콘크리트궤도용 고속분기기 성능평가
Performance Evaluation of Swing-Nose Crossing on Slab Track
김시철
†김만철
*황광하
**배상환
***Si-Chul Kim Man-Cheol Kim Kwang-Ha Hwang Sang-Hwan Bae
ABSTRACT
In line with current speed-up of railroad, a slab track has been increasingly adopted in a bid to secure the safety of track structure as well as to reduce the maintenance cost, and furthermore, the need for commercialization of domestically-developed swing-nose crossing turnout on slab track has been on the rise. For commercialization of swing-nose crossing turnout on slab which was developed in Korea, a technical and systematic performance evaluation system, considering local environment, shall be established and then the performance evaluation shall be accordingly implemented.
This paper was intended to summarize the performance evaluation system, referring to the data available at home and abroad and the results of performance evaluation for domestically-developed swing-nose crossing turnout on slab track carried out to date based on that system. A performance evaluation system comprises the technical requirement appropriateness evaluation(component performance evaluation and design verification), laboratory test and on-site test. For domestically-developed swing-nose crossing turnout on slab track, appropriateness evaluation and laboratory test have been completed and the on-site test of those installed on the 2nd phase of Kyung-Bu HSR is underway now.
서 론 1.
철도의 고속화와 더불어 궤도구조의 안전성 확보 및 유지보수 비용 저감을 위하여 콘크리트궤도가 확 대 적용됨에 따라 콘크리트궤도용 고속분기기의 상용화 필요성이 크게 증가하고 있다 분기기는 포인트 . , 힐부 크로싱부에 좌우 비대칭의 체결장치와 레일단면의 변화 레일 교차에 따른 궤도 강성 변화 등 궤 , , 도에서 가장 복잡한 거동을 보이는 부분으로써 이 구간에서 차량의 주행안전성 확보를 위해서는 엄격한 기준으로 설계 제작되고 관리되어야 한다 현재 국내에서 레일체결장치에 대하여는 레일체결장치 성능 , . 시방서에 따라 성능평가를 실시하고 있으나 분기기의 경우 종합적인 성능평가 기준이 정립되어 있지 , 않아 과학적이고 객관적인 성능평가에 많은 어려움이 있다.
따라서 국내에서 개발된 콘크리트궤도용 고속분기기의 국산화를 위해서는 국내 철도환경을 고려한 기 술적이고 체계적인 성능평가 체계가 우선 구축되고 이에 따라 성능평가가 실시되어야 할 것이다 본 논 , . 문에서는 국내 외 콘크리트궤도용 분기기 성능평가 자료 조사를 통하여 성능평가 기준을 정립하고 국내 ․ , 에서 개발된 콘크리트궤도용 고속분기기 이하 고속분기기 ( ,F18.5) 에 대하여 기준에 따라 성능평가 및 검 증하고자 한다.
† 비회원 한국철도시설공단 고속철도궤도처 과장 , , , E-mail : [email protected]
TEL : (042)607-3945 FAX : (042)607-3939
* 정회원 한국철도기술연구원 차륜궤도연구실 책임연구원 , , ,
** 정회원 삼표이앤씨 주 , ( ), 설계팀장
콘크리트궤도용 분기기 성능평가 기준 2.
경부고속철도 단계 적용된 고속분기기와 콘크리트궤도의 연구와 시험 부설사례 선로기술 일본 및 1 , ( ) 프랑스 를 통하여 조사한 국외의 분기기 성능평가 기준과 방법을 참고하여 콘크리트궤도용 분 SYSTRA( )
기기 성능평가 기준을 정립하였다.
콘크리트궤도용 분기기 성능평가 기준은 기술요건 적합성 검증 구성품 성능 검증 설계 검증 조립 ( , ), 성능검증과 현장부설 성능검증으로 구성되어 있다 아래의 그림은 분기기 성능평가 절차 및 각 단계별 . 성능평가 항목을 정리한 것이다.
