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보고서 요약서
요약문
SUMMARY
주요 용어 설명
목차
제1장 연구개발과제의 개요 17
1절 연구개발 목적 17
2절 연구개발의 필요성 19
3절 연구개발 범위 20
1. 연구개발 목표 20
2. 연구개발 내용 20
제2장 국내외 기술 개발 현황 21
1절 국외 고속분기기 기술개발 현황 21
1. 프랑스 22
2. 독일 23
2절 국내 고속분기기 기술개발 현황 25
제3장 연구 수행 내용 및 성과 27
1절 분기기/차량 I/F를 고려한 고속철도용 분기기 해석 Tool Kit 개발 및 최적 설계변수 도출 27
1. 고속철도용 분기기 차량동력학 해석 Tool Kit 개발 27
2. 고속분기기 선형 최적 설계변수 도출 34
2절 고속분기기 국산화 기술 개발 43
1. 텅레일 단면 형상 설계 및 분석 43
2. 텅레일 생산설비 구축 및 시제품 제작 46
3절 고속분기기 성능개량 기술개발 52
1. 포인트부 개량 52
2. 크로싱부 개량 53
3. 기타 개량 58
4절 고속분기기 실내 및 현장 성능평가 61
1. KR 성능검증 61
2. 고속분기기 조립체 시험 평가 63
3. 고속분기기 현장 설치시험 66
4. 고속분기기 현장 성능평가 71
5절 국산 콘크리트궤도용 고속분기기 특징 및 자갈도상 적용 방안 93
1. 국산 콘크리트용 고속분기기 특징 93
2. 국산 콘크리트궤도용 고속분기기 자갈도상 적용 방안 96
3. 추가 연구개발 필요 사항 97
6절 분기기/선로전환기 I/F를 고려한 선로전환기 해석 Tool Kit 개발 98
1. 전기식 선로전환기 성능 요구사항 98
2. 유압식 선로전환기 성능 요구사항 102
3. 선로전환기 동력 전달 메커니즘 해석 Tool Kit 개발 107
7절 고속분기기용 유압식 쇄정실린더 국산화 기술 개발 116
1. 개발 개요 116
2. 개발 목표 116
3. 유압식 쇄정실린더 장애 조사 및 대응 기술 검토 117
4. 유압식 선로전환기 개선사항 도출 118
8절 고속분기기용 유압식 쇄정실린더 시제품 제작 및 성능평가 121
1. 유압식 쇄정실린더 시제품 제작 121
2. 유압식 쇄정실린더 실내 성능평가 131
제4장 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 141
1절 목표 달성도 141
1. 1차년도 목표 달성도 141
2. 2차년도 목표 달성도 143
3. 3차년도 목표 달성도 145
2절 관련분야 기여도 148
제5장 연구개발성과의 활용계획 149
제6장 연구 과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 150
제7장 연구개발성과의 보안등급 151
제8장 국가과학기술정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 152
제9장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 153
1. 연구실 안전 관리 153
2. 실험실 안전 관리 153
3. 현장 설치시험 안전 관리 153
제10장 연구개발과제의 대표적 연구 실적 154
제11장 기타사항 158
제12장 참고문헌 160
표 1-1-1. 경부고속철도 2단계(동대구-부산) 외국산 분기기 수입 비용 17
표 2-1-1. 고속분기기 국가별 분기 속도 21
표 2-2-1. 국내 콘크리트 궤도용 고속분기기 현황 25
표 3-1-1. 첫 번째 플랜지 접촉 거동 특성 비교 36
표 3-1-2. 텅레일 접촉각 42
표 3-1-3. 노즈레일 접촉각 42
표 3-2-1. 대표 텅레일 단면 43
표 3-2-2. 개발 텅레일의 차별성 46
표 3-2-3. 60E1A1 K 텅레일 제작 과정 48
표 3-2-4. 시압연 추진 현황 48
표 3-2-5. 국산 60E1A1 K 텅레일 개발비용 49
표 3-3-1. 개량형 크로싱 구조 53
표 3-3-2. 윙레일 개량 전·후 단면 54
