R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C098408-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 차륜/레일 동적 접촉실험을 통한 크리프곡선 산출 및 한국형 차륜형상 설계안 제시 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-02 ~ 2017-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 구자춘 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
12명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 200,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 200,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 성균관대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-001926-01 | |||||
| ISBN | 979-11-960606-7-1 | |||||
| 주요 내용 |
■ 고속전철의 고속화로 인한 크리프(creep) 현상 연구의 필요성 대두 o 고속전철의 고속화 경쟁 및 기술의 진보에 의해 고속으로 주행하는 고속전철의 동특성을 파악하고 예측하는 기술이 중요해짐 o 고속 주행에서 고속전철의 주요 가진원은 차륜/레일 접촉, 공기저항, 판토그래프의 접촉 등이며, 이 중 차륜/레일 접촉 주행 시 차륜의 미끄러짐을 나타내는 크리프 현상은 그 해석이 어렵고 그 연구가 상대적으로 미미한 것으로 알려져 있으나, 철도차량의 헌팅(hunting), 사행동(snake motion) 등 고속 주행 시 고속전철의 동특성 및 주행안정성에 관계된 중요 핵심 분야로서 연구 필요성이 증대됨 ■ 고속 주행 시의 크리프(creep) 현상 연구에 대한 실험적 접근방법의 필요성 o 그러나 최근의 연구에서 고속 주행 영역에서 기존 크리프 이론과 크리프 실험 간의 상이함이 주장되어 기존의 크리프 이론을 대체할 새로운 이론의 제안이 필요하나, 고속 주행 시의 크리프 현상을 모사하는 실험 장치를 구축하는 것이 난해하다는 일부 외국의 기초적인 연구가 보고 되었음 o 따라서 국내에는 전무한 고속 주행 시의 크리프 현상을 정밀하게 모사하는 물리적 상사모델을 구축하고 크리프 모사 실험을 수행하고 이를 분석하는 기술의 필요성이 대두됨 o 또한 고속 주행 시 크리프 현상에 대한 실험적 모사를 넘어 물리적 상사모델을 이용한 크리프 현상에 대한 이해를 바탕으로 이를 실제적으로 고속전철 설계에 반영할 방법이 요구되어지고 있음 o 크리프 현상이란 차륜/레일 접촉, 주행 시 발생하는 차륜의 미끄러짐 현상으로써 철도차량의 헌팅(hunting), 사행동(snake motion) 등 비선형성뿐만 아니라 철도차량 안정성에 영향을 미치기 때문에 고속전철 비선형성 및 주행안정성에 대한 핵심연구 분야임 o 크리프곡선은 크리프와 크리프를 발생시키는 힘인 크리프력의 상관관계를 나타낸 그래프로써, 기존 비선형 크리프이론에 따르면 특정 크리프 이후 크리프력이 수렴하는 현상을 나타냄 o 최근 연구에서 크리프 측정 실험을 통해 구한 크리프곡선에서 일정 크리프 이후 크리프력이 일정한 값에 수렴하는 기존 크리프 이론에 의한 크리프곡선과 달리 크리프력이 수렴하지 않고, 감소하는 새로운 현상이 나타나는 것을 확인함 o 크리프곡선의 형태는 철도차량 동특성에 영향을 미치는 중요한 요소로써 크리프곡선의 형태가 달라지면 철도차량 동특성 역시 달라지므로, 크리프 측정 실험을 통해 확인할 수 있는 크리프곡선 감소 현상과 철도차량 비선형 동특성 연구를 위해서 실험연구 기법 및 실험방식에 대한 원천기술 개발 연구 및 크리프 측정 실험연구를 통한 크리프곡선 감소 현상에 대한 연구가 필요함 o 설계인자 변화에 따라 크리프곡선의 형태가 달라지며 철도차량의 동특성이 달라지기 때문에, 최상의 주행 상태를 유지할 수 있는 크리프곡선의 형태를 추정할 수 있다면 이에 맞는 고속전철의 설계가 가능할 것이며, 고속화, 안정화 확보가 가능함 o 따라서 크리프곡선 감소 현상 이해와 동시에 여러 실험을 통한 최적의 크리프곡선 형태를 산출 및 역추적하여 국내의 환경적 여건 상 최상의 주행 상태를 유지할 수 있는 한국형 차륜 형상 개발 및 개발 프로세스 정립이 필요함 [최종목표] 500 km/h급 고속전철의 차륜/레일의 상사모델을 이용하여 직선 및 곡선주행을 모사할 수 있는 비선형 동특성 측정기술 개발 및 크리프곡선 형상 산출을 통한 한국형 차륜 형상 설계안 제시 ？ 