† 교신저자, 한국기계연구원, 자기부상연구실 E-mail : [email protected]
* 한국기계연구원, 자기부상연구실
도시형 자기부상열차 시저스분기기 개발현황과 성능시험결과
Development and Performance Test Results of a Segmented Scissors Type
Switch for the Urban Maglev
이종민† 박도영* 한형석* 김창현* Jong-Min Lee Doh-Young Park Hyung-Suk Han Chang-Hyun Kim
ABSTRACT
A segmented scissors type switch has been developed for the urban transit maglev demonstration line to be commercialized near Incheon International Airport in 2013. Based on the design of the previous segmented 3-way switch, the scissors switch is composed of four segmented 2-way switches up/down and left/right and a turn table in the mid point. The main function of the scissors switch is to change the running direction of the train at end terminals. The developed scissors switch is planned to be installed in front of the 102 station, which has a side platform, of the demonstration line. The total length of the switch is 65m and the distance between the up and down track centerlines is 6m. The 2-way switches and turn table are made of steel box type beams, and have their own driving unit, locking unit, control unit, levitation and propulsion rails, and so on. Installed in the factory, a 100,000-cycle continuous operation test was carried out after manual and automatic test operations. The applicapability of the developed switch was verified through the measurements of the linearity of the track after repetitive operations, the mechanical operation noise, the load of the main driving motor, the safety of the control panel, the natural frequency of the girder, the deformation of the girder, and so on.
1. 서 론 2006년 12월부터 국토해양부 주관, 한국건설교통기술평가원을 전문기관으로 하여 도시형 자기부상열 차 실용화사업이 수행되고 있으며, 2007년에 시범노선의 설치장소로 Fig. 1에 보이는 것처럼 인천국제 공항의 교통센터에서부터 영종도~무위도 일대를 연결하는 복선 6.1km 구간이 결정되었으며, 현재 토목 기초작업을 수행하고 있다. 그림 1. 도시형 자기부상열차 시범노선 조감도
시범노선은 Fig. 2와 같이 복선으로 구성되기 때문에 차량의 진로변경 및 비상시 대피, 차량기지 내에 서 차량의 입고 등을 위하여 분기기 시스템이 반드시 필요되어진다. 그림 2. 복선형태로 구성된 도시형 자기부상열차 시범노선 차량의 진로변경과 비상시 대피, 차량기지 내에서의 차량 입출고 등을 위하여 분기기 시스템이 반드 시 필요로 되어진다. 도시형 자기부상열차에 적용되는 분기기는 관절식으로 시범노선에는 2방향 분기기 2조와 3방향 분기기 4조, 2방향+2방향 건넘선 분기기 2조, 2방향+3방향 건넘선 분기기 1조, 시저스 분기기 1조 등이 적용되어진다. 도시형 자기부상열차 실용화사업의 보완연구를 통하여 3방향 분기기와 시저스 분기기가 개발되었으며, 3방향 분기기는 성능입증을 위하여 기계연 시험선에서 다양한 시험을 수행하였다. 본 논문에서는 국내에서는 처음으로 개발된 도시형 자기부상열차용 시저스분기기의 개발현황과 공장 내 설치 및 성능시험 결과에 대하여 논의코저 한다. 2. 시저스 분기기의 구조 및 구성 2.1 시서스 분기기의 구조 자기부상열차용 분기기는 차륜이 궤도 상부를 접촉하며 주행하는 철차륜방식의 분기기와 다르게 Fig. 3과 같이 대차가 궤도를 감싸고 주행하는 특징으로 인하여 철차륜방식의 분기기와 다른 구조를 지니고 있다. 이로 인하여 분기기의 구조물은 필요한 강성과 처짐한계 등을 만족시키기 위하여 박스형태의 강 재거더를 사용해야만 하고, 거더 구조물이기 때문에 중량이 많이 나가게 되며, 구동장치와 잠금장치 등 이 대용량을 요구하게 되고 복잡한 구조를 갖게 된다. 시저스분기기는 2방향 분기기 4조와 중앙의 턴테 이블이 조합된 구조로서 국내에서는 처음으로 개발되는 제품으로 Fig. 4에 선로중심간격이 6m인 시저 스분기기의 설계결과를 나타내었다. 그림 3. 자기부상열차 대차의 구조
DAEMYUNG ENGINEERING CO. LTD.
