2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S256

국산 고속분기기용 텅레일 개발을 위한 차륜 접촉성에 관한 연구

A study on the tongue rail profile for the high speed turnout

정요운*, 박광련*, 윤병현*, 황광하†

Yo-Un Jung*, Kwang-Ryoun Park*, Byung-Hyun Yun, Kwang-Ha Hwang†

Abstract Switch rail is classed as the weakest part in a railway turnout due to wide range of sectional shape change and tremendous lateral force from divergence of locomotives. "In domestic market, 70S switch rail is widely used for national railway turnout and UIC60B & UIC60D switch rail are used for high speed railway turnout. In addition in international market, nations use their own rail profile which is developed to fit into the railway state. " This study report contains the consideration of contact analysis between the switch rails using in domestic market and the locomotives including KTX. In addition to accomplish the development of optimum switch rail section for the both domestic market and international market with technology competitiveness by the analysis of vertical stiffness for each location, machinability of forging area, material analysis and the dynamical contact between switch rail and stock rail. Keywords : Tongue rail, wheel rail contact, turnout, high speed rail way

초 록 철도용 분기기에서 텅레일은 선형 형성 및 원활한 전환을 위해 레일 상ㆍ하면 가공량이 많아

단면변화가 심하고, 분기시의 횡압력이 크게 발생하여 분기기 구성요소 중에서 안전성이 가장 취약한

구성품으로 분류된다. 국내에서 사용되는 텅레일은 국철용 70S와 고속철도용 UIC60B, UIC60D레일이 주

로 사용되고 있으며, 해외의 경우는 자국의 실정에 맞도록 텅레일을 개발하여 사용하고 있다.

본 연구에서는 국내 텅레일과 KTX 및 국철 차륜과의 접촉성 분석을 통해 텅레일별 특징을 고찰하였다.

또한 위치별 수직강성, 단조부 가공성, 소재분석, 동역학적 접촉성 등을 최신 기법을 통해 종합적으로

분석하여 국내외적으로 기술경쟁력이 있는 국산 최적 텅레일 개발을 수행하였다.

주요어 : 텅레일, 차륜레일접촉, 고속철도용 분기기, 동역학 해석

1. 서 론

철도 차량의 방향을 전환시키는 궤도장치인 분기기(turnout)는 차륜의 방향을 전환하기 위하여 포인

트부에는 텅레일, 크로싱부에는 노스레일이 좌측 또는 우측으로 밴딩되면서 기본레일과 밀착함으로써

선형을 유지하고 주행로를 확보하는 가동형 구조를 가진다. 그러므로 기본레일, 주레일과 달리 체결장

치로 고정할 수 없는 시스템적인 불안전성을 가지게 된다. 또한, 차륜이 레일을 바꿔타는 가변 구간으

로써 입사시 충격력이 크고, 단면 변화에 기인한 윤중과 응력 변화, 횡압에 인한 마모, 플로우, 쪽떨어

짐이 발생하기도한다. 따라서, 텅레일(노스레일)은 설계, 제작뿐만 아니라 현장에서 유지보수 관리가

가장 중요한 구성품이라고 할 수 있다.

†교신저자 : 삼표이앤씨㈜ 기술연구소 * 삼표이앤씨㈜ 기술연구소

텅레일은 특수레일로 분류되는데 국철 및 지하철에는 70S, 고속철도에는 UIC60B(고속2단계)와 UIC60D

(고속1단계)가 사용되고 있다. 고속분기기용 텅레일의 소요량은 고속1단계에 약 600톤, 호남고속철도

에 약 250톤으로 주로 프로젝트성 물량외에 수요가 매우 적어 전량 수입에 의존하고 있다. 이로 인하여

텅레일 소재의 공급권을 가진 수출국에서는 이를 이용하여 자국의 이익이나 국제 경쟁에서 기술적 우위

를 점하려는 자원무기화 경향이 나타나고 있다. 철도는 대중 교통수단이자 국가 기간시설로써 긴급복구

와 원활한 부품 공급 체계를 확보하고, 고속철도차량 개발 세계 4위의 기술력에 걸맞는 궤도기술의 확

보를 위하여 고속분기기 주요 자재의 완전국산화를 위한 텅레일의 국산화가 매우 시급한 실정이다. 따

라서, 본 과제를 통하여 국제적 수준의 우수한 텅레일 프로파일 설계와 국산화를 목표로 하고 있다. 본

과제의 1차년도 연구를 통하여 국내 고속철도에 사용되는 텅레일의 소재 분석과 KTX차륜과 텅레일의 접

촉성에 관한 기초 연구를 수행하였다.

