[논문]일반철도의 저속 및 고속열차 혼용구간 최소곡선반경 및 설정캔트범위 검토

이재혁; 김정혁; 박용걸

doi:10.5762/kais.2020.21.10.345

일반철도의 저속 및 고속열차 혼용구간 최소곡선반경 및 설정캔트범위 검토
Review of Minimum Curve Radius and Cant Range Setting for Mixed Section of Low and High speed Trains in Conventional Railway Line 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.10, 2020년, pp.345 - 353

이재혁 (서울과학기술대학교 글로벌철도시스템학과) , 김정혁 (서울과학기술대학교 철도건설공학과) , 박용걸 (서울과학기술대학교 철도건설공학과)

초록
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일반철도의 경우 운행속도가 다양한 여객열차와 화물열차가 혼용되기 때문에 차량이 곡선구간을 주행할 경우에는 승객의 승차감과 열차의 주행안전성을 확보하기 위하여 최소곡선반경을 설정하고 운행속도에 적합한 균형캔트, 부족캔트 및 초과캔트 설정범위를 만족하는 캔트를 설정하여야 한다. 본 논문에서는 선로의 곡선반경, 캔트, 열차속도의 상관관계를 분석하여 열차종별 운행속도, 부족캔트와 초과캔트에 대한 기준을 만족하는 캔트범위를 분석하고 곡선반경에 대한 현재 설계기준의 적정성을 검토하여 최적의 최소곡선반경을 제시하고자 한다. 또한, 회귀분석을 통한 열차혼용시 운행 빈도에 따른 열차운행속도를 산정하여 고속열차 횟수비에 따른 균형캔트와 곡선반경별 설정캔트 범위를 산정하였다. 위의 결과를 바탕으로 최소곡선반경과 설정캔트의 적정범위를 제시함으로써 노반과 궤도설계에 반영하여 운영노선의 속도향상, 부족캔트에 의한 승차감저하 및 탈선위험을 방지하고, 초과캔트에 의한 하중편중을 최소화하여 곡선선로를 주행하는 열차의 주행안전성 확보와 선로유지관리 효율성을 향상하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

On conventional railway lines, trains with different speeds are operated. Therefore, trains moving on curved sections with cants must accept various ranges of balanced cants, cant deficiency, and cant excess, which is essential for the comfort and safety of train operation. In this study, the correlation between the curve radius, cant, and train speed on a track was analyzed to check the cant range that satisfies the criteria of train types, operation speed, cant deficiency, and cant excess. Also, the range of setting the cant by the curve radius and balanced cant were calculated by a regression analysis of train speed according to the frequency of operation in the case of mixed trains. The results could make it possible to improve the speed of the operation route, reduce the loss of ride quality, reduce the risk of derailing caused by cant deficiency, and minimize the load deflection by excess cant. This will ensure the safety of trains running on curves and improve the efficiency of track maintenance.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Minimum Curve Radius
표 Table 2. Maximum setting Cant and Cant deficiency
그림 Fig. 1. Maximum setting cant
그림 Fig. 2. Train operation speed comply with high speed train operation ratio (a) Train speed according train(V=200km/h) frequency ratio (b) Train speed according train(V=230km/h) frequency ratio (c) Train speed according train(V=250km/h) frequency ratio (d) Train speed according train(V=300km/h) frequency ratio
표 Table 3. Operation speed according to operation ratio during high speed train and cargo train are mixed
표 Table 4. Minimum curve radius
표 Table 5. Track bed type and cants of each curve radius during passenger(design speed 250km/h)train and cargo traing are mixed
표 Table 6. Minimum curve radius settings by design speed
표 Table 7. Setting cant when cargo train(90km/h) and passenger train(250km/h) are mixed