(주) 대 명 엔 지 니 어 링
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(주 ) 대 명 엔 지 니 어 링 그림 4. 선로중심간격 6m 시저스분기기의 설계결과 시저스분기기는 Fig. 4에서 보이는 것처럼 평행한 상하행선 사이에 설치되어 있으며 열차가 종착역에 진출입시에 상하행의 진로를 변경시켜주기 위하여 적용된다. Fig. 5는 곡선으로 설정된 시저스분기기를 나타내는 것으로 직선으로 설정된 분기구간을 통과하여 역사에 진입한 차량의 승객들이 승하차할 때에 시저스분기기는 Fig. 5와 같이 곡선으로 설정되며 자기부상열차가 곡선선형을 주행함으로써 진입때와는 다른 라인을 주행하게 되므로 열차들이 같은 라인에서 주행하는 것을 방지할 수 있게 한다. 그림 5. 곡선으로 설정된 시저스 분기기의 형상 2.2 시저스분기기의 구성 시저스분기기는 앞절에서 설명한 바와 같이 2방향 분기기 4조와 중앙에 턴테이블로 구성되어지며, 2 방향 분기기 및 턴테이블의 구성품은 다음과 같다. 2.2.1 거더 시저스분기기에 적용되는 2방향 분기기들은 시작점의 단경간거더와 이동부의 #1과 #2 단경간거더, 장경간거더 등 각각 4조의 거더들로 구성된다. 턴테이블에는 1조의 회전거더가 적용되며, 턴테이블의 상하부에 고정거더가 각각 1조씩 설치된다. 거더는 높이가 1.4m 거더의 박스형 강재로 제작되며 상부에 전자석과 선형유도전동기의 대향면으로 사용되는 부상레일과 추진레일이 설치되어 진다. 이동부에서 각 각의 거더들은 2.3°의 굴절각을 이루며 관절에서 구부러지는 방식으로 곡선을 생성하게 된다. 턴테이블 에서는 중앙에 회전이 가능한 베어링을 적용하고 이를 이용하여 거더를 설치하고 거더의 양쪽 끝단에 이송대차 및 롤러 등을 설치하였다. 2.2.2 구동장치 자기부상열차용 분기기에 적용되는 구동장치는 구동모터와 감속기, 캠운동을 수행하는 바와 캠가이드 로 구성되어 1/300의 감속비를 갖고 2.7m의 거리를 7초에 이동하도록 설계되어 졌다. 구동장치에 대한 상세도를 Fig. 6에 나타내었다.
그림 6. 자기부상열차 분기기용 구동장치의 구성 2.2.3 잠금장치 잠금장치의 기능은 분기기의 정확한 선형을 생성해주고 이동체이므로 별도의 고정점이 없는 시스템에 기계적 방식으로 강제로 고정점을 생성하여 차량 주행시 진동을 감소시키는 역할을 수행토록 설계되어 있다. 잠금장치에 대한 상세도 및 구성을 Fig. 7에 나타내었다. 그림 7. 자기부상열차 분기기용 잠금장치의 구성 2.2.4 각도완화장치 분기기 거더 구조물 상부에 설치되는 부상레일은 굴절각이 클 경우 차량 주행시 불연속부에서 횡방향 공극이 커짐에 따라 열차의 부상안정성이 약화되어 주행이 불안정해질 수 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위하여 그림 8에 보이는 것과 같이 거더의 굴절부에 링크장치를 활용하여 부상레일이 거더 굴 절각인 2.3°의 절반인 1.15°만큼만 굴절되도록 구성된 각도완화장치를 적용하였다. 각도완화장치는 각 이동거더들마다 좌우로 총 24개가 설치되어 있다. 그림 8. 자기부상열차 분기기용 각도완화장치의 구성 2.2.5 끝단연결장치 분기기의 끝단은 설치시에 토목공사에서 발생한 오차를 보정해주거나, 추후 구조물의 변형시 선형 및 상대높이 조정을 용이토록 하기위하여 외팔보형태 힌지구조물을 적용토록 되어 있다. 2.2.6 턴테이블구간 시저스분기기의 턴테이블구간은 그림 9에 보이는 것처럼 약 4.6m의 단경간거더의 양끝단을 롤러로서 지지토록 하였고 주구동모터에 감속기를 연결하여 13.8° 회전토록 구성하였다.
