선로전환부 청결을 위한 자동 분사형 윤활시스템 개발에 관한 연구

A Study on the Development and Application of an Automatic Injection Type Lubrication System for the Cleaning of the Line Switching Part

Abstract

In this study, an automatic spraying lubrication system was developed to maintain the cleanliness of the switchgear when detecting the movement of the track through the switchgear. To develop this system, an air tank, valve block, and spray nozzle were designed, and the safety was secured through the pressure test of the prototype after designing the air tank. Furthermore, the environmental aspect was considered by minimizing the use of lubricant by enabling the mixing of air and lubricant through the production of a valve using the Venturi principle. The performance evaluation was conducted by implementing (producing) the injection system, and the product developed in this study was deemed installable in actual switchgear. It is expected that the proposed system will enable the maintenance of the cleanliness of the track during switching and reduce faults and malfunctions caused by switchgear defects.

1. 서 론

'선로전환기'는 열차의 진로를 바꾸기 위한 궤도 의 방향전환 장치로 철도시스템 가운데 운전상 가 장 위험한 설비 가운데 하나이며, 선로전환기 결 함은 Fig. 1과 같이 심각한 열차탈선 사고로 이어 질 위험성이 매우 높다[4].

Fig. 1 Iljik tunnel derailment accident

현재 우리나라의 선로 전환기의 윤활은 선로작 업자가 현장을 다니며 윤활유를 분사하고 있는 실 정이며, 점검 도중 손가락이 협착되거나 불량 점 검으로 인한 철도 탈선 등의 큰 사고로 이어지고 있다.

본 연구에서는 선로 전환기를 통한 선로의 움 직임을 감지하여 윤활제를 가압 분사해 주는 시스 템을 개발하고 이를 통해 생명과 직결된 안전관리 방법을 도모하고자 한다.

2. 기술개발의 필요성

1977년 1월 경부선 대구역에서 보수작업 부주 의로 선로전환기가 오작동하며 기관차 1량과 객차 10량이 탈선한 것을 시작으로 1989년 7월 경전선 하동역에서 선로전환기 조정불량으로 기관차와 화 차가 탈선했다.

1990년대 들어서도 1990년 1월 경부선 노량진 역에서 선로전환기가 운행도중 전환되며 객차 2량 이 탈선, 사상자가 발생했으며, 1998년 11월 중앙 선 창교 신호장에서도 선로전환기 제어회로 고장 으로 객차 5량이 궤도를 이탈했다.  2018년 12월 8일 KTX 강릉선 열차 탈선을 비 롯해 한국철도공사(코레일)가 운영하는 구간에서 사고가 속출하면서 철도 안전에 대한 우려가 높아 지고 있다. 2015년부터 올해 2018년까지 종착역 기준 16 분 이상 지연된 열차는 6,844건(총 지연시간 2,757시간)으로 조사됐다[4,5].

하루에 5건 이상 열차 운행이 지연되고 있는 셈이고, 특히 지난해 발생한 열차 지연 건수는 2,850건으로 2016년 1,364건 대비 2배 이상 증 가했다. 철저한 관제 시스템을 바탕으로 모든 운 영 체계가 톱니바퀴처럼 맞물려 움직이는 철도 분 야의 특성을 감안하면 연이은 사고는 안전 관리 시스템에 심각한 구멍이 뚫렸다는 방증이라는 지 적이 나오고 있다.

현재 국토교통부에서 스마트한 선로 전환 유지 보수를 위해 선로전환기 밀착상태 검측시스템 개발 을 진행하고 있으나, 이 장치는 검측차에 탑재하여 운행 중 선로전환기의 밀착 상태를 측정할 수 있 는 시스템으로 윤활과 유지 보수 시 한계가 있다. 따라서, 선로 전환기의 움직임을 감지하여 자동으 로 윤활 해주는 장치의 개발 적용이 필요하다.

3. 선로 전환기 설치 현황 및 원리

선로전환기는 기존 레일에 밀착하는 텅레일과 가동형 노스를 정위에서 반위, 반위에서 정위로 전환하기 위해 필요한 전환력을 공급하는 장치로 전기식, 유압식, 공압식이 있다[1].

