철도건설규칙 제12조(슬랙) 해설 입니다.

관련업무에 참고하시기 바랍니다.

백게이지(back gange)

백게이지는 고정 크로싱의 노스레일과 가드레일간의 간격을 말하며, 노스레일 선단의 원호부와 답면과 접점에서 가드레일의 후렌지웨이 내측간의 가장 짧은 거리를 말한다.

- 백게이지가 작은 경우에는, 이선진입을 할 위험성이 있으며,

- 백게이지가 큰 영우에는, 차륜이 노스레일에 닿는 량이 크게되어 노스레일 손상이 크게되며 극대적인 경우에는 차륜

  내측이 가드레일과 윙레일에 구속되어 차륜이 올라 탈 우려가 있다.

- 일반철도 백게이지 : 1,390∼1,396mm

- 고속철도 백게이지 : 1,392∼1,397mm

- 선로 : 차량을 운행하기 위한 궤도와 이를 받치는 노반 또는 인공구조물로 구성된 시설을 말한다.

- 궤도 : 레일, 침목 및 도상과 이들의 부속품으로 구성된 시설을 말한다.

도상계수

1. 도상의 양부는 궤도의 안전도를 지배하며, 궤도틀림 발생량, 보수노력비, 진동 가속도, 승차 기분 등에서 평가하여야 한다.

   깬 자갈은 친 자갈에 대하여 40～50% 정도의 보수노력이 절감된다고 하며 도상두께가 클수록 보수노력은 적게 든다.

   도상의 강도를 표시하는데 궤도역학적인 계산에서는 도상계수를 사용하며,

   즉, 궤도역학에서 도상의 강도를 표시하는 계수를 도상계수라 한다.

   K = p / r

   여기서, K : 도상계수(㎏/㎤ )

             p : 도상반력(도상압력)(㎏/㎠)

             r : 그 점에서의 탄성침하량(㎝)

2. 도상의 재료가 양호할 수록, 다짐이 잘 될 수록 침하량 r이 적어지므로 K값은 커지고 p값은 적어진다

   즉, 도상계수와 도상압력이 클수록 도상은 양호하다

3. 도상계수 판단기준

   K = 05㎏/㎤   불량노반

   K = 09㎏/㎤   양호노반

   K = 13㎏/㎤   우량노반

우리가 업무 또는 교육시 선로와 궤도의 용어를 정확하게 알 필요가 있는 듯 합니다.

특히 서울도시철도공사의 경우 신입채용시 시험과목에 "궤도공학"이 있습니다.

그러면 '철도 건설에 관한 규정'에서는,

- 선로 : 차량을 운행하기 위한 궤도와 이를 받치는 노반 또는 인공 구조물을 구성된 시설물을 말한다.

- 궤도 : 레일, 침목 및 도상과 이들의 부속품으로 구성된 시설을 말한다.

아울러, '이종득 철도공학'에서는,

- 선로 : 열차 또는 차량을 운행키 위한 전용통로의 총칭이며 궤도와 이것을 지지하는데 필요한 기반을 포함한

           지대를 말한다.

- 궤도 : 도상, 침목, 레일과 그 부속품으로 이루어지며 선로의 중심부분으로서 기반과 도상을 직접 지지하는

           노반과 이에 부속된 선로구조물로 구성된다

분기기의 슬랙과 캔트

포인트 후단에서 크로싱 전단까지 차량을 유도하는 부분이 리드(lead)부이며,

짧은 거리의 사이에서 포인트를 통과한 차량의 진행방향을 크로싱이 가진 방향으로 전향시켜야 한다.

따라서, 리드부는 곡선을 취하여야만 한다.

이 곡선을 리드곡선이라 부르며, 차량이 통과할 수 있을 만큼의 최소한의 슬랙(slack)을 붙여야만 한다.

분기기 리드곡선의 슬랙은 보편적으로 다음 식으로 계산한 값을 5mm 절상하여 구한다.

S = H² / 8R - t

여기서, S : 필요 슬랙

          H : 고정축거

          R : 리드곡선반경

          t  : 최소 가동여유

"철도차량안전기준에 관한 규칙"에서는 고정축거를 3.75m 이하로 규정하고 있다.

최소 가동여유는 레일과 차륜 답면 형상에 관계한다.

즉, 차륜은 통상적으로 답면의 한 점에서 레일과 접촉하고 있지만, 차륜 플랜지가 레일에 가깝게 되면, 아래 그림에 나타낸 것처럼

A점과 B점의 2점에서 접촉한다.

