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희애 상
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1 2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S073 좌굴방지를위한철도레일온도저감장치의설계에관한연구 Rail Temperature adjusting Device Design for Rail Buckling 홍효식 *, 김지윤 *, 권세곤 ** Hyo-Sik Hong *, Ji-Yoon Kim *, Se-Gon Kwon * * 초록우리나라의아열대기후화와고온화추세로인한하절기의과도한온도변화로레일에는신축량늘어나며이에상응하는축력이발생한다. 이러한축력이과다하면궤도의좌굴또는레일의파단등이발생하여열차운행에장애를일으킨다. 특히좌굴은레일궤도가임계온도에도달하는순간발생하며, 비록임계온도에미달하는상태라도안전온도이상이면열차의외부하중에의해궤도는불안전한상태를나타낼수있다. 이에재료의열전도율차이와열의흐름을활용하고대지와의열접지를이용하여레일의열을효과적으로방출함으로써레일을사용하는궤도의좌굴을방지할수있는레일온도저감장치를고안하게되었다. 본연구는설치가용이하고구조가간단하여부품수도적어제품의유지보수비용이저렴하며, 재생에너지를활용함으로써친환경교통인철도분야에적합한장치로구현가능한레일온도저감장치의설계에관한연구이다. 주요어 : 레일, 온도저감, 온도조절, 철도안전 1. 서론우리나라의아열대기후화와고온화추세로인한하절기의과도한온도변화로레일에는신축량늘어나며이에상응하는축력이발생한다. 축력이과다하면궤도의좌굴또는레일의파단등이발생하여열차운행에장애를일으킨다. 특히신축으로인한손상은자칫잘못하면큰사고로이어질수있다 [1]. 2014년 5월 31일 15시 11분경제3385 화물열차가중앙선업동 ~ 의성역구간을운행하던중전부 12량째부터 20량까지궤도이탈되어본선에지장을준선로좌굴에의한탈선사고는비록인명의피해는없었지만열차지연등의경제적손실을초래하였다. 사고당시는본격적인하절기를앞둔상황이었음에도레일의온도는 55 에달하였다. * 철도교통시스템연구소 ** 한국철도공사연구원기술연구처

2 선행연구에의하면선로신축의원인은레일의온도상승에기인한다. 대기가 35 일때선로상온도는주변환경에따라 15~20 가량높은 55 까지상승하여선로의팽창및이에따른휨현상이일어날가능성이있다 [2]. 특히선로좌굴은레일이온도상승에영향을받아점차로신축력을내포하는데고정장치로인하여레일내부에축적되다가임계온도에도달하는순간폭발적으로발생하는특징을가지며, 비록임계온도에미달하는상태라도안전온도이상이면열차의외부하중에의해궤도는불안전한상태를나타낼수있다. 이에본연구에서는선로좌굴의주원인인고온상태 (50 이상 ) 의레일이지니고있는열을외부로방출할수있는레일온도저감장치에대한타당성검토를위해컴퓨터시뮬레이션을통해레일의열전달특성을검토하고이를분석하였다. 2. 레일온도및열전도 2.1 대기온도와레일온도의관계국내에서장대레일보수관리를위한대기온도와레일온도의상관관계는영하의기온에서 20 까지는대기온도와레일온도를동일한것으로간주하고있으며, 20 상회시점부터레일온도가대기온도에비해과상승하여, 대기온도가 40 일때레일온도는 60 에이르는것으로판단하며, 대기온도별레일온도의상관관계는일반적으로 Table 1과같다 [2]. Table 1. Air temperature and rail temperature 대기온도 레일온도 또한, 국토해양부자료에의하면 2012년 7월 21일부터 8월 6일사이 (17일간) 폭염으로인해레일온도가 55 이상상승한경우가 28회발생하였고, 이로인해일부구간을감속운행하여열차의운행이 1 ~ 3분지연되는상황이초래되었다. 최근연도별고속철도운행규제현황의 Table 2 에의한운행규제횟수의증가추이및전술한것과같은폭염사례를볼때앞으로방음벽으로둘러싸인선로내레일관리는어려움이예상된다 [2]. 특히고온화추세가가속화되고있는국내현실에서이와같이특수한주변환경에노출된구간에서의선로좌굴에대한대비가필요한시점이다.

3 Table 2. The number of restriction of train operation by year 년도 운행규제횟수 열전도율열에너지가공간의한위치에서다른위치로이동하는현상을열전달이라하고, 열전도는열이고온부분에서저온부분으로중간물질을통해서이동하는것을말한다. 열전도율은어떤물질의열전달을의미하는 k로나타내며, 단위는 W/(mK) 이다. 열전도에대한방정식은 Fourier의법칙으로알려져있으며이에대한방정식은식 (1) 과 같다 [3]. Q KA ( T / L) (1) 여기서, Q : 열류량 (W), A : 시료의면적 ( m2 ), L : 시료두께 (m), T : 온도차 (K, C와동일 ), K : 열전도율 (W/(mK)) 예를들면, 공기의열전도율은 W/(mK) 로낮으며, 물의열전도율은대략 0.6W/m'C(Hr) 이고, 알코올과기름은 0.1 내지 0.2W/m'C(Hr) 이다. 구리의열전도율은약 401 W/(mK) 이다. 레일의재질은철이고, 철의열전도율은 45 kcal/mhr'c, 구리는약 7 배나큰 300~340 kcal /mhr'c 이다. 열전도율의측정방식은열선법 (Hot wire method), 열유속법 (Guarded Heat flow method), 열평판법 (Guarded Hot plate method), 레이저펄스법으로구분되며재료의열전달능력을정 확히측정하기위해각각의측정법이개발되었다. 3. 시뮬레이션 3.1 해석조건및모델선로좌굴방지를위한레일온도저감장치의성능을검증하기위하여해석조건에따라컴퓨터시뮬레이션을수행하였고, 이를통해레일의열전달특성을검토하였다. 해석모델은 3차원솔리드요소 (Solid element) 인육면체 (Hexahedron) 와사면체 (Tetrahedron) 요소로모델링하였으며, 해석은상용유한요소프로그램인 ANSYS R16를이용하였다 [4]. 요소수는 1,248,636와절점수는 283,906 (Hexahedron, Tetrahedron) 로하였다. Table. 3에해석조건을나타내었다. 주위온도조건은레일과방열판으로구분하여레일은 52, 방열판은 20 로설정하였고, 대류조건은강제대류로 W/ m2 을적용하였다. 복사에의한열전달은고려하지않았다. 레일과방열판 (heat sink) 으로구성된레일온도저감장치에대한해석모델을 Fig. 2에나타내었다.

