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철도시설공단 성능검증 마친 ECO-클립형 레일체결장치 개발해

(주)엘더스티앤엘 기술 차별화 선언, 국산화 개발한 ECO-클립형 체결장치

장병극 기자 | 입력 : 2019/07/23 [10:01]

▲ 2019년 부산국제 철도기술 산업전에 참가한 ㈜엘더스티앤엘 문정복 대표이사     © (주)엘더스티앤엘 제공

 

[국토매일-장병극 기자] 19세기 철도 태동기를 두고 ‘동력의 기계화’와 ‘길의 기계화’로 표현한다. 증기기관을 개발하면서 기존의 우·마차를 대체하기 시작했고, 인력과 물류를 효율적으로 운송할 수 있는 궤도가 부설되면서 도로에 대한 개념은 재정립되었다.

 

철도가 일반 도로와 가시적으로 구분되는 가장 큰 차이점은 선로를 따라 통행한다는 것이며, 철도라는 운송수단이 가진 독자성은 기술적 진화과정을 거치며 오늘에 이르렀다.

 

궤도시설물은 선로를 통행하는 철도차량의 성능을 극대화하고, 무엇보다 안전하고 빠르게 달릴 수 있는 주행로의 역할을 한다. 이를 위해서는 △차량 탈선 등 사고 방지 △운영자의 경제적 궤도 이용 △이용자의 승차감 확보 등이 중요하다.

 

무엇보다 기술적으로 차량으로부터 선로에 가해지는 하중을 수직·수평방향으로 흡수해 침목과 레일이 상호 체결된 상태를 말하는 궤광(軌匡)에서 도상층을 거쳐 노반으로 분산시킬 수 있어야 한다. 따라서 궤도시설물을 구성하는 레일·침목·도상의 체계적 관리가 필요하다.

 

종래에는 레일체결장치에 대한 중요성이 부각되지 않았다. 단순히 레일과 침목을 고정하는 궤도시설물의 부품으로만 인식되었다.

 

하지만 레일체결장치는 궤도시설물을 구성하는 핵심이자 그 자체가 하나의 기술적 시스템이다. 레일이 받는 하중을 침목에 안정적으로 전달하며, 궤도의 뒤틀림 및 확장 등 선형변화를 방지하고 궤간을 유지시킨다. 또한, 장기간 사용함에 있어 충분한 탄성과 피로저항을 확보해 유지관리 비용도 줄일 수 있다.

 

◆ 자갈도상에 특화된 최적 솔루션...ECO-클립형 레일체결장치

 

궤도시설물에서 도상은 자갈과 콘크리트형으로 나누어진다. 자갈도상의 경우 차량 하중이 자갈에 의해 분산되기 때문에 진동과 소음이 적다. 또한, 초기 시공이 비교적 간편하고 건설비가 저렴하며, 콘크리트 도상에 비해 보수작업도 용이하다. 하지만, 자갈도상은 시간이 경과하면서 유지·보수 주기가 짧아지고 막대한 보수비용이 소요된다.

 

근본적으로 자갈도상이 가지고 있는 한계를 극복하기 위해서는 도상에 전달되는 속도·하중에 의한 충격을 최소화해야한다. ㈜엘더스티앤엘이 개발한 ECO-클립형 레일체결장치는 자갈도상의 문제점을 해소할 수 있는 해법이 될 수 있다.


㈜엘더스티앤엘은 기존 레일체결장치의 문제점을 분석하고, 국산화하기 위해 2015년 8월부터 연구에 착수했다. 실내 시험 및 현장 설치 시험을 통해 한국 철도 인프라에 최적화된 국산 체결장치 개발에 몰두했다. 그 결과 지난 5월 한국철도시설공단으로부터 ‘철도시설성능검증서’를 받았다.

 

◆ 기존 궤도시설물 호환성 고려한 e-Clip 형태 제작

 

ECO-클립형 레일체결장치를 개발하는 과정에서 주안점을 둔 것은 기존 체결장치와의 호환성이다. 국내에서 가장 많이 사용되는 e-Clip 형태를 유지하되, 성능을 개량하고 이를 국산화하는데 주력했다.

 

이미 e-Clip이 설치되어 있는 자갈도상 궤도시설물에도 쉽게 시공할 수 있고, 기존 e-Clip을 교체하는 등 유지·보수의 측면에서도 훨씬 경제적이기 때문이다.

 

㈜엘더스티앤엘 문정복 대표이사는 “승객의 피로감에 영향을 주고 있는 승차감을 향상시키고, 궤도시설물에도 피로감을 증대시키는 기존 레일체결장치를 개량해 사람과 기계 모두에게 피로감을 줄일 수 있는 방법을 고민해왔다”고 밝혔다.