콘크리트궤도용 분기기 성능검증
기준(안)
현차주행시험 성능검토 및 모니터링
(필요시)
평가위원회
최종 결과 통보
공단 / 신청자 / 운영기관 현장부설시험 장소 및 계획
협의/전문기관 지정 (필요시)
- 현차주행시험 성능검토 및 모니터링 보고서(횡압,윤중,처짐,유지보수(궤도틀림 등) 전문기관 / 공단 /
운영기관
현장부설시험 성능검증 및 모니터링 결과 심의
(필요시) 성능평가 신청
평가위원회 구성
시스템 개발자 (신청자)
공단
기술요건 적합성 심의 평가위원회
- 기술요건 적합성 심의 결과
• 분기기 구성품 성능
(체결장치, 미끄럼, 가드상판-KR레일체결장치 성능시방서, EN13146, EN13481)
• 분기기 선형(부족캔트, 부족캔트변화량, 부족캔트변화율)
• 분기기 구조안전
• 차량/분기기 상호작용(차량 분기기 상호작용-공격각, 접촉각, 레일수직변위, 응력) - 개량 시스템 여부
- 현장부설시험 필요성 및 시험 기간, 항목
PROCESS 수행주체 적용기준
현장부설시험 승인
(필요시) 공단 / 운영기관
- 시스템 설계서(도면, 시공절차, 유지보수 점검 매뉴얼 및 대책 등) - 기술요건 적합성 검토 보고서
• 분기기 구성품 성능 검토 보고서
• 분기기 선형 검토 보고서
• 분기기 구조안전 검토 보고서
• 차량/분기기 상호작용 검토 보고서
• 조립성능 검토 보고서(현장부설승인 후 제출가능)
분기기 조립성능 심의
(필요시) 평가위원회
- 조립성능 적합성 심의 결과(기본레일과 텅레일간 장애물 검지, 밀착, 전환력) 구 분
기 술 적 합 성 심 의 / 실 내
시 험
현 장
시 험 /
완 료
그림 1. 콘크리트궤도용 분기기 성능평가 절차 및 항목
국내 개발 콘크리트궤도용 고속분기기 성능평가 3.
고속분기기 (F18.5) 는 기술요건 적합성 및 조립 성능검증을 완료하였으며 , 2010.11.25 일 경부고속철 도 단계 울산정거장 북쪽 천전건넘선 2 (STA 354km633) 에 부설하여 현재 모니터링을 수행중이다 본 . 장에서는 기술요건 적합성 및 조립 성능검증 기준과 고속분기기 (F18.5) 에 대한 성능평가 결과 현장부 , 설 모니터링 수행내용과 현차주행시험 성능평가 기준 및 향후 진행 예정인 현차주행시험 계획을 각각 정리하였다.
구성품의 성능평가 3.1
분기기를 구성하는 구성품들에 대한 성능평가 기준은 국내 관련 규격을 적용하는 것을 기본으로 하 고 국내 관련 규격의 적용이 어려운 경우 관련 국외 규격을 준용하도록 하였다 표 은 분기기의 주요 , . 1 구성품인 체결장치 미끄럼상판과 가드상판에 대한 적용 규격을 정리한 것이다 표 와 그림 는 규격 , . 2 2 에 따라 고속분기기 (F18.5) 의 성능평가 결과를 나타낸 것으로 관련 기준을 모두 만족하는 것으로 분석 , 되었다 특히 크기가 다른 탄성패드에 대한 각 침목 위치별 레일 위치에서의 정적강성 시험 결과 설계 . 값의 10% 이내인 것으로 나타났다 .
