한국국철은 1966년 경부선에서 1.8km의 장대레일을 부설한 이래, 레일 장대화 개량사업을 지속적으로 확대하고 있으며 최근에 착공하거나 계획 중인 주요본선은 전면 장대화하도록 권장하여 부설지역이 광범위해지고 부설률이 증가함으로써 장대레일 관리가 한층 중요하게 되었다. 그러나 최근에는 산업화, 도시화 과정에서 과다 배출된 이산화탄소 등의 온실효과로 등 지구온난화에 따른 장대레일 작업가능시기 단축, 재설정 등 장대레일 작업의 대폭 증가에 대응하여 제한된 유지보수인력, 낙후된 기술과 장비로 장대레일을 적기에 관리는 매우 힘들어 효율적인 장대레일 관리대책이 요구되고 있다. 이러한 관점에서 전국 주요 간선철도 지역의 기후변화와 장대레일 설정온도, 지점별 대기온도 관련 기상자료, 각종 장대레일 관리기준, 한국국철의 안전사고, 장애기록, 절손현황, 기존의 레일 온도측정치, 장대레일 연구자료 등을 종합 분석하고 레일긴장기 소요성능을 검토한 결과, 철도현장에 주로 사용하고 있는 70Ton급 긴장기는 영하온도대역의 긴장력 및 설정연장 1km 이상의 경우 성능에 여유가 없을 것으로 분석되었다. 따라서 1회 설정구간을 과다하게 계획하지 말고, 기온이 영상으로 올라가 레일용접이 가능한 적정시점을 택하여, 레일온도와 설정온도차를 최대한 줄이는 것이 바람직 할 것으로 판단되었다.
한국국철은 1966년 경부선에서 1.8km의 장대레일을 부설한 이래, 레일 장대화 개량사업을 지속적으로 확대하고 있으며 최근에 착공하거나 계획 중인 주요본선은 전면 장대화하도록 권장하여 부설지역이 광범위해지고 부설률이 증가함으로써 장대레일 관리가 한층 중요하게 되었다. 그러나 최근에는 산업화, 도시화 과정에서 과다 배출된 이산화탄소 등의 온실효과로 등 지구온난화에 따른 장대레일 작업가능시기 단축, 재설정 등 장대레일 작업의 대폭 증가에 대응하여 제한된 유지보수인력, 낙후된 기술과 장비로 장대레일을 적기에 관리는 매우 힘들어 효율적인 장대레일 관리대책이 요구되고 있다. 이러한 관점에서 전국 주요 간선철도 지역의 기후변화와 장대레일 설정온도, 지점별 대기온도 관련 기상자료, 각종 장대레일 관리기준, 한국국철의 안전사고, 장애기록, 절손현황, 기존의 레일 온도측정치, 장대레일 연구자료 등을 종합 분석하고 레일긴장기 소요성능을 검토한 결과, 철도현장에 주로 사용하고 있는 70Ton급 긴장기는 영하온도대역의 긴장력 및 설정연장 1km 이상의 경우 성능에 여유가 없을 것으로 분석되었다. 따라서 1회 설정구간을 과다하게 계획하지 말고, 기온이 영상으로 올라가 레일용접이 가능한 적정시점을 택하여, 레일온도와 설정온도차를 최대한 줄이는 것이 바람직 할 것으로 판단되었다.
The significant of continuous welded rail (CWR) management is growing because KORAIL has the plan to convert the whole of conventional railway lines into CWRs through continuous activities since constructed the CWR track with 1.8km in Gyeongbu line in 1966. The CWR recently is needed a efficient man...
The significant of continuous welded rail (CWR) management is growing because KORAIL has the plan to convert the whole of conventional railway lines into CWRs through continuous activities since constructed the CWR track with 1.8km in Gyeongbu line in 1966. The CWR recently is needed a efficient management method because it is difficult to manage the CWR by the poor of technic and equipment, limited maintain labor force and shorted the maintain work time of CWR caused by industrialization, greenhouse effect and global warming In this point, The 70ton Tenser's which is using in the rail site has been analysised with no extra tenser's capacity in case of the under low temperature and exceed the length of 1km as a result of reviewing the CWR-related rules and standards, a series of records of safety accidents, operation obstacles, and the situation of broken rails published by KORAIL, existing rail temperature measurements, and CWR researches. Therefore avoid the excessive plan of the first set-up section, choice the proper time in the normal temperature that is possible to weld the rail, turning the difference of rail temperature and Installation temperature down is desirable.
