능동형 시제 조향대차의 임계속도 평가

1. 서론

자동차와는 달리 철도차량은 조향장치가 없다. 이로 인하여 곡선구간 주행 시 조향기능 미흡으로 차륜과 레일간에는 불필요한 작용력이 작용하여 차륜, 레일의 마모를 촉진시키며 소음을 발생시킨다. 이러한 문제점을 해결하고자 곡선을 인식하고 곡선 주행에 적합하게 차륜을 정렬시키는 조향기능을 부여한 능동조향기술에 대한 연구가 진행되고 있다.^1,2

조향기능을 향상시키기 위해서는 철도차량 주행장치인 대차 현가시스템 설계에 있어서 윤축(Wheelset)을 지지하고 안내하는 역할을 수행하는 1차현가계(Primary Suspension)의 스프링요소인 축상스프링에 대한 적정한 강성 설계가 요구된다. 통상 직선구간 운행 빈도가 높은 고속차량은 축상스프링의 전후방향 강성을 강하게 설정하여 주행안정성(Stability)를 향상시킨다. 반면, 곡선구간 운행 빈도가 높은 저속차량의 경우에는 전후방향 강성을 유연하게 설정하여 곡선구간 통과 시의 적응성을 향상시킨다.³

이와 관련하여 제어시스템을 적용하여 곡선구간 조향성능을 인위적으로 향상시키기 위한 능동형 조향대차(Active Steering Bogie) 설계 시엔 윤축의 조향각 구현성능을 향상시킬 목적으로 축상스프링(Primary Spring) 전후방향 강성을 설계 허용범위 내에서 최소화시킬 필요가 있다.⁴ 그러나 이 경우엔 주행안정성을 저하시킬 수 있으므로 개발 차량의 최고속도 범위를 고려하여 적정한 값을 선정하여야 하며 개발 대차에 대해선 반드시 주행안정성을 검증하여야 한다.

따라서 본 논문에서는 곡선구간 주행성능을 향상시키기 위하여 개발 중에 있는 능동형 조향대차 시제에 대한 주행안정성을 평가하고자 한다. 시제대차 설계안에 의거 주행안성성과 관련된 임계속도(Critical Speed)를 해석하였으며 시제대차를 대상으로 임계속도 시험을 수행하였다.

2. 시제대차 임계속도 해석

2.1 능동형 조향대차 시제

능동형 조향대차 개발을 위하여 곡선구간 운행 빈도가 높아 차륜과 레일의 마모, 소음 발생 등의 문제를 안고 있는 도시철도차량에 적용하기 위한 전동차용 능동조향 시제대차를 설계하였다.

시제대차의 설계 최고속도는 100 km/h이상이며 형상은 Fig. 1과 같다. 시제대차는 향후 실제 운행하는 전동차에 장착하여 성능 검증을 수행할 계획이다. 따라서 기존 전동차 차량과의 호환성을 고려하여 기존 전동차용 대차 구조를 변경하지 않고 조향시스템만을 장착한 형상으로 하였다. 조향시스템은 전후 윤축의 조향각 구현을 위하여 대차프레임 양측 사이드프레임 하부에 장착되며 전후 윤축의 좌우에 장착되어 있는 저널박스에 링크로 연결되어 조향각 구현 기능을 수행한다.

Fig. 1

Prototype of active steering bogie

시제대차의 조향각 구현성능은 Table 1과 같다.⁵ 기존 수동형 대차의 조향각 구현 성능에 비하여 급곡선구간인 곡률반경 R300에서의 능동형 조향대차의 조향각 구현 성능은 현저히 우수하다. R300 곡선구간 주행 시 조향각 구현성능은 기존 차량이 0.15 deg임에 비하여 시제대차는 0.4 deg로 조향각 목표치인 0.4 deg에 부합하게 구현된다. 이로 인하여 차륜과 레일간의 공격각(Angle of Attack)도 0.31 deg에서 0.05 deg로 현저히 저감되며 차륜 횡압도 21.6 kN에서 8.4 kN으로 크게 저감되어 곡선주행 성능이 크게 개선될 것으로 기대된다.

