2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S122

고속차량 운행시 대차불안정발생 요소에 대한 고찰

Consideration for Factors of Bogie instability 문성훈*†, 박성준*, 안홍관*

Sung-Hun Mun *†, Sung-Jun Park *, Hong-kwan An*

Abstract Speed and Safety is very important for operating high speed train. The driver can realize bogie is instable status. If bogie instability occur, the train sets speed limit to 270km/h. when a train’s status of bogie isn’t normal, the train can be derailed. That’s why the train sets speed limit. However, if the balance is unstable driving device detects the unit to recognize the instability and other reasons, even though they are erroneously detected normal driving conditions the vehicle is in a deceleration. In this paper, we identify the factors caused the unstable balance during high-speed vehicle operation in advance and to minimize, prevent erroneous detection of the device.

Keywords : Bogie instability, speed limit, safety

초 록 고속차량을 운행하는데 있어서 속도와 안전은 중요한 요소이다. TSI 규격 및 철

도안전법에도 명시되어 있듯이 운전사는 주행장치불안정 정보를 인지할 수 있어야 하며 우

리나라의 경우에 주행장치불안정 정보를 인지하면 고속선로에서 270km/h 속도 제한을 받게

되며 지속적 발생시 더 낮은 속도로 감속운행 하게 된다. 이는 주행장치에 문제가 발생할

경우 차량 파손 및 탈선으로 인한 인명피해를 예방하기 위함이다. 하지만 주행장치불안정

상태를 인지하는 기기의 오검지 및 다른 이유로 대차불안정이 검지된다면 정상상황인데도

불구하고 차량은 감속운행을 하게 된다.

본 논문에서는 고속차량 운행시 대차불안정이 발생할 수 있는 요소를 미리 파악하여 예방

하고 기기의 오검지를 최소화하여 안전하고 신속한 차량 운행 발전에 대하여 논하고자 한다.

주요어 : 대차불안정, 속도제한, 안전

1. 서 론

고속열차 운행 시 여러가지 원인으로 대차불안정 정보가 운전실에 현시가 되며 운전자 규정

에 따라 감속운행을 하게 된다. 본 논문에서는 고속차량 운행시 대차불안정이 발생할 수 있

는 요소를 미리 파악하여 예방하고 기기의 오검지를 최소화하여 안전하고 신속한 차량 운행

시스템 발전에 대하여 논하고자 한다.

† 교신저자: 현대로템 철차연구1팀(ilovings@hyundai-rotem.co.kr)

* 현대로템 철차연구1팀

2. 본 론

고속차량이 운행중에 대차불안정 정보를 운전실에 현시를 하는 경우는 대차불안정장치의

가속도센서를 이용하여 검출된 출력신호를 차량 제어장치로 전송할 때 현시하게 된다. 하기

Fig.1 은 횡진동 검출센서로부터 횡진동을 검출하여 신호를 전송하고 이를 차량 컴퓨터

제어장치에서 수신하는 과정을 나타낸 신호 흐름도 이다.

Fig.1 신호 흐름도

위 신호 흐름도에서와 같이 하기와 같은 상황일 때 대차불안정 신호가 현시된다

① 대차불안정장치 오류

② 차량 컴퓨터 제어장치 오류

③ 실제 대차 프레임에서 횡진동이 검출

실제 대차 프레임에서 횡진동이 검출되지 않았는데 대차불안정장치나 차량컴퓨터

제어장치의 오류가 있어 대차불안정 신호가 현시된다면 차량 감속운행을 통해 승객들의

불편을 초래하게 된다. 본론에서는 대차불안정장치 또는 차량 컴퓨터 제어장치의 오류가

발생할 수 있는 경우에 대해 정리하였다.

2.1 대차불안정 장치

2.1.1 대차불안정 장치 일반사항

1> 차량진단제어시스템(TDCS)에 전원(DC 72V)이 인가되면 아날로그 입력

보드(VAI)에서 대차불안정센서로 ±12V 의 전원을 공급하게 되어 있다. 즉,

대차불안정센서는 아날로그입력 보드(VAI)로부터 전원을 공급 받아 전기적인

동작을 하도록 되어 있다.

2> 각 대차의 프레임에 부착되며 차량의 진행방향에 대해 발생되는 좌우 진동의

가속도 값을 실시간으로 전기적신호로 변환하여 신호처리 후 진동신호의 크기에

비례한 주파수로 변환하여 차량컴퓨터 제어장치로 전송한다.

3> 대차불안정상태를 감시하는 센서의 출력신호는 CCU/VCU의 VAI보드로 입력되고,

출력신호가 DU로 전달되어 대차헌팅센서의 출력값이 DU화면에 현시된다

2.1.2 대차불안정센서 불량에 따른 장애

대차불안정센서 자체 불량일 경우, 차량컴퓨터 제어장치로 잘못된 정보를 전달하여

대차불안정정보를 운전실에서 현시하게 된다.