The significant of continuous welded rail (CWR) management is growing because KORAIL has the plan to convert the whole of conventional railway lines into CWRs through continuous activities since constructed the CWR track with 1.8km in Gyeongbu line in 1966. The CWR recently is needed a efficient management method because it is difficult to manage the CWR by the poor of technic and equipment, limited maintain labor force and shorted the maintain work time of CWR caused by industrialization, greenhouse effect and global warming In this point, The 70ton Tenser's which is using in the rail site has been analysised with no extra tenser's capacity in case of the under low temperature and exceed the length of 1km as a result of reviewing the CWR-related rules and standards, a series of records of safety accidents, operation obstacles, and the situation of broken rails published by KORAIL, existing rail temperature measurements, and CWR researches. Therefore avoid the excessive plan of the first set-up section, choice the proper time in the normal temperature that is possible to weld the rail, turning the difference of rail temperature and Installation temperature down is desirable.
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문제 정의
따라서 현재 장대레일 설정온도를 조정하지 않을 경우 봄 여름철의 장출사고 위험도가 증가하게 되므로 설정온도의 상향조정이 필요하며 가열기 등에 의존한 전 근대적 장대레일 관리방법에서 탈피하여 효율적인 장대레일 재설정방법을 찾아야 할 것임을 시사한다. 여기서 장대레일 관리에 가장 중요한 변수인 기온상승 등 기후변화에 적절하고 합리적으로 대응하기 위하여 현행 장대레일 관리현황 및 긴장기 성능 등을 조사하여 효율적인 설정온도 및 적정한 긴장기 용량을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 설정온도 증가에 따른 긴장기의 요구 성능을 제시하여 설정온도 증가에 따른 과학적인 재설정이 이뤄질 수 있도록 하고자 하며 이를 긴장기 행정과 긴장력으로 나누어 고찰 하고자 한다.
또 국내에서 제조한 제품은 있으나 주요부품인 유압실린더, 펌프Unit 등을 수입하여 활용 하고 있어 국산화 효과가 미미하고, 현장적용시 고장 등 문제를 앉고 있어 제품개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 이런 점을 개선하고자 중소기업지원과제로 영동유압과 엘더스 티앤엘에서 공동으로 개발한 레일 긴장기에 대하여 검토해 보고자 한다.
가설 설정
우리나라 궤도구조 및 온도조건에서 긴장기의 행정과 긴장력에 대하여 검토한 결과, 장대 레일 재설정길이 1km로 가정한다면 5℃기준으로 최소 행정량은 342mm이고 이때의 긴장력은 540kN이다. 여기에 행정과 긴장력의 안전성을 고려한다면 사용 행정량은 450mm, 긴장 력은 700kN이 적정한 것으로 판단되었다.
제안 방법
기후변화를 분석하기 위한 시간적 범위는 서울, 부산 등 최초 기상관측소가 설치된 지역은 1905년부터의 기상관측자료까지, 대전, 대구, 양평, 제천, 천안 등 35개 주요지역은 1961년부터 1990년까지와 1971년부터 2000년까지의 30년간 기온변화자료를 분석하였고 수원, 광주, 목포, 청주 등 주요 12개 지역은 2005년부터 2007년까지 3년간 매시간 단위의 기온자료를 분석하였다. 위 연구범위에 포함된 기온자료를 분석하기 위하여 기상청 인터넷 웹 사이트에서 기온 원시자료를 내려 받은 후 제주도, 울릉도, 대관령 등 철도 망과 관련이 없는 자료는 버리고 관측밀도를 고려하여 주요 철도역 인근 관측점을 선정하고 각 측점별, 시간별 기온자료를 엑셀프로그램을 이용하여 추출하여 레일온도로 변환이 필요한 자료 중 영하의 온도는 기온자료와 동일하게, 영상의 기온일 경우 기온에 1.11승하여 소수 둘째자리에서 반올림 처리하여 기온분석용 기초자료를 작성하였으며, 해외 철도선진국에서 널리 사용되고 있는 각종 레일긴장기의 사용설명서와 국내의 중소기업청 기업 사업으로 개발 중인 국산형 긴장기의 연구 개발 자료를 입수하여 설정온도 상향 조정 시 예상되는 레일파단에 대한 안전범위, 레일긴장기의 소요 긴장력 및 행정량 등 용량문제를 검토하였다.
이를 나타내면 과 같고 재설정온도를 30℃와 35℃로 할 때를 기준으로 레일온도에 따른 소요 긴장력을 레일종별로 산정하였다.
핸드펌프는 와 같이 2단계의 유동을 가지는 two-speed system 구조로 제작하였으며, 개발목표 대비 최대압력을 7% 향상시켜 해외 제품보다 성능 면에서 비교 우위를 가질 수 있도록 개발하였다.