차륜 플랜지가 이 2점 접촉의 위치보다 더욱 레일에 가깝게 되면, 차륜의 올라탐이 발생하므로 차륜이 좌우로

가동하는 한도는 이 2점 접촉하는 위치이다.

최소 가동여유는 2점 접촉하는 차륜의 가동한도와 궤간 및 차륜외면 거리에서 다음과 같이 구해진다.

t=G_min - G_max -2a

=(1435-2)-(2×713)-2a

=7-2a

여기서, t : 최소 가동여유

          G_min : 궤간 최소치

          G_max : 최대 차륜외면거리

          a : 2점 접촉하는 위치에서 궤간선과 차륜과의 떨어짐이다.

          a 값은 37레일이 4mm, 50레일이 1.5mm, N레일이 0이다

       N레일용 분기기의 슬랙

슬랙은 기본레일을 비켜 놓아 붙이는 것이지만, 충분한 슬랙을 붙일 수가 없다. 슬랙은 텅레일 전방의 분기선

기본레일에서 붙이기 시작하므로 열차가 기본선을 통과할 때 부분적으로 궤간이 확대하는 것으로 되며, 편측

차륜의 상하운동이 생겨 차량이 롤링을 일으키는 것으로 된다.

더욱이, 이 곡선에 응하는 캔트는 크로싱의 관계에서 일반적으로 붙이지 않는 것이 보통으로,

만약 붙이더라도 불충분한 캔트 값으로 밖에 될 수 없다.

리드곡선의 반경은 외측레일의 곡선반경으로 부른다.

이와 같이 고속용을 제외한 일반 분기기의 리드곡선은

① 반경이 작은 곡선임에도 불구하고,

② 캔트가 없고,

③ 불충분한 슬랙이며,

④ 곡선의 전후에 완화곡선이 없는 반향곡선으로 되므로, 열차의 통과속도가 현저하게 낮은 속도로 제한한다.

선로정비지침에서는 일반 분기기의 슬랙은 별도 제정한 분기기 정규도에 따라 붙이고 가동크로싱 사용 분기기에서

분기곡선과 일반분기 부대곡선의 슬랙과 체감은 일반 곡선의 경우에 준하도록 규정하고 있다.

한편, 고속열차를 운전하는 분기부대 곡선에는 부득이한 경우를 제외하고는 다음과 같이 캔트를 붙이도록 규정하고 있다.

① 내방분기기의 분기곡선에는 본선곡선과 같은 캔트를 붙인다.

② 제①호 이외 분기기의 분기 곡선에는 포인트와 크로싱부와의 접속관계를 고려하여 적당한 캔트를 붙인다.

③ 분기 외 곡선에서의 캔트는 일반곡선의 캔트에 준하여 붙인다.

④ 제①호, ②호에서의 캔트 체감거리는 체감 량의 300배 이상으로 한다.

⑤ 분기곡선과 이에 접속하는 곡선의 방향이 서로 반대될 때에는 캔트의 체감 끝부터 4m 이상의 직선을 삽입한다.

제3궤조(Third rail) 방식은 궤도를 따라서 전기를 공급하는 또 다른 궤도를 사용하는 방식을 가리킨다. 

대부분 직류를 공급하며, 외부 환경과 차단되어 있는 도시 철도에서 많이 사용한다. 

많은 경우 전기를 공급하는 궤도는 차륜의 궤도 바깥쪽에 설치되어 있으나, 일부는 안쪽에 설치되어 있다. 중간중간 절연체로 나뉘어 있다. 

이중궤간 철도의 세 번째 궤도와는 무관하다.

열차에는 급전 궤도와 접촉하는 금속 집전 장치가 설치되어 있다. 차륜이 놓여 있는 궤도를 또 다른 극으로 하여 회로가 구성된다. 

급전 궤도는 대개 고전도성 철로 만들어져 있으며, 저항을 줄이기 위하여 차륜이 설치된 궤도와 전기적으로 연결되어 있다. 

철도 건널목이나 평면 교차점에서는 급전 궤도가 끊긴다.

급전 궤도와 열차가 접촉하는 방향은 여러 종류가 있다. 초기 시스템은 위쪽에 접촉하였으나, 이후 개발이 진행되면서 옆쪽이나 

아래쪽으로 접촉하기도 한다. 