그림 9. 선로중심간격 6m 시저스분기기용 턴테이블의 구성 3. 시저스 분기기 설치 및 시험결과 3.1 시저스 분기기 공장 내 설치결과 시저스분기기의 개발은 한국기계연구원을 세부주관으로 하여 (주)대명엔지니어링이 협동기관으로서 개발을 수행토록 되어 있으며, 개발이 완료된 시저스분기기는 (주)대명엔지니어링 공장 내 설치와 시운 전을 통하여 동작성 및 설계의 정당성 등을 입증하였다. Fig. 10-11은 시저스분기기의 설정에 따른 동 작상태를 나타내었다. 그림 10. 직선으로 설정된 시저스 분기기 시작품 그림 11. 곡선형태로 설정된 시저스 분기기 시작품 3.2 시저스 분기기 성능시험결과 3.2.1 시저스 분기기 연속동작 시험결과 시저스분기기에 대한 연속동작시험은 각각의 2방향 분기기를 턴테이블과 연계하여 각각의 이동거더들 이 10만회씩 수행되도록 하였다. 직선에서 곡선으로 전환할 때의 동작시간은 18초였으며, 한 곡선에서 다른 곡선으로 전환할 때에는 48초가 소요된다. 연속동작시험은 3개월에 거쳐 수행되었으며, 10만회 수 행 중 단 1차례의 오동작도 발생치 않았다.
그림 12. 10만회 연속동작시험 카운트 결과 3.2.2 시저스 분기기 반복정밀도 측정결과 시저스분기기의 동작 완료 후 부상레일 측면부의 횡방향 변위를 측정하였다. 일반 궤도부 이음매구간 에서의 횡방향 변위의 허용량은 0.5mm 이내이며 시저스분기기에도 동일한 한계를 적용하고 있다. 시저 스분기기의 경우 4조의 2방향 분기기가 2조씩 번갈아 가며 턴테이블과 선형을 설정하게 된다. 부상레일 측면부에 다이얼게이지를 설치하여 횡방향 변위를 측정하였으며, 횡방향 변위 측정량은 최대 0.3mm 이 하로 설치한도를 만족시킴을 확인하였다. 3.2.3 시저스 분기기 동작시 소음 측정결과 시저스분기기의 동작시에 포터블소음계를 사용하여 소음측정을 수행하였다. 동작시 소음은 잠금장치 가 작동할 때에 잠금장치용 파워실린더에서 가장 크게 나타났으며 65dB 이하로 계측되어, 도시형 자기 부상열차 실용화사업에서 요구하는 65dB 이하를 만족시킴을 입증하였다. 3.2.4 시저스 분기기 고유진동수 측정결과 표 1 시저스 분기기 거더의 고유진동수 측정결과 측정 부분 고유 진동수 Start Fixed 1539Hz 1 206Hz 2 172Hz 3 10Hz(1차), 48Hz(2차), 121Hz(3차) End Fixed 267Hz End Turning 199Hz 시저스분기기 거더들에 대한 고유진동수를 측정하였다. 측정대상은 시작단 고정거더와 이동부 단경간 거더 2개, 이동단 장경간거더 1개, 턴테이블거더, 끝단 고정거더를 대상으로 하였으며, 이동단 장경간거 더를 제외한 모든 거더들은 길이가 짧기 때문에 200Hz 내외의 고주파수를 갖고 있으므로 자기부상열차 의 제어에 문제가 발생치 않음을 확인하였다. 이동단 장경간거더는 1차 고유진동수 10Hz로서 차체의 고유진동수인 15Hz와는 분리되어 있음을 알 수 있다.