Fig. 2 Electric line switcher

Fig. 3 NS and NS-AM type line switcher

Fig. 4 MJ-81 type line switcher

Fig. 5 Hydrostar type line switcher

Fig. 6 Line switching configuration

국내에서는 대부분 Fig. 2와 같은 전기식을 주 로 사용하고 있고 전기식은 도시철도, 일반철도에 서는 Fig. 3과 같이 NS 및 NS-AM형 선로전환기 와 Fig. 4와 같이 경부고속선의 MJ-81형 선로전 환기를 국내 철도에 설치된 대부분의 분기기에 사 용하고 있다[2,3].

경부고속선 2단계 동대구-부산간에 설치된 Fig. 5의 하이드로스타 선로전환기는 유압식으로써 2010년부터 운영 중에 있다.  철도의 선로를 전환하기 위해서는 Fig. 6과 같 이 포인트부, 리드부, 크로싱부의 구간을 통과하면 서 구획된 구간으로 철도가 이동하게 된다.

포인트부는 열차의 주행 방향을 결정하는 텅레일 이 있는 부위로, 텅레일을 움직이는 것에 의해 기준 선 측 혹은 분기선 측으로 열차 주행 방향이 형성된 다. 열차 주행 방향 구성에 있어서, 직선에 가까워 고 속으로 주행 할 수 있는 쪽을 기준선 측이라 부른다.

리드부는 포인트부 후단에서 크로싱부 전단에 이르는 곡선 구간, 크로싱부는 기준선과 분기기 내측 레일이 교차하는 개소를 가리킨다.

4. 선로 전환기 장애 원인

선로 전환은 기존 레일과 텅레일의 정밀한 밀 착상태을 유지해야 하는데 각종 장애 특히 이물질 끼임으로 인한 장애가 선로변환기 장애의 40%에 해당하고, 장애로 유도된 2차, 3차 장애(모터 소 손, 컨트롤러 과열)가 나머지 30%을 해당하여 전 체 70%를 상회하고 있다[5].  Fig. 7의 선로 전환 스위칭 플레이트를 구조에 서 텅레일 구동 플레이는 포인트부에서 시작하여 좌측 및 우측에 10∼20여개의 플레이트가 있으머, 선로 변경 시 청결상태를 유지하기 위한 개선 대 책이 필요하다.

Fig. 7 Line diverting switching plate

5. 자동분사형 윤활 시스템 설계

본 연구에서는 Fig. 8과 같이 벤츄리 효과를 이 용하여 농도 및 유량을 제어할 수 있도록 설계하 였으며[6], 선로의 움직임을 인디케이터 핀에 의해 감지 후 전자 솔레노이브밸브 제어에 의해 스위칭 플레이트에 윤활제를 가압 분사해주는 시스템을 Fig. 9와 같이 개발하였다.

Fig. 8 Lubricant mixing using the venturi effect

Fig. 9 Automatic injection type lubrication system design

5.1 에어텡크 설계

Fig. 10과 같이 최대 10bar까지 내압을 견딜 수 있도록 에어탱크(압력실)을 설계하였으며, Fig. 11은 개발한 에어탱크 모듈을 나타낸 것이다.

Fig. 10 Air tank design

Fig. 11 Air tank

5.2 밸브블럭 설계

벤츄리관의 원리를 이용하여 독립적 또는 조합 을 통해 다양한 유량 조절이 가능하도록 Fig. 13 과 같이 밸브블럭을 설계하였으며, Fig. 12은 자 체개발한 밸브블럭을 나타낸 것이다.

Fig. 12 Valve block

Fig. 13 Exploded view of valve block

6. 자동 분사형 윤활 시스템 성능평가

자동분사형 윤활 시스템 성능평가를 위한 차압 (differential pressure)을 이용한 분사 시험을 수행 하였으며 입자크기, 내압성, 공급 유량을 에어로졸 스펙트로미터(aerosol spectrometer Model 1.108, Grimm, Germany)로 측정하였다. 총 5개의 시료를 사용하였으며, 시료의 공급은 평균입자 크기 및 입 주 분포에 따른 입자크기별 질량을 측정하여 공급 하였으며, 등속흡인샘플러(isokinetic sampler)를 통 해 등속흡인 상황을 측정하였다. 측정결과는 입자크 기별 계수 및 분포를 측정데이터로 사용하였다. Fig. 14는 스펙트로미터와 등속흡인샘플러를 장착하 여 구성한 시료분사장치(aerosol sprayer)이다[6,7].