Table 1

Curving performance of active steering bogie

2.2 임계속도 해석

시제대차의 안정성 한계속도인 임계속도를 해석하고자 대차동 특성시험기(Roller Rig)를 이용한 임계속도시험을 모사한 비선형 임계속도해석을 수행하였다.

해석 모델은 Fig. 2와 같다. 대차동특성시험기는 레일에 상당하는 궤조륜(Roller) 위에 차륜이 접촉하고 궤조륜을 회전 구동하거나 가진하여 차량의 동적 거동을 시험하는 장비이다. 본 논문에서 사용한 대차동특성시험기는 그림에서와 같이 반구동방식으로서 차량 중 시험대차는 시험기 전부 궤조륜 상에 위치시켜 시험하며, 또 하나의 대차는 더미대차로 레일 위에 위치시켜 차체를 지지하는 보조 역할을 수행한다.

Fig. 2

Test condition of roller-rig test

임계속도 해석을 위한 동역학모델을 Fig. 3과 같이 구성하였으며 자유도는 Table 2와 같다. 반구동조건인 7자유도 모델로 1개의 대차와 차체로 모델링하였다. 대차는 횡방향과 요방향, 차체는 요방향 운동만 허용하고 그 외 운동은 구속된다고 가정하였다. 그리고 윤축은 Fig. 4와 같이 횡방향과 요방향으로만 운동이 허용된다고 가정하였다. 차륜과 궤조륜간 접촉은 크리피지(Creepagc)와 크립력(Creep Force) 관계로 표현하였다.⁶

Fig. 3

Dynamic model

Table 2

Degree of freedom for dynamic model

Fig. 4

Wheelset model

Fig. 3과 같은 동역학 모델에 대한 운동방정식의 상태변수는 다음과 같다.

$\[ \begin{array}{l}X={\left[x_1,\dots x_{14}\right]}^T\\ ={\left[y_1,\dots y_3,{\phi }_1,\dots {\phi }_4,{\dot{y}}_1\dots {\dot{y}}_3,{\dot{\phi }}_1,\dots {\dot{\phi }}_4 \right]}^T\end{array} \]$

윤축, 대차, 차체에 대한 횡방향, 요방향 운동방정식은 다음과 같이 표현된다.

$\[ \begin{array}{l}{m}_w{\ddot{x}}_i=F_{Lxi}+F_{Rxi}+N_{Lxi}+N_{Rxi}+F_{si}+F_{Rxi}-m_{w}g{\phi }_i,i=1-2\\ m_w{\ddot{x}}_b=F_b\\ I_{wz}{\ddot{x}}_i=I_{wy}\left(V/r_0\right){\dot{\varphi }}_i+R_{Rxi}\left.\left(F_{Ryi}+N_{Ryi}\right)\right)+R_{Lxi}\left(F_{Lyi}+N_{Lyi}\right)-R_{Ryi}{F}_{Rxi}-\\ R_{Rxi}{F}_{Ryi}-R_{Ryi}{F}_{Rxi}+M_{Rzi}+M_{Lzi}+M_{si}+M_{dci},i=4-5\\ I_b{\ddot{x}}_6=M_b\\ I_c{\ddot{x}}_7=M_c\end{array} \]$

