R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201919RTRP-B113566-04 | |||||
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| 연구사업명 | 철도기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 선제적 장애예방 및 유지보수 효율화를 위한 궤도 상태평가 시스템 및 유지보수 기술개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-04-29 ~ 2020-09-30 | |||||
| 연구책임자 | 권세곤 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
16명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
44명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 4,031,000,000 원 기업 : 1,260,858,000 원 계 : 5,291,858,000 원 |
총연구비 | 정부 : 14,971,000,000 원 기업 : 4,718,190,000 원 계 : 19,689,190,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국철도공사 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
연구개발의 필요성 □ 추진배경 가. 레일결함탐상 및 상태평가 기술 ？ 레일은 차량과 궤도를 연결하는 가장 중요한 인터페이스로써 레일품질관리는 열차안전운행에 중요한 사안이다. 차량의 반복운행과 통과톤수 증가로 레일에 변형이 발생하는데 사전점검과 예방보수를 통해 안전사고에 대비하고 있으나, 최근 철도 운송 수요 증대로 인한 철도 총연장 길이의 증가와 철도의 고속화로 궤도 (레일, 침목, 도상, 체결구 등) 성능평가 기법 및 궤도강성 검측장비 개발 필요성이 증가하고 있다. ？ 철도 레일에 발생한 결함은 열차 통과 시의 부하 등으로 인해 계속 진전하여 사전에 발견하여 적절한 조처를 취하지 않으면 레일절손 등으로 이어지게 되며, 이는 철도 탈선사고를 야기하여 철도 안전을 심각하게 저해하게 된다. 국내의 경우 레일절손으로 인한 대형 철도사고가 다행히 발생되지 않았지만, 국외의 경우 2000년 이후 레일 결함으로 인해 중대한 철도사고가 발생된 사례가 있다. [Hatfield 탈선사고(좌측) 및 Painsville 탈선사고(우측)] ？ 미국의 통계 자료에 의하면 1975년-2006년 사이에 궤도의 제반 결함에 의해 발생한 열차탈선사고의 원인 중 레일 자체의 결함에 의한 사고는 27%를 차지한다. 발견된 결함의 55%는 횡방향 결함(transverse defect), 용접결함, 레일 두부(head) 수직 결함이며 이 중 75%가 레일 파손으로 연관된다. 또한 ‘98-’08년 사이에 미국에서 두부 결함, 열개(fissure) 등의 레일 결함으로 인해 발생한 크고 작은 탈선사고는 1200 여건에 달하며 이로 인한 직접적인 누적 피해 금액은 297 백만 달러(한화 환산 시 3600 백억원)에 이른다는 통계가 있다. ？ 따라서 국내 철도운영기관에서도 레일절손에 따른 중대사고에 대한 선제적 선로장애 예방을 위하여 레일 결함탐상 검측 기술에 대한 요구가 매년 증가하고 있으며, 각 철도운영기관의 요구에 탄력적으로 대응할 수 있는 맞춤형 레일탐상 검측시스템 제공이 가능하도록 검측시스템 개발에 관한 독자적 기술 확보를 필요로 하고 있다. 또한 탐상장비 노후(초음파 탐상 한계, 수입의존 등)에 따른 레일결함 관리 문제(예방보수 지연, 결함진전 예측 불가 등) 해소를 통한 예방보수시스템 구축을 위하여 레일탐상 핵심기술 국산화 기술 확보가 절실히 요구되고 있다. 나. 콘크리트궤도 노반결함 급속 보강/복원 및 도상/노반결함 상태평가 기술 ？ 2010년 개통한 경부고속철도 2단계 구간에 본격적으로 적용된 콘크리트궤도는 초기건설비용은 크지만 유지보수비용이 작아 선로의 생애주기적인 관점에서 경제성이 확보되는 궤도형식이지만, 노반 침하 등의 결함이 발생하면 복구에 막대한 비용이 발생하고 있다. ？ 