유연다물체동역학을 이용한 톱니바퀴식 모노레일의 래크 및 레일 유지관리방안 = Maintenance Methods for the Rack Gear and Rail of Rack-and-pinion Type Monorail System Using Flexible Multibody Dynamics

국문 초록 (Abstract)

제목 : 유연다물체동역학을 이용한 톱니바퀴식 모노레일의 래크 및 레일 유지관리방안 최근 국내에서 관광용 모노레일의 수가 증가함에 따라 이에 따른 사고 및 운행장애도 함께 증가하고 있으나, 이러한 사고와 운행장애를 방지하 기 위한 유지관리 체계는 미흡한 상황이다. 특히, 국내 관광용 모노레일 중 가장 많은 비중을 차지하는 톱니바퀴식 모노레일 시스템은 잦은 운행 장애 외에 최근 탈선사고로 다수의 부상자가 발생하는 등 다양한 문제를 겪고 있으나, 이러한 문제를 근원적으로 해결하고 사고를 효과적으로 방 지하기 위한 체계적인 접근이 필요하다. 이 연구의 목적은 유연 다물체 동역학을 활용하여 톱니바퀴식 모노레일 의 래크 및 레일 유지관리 방안을 제안하는 것이다. 이 연구의 목적을 달성하기 위하여 톱니바퀴식 모노레일의 래크-피니언 시스템 및 Hertz 접촉이론과 다물체 동역학에 대한 이론 및 적용 방법을 분석하고 이러한 방법을 적용하여 톱니바퀴식 모노레일 시스템의 동적 거동을 분석하였 다. 현재 운영 중인 톱니바퀴식 모노레일의 현황과 구조적 특성을 조사 하고, 과거 발생한 사고 및 손상 사례를 분석하여 잠재적 위험 요소를 식별하였다. 또한, 현행 법령에 명시된 설계 및 유지관리 기준을 검토하고, 유연다물 체동역학 시뮬레이션 결과를 바탕으로 레일과 래크-피니언 시스템에 대 한 개선된 유지관리 기준을 제시하였다. 이 연구 결과는 향후 모노레일 시스템의 안전성 향상과 운영 효율성 증대에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid increase in tourist monorails in Korea, related accidents have also increased. However, despite this increase in accidents, maintenance management systems remain insufficient in terms of established regulations. In particular, rack-and-pinion type monorail systems, which account for a large proportion of domestic tourist monorails, face various challenges in their structure and overall operation, requiring a comprehensive approach to address these issues.

The dynamic behavior of these systems was analyzed by reviewing and applying theoretical backgrounds including rack-pinion systems, Hertz contact theory, and multibody dynamics theory. The current status and structural characteristics of operational rack-and-pinion monorails were investigated, and maintenance criteria for tourist monorails were examined. Based on numerical analysis results using flexible multibody dynamics, new maintenance criteria for rail and rack-pinion systems were proposed, which are expected to contribute to system longevity and safety improvement.

In conclusion, scientific and systematic maintenance methods for rack and rail systems of rack-and-pinion monorails were proposed through numerical simulation analysis. These research findings are expected to make significant contributions to improving the safety and operational efficiency of monorail systems in the future.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 및 내용 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 2.1 랙-피니언 시스템의 개요 6
• 2.1.1 스퍼기어 6
• 2.1.2 래크-피니언 시스템 7
• 2.2 헤르츠 접촉응력 10
• 2.3 다물체 동역학이론 12
• Ⅲ. 톱니바퀴식 모노레일 13
• 3.1 톱니바퀴식 모노레일 현황 13
• 3.2 톱니바퀴식 모노레일 구조물의 특성 15
• 3.2.1 레일 16
• 3.2.2 래크-피니언 16
• Ⅳ. 톱니바퀴식 모노레일 유지관리기준 분석 18
• 4.1 궤도시설 점검․정비 요령 분석 18
• 4.1.1 일상점검 18
• 4.1.2 정기점검 18
• 4.1.3 분석 19
• 4.2 궤도시설 안전검사기준 분석 20
• 4.2.1 제3조 안전검사 20
• 4.2.2 분석 22
• 4.3 궤도시설 유지보수 매뉴얼 분석 22
• 4.3.1 레일 22
• 4.3.2 래크 23
• 4.3.3 분석 24
• Ⅴ. 수치해석 25
• 5.1 궤도 모델 25
• 5.2 차량 모델 28
• 5.3 해석 조건 32
• 5.4 수치해석모델 검증 32
• Ⅵ. 수치해석 결과 35
• 6.1 레일 35
• 6.1.1 레일마모 35
• 6.2 래크 41
• 6.2.1 래크마모 41
• 6.2.2 래크의 피치 간격 47
• 6.3 결론 63
• Ⅶ. 유지관리 방안 마련 66
• 7.1 레일 마모 기준 및 관리 66
• 7.1.1 레일 마모 발생 시점 및 한계 기준 세분화 66
• 7.1.2 마모 진행속도 관리 66
• 7.2 래크 마모 기준 및 관리 67
• 7.2.1 마모 허용치 재설정 67
• 7.2.2 백래시(Backlash) 증가 관리 67
• 7.3 래크 피치 간격 관리 기준 신설 68
• 7.3.1 시공단계에서의 피치 간격 공차 설정 68
• 7.3.2 운영단계에서의 피치 오차 점검 68
• 7.3.3 ±2.0mm 오차 발생 시 보수·교체 의무화 68
• 7.4 추가 권장사항 69
• 7.4.1 레일·래크 통합 관리 69
• 7.4.2 특별관리지역 지정 69
• 7.4.3 온도·습도 등 외부환경 변화 관리 69
• Ⅷ. 결론 70
• 참고문헌 72
• Abstract 74
• 감사의 글 75