여기서,

$\[ \begin{array}{l}{F}_{s1}=2K_y\left(x_3-x_1+c{x}_6\right)+2C_y\left(x_{10}-x_8+c{x}_{13}\right)\\ F_{s2}=2K_y\left(x_3-x_2+c{x}_6\right)+2C_y\left(x_{10}-x_9+c{x}_{13}\right)\\ F_b=2K_y\left(x_1+x_2-2x_3\right)+2C_y\left(x_8+x_9+2x_{10}\right)+2K_{sy}\left(L{x}_7-x_3\right)+\\ 2C_{sy}\left(L{x}_{14}-x_{10}\right)+2C_{lat}\left(L{x}_{14}-x_{10}\right)\\ M_{s1}=2b^2{K}_x\left(x_6-x_4\right)+2b^2{C}_x\left(x_{13}-x_{11}\right)\\ M_{s2}=2b^2{K}_x\left(x_6-x_5\right)+2b^2{C}_x\left(x_{13}-x_{12}\right)\\ M_b=2b^2{K}_x\left(x_4+x_5-2x_6\right)+2b^2{K}_{sx}\left(x_7-x_6\right)+2b^2{C}_x\left(x_{11}+x_{12}-2x_{13}\right)\\ +2b_s^2{C}_{sx}\left(x_{14}-x_{13}\right)+2c{K}_y\left(x_1-x_2-2c{x}_6\right)+2c{C}_y\left(x_8-{\mathrm{x}}_9-2c{x}_{13}\right)\end{array} \]$

임계속도 해석은 Fig. 5와 같은 순서로 진행된다. 먼저 차륜과 궤조륜간에 답면형상을 이용하여 기하학적 접촉특성(Contact Geometry)해석을 수행한다.⁷ 여기서는 시제대차의 차륜과 궤조륜에 대한 실측 형상을 적용하여 기하학적 접촉해석을 수행하였다. 그리고 초기치를 윤축의 횡변위로 설정한 후 운동방정식에 대한 초기치 응답을 구한다. 이때, 크립력은 차륜/궤조륜 접촉해석 결과를 이용하며 크리피지와 크립력 계산은 Oldrich Polach의 크립력 계산방법을 사용하였다.⁸ 그리고 해석결과에 대하여 주행속도에 대한 안정 영역의 한계인 리미트싸이클(Limit Cycle)을 구하여 Bifurcation 선도를 구하였다.⁹ Table 3은 임계속도 해석에 적용한 특성치를 나타낸다.

Fig. 5

Flow chart of the critical speed analysis

Table 3

Properties of the dynamic model

Fig. 6은 해석모델에 대한 Bifurcation 선도를 구하기 위하여 속도 증가에 따른 윤축의 거동을 해석한 사례이다. 속도 166 km/h 대역 이하에서의 속도에서는 초기치에 대한 윤축의 응답이 0로 안정적으로 수렴하다가 그 이상의 속도 대역에서는 속도가 증가함에 따라 일정 진폭으로 반복되는 주기해를 나타내는 거동을 보인다. Fig. 7은 이러한 해석결과에 대하여 최종적으로 구한 속도에 따른 주기해의 진폭을 나타내는 Bifurcation 선도이다. 그림에서 선도의 오른쪽 영역은 불안정 영역으로서 해석모델의 불안정성이 발생할 수 있는 속도의 최소값인 임계속도는 169.2 km/h 대역으로 예측된다.

Fig. 6

Axle displacement analysis to calculate the bifurcation diagram

Fig. 7

Bifurcation diagram of wheelset displacement

3. 임계속도 시험

3.1 시험 개요

시제대차에 대한 임계속도 해석결과의 타당성을 검증하고자 대차동특성시험기를 이용한 임계속도 시험을 수행하였다. 대차동 특성시험기는 실제 선로 주행시험에 앞서 실험실에서 임계속도, 승차감과 같은 동적 성능 검증을 위한 시험장비이다.

본 논문에서 이용한 대차동특성시험기는 Fig. 8과 같이 1개의 대차만 시험대차로 하는 반구동방식 주행시험대로서 주요 사양은 Table 4와 같다. 시험기의 최고 시험속도는 420 km/h이며 레일에 상당하는 궤조륜 직경은 1,376 mm이다. 총 7개의 유압액추에이터가 설치되어 횡방향, 수직방향, 요방향으로 정현파, 실궤도틀림 모사 가진이 가능하다.

Fig. 8

Roller-Rig test facility

Table 4

Specification of roller-rig tester

3.2 시험 결과

임계속도 시험은 “철도차량 기술기준 KRTS-VE-Part51-2014 (R1) 도시철도차량”의 5.2.3 대차안정성시험에 의거하여 궤조륜 속도를 증가하면서 차량의 거동을 모니터링하는 방법으로 진행하였다.¹⁰ Fig. 9는 대차동특성시험기 상에 설치한 시제대차이다.

