현재, 한국기계연구원, 자기부상연구실 E-mail : [email protected]

TEL : (042) 868-7193 FAX : (042)868-7618 * 한국기계연구원

만차 조건 자기부상열차의 분기기 구간 주행 시 진동 특성

Vibration Characteristic of Full Weight Case

Maglev Vehicle Running at Switching System

신현재† 이종민

*

*

Hyeon-Jae Shin

Jong-Min Lee

Chang-Hyun Kim

ABSTRACT

In 2013, Korea will become the world's second country to operate the urban Maglev system with the inauguration

of demonstration line at Incheon International Airport. A prototype Maglev is under the test at KIMM's(Korea

Institute of Machinery & Materials, Daejeon) track. This Maglev is an EMS(Electromagnetic suspension)-type

vehicle of controlled 8±3mm air gap. The air gap between electromagnet and the guiderail in an EMS-type Maglev

must be maintained within an allowable deviation by controlling the magnet. The air gap response is strongly

dependent on the structural characteristics of the elevated guideway. For this reason, the interaction between the

vehicle with electromagnets and the elevated guideway must be understood to ensure safe running. The purpose

of this paper is to compare vibration characteristics of the vehicle on the switching system and other sections when

the full weight condition of urban maglev vehicle that 26.5 tons per car(empty car weight 19 tons + passenger

condition 7.5 tons), is applied. Through such results, Maglev vehicles and switching system can be established and

the levitation stability can be improved.

1. 서론 우리나라 도시형 자기부상열차 실용화 사업은 2013년도 영종도내의 인천국제공항 주변의 약 6.3km 구간에서 상업운전을 목표로 시범 선로가 건설 중이며, 중․저속 형으로 개발된 자기부상열차의 시제차량 은 2010년부터 한국기계연구원에 있는 시험 선로 내에서 시험 운전이 진행되고 있다. 본 사업에서 함께 개발된 자기부상열차 분기기는 기계연구원내의 시험선로에 포함되어 백만 회 분기기 동작 내구성 시험 을 마치고, 자기부상열차 주행 시의 특성을 알아보고자 시험이 진행 중이다. 자기부상열차의 특성상 대 차가 궤도를 감싸고 주행하므로 분기기의 지지 구조물은 거더 형태로 구성된다. 따라서 일반 철차륜 방 식의 분기기에 비하여 무게가 많이 나가며 복잡한 구조를 갖게 된다. 또한, 분기기의 구조물은 강재의 거더로 구성되어 좌우로 움직임이 가능하여야 한다. 실용화 사업에서 개발된 분기기는 관절식 분기기로 곡선선형을 생성하기 위해 3~4개의 관절을 이용하게 되어있다. 관절의 길이가 작을수록 관절을 구성하 는 거더의 길이가 짧아지고 그에 따라 고유진동수가 높아진다. 이에 따라서 분기기 구간은 자기부상열 차 선로의 일반적인 특성(질량 및 강성)보다 작은 값을 갖게 된다. 본 논문은 자기부상열차의 만차 조건 인 차량 당 26.5톤(차량 당 중량 19톤+만차조건 7.5톤)으로 분기기 구간 주행 시의 차량에서의 진동 측정값들을 분기기 이외의 구간과 비교하여 보고 분기기구간 주행 안정성을 확인하는데 목적이 있다.

2. 자기부상열차 및 시험선로구간 2.1 도시형 자기부상열차 도시형 자기부상열차 실용화 사업의 일환으로 개발된 자기부상열차는 2013년 인천국제공항 주변에서 상업운전을 목표로 개발되었으며, 부상은 가이드레일 하부에 위치한 전자석을 이용하여 상전도 흡인식 으로 부상하며, 추진은 가이드레일 상부 각 대차 좌우측에 있는 한 쌍의 LIM으로 추진을 하게 된다. 차 량은 2량 한 편성 4대차로 구성되며 총 8쌍의 LIM과 부상전자석을 갖는다. 그리고 차량의 구성에 대한 주요규격은 표 1과 같다. 그림 1. 인천국제공항 주변 시범선로 와 도시형자기부상열차 가상도

