분기기는 선로가 분기되거나 또는 교차하는 지점에 설치되어 열차의 이동 방향을 안전하게 변경하는 역할을 한다. 그러나, 운영 환경에 따라 비정상적인 힘이 분기기에 발생할 경우, 정확한 진단 및 검측을 실시할 수 없는 단점이 있다. 또한 분기기의 전환력을 측정하는 대부분의 장치는 국외 수입에 의존하며, 단순히 전환력 측정값으로 데이터가 한정됨으로서 분기기와 전기선로전환기간의 이상 상태, 운영 및 유지보수를 위한 데이터 등에 활용하기에 불충분한 것으로 조사되었다. 본 논문은 국내에서 사용중인 전기선로전환기의 전환기능과 쇄정기능의 특성 분석을 통해 기존에 사용된 분기기 전환력 측정의 문제점을 제시한 후, 이를 해결하기 위한 센서 활용 분기기 전환력 측정 방법을 제시한다.
분기기는 선로가 분기되거나 또는 교차하는 지점에 설치되어 열차의 이동 방향을 안전하게 변경하는 역할을 한다. 그러나, 운영 환경에 따라 비정상적인 힘이 분기기에 발생할 경우, 정확한 진단 및 검측을 실시할 수 없는 단점이 있다. 또한 분기기의 전환력을 측정하는 대부분의 장치는 국외 수입에 의존하며, 단순히 전환력 측정값으로 데이터가 한정됨으로서 분기기와 전기선로전환기간의 이상 상태, 운영 및 유지보수를 위한 데이터 등에 활용하기에 불충분한 것으로 조사되었다. 본 논문은 국내에서 사용중인 전기선로전환기의 전환기능과 쇄정기능의 특성 분석을 통해 기존에 사용된 분기기 전환력 측정의 문제점을 제시한 후, 이를 해결하기 위한 센서 활용 분기기 전환력 측정 방법을 제시한다.
The role of the turnouts installed on the points of railway branches and intersections is to safely switch the directions of trains. In case of abnormal forces applied to the turnouts due to extreme operating conditions, it is difficult in the current system to conduct accurate diagnosis and measuri...
The role of the turnouts installed on the points of railway branches and intersections is to safely switch the directions of trains. In case of abnormal forces applied to the turnouts due to extreme operating conditions, it is difficult in the current system to conduct accurate diagnosis and measuring. Moreover, the existing measurement devices for turnout switching power are mostly based on foreign technologies, which provide only limited information on the switching power; this information is insufficient for effective monitoring and maintenance. In this paper, through an analysis of the characteristics of the switching and locking function, the problems in turnout power measurements of current electrical point machines in Korea are examined. And based on the results, a new sensor-based method for measuring switching power is proposed.
The role of the turnouts installed on the points of railway branches and intersections is to safely switch the directions of trains. In case of abnormal forces applied to the turnouts due to extreme operating conditions, it is difficult in the current system to conduct accurate diagnosis and measuring. Moreover, the existing measurement devices for turnout switching power are mostly based on foreign technologies, which provide only limited information on the switching power; this information is insufficient for effective monitoring and maintenance. In this paper, through an analysis of the characteristics of the switching and locking function, the problems in turnout power measurements of current electrical point machines in Korea are examined. And based on the results, a new sensor-based method for measuring switching power is proposed.
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문제 정의
이는 단순한 전환력 측정값으로 데이터가 한정됨으로서 분기기와 전기선로전환기간의 이상 상태, 운영 및 유지보수용 데이터 구축 등에 활용하기에 충분하지 않은 것으로 확인되었다[13,14]. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내에서 사용중인 전기선로전환기 각각에 관련된 전환기능과 쇄정기능의 특성 분석을 통해 기존의 전환력 측정장치의 문제점과 함께, 센서를 활용한 전환력 측정 가능성을 제시한 후, 향후 모든 분기기에 공통으로 적용 가능한 센서 활용 전환력 측정 방안에 대해 언급한다. 또한 현장에 설치된 임의의 분기기의 전환력을 본 논문에서 제시한 방법으로 측정 및 분석을 실행함으로서 향후 운영 및 유지보수를 위한 정확한 데이터로 분석 결과가 활용될 수 있음은 물론 이를 기반으로 한 분기기의 성능 종합분석장치의 개발 필요성을 제시한다.