국내 노반구축기술의 미흡, 기반시설의 조기 개통을 요구하는 사회적 여건 등으로 인해 현재까지 건설된 콘크리트궤도에 침하, 균열 등 결함이 발생하고 있으며 국민 안전과 유지보수의 신뢰성 확보, 운행 안정성 및 승차감의 유지를 위해서는 콘크리트궤도의 결함을 조기에 검지하고, 이를 근본적으로 보강할 수 있는 선제적 유지 관리 기술 도입 필요하다. ？ 따라서, 국내 콘크리트궤도의 결함발생 원인을 파악하고, 열차 운행 중에 도상/노반의 상태를 신속히 평가하여 필요시 급속하게 보강/복원 할 수 있는 공법 개발 요구되고 있으며, 최신 기술을 적용하여 콘크리트궤도에 발생한 균열과 침하를 정밀검지하고, 자동화하여 평가하는 기술과 이를 통합하여 관리할 수 있는 유지관리 시스템 개발, 발생된 결함에 대하여 콘크리트궤도 선로와 철도노반 특성에 적합한 보강 장비 및 재료를 개발하여 열차운행 차단을 최소화하여 급속하게 적용이 가능한 급속 보강/복원 공법의 개발이 필요하다. [최종목표] 연구개발 목표 □ 1세부 : 레일결함 탐상 검측시스템 개발 ？ 독립측정형 검사속도 : 2km/h 이상 ？ 초음파 모듈 : 표면하부 결함 크기 2 mm 이상 검출 ？ 와전류 모듈 : 표면결함 크기 3 mm 이상 검출 ？ 차량탑재형 검사속도 : 60km/h ？ 초음파 모듈 : 표면하부 결함 크기 2 mm 이상 검출 ？ 레일탐상 및 콘크리트도상 균열검측 시스템 통합 운영 S/W 개발 ？ 검측 시스템 시운전시험 및 차량개조 설계 및 개조 ？ 레일결함 검측시스템 성능평가 기준 및 절차개발 □ 2세부 : 콘크리트궤도 도상/노반결함 상태평가 시스템개발 ？ 콘크리트 도상 미세균열 자동화검측 장비 및 평가시스템 개발 - 해상도 : 0.22mm x 0.3 mm - 검측속도 : 80km/h 속도에서 0.3mm폭 균열 검지 - 화각 : 검측범위 2700mm, 요구 데이터 처리속도 : 1240MB/s, 취득속도 : 75KHz 이상 - 균열측정 정확도 : 85% (국외 최고수준 80%) ？ 콘크리트궤도 침하 및 노반 상태평가 시스템 개발 - 침하측정 능력 : (1.0mm) □ 3세부 : 레일결함탐상 및 콘크리트도상 균열검측을 위한 궤도점검차 개발 ？ 레일결함 탐상 및 콘크리트도상 균열검측시스템 모듈을 탑재하여 최고운행속도 120km/h, 콘크리트도상 균열검측 최고속도 80km/h, 레일결함 탐상 최고속도 60km/h로 고속/일반/도시철도를 운행 가능한 궤도점검차 개발 ？ 레일결함 탐상모듈을 탑재 가능한 탐상트로리 개발 ？ 동력시스템 및 대차시스템 개발 ？ 궤도점검차 성능검증용 테스트 베드 시운전지원 및 성능검증 ？ 모달 테스팅을 이용한 유한요소해석에 의한 진동해석 및 진동측정 평가 ？ 운용 및 유지보수 매뉴얼 개발 □ 4세부 : 레일결함 진전 예측 모델 및 유지관리기준 개발 ？ 레일결함(headcheck, squats, internal crack) 진전예측 모델 개발 ？ 레일결함 상태평가 및 관리를 위한 레일결함 유지관리기준(안) 개발 (레일결함유형별 크기, 깊이 또는 결함면적에 따른 조치방법 제시-선로유지관리지침 제21조 및 별표 8 개정(안) 제시) □ 5세부 : 콘크리트궤도 노반결함 급속보강/복원 기술개발 ？ 콘크리트궤도 노반 침하원인 평가 및 공법 개발사양 결정 ？ 콘크리트궤도 노반 급속보강 가능한 보강재료 및 시공장비 개발 - 보강재료 강도 : 0.5 MPa/4hr 이상 - 현탁액형 재료의 침투성능 : 50cps 이하 - 약액형 재료의 침투가능 지반 투수계수 : 1×10-4cm/sec - 노반천공 성능 : 8m/min 이상 - 재료 주입성능 : 10L/min 이상 - 동시주입 재료 : 2종류 ？ 콘크리트궤도 복원/보강 연계 시공기술개발 □ 6세부 : 장대레일 종방향 레일축력 측정장치 개발 ？ 레일축력, 레일온도 측정 검측 장치 개발 ？ 레일 축력 및 온도 하이브리드 측정 검측 시스템 개발 [연구내용 및 범위] 연구개발 주요내용 □ 1세부 : 레일결함 탐상 검측시스템 개발 ？ 표면직하부 및 내부 레일결함 검측장비(모듈) 개발 ？ 레일결함 비파괴 검측 기술 조사？분석 ？ 목표성능 도출 및 사양 설정 ？ 차량탑재형(초음파), 독립측정형(초음파, 와전류) 레일결함 탐상장비(모듈) 개발 ？ 레일결함 탐상 장비 성능검증 및 현장적용성 평가 ？ 레일탐상 및 콘크리트도상 균열검측 시스템 통합 운영 S/W 개발 ？ 장비 운용 및 유지보수 매뉴얼 개발 □ 2세부 : 콘크리트궤도 도상/노반결함 상태평가 시스템개발 ？ 