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이우 반
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1 2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A044 고속분기기노스가동크로싱의성능및유지보수효율화를위한개량방안에관한연구 A study on the improvement the performance of the high speed turnout s movable nose crossing 윤병현 *, 황광하 *, 나호필 *, 박광련 *, 김만철 Byung-Hyun Yoon *, Kwang-Ha Hwang *,Ho-Pil Na *, Kwang-Ryun Park *, Man-Cheol Kim Abstract A study on the performance improvement of the high speed turnout s movable nose crossing and maintenance efficiency. the high speed turnout that converts the direction of the rolling stock is classified as the most important core technology out of all railway products. F18.5 and above are applied to the high speed turnout, and F26 and F46 are mainly used domestically. For quantity, 100 sets are applied to high speed line phase 1(Seoul~Daegu), 45 sets are each applied to phase 2(Daegu~Busan) and Ho-nam high speed line (OSong~GwangJu), which means that a total of approximately 190 sets are being applied on site. In case of the ballast track of high speed line phase 1 which opened in 2004, the exchange period for each component has arrived as its use of term has passed 10 years and accordingly, the maintenance for it is on the increase. the movable nose crossing has a very complex structure as it is combined with approximately 90 components, so a lot of time and manpower would be required. Therefore, we performed a study on the improvement of the movable nose crossing structure for simple maintenance by enhancing its performance Keywords : High speed turnout, Switch, Movable nose crossing, Rail way, Maintenance efficiency 초록고속철도에서차량의방향을전환시키는고속분기기는궤도용품중에서가장중요한핵심기술로분류된다. 고속분기기는 F18.5 번이상이해당되며국내에는 F18.5, F26, F46 이주로사용되고있다. 수량은고속 1 단계 ( 서울 ~ 대구 ) 에 91 틀, 고속 2 단계 ( 대구 ~ 부산 ) 37 틀, 호남고속 ( 오송 ~ 광주 ) 48 틀이사용되어총 176 여틀이현장에적용되어있다 년개통한고속 1 단계자갈도상용의경우사용기간이 10 여년이경과함에따라부품별교체주기가도래하고있고이에따른유지보수력이증가하고있는실정이다. 노스가동크로싱은약 90 여가지의부품으로조합된가장복잡한구조로써이의유지보수에는많은시간과전문기술인력이필요한실정이다. 이에성능을향상시키면서유지보수가간편한노스가동크로싱구조의개발에관한연구를수행하였다. 주요어 : 고속분기기, 노스가동크로싱, 고속철도, 유지보수효율화 1. 서론 2004년 4월에개통한고속1단계자갈도상용의경우사용기간이 10여년이경과함에따라궤도갱환및분기기의부품교체주기가도래하고있고이에따른유지보수력이증가 교신저자 : 한국철도기술연구원첨단인프라연구팀 (kimmc@krri.re.kr) * 삼표이앤씨 기술연구소 (jutopia@sampyoenc.com)

하고있는실정이다. 노스가동크로싱은크래들, 노스레일, 간격재, 볼트너트등약 90여종의부품으로조합되어분기기에서가장복잡한구조를가지고있다. 따라서유지보수에는야간의짧은시간내보수를위해숙련된전문기술인력과전문장비등이필요하다. 특히, 노스레일의보수는교체가어렵고시간이많이소요되어이에대한구조개선이시급한실정이다.

국가마다사용되는소재와장치구조와방식은다르지만구성품과기능은유사하다. Fig. 1 High speed turnout Fig.2 Movable nose crossing (Ho-Nam High speed line) 2.1.2 크로싱의구조적성능요건분기기에서노스부는차륜이전이되는구간으로충격이크고, 비고정가동노스레일이존재하여구조적으로불안전하며, 온도에기인한레일의열하중 ( 축력 ) 이분기선측에서유입되어 2:1로축력불균형이발생되는구간이다.

