R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C116386-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 고속철도(KTX) 운행 중 동력전달 차단 사고 발생 시에도 정상운행 속도를 보장하는 국내 고유모델의 다단계 퓨즈 내장형 동력전달 축 실용화 시제 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-27 ~ 2019-04-26 | |||||
| 연구책임자 | 이태영 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
10명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
34명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 365,000,000 원 기업 : 121,670,000 원 계 : 486,670,000 원 |
총연구비 | 정부 : 880,000,000 원 기업 : 293,344,000 원 계 : 1,173,344,000 원 |
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| 연구기관명 | (주)카템 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
1) 개발 대상품 가) 품명 : 고속철도(KTX)용 동력전달 축 (Telescopic 구동축) 나) 기능 : 견인 전동기에서 인출되는 회전동력을 차축에 전달하여 고속열차를 움직이게 하는 기본적인 동력전달 기능과 반대로 외부로부터 과도한 토크 (Torque) 유입 시 스스로 절손되어 동력을 차단함으로서 내부의 주요 부품을 보호하는 동력차단 기능을 동시에 발휘하는 고기능 핵심부품임 다) 현황 : 2004년 KTX 도입초기부터 GKN(영)사로부터 도입해 왔으며 KTX 46편승에 총 552개 장착, 운행 중. (KTX-산천은 2010년부터 VOITH(독) 제품 도입 적용 중) 라) 수입품 품질문제 발생 (사회적 이슈) ○ 도입 1년 후인 2005년부터 동력전달 축(Telescopic 구동축)이 예상 교환 시기보다 조기에 결합 또는 절손현상이 발생하였으며 이로 인한 지연운행으로 승객 의 불만고조 및 환불사태가 발생하는 등 고속철도의 승객 안전수송 측면에서 승객의 불안감을 가중시키는 사건으로 사회적으로 이슈가 되었음 ※ 관련근거 : 한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS) 보고서 (2008.10) "고속차량 동력전달장치 균열발생원인 조사보고서" ○ 당시 한국철도공사(KORAIL) 감사보고서에 의하면 그 수량은 2005년 5월 28일 최초 발생이후조사 진행 중이였던 2006년 06월 까지 총 6개에 달한다고 보고되어 있음 ○ 공급사인 알스톰사로부터 유지보수 지원으로 일부 개선된 제품으로 교체하였으나 유지보수 계약 종료 이후 현재는 KTX-산천용으로 VOITH(독)사의 유압식 동 력전달 축을 도입하는 등 이원화 운영 중이나 근본적인 해결책을 강구하지 못하여 많은 유지보수비용이 소모되고 있어 국부의 유출이 우려되는 상황임 ○ 따라서 국내 운영사인 한국철도공사(KORAIL)에서는 승객의 안전수송 확보차원에서 무엇보다도 시급하게 해결해야 될 고질적 품질문제로 분류하였으나 아직 도 근본적인 대책을 강구하지 못하고 있으며 단지 해외 도입품질 안정화에 의존하고 있음 마) 고객의 Needs : KTX 운행 중 과도한 Torque 유입으로 동력전달 축의 Safety-set이 작동되어 동력전달이 차단되는 비상 상황에서도 운행속도 저하 없이 320km/h 정상속도를 유지하여 승객을 안전하게 종착역 까지 수송할 수 있는 동력 전달 축 요구 (고객 : 한국철도공사(KORAIL)) [최종목표] 고속철도운행 중 외부의 과도한 Torque 유입으로 동력전달 축의 Safety-set이 작동되는 비상 상황에서도 320km/h 정상속도를 유지하여 승객을 안전하게 종착역 까지 수송할 수 있도록 하는 대한민국 고유모델의 고속철도(KTX)용 다단계 퓨즈(Multi-Stage Mechanical Fuse : MSMF) 내장형 동력전달 축(Telescopic 구동축)의 실용화 시제를 국내 자체기술로 개발하여 국, 내외 고속철도 시장에 상용화하는 것이 본 연구의 목표입니다. [연구내용 및 범위] 2-2. 