대상 데이터
본 연구의 지역적 범위는 우리나라의 기상청의 기상 측정 자료가 제공되고 한국국철 철도 망내의 지역 중 장대레일이 부설되었거나 향후 철도개량 및 신선 건설 사업으로 장대레일이 부설될 지역으로써, 인근에 기상관측소가 있고 최소한 30년 이상의 기온자료 입수가 가능한 주요지역으로 한정하였다. 기후변화를 분석하기 위한 시간적 범위는 서울, 부산 등 최초 기상관측소가 설치된 지역은 1905년부터의 기상관측자료까지, 대전, 대구, 양평, 제천, 천안 등 35개 주요지역은 1961년부터 1990년까지와 1971년부터 2000년까지의 30년간 기온변화자료를 분석하였고 수원, 광주, 목포, 청주 등 주요 12개 지역은 2005년부터 2007년까지 3년간 매시간 단위의 기온자료를 분석하였다.
본 연구의 지역적 범위는 우리나라의 기상청의 기상 측정 자료가 제공되고 한국국철 철도 망내의 지역 중 장대레일이 부설되었거나 향후 철도개량 및 신선 건설 사업으로 장대레일이 부설될 지역으로써, 인근에 기상관측소가 있고 최소한 30년 이상의 기온자료 입수가 가능한 주요지역으로 한정하였다. 기후변화를 분석하기 위한 시간적 범위는 서울, 부산 등 최초 기상관측소가 설치된 지역은 1905년부터의 기상관측자료까지, 대전, 대구, 양평, 제천, 천안 등 35개 주요지역은 1961년부터 1990년까지와 1971년부터 2000년까지의 30년간 기온변화자료를 분석하였고 수원, 광주, 목포, 청주 등 주요 12개 지역은 2005년부터 2007년까지 3년간 매시간 단위의 기온자료를 분석하였다. 위 연구범위에 포함된 기온자료를 분석하기 위하여 기상청 인터넷 웹 사이트에서 기온 원시자료를 내려 받은 후 제주도, 울릉도, 대관령 등 철도 망과 관련이 없는 자료는 버리고 관측밀도를 고려하여 주요 철도역 인근 관측점을 선정하고 각 측점별, 시간별 기온자료를 엑셀프로그램을 이용하여 추출하여 레일온도로 변환이 필요한 자료 중 영하의 온도는 기온자료와 동일하게, 영상의 기온일 경우 기온에 1.
이 개발제품은 클램프에 핸들이 부착되어 조립, 이동, 해체 작업이 용이하고, 50/60kg 레일 Type에 구애받지 않고 사용이 가능하며, 콘크리트 도상 및 일반 자갈도상 궤도에 동시 사용 가능한 구조로 제작되었다. 긴장기의 사양에서 해외 제품은 보호커버가 없는 구조로 설계되었으나, 개발품은 긴장기의 사용 빈도에 따른 피스톤 씰 부분의 누유현상을 미연에 방지하기 위하여 보호커버를 적용하여 내구성을 증대시켰다.
성능/효과
우리나라 궤도구조 및 온도조건에서 긴장기의 행정과 긴장력에 대하여 검토한 결과, 장대 레일 재설정길이 1km로 가정한다면 5℃기준으로 최소 행정량은 342mm이고 이때의 긴장력은 540kN이다. 여기에 행정과 긴장력의 안전성을 고려한다면 사용 행정량은 450mm, 긴장 력은 700kN이 적정한 것으로 판단되었다. 그러나 선로보수 인력의 축소 조정 및 작업이동 거리 증대 등 여러가지 현장상황을 볼 때 긴장기의 경량화, 고성능화가 필요하며 이에 부응 하여 2009년 국산 개발제품은 클램프에 핸들이 부착되어 조립, 이동, 해체 작업이 용이하고, 50/60kg 레일형상 및 콘크리트 도상, 일반 자갈도상 궤도에 겸용 가능하며, 2단계 핸드펌프( two-speed system) 구조로 제작하여 긴장력을 7% 향상시켜 해외 제품보다 적용성이 우수할 것으로 판단된다.
여기에 행정과 긴장력의 안전성을 고려한다면 사용 행정량은 450mm, 긴장 력은 700kN이 적정한 것으로 판단되었다. 그러나 선로보수 인력의 축소 조정 및 작업이동 거리 증대 등 여러가지 현장상황을 볼 때 긴장기의 경량화, 고성능화가 필요하며 이에 부응 하여 2009년 국산 개발제품은 클램프에 핸들이 부착되어 조립, 이동, 해체 작업이 용이하고, 50/60kg 레일형상 및 콘크리트 도상, 일반 자갈도상 궤도에 겸용 가능하며, 2단계 핸드펌프( two-speed system) 구조로 제작하여 긴장력을 7% 향상시켜 해외 제품보다 적용성이 우수할 것으로 판단된다. 그러나 아직 보수현장에 수급되지 않아 당분간 기존 긴장기의 성능에 맞춰 1회 재설정연장을 1km 이내로 줄이거나, 레일온도가 5℃ 이상 상승할 때까지 임시로 이음매판 체결상태로 운행 후 적정 긴장력 범위내의 온도에서 재설정을 시행하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
후속연구
또한, 레일긴장기는 과 같이 고가의 수입품 으로 국산화 개발 시 외화절감 효과 및 국내 철도 관련 중소기업의 기술능력 향상에도 도움이 될 것으로 사료된다.