2.4 전환기능 및 쇄정기능 분석 본 단원에서는 국내에서 사용중인 NS 및 NS-AM, MJ81의 전기선로전환기로 제한하여 전환기능 및 쇄정기능을 검토하였다.
가설 설정
따라서 분기기는 곡선 반경이 증가할수록 텅레일 길이도 같이 증가하며, 레일의 반발력이 없다는 가정하에 텅레일을 전환하는데 필요한 전환력은 “분기기 전환력=(텅레일 하중)×(마찰 계수)”로 주어진다[2]. 이를 이용하여 텅레일과 상판과의 마찰을 금속과 금속 마찰계수로 가정하고, 텅레일의 기준을 일반적인 UIC60레일로 가정하여 전환력을 산출하면 아래의 표와 같다[3]. 이는 분기기의 번호가 증가 할수록 전환력 또한 증가하며, 마찰 계수와의 상관관계를 가짐에 따라 상판의 손상, 윤활 상태 등은 실제 운영상의 전환력에 매우 큰 영향을 준다[13].
제안 방법
이는 분기기의 번호가 증가 할수록 전환력 또한 증가하며, 마찰 계수와의 상관관계를 가짐에 따라 상판의 손상, 윤활 상태 등은 실제 운영상의 전환력에 매우 큰 영향을 준다[13]. 2.4 전환기능 및 쇄정기능 분석 본 단원에서는 국내에서 사용중인 NS 및 NS-AM, MJ81의 전기선로전환기로 제한하여 전환기능 및 쇄정기능을 검토하였다.
MJ81형의 전환력 측정은 NS 및 NS-AM형 분기기에서 규정한 밀착력과 분기기 유지보수시의 기계적, 전기적 조정과 함께 반드시 분기기를 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 전환시의 텅레일의 전환에 따른 분기기의 전환력 측정을 규정화하였다. 전환력 측정 장치는 NS 및 NS-AM형과 유사한 아날로그 측정 방법을 사용하지만, 이는 전환시의 텅레일의 이동에 적용된 힘을 측정 하는 것이 NS 및 NS-AM형과 다르게 주어진다.
본 논문에서 제안한 센서를 이용한 전환력 측정장치는 기존의 전환력 측정장치의 단점을 보완하고, 분기기에 인가되는 예상치 못한 비정상 힘에 대한 정확한 정보를 확인하는 기능에 중점을 두고 개발하였다. 또한 MJ81형 분기기 및 NS형 분기기에서 사용하는 전환력 측정방법의 문제점을 분석한 결과, 가장 간단한 방법으로 MJ81 유형의 분기기에서 기계적, 전기적 조정이 종료된 후 일반적으로 실시하는 아날로그 측정방법에 의한 전환력 측정을 센서를 이용한 디지털 측정방법으로 대체하여 전환력을 측정하는 방안 을 검토하였다.
또한 현재의 측정장치는 각각의 분기기별로 다름에 따라 모든 분기기에 공통으로 사용할 수 없는 것으로 확인되었다. 본 논문에서 제안한 센서를 이용한 전환력 측정장치는 기존의 전환력 측정장치의 단점을 보완하고, 분기기에 인가되는 예상치 못한 비정상 힘에 대한 정확한 정보를 확인하는 기능에 중점을 두고 개발하였다. 또한 MJ81형 분기기 및 NS형 분기기에서 사용하는 전환력 측정방법의 문제점을 분석한 결과, 가장 간단한 방법으로 MJ81 유형의 분기기에서 기계적, 전기적 조정이 종료된 후 일반적으로 실시하는 아날로그 측정방법에 의한 전환력 측정을 센서를 이용한 디지털 측정방법으로 대체하여 전환력을 측정하는 방안 을 검토하였다.