No. 구성품 적용 규격 샘플 분기기 (F18.5) 성능평가 1 체결장치 1.1 KR 레일체결장치 성능시방서
1.2 EN 13146, EN 13481
체결장치 SYSTEM300W : KRRI
2 미끄럼상판 2.1 KR 레일체결장치 성능시방서
2.2 EN 13146, EN 13481 Slide Chair A : KRRI 3 가드상판 3.1 KR 레일체결장치 성능시방서
3.2 EN 13146, EN 13481
해당사항 없음 가드레일 없음
( )
표 1. 콘크리트궤도용 분기기 구성품 적용 규격
시험항목 기 준 실내 시험 결과 평가
Slide chair (short)
정적 수직 강성
반복시험전(kN) 설계치의 ±10% 이내 32.7
반복시험후(kN) 31.9 OK
변화율(%) ≤ 25 2.6
체결력
반복시험전(kN) ≥ 9 17.3
반복시험후(kN) 14.2 OK
변화율(%) ≤ 20 16.0
종방향 저항력
반복시험전(kN) ≥ 9 11.7
반복시험후(kN) 11.4 OK
변화율(%) ≤ 20 2.7
반복 시험
두부횡변위( ) ㎜ ≤ 4 2.4 OK
미끄럼상판조합의 해체시 파손이 없을 것 손상품 없음 OK 탄성패드 정적시험
(20~95kN)
설계값 ±10% kN/㎜
(27.9 ~ 34.1) 설계값
( : 31kN/ ㎜ )
30.8 : short slide 29.0 : long slide 33.2 : roller plate 30.9 : heel plate
OK
표 2. 샘플 분기기 (F18.5) 의 미끄럼상판 및 탄성패드 성능평가
그림 2. 고속분기기 (F18.5) 의 미끄럼상판 성능평가 (KRRI)
분기기 선형 3.2
콘크리트궤도용 분기기의 주행안전성 및 양호한 승차감 확보를 위한 선형 관련 기준 및 고속분기기 (F18.5) 에 대한 검토 현황은 아래의 표와 같다 그림 . 3 은 고속분기기 의 선형 다이아그램 분기속도 을 나타낸
(F18.5) ( 100km/h)
것이다.
구조적 안전 3.3
콘크리트궤도용 분기기에서 구조 부재에 대해서는 작용 하중에 의해 유발되는 응력에 대한 구조적 안 전성을 검증하여야 한다 구조적 안전성 검증이 필요한 부재는 레일 분기침목과 포인트부와 크로싱부에 . , 서 장대레일 축력에 저항하는 부재로 검토 항목 하중 조건 관련 기준과 이에 대한 성능평가 결과는 다 , , 음과 같다.
텅레일 및 노즈레일 전환시 발생되는 레일응력
①
콘크리트궤도용 분기기의 전환을 위하여 텅레일과 노즈레일을 강제로 이동시키기 때문에 응력이 발생 하게 된다 이러한 응력에 대한 허용값으로 인장강도 . 700MPa 와 900MPa 레일의 피로허용응력 200MPa 와 220MPa 를 각각 적용하였다 본 고속분기기 . (F18.5) 는 UIC60 레일로 인장강도가 900MPa 이기 때문 에 피로허용응력 220MPa 을 기준값으로 적용하였으며 구조해석을 수행한 결과 전환시 발생하는 응력이 , 모두 허용응력을 만족하는 것으로 나타났다.