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모든 열차의 운행속도를 만족시킬 수 없으나 부족캔트에 의한 승차감 저하 및 탈선위험을 방지하고 초과캔트에 의한 하중편중을 최소화 할 수 있는 최소곡선반경 및 설정캔트 범위를 도출함으로써 대상선로를 주행하는 열차의 안전과 유지관리의 효율성을 제고하고자 하였다.
본 연구에서는 열차운행속도에 적합한 곡선반경 및 캔트설정을 위하여 선로의 곡선반경, 캔트, 열차속도의 상관관계를 분석하여 열차종별 운행속도, 부족캔트와 초과 캔트에 대한 기준을 만족하는 캔트범위를 설계속도와 도상형식별로 검토하고 현재 설계기준의 적정성을 검토하여 최적의 최소곡선반경을 제시하였다. 또한, 회귀분석을 통한 열차 혼용시 운행빈도에 따른 열차운행속도를 산정하여 고속열차 횟수비에 따른 균형캔트와 곡선반경별 설정캔트 범위를 산정하였다.
일반철도의 개량 또는 신설하는 노선에 저속 및 고속열차가 혼용하는 곡선구간의 최소곡선반경을 산정하고, 열차운행빈도에 따른 운행속도에 적합한 설정캔트의 적정범위를 산정함으로서 승객의 승차감 향상 및 열차의 주행안전성 확보와 선로유지관리 효율성을 향상하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 열차운행속도에 적합한 곡선반경 및 캔트설정을 위하여 선로의 곡선반경, 캔트, 열차속도의 상관관계를 분석하여 열차종별 운행속도, 부족캔트와 초과 캔트에 대한 기준을 만족하는 캔트범위를 설계속도와 도상형식별로 검토하고 현재 설계기준의 적정성을 검토하여 최적의 최소곡선반경을 제시하였다. 또한, 회귀분석을 통한 열차 혼용시 운행빈도에 따른 열차운행속도를 산정하여 고속열차 횟수비에 따른 균형캔트와 곡선반경별 설정캔트 범위를 산정하였다.

이론/모형

고속 및 저속열차 등 다양한 종류의 열차가 운행되는 곡선부 선로의 캔트설정을 위한 운행속도는 해당 곡선의 열차최고속도 또는 운전선도를 바탕으로 열차별 곡선구간의 통과속도를 구한 후 고속열차와 저속열차와의 운행빈도를 고려한 다음 한국철도시설공단 “철도설계지침 및 편람”(KR C-14020 궤도선형 및 배선)의 자승평균법을 기준으로 산출하여 적용한다.

성능/효과

(1) Maximum cant deficiency shall be applied only when a transition curve exists, or when cant deficiency is gradually increased.
(2) If upgrading to a high-speed railroad, maximum cant deficiency may be up to 120 mm.
넷째, 고속열차 횟수비가 50%이상으로 클 경우에는 자승평균법에 의한 열차운행속도가 높아 균형캔트가 높게 설정되어 저속열차는 초과캔트가 허용범위 최대 110mm를 초과하게 되므로 고속열차의 균형캔트에 부족캔트 한계 80mm를 감한 값을 설정캔트의 최소치 104mm로 산정하고 134mm에 가까운 설정캔트로 부설한다.
둘째, 도상형식 선정에 따라 최대 설정캔트 및 부족캔트 기준에 의하여 최소곡선반경을 다르게 적용하고 있으나, 사업계획 수립단계나 사전조사 및 타당성조사는 상세 주변현황조사, 측량 및 지반조사가 이루어지지 않은 단계로서 도상형식 결정을 구체적으로 수립하기 어려우므로 최소곡선반경을 자갈도상에 준하여 크게 설정하고 향후 기본계획 및 설계단계에서 도상형식 및 운행열차 빈도에 따라 구체화하여 설정하는 것이 적정하다.
셋째, 고속열차 횟수비가 50%미만으로 작은 경우에는 자승평균법에 의한 열차운행속도가 낮아 균형캔트가 낮게 설정되어 고속열차는 부족캔트 허용 범위인 자갈도상 200km/h이상에서 최대80mm를 초과하게 되므로 저속 열차의 균형캔트에 초과캔트 한계치 110mm를 더한 값을 설정캔트의 최대치 134mm로 산정하고 104mm에 가까운 설정캔트로 부설한다.
이상과 같이 250km/h의 고속열차와 90km/h의 저속열차가 혼용시 균형캔트는 곡선반경 R=4000m에서 고속열차 횟수비에 따라 24mm에서 184mm로 초과캔트와 부족캔트 범위를 만족하는 설정캔트는 104 ≤ C ≤ 134mm이다.
이상과 같이 설계속도 200km/h이하 구간에서는 저·고속열차 혼용구간에서도 최소곡선반경 기준을 만족하나 설계속도 230km/h, 250km/h, 300km/h구간에서는 고속 여객열차와 저속의 화물열차 혼용시 최소곡선반경은 현 설계기준보다 크게 설정하여야 할 것이다.
첫째, 현재 철도건설규칙, 철도의 건설기준에 관한 규정의 최소곡선반경은 단일차종의 최고운행속도에 대한 부족캔트 범위를 만족하는 최소곡선반경으로 저속의 화물열차(90km/h)와 230km/h이상 고속열차 혼용 운행 시에는 저속열차의 초과캔트를 동시에 만족하는 최소곡선 반경으로 Table 6와 같이 확대하여야 한다.