이는 MJ81형 분기기의 컨트롤 샤프트와 동작간을 연결하는 죠핀에 부하를 검출하는 센서 로드셀을 설치하여 전환력을 측정하는 것으로, 센서에 의한 분기기 전환력 측정값의 연속적인 기록은 전환력과 전환기능 및 쇄정기능과의 분석에 사용하기 위해 다음과 같은 방식을 적용하였다.
전환력 측정 장치는 NS 및 NS-AM형과 유사한 아날로그 측정 방법을 사용하지만, 이는 전환시의 텅레일의 이동에 적용된 힘을 측정 하는 것이 NS 및 NS-AM형과 다르게 주어진다. 즉 전환력 측정에 사용되는 윈치를 기본레일에, 그리고 윈치와 측정 게이지를 연 결하여 전환에 사용되는 힘을 확인한다. 이는 주로 노스가동 분기기의 기계적, 전기적 조정이 종결된 후에 시행하며, 관련 최대 전환력은 프랑스철도청에서 규정한 350kgf을 초과할 수 없으며, 측정장치는 첨단부의 동작간의 형태에 적합하도록 제작됨으로서 크로싱부의 전환력 측정은 불가능한 것으로 확인되었다.
대상 데이터
본 논문에서 제시한 센서 이용 분기기의 전환력 측정 방식의 적용성 시험은 한국철도공사 오송교육장에 설치된 고속철도용 F18.5 분기기를 활용하였다. 기존의 측정방식이 단순히 최대 전환력만을 표시하였지만, [그림 8]의 센서 활용 전환력 측정값은 분기기가 전환을 시작하는 시점에서부터 전환이 종료되는 모든 순간까지 일정한 샘플링 시간을 통해 측정값이 제공됨으로서 분기기의 상태를 정확하게 진단할 수 있는 특징을 갖는다.
성능/효과
캠은 동작간과 직각방향으로 움직이며, 동작간을 쇄정하는 역할을 한다. 결과적으로 NS 및 NS-AM형의 쇄정은 쇄정 이전에 밀착간을 밀고 있는 형태로 구현됨에 따라 전환력과 밀착력을 가장 중요하게 취급하며, 이러한 쇄정방식은 레일을 쇄정하는 것이 아니라, 검지로드인 첨단간을 쇄정하는 간접적인 방식으로 주어짐으로서 볼트풀림, 연결핀 탈락, 쇄정간 절손, 각종 연결부의 유격 등의 요인이 발생할 수 있으며, 이로 인해 쇄정기능이 약해지거나 쇄정기능 자체가 상실될 수 있는 결점이 있다. 이는 절대적인 안전을 확보해야 하는 선로전환기의 특성상 NS 및 NS-AM형의 가장 큰 단점 요인으로 분석된다.
기존의 측정방식이 단순히 최대 전환력만을 표시하였지만, [그림 8]의 센서 활용 전환력 측정값은 분기기가 전환을 시작하는 시점에서부터 전환이 종료되는 모든 순간까지 일정한 샘플링 시간을 통해 측정값이 제공됨으로서 분기기의 상태를 정확하게 진단할 수 있는 특징을 갖는다. 또한 기존의 방식은 단지 첨단부에만 적용이 가능하도록 설계, 제작됨으로서 고속철도 노스가동 분기기의 크로싱부에는 사실상 적용이 불가능하였지만, 본 논문의 센서 이용 분기기 전환력 측정은 첨단부와 크로싱부에 무관하게 전환력을 쉽게 측정할 수 있음을 확인하였다. 특히 아래 그림의 측정 결과 분석에 있어서 첨단부의 전환력은 정위, 반위가 모두 동일하지만, 크로싱부의 전환력은 첨단부에 비해 정위 방향으로 크게 나타남을 확인할 수 있으며, 반위시에 전환력이 작게 표시되면서 관련 방향에서의 동작 성능이 정위 방향에서와 균형이 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다.