<그림 2.4>에서 보는 바와 같이 현재 긴장기의 능력을 고려하여 통상 재설정을 5℃이상 에서 실시한다고 가정한다면 설정온도를 30℃로 한 경우에는 60kg(UIC)레일을 제외하고는 가능하다, 그러나 현장에서 최대 긴장력을 사용하기는 어려움으로 이에 대한 대책이 필요하다 할 수 있을 것이다. 설정온도를 35℃로 한 경우에 60kg(UIC)레일에서는 레일온도 5℃ 이상에서 제한적으로 사용할 수 있을 것이다.
이러한 관점에서 고찰한다면 현장에서 적용하기 위해서는 레일온도 5℃를 기준으로 60kg 레일에서 레일설정온도를 35℃로 한다면 이때의 긴장력은 약 540kN이므로 이에 대한 안전율 20%를 적용시키면 675kN이므로 통상적으로 700kN(약 70ton)으로 현재의 긴장기의 긴장 력을 10ton 정도 높이거나 1회 재설정 연장을 긴장기의 성능에 맞게 단축 조정하여야 할 것이다.
기후온난화 및 열섬화 현상에 따라 겨울철 최저기온이 상승하고 봄이 짧아짐에 따라 봄철에 집중 시행하던 가열법 재설정 가능기간이 제한되고 온도편차가 심한 점을 고려할 때, 재설정가능온도 범위 내에서 작은 긴장력만으로 재설정효과를 거둘 수 있는 레일긴장기에 의한 재설정 방법을 확대 적용할 수 있도록 우리나라 궤도조건에 적합한 레일긴장기 개발 및보급 확대 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
그러나 선로보수 인력의 축소 조정 및 작업이동 거리 증대 등 여러가지 현장상황을 볼 때 긴장기의 경량화, 고성능화가 필요하며 이에 부응 하여 2009년 국산 개발제품은 클램프에 핸들이 부착되어 조립, 이동, 해체 작업이 용이하고, 50/60kg 레일형상 및 콘크리트 도상, 일반 자갈도상 궤도에 겸용 가능하며, 2단계 핸드펌프( two-speed system) 구조로 제작하여 긴장력을 7% 향상시켜 해외 제품보다 적용성이 우수할 것으로 판단된다. 그러나 아직 보수현장에 수급되지 않아 당분간 기존 긴장기의 성능에 맞춰 1회 재설정연장을 1km 이내로 줄이거나, 레일온도가 5℃ 이상 상승할 때까지 임시로 이음매판 체결상태로 운행 후 적정 긴장력 범위내의 온도에서 재설정을 시행하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
장대레일은 어떤 기술인가?
장대레일은 레일을 용접하여 이음매 충격소음 및 차량진동이 줄어 승차감이 개선되며 열차통과속도 증속과 더불어 안전성, 경제성, 친환경성이 향상되는 획기적인 철도 기술이다. 이러한 장대레일기술은 독일에서 1924년에 길이 320m, 프랑스에서는 1949년 개당 293m길이의 장대레일을 7km 구간에 걸쳐 부설하였고, 아시아에서는 일본에서 1939년에 200m의 장대 레일을 부설한 이래, 1953년부터 대부분의 신간선을 1,500m 이상의 장대레일로 부설하고 있다.
장대레일의 안정성을 위해 레일온도변화 관리가 중요한 이유는?
이런 장대레일은 온도변화에 따른 레일신축을 침목체결장치와 도상자갈의 저항력으로 균형을 유지하는 구조이지만 온도변화가 과도하면 줄틀림 변형이나 레일파단을 야기하므로 장대레일의 안전성 확보를 위하여 레일온도변화관리가 매우 중요하다.
장대레일을 가열기를 통한 재설정할 경우 문제점은 무엇인가?
장대레일 재설정 온도를 높이고자 할때 재설정에서 가열기를 통한 재설정은 레일의 온도를 재설정 온도에 맞추면 된다. 이 경우에는 재설정시 기온(대기온도)이 낮은 경우 가열에 어려움이 있고 또한 가열된 후에도 열의 손실이 빠르므로 정밀한 설정온도 작업은 그만큼 어렵게 된다.
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