213 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR213A121 차세대동력분산고속열차 (HEMU-43X) 의주행안정성 Evaluations of safety and running behavior for Korea s next-generation high speed train (HEMU-43X) 최두호 *, 전창성 *, 오혁근 *, 고상진 *, 김석원 * Dooho Choi *, Chang Sung Jeon *, Hyuck Keun Oh*, Sang Jin Go*, Seok-Won Kim * Abstract This study reports the dynamic behavior of HEMU-43X, the Korea s next-generation high speed train, during its speed tests conducted on the 2 nd -phase Kyungbu-high-speed line that connects Busan and Daegu. Each test was performed with a speed increase by 1 km/h to arrive at the highest speed of 421.4 km/h, placing it the 4 th fastest train in the world. The dynamic behavior of the trains, i.e., safety and running behavior, associated with each testing speeds were analyzed using Simplified method suggested by UIC 518 OR. The results indicate that safety overall meets the criteria while the tail car closely approach the limit value. For the running behavior, it was shown that the value for the tail car is slightly above the limit value. The results of this study will be used for improved dynamic behavior as well as in preparation for additional speed tests in the future. Keywords : Dynamic behavior, Safety, Running behavior, Electric multiple unit, speed test 초록본연구는차세대동력분산식고속열차인 HEMU-43X 의최고속도시험중분석한주행안정성결과에대해보고한다. 경부고속철도 2 단계구간 ( 부산 ~ 대구 ) 에서시행된증속시험은 3 km/h 부터시작해서매회 1 km/h 씩증속하여세계 4 위에해당하는최고속도 421.4 km/h 를기록하였다. 매시험마다 UIC 518 OR 에서제시하는 simplified method 를적용하여주행안정성, 즉탈선등과관련된안전성 (safety) 및승차감과관련된주행거동 (running behavior) 에대해분석하였다. 4 km/h 이하에서는안전성및주행거동측면모두기준값을만족하나, 4 km/h 이상에서는후미차량의경우안전성기준을만족하지만상한선에근접하고, 주행거동측면에서는후미차량이기준값을약간상회하였다. 이결과는차량의주행안정성보강및향후추가증속을위한자료로사용될것이다. 주요어 : 주행안정성, 안전성, 주행거동, 동력분산식, 증속시험 1. 서론 차세대분산형고속철도차량 (HEMU-43X: High speed Electric Multiple Unit-43km/h experiment) 은 27년부터정부주도로개발이진행된국내최초의동력분산형추진시스템을채택하였다. 최고속도 43km/h, 운영속도 37km/h을목표로경부고속철도 2단계 ( 대구 ~ 부산 ) 구간에서시운전이진행되었으며, 증속시험시운전기간중에세계 4위에 교신저자 : 한국철도기술연구원차세대고속철도기술개발사업단 (dhchoi@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원차세대고속철도기술개발사업단
해당하는최고속도 421.4km/h를기록하였다. 새로개발된차량을시운전하면서가장중요한평가항목중의하나는탈선등안전과직결된차량의주행안정성, 즉차량의안전성과주행거동을분석하는것이다. 본연구에서는 421.4km/h까지증속시험을하는동안수행하였던주행안정성평가방법, 시험개요, 그리고주행안정성분석결과에대해보고한다. 2. 본론 2.1 주행안정성분석방법 2.1.1 평가방법 Table 1 Processing conditions and limit values for dynamic behavior using measured acceleration 항목허용한도 ( m s2 ) 데이터처리기준 안전성 12-M b/5mb = 대차횡가속도 1 Hz Low Pass Filter 대차질량 (ton) 차체횡가속도 3. 6 Hz Low Pass Filter 차체상하가속도 3..4~4. Hz Band Pass Filter Max. R.M.S. 주행거동 차체횡가속도 2.5.5.4~1. Hz Band Pass Filter 차체상하가속도 2.5.75.4~1. Hz Band Pass Filter 안전성및주행거동평가는 EN14363:25(UIC 518 OR) 에서제시하는방법에따라분석하였다. 이방법은대차횡가속도와차체의횡및상하가속도를측정하고, 측정값에대해 EN14363:25에서제시하는방법에따라필터를적용하였다. (Table 1) 필터를적용한데이터를일정한거리의구간으로나누고상위 99.85% 또는하위.15% 값중큰값의절대값및 rms(root mean square) 값을해당구간의대표값으로정한다. 실제 EN4363:25에서는 25개이상의 5m 구간을선택하도록제시하지만이를위해서는 12.5km 이상을고속주행하여야하기때문에본선시운전에서이조건을만족시키기힘들다. 따라서주행속도와구간에따라한구간의거리를 1 ~ 2m로선택하여평가하는방법을적용하였다. 각구간에서계산된통계값은전체시험구간에서취합하고취합된값의평균값 (X mean ) 과표준편차 (s) 를이용하여예측값 (X m ) 를식 (1) 로구한다. X m =X mean +s k (1)
여기서 k는평가항목및가속도특성에따른지수로서안전성관련항목은 3이며, 주행거동관련항목은 2.2를사용토록하고있다. 표 1은안전성과주행거동평가항목에대한허용한도값과적용필터값을정리하였다. 대차횡가속도의기준값은대차의질량 (Mb) 에따라달라지는데, 예를들면 MC차량의대차질량은 7.663ton이므로허용한도기준은 1.47m/s 2 가된다. 2.2 분석결과 2.2.1 차량구성및가속도계배치 Fig. 1 The formation of HEMU-43X HEMU-43X는 Fig.1에서보듯이 6량 1편성이며, 제어객차인 TC(Trailer car + Controlled), 동력객차인 M1~M4(Motor car), 제어동력차인 MC(Motor car + Controlled) 로구성되어있다. 각차량당 2대의독립대차가연결되어총 12대의대차로이루어져있다. 차체, 대차, 차축에는총 121개의가속도센서가설치되어있고, 가속도센서는 ICP type, capacitance type, strain gauge type 등총 3개의타입으로구성된다. 이중차축에는 AC coupling된신호를측정할수있는 ICP type의가속도계가장착되어있고, 차체와대차는 ICP 가속도계와함께 DC 성분을측정할수있는 capacity type과 strain gauge type의가속도계를모두사용하고있다. [1] 2.2.2 가속도데이터 Speed [km/h] 4 3 2 1 Speed Speed [km/h] 4 3 2 1 Speed 1 Bogie Lateral, 1Hz LPF 1 Bogie Lateral, 1Hz LPF -1-55 -1-55 -1.5 Body Lateral, 6Hz LPF -1.5 Body Lateral, 6Hz LPF -1.5 36 35 Body Vertical,.4~4Hz BPF 34 33 32 KP 31 3-1.5 36 35 Body Vertical,.4~4Hz BPF 34 33 32 KP 31 3 (a) (b) Fig. 2 Examples of lateral acceleration for bogies, and lateral/vertical acceleration for car bodies for (a) TC and (b) MC cars.