후속연구

그렇지 않으면 위 Table 4에서와 같이 고속열차의 속도를 하향하거나 저속의 화물열차 운행속도를 향상하는 방안을 강구하여야 한다. 특히 사업계획 수립단계, 사전조사나 타당성조사 단계에서는 주변현황조사, 측량 및 지반조사가 충분치 않아 콘크리트 도상형식 결정이 어려우므로 최소 곡선 반경을 자갈도상에 준하여 크게 설정하여 계획하는 것이 향후 상세설계시 노선의 변경이나 지장물 저촉배제 및 민원예방에 유리할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	균형캔트란 무엇인가?	원심가속도와 중력가속도의 합력이 궤간의 중심을 향하는 가장 바람직한 상태가 되는 때의 캔트를 균형캔트(평형캔트, 이론캔트)라 하며, 선로의 곡선반경은 열차의 속도와 균형캔트에 따라 다음의 상관관계를 가지고 있다[3].
	설정캔트란 무엇인가?	일반철도는 여객과 화물, 전동열차를 혼용운행하고 있으므로 열차의 속도를 일률적으로 규정하기 어려우며, 유지관리를 위해 고속 및 저속 열차의 속도를 고려하여 적정한 캔트를 설정하여야 하는데 이때의 적절한 캔트를 설정캔트라 한다.
	초과캔트가 발생했을 때 어떤 문제가 있는가?	캔트가 과다할 경우 열차하중이 안쪽레일로 편기하여내측레일을 손상시키고 궤간확대 및 정차시 전복의 위험이 있으며, 캔트가 부족할 경우 열차 하중은 원심력에 의해 바깥쪽 레일에 편기하여 외측레일을 손상하거나 탈선의 우려가 있으므로, 캔트의 과부족은 열차운행 안전성, 승차감저하, 궤도손상, 열차의 탈선 및 전복에 영향을 미치므로 캔트부설시 적정 범위를 설정하도록 하여야 한다[5-7].

참고문헌 (11)

Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "The 3rd National Rail Network Establishment Plan(2016-2025)", pp.41
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "Provisions on Railroad Construction Standards, Article 6 Curve radius", Korean National Railway Construction Standard http://www.law.go.kr/admRulSc.do?menuId5&subMe nuId41#liBgcolor5
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "Provisions on Railroad Construction Standards, Article 7 Cant", Korean National Railway Construction Standards, http://www.law.go.kr/admRulSc.do?menuId5&subMenuId41#liBgcolor5
Korea Rail Network Authority, "Railway Design Guideline and Manual KR C-14020 Track Linear and Wiring", 2018, pp.54
J. C. Lee, Analysis of Ride Comfort and Rail Wear in Track with Cant Deficiency, Master's thesis, Korea National University of Transportation, Uiwang, Korea, pp.68-69, 2016.
G. C. Shin, B. G. Joo, S. H. Jung A Study on the Rail Wear and Cant Adjustment according to the Increase of Train Speed, Korean Railway Association Annual Fall Conference, jeju, South Korea, pp.37-44, May 2007
G. E. Kim, A study on Correlation between Adjusting Cant and rail wear Caused by the Application of Track Improvement Work, Master's thesis, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, pp.40-43, 2013.
C. K. Hong, A study on Influencing Factors of Rail Wear and its Reduction Measures, Master's thesis, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, pp.57-58, 2002.
P. J. Yoo, Rail Wear Limit Analysis based on Track Stability in Curved Railway, Ph.D dissertation, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, pp.59-61, 2018.
D. Y. Sung, Y. G. Park, P. J. Yoo, I. C. Baek, J. I. Lee, Analysis of Derailment Coefficient by Cant and Uneven Rail Wear in Curved Tracks, Korean Railway Association Annual Spring Conference, Yeosu, South Korea, pp.451-452, May 2019.
B. H. Song, The Evaluation Method for Optimal Cant of Curved Ballast Track on Mixed Traffic Line, Ph.D dissertation, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, pp.114-115, 2019.

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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