2 하고있는실정이다. 노스가동크로싱은크래들, 노스레일, 간격재, 볼트너트등약 90여종의부품으로조합되어분기기에서가장복잡한구조를가지고있다. 따라서유지보수에는야간의짧은시간내보수를위해숙련된전문기술인력과전문장비등이필요하다. 특히, 노스레일의보수는교체가어렵고시간이많이소요되어이에대한구조개선이시급한실정이다. 이에국가에서는연구과제를통하여고속분기기의국산화와유지보수성효율화, 성능향상을위한연구를진행중에있으며, 본논문에서는노스가동크로싱의구조개량을통한구조적안전성을검토하였다. 2. 본론 2.1 노스가동크로싱부구성 노스가동크로싱구성품노스가동크로싱의주요구성품은노스레일, 윙레일, 신축레일, 쇄정장치, 밀착검지장치, 히팅장치, 노스레일상방향거동방지장치, 체결장치, 침목으로구성되어있다. 국가마다사용되는소재와장치구조와방식은다르지만구성품과기능은유사하다. Fig. 1 High speed turnout Fig.2 Movable nose crossing (Ho-Nam High speed line) 크로싱의구조적성능요건분기기에서노스부는차륜이전이되는구간으로충격이크고, 비고정가동노스레일이존재하여구조적으로불안전하며, 온도에기인한레일의열하중 ( 축력 ) 이분기선측에서유입되어 2:1로축력불균형이발생되는구간이다. 따라서충격을효율적으로분산하고흡수할수있는구조나소재의사용, 노스레일과윙레일간의정확한밀착과고정을위한장치, 교량상에서단부꺽임에의한노스레일의상방향돌출방지장치, 일반구간대비증가되는레일축력을흡수하여레일직각틀림 ( 선형틀림 ) 을방지할수있는구조, 유지보수의간편성에대한요건을갖추고있어야한다. 현재국내에사용중인고속분기기는이러한성능적요건을모두만족하고있는것으로확인되었다. 2.2 노스가동크로싱개량방안 노스가동분기기비교

Verrou Pointe Mobile) 유압실린더내기계식쇄정 밀착검지디텍터, 뽈베 ( 원형 ) HB 밀착검지장치 IE2010 선로전환 MJ81 전철기 ( 모터식 ), 철관장치 HB 하이드로스타 ( 유압식 ), 실린더 ZV 2.2.2 크로싱부개량방안 ( 크래들타입 ) 국내에사용중인노스가동크로싱의경우노스레일이나볼트교체시간격재나고정블록등이윙레일과노스레일두부와간섭되어상방향분리가불가능하므로다음과같은작업순서에따라야한다.

3 국내고속철도노스가동분기기는제조사에따라크게 2가지로분류할수있다. 고속1, 고속2 일부, 호남고속철도에적용된삼표이앤씨 의망간크래들타입과고속2단계에적용된독일의 BWG 의블록형노스레일, 레일타입방식이다. Table.1 Compare to the movable nose crossing in korea 구분고속 1 단계고속 2 단계비고 형상 포인트구조노스가동 ( 망간크래들형 ) 노스가동 ( 일반레일형 ) 충격방지망간크래들 ( 안티리프팅장치 ) HDD( 홀드다운디바이스 ) 상향력 레일 UIC60 D, A74( 윙레일 ) 노스블록, UIC60 쇄정장치 기계식쇄정 (VPM: Verrou Pointe Mobile) 유압실린더내기계식쇄정 밀착검지디텍터, 뽈베 ( 원형 ) HB 밀착검지장치 IE2010 선로전환 MJ81 전철기 ( 모터식 ), 철관장치 HB 하이드로스타 ( 유압식 ), 실린더 ZV 크로싱부개량방안 ( 크래들타입 ) 국내에사용중인노스가동크로싱의경우노스레일이나볼트교체시간격재나고정블록등이윙레일과노스레일두부와간섭되어상방향분리가불가능하므로다음과같은작업순서에따라야한다. 크로싱후단용접부절단, 간격재볼트등의해체, 후단체결구해체, 일반레일을횡방향으로벌려후방공간을확보한후노스레일뭉치를뒤로빼내야만해체가가능하다. 따라서, 본연구는 Table.2에서보는바와같이크로싱윙레일을횡방향으로확대하여작업공간을확보하여조립및해체작업성과유지보수성을향상시키고, 간격재사이에조절판을넣어노스레일뭉치를상방향분리가가능하도록하였다. Table.2 Extraction direction of nose rail 구분평면도교환방식 개선전 ( 현재 ) 후방향분리 개선안 ( 제안 ) 상방향분리