2. 텅레일 프로파일 및 소재 분석

2.1 형상 분석

국내 고속 철도용 텅레일로는 UIC60B와 UIC60D가 사용되고 있으며, 일본을 제외한 대부분의 국가에서

분기기용으로 활용되는 대표적인 텅레일이다. 텅레일 첨단은 Fig.1에서 보는 바와 같이 두부가 제거되

어 끝이 매우 날까롭게 가공되므로 수직 궤도 강성은 원래 강성의 60%수준까지 낮아지므로 레일의 두부

, 복부, 저부의 볼륨 설계는 매우 중요한 설계 팩터라고 할 수 있다.

Fig. 1 Tongue rail shape and high speed movable crossing

Table. 1 specifications of high speed turnout

사양 분기각 텅레일길이 L(turnout Length)

A(front length)

B(rear length)

R(radius of curve)

F8 7˚9'10"L=9500(초기부설)L=9580(유지보수)

26,314 12,144 14,170 165,100mm

F10 5˚43'29"L=10580(초기부설)L=10500(유지보수)

32,395 14,655 17,740 258,600

F12 4˚46'19"L=12558(초기부설)L=12478(유지보수)

38,618 17,363 21,255 373,000

F15 3˚49'06"L=13300(초기부설)L=13220(유지보수)

51,256 21,249 30,007 539,000

F18.5 3˚05'38.61"L=23970(초기부설)L=24050(유지보수)

67,973 32,774 35,199 1,200,718

F26 2˚07'58.60"L=33570(초기부설)L=33650(유지보수)

91,953 45,412 46,541 2,500,718

F46 1˚18'46.07"L=41370(초기부설)L=41450(유지보수)

154,224 45,105 109,119 3,550,000

Table. 2 Tongue rail section drawings

2.2 소재 분석

분기기에 사용되는 특수레일 형상과 소재는“EN 13674-2 Railway applications —Track — Rail —Part

2: Switch and crossing rails used in conjunction with Vignole railway rails 46 kg/m and above”

규정에 상세히 기록되어 있다. 국철용 70s는 이 규격과 정확히 일치하지 않으나 R320Cr에 부합하며, 고

속1단계 및 호남고속분기기용 텅레일 UIC60D는 R260 등급, 고속 2단계 분기기용 텅레일 UIC60B는

R350HT등급으로 분류할 수 있다. 현재 UIC60D는 비열처리로 사용되고 있는 반면 UIC60B는 열처리된 텅

레일을 사용하고 있다. 도상이 안정적인 콘크리트궤도에 비하여 자갈도상의 경우는 사용 환경이 가혹하

기 때문에 연신율이 높아 레일파단에 비교적 더 안전한 비열처리 텅레일을 사용하고 있으나 금번 국산

텅레일은 다양한 활용도를 가질 수 있도록 소재 변경을 검토하였다.

Table. 3 chemical & mechanical properties of tongue rail

Steelgrade

EN 13674-2 Railway applications Track Part 2: Switch and crossing rails .% by mass (EN 13146)

