Recently, high-speed EMU aiming the operation speed of 370 km/h has been developed in Korea. This high-speed EMU requires much more rigorous analysis on its vibration behavior and critical speed for enhancement of ride comfort and stability. Therefore, in this thesis, the dynamic analysis on high-speed EMU was conducted by developing its 34 DOF lumped parameter model and simulating the vibration and stability characteristics. The results from the lumped parameter model were in good agreements with those of ADAMS/Rail. In addition, the parametric analysis with the change of centroid of the railway vehicle was conducted, and its influences were investigated.
현재 국내에서는 운행속도 370 km/h를 목표로 하는 분산형 고속철도의 개발이 진행되고 있다. 기존의 KTX 차량의 운행속도가 300 km/h인 점을 감안한다면 운행속도가 70 km/h가 증가하게 되며, 이에 따른 차량의 안정성 및 진동 변화에 관한 예상이 필요하게 되었다. 또한 차체의 무게중심이 정 중앙에 존재하도록 제작 되는 것이 불가능하기 때문에, 무게중심의 영향을 확인할 필요성을 느끼게 되었다. 철도차량의 진동 응답을 해석하기 위하여 강체해석모델을 수립하였다. 강체해석모델은 차체와 두 개의 대차의 전후․좌우․상하 방향의 병진 운동과 롤․피치․요 회전운동을 고려하였으며, 네 개의 윤축의 좌우․상하 방향의 병진운동과 롤․요 회전운동을 고려하여 총 34자유도를 고려하였다. 차량의 가진원으로는 UIC60 레일의 상하, 좌우 방향 레일불균일과 휠-레일 사이의 선형 크리피지를 고려하였다. 이 모델을 이용하여 진동특성 해석을 수행하고 ADAMS/rail 전산해석 결과와 비교하였다. 좌우방향 응답은 전산해석 결과와 강체해석모델의 결과가 거의 유사하게 나타났으나, 상하방향의 경우에는 전산해석 결과가 약 2배 크게 나타나는 것을 확인하였다. 그러나 속도가 증가함에 따라 가속도 RMS가 증가하는 경향은 모두 유사하게 나타남을 확인하였다. 분산형 고속전철의 안정성을 해석하고 임계속도를 확인하기 위하여 안정성 해석모델을 수립하였다. 안정성 해석을 위한 강체해석모델은 6자유도와 14자유도 모델을 이용하였다. 강체해석 모델을 통하여 구한 운동방정식을 자코비안 행렬로 변환하였으며, 자코비안 행렬의 고유치 실수부 최댓값이 음수에서 양수가 되는 순간을 확인하며 임계속도를 계산하였다. 그 결과 6자유도에서는 496 km/h, 14자유도에서는 493 km/h의 유사한 임계속도를 확인하였으며, 최고 속도인 440 km/h보다 높을 값을 가지므로 현재 분산형 고속철도차량이 안정한 영역에서 설계되었다는 것을 확인하였다. 또한 1차 및 2차 현가장치의 설계변수를 변화시키며 임계속도를 해석하였다. 그 결과 1차 현가장치의 강성 또는 감쇠 변화에 따라 임계속도 확보가 가능함을 확인하였다. 마지막으로 분산형 고속철도의 무게중심 비대칭 영향을 확인하기 위하여 수정된 34자유도 강체해석모델을 수립하였다. 수정된 모델은 전후․좌우 방향으로 무게중심이 이동하는 것을 고려할 수 있도록 설계되었다. 수정 된 34자유도 모델을 이용하여 전․후 방향 무게중심을 ±5% 이동시키며 가속도 응답 해석을 수행하였다. 그 결과 좌우방향 가속도 응답은 약 47%가 증가하였으며, 상하방향의 가속도 응답은 약 4%가 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 철도차량의 무게중심이 변하지 않도록 차량을 설계 및 제작하는 것이 매우 중요함을 확인하였다.