Train configuration 2cars per train(standard),more cars can be connected

Car dimensions Length 12m / width 2.7m / height 3.45m

Passenger capacity 230 persons/ train

Maximum speed 110km/h Minimum horizontal curve radius 50m Maximum climbing capability 7% Acceleration 4.0km/h/s

Deceleration 4.0km/h/s(in service), 4.5km/h/s(in Emergency)

표 1. 도시형 자기부상열차 주요규격

2.2 시험 선로 구성 도시형 자기부상열차 시제 차량의 시험을 위하여 한국기계연구원 내에 자기부상열차 선로가 있으며, 이 시험 선로의 길이는 총 1.3km 이고, 다양한 주행 조건 시험이 가능하도록 구성이 되어있다. 한국기계연구원 내 시험선로의 사진과 세부 사항은 그림 2과 같다. 본 논문에서는 분기기 구간과 비교 를 위하여 4개의 구간을 선정하였고 각 구간에 대한 특징은 다음과 같다. Ⅰ : 역사 출발, Steel grider 구간 180mR 곡선 진입이전 Ⅱ : 180mR 곡선부터 후문구간 Ⅲ : 직선 PC 거더 구간 Ⅳ : 분기기 구간 시험을 위한 구간 선정에는 다음과 같은 항목을 중심으로 하여 선정을 하였다. 첫째, 거더의 구조물이 다른 구간을 선정하였다. 분기기 구간은 자기부상열차 선로의 일반적인 특성(질량 및 강성)보다 작은 값 을 갖기 때문에 우선적으로 선정을 하여 이를 비교해 보고자 콘크리트 거더 구간과, 스틸 거더 구간을 선정하였다. 둘째, 비교적 동일 속도 유지가 가능한 구간을 선정하였다. 현재 한국기계연구원내 시험선 로 분기기 구간 주행 시에 속도는 분기기 이후에 급격한 60mR의 곡선에 영향으로 일반적으로 30km/h 이하, 최대 45km/h 로 주행이 가능하다. 따라서 다른 구간에서도 비슷한 속도로 주행하여 결과를 비교 하였다. 다만 구간 Ⅰ의 자기부상열차 역사에서 180mR 진입 전까지의 스틸 거더 구간은 초기 가속 구 간으로 45km/h 의 주행이 불가능하다. 그림 3. 자기부상열차 만차조건 만족을 위한 중량물 설치모습 그림 4. 자기부상열차 차량바닥면에서의 진동 측정을 위한 가속도 센서 부착위치(수직방향 +z)

그러나 거더의 종류가 다르기 때문에 시험에 포함을 하며, 초기 가속에 의한 주행방향 (x-축방향)의 진동은 불가피 한 것으로 염두하고 시험을 진행하였다. 셋째, 구간 Ⅱ는 스틸거더이며 180mR 인 곡선 구간이다. 곡선 구간과 직선 구간을 서로 일대일로 비교하는 것에는 무리가 있으나, 곡선 주행 시의 횡 가속도 (y-축방향)의 변동과 직선 구간 주행 시의 횡 가속도 변동을 비교하고, 180mR의 경우 비교적 높은 속도 45km/h로 탈출이 가능하기 때문에 시험 구간에 포함 하였고 60mR 구간은 주행속도가 20km/h 이하로서 해당 시험 진행시에는 이를 불 포함 하였다. 마지막으로 구간 선정과는 무관 하나 주 행 조건과 관련하여 구간 Ⅰ에서는 초기 가속이 불가피하게 필요하며, 그 이후에 목표 속도로 운행하기 위하여 notch를 조작하여 목표 속도를 유지하도록 하였으며, 분기기 구간에서 자기부상열차는 타행으로 주행하였다. 3. 시험 진행 3.1 시험과정 시험의 진행을 위하여 우선 차량의 만차 조건 량당 100명의 탑승 조건을 만족시키기 위하여 7.5톤의 중량물을 각 차량에 실어서 만차 조건(차량당 26.5톤)을 만들었으며 이는 그림 2와 같다. 그리고 주행 시의 차량 진동을 측정하기 위하여, PCB 3713B 3축 가속도센서를 객실 바닥 각 대차 상면에 부착하였 고 이는 그림3과 같다. 자기부상열차의 속도, 주행위치, 주행 패턴을 함께 측정하기 위하여, 차량에서 출력되는 속도신호(velocity), 선두진행차량 선행 대차의 부상공극신호(MC1 Bogie 1 Front Air gap),

