[논문]도시철도 분기기 궤도구조의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계에 관한 연구

최정열; 박종윤; 이규용; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.2.461

도시철도 분기기 궤도구조의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계에 관한 연구
A Study on Relationship between Track Impact Factor and Track Support Stiffness of Turnout System on Urban Transit 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.2, 2020년, pp.461 - 466

최정열 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 박종윤 (공항철도(주) 시설처) , 이규용 (공항철도(주) 기술본부) , 정지승 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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본 연구는 도시철도 콘크리트궤도에 적용된 침목플로팅궤도와 목침목 분기기 궤도의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계분석을 위해 운행선 현장측정을 수행하여 분기기 궤도의 위치별 궤도지지강성과 궤도충격계수를 측정하였다. 본선의 일반 궤도구조인 침목플로팅궤도의 궤도지지강성은 침목방진패드의 스프링강성에 지배적인 영향을 받는 것으로 분석되었다. 일반궤도와 분기기 위치별 궤도지지강성의 차이는 궤도충격계수에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 연구결과, 침목플로팅 궤도구조와 분기기 궤도구조의 궤도지지강성과 궤도충격계수는 위치별로 큰 차이를 나타내는 것으로 나타났다. 따라서 본선 일반구간과 분기기 궤도의 궤도지지강성의 편차를 최소화 하여 궤도충격을 저감시키는 방안이 필요한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the relationship between the track support stiffness and the track impact factor for a sleeper floating track and a turnout system with wood ties currently employed in Korean urban transit was assessed by performing field tests using actual vehicles running along the service lines. Field tests were performed on four track systems (i.e., sleeper floating track, and point, lead and crossing sections of turnout system). The theoretically designed track impact factor and track support stiffness were compared with the corresponding track impact factor and track support stiffness measured through field tests for the target tracks on the service line. The track impact factor for the service line appeared to increase with the deviation of track support stiffness according to vehicle driving direction; therefore, it was inferred that the deviation of track support stiffness between each track section directly affected the track impact factor.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 분기기 센서설치 개요도 및 센서설치 전경 Figure 1. Photographs of turnout system and sensor instrumentation
표 표 1. 측정개소 궤도제원 Table 1. Properties of tested track
그림 그림 2. 분기기 궤도 동적응답 측정파형 예 Figure 2. Examples of measured track response in turnout
그림 그림 3. 분기기 위치별 동적응답 측정결과 Figure 3. Test results of dynamic response in each section
그림 그림 4. 분기기 위치별 궤도지지강성 Figure 4. Track support stiffness in each sections
그림 그림 5. 분기기 위치별 동적 윤중 변동율 Figure 5. Rate of wheel load fluctuation in each section
그림 그림 6. 분기기 위치별 측정 궤도충격계수 Figure 6. Measured track impact factor in each section
표 표 2. 분기기 위치별 측정 궤도충격계수 비교 Table 2. Comparisons of track impact factor(TIF)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도시철도 침목플로팅 궤도구조와 분기부 열차주행에 따른 일반궤도와 분기기 궤도의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 차이를 분석하고자 현장측정을 수행하였다.
본 연구에서는 도시철도 콘크리트궤도에 적용된 침목플로팅 궤도구조와 목침목 분기기 궤도구조의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계를 분석하고자 운행선 현장측정을 수행하여 분기기 위치별 궤도지지강성의 변화에 따른 궤도충격계수를 실험적으로 입증하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 침목플로팅 궤도시스템(LVT, Low vibration track)을 본선 일반궤도구조로 사용하는 선로를 대상으로 콘크리트 도상에 적용된 목침목 분기기의 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계를 입증하였다.
이에 본 연구에서는 LVT 및 분기기 궤도구조의 측정 궤도충격계수를 산출하기 위해 윤중 측정결과로부터 얻어진 윤중변동률을 이용하여 궤도충격계수를 산출하였다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 실 운행선 현장측정을 수행하여침목플로팅 궤도구조와 인접한 목침목 분기기 궤도구조의 위치별 궤도지지강성의 편차를 실험적으로 입증하고 각각의 위치별 동적 윤중변동의 수준을 분석하여 측정 궤도충격계수를 산출함으로써 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계를 실험적으로 입증하였다.
측정구간을 주행하는 열차의 속도변화에 따른 일반 및 분기기 궤도구조의 위치별 동적응답(윤중, 레일 및 침목의 수직변위)을 측정하였으며. 측정파형의 예는 그림 2와 같고 분기기 궤도구조의 위치별 동적응답 결과는 그림 3과 같다.

