2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A205 ITX 청춘차량주행저항에대한고찰 Study of running resistance for ITX train 이재안 *, 김응천 *, 김대훈 * Jae-an Lee *, Eung-Cheon Kim *, Dae-Hun Kim * Abstract ITX train is comprised of 8 Cars that have the performance the max operating speed, 180km/h (Design speed - 198km/h) and become a national topic of conversation because this train have two doubledecker cars. The existing train are divided by general train operated below 150km/h and KTX train operated over 300km/h in Korea. Because ITX train is operated at new speed range(180km/h), the running resistance should be checked by running test. In this paper, it shall be reported that the running resistance test process, result and relation with formula tested for the main line Keywords : Running resistance, ITX train, Coast-down test 초록 ITX 청춘차량은운영최고속도 180km/h( 설계속도 198km/h) 의성능을갖는 8 량 1 편성의열차로서국내에서는처음적용되는 2 층열차가편성중간에 2 량적용되어있어화제가된차량이다. 기존의국내철도차량이 150km/h 이하의저속차량과 300km/h 이상의 KTX 차량으로나뉘어져있으나, 180km/h 급대의차량을새로이제작함에따라새로운속도영역대차량에대한주행저항을확인해야할필요성이대두되었다. 본논문에서는 ITX 청춘차량이본선주행시험기간동안수행되어진주행저항시험에대한진행과정과결과, 주행저항식과의관계에대해고찰하였다. 주요어 : 주행저항, ITX 청춘, 타행시험 1. 서론열차의주행저항은열차의성능계산이나운행계획에필요한항목으로일반적으로구름마찰이나미끄럼마찰, 공기에의한항력, 선로의구배조건, 가속도, 곡선반경, 터널등에따라결정된다. 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 방법에의해열차의주행저항을계산하는것이가능하지만실제로는계산이복잡하고, 고려해야할변수들이많아주행저항시험을통한실험식으로예측하고있다. 본논문에서는 ITX 청춘차량이본선주행시험기간동안수행되어진주행저항시험에대한진행과정과결과, 주행저항식과의관계에대해고찰하였다. 교신저자 : 현대로템 ( 주 ) 제동개발팀연구원 (jaean@hyundai-rotem.co.kr) * 현대로템 ( 주 ) 제동개발팀연구원
2. 본론 2.1 ITX 청춘차량적용주행저항식 2.1.1 주행저항식소개 흔히 Davis equation 이라불리는주행저항식은아래와같이상수항, 속도에비례하는항, 속도의제곱에비례하는항의합으로구성된다. (2.1) 여기서, a, b, c 는각각 (N), (N s/m), (N s 2 /m 2 ) 의차원을가지는상수이다. 열차의주행저항은위의세가지항에의한주행저항외에가속도, 구배, 곡선등에서의주행저항을극복해야하는데이는주행저항보정식에의해보정을할수있다. 2.1.2 주행저항검증을위한기준주행저항식주행저항식에대해서는각나라마다여러가지환경조건및차량구성조건등을고려하여기준이되는식을보유하고있다. 일반적으로국내전동차에쓰이는주행저항식은다음과같다. 이식은 150km/h이하대의저속전동차량에는기준이되는식으로서이용이되어왔으나, ITX청춘차량과같이 200km/h에근접하는차량에도적용가능한지는시험을통한검증이필요하다. 지하 : (kgf/ton) (2.2) 지상 : (kgf) (2.3) V는속도 (km/h), W m 은 (M-car의중량 ), W t 는 (T-car의중량 ), n은편성당차량수이다. 2.2 ITX 청춘차량주행저항시험및결과측정 2.2.1 시험진행 ITX 청춘차량의주행저항시험은우선 150km/h 이하대의저속국내전동차에쓰이던주행저항식중지상구간식인 2.3 식을기준식으로설정한후, 시험을통해검증해보기로하였다. 또한, 주행저항시험이타행으로속도가저하되는됨을확인하여진행하는방식이기에 ITX 청춘차량이운행되는경춘선본선구간이 100km/h 이상의주행저항시험을하기에는적절하지않아, 100km/h ~ 1km/h 까지는경춘선본선구간에서시험하였고, 180km/h ~ 100km/h 까지는원활한시험을위해광명 ~ 대전간 KTX 구간을이용하여야간에시험을진행하였다. 2.2.2 계측방법시험방법은주행저항시험을위해구간내가능한최고속도에서타행 (Notch off) 으로일정단위로속도를측정한다. 초기속도에서목표속도까지도달되는데소요되는시간을통해평균감속도를측정한후, 열차의질량을곱하여평균주행저항을측정후속도와주행저항과의관계를 Graph 를 plotting 한다. 그후, 주행저항 (r) 과속도 (v) 의관계를통해오차의원인을분석, 고찰하였다.
2.2.3 시험 결과 시험은 180km/h ~ 1km/h까지의 전 영역대에 대한 각 운행 방향별 2회, 총 4회 수행하여, 주행저항 및 관련그래프를 도출하였고 아래 Fig 1~4로 나타내었다. Fig 1. Tc1차 방향 - 1회 Fig 2. Tc1차 방향 - 2회 Fig 3. Tc2차 방향 - 1회 Fig 4. Tc2차 방향 - 2회
2.3 고찰 ITX 청춘차량의주행저항값의기준이되는식은국내에서 150km/h 이하로운행되는 EMU 차량지상구간에서적용해오던식 2.3 으로 ITX 청춘차량의중량및열차구성등의정보를입력하여아래와같이식 2.4 의이론식으로정의될수있다. 이론식 : (kgf/ton) (2.4) 또한, 각속도별로측정된 Fig 5 의주행저항실측평균값그래프를통해 ITX 청춘차량의주행저항값이 2.4 항의이론식을벗어나지않고만족됨을확인하였다. 그러나, ITX 청춘차량은지상에서만운행되는차량이기에지하에서운행시 2.2 항의식을사용할수있을지에대해서는 180km/h 급대로운행될수있는노선이있어야확인이가능할것이다. Fig 5. ITX 청춘주행저항속도별실측평균값
3. 결론 국내에서기존에없던 180km/h 의속도영역대로운행되는 ITX 청춘차량이새로제작됨에따라 2 항과같이주행저항을시험하였고, 아래와같은결론을얻을수있었다. (1) 국내에서 150km/h 이하의속도대역에서일반적으로사용되던 EMU 차량용지상주행저항식을기준으로적용하여 180km/h 차량에대한주행저항을시험하였고, 100km/h ~ 200km/h 급차량에서도 EMU 차량용지상주행저항식을그대로적용할수있음이확인되었다. (2) 추후지하구간을주로운행하는 GTX 차량이계획중인바, 해당차량 / 노선의제작및실험시준고속차량의지하주행저항식에대해서도시험을통해규정 / 확인할수있을것으로판단된다. 참고문헌 (1) 박찬경 (2009) 철도차량의주행저항측정방법의관한고찰, 한국철도학회논문집 (2) 김영국등 (2005) 한국형고속열차의주행저항평가, 한국철도학회논문집 (3) 김응천등 (2008) 철도차량의주행저항에관한연구, 한국철도학회추계학술대회