Fig. 14 Sample dispensing device

6.1 시료입자 특성

시료는 환경 친화적이고, 우리나라의 기후의 특 성을 고려하여 선정하였으며, 베어링 등 윤활 장 비에 사용 가능한 CONDAT BIO SP Evo를 사용 하였다. 시료입자의 특성은 Table 1과 같다.

Table 1. Characteristics of sample particles

6.2 시료입자 측정 결과

에어탱크의 경우 주입압력은 6bar에서 시험하 였으며, Table 2과 같이 시료의 평균입자 크기는 평균 0.5um를 유지하였다. 입주분포량은 약 90% 를 유지하는 상태에서 입자크기별 계수 및 분포를 측정하였으며, 결과는 Fig. 15와 Fig. 16과 같다.

Table 2. Sample particle measurement results

Fig. 15 Mass by particle size(㎛/m2)

Fig. 16 Particle size and number of particles

6.3 내압성 시험결과

에어탱크의 안전성 확보를 위해 내압성 시험을 수행였으며, 내압성 시험결과 내압상승에 의한 외 부 누유 및 누기는 발견되지 않았다.

Table 3는 내압성 시험결과이며, 9.5bar 까지 증 압하여 육안으로 검사한 결과 상태는 양호하였다.

Table 3. Pressure resistance test results

6.4 분사 테스트 결과

개발된 윤활시스템을 사용하여 선로전환부에 Fig. 17과 같이 분사하였으며, 분사 시 기술적 특 성은 Table 4와 같다, Fig. 18은 선로변경 후 플 레이트를 확인한 결과이며 육안으로도 청결도가 개선 되었음을 확인하였다.

Table 4. Technical characteristics

Fig. 17 Injection of line switching part

Fig. 18 Injection results

7. 자동 분사형 윤활 시스템 구현

7.1 분사노즐 설계

Fig. 19는 선로 변경 시 청결을 유지하기 위한 노 즐설치 포인트를 나타낸 것이며, 분사테스트 결과를 바탕으로 이물질을 효과적으로 제거하기 위하여 각 포인트 별로 3개소의 분사노즐을 배치하였다.

Fig. 19 Spray nozzle installation position

7.2 분사시스템 구현

Fig. 20은 자동분사형 윤활 시스템과 분사노즐 설치가 완료된 선로 전환 스위칭 플레이트를 일부 구현하였다.

Fig. 20 Injection system implementation

8. 결 론

본 연구에서는 선로 전환기를 통한 선로의 움 직임을 감지 시 선로 전환부의 청결을 유지하기위 한 자동 분사형 윤활 시스템을 개발하였다.

개발을 위해 에어탱크 및 밸브블럭, 분사노즐을 설계 및 구현 하였으며, 개발된 에어탱크와 밸브 블럭을 적용하여 성능평가를 실험하였고 그 결과 를 정리하면 다음과 같다.

(1) 에어탱크 설계 및 시제품의 내압성 시험을 통해 안전성을 확보하였으며, 실제 선로 청 결테스트를 위해 분사한 결과 청결도가 향 상되는 것을 확인하였다.

(2) 벤츄리 원리를 이용한 밸브 제작을 통해에 어와 윤활제의 혼합을 가능하게 함으로써 윤활제의 사용을 최소화 하였다.

(3) 시제품을 제작하여 성능평가를 진행한 결과 본 연구에 의해 개발된 제품이 실제 선로전 환기에 설치 가능한 것으로 판단되었다.

(4) 제안된 시스템을 통해 선로 전환 시 선로의 청결상태 유지가 가능하며, 선로전환 결함 및 고장으로 인한 장애가 감소할 것으로 예 상된다.