대상 데이터

측정개소는 직선부 일반궤도구간 1개소와 인접한 분기기 1틀을 대상으로 포인트부, 리드부, 크로싱부로 구분하여 측정개소를 선정하였으며, 측정개소의 궤도제원과 측정개소 전경은 각각 표 1 및 그림 1과 같다.

성능/효과

1) 침목플로팅 궤도구조와 분기기 궤도구조의 궤도지지강성 차이는 최대 68% 수준인 것으로 나타났으며 이에 따른 궤도충격계수의 차이는 약 18% 이상 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 본선 일반구간과 분기기궤도구조의 궤도지지강성의 편차를 최소화하여 분기기궤도구조에 미치는 궤도충격의 효과를 저감시키는 방안이 필요한 것으로 분석되었다.
2) 따라서 분기기 궤도구조의 유지관리 최적화 및 열차주행안정성 확보를 위해 크로싱부 뿐만 아니라 포인트부 궤도손상 및 충격 증폭의 잠재적 요인인 포인트부와 일반궤도간의 궤도지지강성 차이를 최소화하기 위한 방안을 수립하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다. 또한 분기기 구간과 인접 본선구간 및 분기기 위치별 궤도지지강성의 편차를 최소화하여 궤도침하수준을 안정화하고 동적 윤중변동의 수준을 저감시킴으로써 분기기 궤도구조에 발생되는 궤도충격을 최소화 하고 이를 통해 궤도구성품의 손상을 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 대상 분기기의 경우 분기기 위치별 궤도지지강성은 그림 4와 같이 유사한 수준으로 분석되었으며 일반부의 궤도지지강성이 가장 크게 나타났다. 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계 분석결과, 궤도지지강성이 일정한 분기기 위치별 궤도충격계수는 그림 6과 같이 일정한 수준으로 분석되었으며 일반부의 경우에도 설계기준을 만족하는 것으로나타났다.
일반적인 궤도의 궤도지지강성은 레일지지점을 구성하는 탄성재료의 조합 스프링강성과 레일의 휨강성에 직접적인 영향을 받게 된다. 그러나 본 연구의 대상 분기기 궤도구조의 경우 침목직하부에 설치된 침목방진패드의 스프링강성을 정량적으로 평가하기 어려운 실정이므로 측정위치의 레일 및 침목 배치 상태, 그리고 레일과 침목의 결속상태(체결상태)에 따라 측정 궤도지지강성의 차이가 발생될 수 있을 것으로 분석되었다.
1) 침목플로팅 궤도구조와 분기기 궤도구조의 궤도지지강성 차이는 최대 68% 수준인 것으로 나타났으며 이에 따른 궤도충격계수의 차이는 약 18% 이상 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 본선 일반구간과 분기기궤도구조의 궤도지지강성의 편차를 최소화하여 분기기궤도구조에 미치는 궤도충격의 효과를 저감시키는 방안이 필요한 것으로 분석되었다.
따라서 분기기 위치별 궤도지지강성의 차이를 최소화함으로써 분기기 전체적인 궤도지지강성을 일정하게 유도할 수 있다면 궤도충격계수 또한 작게 유도할 수 있을 것으로 예상되었다.
또한 그림 4와 같이 일반부와 포인트부의 궤도지지강성의 차이가 다른 위치보다 상대적으로 크게 나타났다. 따라서 일반부를 거쳐 포인트부로 열차 통과 시 윤축의 낙하현상으로 인한 포인트부의 충격이 크게 발생될 것으로 분석되었다. 크로싱 후단의 측정 궤도지지강성 역시 포인트부와 마찬가지로 작은 수준으로 나타났으며 인접한 리드부와의 궤도지지강성의 차이가 상대적으로 크게 나타나 궤도지지강성의 차이에 따른 궤도충격의 수준 및 해당위치를 주행하는 열차의 주행안정성 저하가 발생될 수 있을 것으로 분석되었다.
2) 따라서 분기기 궤도구조의 유지관리 최적화 및 열차주행안정성 확보를 위해 크로싱부 뿐만 아니라 포인트부 궤도손상 및 충격 증폭의 잠재적 요인인 포인트부와 일반궤도간의 궤도지지강성 차이를 최소화하기 위한 방안을 수립하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다. 또한 분기기 구간과 인접 본선구간 및 분기기 위치별 궤도지지강성의 편차를 최소화하여 궤도침하수준을 안정화하고 동적 윤중변동의 수준을 저감시킴으로써 분기기 궤도구조에 발생되는 궤도충격을 최소화 하고 이를 통해 궤도구성품의 손상을 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