Table 3. Condition of analysis Item Value Note Initial temperature of rail 52 Forced convection of heat pipe & heat sink 85.

2 해석결과레일길이의변화에따른강제대류조건과설정온도 ( 레일온도 52, 방열판 20 ) 에서의레일온도저감장치에의해방열되는레일의열전달해석을수행하였고, 그결과 Fig. 3 ~ Fig. 6 에나타내었다.

4 Table 3. Condition of analysis Item Value Note Initial temperature of rail 52 Forced convection of heat pipe & heat sink W/ m2 Ambient temperature 20 Time Rail length 2 hours 1, 3m Fig. 2 Analysis model 3.2 해석결과레일길이의변화에따른강제대류조건과설정온도 ( 레일온도 52, 방열판 20 ) 에서의레일온도저감장치에의해방열되는레일의열전달해석을수행하였고, 그결과 Fig. 3 ~ Fig. 6 에나타내었다. 레일길이 1m 경우의열전달해석결과에대한레일온도분포를 Fig. 3에나타내었고, 시간에따른레일의온도변화를 Fig. 4에나타내었다. Fig.3 과 Fig.4 에서와같이레일길이 1m 에서는시간이경과함에따라레일의온도가감소되는것을확인할수있었으며, 이때레일끝단부의온도는 이고, 레일중앙부의온도는 가되었다. 그러므로본장치에의한레일온도의저감효과를확인하였다.

Fig. 3 Temperature distribution in the analysis(rail length : 1m) Fig. 4 Analysis of results(rail length : 1m) 레일길이 3m 경우의열전달해석결과에대한레일온도분포를 Fig. 5에나타내었고, 시간에따른레일의온도변화를 Fig. 6에나타내었다. Fig. 5 와 Fig.

5 Fig. 3 Temperature distribution in the analysis(rail length : 1m) Fig. 4 Analysis of results(rail length : 1m) 레일길이 3m 경우의열전달해석결과에대한레일온도분포를 Fig. 5에나타내었고, 시간에따른레일의온도변화를 Fig. 6에나타내었다. Fig. 5 와 Fig. 6 에서와같이레일길이 3m에서는시간의경과에따라레일의온도가감소되는것을확인할수있었으며, 이때레일끝단부의온도는 이고, 레일중앙부의온도는 가되었다. 이는레일길이가길어짐에따라방열용량이증가했기때문이므로레일길이의변화에따라유동적인방열용량의계산이필요함을알수있었다. 또한레일길이의변화에따른실험에서도본장치에의한레일온도의저감효과를확인하였다. Fig. 5 Temperature distribution in the analysis(rail length : 3m)

6 Fig. 6 Analysis of results(rail length : 3m) 4. 결론 본연구에서는선로좌굴의주원인인고온상태의레일이지니고있는열을외부로방출할수있는레일온도저감장치에대한타당성검토를위해컴퓨터시뮬레이션을통해레일의열전달특성을검토하였고, 다음과같은결론을얻었다. 시뮬레이션에서레일온도저감장치를통해레일온도가주위의일정한환경하에서도시간이경과됨에따라감소됨을알수있어서개발한저감장치의온도저감효과에대한타당성을검증하였다. 현재우리나라의철도환경에서는레일온도를실시간으로측정하는단계에불과하다. 이에본레일온도저감장치가기존의수동적인레일온도측정의환경을레일온도조절 / 저감이라는능동적인시설안전환경으로진화하는변곡점을만들게한의미가있다고사료된다. 다만, 레일온도저감장치의핵심인방열판구조의연구, 온도저감효과를극대화하기위한온도저감활성장치및활성장치부착유무에따른온도저감효율의유동적인조절에관한연구, 온도측정장치와의연계와관련한연구등의후속연구가이루어지면완성된시스템으로써가치를가질수있다고판단된다. 참고문헌 [1] 배현웅외 3 인 (2012), 장대레일좌굴확률을이용한혹서기열차운행조건에관한연구, 2012 년한국철도학회추계학술대회논문집, pp.1659~1662. [2] 정형진외 3 인 (2012), 철도선로유지효율화를위한궤도주변시설성능개선연구, 2012 년한국철도학회추계학술대회논문집, pp.1392~1397. [3] 유승환외 2 인 (2012), 복사열전달을고려한자연대류원형히트싱크열전달해석, 대한기계학회논문집 B권, 제 36 권, 제 4 호, pp.385~390. [4] ANSYS R16 document, 2014.

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exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp log 第卷第號 39 4 2011 4 투영법을 이용한 터빈 블레이드의 크리프 특성 분석 329 성을 평가하였다 이를 위해 결정계수값인 값 을 비교하였으며 크리프 시험 결과를 곡선 접합 한 결과와 비선형 최소자승법으로 예측한 결과 사 이 결정계수간 정도의 오차가 발생하였고