기존 방식에 의한 전환력 측정은 분기기의 최대전환력은 측정되지만, 전환기능 및 밀착기능과 전기선로 전환기와의 연관 관계에 대한 정확한 정보 및 운영, 유지보수시 예상되는 열차 운영 속도 및 선로 환경에 따라 분기기에 인가되는 비정상 상태에 의한 전환력 증가 분석 예측은 물론 분기기 및 전기선로전환기의 내부 결함 등에 대한 정보를 정확하게 해석하는 것도 불가능한 것으로 확인되었다[11]. 또한 현재의 측정장치는 각각의 분기기별로 다름에 따라 모든 분기기에 공통으로 사용할 수 없는 것으로 확인되었다. 본 논문에서 제안한 센서를 이용한 전환력 측정장치는 기존의 전환력 측정장치의 단점을 보완하고, 분기기에 인가되는 예상치 못한 비정상 힘에 대한 정확한 정보를 확인하는 기능에 중점을 두고 개발하였다.
즉 전환력 측정에 사용되는 윈치를 기본레일에, 그리고 윈치와 측정 게이지를 연 결하여 전환에 사용되는 힘을 확인한다. 이는 주로 노스가동 분기기의 기계적, 전기적 조정이 종결된 후에 시행하며, 관련 최대 전환력은 프랑스철도청에서 규정한 350kgf을 초과할 수 없으며, 측정장치는 첨단부의 동작간의 형태에 적합하도록 제작됨으로서 크로싱부의 전환력 측정은 불가능한 것으로 확인되었다.
또한 기존의 방식은 단지 첨단부에만 적용이 가능하도록 설계, 제작됨으로서 고속철도 노스가동 분기기의 크로싱부에는 사실상 적용이 불가능하였지만, 본 논문의 센서 이용 분기기 전환력 측정은 첨단부와 크로싱부에 무관하게 전환력을 쉽게 측정할 수 있음을 확인하였다. 특히 아래 그림의 측정 결과 분석에 있어서 첨단부의 전환력은 정위, 반위가 모두 동일하지만, 크로싱부의 전환력은 첨단부에 비해 정위 방향으로 크게 나타남을 확인할 수 있으며, 반위시에 전환력이 작게 표시되면서 관련 방향에서의 동작 성능이 정위 방향에서와 균형이 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 이는 선로의 노면상태에 의한 분기기의 기울기 변화가 있는 것으로 추정되며, 분기기를 구성하는 크로싱부의 철관, 동정, 기타 분기기 구성품, 등에 대한 세부 적인 유지보수 상태 불량을 그래프를 통해 쉽게 예측할 수 있다.
후속연구
본 논문에서는 센서를 이용한 분기기의 전환력 측정장치를 제안하였으며, 이는 기존의 아날로그 측정방식보다 정확하고 구체적인 분기기의 상태 정보를 제시하며, 향후 운영 및 장애 유지보수에 필요한 예방 유지보수 및 ICT(Information and Communication Technology) 기술을 활용한 실시간 분기기 진단 및 감시를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 장애가 발생하기 이전에 장애 유발 가능한 쇄정기능 및 전환기능의 문제점을 조기에 분석, 해결할 수 있다는 점에서 반드시 현장 적용을 필요로 하는 핵심 요소 기술로 주어지며, 본 논문에서 제안한 센서 활용 분기기의 전환력 측정을 활용하여 모든 종류의 분기기에 공동으로 적용할 수 있는 분기기 전환력 측정장치의 추가적인 연구 개발도 가능할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내에서 사용중인 전기선로전환기 각각에 관련된 전환기능과 쇄정기능의 특성 분석을 통해 기존의 전환력 측정장치의 문제점과 함께, 센서를 활용한 전환력 측정 가능성을 제시한 후, 향후 모든 분기기에 공통으로 적용 가능한 센서 활용 전환력 측정 방안에 대해 언급한다. 또한 현장에 설치된 임의의 분기기의 전환력을 본 논문에서 제시한 방법으로 측정 및 분석을 실행함으로서 향후 운영 및 유지보수를 위한 정확한 데이터로 분석 결과가 활용될 수 있음은 물론 이를 기반으로 한 분기기의 성능 종합분석장치의 개발 필요성을 제시한다.