4 2.3 노스가동크로싱부구조분석개량안에서가장문제시되는부분은윙레일이횡방향으로확대됨으로써간격재리브의길이가길어져온도에의한레일신축시간격재리브에발생하는모우멘트가증가함에따라간격재의파손과레일밀림, 직각틀림이발생할수있으므로이에대한구조검토가필요하다. 이를위해 Catia V5 를이용한 3D 모델링과 Abaqus 를이용한정적구조해석을수행하였다. 발생하는축력은 UIC774-3R 에서제시한온도 -30 ~ 70 범위에서 ±50 를적용하였으며, 분기기특성상분기선과의관계에서추가되는부가축력 35% 를고려하여 1,250KN 을내측 2 개의노스레일에재하하여구조계산을수행하였다. 210, (1) σ ,469 (2) ,469 1,253,433 1,250 (3) Table.3 Results analysis of heel block 구분개선전 ( 현재 ) 개선안보완개선안비고 간격재형상 200mm 확장 / 중앙부보강 변위량 ( 압축, 거동특성 : 내측방향 하절기 ) 1.2 mm (100%) 1.5 mm (125%) 1.3 mm (108%) ( 상대비교값 ) 변위량 ( 인장, 동절기 ) 거동특성 : 외측방향 1.2 mm (100%) 1.4 mm (117%) 1.3 mm (108%) ( 상대비교값 ) 응력압축 하절기 Max MPa (100%) Max MPa (82%) Max MPa (68%) Von-Mises 응력인장 동절기 Max MPa (100%) MPa (78%) MPa (69%) Von-Mises

5 해석결과를분석해보면개선전형상은압축 ( 하절기 ) 력발생시내측으로최대 1.2 mm, 초기개선안은 1.5 mm (25% 상승 ) 가발생하였다. 이는간격재폭이커지면서동일한축력이작용함에도모우멘트가크게발생하면서윙레일이지지점으로회전력이크게발생하여횡방향변위가커지는것으로판단된다. 이를보강하기위하여중앙에간격재를추가하여보강한결과 1.3 mm (8% 상승 ) 로변위가대폭감소함을확인할수있었다. 응력은최대값이항복응력을초과하고있지만평균응력은간격재의허용응력 250 MPa이하이므로안전한것으로나타났다. 향후추가연구를통해간격재형상및구조, 윙레일 (A74) 을최적화할계획이다. 3. 결론 국내고속분기기에사용되는노스가동크로싱의구조를비교하였으며, 유지보수시가장많은시간과기술을필요로하는노스레일의교체방안을제시하였다. 현재방식은노스레일뭉치의상방향분리가불가하여후방향으로빼내야하는데이를위해후단레일의해체등추가작업을하여야하므로이를개선하기위해간격재와레일사이에조절판을추가하여상방향분리가가능한구조를개발하였다. 또한윙레일의횡방향폭을확대함으로써유지보수공간을확장하여작업의용이성을확보하였다. 레일당 1,250KN을적용한축력구조해석결과, 현재타입에서윙레일의횡방향폭만확장시킨경우횡변위는 1.2mm에서 1.5mm (25%) 로증가하였다. 이를보강하기위해중앙에한개의간격재를추가하였으며, 그결과 1.3mm (8%) 로대폭감소하였고, 응력도감소하여구조적보강이이뤄졌음을확인하였다. 본연구의성과물을활용하여고속철도용노스가동크로싱의교체가이뤄진다면노스레일의신속한현장교체작업이가능하고, 유지보수성이대폭향상될것으로기대된다. 후기 본연구는 2014년철도기술연구사업으로추진중인 " 고속철도용분기기국산화및성능개량기술개발 " 과제로진행되었습니다. 참고문헌 [A1] 이우철 (Lee Woo Chul) 외 3명 (2006) 장대레일의축력예측에대한연구, 한국철도학회 2006년도춘계학술대회논문집, page(s): [A2] 최진유 (Choi Jin Yu) 외 3명 (2006) 현장계측을통한교량상분기기축력분석에관한연구, 한국철도학회 2006년도추계학술대회논문집, page(s): 1-4 [A3] 김인재 (Kim In-Jae) 외 3명 (2007) 교량상분기기축력및변위해석, 한국철도학회 2007년도춘계학술대회논문집, page(s): [A4] 최진유 (Choi Jin-Yu) 외 4명 (2008) 교량신축과분기기의이격거리에따른교량상분기기축력특성연구, 한국철도학회 2008년도추계학술대회논문집, page(s): [A5] 최일윤 (Il-Yoon Choi) 외 2명 (2009) 장대레일부가축력및변위특성, 한국철도학회 2009년도추계학술대회논문집, page(s):

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