| 기술동향 | 궤도기술의 개발현황 |
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시설전기연구부 궤도시스템팀 궤도는 열차를 정해진 길로 유도하는 역할을 할 뿐만 아니라 하부로 전달되는 열차하중을 완화하여 하부구조물을 보호하는 역할을 한다. 또한 열차의 주행안정성 및 승차감은 궤도의 성능에 따라 직접적인 영향을 받으며, 철도환경소음 경및 진동의 많은 부분이 궤도와 차량의 상호작용에 의하여 발생된다. 따라서 궤도는 전체 철도시스템의 안전성, 제성, 쾌적성에 직접적인 영향을 주는 중요부분이라 할 수 있다. 철도에 있어서 이러한 궤도기능의 중요성이 인식되어 철도개발 초기부터 궤도기술에 대한 많은 연구개발이 수행되어 왔으며, 철도가 주요 교통수단이 된 현재에도 부단한 연구가 진행되고 있다. 1. 속도향상에 따른 궤도구조의 개발 열차 속도향상을 위한 궤도기술개발로서는 궤도 안정화를 위한 레일 및 침목 중량화, 고속시 증가되는 차량하중에 대처하기 위한 체결구 개발, 종·횡저항력 향상을 위한 자갈도상궤도의 구조개선, 궤도틀림 최소화를 위한 슬라브궤도 개발, 이음부 충격에 따른 궤도파손을 줄이기 위한 레일의 장대화 등이 있다. 이들에 대한 분야별 상세 기술개발동향은 다음과 같다. 1.1 고속철도 슬라브궤도 속도향상에 있어서 슬라브궤도의 장점은 충격력을 하부노반에 균등하게 분포시켜 궤도파손을 줄이고, 궤도 종·횡저향력 및 장대화 레일에 대한 좌굴저항력 등을 크게 증진시킬 있다는 것이다. 또한 외부하중에 대한 정위치 탈락 즉 궤도틀림 진행을 최소화시킬 수 있기 때문에 열차의 주행안전성 향상시킬 수 있으므로 고속철도의 경우 점차 슬라브궤도의 사용이 증가되는 실정이다. 또한, 열차 운행이 고밀한 구간의 경우나, 와전류 제동구간, 터널 및 교량구간등 강성노반에서도 많은 장점을 가지고 있다. 독일의 레다궤도는 1972년 독일에서는 레다역에 첫 시공이후 지난 30년간 수많은 시험구간 운행과 독일철도의 영업선에 부설되어 성능과 안정성을 검증 받아왔으며 이러한 경험들을 토대로 비약적인 발전을 이뤄왔다. 디비닥사(DIWIDAG)에 의해 주로 설계, 시공되었으며 일반 토노반상, 터널, 교량에 부설되었다. 부루즈부르그-하노버의 고속신선의 뮐베르그(Muchlberg) 터널외 3개소에서 406km/h의 시험주행에 성공한 바 있다. 1997년까지 레다궤도의 총연장은 209km에 달하고 있으며 현재는 쾰른-프랑코푸르트 고속신선(총연장 177km)에 슬라브궤도가 부설되고 있다. 2000년이후 독일에 건설되는 신선은 거의 슬라브궤도로 부설될 예정이다. 1.2 속도향상을 위한 자갈도상궤도 구조개선 철도개발 초기부터 사용되어 온 자갈도상궤도는 많은 장점을 갖고 있지만 열차속도가 빠른 경우는 속도에 비례하여 증가된 충격하중을 견딜 수 있도록 구조개선이 필요하다. 이들은 주로 횡·종저항력 향상, 열차하중에 대한 충격완화, 그리고 종방향 궤도강성의 균등화 등을 목적으로 그 구조가 개선되고 있다. 가장 근본적인 구조개선은 레일 및 침목의 중량화와 충격완화를 위한 레일 및 침목패드의 탄성화이다. 기존 일자형 침목개념에서 탈피하여 적극적인 구조개선을 시도한 궤도로서 일본의 라다궤도(Ladder Track)과 오스트리아의 H-형 침목 등이 있다 .
1.3 체결구의 기술동향 체결구는 레일을 침목 위에 고정시키는 장치로 궤간의 확보와 레일의 고정을 고유기능으로 하고 있다. 최초의 침목은 목재였지만 현재 대부분이 콘크리트 침목으로 대체되었다. 체결구도 직접 체결방식대신 상하변위조절이 가능한 탄성체결구가 개발되어 사용되고 있다. 이러한 발전은 궤도 구성품전체가 하나의 시스템으로 성능을 발휘함에 있어서 체결구의 역할이 레일의 고정뿐만 아니라 승차감의 향상, 환경소음의 감소, 속도향상의 제한요소가 되어 그 역할이 더욱 중요하게 되고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
1.4 고속분기기 고속철도의 도입과 기존선의 고속화로 인해 분기기통과속도의 고속효과가 중요한 요소로 부각되고 있다. 분기부의 고속통과를 위하여 전세계적으로 기존의 번수가 낮은 일반분기기 대신에 고속 고번 분기기가 사용되고 있다. 이 고속 분기기는 분기선의 기준선에 대한 각도가 작아 분기기 리드부의 곡선반경을 크게 할 수 있고 그 만큼 원심력이 작게 되어 분기선의 주행 속도를 향상시킬 수 있다.