0 10 20 30 40 50 Ve loc ity (km /h) MC1_Velocity 11.07.07 MC1 5km/h정 방 향 -2 -1 0 1 2 sensor1_x sensor2_x sensor3_x sensor4_x Ac c_ x ( m/ s 2) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 sensor1_y sensor2_y sensor3_y sensor4_y Ac c_ y ( m/ s 2) 0 10 20 30 40 8 9 10 11 12 sensor1_z sensor2_z sensor3_z sensor4_z Ac c_ z(m /s 2) Time(sec) -8 -4 0 4 8 N ot ch C M D (V ) MC1_NotchCMD 8 10 12 A ir g ap (m m) Ⅰ구간 0 10 20 30 40 50 Ve loc ity (km /h) MC1_Velocity 11.07.07 MC1 5km/h정 방 향 -2 -1 0 1 2 sensor1_x sensor2_x sensor3_x sensor4_x Ac c_ x ( m/ s 2) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 sensor1_y sensor2_y sensor3_y sensor4_y Ac c_ y ( m/ s 2) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 8 9 10 11 12 sensor1_z sensor2_z sensor3_z sensor4_z Ac c_ z(m /s 2) Time(sec) -8 -4 0 4 8 N ot ch C M D (V ) MC1_NotchCMD 8 10 12 A ir g ap (m m) Ⅱ 구간 0 10 20 30 40 50 Ve loc ity (km /h) MC1_Velocity 11.07.07 MC1 5km/h정 방 향 -2 -1 0 1 2 sensor1_x sensor2_x sensor3_x sensor4_x Ac c_ x ( m/ s 2) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 _{sensor1_y} sensor2_y sensor3_y sensor4_y Ac c_ y ( m/ s 2) 140 160 180 200 220 240 260 280 8 9 10 11 12 sensor1_z sensor2_z sensor3_z sensor4_z Ac c_ z(m /s 2) Time(sec) -8 -4 0 4 8 N ot ch C M D (V ) MC1_NotchCMD 8 10 12 A ir g ap (m m) Ⅲ 구간 0 10 20 30 40 50 Ve loc ity (km /h) MC1_Velocity 11.07.07 MC1 5km/h정 방 향 -2 -1 0 1 2 sensor1_x sensor2_x sensor3_x sensor4_x Ac c_ x ( m/ s 2) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 sensor1_y sensor2_y sensor3_y sensor4_y Ac c_ y ( m/ s 2) 284 288 292 296 300 8 9 10 11 12 sensor1_z sensor2_z sensor3_z sensor4_z Ac c_ z(m /s 2) Time(sec) -8 -4 0 4 8 N ot ch C M D (V ) MC1_NotchCMD 8 10 12 A ir g ap (m m) Ⅳ 구간 그림 5. 자기부상열차 5km/h 주행 시 차량 바닥 상면에서 측정된 구간별 가속도 그래프

0 10 20 30 40 50 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 Mean minimum median maximum

I s ec tio n 0 10 20 30 40 50 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 0 10 20 30 40 50 9.0 9.5 10.0 10.5 0 10 20 30 40 50 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Ac c ( m/ s 2) II s ec tio n x-axis 0 10 20 30 40 50 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 Velocity (km/h)y-axis 0 10 20 30 40 50 9.0 9.5 10.0 10.5 z-axis 0 10 20 30 40 50 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 Mean minimum median maximum