표 3-3-3. 개량전·후 크로싱후단 변위·응력 비교 55
표 3-3-4. Q클립 공인기관 성능시험결과 59
표 3-4-1. 개량수준 61
표 3-4-2. KR성능검증 결과 요약 63
표 3-4-3. 공인기관 조립체 시험 결과 64
표 3-4-4. 포인트교체 궤도작업 공정 67
표 3-4-5. 포인트교체 신호작업 공정 67
표 3-4-6. 포인트부 교체작업 순서(반스위치 교체) 68
표 3-4-7. 크로싱부 궤도작업 공정 69
표 3-4-8. 크로싱부 신호작업 공정 69
표 3-4-9. 크로싱부 교체작업 순서 70
표 3-4-10. 부설시 장애점 및 유의사항 71
표 3-4-11. 일반검측 합격기준 72
표 3-4-12. 전환력검측 합격기준 72
표 3-4-13. 정밀검측 합격기준 73
표 3-4-14. 모니터링 일정 계획 73
표 3-4-15. 차상시험 상세 74
표 3-4-16. 지상시험 상세 75
표 3-4-17. 시험일시, 시험속도, 시험차량 및 시험횟수 76
표 3-4-18. 차상시험 합격기준 77
표 3-4-19. 지상시험 합격기준 77
표 3-4-20. 모니터링 결과 78
표 3-4-21. 통과선 측정결과(300km/h) 79
표 3-4-22. 분기선 측정결과(90km/h) 84
표 3-4-23. 지상시험 결과 91
표 3-5-1. 국산 콘크리트용 고속분기기 특징 93
표 3-5-2. 국산화 항목 가격 비교 95
표 3-5-3. 자갈도상용 및 콘크리트도상용 고속분기기 비교 96
표 3-6-1. 전달 메커니즘 구성 간류의 종류 및 용도 98
표 3-6-2. 접속간과 유동방지간의 절연체 성능기준 99
표 3-6-3. 첨단부 유압식 선로전환기 기본 사양 104
표 3-6-4. 첨단부 선로전환장치 기본 요구사항 104
표 3-6-5. 첨단부 선로전환장치 주요 구성요소의 기능 105
표 3-6-6. 첨단부 선단 및 중앙쇄정장치의 기본 요구사항 105
표 3-6-7. 크로싱부 유압식 선로전환기 기본 사양 106
표 3-6-8. 크로싱부 쇄정장치 기본 사양 106
표 3-6-9. 첨단부 선단 및 중앙쇄정장치의 기본 요구사항 115
표 3-6-10. 크로싱부 쇄정장치 기본 사양 115
표 3-7-1. 첨단부선단 및 크로싱부 쇄정실린더 개발목표 사양 117
표 3-8-1. 주요부품 제작기준 130
표 3-8-2. 사용재료의 자재사양서 131
그림 1-2-1. 고속철도 분기기 관련 기술 19
그림 1-2-2. 경부고속철도 2단계 선로분기기 장애 사례 19
그림 2-1-1. 국외 고속분기기 21
그림 2-1-2. 원곡선과 3차 포물선을 사용한 선형 설계 기술 22
그림 2-1-3. 다물체 동역학을 통한 분기기 차량 거동 분석 22
그림 2-4-4. 클로소이드완화곡선을 사용한 선형 설계 기술 23
그림 2-1-5. FAKOP 기술을 이용한 다이나믹 선형 설계 기술 24
그림 3-1-1. 분기기의 분기선 구성도 27
그림 3-1-2. 분기기 선형 설계 매개변수(A, B, F) 27
그림 3-1-3. 3차포물선 완화곡선 산정 알고리즘 28
그림 3-1-4. 완화곡선을 고려한 분기선 선형 산정 Tool Kit 29
그림 3-1-5. 분기기 선형 산정 Tool Kit 작동 순서 29
그림 3-1-6. 위치별 텅레일 단면(예) 30
그림 3-1-7. 가공경로에 따른 분기기 단면 산정 알고리즘 30
그림 3-1-8. 분기기 레일 단면 산정 Tool Kit(1st Step)(이미지참조) 31
그림 3-1-9. 분기기 레일 단면 산정 Tool Kit(2nd Step)(이미지참조) 31
그림 3-1-10. VI-RAIL FlexTrack 해석 모델링 구조 32
그림 3-1-11. VI-RAIL FlexTrack 일반 궤도 모델링 32
그림 3-1-12. VI-RAIL과 개발 해석 Tool Kit 분기기 모델링 비교 33
그림 3-1-13. 분기기 하부강성 산정 Tool Kit 33
그림 3-1-14. 분기기 위치별 하부강성(예) 33
