KR101900615B1 - 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도궤도 기술에 관한 것으로서, 기존의 클립형 및 매립형 궤도와는 달리 관성댐퍼구조를 고안하여, 기능을 추가함으로써 진동·소음성능을 획기적으로 향상시킨 궤도구조이다. 그의 구성은; 콘크리트 슬래브의 양측 상부에 마련되는 레일홈통; 상기 레일홈통에 설치되는 레일; 상기 레일을 고정하기 위하여 상기 레일홈통에 채워지는 레일고정수지체; 상기 레일의 설치방향과 같은 방향을 따라 상기 레일고정수지체의 내부에 설치되는 것으로서 상기 수지보다 큰 비중을 갖는 관성댐퍼;를 포함함으로써; 상기 관성댐퍼가 차량에 의해 상기 레일 위에 가해지는 진동에 대한 댐퍼의 역할을 하게 되는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조

Description

관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조{Resin Rail Fastening Track System with Inertia Meta Damper}

본 발명은 철도궤도 기술에 관한 것으로서, 기존의 클립형 및 매립형 궤도와는 달리 관성댐퍼구조를 고안하여, 기능을 추가함으로써 진동·소음성능을 획기적으로 향상시킨 궤도구조이다.

본 발명은 기존 궤도구조의 진동·소음저감을 위해 추가적으로 소요되는 비용 없이 관성댐퍼 수지고정궤도구조(IMD_ERS, Inertia Meta Damper_Embedded Rail Track System)로 독립적으로 진동·소음저감목표를 달성하고, 이에 따른 궤도구조의 장기 내구성 및 안전성을 확보할 수 있는 친환경궤도구조에 관한 것으로서 경전철, 도시철도, 일반철도 및 고속철도의 수요지역에 레일형식에 관계없이 적용될 수 있다.

도심지 등 쾌적한 진동·소음이 요구되는 지역을 통과하는 열차로 인한 공해는 점차 증가되고 있으며 이에 대한 대비책이 필요하다. 철도레일의 진동·소음은 주로 열차의 동적 가진에 의한 상하진동으로 인해 발생되는 진동·소음의 발생이 주된 것으로 주로 레일 복부부분에 진동·소음차단을 위해 질량댐퍼 및 소음차단의 개념으로 웹댐퍼를 설치하여 고주파수 성분의 진동을 줄일 수 있었다. 하지만 웹댐퍼는 저주파수에 효과적이지 못하며 진동·소음차단을 위해 고성능의 재질을 사용하여야 하므로 고가로 투입비용 대비 진동·소음차단 성능이 제한적이고 효과적이지 못하다. 최근에는 복부에 충돌입자를 내장시킨후 레일 복부에 설치하여 충돌댐퍼의 형식으로 저주파대역에서 진동·소음차단을 시도하는 경우가 있었으나 이는 충돌입자의 제조 및 레일에 설치하는 작업이 번거롭고 비경제적이고 실제 차량주행시 입자의 충돌로 인한 입자의 파손 및 추가 진동·소음발생의 우려가 있다.

대한민국 특허출원 제10-2011-0020741호 대한민국 특허출원 제10-2014-0047422호 대한민국 특허출원 제10-2012-0122944호

상기와 같이 웹댐퍼는 레일복부에 특별히 고안된 댐퍼형식의 저감장치를 설치하여 진동·소음을 줄일 수 있는 것이나 설치비용 대비 진동·소음저감 성능이 효과적이지 못하거나 제한된 주파수대역에 다소 효과가 있을 뿐이어서 지금까지 이러한 단점으로 잘 사용되지 않고 있는 상황이다.

이에 본 발명은 기존의 질량 혹은 충돌댐퍼형식에서 관성댐퍼개념을 도입하여 진동·소음저감효과를 기존대비 50% 이상 향상시키고, 제작설치 비용을 기존에 비해 60% 수준으로 획기적으로 절감시켜 본 관성댐퍼가 구비된 철도궤도를 개발함으로써 수요지역에서 만족할 수 있는 충분한 성능을 가진 관성댐퍼가 구비된 수지고정궤도구조를 적용함으로써 쾌적한 선로구축을 실현하고자 한다.