1> 고장내용

- 내용 : 대차불안정센서 점검시 육안검사 및 전기적 특성시험에는 이상이 없었으나

기능동작 시험시 “S-“신호원값이 적게 측정되어 확인결과 출력단 보호소자 TVS 다이오드

소손으로 확인됨.

- 원인 : 외부 노이즈 유입에 의한 TVS 다이오드 및 IC 소자 소손 추정.

2> 외부 노이즈 유입 경로 유측

① 전원 입력단 유입

② 신호출력단 유입

③ 신호출력단 TVS 다이오드와 FG 연결부위 유입

3> 조치 사항

외부 노이즈 유입으로 예상되는 상기 1,2번 항은 연결 케이블이 실드케이블로 접지가

되어 있기 때문에 노이즈 유입이 어려울 것으로 추정되나 3번항은 FG로 통해서 용량 이상의

강한 노이즈 유입 가능성이 있다.

① 조치 : IC 소자 및 TVS 다이오드 변경

순 부품 변경사항

1 IC 소자 임계전압 15V→60V 강화

2 TVS 다이오드 TVS 다이오드 용량 : 1500W → 3000W

2.2 차량 컴퓨터 제어장치의 오류

1> 고장내용

- 대차 불안정 값이 정상영역(-0.8G ~ 0.8G)를 벗어나면 VCPU카드와 VAI 카드에서

동시에 VAI카드의 불안정 검지 LED(VAI카드 F1, F2 LED, 적색)를 점등 제어하도록

되어 있다. 이와 같은 제어방식은 정상동작일 때 문제가 없으나 VAI카드 자동 리셋(약

2초 이내)시 VAI카드가 작동 정지하는 원인이 된다.

2> 조치사항

- VCPU에서 VAI카드 LED제어 하지 않도록 S/W 변경

2.3 차륜 답면의 그루빙 마모

1> 현차조사

순 점검대상 현차 사진 검토 내용 비고

1

1,2,12,13 번

동력대차

차륜

비상제동시험에

의한 차륜림 부위

열화흔적 확인 주행거리

(42,868

Km)

2

1,2,12,13 번

동력대차

제동슈

제동슈

마모한계까지

도달

3

1,2,12,13 번

동력대차

차륜 답면

동력대차 차륜

답면부위에서

그루빙 마모 확인

대차 불안정이 발생하고 있는 동력대차의 차륜을 점검한 결과, 차륜 답면의 그루빙

마모가 확인되었으며 이는 시운전 차량이 제동 시험에 따른 비상제동(답면제동 체결조건)을

다수 실시하여 차륜 답면의 이상 마모를 유발하였을 것으로 추정된다. 또한, 답면 제동을

사용하지 않은 객차대차 및 단부대차의 차륜 답면에서는 그루빙 마모가 관찰되지 않았다.

하기 그래프는 차륜 답면 변화에 따른 대차거동 비교 결과다. 분석 결과와 같이 차륜

마모에 따른 횡진동 증가로 대차불안정 발생이 된다고 판단되며 그루빙 마모는 차륜

답면구배를 변화시켜 대차의 주행안정성을 저해하는 주요한 요인으로 위 편성에서 발생한

대차불안정의 원인으로 추정할 수 있다.

PC1 방향으로 주행 시 PC1, PC2 대차 횡가속도 (신조 차륜)

PC1 방향으로 주행 시 PC1, PC2 대차 횡가속도 (마모 차륜)

3. 결 론

상기 서술한 내용과 같이 고속차량의 대차불안정은 센서 불량, 차량 컴퓨터 제어장치 오류,

차륜 답면의 그루밍 마모와 같은 원인으로 발생한다. 헌팅센서의 경우, TVS 다이오드의 용량

증대 및 기존 대비 임계전압이 높은 IC 칩으로 교체하여 추후 외부 노이즈로 발생될 수 있는

헌팅센서 불량을 예방하고 TDCS(차량 컴퓨터 제어장치) 오류로 인한 대차불안정 발생은

Software를 수정함으로써 오류를 예방하고자 한다. 또한 차륜 답면의 그루빙 마모에 의한

대차불안정 발생은 시험차량의 이례적인 운행조건(비상제동 다수체결)에서 차륜 마모가

급격히 진행되어 발생한 현상이지만 운행 후 점검(ES)을 통해 차륜을 관리하여 답면 그루빙이

발생된 차륜을 미리 삭정을 하여 운행중 대차불안정 경고가 발생하는 것을 방지하고자 한다.

위와 같이 고속차량 운행시 대차불안정이 발생할 수 있는 요소를 미리 파악하여 예방하고

기기의 오검지를 최소화한다면 더욱 안전하고 신속한 차량 운행 시스템 발전이 가능하리라

생각된다.