측정결과 그림 3과 같이 분기기 위치별로 동적 윤중의 크기는 유사하나 궤도의 수직 변위는 다소 차이가 나는 것으로 나타났다. 또한 분기기 위치별 레일 및 침목 수직변위 측정결과, 레일의 휨변형에 의한 변위는 약 0.5mm로 일정하게 나타나 분기기 위치별 레일의 휨거동은 유사한 수준인 것으로 분석되었다. 분기기 위치별 동적 윤중은 유사하나 궤도침하량의 차이가 발생됨으로써 윤중과 궤도변위의 상관관계에 의해 결정되는 궤도지지강성은 분기기 위치별로 차이가 발생될 것으로 분석되었다.
반면 리드부의 경우 다른 위치보다 레일을 지지하는침목의 길이가 길고 침목당 결속되어 있는 레일도 일반부와 포인트부 및 크로싱부 보다 많아 측정 궤도지지강성이 다소 높게 평가된 것으로 분석되었다.
일반적인 궤도에서의 궤도충격계수와 궤도지지강성은 궤도지지강성의 증가에 따라 궤도충격계수가 증가하는 선형 비례관계에 있다. 본 연구의 대상 분기기의 경우 분기기 위치별 궤도지지강성은 그림 4와 같이 유사한 수준으로 분석되었으며 일반부의 궤도지지강성이 가장 크게 나타났다. 궤도지지강성과 궤도충격계수의 상관관계 분석결과, 궤도지지강성이 일정한 분기기 위치별 궤도충격계수는 그림 6과 같이 일정한 수준으로 분석되었으며 일반부의 경우에도 설계기준을 만족하는 것으로나타났다.
5mm로 일정하게 나타나 분기기 위치별 레일의 휨거동은 유사한 수준인 것으로 분석되었다. 분기기 위치별 동적 윤중은 유사하나 궤도침하량의 차이가 발생됨으로써 윤중과 궤도변위의 상관관계에 의해 결정되는 궤도지지강성은 분기기 위치별로 차이가 발생될 것으로 분석되었다.
그림 4와 같이 분기기 위치별 측정 궤도지지강성은 일반부의 경우 53∼78kN/mm, 포인트부의 경우 23∼27kN/mm, 리드부의 경우 23∼31kN/mm, 크로싱부의 경우 13∼17kN/mm로 분석되었다. 분기기 위치별 측정 궤도지지강성 분석결과, 일반부의 경우 사용년수에 따른 침목방진패드의 스프링강성 증가가 해당위치의 궤도지지강성에 영향을 미친 것으로 분석되었다. 포인트부의 경우 레일 및 침목변위가 상대적으로 크게 발생되어 측정 궤도지지강성이 작게 평가된 것으로 분석되었다.
따라서 일반부를 거쳐 포인트부로 열차 통과 시 윤축의 낙하현상으로 인한 포인트부의 충격이 크게 발생될 것으로 분석되었다. 크로싱 후단의 측정 궤도지지강성 역시 포인트부와 마찬가지로 작은 수준으로 나타났으며 인접한 리드부와의 궤도지지강성의 차이가 상대적으로 크게 나타나 궤도지지강성의 차이에 따른 궤도충격의 수준 및 해당위치를 주행하는 열차의 주행안정성 저하가 발생될 수 있을 것으로 분석되었다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
D.W. Lee, Y.G. Park, J.Y. Choi, "A Study in the Evaluation of Track Support Stiffness on the Various Track Type in Urban Transit", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 14, No. 3, pp. 262-270, 2011.

원문보기 상세보기
J.Y. Choi, Y.G. Park, S.M. Lee, "The Evaluation of Track Impact Factor on the Various Track Type in Urban Transit", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 14, No. 3, pp. 248-255, 2011.

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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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