이렇게 하면 급전 궤도의 위쪽을 절연체로 덮을 수 있으며, 감전사나 이물질로 인한 사고를 막을 수 있다.

특징

제3궤조 방식은 전차선을 공중에 설치할 구조물이 필요하지 않기 때문에 가공전차선보다 설치하기 저렴하다. 

미관상으로도 전차선에 비하여 시야를 방해하는 물체가 없다. 그러나 승강장으로 떨어지는 사고가 발생했을 때 감전 위험성이 

가공 전차선보다 높으며, 

직류 1500V 이상의 고전압은 대개 위험하다. 따라서 큰 전류를 흘려보내야 하며, 급전소를 상대적으로 가깝게 설치해야 한다. 

추락 사고에 대비하기 위하여, 스크린도어를 설치하거나 승강장과 먼 쪽에 급전 궤도를 설치하여야 한다.

지상에 설치되는 경우, 보행자를 보호하는 조치를 취해야 한다. 급전 궤도의 끝에서는 집전 장치에 가해지는 기계적인 충격 때문에 

속도를 줄여야 하며, 

전체적인 최고 속도도 시속 160km로 제한된다. 이 속도 이상에서 진행된 운행 시험은 아직까지 없다. 

1988년 영국철도 클래스 442 전동차를 사용한 운행 시험에서는 제3궤조에서 시속 174km까지 낸 적이 있다.

위쪽으로 집전 장치가 접촉하는 경우, 궤도에 이물질이 쌓이면 정상적으로 작동하지 못한다. 일부 노선에서는 급전 궤도에 기름을 뿌려서 

얼음을 녹이기도 한다.

급전 궤도가 끊긴 구간에서는 관성으로만 운행해야 하며, 차량이 급전 궤도가 끊긴 구간에서 정지할 경우에는 구원 운전을 받아야 한다.

역사

제3궤조 방식은 전기 철도의 역사에서 내장 축전지 다음으로 가장 오래된 급전 방식이다. 

상단부 접촉 급전이 최초로 개발되었고, 측면이나 하단 접촉 방식은 이후에 개발되었다. 가공 전차선은 노면 전차에서 주로 사용하였으며, 

이후 간선 철도에 천천히 등장하였다. 1879년 베를린 산업 박람회에서 지멘스에서 개발한 실험적 전동차가 첫 선을 보였고, 당시 

운행한 차량은 급전 궤도가 가운데에 있다.

1883년에 개통한 브라이튼에 있는 볼크의 전기 철도를 포함한 일부 초기 전기 철도는 궤도를 전도체로 사용하였다. 

1886년에 추가로 급전 궤도가 설치되었고, 현재에도 영업 중이다. 같은 해에 최초로 궤도 바깥에 제3궤도를 설치한 전기 철도가 개통하였다. 

최초로 가운데에 제3궤도를 설치한 전기 철도는 아일랜드에서 1885년에 개통하였으나, 이후 폐업하였다. 1880년대의 노면 전차에서 

제3궤조를 많이 도입하였으나, 전압 강하와 이물질 대처 문제 때문에 가공 전차선으로 변경하였다.

1956년 세계 첫 고무 차륜 철도 노선인 파리 메트로 11호선이 개통되었다. 대차를 올바른 위치로 안내하는 가이드 레일이 전도체의 

역할을 담당한다. 

1971년에 개통된 삿포로 지하철 난보쿠 선에서는 이 방법을 보완하여, 가이드 레일의 위치를 변경하였다. 

2004년에 개통된 보르도 노면 전차에서, 노면 전차용 제3궤조가 부활하였다.

일부 국가에서는 제3궤조 방식을 거의 사용하지 않기 때문에 제3궤조 방식이 구식으로 오해되는 일이 있지만, 제3궤조 방식은 현재에도 

계속 사용되고 있다.

주행 궤도를 이용한 전력 공급

철도 차량에 외부 전기를 공급하는 최초의 방법은 열차가 달리는 두 궤도를 극으로 사용하고, 침목으로 절연시키는 방법이었다. 

모형 열차에서는 자주 사용되지만, 침목은 항상 좋은 전도체가 아니며, 대차나 차축이 절연되어야 하기 때문에 일반적인 열차에서는 

잘 사용되지 않았다. 

대개의 절연체는 강성이 금속보다 좋지 못하기 때문에 열차 자체가 불안정해졌다.