III se cti on 0 10 20 30 40 50 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 0 10 20 30 40 50 9.0 9.5 10.0 10.5 0 10 20 30 40 50 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Ac c ( m/ s 2) IV se cti on x-axis 0 10 20 30 40 50 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 Velocity (km/h)y-axis 0 10 20 30 40 50 9.0 9.5 10.0 10.5 z-axis 그림 6. 측정 구간과 측정 방향(sensor axis)에 따른 결과 그래프

notch 신호(notch command)를 자기부상열차 통합 계측 시스템인 National Instrument PXI 장비를 활 용하여 동시에 측정하여 분석 하였다. 주행속도는 5~45km/h 까지 5km/h 씩 증가 시키며 진행하였고, 정지 부상상태에서 목표 속도로 가속 후에 일정속도를 유지하기 위하여 노치를 약간씩 조작하였으며, 분기기 구간은 타행으로 주행하였다. 측정된 신호는 그림 5와 같이 그래프로 나타내었다. 그림의 그래프를 보면 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 구간 주행 시의 그래프로 구분하여 각각의 그래프에 나타내었으며, 각 그래프는 4개의 세부 그래프로 구성된다. 첫 번째 그래프에는 주행속도, notch 명령신호, 부상공극 신호를 표시하였으며, 나머지 그래프는 x, y, z 각 방 향별 측정 신호를 표시하였다. 우선 주행 시에 측정된 모든 데이터를 지정된 그래프에 표시하고, 부상공 극 신호를 이용하여 각 구간을 분리한다. 분기기 구간측정에 사용된 가속도 센서(PCB 3713B)는 정상 가속도가 측정이 되는 센서로 가속시 (notch 신호 양의방향으로 발생시) x 방향 그래프가 진폭과 함께 그래프가 상승하는 것을 볼 수 있으며, 180mR 주행 시 y축 방향 측정 그래프가 진폭과 함께 이동하는 모습을 보여준다. 그리고 z 축 방향 측정 그래프는 중력의 영향으로 9.8 ㎨를 기준으로 진동하는 모습 을 확인 할 수 있다. 그림 5와 같은 방법으로 각각의 주행 속도별로 분류 한 36개의 그래프를 바탕으로 하여 구간별 최대, 최소, 중간, 평균값을 그래프로 나타내어 보면 그림 6와 같다. 각 그래프의 x 축 값은 주행 속도 이고,

y 축은 각 그래프에 해당하는 가속도 값들이다. 동일 구간에서 측정된 값들은 가로 방향으로 나열하였 고, 왼쪽부터 진행방향 (x-axis Acc), 횡방향 (y-axis Acc), 수직방향 (z-axis Acc)의 그래프로 분류하 여 나열하였다. 3.2 시험 결과 그림 6를 참고로 하여 시험한 결과를 구간별로 정리하였다. 구간 Ⅰ은 역사에서 출발하여 초기 가속 구간으로 진행방향으로 측정된 그래프(x-axis) 의 양의 응답 이 속도가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 모습을 보여주며, 1.5㎨가 최대가속도로 판단되며, 45km/h 주행 시에는 180mR 진입속도를 조절하고자 가속에 완급을 조절하여 1.5㎨보다 약간 작은 값으로 나타 났다. 횡방향과 수직방향 그래프는 가속 저크가 가장 크게 측정되는 30, 35km/h 구간에서 커지는 모습 을 보여준다. 구간 Ⅱ는 180mR 과 곡선에서 직선으로 진입하는 구간으로, 45km/h 주행 시에는 이전구간에서 약 40km/h 정도를 유지하다가 해당구간에서 45km/h로 가속을 한다. 이로 인해서 진행방향 그래프는 45km/h 주행 시에 최댓값의 급격한 증가를 보여주며, 수직방향도 이와 같은 영향을 받았다고 판단된다. 해당 구간에서 횡방향 그래프는 180mR에서의 켄트가 함께 고려되어 평균값 또는 중간 값을 기준으로 보면 약 30km/h를 기준으로 속도가 낮을 때는 음의 값을 높을 때에는 양의 값을 보여주며 최댓값과 최 솟값의 차이도 가장 작은 값을 보여준다. 이로 미루어 보아 해당 구간의 만차 주행 시에는 약 25~30km/h 주행 시에 횡방향 진동을 줄일 수 있다고 판단된다. 구간 Ⅲ은 콘크리트 거더 직선 구간으로 진행방향으로는 목표속도 유지를 위한 notch 조작으로 최댓 값이 약간 크게 나타는 경향이 있고, 횡방향의 최대 진동은 속도가 증가함에 따라 약간씩 증가하는 모 습을 보여주며, 수직방향 진동은 최대속도 45km/h 주행 시 최소 진동 값이 작은 값을 보이는데 이는 180mR을 지난 후의 영향이며, 다른 특이사항은 없다. 구간 Ⅳ는 진행방향 진동은 저속에서 크게 나타나며, 횡방향 진동은 콘크리트 거더 진행시의 값들과 크게 차이가 나지 않는다. 그러나 20km/h 주행 시에는 횡진동이 주행속도에 비해서 약간 크게 나타났 다. 이에 대해서는 좀 더 많은 시험 데이터가 요구되며, 수직방향 진동도 구간 Ⅲ과 유사한 모습을 보여 준다. 3. 결론 본 논문의 시험으로 얻은 결과를 정리해 보면 표 2와 같다. 구간 내용 비고 Ⅰ x : 초기가속으로 인항 양의 진동 응답이 증가 최대가속도 1.5㎨ y : 초기 최대 가속을 했던 30, 35km/h주행 시에 크게 나타남 z : 초기 최대 가속을 했던 30, 35km/h주행 시에 크게 나타남 초기가속구간 스틸 거더 Ⅱ x : 목표속도 45km/h 주행을 위해 180mR 구간에서 가속하여 값이 큼 y : 곡선 주행과 켄트의 영향으로 30km/h 주행 시의 값이 가장 작음 z : 가속의 영향으로 45km/h 주행 시에 크게 나타남 180mR 곡선 스틸 거더 Ⅲ x : 목표속도 유지를 위한 notch 조작으로 최댓값이 약간 크게 나타남 y : 속도가 증가함에 따라 약간씩 증가 z : 45km/h 주행 시 180mR구간에서 가속이 영향을 미침 직선구간 콘크리트 거더 Ⅳ x : 진행방향 진동은 저속에서 나타남 y : 구간 Ⅲ과 유사함 z : 구간 Ⅲ과 유사함 분기기 구간 타행 구간 표 2. 구간별 측정 방향에 따른 결과