차륜/레일 상사모델을 통한 비선형 크리프 측정 실험기기 설계기술 개발 ？ 상사기법을 이용한 비선형 크리프 측정기기 설계안 확립 ？ 케이스 스터디를 통한 크리프곡선 산출 프로세스 정립 ？ 측정 실험을 기반으로 크리프 현상 이해와 크리프곡선을 통한 차륜 형상 설계안 제시 ？ 곡선주행을 모사할 수 있는 크리프 측정 실험기기 개선 프로세스 정립 ？ 크리프곡선 감소 현상 이해와 원인 규명을 통한 철도차량 비선형 동특성 이해 [연구내용 및 범위] ■ 1차년도 연구내용 및 최종성과물 ？ 차륜/레일 상사모델을 통한 비선형 크리프 측정 실험기기 설계기술 개발 ▶ 상사기법을 이용한 비선형 크리프 측정기기 설계안 확립 ▶ 케이스스터디를 통한 크리프곡선 산출 프로세스 정립 ？ 기존의 크리프곡선에서는 크리프력이 수렴하는 결과를 나타내지만, 최근 실험 연구에서 크리프가 증가함에 따라 크리프력이 감소하는 현상이 발생하는 것을 확인하였기 때문에 이에 대한 원인규명을 위해 크리프 측정 실험이 필요함 ？ 철도 분야 특성 상 실차 실험은 현실적, 공간적으로 쉽지 않기 때문에, 상사모델을 사용하여 간이실험을 진행하는 경우가 많음 ？ 상사모델 설계에 앞서 상사기법에 대한 사전연구를 통해 상사모델 이해 도모 ？ 상용 FEM 프로그램을 이용한 개념설계 타당성 검토과정과 CAD 프로그램을 이용한 상세설계 과정을 정리하여 철도차량 윤축의 상사모델 및 크리프 측정 실험장치 설계안 확립, 제작 ？ 측정실험에서 케이스스터디를 위한 조작변수로써 크리프 변화에 영향을 미치는 많은 설계인자 중 대표적으로 차륜 답면구배, 마찰, 윤축 및 차륜에 가해지는 하중조건 선정 ？ 실험을 통해 차륜의 횡변위 및 횡력을 측정하고, 이로써 상사모델의 크리프곡선을 추정 ？ 추정된 크리프모델을 적용하기 위한 철도차량 이론모델 개발 ？ 철도차량 이론모델에 적용하여 기존 크리프이론 적용 시의 결과와 비교함으로써 국내 철도차량의 적용 가능성 확인 ？ 최종성과물 ▶ 상사기법을 이용한 비선형 크리프 측정기기 설계 프로세스 정립 및 제작 ▶ 케이스스터디를 통해 측정한 데이터를 바탕으로 한 크리프모델 추정 프로그램 ■ 2차년도 연구내용 및 최종성과물 ？ 곡선주행 모사를 통한 크리프 현상 이해와 크리프곡선 산출을 통한 차륜 형상 설계안 제시 ▶ 곡선주행을 모사할 수 있는 크리프 측정 실험기기 개선 프로세스 정립 ▶ 크리프곡선 감소 현상 이해와 원인규명을 통한 철도차량 비선형 동특성 이해 ？ 직선주행과 비교하여 곡선주행을 모사할 수 있는 설계변수 선정 (캔트량, 차륜/레일 접촉위치, 곡률반경 등) ？ 새로운 실험기기 설계가 아닌 크리프 측정 실험기기 개선 프로세스 정립 ？ 크리프 측정 실험을 통해 크리프곡선을 산출하고, 기존의 크리프곡선과 비교함으로써 크리프곡선 감소 현상에 따른 철도차량 동특성 영향 규명 ？ 철도차량 동특성 해석을 위한 철도차량 이론모델 개발 ？ 최종성과물 ？ 크리프곡선 감소 현상 이해 등, 크리프 현상에 관한 물리적 이해 ？ 곡선주행 모사 시 최적의 크리프곡선 제시를 위한 프로그램 ？ 한국형 고속전철 고속화 및 안정성 향상을 위한 차륜 형상 설계안 |
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| 색인어 | 한글 | 차륜/레일 접촉 | 크리프 곡선 | 비선형 해석 | 차륜 형상 | |
| 영문 | wheel/rail contact | creep curve | nonlinear analysis | wheel profile | ||
| 최종보고서 | 철도 최종보고서 (성균관대학교).pdf | |||||