그림 3-1-15. VI-RAIL을 이용한 KTX 차량 모델링 34
그림 3-1-16. 분기기 스위칭 구간 차륜-레일 접촉 34
그림 3-1-17. KTX 차륜 단면 모델링 34
그림 3-1-18. 포인트부 레일 단면 모델링 34
그림 3-1-19. 분기기 포인트 첨단 접촉점 34
그림 3-1-20. 국내 고속철도용 분기기 35
그림 3-1-21. BWG 고속철도용 분기기 35
그림 3-1-22. BWG 고속철도용 분기기 FAKOP 35
그림 3-1-23. 분기기 FAKOP 산정 Tool Kit 35
그림 3-1-24. VI-RAIL FAKOP 및 레일 단면 모델링 36
그림 3-1-25. 첫 번째 플랜지 접촉 거동 특성 비교 36
그림 3-1-26. FAKOP 해석(안) 37
그림 3-1-27. FAKOP에 따른 통과선 해석결과(350km/h) 37
그림 3-1-28. FAKOP에 따른 분기선 해석결과(100km/h) 38
그림 3-1-29. KTX와 ICE 차륜 특성 비교 38
그림 3-1-30. FAKOP 최적(안) 10mm 적용에 따른 효과 39
그림 3-1-31. 텅레일 두부 단면 해석(안) 39
그림 3-1-32. 텅레일 두부 단면에 따른 통과선 해석결과(350km/h, 공격각 0.015˚ ≤ 기준값 1˚) 40
그림 3-1-33. 텅레일 두부 단면에 따른 분기선 해석결과(100km/h, 공격각 0.14˚ ≤ 기준값 1˚) 40
그림 3-1-34. 국산 텅레일(60E1A1 K) 장점 41
그림 3-1-35. F18.5 선형 다이아 그램(분기속도 : 100km/h) 41
그림 3-2-1. 모델링 및 Hertz Contact 조건 44
그림 3-2-2. 구조해석 결과(응력 분포) 44
그림 3-2-3. 60E1A1 K 제작 롤 및 Pass 구성 47
그림 3-2-4. 국산 60E1A1 K 텅레일 제작 공정 49
그림 3-2-5. 국산 60E1A1 K 텅레일 검사 성적서 49
그림 3-2-6. 국산 60E1A1 K 텅레일 단조 테스트 50
그림 3-2-7. 국산 60E1A1 K 텅레일 가공 테스트 50
그림 3-2-8. 포인트부 조립 테스트 51
그림 3-2-9. 크로싱부 조립 테스트 51
그림 3-3-1. 포인트부 개량 설계도(FAKOP 10mm 적용) 52
그림 3-3-2. 스페이싱바 개량 전·후 비교 52
그림 3-3-3. 개량형 크로싱후단 단면도 53
그림 3-3-4. 자석볼트, 너트 사진 56
그림 3-3-5. 300만회 자체피로시험 56
그림 3-3-6. 공인기관 진동시험 56
그림 3-3-7. 융커시험 전경 56
그림 3-3-8. 융커시험 결과 57
그림 3-3-9. 풀림방지 너트 현장 시험 57
그림 3-3-10. Q클립 변위 및 응력 비교 58
그림 3-3-11. SKL12, USK2 → Q클립 대체 사진 58
그림 3-3-12. Q클립 공인기관 성능시험 사진 59
그림 3-3-13. 힐부패드 적용 위치 60
그림 3-3-14. 힐부 패드 개량 전·후 비교 60
그림 3-3-15. 코일형 히팅장치 개선 전·후 비교 60
그림 3-4-1. KR성능검증 절차 62
그림 3-4-2. 일반검사 64
그림 3-4-3. 포인트부 검사 65
그림 3-4-4. 크로싱부 검사 65
그림 3-4-5. 현장 인공위성 사진 66
그림 3-4-6. 현장 고속분기기 전경 66
그림 3-4-7. 정읍역 배선도 66
그림 3-4-8. 포인트부 교체범위 67
그림 3-4-9. 크로싱부 교체범위 69
그림 3-4-10. 지상시험 센서 설치 위치 74
그림 3-4-11. 차세대 고속열차(HEMU) 76
그림 3-4-12. 차세대 고속열차(HEMU) 대차 및 차체가속도 센서 76
그림 3-4-13. 1-1차 HEMU 하행(배향) 통과선 300km/h(익산→정읍) 80
그림 3-4-14. 1-1차 HEMU 하행(배향) 통과선 300km/h Estimated Maximum Value(익산→정읍) 80
그림 3-4-15. 1-5차 HEMU 상행(대향) 통과선 300km/h(익산←정읍) 81