 

특히, “생애주기비용(LCC)를 줄이는 것은 경제성뿐만 아니라, 유지·보수 과정에서 인적·물적 투입으로 인해 발생하는 환경적 피해도 줄일 수 있기 때문에 ‘ECO’라는 명칭을 사용했다”고 말했다. 철도산업에서는 장기간 사용할 수 있는 제품을 생산해야 결과적으로 친환경적일 수 있다는 것이 문정복 대표이사의 지론이다.

 

◆ 녹색 옷 입힌 ‘ECO-Friendly’ e-Clip의 강성

 

㈜엘더스티앤엘은 새로 개발한 ECO-클립형 레일체결장치에 녹색을 입혔다. 현장시험을 위해 궤도 양측에 시공했을 때 단연 눈에 띈다. 회색계열의 자갈도상 궤도시설물에 녹색의 e-Clip형 체결장치들이 설치된 모습은 보는 사람으로 하여금 혁신적 이미지를 각인시키기에 충분하다. ‘혁신(inovation)’은 ㈜엘더스티앤엘이 추구하는 이상적 가치이다.

 

ECO-클립형 레일체결장치는 △코일스프링클립 △ECO 절연블럭(insulator) △TR형 숄더(shoulder) △ECO레일패드(EPDM, PUR)으로 구성된다. 이들이 하나가 되어 체결장치로서의 목적과 기능을 극대화시킨다.

 

코일스프링클립에 요구되는 주요 성능은 반복하중에 대한 Clip의 피로저항력이다. 그 외 숄더 및 부속되는 구성 재료와의 조립 적정성 확보가 필요하다.

 

기존 e-Clip은 최대한 작고 simple한 형상에 목적을 두고 개발된 제품이었다. 과거에는 횡압력에 의한 레일의 과도한 틸팅에 저항하기 위해 2단 스프링 구조로 되어 있는 것이 일반적이었지만 e-Clip은 이러한 기능을 기대할 수 없으며, 피로진폭에 취약한 단점이 있다.

 

㈜엘더스티앤엘이 개발한 ECO-클립은 기존 e-Clip 대비 동적 피로진폭 확대를 위해 Clip 길이를 10mm 확장시켰다. 또한, toe(지단, 止端)와 절연블럭 간 면접촉 유도를 위해 단면 기울기를 3.5°로 개선했다. toe의 종단 기울기도 체결 시 스프링 변형에 따른 면 접촉 유도를 위해 1°로 하향했다. 이 과정에서 toe 저부의 단면형상도 절연블럭의 상면 기울기를 고려해 개량했다.

 

◆ ECO-Clip과 최상의 조합 위한 체결장치 부속품

 

절연블럭은 신호를 사용하는 궤도에 있어 중요한 요구 조건이며, 전기 절연이 필요하지 않는 경우에도 레일마모를 억제하는 역할을 기대할 수 있다.

 

㈜엘더스티앤엘이 중점적으로 개선한 부분은 △재료의 내구성 △형상에 대한 조립 최적화이다. 이를 위해 절연블럭의 소재로 폴리아미드(PA, 나일론)와 폴리케톤(PK) 재질을 사용했다.

 

폴리케톤은 일산화탄소와 올레핀으로 이루어진 친환경 고분자 신소재이다. 세계 6개 오염원 중 하나인 일산화탄소를 재료로 사용하기 때문에 환경에 악영향을 미치는 일산화탄소를 줄일 수 있다. 절연블럭 역시 ‘ECO-Friendly’를 표방하고 있는 것이다.

 

클립-절연블럭 간 면접촉이 이루어지도록 개선하면서 마찰계수의 증가로 클립의 종저항력도 확보했다. 이와 함께 클립과의 면접촉을 통해 자연스럽게 절연블럭에 발생하는 응력을 저감시켜 내구성을 향상시킬 수 있게 되었다.

 

특히, 횡압 작용 시 숄더 측면과 접촉하는 면을 확대시켜 절연블럭의 손상을 방지하고자 했다. 또한, 종방향력에 의한 레일패드의 이탈을 방지하고자 절연블럭 하방으로 돌기를 설치하는 등 형상도 개선했다.

 

레일패드는 고탄성 궤도를 구현하는데 있어 적정 탄성을 확보하면서 타 구성품과의 조립성을 고려했다. △재료의 내구성 △클립 피로도 최소화 △제조원가에 미치는 영향 등을 감안해 7mm 두께로 제작했다. 또한, 표면은 평탄하게 만들고 절연블럭과 조합성을 위해 모양도 일부 개선했다.