현재 국내에서 사용중인 대부분의 분기기 전환력 측정기는 전량이 국외 수입품이며, 제품의 구성에 비해 고가이지만, 분기기의 최대 전환력에 대한 단순한 정보만을 제시하며, 각각의 분기기 유형에 따라 공동으로 사용하는 것이 불가능함으로서 모든 분기기의 상태 분석 및 비교에는 어려움이 있다. 본 논문에서는 센서를 이용한 분기기의 전환력 측정장치를 제안하였으며, 이는 기존의 아날로그 측정방식보다 정확하고 구체적인 분기기의 상태 정보를 제시하며, 향후 운영 및 장애 유지보수에 필요한 예방 유지보수 및 ICT(Information and Communication Technology) 기술을 활용한 실시간 분기기 진단 및 감시를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 장애가 발생하기 이전에 장애 유발 가능한 쇄정기능 및 전환기능의 문제점을 조기에 분석, 해결할 수 있다는 점에서 반드시 현장 적용을 필요로 하는 핵심 요소 기술로 주어지며, 본 논문에서 제안한 센서 활용 분기기의 전환력 측정을 활용하여 모든 종류의 분기기에 공동으로 적용할 수 있는 분기기 전환력 측정장치의 추가적인 연구 개발도 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쇄정장치는 어떤 역할을 하는가?
텅레일 첨단에서 좌우 레일 간격을 유지하고 전환장치를 취부하기 위한 전철간, 기본레일과 텅레일 하부에서 텅레일 전환을 원활히 하기 위한 상판, 횡압에 의한 기본레일의 이동방지를 위한 버팀쇠, 기본 레일과 텅레일간의 일정간격을 유지하기 위한 멈춤쇠(Stud) 등이 분기기 구성 요소로 함께 사용된다. 여기서 쇄정장치는 차량 통과시 분기기를 한 쪽 방향으로 고정시켜 분기기의 유동을 방지하는 역할을 하며, 텅레일과 기본레일간의 이격을 검지하여 열차의 안전한 운행의 안전을 보장하기 위해 밀착검지기가 사용된다[5]. 리드부는 첨단부 후단에서 크로싱부 전단까지 차량을 유도하며, 첨단부를 통과한 차량의 진행방향을 크로싱부의 방향으로 전향시킨다.
선로전환기란 무엇인가?
선로전환기는 텅레일 및 가동형 노스를 전환시키기 위해 필요한 전환력을 공급하는 장치로, 전기식, 유압식, 공압식이 있다. 국내 에서는 전기식과 유압식이 있으며, 전기식은 도시철도, 일반철도의 NS 및 NS-AM 전기선로전환기와 경부고속선의 MJ81 전기선로 전환기가 있으며, 유압식은 경부고속선 동대구-부산 구간에 설치된 Hydrostar가 현재 사용중에 있는 것으로 확인되었다[13,14].
노스고정형과 노스가동형은 어떻게 다른가?
크로싱부는 진로와 진로가 교차하는 부분으로 “V”자형의 노스 레일과 “X”자형의 윙레일로 구성되며, 노스고정형과 노스가동형으로 분류된다. 노스고정형은 크로싱부가 고정되어 차량의 진행 방향에 관계없이 결선부를 통과하지만, 노스가동형은 노스의 일부를 좌우로 이동할 수 있는 가동형 구조로, 노스의 첨단부가 양 측 윙레일 측면에 밀착하여 결선부를 차량의 진행방향에 따라 방향 전환을 한다. 노스고정형은 일반철도, 도시철도 등 열차의 속도가 비교적 낮은 선로에서 사용하며, 고속으로 이동하는 열차의 경우에는 열차 운행의 안정성을 위해 노스가동형이 사용되는 것으 로 조사되었다[15].
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