그림 3-5-16. 1-5차 HEMU 상행(대향) 통과선 300km/h Estimated Maximum Value(익산←정읍) 81
그림 3-4-17. 2-1차 HEMU 하행(배향) 통과선 300km/h(익산→정읍) 82
그림 3-4-18. 2-1차 HEMU 하행(배향) 통과선 300km/h Estimated Maximum Value(익산→정읍) 82
그림 3-4-19. 1-1차 및 2-1차 차체 횡가속도 가속도 비교(익산→정읍) 83
그림 3-4-20. 1-2차 HEMU 하행(배향) 분기선 90km/h(익산→정읍) 85
그림 3-4-21. 1-2차 HEMU 상행(대향) 분기선 90km/h(익산←정읍) 85
그림 3-4-22. 1-3차 HEMU 하행(배향) 분기선 90km/h(익산→정읍) 86
그림 3-4-23. 1-3차 HEMU 상행(대향) 분기선 90km/h(익산←정읍) 86
그림 3-4-24. 1-4차 HEMU 하행(배향) 분기선 90km/h(익산→정읍) 87
그림 3-4-25. 1-4차 HEMU 상행(대향) 분기선 90km/h(익산←정읍) 87
그림 3-4-26. 1-2~4차 HEMU 하행(배향) 분기선 90km/h Estimated Maximum Value(익산→정읍) 88
그림 3-4-27. 1-2~4차 HEMU 상행(대향) 분기선 90km/h Estimated Maximum Value(익산←정읍) 88
그림 3-4-28. 하행(익산→정읍) 통과선측 주행(배향)시 기존 및 국산 분기기 차체 횡가속도(1Hz Low Pass Filter) 비교 89
그림 3-4-29. 상행(익산←정읍) 통과선측 주행(대향)시 기존 및 국산 분기기 차체 횡가속도(1Hz Low Pass Filter) 비교 89
그림 3-4-30. 하행(익산→정읍) 분기선측 주행(배향)시 기존 및 국산 분기기 차체 횡가속도(6Hz Low Pass Filter) 비교 90
그림 3-4-31. 상행(익산←정읍) 분기선측 주행(대향)시 기존 및 국산 분기기 차체 횡가속도(6Hz Low Pass Filter) 비교 90
그림 3-4-32. 현장 부설 상태 91
그림 3-4-33. 통과선측 틈새확인(0.3mm) 92
그림 3-4-34. 분기선측 틈새확인(0.5mm) 92
그림 3-4-35. 틈새보정용 패드 92
그림 3-4-36. #26 레일수직변위 재측정 결과 92
그림 3-5-1. 국산 SKL15 피로시험 파손 사례 97
그림 3-6-1. F18.5 첨단부 동력전달 메커니즘(사진) 98
그림 3-6-2. F18.5 첨단부 동력전달 메커니즘(도면) 100
그림 3-6-3. F18.5 크로싱부 동력전달 메커니즘(도면) 101
그림 3-6-4. F18.5 유압식 선로전환기 첨단부(좌) 및 크로싱부(우) 구성도 102
그림 3-6-5. 유압식 선로전환기 제어 및 감시 구조 102
그림 3-6-6. 유압식 선로전환기 유압회로 구성 현황(우측→좌측 전환 시) 103
그림 3-6-7. 전기식 선로전환기 동력전달 모델(MSC.ADAMS) 107
그림 3-6-8. 전기식 선로전환 메커니즘 모델 구성 107
그림 3-6-9. 레버 및 VCC 시스템 입력 108
그림 3-6-10. L자형 및 I자형 링크 입력 108
그림 3-6-11. 거리 구속(링크) 입력 108
그림 3-6-12. 텅래일 유연체 제원 입력(자동생성 후 개별적 입력 가능) 109
그림 3-6-13. 레일-침목 간 마찰력 제원 입력(롤러 영력 입력) 109
그림 3-6-14. 유압식 선로전환기 동력전달 모델(MSC. ADAMS) 109
그림 3-6-15. 텅레일용 유압실린더 모델링 110
그림 3-6-16. 노즈 레일용 유압실린더 모델링 110
그림 3-6-17. 레버 구동력 111
그림 3-6-18. 위치별 레일-침목 간 마찰력 111
그림 3-6-19. 침목 위치별 텅레일 굽힘 모멘트 111
그림 3-6-20. 링크 회전 운동 112
그림 3-6-21. 좌측 레일 PUSH 112
그림 3-6-22. 좌측 레일 PULL 112