수지고정궤도구조에서 관성댐퍼(Inertia Meta Damper)는 양쪽 필러 튜브내부에 일정간격으로 독립강성질량이 설치되어 지며 레일의 종방향으로 독립강성질량의 개수를 다르게 설치함으로써(meta) 광대역의 주파수대역에 효과적인 진동·소음저감 성능을 발휘한다. 독립강성질량은 정지된 상태에 있다가 차량에 의해 레일의 진동하게 되고 정지되어 있는 독립강성질량은 반대의 관성력이 발생하여 레일의 주된 수직진동의 발생을 줄이고 이에 따라 레일복부에서 발생되는 소음이 저감되는 구조이다. 독립강성질량은 간단한 형틀로 싸고 손쉽게 제작할 수 있는 다각기둥형태의 콘크리트체 혹은 강재로 제작된다. 독립강성질량은 레일의 종방향 필러튜브 내부에 0.5mm 이내의 미소한 간극으로 설치되므로 독립강성질량 상호간 충돌이 없이 관성력을 발휘하므로 독립강성질량 상호간에 파손우려가 없이 효과적인 성능을 유지할 수 있다.

본 발명은 관성댐퍼를 추가적인 기구 없이 기존의 필러튜브 내부에 설치함으로써 독립강성질량 외에 비용이 들어가지 않으면서 목표로 하는 진동·소음저감성능을 확보할 수 있는 획기적인 궤도구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 콘크리트 슬래브의 양측 상부에 마련되는 레일홈통; 상기 레일홈통에 설치되는 레일; 상기 레일을 고정하기 위하여 상기 레일홈통에 채워지는 레일고정수지체; 상기 레일의 설치방향과 같은 방향을 따라 상기 레일고정수지체의 내부에 설치되는 것으로서 상기 레일고정수지체의 수지 보다 큰 비중을 갖는 관성댐퍼;를 포함하되;
상기 관성댐퍼가 차량에 의해 상기 레일 위에 가해지는 진동에 대한 관성적 거동을 하면서 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조에 의해 달성된다.

삭제

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 관성댐퍼는 길이방향으로 연속적으로 설치되는 다수의 튜브; 상기 튜브 각각에 자유 유동이 가능하게끔 끼워지는 질량체;를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 관성댐퍼는 길이방향으로 연속적으로 설치되는 다수의 튜브; 상기 각각의 튜브 내부에 자유 유동이 가능하게끔 끼워지는 것으로서 상기 튜브의 단면과 같은 단면 형태를 가지는 블록 형태의 질량체를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 관성댐퍼는 튜브; 상기 각각의 튜브 내부에 자유 유동이 가능하게끔 끼워지는 것으로서 상기 튜브의 단면과 같은 단면 형태를 가지는 블록 형태의 질량체; 상기 튜브의 양단에 끼워져 상기 질량체가 이탈되는 것을 방지하기 위한 캡을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 관성댐퍼는 길이방향으로 연속적으로 설치되는 다수의 튜브; 상기 각각의 튜브 내부에 자유 유동이 가능하게끔 끼워지는 질량체;를 포함하되;

상기 연속 설치되는 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있는 것일 수 있다.