구 분 기준 구조해석 결과 참 고
응력 텅레일 노즈레일 국 내 해외 일본 ( )
레일 응력 (UIC60D)
220MPa 전진폭
( ) 81.4MPa 131.5MPa
고속철도시방서 인장강도 (
880~1,030MPa)
JIS
철도용분기기류 부속서
E1303( ) 2
인장강도: 800MPa
평 가 - OK OK - -
표 4. 전환시 발생되는 레일응력 성능평가
그림 3. 선형 다이아그램 항 목 단위 기준 샘플 분기기
(F18.5) 평가 부족캔트 mm 100 100 OK 부족캔트급변화량 mm 100 98.3 OK 부족캔트변화율 mm/sec 90 - -
표 3. 샘플 분기기 (F18.5) 선형 성능평가
직선텅레일
(a) : Max 79.7 (b) 곡선텅레일 : Max 81.4 (c) 노즈레일 : Max 131.5 그림 4. 분기기 전환시 레일응력 해석결과 단위 ( : MPa)
포인트 크로싱부 장대레일에 대한 안전성 ,
②
장대레일 구간의 종방향 하중 축력 은 분기기 구간에서 불균형상태가 된다 보통 텅레일의 후단 및 ( ) . 가동노즈 크로싱의 후단을 고정부 간격재나 안티크리퍼를 이용하여 기본레일 및 윙레일에 고정시킨 경 우에는 텅레일과 노즈레일의 축력이 기본레일 및 윙레일에 각각 전달되기 때문에 축력이 증가하게 된 다 따라서 이러한 시스템을 적용한 경우 장대레일에 대한 안전성과 고정부 간격재 등에 대한 구성품에 . , 대해서는 축력에 대한 안전성을 검토하도록 기준화 하였다.
본 고속분기기 (F18.5) 는 고정부 간격재나 안티크리퍼를 사용하지 않고 텅레일 끝단을 긴 홀 (hole) 에 고정하는 VCC 를 사용하여 텅레일 자유롭게 신축될 수 있는 구조로 기본레일에 축력이 전달되지 않기 때문에 축력에 의한 좌굴 위험성이 없고 또한 최대 변위를 흡수할 수 있도록 설계된 것으로 분석되었 , 다 또한 크로싱부에 발생하는 . UIC774-3(R) 의 따라 검토된 장대레일 축력 ( t: 50 ) 1,250kN △ ℃ 와
에 대한 힐블록을 고정볼트 직경 볼트 개 의 시험결과가 안전한 것으로 검토되었다
2,500kN ( 38mm 10 ) .
차량 분기기 상호 작용 3.4 /
콘크리트궤도용 분기기에서 차량 분기기 상호작용을 고려하여 탈선 안전성을 확보하기 위하여 공격각 / , 접촉각 레일의 수직변위 및 응력에 대하여 검증하도록 기준화 하였다 공격각과 접촉각은 , . EN 와 에 따라 기준값을 규정하였으며 레일의 수직변위와 레일응력 기준 13132-9, EN 13715 UIC 520-2 ,
값은 각각 일본의 走行判定標準 과 UIC60 레일의 피로허용응력을 참고하였다 .
접촉점
(a) (
) 와 접촉각 (
) (b) KTX 차륜과 이빠짐 텅레일 (c) 간섭체크 기본레일과 접촉 - 그림 5. 차륜 레일간 상호작용 /
공격각
①
고속분기기 (F18.5) 에 대해 UIC 차륜을 이용한 분기기 입사각을 제외한 최대 공격각 (
) 을 분석한 결과 로 기준값 를 만족하는 것으로 나타났다
0.18 1° 1° .
구 분 기 준 실측치 평 가
F18.5 ≤ 1° 0.18° OK
표 5. 공격각
접촉각
②
텅레일 및 가동노스 단면과 UIC 차륜과의 접촉각 (
) 은 탈선계수
와 마찰계수 에 대응하도록
≥ ° 로 기준값을 규정하였으며 고속분기기 , (F18.5) 에 대해 분석한 결과 기준값을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
구 분 기 준 실측치 평 가
텅레일 ≥ 40° Min. 66.5 OK
노즈레일 Min. 68.3 OK
표 6. 텅레일 및 노즈레일 접촉각 최소값
그림 6. 텅레일 각 위치별 접촉각 분석
레일의 수직변위 및 응력
③
텅레일 및 가동노즈의 단면형상 변화에 따른 레일의 강성과 체결장치의 패드강성을 고려하여 차량 주 행시 포인트부 및 크로싱부의 수직변위 및 응력을 검증하기 위하여 고속분기기 (F18.5) 에 대해서 철도 차량동역학 전용 해석 프로그램인 VI-Rail(MSC.ADAMS 기반 을 사용하였다 차륜 레일 접촉 해석은 ) . / 강체 접촉을 기준으로 VI-Flextrack 을 사용한 유연체 레일과 상호 연동이 되도록 하였다 . Wheel/Rail 접촉의 구현은 VI-Rail 에서 지원하는 강체 접촉에 대한 Hertz 이론을 기반으로 하였다 . VI-Rail 을 이용 한 해석결과 수직변위 및 응력이 허용값을 만족하는 것으로 나타났다.
