흡인식 도시형 자기부상철도 교량 장경간화를 위한 레일이음매 성능 향상 연구 :A study on rail joint performance improvement for bridge long span of EMS urban maglev

박성현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박성현 (동양대학교, 동양대학교 일반대학원)

지도교수: 정혁상

발행연도: 2020

저작권: 동양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2020

흡인식 도시형 자기부상철도 교량 장경간화를 위한 레일이음매 성능 향상 연구

박성현 건설공학과 2020.01 학위논문

2019

자기부상철도 장경간화를 위한 레일이음매 개선 및 거더형식에 따른 신축량 산정

박성현 , 정혁상 , 김동현 외 2명 한국도시철도학회논문집 2019.09 학술저널

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본 논문은 도시형 자기부상철도 교량의 장경간화 및 슬림화를 위한 레일이음매 성능 향상 및 이에 따른 효과를 분석하고자 하였다. 이를 위해 기존 도시형 자기부상철도 교량상 궤도에 적용되고 있는 레일이음매의 형식 및 특징을 조사하여 문제점 및 개선사항을 도출하였다.
기존 자기부상철도의 레일이음매는 최대 신축허용을 80mm로 제한하고 있으며, 자기부상철도 교량의 장경간화 및 구조물의 슬림화에 제약조건이 되고 있다. 또한, 기존 Gap Sensor의 프로브 간격 190mm 조건에서 레일이음매의 유간장치 폭을 200mm로 적용 시 부상실패 및 승차감 저하가 발생하였다. 이와 같은 문제를 해결하고자 유간장치 폭을 260mm로 확대 적용하였으며, Gap Sensor의 간격을 고려하여 최대 신축허용을 ±100mm(최대200mm)로 확대할 수 있는 성능 향상된 C-Type 레일이음매를 제안하였다.
자기부상철도 교량상 거더의 신축량 산정은 철도설계기준에 따라, 다양한 변수를 적용하여 신축량을 계산하고 있다. 본 연구에서는 기 개발된 자기부상철도 교량의 거더형상을 고려한 경간장과 신축량과의 관계식 제안을 통한 합리적 교량설계 및 레일이음매 적용방안을 제시하고자 하였다.
또한, 성능 향상된 C-Type 레일이음매의 안정성 검토를 위한 수치해석과 실내시험 및 주행안정성시험을 수행하여, 자기부상철도 상부궤도 설계기준을 만족하는 것을 확인하였다. 레일이음매의 실내시험은 파괴시험, 0.3mm변형 시 하중시험, 피로강도 시험, 인발 시험, 전단시험을 통하여 안정성을 확인하였으며, 열차의 주행안정성은 갭파형과 가속도파형을 분석하여 향상된 성능을 확인하였다. 수치해석은 C-Type 레일이음매에 대한 변형 및 응력해석을 통해 안전성을 검증하였으며, 연구를 통해 제안된 신축량 산정식에 대한 검증을 위해 거더형식별 신축량에 대한 수치해석을 수행하고 신축량 확인을 통해 제안된 신축량 산정식의 타당성을 검증하였다.
연구결과, 레일이음매 유간장치 폭 200mm일 때, 부상공극외란이 발생하여 자기부상철도의 주행에 문제점이 발생하였으며, 유간장치 폭 260mm로 확대 시에는 열차가 안정하게 주행을 하는 것을 확인하였다. 또한, 허용신축량을 200mm로 성능 향상시킨 레일이음매 시험부설을 통해 실차주행시험을 시행하였으며, 이를 통해 얻은 갭 파형과 가속도 파형 데이터를 분석한 결과, 자기부상열차의 주행안정성이 향상되는 것을 확인하였다.

In this paper, it would like to improve the performance of rail joints for long-span and slimness of the urban magnetically levitation railway bridges and to analyze the resultant effect. For this purpose, it examined the
forms and characteristics of the rail joints being applied to the track on the existing urban magnetically levitation railway bridges and derived their problems and improvement.
For the rail joint of the existing magnetically levitation railway, its maximum expansion allowance has been limited to 80mm, which has been a constraint on the long-span of the magnetically levitation railway bridge
and the slimness of its structures. In addition, there was a floating failure and decline in riding comfort when the joint gap device’s width of the rail joint was applied as 200mm in the condition of 190mm for the probe
interval of the existing gap sensor. In order to solve such a problem, it did an extended application of 260mm to the joint gap device’s width, and proposed a C-Type rail joint with improved performance which could
extend the maximum expansion allowance to ±100mm (up to 200mm)considering the gap sensor’s interval.
For estimating the expansion length of the girder on the magnetically levitation railway bridge, various variables have been applied to calculate the expansion length in accordance with the railway design standard. In this study, it would like to suggest a reasonable method to design bridges and apply rail joints by proposing a relational expression between the span length and the expansion length considering the girder shape of the
magnetically levitation railway bridges already developed.
In addition, the numerical analysis, laboratory test and driving stability test for examining the stability of the C-Type rail joint with improved performance were performed, and it was confirmed to satisfy the design standard of the magnetically levitation railway’s upper track. In the laboratory test for rail joints, its stability was confirmed through the destructive test, load test when deforming 0.3mm, fatigue strength test, pullout test and shear test, and for the driving stability of trains, the gap waveform and acceleration waveform were analyzed to confirm the improved performance. The numerical analysis verified the stability through the strain and stress analysis on the C-Type rail joint, the numerical analysis was carried out on the expansion length for each girder type to verify the expansion length calculating formula proposed through the study, and the validity of the proposed expansion length calculating formula was verified by confirming the expansion length.
As a result of the study, when the joint gap device’s width of the rail joint was 200mm, the floating gap disturbance occurred to cause problems in the driving of the magnetically levitation railway, and it was confirmed that the train ran stably when the joint gap device’s width was expanded to 260mm. In addition, the real train driving test was conducted through trial construction of the rail joint which improved the allowable expansion length to 200mm, and as a result of analyzing the gap waveform and acceleration waveform data obtained through it, it was confirmed that the driving stability of the magnetically levitation railway was improved.

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구동향 5
1.3 연구내용 및 범위 8
제 2 장 이론적 배경 11
2.1 개요 11
2.2 자기부상철도의 원리 및 특징 13
2.3 상부궤도 설계기준 분석 27
2.4 레일이음매 구성요소 28
2.5 레일이음매 적용 사례 32
제 3 장 레일이음매 성능 향상 분석 34
3.1 개요 34
3.2 레일이음매 특성 36
3.3 레일이음매 주요인자 및 문제점 45
3.4 레일이음매 유간장치 폭의 성능 향상 52
3.5 레일이음매 유간설정 성능 향상 54
3.6 레일이음매 형상 제안 56
3.7 유간 설정을 위한 신축량 관계식 도출 59
3.8 자기부상철도 설계 시 레일 이음매의 신축량 75
제 4 장 레일이음매 성능 향상을 위한 수치해석 77
4.1 개요 77
4.2 장경간화를 위한 유간설정 능력 해석 78
4.3 레일이음매 형상개선에 따른 응력-변위해석 87
제 5 장 실내시험 및 주행안정성 시험 93
5.1 개요 93
5.2 시제품 제작 94
5.3 실내시험 98
5.4 주행안정성 시험 113
제 6 장 결론 117
참고문헌 121
ABSTRACT 125

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