상기 연속 설치되는 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있으며 불규칙적으로 조합되어 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 관성댐퍼가 질량 댐퍼로서의 기능을 수행하게 됨으로써, 차량운행에 따른 진동과 소음을 크게 감쇄할 수 있게 된다. 특히 다양한 주파수의 진동에 대한 진동과 소음의 저감 효과가 크다. 좀 더 구체적으로는 궤도의 길이방향을 따라 독립적으로 거동하는 강성질량구체를 레일의 종방향으로 설치함으로써(meta) 다양한 주파수 대역에서의 진동저감효과를 구현할 수 있다. 본 발명에 의하면 진동저감과 관련 있는 손실계수가 약 200%이상 증가되며, 진동저감성능도 약 60%이상 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 수지고정궤도의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B선을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 관성댐퍼의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 수지고정궤도의 도 2에 준하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 레일궤도의 작용 상태를 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 관성댐퍼의 운동모델이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 레일궤도의 진동저감 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 열차운행을 위한 수지고정궤도에 관한 것으로서 기본적인 구조는 기존의 레일궤도과 같다. 그러므로 수지고정궤도는 콘크리트 슬래브(20)의 양측 상부에 마련되는 레일홈통(3), 레일홈통(3)에 설치되는 레일(1); 레일(1)을 고정하기 위하여 상기 레일홈통(3)에 채워지는 레일고정수지체(2)를 포함하고 있다. 레일(1)은 레일홈통(3)의 바닥판 위에 배설된 레일패드(6) 위에 놓인다. 레일(1)을 가설치한 다음 수지를 충전함으로써 레일을 고정시키는 구성으로 되어 있다. 레일(1)에 전달되는 진동은 레일패드(6) 및 레일고정수지체(2)를 통해 콘크리트 슬래브(20)와 지반에 전달된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 레일(1)의 설치방향과 같은 방향을 따라 상기 레일고정수지체(2) 내부에 관성댐퍼(9)가 설치된다. 관성댐퍼(9)는 레일고정수지체(2)의 수지보다 큰 비중을 갖는 질량물이다. 관성댐퍼(9)는 레일(1)의 길이방향(종방향)을 따라 설치된다. 관성댐퍼(9)는 도 2에 도시된 것처럼 레일(1)의 양측 레일고정수지체(2)에 각각 설치될 수 있다. 관성댐퍼(9)의 설치방식 또한 다양하게 안출될 수 있다. 수지 충전시 레일홈통(3)에 브래킷, 지지대 등으로 임시 고정한 다음 수지를 충전하는 방식이 일반적이다.
관성댐퍼(9)는 차량에 의해 레일(1)에 가해지는 진동에 대한 댐퍼의 역할을 하는 것이다.

본 발명의 실시예에 의하면, 관성댐퍼(9)는 길이방향으로 연속적으로 설치되는 다수의 튜브(4)와, 이 튜브(4) 각각에 끼워지는 질량체(5)를 포함할 수 있다(도 4 참조). 즉 소정의 단위 길이를 갖는 튜브(4)가 레일(1)의 설치방향을 따라 연속적으로 설치되는 것이다. 튜브(4)는 합성수지로 된 파이프일 수 있으며 질량체(5)를 고정하기 위한 보조수단이다.

질량체(5)는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 모래, 자갈, 잡석 또는 토양이 될 수 있다. 그러나 좀 더 바람직한 것은 튜브(5)의 단면과 같은 단면 형태를 가지는 블록 형태로 된 것이다. 이하에서 설명되는 질량체는 이것을 기준으로 한다.

질량체(5)는 콘크리트 몰탈을 거푸집에 부어 양생시킴으로써 제공되는 콘크리트 블록이다. 이것은 튜브(4)에 채워 넣기가 편리하고 저렴하게 제공할 수 있다. 하나의 튜브(4)에는 복수 개의 콘크리트 블록으로 된 질량체(5)를 넣을 수 있다. 가령 튜브(4)의 길이를 1,000mm로 하고 질량체(5)의 길이를 250mm로 하면 하나의 튜브에 4개의 질량체(5)를 끼워넣을 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 튜브(4)의 양단에 질량체(5)가 이탈되는 것을 방지하고 수지가 유입되는 것을 방지하기 위한 캡(7)이 끼워질 수 있다. 캡(7)은 튜브(4)의 외측 또는 내측에 끼워질 수 있다. 튜브(4) 사이에는 소정의 간격(H)이 마련될 수 있다. 이 간격(H)은 0.1 ~10mm가 될 수 있는데, 연속 설치된 튜브(5) 내지 관성댐퍼(9)가 각기 독립적으로 거동하게끔 분리되어 있다는 것에 의미가 있는 것일 뿐이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 연속 설치되는 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있는 것일 수 있다. 도시된 바에 의하면 튜브의 길이는 2 : 3 : 4로서 3종이 설치되고 있다. 더 나아가 연속 설치되는 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있으며 불규칙적으로 조합되어 있을 수 있다. 이러한 구성을 가지는 관성댐퍼의 작용은 후술하기로 한다.