연구개발의 내용 1) 고속철도용 다단계 퓨즈 내장형 동력전달 축 시제품 제작 (시제품개발 단계) 가) 기계식 동력전달 축 (Telescopic Shaft) : 기본성능 향상 - 2004년 고속철도(KTX) 도입초기부터 GKN Driveline(영)사로부터 도입 적용 - 도입 이후 잦은 품질문제로 공급사인 GKN사에서 2차례에 거쳐 설계 변경하는 등 성능수준 이 만족스럽지 못함 ; 동력전달 축 퓨즈 부 절손 발생으로 1차 개선 (2007.07.09), ; 동력전달 축 스플라인 부 균열 발생으로 2차 개선 (2008.09.18, TGV-POS품 적용) - 이러한 잦은 품질문제에 대응하기 위하여 2010년 운행 착수한 KTX-산천에는 VOITH(독)로부터 기계식 보다 고가의 유압식 동력전달 축 도입하여 적용 중이나 현재까지 국내 연구가 없어 근본적인 개선은 이루어 지지 않고 있음 - 사용 년 수 10년 이상 경과하여 향후 대량의 보수품 수요가 예상되나 국내공급사 없음 - 많은 유지. 보수비용과 KTX 잔여 운행기간을 고려 국산화개발을 포함 적절한 대응방안 시급 상황임 - 현재 국내 동력전달 축의 기술수준은 이미 상용차량 분야에서 상당히 높은 수준에 도달해 있고 이에 대한 성능을 입증할 수 있는 기본적인 시험설비도 비교적 잘 갖추어져 있어 일정부분의 투자가 이루어진다면 국산화개발에 큰 어려움이 없을 것으로 판단됨. - 국내 기술성숙도(TRL)는 4단계 완료 후 현재는 5단계 수준임 ; 시장조사 및 벤치마킹을 통해 GKN사 최종 개선품인 POS Type 일부 자료 확보 ; Reverse Engineering(역설계)과 Rapid Prototyping(쾌속조형) 기법 활용 3D 모델링 ; CAE를 활용한 FEM(유한요소모델링) 및 구조강도 해석, 고유진동수 해석 ; 3D 모델링 데이터를 기반으로 3D 프린팅 기법 활용 Mock-up 제작 ; 신뢰성평가를 위한 시험설비 검토 및 관련규격(RS-KIMM-2010-0082) 검토 완료. - 시제품제작단계 수행 내용 ; 형단조금형(Close Die Forging) 및 단조소재 확보 (석고 샘플제작으로 단조금형 검증) ; 생산 공정 Set-up 및 8sets 시제품 제작 (Fuse부 곡면 연마, 스플라인 부 치형 연마 등 정밀가공 공정 및 U/J부 조립공정) ; Universal Joint 구매사양 선정 (？83 x 192L, 호칭 : 390.60, 메이커 : GWB사) ; 소재 선정 (핵심부품인 MSMF부의 소재는 열처리 요구조건, 강도 및 내구수명을 만족할 수 있는 SNCM 또는 SCM440/420(H) 적용.) ; 1차시제 조립체 7대분 및 부품 1대분 추진 (동력전달 축 시험 2대분, MSMF 성능시험 4대분(비틀림 파단 2대, 피로 2대), 예비 2 대) ; 신뢰성시험항목 (신뢰성시험 규격 RS-KIMM-2010-0082 기준 총 8개 항목) 최대 굽힘각, 언밸런스량, 최대 회전속도, 동력전달 축 비틀림 최대강도 MSMF 예비 파단시험, MSMF 최종 파단시험, MSMF 비틀림 피로시험, 현차시험 나) 다단계 퓨즈 (MSMF : Multi-Stage Mechanical Fuse) : 차세대 성능추가 - 고객(한국철도공사)의 요구(Needs) ; Safety-set 작동되는 비상시에도 320km/h의 정상속도로 종착역까지 운행. - 기존 퓨즈의 개념 (비틀림 퓨즈) ; 단순구조의 비틀림 퓨즈의 개념으로 퓨즈 부가 파손(Safety-set 작동)된 상태에서 동력전축이 계속해서 고속회전을 지속하게 되면 파손부위의 심한 진동으로 동력전달 축에 충격이 발생하게 되고 이로 인해 차량의 서행 불가피해짐 Fuse부 (Safety set 기능 내장) - 신 개념의 MSMF (특허출원 완료) ; 핀 퓨즈(Pin fuse)와 판 퓨즈(Plate fuse)가 복합적으로 구성되어 외부로부터 과도한 토크유입 시 1차적으로 Pin fuse가 예비 파손되게 되고 2차적으로 Plate fuse가 계속해서 회전력을 전달하여 동력전달 기능을 수행 - 구동축에 적용 ; 타입 A, 타입 B 두 가지 방식의 다단계 퓨즈에 대해 특허 출원Load ; 개발품의 상용화 방식에 대해서는 본 연구를 통해 선정 및 적용 ; 1차 핀 퓨즈(적색)이 예비 절손되고 나면 2차 판 퓨즈(녹색)가 작동되도록 구성됨 ; 1차 핀 퓨즈(적색)이 예비 절손되고 나면 2차 판 퓨즈(청색)가 작동되도록 구성됨. |
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| 색인어 | 한글 | 동력전달 축 | 다단계 퓨즈 | 융. 복합 | 고속철도 | 국산화 |
| 영문 | Transmission Shaft | MSMF | Convergence | HST | Localization | |
| 최종보고서 | ★ 연구개발최종보고서_요약서(최종_업로드).pdf | |||||