그림 7. 전차량 Assembly 그림 8. 3D 고속분기기 (F18.5) 모델링
그림 9. 차륜이 지날 때 분기기 강성 모델링
항 목 기 준 해석 결과치 해석 결과 그래프 평가
레일 수직변위 ≤ 2 ㎜ Max.1.31 OK
레일 응력 전진폭 ( ) ≤ 220MPa Max.37.5 OK 표 7. 레일의 수직변위 및 응력 한계값 직선 ( 300 /h, ㎞ 분기선 100 /h) ㎞
조립 성능 검증 3.5
콘크리트궤도용 분기기에서 동작 성능 검증을 위하여 공장에서 전체 또는 포인트부와 크로싱부를 조 립한 후 아래와 같은 가지 항목에 대해서 검증하도록 기준화 하였다 고속분기기 3 . (F18.5) 에 대해서 각 각 조립 후 동작 성능 검증 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
기본레일과 텅레일 사이의 장애물 검지
①
장애물 검지장치는 기본레일과 텅레일 사이에서 공단에 의해 규정된 크기의 장애물을 검지할 수 있어 야 한다 샘플분기기의 경우 . 6㎜ 이상의 텅레일과 기본레일 틈새 감지시 밀착검지기가 작동되도록 세팅 한다.
밀착
②
포인트부와 크로싱부에서 텅레일과 기본레일 사이의 밀착상태에 대해 검증하여야 한다 기준은 포인 . 트와 노즈부는 첨단 ~500mm 구간 : 0.5mm 이하 이후 , : 1mm 틈새를 유지하여야 한다 .
전환력 (MJ81 전기 전철기 )
③
전환 장치와 전환 로드 또는 쇄정 장치간의 접합부에서 전환력을 측정하고 이를 설계값과 비교하여 , 그 적정성을 검증하여야 한다 전환력을 측정할 때에는 포인트부의 레일 또는 장치 등에서 유발되는 힘 . 에 대해 영향을 받지 않도록 해야 한다 측정할 때마다 포인트부 또는 크로싱부를 회 동작하고 최대 . 4 , 최소값을 제외한 회 평균값을 제시한다 고속분기기 2 . (F18.5) 에 대한 전환력 측정 결과 성능기준을 만족 하는 것으로 나타났다.
분기기 번호 첨단부의 전환력 크로싱부의 전환력
최대값 측정값 최대값 측정값
기 준 400㎏ 이하 400㎏ 이하 400㎏ 이하 400㎏ 이하 F18.5 286㎏ 230-250 306㎏ 180-200
평 가 OK OK OK OK
표 8. 전환력 측정 결과 (MJ81 전기 전철기 )
현장부설 성능검증 및 모니터링 3.6
콘크리트궤도용 분기기에 대해서 실제 열차 주행 안전성 및 외기 변화에 따른 성능을 명확히 확인할
성능검증 및 모니터링 기간은 년 이상 수행하는 것을 원칙으로 하였다 현차주행시험을 통한 성능검증 1 . 항목 및 기준은 다음 표와 같다 모니터링은 궤도틀림 레일마모 및 이빠짐 개구값 보호값 등 콘크리트 . , , , 궤도용 분기기 유지보수 항목 및 기준을 적용하도록 하였다.
