[논문]친환경 산악철도 매립형 궤도의 선로전환기 및 히팅장치 개발

서승일

doi:10.5762/kais.2020.21.2.503

친환경 산악철도 매립형 궤도의 선로전환기 및 히팅장치 개발
Development of Switching and Heating Devices in Embedded Rack Track for Environmental-friendly Mountain Railway 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.503 - 510

초록
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친환경 산악철도는 산악지역 환경보전을 위해 기존 급곡선·급경사 도로 위에 매립된 콘크리트 톱니 궤도에서 운행하게 된다. 폭이 좁은 도로 특성상 단선 구간이 많아지고, 교행에 따른 분기부가 많이 존재한다. 분기부에서 기존 선로전환기와 히팅장치는 중앙 톱니 궤도의 이동 공간 확보, 두터운 결빙의 신속히 제거 등이 불가하여 산악철도에 적용하기 곤란하다. 이런 문제 해결을 위해 궤도 블록 이동 선로전환기와 고주파유도 히팅장치를 개발하였다. 개발 선로전환기는 콘크리트 톱니궤도 블록을 유압 액튜에이터를 이용하여 이동시킴으로 선로를 전환할 수 있고, 크로싱의 결선부가 없어져서 탈선의 위험이 감소되며, 쇄정도 간편해진다. 히팅장치는 고주파 유도가열을 이용하여 발열 효율을 높임으로 톱니궤도의 두터운 결빙을 신속히 제거할 수 있다. 선로전환기와 히팅장치의 시작품을 제작하여 동작시험을 실시함으로 성능을 입증하였다. 히팅장치는 기존 방식에 비해 10배 이상 발열 효율이 있음을 확인하였다. 개발된 선로전환기와 히팅장치는 동절기 산악트램의 운행을 위한 필수 핵심기술로서, 산악철도의 안전성 및 효율을 높임으로 국내외 산악관광지의 산악철도 도입 확산에 기여할 수 있다. 또한 산악철도는 동절기 교통이 두절되는 지역주민들에게 교통기본권을 제공하고, 관광 활성화와 지역경제 발전 효과를 가져올 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Eco-friendly mountain railways operate on concrete rack tracks embedded on existing sharp curved and steep roads to preserve the environment in mountainous areas. Owing to the narrow roads, single lines are inevitable, and many branches are required. In branches, previous switchers and heating devices cannot be applied, because of the limited spacing for the rack and the slow removal of thick ice. To solve these problems, a switch and a heating device have been developed. The switcher changes the line by moving the block of concrete track with hydraulic actuators. The lack of discontinuity reduces the derailment risk and makes locking simple. The heating device uses high frequency induction coils to increase the efficiency and melt the thick ice rapidly. The prototype switcher and heating device were produced and operated to prove their performance. The heating device yielded a 10 times greater efficiency than the previous one. The switcher and heating device are the essential core technologies for the operation of mountain trams in winter and contribute to the spread of mountain railways to domestic or foreign resort areas by enhancing safety and efficiency. In addition, they can provide transportation rights to local residents in poor winter traffic, and bring about tourism and local economic growth.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Conventional track branches
그림 Fig. 2. Concrete embedded rack track
그림 Fig. 3. Conventional branches of rack track
그림 Fig. 4. Embedded concrete rack track covered with snow
그림 Fig. 5. Interruption to movement of rack rail in embedded concrete rack track
그림 Fig. 6. Switching process of embedded concrete rack track
그림 Fig. 7. Conventional heating device for tongue rail
그림 Fig. 8. Magnetic field in high frequency induction heating device for rack rail
그림 Fig. 9. Block diagram of developed switching technology
그림 Fig. 10. Concept of switching technology for embedded concrete rack track
그림 Fig. 11. Locking in conventional switching device
그림 Fig. 12. Locking in switching device for embedded concrete rack track
그림 Fig. 13. Induction heating pipe in embedded concrete rack track
그림 Fig. 14. Plan view of prototype switching device for embedded rack track
표 Table 1. Comparison with conventional switching technology
표 Table 2. Comparison with conventional heating system
그림 Fig. 15. Prototype switching device with induction heating pipe in test
그림 Fig. 16. Hydraulic actuator in operation
표 Table 3. Performance test of switching device
그림 Fig. 17. Temperature increase of test specimens by heaters
그림 Fig. 18. Measuring temperatures by infrared camera for specimen heated by induction heaters
그림 Fig. 19. Steep and sharp mountain road
그림 Fig. 20. Closing mountain roads in winter season