선두차량 (TC) 과후부차량 (MC) 에대해대차및차체의수직과수평방향가속도측정결과의예를 Fig. 2에나타내었다. 그림에서보듯이대차및차체가속도는선두차량보다후미차량에더크게나타나는데, 이것은차량의고유치분석을통해구한좌우방향흔들림주파수와차량의횡방향운동의주파수가비슷해졌을때공진하는현상이다. [2] 2.2.3 안전성 37km/h이상고속으로주행시시제차량 6량의대차및차체의주행안전성을 EN14363:25 방법으로분석한결과를 Fig. 3에나타내었다. 그림에서차량번호 1번이선두차량 (TC) 이고, 차량번호 6번이후부차량 (MC) 이다. 전체적인주행안전성은고속주행시에도양호하나최고속도시험 () 에서 MC차량대차횡가속도가허용한도에근접함을알수있다. 따라서향후최고속도시험을추가로실시할때는 MC차량의좌우방향진동을저감시킬필요가있다. 15 Bogie Lateral Acceleration (m/s 2 ) 1 5 3.5 3.5 Body Lateral Acceleration (m/s 2 ) 3. 2.5 2. 1.5 1..5 Body Vertical Acceleration (m/s 2 ) 3. 2.5 2. 1.5 1..5.. Fig. 3 Dynamic behavior (safety) for HEMU-43X 2.2.3 주행거동 Figure 4 는 EN14363:25 방법으로주행거동관점에서차체가속도신호를분석한것이다.
횡방향및수직방향최대가속도, 수직방향 RMS값은기준치이내이나, 후미진동의영향으로차체횡방향의 RMS값은 에서기준치인.5m/s 2 을초과하는경우가있었다. 하지만, 이는차량의안전성과는관련이없고, 승차감이저하되는부분이기때문에증속시험을계속진행하였으며, 차후실용화단계에서추가적인현가장치도입으로감소될것으로기대된다. 차체의수직가속도는 M3차량에서높은경향을보이는데, 이는 M3차량의중량이가장가볍기때문에상하방향진동이더높은것으로사료된다. 3 3 Body Lateral Acceleration (m/s 2 ) 2 1 Body Vertical Acceleration (m/s 2 ) 2 1 1. 1. Body Lateral Acceleration (m/s 2 ).9.8.7.6.5.4.3.2 Body Vertical Acceleration (m/s 2 ).8.6.4.2.1.. Fig. 4 Dynamic behavior (running behavior) for HEMU-43X 3. 결론차세대분산형고속철도차량 (HEMU-43X) 의주행안정성을 EN14363:25 에방법에따라 대차와차체에서측정된횡가속도및상하가속도를이용하여분석하였다. 증속시험분석 결과, 안전성측면에서는기준을만족하였고, 주행거동측면에서는기준을약간초과 하였으나이는승차감과관련된부분이라 421.4km 까지증속시험은계속수행이되었다. 전반적으로후미차 (MC) 의대차횡가속도가 421.4km/h 주행시허용기준치에근접하므로 추가적인증속을위해서는댐핑계수가높은안티요댐퍼설치및현가장치의최적화가 필요할것으로예상된다.
후기 본연구는국토교통과학기술진흥원에서지원하는미래철도기술개발사업중 43kph 급 고속열차실용화기술개발과제의일환으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] Sang-Hyun Ryu, Sang-Soo Kim, Jun-Hee Hong, Doo-Sang Song et al. (213), Safety Evaluation of the Dynamic Behavior of HEMU-43X using the Accelerometers of UIC 518 OR, Journal of the Korean Society for Railway, 16, pp. 329 [2] Chang-Sung Jeon, Young-Guk Kim, Seok-Won Kim, Sang-soo Kim, et al. (212), A Study on Tail Vibration Reduction for the Next Generation High Speed EMU, Journal of the Korean Society for Railway, 6, pp. 543-549