항 목 ① 차상시험 ② 지상시험
기 호 단위 기 준 차단주파수(Hz) 기 준
횡압
kN - ≥ 40 40
유도력
kN
≥ 20 -
윤중
kN - ≥ 20 Max : 200, Min : 35 탈선비(
≥ 250m)
- 0.8 ≥ 20 0.8
대차의 횡방향 가속도
m/sec
2
10 - 차체의 횡방향 가속도
m/sec
23 6 해당사항 없음 차체의 수직방향 가속도
m/sec
23 4 해당사항 없음
레일 수직변위
mm 해당사항 없음 2
레일 응력 전진폭 ( )
MPa 해당사항 없음 220 표 9. 현차주행시험 성능검증 항목 및 기준
현장부설 모니터링 결과
①
년 월 일 부설 완료한 고속분기기 에 대하여 표 에서와 같이 매월 모니터링을 진행하
’09 11 25 (F18.5) 10
였으며 , ’10 년 월 일 최종 합동점검결과 모니터링 항목의 모든 기준을 만족하는 것으로 분석되었다 4 22 .
그림 10. 트랙마스터 정밀검측 그림 11. F18.5 건넘선 분기기 전경
구 분 부설완료 ~ 3 개월 3 ~ 12 개월 13 ~24 개월 비 고
주 기 월 회 2
째주 (2,4 )
월 회 1 째주 (4 )
개월 회 3 1
째주
(4 ) 1 일간
검측항목 육안검사
정밀검측 트랙마스터 일반검측 ( )
″ 궤도검측차 +
전환력 시험 +
″ 필요시
( ) -
표 10. 모니터링 주기
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -12
-9 -6 -3 0 3 6 9 12
T2, Through Track, 10/03/09 Test #1(Seoul-Busan)
Gauge(mm)
Distance (m) Threshold
Rear of Crossing Front of
turnout : Seoul Lead Crossing
Rear of turnout : Busan
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
Cant(mm)
Distance (m)
T1, Through Track, 10/03/09 Test #1(Busan-Seoul) Test #2(Seoul-Busan) Threshold
Crossing
Rear of Crossing Lead
Rear of turnout : Seoul Front of
turnout : Busan
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
T1(Right Rail), Through Track, 10/03/09 Test #1(Busan-Seoul) Test #2(Seoul-Busan)
Longitudinal Irregularity(mm)
Distance (m) Threshold
Crossing
Rear of Crossing
Lead Rear of
turnout : Seoul Front of
turnout : Busan
그림 12. 궤도틀림 측정 결과
현차주행시험 계획
②
현차주행시험은 차상시험과 지상시험으로 계획되어 있다 차상시험에 대한 세부적인 시험방법은 . UIC 을 적용하며 동적 시운전 시험시 수행하는 차상시험과 연계하여 수행할 계획이다 지상시험은 아래
518 , .
와 같이 패드의 강성 균일성 검증을 주목적으로 레일의 수직변위를 측정할 계획이며 레일의 응력 및 , 윤중 횡압도 측정하여 탈선 및 구조적 안전성을 검증할 계획이다 , .
접속부
18-005
27, 10번째 침목 (2) 부산
(1)
저부응력 레일수직변위 일반부
2번째 침목 (1)
sleeper no. 18-006,11,16 18-008,13,18 18-036,38
(미끄럼상판 Short) (미끄럼상판 Roller) (미끄럼상판 Long) 18-042 18-043 18-047,52 18-057 18-058 18-089 18-093 18-097 18-098
(텅레일 단조부) 18-099
(크래들) (크래들)
(3) (3) (3)
(1) (12) (5) (6)
(7) (8)
(9)
(11) (10)
(4)
(13)
(14) (10)
(Heel)
저부응력,윤중,횡압,레일수직변위
스위치부 리드부 크로싱부
동대구
