마모해석을 이용한 철도분기기의 주행안전성 분석

Running Safety Review on a Railway Turnout Using Wear Analysis

철도의 분기기는 다른 선로로 차량을 이동시키기 위하여 설치되는 장치로 선로전환기를 이용하여 주행 중인 차량의 진입 궤도를 결정하는 포인트부, 분기시스템의 곡선부에 해당하며 움직이는 부분이 없는 리드부와 직선레일과 분기레일이 교차하며 차륜의 플랜지가 크로싱을 통과하도록 허용하는 크로싱부로 구분될 수 있다. 분기기는 일반적으로 분기기를 구성하는 각 레일 간의 연결부에 결선부가 존재하며, 레일의 단면 형상이 연속적으로 변화하는 복잡한 구조적 특성으로 인하여 승차감 및 주행안전성이 저하될 뿐 아니라, 잦은 손상과 함께 탈선 등의 열차사고가 빈번히 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제점 때문에 철도운영기관들은 분기기의 적절한 유지관리를 통하여 손상 및 사고를 방지하기 위해 노력해오고 있다. 이 연구에서는 마모해석을 이용하여 열차 통과로 인한 마모 진행에 따른 일반철도 분기기의 주행안전성 변화를 검토하였다. 해석은 상용프로그램인 Vi Rail을 이용하여 도상 및 궤도의 탄성을 반영하고 마모에 의한 영향을 고려하였다. 마모이론은 Vi Rail이 제공하고 있는 Archard 이론에 기반한 연삭마모이론을 적용하였으며, 수치해석은 일반철도 자갈궤도도상에 가장 많이 부설되어 있는 형식 중 하나인 #8 60kg 탄성식 단분기기에 대한 모델을 이용하여 수행하였다. 분기기 각 위치에서의 주행안전성은 탈선계수, 윤중변동율 및 횡압을 이용하여 검토하였으며, 차체 및 대차의 가속도를 이용한 승차감도 평가하였다. 마모해석 결과 마모는 크로싱, 텅레일, 기본레일 순서로 크게 발생하는 것으로 나타났다. 또한 크로싱 노즈부의 직마모량의 마모는 기준에 제시된 값 보다 작은 마모량에서도 주행안전성이 크게 감소하는 것으로 나타났다.