AI 본문요약
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가설 설정

Fig. 4.와 같이 폭설과 결빙이 심한 산악철도의 궤도에서 두터운 결빙을 신속히 제거하고 선로전환기를 원활히 작동시키기 위해 기존 히팅장치는 적용하기가 곤란하다.
노반 위에서 이동이 가능한 선로전환 블록은 유압 액튜에이터에 의해 가동되어서 선로를 분기시켜주는 역할을 담당한다. 선로전환 블록은 매립 레일과 톱니 레일, 콘크리트 궤도가 일체가 되어 있다.
히팅장치는 결빙에 의해 가동이 원활하지 않은 선로전환기 블록을 해동하여 작동할 수 있는 상태로 만들어 준다. 히팅 파이프 내의 코일에 흐르는 유도전류는 제어기를 통해 제어된다. 제어기는 출력반과 냉각장치가 일체화된 인버터로 구성되어 있고 자동 및 수동 냉각이 가능하며 냉각수 온도 및 압력도 제어된다.

제안 방법

(2) 노반 블록을 고정할 수 있도록 부채꼴 원판의 회전을 이용한 간편한 쇄정장치를 개발하여 하였다.
본 연구에서는 Fig. 2.와 같이 친환경 산악철도에 적용되는 매립형 콘크리트 톱니궤도에서[3] 노선 분기를 위 해 사용할 수 있는 선로전환기와 히팅장치를 개발하였다. 매립형 콘크리트 톱니궤도는 기존 산악지역 급곡선, 급경사 도로 상에서 전기열차가 운행할 수 있도록 사전 제작되는 궤도 패널이다.
개발 기술을 구현할 수 있는 선로전환기를 설계하고 시작품을 제작하였다. 시작품은 실제 단선에서 분기되는 과정과 히팅 효과를 확인하기 위해 선로와 선로전환블록, 히팅장치를 모두 포함하고 있다.
기존 열선 방식의 발열 한계로 신속한 레일 주위 결빙 제거가 불가하므로, 급속 발열이 가능한 유도가열 방법을 적용한 톱니 궤도 히팅장치를 개발하였다. 코일이 삽입된 히팅파이프가 Fig.
콘크리트 톱니궤도의 선로전환과 히팅을 위해 기존 텅레일 방식을 적용할 수 없어서, 궤도 블록을 이동하는 새로운 개념의 선로 전환 방식을 제안하였다. 또한, 동절기 폭설 시에 형성된 산악 궤도의 두터운 결빙 부분을 신속히 제거하기 위해 급속 가열이 가능한 유도가열 히팅장치를 개발하였다. 새로운 개념에 설계된 노반 이동 선로전환 장치와 히팅장치의 시작품을 제작하고, 시험 평가를 실시하여 성능을 검증하였다.
산악지역 도로 상에서 운행하는 산악철도의 단선 구간 분기를 위해 선로전환기와 히팅장치를 개발하였다. 매립형 콘크리트 톱니궤도를 적용하는 산악철도에서 기존 선로전환기와 히팅장치를 적용하는 것은 불가능하므로, 노반 블록 이동형 선로전환 기술과 유도가열 히팅기술을 개발하고 성능을 검증하였다. 기술 개발 결과를 요약하면 다음과 같다.
산악지역 도로 상에서 운행하는 산악철도의 단선 구간 분기를 위해 선로전환기와 히팅장치를 개발하였다. 매립형 콘크리트 톱니궤도를 적용하는 산악철도에서 기존 선로전환기와 히팅장치를 적용하는 것은 불가능하므로, 노반 블록 이동형 선로전환 기술과 유도가열 히팅기술을 개발하고 성능을 검증하였다.
또한, 동절기 폭설 시에 형성된 산악 궤도의 두터운 결빙 부분을 신속히 제거하기 위해 급속 가열이 가능한 유도가열 히팅장치를 개발하였다. 새로운 개념에 설계된 노반 이동 선로전환 장치와 히팅장치의 시작품을 제작하고, 시험 평가를 실시하여 성능을 검증하였다.
중앙의 톱니궤도와 레일이 매립되어 있어서 산악지역 도로에서 신속하게 선로를 부설할 수 있고, 유지보수가 간편하다는 장점이 있다. 콘크리트 톱니궤도의 선로전환과 히팅을 위해 기존 텅레일 방식을 적용할 수 없어서, 궤도 블록을 이동하는 새로운 개념의 선로 전환 방식을 제안하였다. 또한, 동절기 폭설 시에 형성된 산악 궤도의 두터운 결빙 부분을 신속히 제거하기 위해 급속 가열이 가능한 유도가열 히팅장치를 개발하였다.