위의 내용으로 생각해보면, 자기부상열차 차량 상면에서 측정한 진동결과는 분기기 구간에서 직선 PC 거더와 비교하여 유사한 모습을 보이며, 다른 구간들과 비교하였을 때는 주행조건과 혹은 선로의 곡률 에 의해 좀 더 양호한 결과를 보인다. 주행조건의 차이로 인한 진동 측정결과에 대해서는 실용화사업 본선인 인천 노선에서도 분기기 주행조건은 타행 조건이며, 다른 구간에서는 가감속이 이루어짐을 감안 한다면, 분기기 구간에서는 본 논문의 시험결과와 비슷할 것이며 추가적으로 일반 주행 구간 중에서 타 행 운행 구간과의 비교가 가능 할 것 이다 감사의 글 본 연구 성과는 국토해양부가 주관하고 한국건설교통기술평가원이 전문기관으로서 위탁시행하고 있는 도시형 자기부상열차 실용화사업 연구결과의 일부로서 본 성과가 도출되기까지 적극적으로 협주해 주신 관계기간 여러분들께 진심으로 감사드립니다. 참고문헌 1. 이종민, 김기정, 이영신, “자기부상열차 분기기 형상에 따른 주행 안정성 해석”, 대한기계학회 CAE 및 응용역학부분 춘계학술대회, pp.218-219, 2010

2. K.J. Kim, J.M. Lee, H.S. Han and S.J. Yang, "Running safety of an EMS-type urban Maglev vehicle travelling over a segmented switch", ACMD 2010 Proceeding 2010

3. 이창영, 한영재, 이형우, 이영훈, 권혁빈, 강부병, “일본의 초전도 자기부상열차 기술 개발 및 실용 화 현황”. 한국철도학회저널 pp.17-22, 2008.9

4. H. J. Cho, J. M. Lee, S. B. Lim and S. S. Kim, "Development of Segmented Urban Transit Maglev Switch", Proc. 2010 Spring Conf. Korean Society of Railway, 2010

5. J. M. Lee and H. S. Han, "Development Status of a Scissors Type Maglev Switch", Proc. 2010 Autumn Conf. KSME, 2010