분기 방법에 관한 최근 동향으로는, 일본에서는 기존 분기 방식 외에 <그림 5>와 같이 분기부에 횡방향으로 이동 가능한 보를 설치하여, 이 보가 횡방향으로 이동하면서 선로가 분기되는 분기 형식이 있다. 독일에서는 포인트부의 리드레일만을 이동시키는 기존 방식과는 달리 가동침목을 사용하여 침목과 리드레일이 함께 이동하면서 분기하는 방식 역시 연구되고 있다. 이 두 방식 모두 간접적으로 레일을 이동시켜, 궤도에 손상을 주지 않으면서 열차가 고속으로 통과시 분기부에서의 안전성을 고려하는 것이 특징이다. 세계적으로 분기부에서의 열차와 승객의 안전과 승차감 그리고, 분기기에서의 저비용 궤도유지관리 문제와 관련하여 많은 연구가 진행되고 있는 추세이다. 2. 환경친화적인 궤도기술 환경친화적 궤도기술개발로서는 철도 운행에 따른 환경소음·진동을 저감하기 위한 저진동·저소음 궤도 구조개발, 환경페기물을 이용한 궤도구성품 개발, 도시미관을 고려한 궤도구성품 개발 등이 있다. 2.1 저소음·저진동 궤도 구조개발 궤도에 있어서 가장 확실하게 소음·진동을 줄일 있는 방안은 방진슬라브궤도를 사용하는 방법이다. 방진궤도는 보통궤도에 비하여 부설비가 비싸고, 열차주행 안전성에도 영향을 주므로 세계 각국에는 저비용의 방진재료개발과 최적효율의 방진시스템 설계기술 개발에 많은 연구를 기울이고 있다. <그림 6>은 패드를 이용한 방진궤도로서 주파수에 따라 20dB의 소음을 줄일 수 있는 궤도이다. 한편 보통궤도에서도 소음진동을 줄이기 위한 기술개발이 진행되고 있는데, 주로 레일패드 및 침목패드를 사용한 궤도탄성화 방안으로 이루어지고 있다. 레일이음부에서의 충격소음을 줄이기 위한 레일의 초대형 장대화 방안 연구도 궤도의 저소음·저진동화의 중요한 기술개발항목이다.
2.2 환경페기물을 이용한 궤도구성품 개발 전세계적으로 산업폐기물의 재활용으로서 폐타이어를 이용한 탄성침목 및 침목패드 개발, 폐고무재품을 이용한 방진재, 고로슬래그를 이용한 강화노반재 개발 등이 연구되고 있으며, 이 밖에도 환경폐기물을 궤도재료로서 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 2.3 도시미관을 고려한 궤도구성품 개발 철재 레일, 콘크리트침목, 자갈도상 등으로 구성된 기존궤도에서 도시미관을 고려하여 색상 , 형상, 및 재질을 달리하는 궤도구성품 개발에 대한 연구가 진행되고 있는데, 목재와 거의 유사한 색감을 갖는 폴리우레탄 침목이 그 예라고 할 수 있다. 3. 궤도유지관리의 고도화 세계 각국의 철도망은 열차의 고속화와 운행의 고밀화 및 유지보수 작업인력확보의 어려움으로 인해 유지보수환경이 점차 열악해지고 있는 상황에 있다. 이에 따라 궤도 유지보수의 효율성을 극대화하기 위한 보수작업의 기계화와 보수작업계획의 전산화에 대한 지속적인 연구개발을 수행하여 상당부분 실용화시키고 있다. 3.1 궤도틀림의 관리방안 점차 고속화되어가는 열차에서의 승차감을 향상시키며 충격효과를 줄이기 위하여 10m현정시에 근간한 궤도틀림측정 및 보수방법이 40m 현정시를 토대로 하는 방식으로 전환되어 가고 있다. 또한 고속열차의 정상운행에 지장을 주지 않을 정도의 고성능 검측차량이 개발되어 상용화 되고 있다. 이러한 고성능 검측차량은 방대한 양의 궤도정보(궤도의 기하학적 틀림, 차량의 승차감 및 차량의 탈선계수 등)를 수집 및 기록하여 디지털화된 정보를 외부의 전산화된 궤도관리 시스템에서 분석할 수 있도록 제공한다. EM-SAT-GNBAHN와 같은 동적 궤도측정 시스템은 캔트 그리고 궤간 등을 3차원적으로 높은 정확도와 정밀도로 실시간 측정할 수 있다. 측정값으로부터 궤도부설 및 궤도갱환 후의 품질관리, 그리고 실질적인 궤도형상을 측정할 수 있는 시스템이다.
3.2 새로운 궤도보수장비 및 운용조합의 개발 전통적인 자갈도상궤도의 수명연장 및 작업효과의 극대화를 위하여 개발된 여러 형태의 보선장비가 실제 현장에 투입되어 그 효과를 거두고 있다. 대표적인 장비로서 고성능 MTT (Multiple Tie Tamper), DTS(Dynamic Track Stabilizer) 및 Rail Grinding Car가 있다. 최근 일본의 연구결과는 MTT와 Rail Grinding Car의 조합이 자갈도상의 손상지연에 탁월한 효과가 있음을 나타냈으며, 유럽의 경우는 DTS의 사용으로 MTT작업후 50%이상 감소하는 궤도의 횡저항력에 대하여 감소된 저항력의 50%이상 복원을 달성하고 있다. 이들 새로운 보선장비개발의 주목적은 향상된 작업능력과 궤도의 유지보수주기를 늘리는데 있다.
3.3 전산유지보수시스템의 개발 전산유지보수시스템은 보선작업 계획자가 그 작업의 실시를 결정함에 있어 그 사용이 가능한 자원을 기초로 필요로 하는 모든 정보를 접할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하였다. 이러한 시스템들은 궤도의 회복불능손상을 미연에 방지하기 위한 예방보수(PM, Preventive Maintenance)계획을 수립하고 제한된 자원의 효율적인 운영을 위하여 개발된 것들이다. <표 1> 각국의 궤도유지관리 시스템비교
< 참고문헌 > [1] 철도공학분야의 기술개발현황과 미래수요예측 및 개발전략, 대한토목학회 부설연구소 1999
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