고속운행 중 콘크리트도상의 TCL층 미세균열 감지 및 자동화평가 검측시스템 개발 ？ 도상 균열 검지를 위하여 0.22mm의 횡방향 분해능을 가지는 고정밀 이미지 취득 ？ 타코메타, GPS데이터, 전주인식장치를 연동한 측정 위치보정 ？ 6종류의 이미지 프로세싱 시스템을 적용하여 콘크리트 도상 균열검지에 적합한 최적기법을 구현 ？ 콘크리트궤도 하부 상태평가를 위한 정밀 층별침하 측정시스템(MDD, Multi depth deflectometer) 개발 ？ 비파괴시험법(WAK/Impact E)을 적용한 콘크리트 궤도 하부지반 강성평가 시스템 개발 ？ 콘크리트궤도 검측결과 DB 구축, 사용자 요구사항 기반 이상개소 지정 및 평가 알고리즘 개발 □ 3세부 : 레일결함탐상 및 콘크리트도상 균열검측을 위한 궤도점검차 개발 ？ 차량제작 요구사항 의견수렴 및 현장 유지보수 현황조사 - 궤도점검차량 관련 해외벤치마킹 모듈 적용사례 조사 - 차량개발에 필요한 현장의견 및 현재 애로사항/유지보수 현황 조사 - 차량제작에 필요한 각종 규격사항 조사 ？ 차량규격 및 사양 도출 (개념설계) - 차량시스템과 검측모듈간 인터페이스 분석 - 차량의 주요부품 사양 및 제원 확정 - 성능검증방안 수립 - 탐상트로리/동력장치/대차 시스템 개발 ？ 궤도점검차량의 유한요소를 이용한 진동해석 및 진동측정평가 - 유한요소해석을 이용한 최종 구조 설계 - 시제품에 대한 진동측정평가 및 현장성능검증 ？ 궤도점검차량의 설계 및 시제품 개발 - 차량 기본설계 및 상세설계 - 시험규격, 절차서 도출 -탐상트로리/동력시스템/대차시스템 및 차량 시제품 개발 * 차량제원 : 최고운행속도 120km/h, 콘크리트도상 균열검측 최고속도 80km/h, 레일결함 탐상 최고속도 60km/h * 운용대상 노선 : 일반, 고속, 도시철도 ？ 차량과 검측모듈간 인터페이스 및 성능검증 - 차량과 검측모듈간 인터페이스 검증 및 검측모듈에 대한 성능검증 - 궤도검측차량 현차시험 절차 지침 마련 ？ 성능검증 및 운영노선에 대한 현장 적용성 평가 - 철도안전법에 따른 형식승인 취득 - 운영노선 시운전을 통한 현장 적용성 평가 ？ 궤도점검차량 운용 및 유지보수 매뉴얼 개발 □ 4세부 : 레일결함 진전 예측 모델 및 유지관리기준 개발 ？ 국외 레일결함 관리기준 및 수립 배경 조사 ？ 레일결함 모사 실내피로시험 및 수치해석 ？ 레일결함 유형별 장기 모니터링 및 평가 ？ 레일탐상 검측모듈 기반 레일결함 유형별 현장계측 및 성능평가 ？ 레일결함 진전 예측모델 개발 및 검증 ？ 레일결함 유형별 표준화(CODE)기반 유지관리기준(안) 개발 □ 5세부 : 콘크리트궤도 노반결함 급속보강/복원 기술개발 ？ 경부고속철도 2단계구간, 호남고속철도 등 국내노반조건에 적용된 콘크리트궤도침하원인 분석을 토대로 한 최적화된 공법도출 ？ 장기적인 침하에 대하여 반복적으로 복원하는 방법이 아닌 성토체 및 원지반에대한 근본적 이고 경제적인 보강기술개발 ？ 기존에 개발된 복원공법과 보강공법이 효율적으로 연계된 경제적이고 합리적인보수기술개발 ？ 낮은 투수계수의 콘크리트궤도 노반에 대하여 침투성능이 향상된 재료개발 ？ 기존보강공법에 비해 노반천공수를 줄이고, 보강범위가 향상되며, 원지반, 상부노반, 하부 노반 등 침하원인에 따라 부분별 보강이 가능한 공법개발 ？ 기존 시멘트계 주입재로는 침투 불가능한 저투수성지반 침투가능 주입재료개발 ？ 보강위치 및 사용재료별 동시 주입이 가능한 노반보강 시스템 개발 □ 6세부 : 장대레일 종방향 레일축력 측정장치 개발 ？ 레일 축력/온도 측정 장비의 목표성능 및 사양 선정 ？ 레일 축력 및 온도 측정/평가 알고리즘 개발 ？ 레일축력 및 온도 측정 모듈 개발 ？ 레일축력 및 온도 하이브리드 측정 |
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| 색인어 | 한글 | 레일결함탐상 | 콘크리트궤도균열검측 | 궤도점검차 | 레일유지관리기준 | 레일축력 |
| 영문 | Rail-damage detection | Concrete track crack detection | Track inspection car | Rail maintenance criterion | Axial force of rail | |
| 최종보고서 | 최종보고서_연구단_20201203.pdf | |||||