기술

제3궤도는 주행 궤도 바깥쪽이나 사이에 설치된다. 열차 바깥에 설치되어 궤도와 접촉하는 슬라이딩 슈를 통하여 전력을 공급한다. 

감전을 방지하기 위하여, 상부 접촉 시스템의 경우에는 급전 궤조 위에 절연 덮개를 설치하며, 궤도 옆쪽이나 아래쪽으로 접촉하는 슈를 

사용하기도 한다. 

접촉면이 옆이나 아래인 경우에는 위쪽에 쌓이는 이물질에 영향을 받지 않는다.

가공 전차선처럼, 귀전 전력은 주행 궤도로 돌아오며, 누설 전류는 무시된다. 고무 차륜을 사용하는 경우 귀전 전력을 위해서 전도체 

가이드 바가 필요하다. 

런던 지하철에서는 귀전 전력을 위한 별도의 4번째 궤도를 따로 설치하였다. 밀라노 메트로 M1호선에는 제3궤조가 귀전 전력으로 

사용되며, 급전 전력은 별개의 전극을 사용한다. 노선의 북쪽에서는 가공 전차선을 사용한다.

전류 손실을 줄이고 급전소 간격을 넓히기 위하여, 급전 궤도는 알루미늄/철 합금이나 기타 합성 전도체를 사용한다. 

알루미늄의 전기 전도성은 좋은 편이며, 스테인리스 스틸은 마모에 강하다.

보완 시스템

일부 체계에서는 제3궤조를 일부만 사용하고, 가공 전차선이나 내연 기관을 나머지에 사용한다.

영국

일부 영국 철도 차량은 가공 전차선과 제3궤조 둘 다를 사용할 수 있다. 유로스타의 영국철도 클래스 373 차량(British Rail Class 373)의 

경우, 고속선 주행 시 교류 25kV, 일부 국가 기존선 주행 시 직류 1.5kV/3kV를 사용한다. 

제작 당시에는 런던 및 근교 지역에서 사용되는 제3궤조를 위한 별도의 집전 장치가 있었다. 가공 전차선과 제3궤조 사이 전환은 

운행 중에 여러 번 이뤄져야 했다. 이 과정을 잊어버리면 운행에 지장을 준다. 

프랑스에 진입할 때 제3궤조 집전 장치를 접어넣지 않으면 궤도변 장치에 손상을 줘서, 

채널 터널의 끝부분에 콘크리트 블록을 설치하여 접어넣지 않으면 파괴시켰다. 

영국에 진입할 때 팬토그래프를 내리지 않으면 차량 한계 때문에 팬토그래프가 망가질 수 있다.

2007년 11월 14일 채널터널 레일 링크 2단계(Fawkham 분기점 ~ 런던 세인트 팬 크러스)구간 개통되어서, 

영국 런던 기존의 종착역인 워털루 인터내셔널역에서 세인트 팬크러스역으로 변경되어서 제3궤조 집전 장치를 제거하였다.

유럽 대륙

오슬로 메트로의 서부 노선은 가공 전차선(일부는 제3궤조로 변경됨), 동부 노선은 제3궤조를 사용하였다. 

과거에 사용했던 차량 중에는 제3궤조와 가공 전차선 둘 다에서 운행할 수 있었던 차량이 있었으나, 2010년까지 모두 폐차하였고 

가공 전차선을 사용하는 노선을 제3궤조로 변경하고 있다. 로테르담 메트로는 기본적으로 제3궤조를 사용하지만, 일부 교외 노선에는 

가공 전차선을 사용한다.

프랑스 보르도에 2004년 개통된 노면 전차는 급전 궤도가 가운데에 설치되어 있다. 8m 급전/3m 단전으로 단위가 나뉘어 있으며, 

차량에서 보내 오는 신호에 따라서 전력 공급이 결정된다. 이러한 시스템은 프랑스의 다른 도시에도 보급되었다. 모당으로 가는 

프레유스 선은 직류 1500V 제3궤조로 전철화되었으나, 이후 같은 전압의 가공 전차선으로 변경되었다. 역에는 가공 전차선이 

설치되어 있었다.

변환

제3궤조 및 가공 전차선 모두를 사용하는 차량은 실제로 존재하였으나, 전체 노선을 같은 방식으로 전철화하면 비용을 절감할 수 있어서 

제3궤조와 가공 전차선 사이를 변환하는 경우도 있다.