그리고 본 발명의 레일궤도는 도 5에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있다. 즉 레일(1')의 형태 및 관성댐퍼의 형태는 다양할 수 있으며, 그 형태에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다. 도 5에 대한 설명은 이전 실시예의 설명을 참조하면 될 것이다.

이하, 관성댐퍼가 이용된 수지고정궤도의 구조를 도 1 내지 도 2를 주로 참조하여 더 상세하게 설명한다. 노반시공 후 1차 콘크리트슬래브를 타설한다. 1차 콘크리트슬래브는 궤도슬래브본체의 일부이며 궤도 시공시 정밀 시공을 위한 시공면으로 선로선형중심 및 강재침목고정구 위치를 먹줄 등으로 표시할 수 있어 궤도 정밀 시공이 가능하다. 강재침목 고정구는 중앙에 셋트앙카로 1차 콘크리트슬래브면에 고정된다. 레일높이조정볼트는 레일 설치치 그 높이를 미세하게 조정할 수 있게 하며, 레일높이조정볼트의 하부에는 밀림방지 턱이 있어 콘크리트 타설시 추가적인 보강 없이 외부 압력에 의한 궤도변형을 방지한다.

1차 콘크리트슬래브 타설 후 콘크리트면에 궤도중심선을 표시하고 강재침목고정구의 설치위치를 표시한다. 강재침목 고정구를 셋트앙카로 고정 후 철근을 배근하고 레일높이조정볼트를 레일설치 후 미세조정만 할 수 있도록 궤도높이에 맞추어 조절한 다음 강재침목을 설치한다. 약 2m마다 설치된 강재침목에 홈벽을 배치 후 홈벽지지형강을 레일높이조정볼트 너트로 고정한다. 레일패드(6)를 레일에 장착 후 레일홈(3)에 레일을 배치한 후 레일궤간고정구를 이용 궤간을 설정하고 레일고정수지시공막이를 설치한다. 최종적으로 레일높이조정볼트와 홈벽지지형강을 미세조정하여 궤도선형을 조정후 궤도슬래브 양측에 콘크리트슬래브형틀을 설치 후 2차 콘트리트슬래브(20)를 타설하여 완료한다.

관성댐퍼(9, Inertia Meta Damper)는 튜브(4), 질량체(5) 및 캡(7)으로 구성되어 있다. 블록 형태로 된 질량체(5) 간의 간격(G, 도 3 참조) 및 질량체(5)와 튜브(4) 사이의 간격은 각각 0.1 ~ 1.0mm 로 마련한다. 이는 각 질량체가 외부 진동에 대하여 독립적으로 거동하도록, 즉 자유 유동이 가능하게끔 하기 위한 것에 의미가 있다. 즉 구체적인 수치에 의미가 있는 것은 아니므로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 이 수치에 의해 제한되어서는 아니 된다.

이러한 구성에 의하면 외부하중 작용시 외부하중과 반대반향으로 관성력이 발생되어 레일 진동이 상쇄될 수 있다. 또한 레일의 길이방향으로 관성댐퍼의 길이, 즉 무게를 달리하여 설치하는 메타(meta)개념을 도입하여 다양한 주파수 대역에 효과적인 진동·소음저감 성능을 달성 할 수 있게 한다.

기존에 사용되어지고 있는 동조질량개념의 웹댐퍼는 진동저감대역이 제한적이며 저감효과도 충분하지 못하고 고성능의 진동소음저감재를 사용하여야 하므로 비용이 과다하게 발생함에도 충분한 저감효과가 적어 활용성이 떨어진다. 충돌댐퍼개념의 웹댐퍼는 입자간의 충돌로 인한 추가적인 진동·소음발생 우려와 원형의 충돌입자의 제조에 많은 어려움이 있었다. 본 발명의 관성댐퍼는 콘크리트 재질로 저비용으로 대량생산이 가능하며 다각기둥형태로 제작이 용이하다. 또한 충돌을 이용하는 충돌댐퍼나 고가의 재료를 사용함에도 진동저감성능이 제한적인 동조질량개념의 웹댐퍼와 비교하여 수지고정궤도의 필러튜브부에 저렴한 비용의 질량체를 간단히 설치함으로써 우수한 진동·소음저감 성능을 달성할 수 있다. 물론 레일고정수지체는 레일체결구성능 국내 및 국제기준에 만족하게끔 설치되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 관성댐퍼의 작용 내지 원리를 도 6 내지 8을 참조하여 설명한다.

