능동 조향 성능 향상을 위한 제어연계 다물체 동역학 연구 - 황인경 (The Graduate School, Ajou University, 2017)
철도산업은 세계의 주요 도심과 광역도시를 잇는 교통수단으로 자리매김하고 있으며 승객과 화물 수송에 보다 정확하고 안전하게 이동시킬 뿐만 아니라 빠르고 안정적인 교통수단으로 발전하고 있다. 또한 대량 수송과 전기를 사용하는 점에 있어서 친환경 교통수단으로 일컫는다. 그러나 우리나라 도심의 선로계획에 한계가 있어 지하철의 급곡선 주행이 불가피하고 조향장치의 부재로 인해 곡선구간 주행 시 차륜과 레일에 저항이 발생하여 터널내의 소음과 마모, 탈선의 위험, 승차감 감소 등의 문제점이 발생한다. 따라서 이와 같은 주행환경과 유지보수 측면에서의 문제점을 개선하고 곡선추종성능을 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 먼저 실제 객차 정보를 이용하여 수동조향 방식의 다물체 동역학 모델을 개발한다. 동역학 모델을 기반으로 기존 대차에는 적용되지 않은 조향장치의 기구학적 모델을 설계하여 강체의 링크와 조인트로 전‧후 액슬박스(Axle box)를 구속하고 구동 매커니즘을 적용한다. 또한 조향장치 적용을 위한 코니컬 러버 스프링(Conical rubber spring)의 각 방향의 목표 강성을 갖기 위한 형상 최적설계를 수행한다. 최적화를 위해 방향에 따라 다른 강성을 갖는 축상 스프링의 설계를 구조해석과 RSM(Response Surface Method)을 통해 진행하며, 이를 시험결과와의 비교를 통해 전체적인 최적화 프로세스가 합당한 것을 입증한다. 그리고 곡률반경 측정을 위해 기존 곡률반경 측정알고리즘의 장‧단점을 파악하고 기존 수동조향 대차에 적용이 용이하도록 대차와 차체의 상대 변위를 통해 곡률반경을 측정하는 새로운 방법을 적용한다. 또한 실시간 제어를 위해 좌‧우측 액슬박스(Axle box)와 대차의 변위를 이용하여 조향각을 측정하는 새로운 알고리즘을 제안한다. 다음으로 철도차량 다물체 동역학 모델에 목표 조향각과 현재 조향각의 측정값을 적용하여 PID제어를 통해 동역학-제어 연계 해석을 수행한다. 그리고 곡률 반경을 측정 하는 과정에서 선로의 불규칙이나 센서의 오류 등에 의해 발생하는 데이터의 외란을 줄이기 위해 저역 통과 필터(Low pass filter)를 적용하며 차단 주파수(Cut-off frequency)에 따른 영향도를 확인한다. 곡률반경 측정 방법과 제어 시점을 적용한 제어 알고리즘을 제안하고 이에 따른 곡률반경 측정 및 동특성 해석을 수행한다. 또한 실제 선로의 곡률 및 불규칙 정보를 이용하여 실제 곡선 선로 모델을 개발하고 실제 운행 차량의 속도를 적용하여 동특성 해석을 수행함으로써 실제 주행 능동 조향 차량의 곡선주행 특성 및 안전성을 입증한다. 본 논문은 동역학-제어 연계 해석을 이용한 능동 조향 대차의 조향성능 해석 및 안전성 해석을 주 내용으로 다루고, 기존에 수동 모델에 적용된 코니컬 러버 스프링(Conical rubber spring)의 형상 최적화를 통해 능동 조향 대차에 적합한 코니컬 스프링을 개발하여 기존 모델과 개선 모델을 적용한 동특성 해석을 통해 적합성을 확인한다. 그리고 능동 조향 대차 개발에 중요한 요소인 곡률반경에 타당한 측정방법을 제안하고 기존 대차에 적용하여 타당성을 확인한다. 곡률반경 측정은 저역 통과 필터를 적용하여 외란을 제거하며, 시간 지연과 데이터의 완만화(Smoothing)의 정도를 파악하고 적정 주파수를 확인한다. 그리고 곡률반경 측정 방법에 따른 곡률반경 측정의 타당성을 확인한다. 또한 기존 방법보다 강건한 조향각 측정 알고리즘을 제안하여 적용하고 측정된 조향각과 목표 조향각을 이용한 제어해석을 이용하여 동특성 해석을 수행한다. 그리고 특정 곡률반경 이하에서 능동 조향이 적용되는 제어 시점 알고리즘을 제안하여 동특성을 확인하고 조향성능과 차륜 및 레일의 횡압을 통해 제어 알고리즘의 적정성을 확인한다. 선로 검측차와 제어 알고리즘을 적용한 대차의 곡률반경 측정값을 비교하여 곡률반경 측정방법의 타당성을 확인한다. 실측 데이터를 이용하여 선로 모델을 개발하고 실측 선로를 이용한 동특성 해석을 수행한다. 곡률반경 추종 성능, 윤축 횡 변위, 공격각, 조향각, 마모지수 등의 해석을 통해 차량의 조향성능을 확인하고, 탈선계수, 윤중감소량, 횡압을 해석하여 철도 안전 기준에 적합한지 확인한다. 마지막으로 승차감해석을 통해 탑승자의 안락함을 확인한다. 이러한 지표를 통해 수동조향 대차 대비 능동 조향 대차의 조향성능과 탈선 안전도 등의 우수함을 검증한다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2017. 8
Keywords: 능동조향; 도시철도차량; 제어연계 동특성해석