하이브리드 윤축을 적용한 고속열차의 주행안정성에 관한 연구

초록

일반적인 철도차량의 윤축은 일체형 윤축(Conventional Wheelsets)으로 좌우 차륜과 차축이 고정되어 같이 회전하고, 각각의 차륜 답면은 테이퍼 형태로 되어 있어 차량이 주행할 때 선로의 중심으로 복원되고, 곡선 조향에 유리하다. 그러나, 차륜의 기하학적 진동모드가 있어 임계속도가 존재하므로 초고속화에는 불리하다. 반면에 좌우측 차륜을 독립시켜 다른 회전수로 주행할 수 있는 독립 차륜(Independent Rolling Wheelsets) 방식은 이론적으로 임계속도가 없어 초고속화에 유리하나 중심 복원능력, 곡선 추종성능이 저하되는 단점이 있다. 이를 절충한 하이브리드 윤축(Hybrid Wheelsets)은 열차의 진행 방향에 따라서 일체/독립 회전 차륜으로 자동 변경되는 모듈형 윤축으로 기존 동역학적 성능을 개선할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 하이브리드 윤축을 적용한 고속열차를 철도차량용 동역학 소프트웨어인 VAMPIRE로 모델링하였는데, 대차의 전위 윤축은 일체형으로, 후위 윤축은 독립 차륜으로 구현하였다. 이 열차에 대한 동역학 해석 결과 기존 일체형 윤축을 적용한 차량의 임계속도는 702 km/h, 하이브리드 윤축을 적용한 차량은 1,296 km/h로 향상되는 결과를 보였다. 하이브리드 윤축을 적용한 고속열차에 대해 고속철도차량 기술기준 3.2.2 주행안전 관련 항목을 평가하였는데, 검토 결과 윤중 감소량, 횡압, 탈선계수는 고속철도차량 기술기준을 만족하였다. 350 km/h로 주행 시 하이브리드 윤축을 적용한 고속열차의 KS R 9216:2000에 따른 승차감 분석 결과 차체 횡방향은 보통(Not Uncomfortable), 차체 상하 방향은 매우 우수(Very Good Comfortable) 수준이었다.