축소모델을 이용한 마모차륜답면형상의 임계속도 평가

Abstract

국내 기존선로, 도심 전동차 운용 구간과 같이 곡선비율이 높고 선형이 취약한 선로에서의 차량 운용은 차륜답면의 과도한 플랜지 마모를 초래하여 차량의 동적 성능 및 주행안전성을 저하시키는 요인이 될 뿐만 아니라 유지보수 비용을 증가시키는 애로점이 되고 있다. 최근에는 고속철도의 운용 기존선용 고속차량의 개발과 더불어 차량의 고속 주행 시의 안전성 확보와 균일한 동적 성능 확보 측면에서 차륜답면형상에 대한 효율적 마모관리 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 개발 차량의 성능 인증과정에서는 현재 원형 차륜답면형상 조건에서의 차량 시험에 추가하여 영업운용상의 안전 확보를 위하여 차륜답면형상의 마모 한도를 고려한 시험 기준의 정립이 필요한 시점이다. 그러나, 이전의 차륜답면형상에 따른 동적 거동 특성 연구는 대부분 해석적인 연구에 한정되어 그 타당성을 입증하기엔 한계가 있는 것이 사실이다. 특히 차륜답면형상 마모에 의한 임계속도 영향 분석에 대한 연구를 실험과 병행하여 수행된 사례는 없다. 따라서, 본 논문에서는 차륜답면의 마모가 차량의 임계속도에 미치는 영향을 분석하고자 임계속도에 대한 이론 해석과 축소모델을 이용한 실험적 검증 연구를 수행하였다. 이를 위하여 국내에서 운용중인 차륜답면형상에 대한 마모 형상을 실측하였으며, 누적주행거리에 따른 마모 유형과 특성을 분석하였다. 차륜답면형상의 마모 샘플에 대한 차량의 임계속도 변화 분석을 위하여 마모 차륜답면형상의 비선형적 차륜/레일 접촉 특성을 고려한 수치해석을 수행하였다. 임계속도 해석을 위한 동역학 모델로 Full scale 대차 모델과 1/5 scale 축소대차 모델을 대상으로 하였다. 차륜/레일간 비선형적 접촉특성을 고려한 수치해석 모델을 구성하였으며, 원형 차륜답면형상과 마모 차륜답면형상 샘플을 적용한 임계속도 해석을 수행하였다. 임계속도 해석결과, Full scale 대차모델과 1/5 scale 축소대차 모델의 차륜답면형상 샘플에 따른 임계속도는 매우 유사한 경향을 보여 축소모델 활용에 따른 가능성을 확인할 수 있었다. 이론 해석 결과에 대한 타당성을 검증하기 위하여 축소법칙과 실제 차량의 시험조건을 고려한 1/5 scale 규모의 축소 대차주행시험대, 축소대차, 축소 차륜을 설계하여 시제품을 제작하였다. 원형과 마모 차륜답면형상에 축소 차륜 시제품에 대한 임계속도 평가 실험을 수행하여 이론해석 결과와 비교하여 그 타당성을 입증하였다. 또한, 차륜답면의 마모와 차량 임계속도간의 관계를 고찰함으로서 원추형 답면형상과 원호형 답면형상간의 마모에 따른 임계속도 영향의 차이에 대하여 규명하였다. 따라서, 차륜답면형상 설계 특성에 따라 마모 특성과 그에 따른 임계속도의 영향도 상이한 결과를 초래함으로 차량 설계시 향후 차륜답면의 마모를 고려하여 영업 운용 속도 대역까지 충분한 안전도를 확보할 수 있는 설계가 고려되어야 할 것이다. 이와 관련된 설계 방안으로는 차량 운용시 차륜답면형상에 대한 마모 관리 기준 마련이나 임계속도 변화를 고려한 대차 설계 파라미터 특성치 선정, 그 외 차량의 안정성을 향상시킬 수 있는 부속장치 적용 등도 고려할 수 있다. 위와 같은 연구 결과를 토대로 본 논문에서 도출된 연구 결과는 국내에서 운용중인 차륜답면형상에 대한 효율적 유지관리, 차량 고속 주행 시 안정성 확보, 신차 설계및 시험인증 분야에서 유용하게 활용될 것으로 기대한다.