파리 생 라자르, 인발리드, 오르세이 역은 각각 1924, 1901, 1900년에 제3궤조로 전철화되었다. 이후 다른 SNCF 철도 노선의 전철화에 

맞추어서  가공 전차선으로 변경되었다. 맨체스터 지역의 L&YR 철도는 1913년 가공 전차선, 1917년 제3궤조, 1992년 다시 가공 

전차선으로 전철화되었다. 

도심 지역의 노면 전차에서 제3궤조를 사용하면 보행자에게 위험할 수 있다는 이유 때문에 이후 변경되었다.

바르셀로나 메트로의 노선 5개 중 3개는 제3궤조에서 가공 전차선으로 변경되었다.

최고 전압

함부르크 S-반: 1940년 이후, 1200V
잉글랜드 맨체스터 - 버리: 1200V (측면 접촉)
프랑스 샴베리-모당: 1500V, 1925년-1976년
광저우 지하철 4, 5호선: 1500V

독일 제3제국 시기에 3m 광궤 철도가 계획되었고, 대공포에 의한 가공 전차선 파괴를 막기 위하여 제3궤조에서 100kV를 급전받는 

방식을  계획하였다. 

기술적으로도 이러한 높은 전압을 안전하게 절연시킬 수 있는 방법이 없었고, 2차 세계대전 이후 프로젝트가 완전히 중단되었다.

가공 전차선과 병용

가공 전차선과 병용하는 구간이 존재할 수도 있다. 1940년부터 1955년까지 함부르크 S-반에서 사용하였으며, 현재에도 베를린이나 

뉴욕 펜실베이니아 역 등에서 찾아볼 수 있다. 직류와 교류를 같이 사용하는 경우에는 교류 변압기가 의도하지 않은 대로 작동할 수도 

있으므로, 이러한 이중 전철화는 잘 사용하지 않는다.

프랑스와 이탈리아의 국경역인 모당 역에서는 프랑스 열차가 직류 1500V 제3궤조, 이탈리아 열차가 직류 3000V 가공전차선(초기에는 

3상 교류)을 사용한 적이 있었다. 프랑스 쪽에서 제3궤조를 가공 전차선으로 바꾸었을 때, 역 전체 전압이 1500V로 내려갔다. 

현재 이탈리아 열차는 이 역에서 전압을 바꾸어야 한다.

shelling은 당초에 고속선로에서 빈번하게 발생하였으나 근년에는 재래선에서도 그 발생이 보여지고 있다.

두부상면의 쉐링은 차륜과의 전동 접촉피로로 인하여 레일 두부상면에 균열핵이 형성되면서 차륜통과 횟수의 증가에 따라 피로 균열이 진전되어 두부 상면에 패임이 생김과 동시에, 수평열과 횡열이 진전되는 것으로, 차륜의 공전, 활주, 용접결함등 표면상에 조개 껍질모양의 형상을 나타내는 것을 shelling 이라 한다.

레일 쉐링을 방치하면 레일의 절손으로 이어진다. 그리고 차량의 진동이 크게되고 승차감이 나쁘게 되며 소음이 크게된다.  따라서 쉐링이 발생되면 즉시 레일을 삭정하여 안전하게 열차가 운행되고 레일의 수명을 증가되게 해야 한다

가공경화란 변형경화라고도 한다. 금속의 경도는 변형의 정도에 따라 커지며, 어느 가공도 이상에서는 일정해진다. 인장시험의 응력(변형력) - 변형률 그래프에서, 탄성한계의 끝인 항복점에서는 미끄럼 현상이 일어나는데, 이것이 끝나면 그 이상의 응력에 대해서는 강한 저항을 보인다.

이러한 가공경화가 일어난 부분을 가공경화층이라 하며, 이 부분에 해당하는 응력이 가해진 재료는 원재료보다 탄성한계나 항복점이 높아져 소성변형이 일어나기 어렵게 되어 단단한 성질을 보이게 된다.

특히 레일과 같이 하중이 반복적으로 이루어지는 곳에서 나타나게 되며, 조직은 탈탄층과 유사한 페라이트조직으로 이루어지게 된다.  하지만 조직이 심부의 조직과 달리 미새하게 되어 경도값은 높아지는 현상이 나타나 내마모성에서 약한 성질을 가지게 되어 균열이 쉽게 일어나게 된다

- 강도와 경도의 강화
- 취성 성질로 변형
- 내 마모성의 약화