Tensile strength

Rail type

Steelname

C Si Mn P max S max Cr Mpa

R260Mn 0.53/0.77 0.13/0.62 1.25/1.75 0.030 0.030 0.15max 880

R260Cr 0.40/0.60 0.20/0.45 1.20/1.60 0.030 0.030 0.40/0.65 880

R320Cr 0.58/0.82 0.48/1.12 0.75/1.25 0.025 0.030 0.75/1.25 1080 70S

R260 0.60/0.82 0.13/0.60 0.65/1.25 0.030 0.030 0.15max 88060kg,

UIC60DUIC60

R350HT 0.70/0.82 0.13/0.60 0.65/1.25 0.025 0.030 0.15max 1175 UIC60B

R350LHT 0.7/0.82 0.13/0.60 0.65/1.25 0.025 0.030 0.30max 1175 60kgK

3. 텅레일 프로파일 제안

3.1 차륜과의 접촉성

국산화용 텅레일 프로파일을 제안하였다. 국가별 다양한 텅레일 조사와 접촉성을 분석하였으며, 레일

기울기와 KTX힐간의 접촉성, 가공성등을 고려하였다. 차륜내면간 거리가 가장 크고 궤간 축소시 발생할

수 있는 2점 접촉을 Hertz contact조건을 적용하여 접촉응력 구조해석을 수행하였으며 그 결과를 아래

table4에 나타내었다. 결과 그림에서 보는 바와 같이 신규 프로파일의 경우는 텅레일의 중앙에서 차륜

접촉이 발생하며 궤간선에 횡압이 작게 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 응력이 좌우 균일하게 분포하

며 접촉점을 제외한 전 영역에 낮게 분포하는 우수성 특징을 보이고 있다. 반면, 기존 UIC60D의 경우는

중앙에서 약 13mm외측에서 접촉이 이뤄지고 있으며, 접촉점이 넓어 응력이 개발단면보다 낮은 2,300MPa

정도로 나타났으나 복부와 저부에 비대칭의 고응력이 분포하고 있음을 알 수 있다. 향후 지속적인 연구

를 통하여 동역학해석과 접촉응력 최적화 방안을 도출코자 한다.

Table. 4 Contact stress analysis results

구 분 UIC60D NEW Profile

KTX차륜과 텅레일

접촉성 모델링

3.2 단조 및 가공성

텅레일 후단은 리드레일, 노스레일은 일반레일과 용접할 수 있도록 단면을 변화시키는 단조(Forge)공

정이 반드시 필요하다. 단면 성형에서 가장 중요한 단위 길이당 부피는 수월한 작업성을 유지하도록 복

부를 대칭화하고 두부폭을 일반레일과 동등하게 설계하였다.

4. 결 론

텅레일은 분기기 국산화를 위하여 개발이 가장 시급한 소재로써 이의 국산화를 위해 최적 단면 설계

를 수행중에 있다. 국내에 사용되는 고속철도용 텅레일은 UIC60B와 UIC60D가 있으며 이들은 전량 수입

에 의존하고 있는 실정이다. 텅레일은 원활한 차량방향 전환을 위해 첨단을 매우 날카롭게 가공하기 때

문에 수직강성이 원형대비 60%수준으로 낮아지므로 차륜과 접촉하는 두부상면 설계와 더불어 저부와 복

부의 설계 또한 매우 중요한 설계인자이다. 금번 개발되는 텅레일은 기존 텅레일과의 호환성을 유지하

면서도 차량과의 접촉성과 제작성을 고려하여 저부 비대칭, 복부대칭, 두부 대칭형 구조이며 접촉면 전

영역에서 다양한 크기의 곡율로 설계하였다. 접촉면 해석결과 개발품은 정중앙에서 접촉이 발생하며 접

촉점에 미소하게 고응력(2,000MPa이상)이 발생하고 있으나, 두부와 복부에 좌우 대칭의 고른 응력 분포

를 보이고 있으며, 저부에 발생하는 평균 응력은 기존 레일보다 낮은 것으로 나타나 텅레일의 내구성과

마모성 측면에서 기존 텅레일보다 우수한 것을 확인할 수 있다.

후 기

본 연구는 국토교통부 산하 국토교통과학기술진흥원의 “고속철도용 분기기 국산화 및

성능개량 기술 개발”의 1 차년도 연구과제로 수행되었으며, 관련자 분들에게 감사 드립니다.

참고문헌

[참고문헌]

[1] R. Farabet(2000), " Rail/Wheel compatibility", SNCF-I interoffice memoranda TB00/08/03

[2] EN rules (2006) EN 13674-2 Railway applications — Track — Rail —Part 2: Switch and crossing rails

used in conjunction with Vignole railway rails 46 kg/m and above

[3] 김청균(2004) 레일-휠의 접촉면 경사도에 따른 응력-변위량의 거동 특성에 과한 연구, 한국철

도학회 논문집 제7권 제3호, pp.186-192

[4] Roya Sadat Ashofteh (2014) Stress analysis in the elastic-plastic analysis of railway wheels, IJR, Vol.7,

pp1-7