Fig. 9

Roller-Rig test

시험 중 차량 각 부의 동적거동을 측정하기 위하여 윤축, 대차에 대하여 속도, 변위 및 가속도센서를 설치하였으며 시험데이터는 1 kHz 샘플로 취득하여 저장하였다. Fig. 10은 임계속도 시험 데이터이다. 궤조륜 속도를 서서히 증가시키면 160 km/h 대역까지는 윤축, 대차의 변위는 안정적인 거동을 보이고 있는 반면, 그 이상의 속도 대역에선 진폭이 급격하게 증가하는 사행동(Hunting) 현상이 발생하고 다시 속도를 저하하면 안정된 거동을 보인다. 여기서, 사행동은 철도차량 차륜답면형상이 원추형에 기인한 철도 차량에만 나타나는 고유한 자려 진동현상으로 상당감쇠력이 저하하여 윤축의 주기적인 진폭이 반복되는 거동을 의미한다.¹¹ 사행동 발생 시, 윤축과 대차의 변위, 대차의 진동가속도는 현저하게 진폭이 증가하는 변화가 나타난다. 이에 비하여 윤축 진동가속도는 변화가 미미한 데 이는 사행동 진동주파수에 비하여 차륜/궤조륜 접촉으로 인하여 전달되는 고주파 진동 성분이 과대함에 비롯된 결과라 할 수 있다.

Fig. 10

Test data

그리고 Fig. 11은 윤축 사행동 발생 시의 주파수를 분석한 결과로서 사행동 주파수는 5.3 Hz였다. 이는 사행동 발생 시 윤축 거동에 대한 기하학적 주파수 공식인 Klingel 공식을 적용하여 구한 사행동 주파수가 5.6 Hz임과 비교하면 매우 근사한 결과를 보인다고 할 수 있다.¹² Fig. 12는 임계속도 해석에서 구한 Bifurcation 선도에 임계속도 시험 시 속도에 따른 윤축의 진폭을 구하여 비교한 선도이다. 윤축 진폭은 165 km/h에서 진폭이 급격히 증가하여 이 속도가 시제대차의 임계속도로 판정된다. 해석 시 임계속도가 169.2 km/h임에 비하면 약 4.2 km/h 정도 작게 발생하였지만 시험환경, 해석 모델의 오차, 물성치의 비선형성 등을 고려하면 매우 양호한 결과라 판단된다.

Fig. 11

Amplitude and frequency of wheelset hunting

Fig. 12

Test result of the critical speed test

따라서, 능동조향 시제대차의 임계속도는 165 km/h로 평가되며 시험선 성능 시험 시 장착될 도시철도차량 전동차의 영업 최고속도가 100 km/h임을 고려하면 시제대차의 안정성은 충분하다고 평가된다.

4. 결론

곡선구간 주행성능을 향상시키기 위하여 개발 중에 있는 능동형 조향대차 시제에 대한 주행안정성을 평가하고자 임계속도 해석 및 시험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

시제대차 설계안에 의거 임계속도을 해석을 수행한 바 임계속도는 169.2 km/h로 평가되었다. 그리고 해석 결과의 타당성을 검증하고자 대차동특성시험기를 이용한 임계속도 시험을 수행하였다. 시험결과 임계속도는 165 km/h로 평가되었다

따라서, 능동조향 시제대차의 주행안정성 한계인 임계속도는 해석 및 시험결과를 토대로 평가할 때 165 km/h로 평가된다. 본 시제대차는 추후 도시철도차량인 전동차에 적용하여 시험선 성능 검증을 수행할 계획이며 시험차인 전동차의 영업 최고속도가 100 km/h임을 고려하면 시제대차의 안정성은 충분하다고 평가된다.

Acknowledgments

본 논문은 국토교통부 철도기술연구사업의 연구비지원(과제명: 16RTRP-B067983-04)에 의해 수행되었습니다.

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