도 5에 도시된 바에 의하면, 열차진동은 하부로 열차가진운동(Fot)을 일으키며 열차통과시 레일탄성에 의해 상부로 진동이 발생하게 된다. 이때 정지상태의 질량체(5)는 각각의 진동에 반대방향으로 관성력 Fit, Fir가 발생하여 열차가진운동에 의해 발생하는 진동을 상쇄시킨다.

관성댐퍼 기본모델이 도 7에 도시된다. 그리고 이 모델에 대한 식은 식 1의 운동방정식과 같다.

[식 1]

여기서, m: mass, x: displacement, F: external force,

c: damping coefficient, k: spring coefficient

그리고 반발계수와 운동량 보존방정식은 다음의 식 2와 같다.

[식 2]

여기서, e: the restitution coefficient, x: displacement, m: mass

위 식에 의해 얻어진 수치적 결과는 도 8의 그래프로 표현될 수 있다. 즉 본 발명의 관성댐퍼 진동저감효과가 도 8의 그래프에 도시된다. 그래프에 나타난 바에 따르면 관성댐퍼가 있을 때의 진동저감과 관련 있는 손실계수가 약 200%이상 증가되었으며 진동저감성능도 약 60%이상 효과가 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명된 것들은 본 발명의 기술적 사상에 의거한 예시에 불과하다. 당업자는 청구범위를 통해 표현되는 본 발명의 기술적 사상의 범위를 넘지 않는 선에서 예시된 바를 활용하여 다양한 변형실시를 할 수 있을 것이다. 예를 들어 위에 설명된 모든 실시예들은 당업자에 의해 자유롭게 조합되어 실시될 수 있으며 어떠한 조합이든지 본 발명의 권리범위에 포함된다고 해석되어야 한다.

예를 들어 레일을 중심으로 하여 좌우측에 설치되는 질량체 역시 서로 비대칭을 이루도록 설치할 수도 있다. 그리고 질량체를 더 경제적으로 제공하기 위한 제안이 더 있을 수 있다. 예를 들어 건축 폐자재가 질량체로 활용될 수도 있을 것이다.

1,1' : 레일 2 : 레일고정수지체
3 : 레일홈통 4 : 튜브
5 : 질량체 6 : 레일패드
7 : 캡(cap) 9 : 관성댐퍼
20 : 2차 콘크리트슬래브

Claims (7)

1. 콘크리트 슬래브의 양측 상부에 마련되는 레일홈통;
   상기 레일홈통에 설치되는 레일;
   상기 레일을 고정하기 위하여 상기 레일홈통에 채워지는 레일고정수지체;
   상기 레일의 설치방향과 같은 방향을 따라 상기 레일고정수지체의 내부에 설치되는 것으로서 상기 레일고정수지체 보다 큰 비중을 갖는 관성댐퍼;를 포함하되;
   상기 관성댐퍼가 차량에 의해 상기 레일 위에 가해지는 진동에 대한 관성적 거동을 하면서 진동을 감쇄시키는 것으로서;
   상기 관성댐퍼는;
   길이방향으로 연속적으로 설치되는 다수의 튜브; 및 상기 튜브 각각에 끼워지는 질량체;를 포함하되;
   상기 질량체는 상기 튜브 내에서 0.1 ~ 1.0mm의 범위로 유동할 수 있는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 튜브의 양단에 끼워져 상기 질량체가 이탈되는 것을 방지하기 위한 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조
   
5. 제1항에 있어서,
   연속 설치되는 상기 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조
   
6. 제1항에 있어서, 상기 관성댐퍼는;
   연속 설치되는 상기 튜브의 길이는 2종류 이상이 조합되어 있으며, 불규칙적으로 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 관성댐퍼를 갖는 수지고정궤도의 구조
7. 삭제

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