그림 3-6-23. 텅레일 첨단/중간/후미 굽힘 모멘트 113
그림 3-6-24. 텅레일 첨단/중간/후미 굽힘 각도 113
그림 3-6-25. 위치별 레일-침목 간 마찰력 113
그림 3-6-26. 모터 구동력 114
그림 3-6-27. 위치별 레일-침목 간 마찰력 114
그림 3-6-28. 좌측 레일 PUSH 실린더별 전환력 114
그림 3-6-29. 우측 레일 PULL 실린더별 전환력 115
그림 3-7-1. 첨단부 선로전환기 116
그림 3-7-2. 크로싱부 선로전환기 116
그림 3-7-3. 첨단부 쇄정실린더 117
그림 3-7-4. 크로싱부 쇄정실린더 117
그림 3-7-5. 쇄정치크 형상 개선 119
그림 3-7-6. 쇄정로드 형상 개선 119
그림 3-7-7. 유압식 선로전환기 작동유 청정장치 개념도 120
그림 3-7-8. 유압식 선로전환기 작동유 히팅장치 개념도 120
그림 3-8-1. 첨단부 쇄정실린더 작동유 주입 121
그림 3-8-2. 외측쇄정튜브 해정 및 내측 쇄정튜브 록킹 121
그림 3-8-3. 쇄정로드 및 내측 쇄정튜브 이동 122
그림 3-8-4. 텅밀착부가 기본레일에 접촉된 상태 122
그림 3-8-5. 외측 쇄정튜브가 쇄정된 상태 122
그림 3-8-6. 첨단부 선단 쇄정실린더 모델링 123
그림 3-8-7. 첨단부 선단 쇄정실린더 단면도 123
그림 3-8-8. 피스톤 로드 단면도 123
그림 3-8-9. 피스톤 로드 내부의 릴리프 밸브 단면도 124
그림 3-8-10. 피스톤 로드 내부의 토핑 밸브 단면도 124
그림 3-8-11. 압력조절 밸브 단면도 124
그림 3-8-12. 압력조절밸브의 유압 회로도 125
그림 3-8-13. 텅밀착부 단면도 125
그림 3-8-14. 쇄정로드, 쇄정튜브, 쇄정피스의 모양 126
그림 3-8-15. 크로싱부 쇄정실린더 작동유 주입 126
그림 3-8-16. 외측 쇄정튜브 해정 및 내측 쇄정튜브 로킹 상태 126
그림 3-8-17. 외측 쇄정튜브가 쇄정된 상태 127
그림 3-8-18. 크로싱부 선단 쇄정실린더 모델링 127
그림 3-8-19. 크로싱부 쇄정실린더 단면도 127
그림 3-8-20. 피스톤 로드 단면도 128
그림 3-8-21. 쇄정스위치부 128
그림 3-8-22. 쇄정상태 표시부 129
그림 3-8-23. 쇄정로드, 쇄정피스, 쇄정튜브의 모양 129
그림 3-8-24. 첨단부 쇄정실린더 성능시험기 모습 132
그림 3-8-25. 첨단부 쇄정실린더 성능시험기에 장착된 센서 132
그림 3-8-26. 크로싱부 쇄정실린더 성능시험기 모습 132
그림 3-8-27. 크로싱부 쇄정실린더 성능시험기에 장착된 센서 132
그림 3-8-28. 첨단부 쇄정실린더 우측 쇄정력 평가 결과(예) 133
그림 3-8-29. 첨단부 쇄정실린더 좌측 쇄정력 평가 결과(예) 134
그림 3-8-30. 첨단부 쇄정실린더 작동압력시험 결과(예) 135
그림 3-8-31. 크로싱부 쇄정실린더 작동압력시험 결과(예) 136
그림 3-8-32. 진동내구시험 준비_백색페인트도포(좌), 진동내구시험기조립(우) 136
그림 3-8-33. 첨단부 쇄정실린더가 진동내구시험기에 조립된 모습 137
그림 3-8-34. 크로싱부 쇄정실린더가 진동내구시험기에 조립된 모습 137
그림 3-8-35. 온도처리를 위한 환경챔버의 쇄정실린더 모습 138
그림 3-8-36. 첨단부 쇄정실린더 온도처리후 쇄정력을 시험하는 모습 138
그림 3-8-37. 크로싱부 쇄정실린더 온도처리후 쇄정력을 시험하는 모습 138
그림 3-8-38. 크로싱부 쇄정실린더 방수내구시험하는 모습 139
그림 3-8-39. 첨단부 쇄정실린더 방수내구시험하는 모습 139
그림 3-8-40. 첨단부 및 크로싱부 쇄정실린더 작동내구시험하는 모습 139
그림 3-8-41. 쇄정실린더 작동내구시험 중인 제어계측기의 모습 140
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