3.2.5 시저스 분기기 구동시험결과 시저스분기기를 구성하고 있는 2방향 분기기 4조와 중앙부 턴테이블에 대하여 구동시험시 동작의 이 상 유무를 측정하였다. 측정대상은 연속동작 작동상태와 접점신호, 위치결정 센서신호, Fault 신호, 분기 완료 신호, 구동모터 작동 신호, 잠금장치용 파워실린더 작동 신호돠 제어반의 조작스위치와 표시 램프 의 이상 유무, 결선상태 등을 측정하였다. 측정결과 시저스분기기의 동작시 모든 구성품들이 오동작 없 이 제대로 동작하고 있음을 확인하였다. 3.2.6 시저스 분기기 거더 변형 측정 결과 시저스분기기를 구성하고 있는 거더 구조물에 대하여 연속동작시험이 완료된 후 거더의 변형량을 측 정하였다. 측정대상은 시저스분기기를 구성하고 각 거더의 평면상태와 측면직진상태를 측정하였으며, 측 정장비는 최소 측정단위가 0.001mm인 LEICA Absolute Tracker를 사용하였다.
거더 변형량의 측정 결과 장경간거더의 평면도 변화량은 0.1mm 범위 이내였으며, 측면 직진도도 0.1mm 이내로 계측되었다. 따라서 10만회에 걸친 연속동작시험 후에도 거더의 변형은 발생치 않은 것 으로 판정되었다. 4. 결 론 일반 철차륜방식의 궤도시스템에서도 사고 발생 가능성이 가장 높은 것이 분기장치이며, 도시형 자기부상 열차 또한 실용화되기 위해서는 정확한 동작성과 신뢰성을 갖는 분기장치의 개발이 필수적이고, 이러한 필요 성으로 인하여 도시형 자기부상열차 실용화사업에서 보완연구과제로서 분기기 개발을 수행하고 있다. 금번에 개발된 시저스 분기기는 선로의 중심간격이 좁은 구간에 적용되는 제품으로서 선로의 중심간격이 6m이고 시 범노선의 102 정거장 인근에 설치되도록 되어 있다. 시저스분기기에 대한 설계와 공장 내 설치를 통한 연속 동작시험과 고유진동수 측정, 소음측정, 반복정밀도 측정, 동작시 구성품들의 이상 유무를 측정함으로써 시저 스분기기에 대한 사용성을 입증하였고 이로 인하여 인천국제공항 인근에 설치되는 도시형 자기부상열차 시범 노선 건설사업의 성공적 수행과 도시형 자기부상열차가 대중교통 수단으로써 제 역할을 수행하는데에 있어 일조를 할 수 있을 것으로 기대되어 진다. 감사의 글 본 연구성과는 국토해양부가 주관하고 한국건설교통기술평가원이 전문기관으로서 위탁시행하고 있는 도시 형 자기부상열차 실용화사업 연구결과의 일부로서 본 성과가 도출되기까지 적극적으로 협조해 주신 관계기간 여러분들께 진심으로 감사드립니다. 참 고 문 헌
1. H. J. Cho, J. M. Lee, S. B. Lim and S. S. Kim, "Development of Segmented Urban Transit Maglev Switch", Proc. 2010 Spring Conf. Korean Society of Railway, 2010
2. J. M. Lee and H. S. Han, "Development Status of a Scissors Type Maglev Switch", Proc. 2010 Autumn Conf. KSME, 2010
3. 이종민, 황종균 등, “도시형 자기부상열차 분기기개발 제4차년도 실적보고서”, 건설교통부/한국건설교 통기술평가원 도시형 자기부상열차 실용화사업 제4차년도 실적보고서, 2010
4. 이종민, 황종균 등, “도시형 자기부상열차 분기기개발 제5차년도 실적보고서”, 건설교통부/한국건설교 통기술평가원 도시형 자기부상열차 실용화사업 제5차년도 실적보고서, 2011