성능/효과

(1) 블록 이동형 선로전환기는 대변위 구동을 위해 유압 액튜에이터를 적용하였고, 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인하였다.
(3) 유도가열법을 적용한 톱니레일의 히팅기술을 개발하여 기존 방식에 비해 10배 이상 빠른 속도로 결 빙의 제거가 가능해졌다.

후속연구

산악트램이 톱니궤도를 이용하여 결빙 구간을 주행할 수 있다 하더라도, 분기부를 원활하게 통과하지 못한다면, 산악트램이 산악도로에서 운행하는 것은 불가능하게 된다. 본 연구에서 개발한 선로전환기는 산악도로의 매립형 콘크리트 궤도에 적용하여 효과적으로 활용될 수 있다. 단단한 얼음으로 선로전환이 곤란한 분기부에서 먼저 톱니 레일을 신속히 가열하면 레일 주변의 얼음이 녹게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 산악철도란?	친환경 산악철도는 급경사 급곡선 도로 위에서 폭설과 결빙 등 기후조건에 구애됨 없이 무가선으로 운행하는 대중교통 수단을 말한다. 자동차와 겸용하면서 도로 위에 설치된 콘크리트 매립형 톱니궤도 상에서 주행하고 있으므로 기존 철도와는 다른 방식으로 운행된다.
	산악철도의 분기부에 기존 선로전환기와 히팅장치를 적용하기 어려운 이유는?	폭이 좁은 도로 특성상 단선 구간이 많아지고, 교행에 따른 분기부가 많이 존재한다. 분기부에서 기존 선로전환기와 히팅장치는 중앙 톱니 궤도의 이동 공간 확보, 두터운 결빙의 신속히 제거 등이 불가하여 산악철도에 적용하기 곤란하다. 이런 문제 해결을 위해 궤도 블록 이동 선로전환기와 고주파유도 히팅장치를 개발하였다.
	산악철도의 단선 구간 분기를 위해 노반 블록 이동형 선로전환 기술과 유도가열 히팅기술을 개발한 결과를 요약하면?	(1) 블록 이동형 선로전환기는 대변위 구동을 위해 유압 액튜에이터를 적용하였고, 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인하였다. (2) 노반 블록을 고정할 수 있도록 부채꼴 원판의 회전을 이용한 간편한 쇄정장치를 개발하여 하였다. (3) 유도가열법을 적용한 톱니레일의 히팅기술을 개발하여 기존 방식에 비해 10배 이상 빠른 속도로 결 빙의 제거가 가능해졌다. (4) 신속한 결빙 제거는 동절기 산악트램의 운행 안전성 및 효율을 높여 산악철도 도입 확대에 기여할 수 있다.

참고문헌 (7)

MOLIT, MJ81 type point machine, Korean Railway Standards, KRS SG 0027-17R, Korea, pp. 1-8, 2006.
KR, Heating system for switch, Standards of Korea Rail Network Authority, KRSA-1011-R0, Korea, pp. 1-20, 2016.
S. I. Seo, H. S. Mun, "Development of technologies for mountain trams driven through sharp curves", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 33, No.5, pp. 2019-2027, May 2019. DOI: https://doi.org/10.1007/s12206-019-0404-0

상세보기
J. S. Lee, S. I. Seo, Technology survey of oversea railway operation and maintenance, Report of oversea business trip, Trip2016426, Korea Railroad Research Institute, Korea, pp.11-13, 2016.
I. H. Min, B. Kim, K. W. Chung, S. C. Roh, "Development of a constant power AC/DC converter for point heat equipments", Proceedings of Fall 2013 Conference of Korean Society for Railway, KSR2013A189, pp. 753-759, 2013.
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MOLIT, Regulations for facilities in construction of track infrastructure, No. 2013-415, Ministry of land and Transport, Korea, pp. 35-36, 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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