본 논문은 고속분기기의 포인트부에 적정 궤간확대선형 및 텅레일형상을 적용하여 분기기를 통과하는 고속열차의 주행성능을 향상시키고, 텅레일의 사용수명을 증가시키기 위한 연구이다.

개발한 포인트부 선형은 기존의 직선과 원곡선의 접선 선형에 직선에도 대칭으로 일정구간에 원곡선을 넣어 궤간을 확대한 선형이다. 대향으로 포인트부에 진입하는 차량 휠은 한쪽은 텅레일/기본레일, 다른 한쪽은 기본레일을 밟으며 주행하게 된다. 분기기에서는 이렇게 차륜과 레일 간에 비대칭 접촉점이 형성되면서 불안전한 사행동이 증폭되어 주행성이 저하되는 문제가 있었다. 본 논문에서는 이러한 문제가 발생되는 원인을 분석하고 주행성능을 향상시킬 수 있는 궤간확대 기술(KGO, Kinematic Gauge Optimization)을 개발하고자 하였다.

상용 프로그램인 VI-RAIL을 이용한 차량/분기기 상호작용 해석(flexible multibody dynamic analysis)을 통해 이론적 분석을 수행하였다. 상호작용 해석은 다음과 같이 3단계로 진행하였다.

첫째, 포인트 선형에 궤간을 확대하였을 때 어떠한 효과가 있는지 궤간확대 선형의 유효성 검증 해석을 수행하였고,

둘째, 궤간 확대량의 크기는 얼마가 적합한지에 대한 적정 궤간 확대량 해석을 수행하였다.

셋째, 고속분기기용 텅레일 3종에 최적 궤간확대량을 적용한 분기기 모델을 생성하여 차량/분기기 상호 작용해석을 수행하여 가장 적합한 텅레일을 선정하였다.

이의 결과로써 개발된 선형과 텅레일을 국산화 제작하여 한국형 F18.5번 고속분기기를 설계, 제작하고 호남고속철도에 시험부설(하선 P.6710)하였다. 고속열차를 시험 운행하여 차량의 승차감 평가를 위한 차상시험과 주행안전성 평가를 위한 지상시험을 실시하고 주행성능 향상 여부를 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.

① 궤간확대선형 적용 유, 무에 따른 효과 분석
궤간확대를 적용한 분기기에서 통과선(350km/h) 주행시 텅레일에 발생하는 횡압이 약 31% 감소하고, 사행동 파장이 길어져 텅레일의 후단에 횡압이 작용하여 텅레일의 마모가 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 궤간확대량 만큼 텅레일이 두꺼워지므로 텅레일의 내마모성이 증가하여 사용수명이 증가할 것으로 판단된다.

② 궤간확대량 변경(5, 10, 15㎜)시 주행안전성 분석
통과선 350km/h 주행시에는 궤간확대량 15㎜, 분기선 100km/h 주행시에는 5㎜에서 최대 횡압과 공격각이 발생하였다. 따라서, 통과선과 분기선 주행시에 공통적으로 주행안전성이 높은 10㎜를 적정 궤간확대량으로 제시하였다.

③ 텅레일별 주행안전성 분석
궤간확대량 10㎜를 적용한 분기기 선형으로 국내 사용중인 수입 텅레일 60E1A1 (60B), 60E1A4(60D)과 연구를 통해 국산화 개발한 60E1A1 K(60BK) 텅레일에 대한 주행안전성을 비교, 분석하였다. 그 결과 60E1A1 K(60BK)가 통과선 및 분기선에서 전반적으로 안정적인 주행성능을 나타내었다.

④ 현장시험 결과
차량 주행성능 변화를 비교하기 위하여 궤간확대를 적용한 개발 분기기의 교체 전, 후에 차상시험과 지상시험을 실시하였다. 시험 결과를 비교해보면 궤간확대 후의 분기기 통과시 차량의 차체 상,하 진동가속도가 300km/h 통과선에서는 19%, 분기선에서 25% 정도 감소함을 확인하였다. 또한 지상시험 결과 횡압은 300km/h 통과선에서 9%, 90km/h 분기선에서 2% 정도 감소하였고, 레일저부 응력은 7% 감소하였다.

이상과 같이 차량/분기기 상호작용해석과 현장시험 계측결과를 종합적으로 분석하여 볼 때 고속분기기 포인트부에 적정 궤간확대 선형 및 텅레일 형상이 고속열차의 주행성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.

The wheels of a railway vehicle are comprised of conical section for safe driving in the railway. However, this wheel section shape causes the vehicle to behave in a constant sinusoidal direction (hunting movement, Snake motion). This behavior is increased when passing through the connection point, causing the problem of poor driving performance of the turnout.

In this study, we analyzed the causes of the problem of degradation of the performance of the switch due to the amplification of behavior during the passage of the turnout. FAKOP (Fahrkanten Optimierung), or KGO works to solve these problems. Thus, the effect of KGO was verified compared with the existing branch for high-speed railway. Finally, the optimal KGO(FAKOP) gauge width dimension for domestic high-speed railways was selected.

For railroad vehicles, the back surface of the wheel is constructed in the shape of a taper for smooth passage of the curved part in the general track. However, this wheel surface geometry causes the vehicle to perform a certain sinusoidal motion. These running behavior are amplified when passing through the branch, causing the problem of poor driving performance during the quarter.

This paper is designed to improve the driving performance of high-speed trains passing through the bifurcation by applying appropriate gauge magnification lines and rail shapes to the point part of the high-speed branch, and to increase the service life of the tongue rail.

The developed point-part alignment extends linearly from the gauge by placing a curve in a certain interval symmetrically to the tangent alignment of the existing straight line and curve. Vehicle wheels that enter the point is guided with one tongue rail/stock rail and the other on the stock rail. At the branch section the problem of symmetrical contact point between the wheel and the rail is amplified and the driving performance can be reduced, so causes were analyzed a gauge magnification technique for improving driving performance was applied.

A theoretical analysis was carried out with a flexible multibody dynamic analysis using VI-RAIL, and interaction analysis was conducted in three stages: first, a validation analysis of the gauge magnification alignment was performed to determine the effectiveness of the gauge enlargement linear. second, analysis of appropriate gauge magnification size was performed. Third, a branching model was created that applied the optimum gage magnification to three types of tongue rails for high speed bifurcation. Vehicle/quarter interaction analysis was performed to select the most suitable tongue rail.

As a result of this, the developed linear and tongue rail were manufactured locally to design and manufacture F18.5 high-speed forklift and test-installation (downline P.6710) on Ho-Nam high-speed railway. The express KTX train was tested. The ride quality of the vehicle was assessed. track tests were conducted for the side phase test and the driving safety assessment, and the improvement of driving performance was evaluated.