 

레일패드는 레일로부터 침목으로 전달되는 하중을 분산시키기 위한 용도이며, 충격하중을 감소시키는데 있어 중요한 역할을 한다. 국내에서는 일반적으로 레일패드 표면을 원형-엠보싱 형태로 제작한다. 하지만 레일패드의 경우 표면이 평탄할 경우에 레일 저부 및 침목 상면과의 접촉면적이 넓어져 마찰계수가 증가하게 된다. 오히려 미끄럼방지에 효과적인 것이다.

 

한편, e-clip과 같은 숄더형 체결방식의 경우 침목에 숄더를 매립해 고정하고 탄력성이 있는 코일스프링 클립을 숄더와 체결하게 된다. 설치 상태를 육안으로 확인하기 용이하고 오류에 덜 민감하다. 또한 기계 체결이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 스크류(screw) 체결방식에 비해 상대적으로 조정 기능이 떨어질 수 있다. 따라서 e-clip에 비틀림 현상이 발생하는 것을 최소화하는 것이 관건이다.

 

㈜엘더스티앤엘이 개발한 매립숄더는 기본적인 요구 성능을 만족시키는 조건에서 형상을 개선해 소재 사용량을 줄임으로써 원가를 절감하고자 했다. 특히, 숄더의 heel부 상면 내측에 2mm의 턱을 만들어 클립이 유격없이 체결될 수 있도록 했다. 이를 통해 클립에 비틀림 현상이 발생하지 않도록 기능성을 강화한 것이 특징이다.

 

◆ 한국철도에 맞는 국산화 실현 위한 노력

 

레일체결장치는 레일 궤간의 유지와 선로 변형 방지 등을 위해 필수적이며 운행의 안전성 확보와도 직결된다. 첨단 기술과 접목한 궤도 유지·관리 시스템이 등장하고 있지만, 최초 궤도를 시공할 때 추후에 발생할 수 있는 유지·보수의 측면을 예측하고 국내 실정에 적합한 안정적 제품을 사용하는 것도 중요하다. 집을 장만해 유럽풍의 화려한 인테리어를 하더라도, 벽에 금이 가고 물이 새면 인테리어에 쏟아 부은 비용과 수고가 수포로 돌아가게 되는 것과 같은 이치이다.

 

㈜엘더스티앤엘은 1997년 창립한 이래 궤도분야를 중심으로 사업을 펼쳐왔으며, 10년 전부터 레일체결장치를 국산화하기 시작하고 원천기술 확보를 위한 연구·개발에 매진하고 있다. 5월 공단으로부터 성능검증위원회 참석자(공단, 공사, 설계사, 대학) 전원 만장일치로 최종 성능검증을 마친 ‘ECO-클립형 레일체결장치’는 부단한 노력의 결실이다.

 

특히, 궤도는 철도의 특성상 지속적인 보수·유지가 필요할 수밖에 없는데, 외산을 사용할 경우 그 비용이 상당하고 시급한 보수가 필요할 경우에도 대응력이 떨어지게 된다. 궤도분야에서 선제적인 국산화가 필요했던 이유이기도 하다.

 

▲ 전라선 덕양역 ECO-클립형 레일체결장치 시험부설현장 성능검증위원들의 최종점검     © (주)엘더스티앤엘 제공

 

◆ 레일체결장치, 끊임없는 ‘혁신’을 추구하다

 

㈜엘더스티앤엘은 이미 자체 개발한 다양한 레일체결장치 및 관련 제품들을 생산하고 있다. 특히 체결장치에 집중한 지속적인 기술 확보와 연구개발은 ㈜엘더스티앤엘이 가지고 있는 저력이다.

 

전세계 고속철도 라인에서 검증된 슬라브궤도용 표준체결장치 시스템인 ‘System 300-1 레일체결장치’는 핵심 부품을 국산 개발에 성공하고 성능검증을 마침으로써 기술적 자립에 성공했다. 또한, 한국철도시설공단이 국내 개발한 고속철도 슬라브궤도용 레일체결장치 시스템의 경우 체결스프링·탄성패드 등 주요 구성품의 국산화를 통한 원천 기술도 확보했다.

 

문정복 ㈜엘더스티앤엘 대표이사는 “한국의 철도산업이 기존의 일반·고속철도 및 도시철도 등의 노후·개량과 경량전철·트램 등 새로운 철도시스템에도 선제적으로 대응해나갈 필요가 있다”고 말하며, “엘더스티앤엘만이 가지고 있는 혁신적 아이디어와 축적된 노하우를 살려 다양한 요구사항을 맞추면서 한국 철도에 최적화된 선진적 레일장치시스템을 제공해나갈 것”이라고 밝혔다.

 

▲ 전라선 덕양역 ECO-클립형 레일체결장치 시험부설현장 모습     © (주)엘더스티앤엘 제공

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