R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201919RTRP-C127546-03 | |||||
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| 연구사업명 | 철도기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 동력분산형 고속열차 진동저감 및 활주방지장치(WSP) 고도화 기술개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2019-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 김석원 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
16명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 1,339,000,000 원 기업 : 448,334,000 원 계 : 1,787,334,000 원 |
총연구비 | 정부 : 4,684,000,000 원 기업 : 1,566,668,000 원 계 : 6,250,668,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국철도기술연구원 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B551201-000131-01 | |||||
| ISBN | 979-11-90705-27-1 | |||||
| 주요 내용 |
○ 국내 고속열차 기술개발은 한국형고속열차(HSR-350X) 기술개발을 통하여 동력집중식 고속열차 기술확보 및 KTX-산천, SRT로 상용화 성공하였음. 이를 바탕으로 국내 고속열차 기술의 해외진출을 지속적으로 모색하였으나 해외시장 환경변화(동력분산형 고속열차 요구)로 해외진출에 성공하지 못하였음 ○ 따라서 차세대고속철도 기술개발사업 및 실용화사업을 통하여 동력분산형 고속열차(HEMU-430X)의 개발하고 시스템의 성능 및 신뢰성을 확보하였으며, 이를 통하여 개발기술의 국내 실용화(EMU-250,300)에 성공하였음 ○ 세계고속열차 시장은 최근 5년간 상위 3개 제작사(알스톰, 지멘스, 봄바르디어)가 50% 이상의 시장점유율을 보유하고 있으며, 중국은 거대한 내수시장을 바탕으로 세계 고속열차 시장에서 점유율을 높여가고 있는 상황임 ○ 또한 차량공급사가 결정되지 않은 고속열차 시장이 45%로 예측되고 있어 이에 따른 글로벌 업체 간의 치열한 경쟁이 예견되고 있으며, 한국 역시 터키, 말레이시아-싱가폴과 같은 해외 고속철도 시장에 진출을 모색하고 있음 ○ 그러나 국내고속열차 기술의 해외고속열차 시장 진출은 선진업체의 기술발전 및 중국업체의 저가공세로 큰 어려움이 발생하고 있으며, 유럽의 철도차량 기술기준인 TSI(Technical Specification for Interoperability)를 만족하는 기술개발이 요구되고 있는 상황임 ○ 따라서 국내 고속열차의 해외진출을 위한 경쟁력 확보를 위해서는 운영자 요구 핵심성능에 대한 고도화가 필요하며, 특히 차량 진동 개선 및 활주방지장치(Wheel Slide Protection, WSP)에 대한 고도화가 필요함 - 현재 동력분산식 고속열차(HEMU-430X)의 차체진동 및 승차감은 국제 요구기준을 만족하고 있으나, 해외 동력분산식 차량 대비 차체의 진동특성은 비교열위에 있음 - 차체 진동 및 승차감 고도화를 위하여는 진동 발생원인, 전달경로 파악 등 차량시스템 전체에 대한 검토를 통하여 현가장치 특성의 최적화 설계기술이 필요함 * 차체 진동 전달 특성 분석 기술 확보를 통한 현가장치 특성 최적화 설계 필요 - 제동시스템은 차세대고속철도기술개발사업에서 개발업체의 한계로 인하여 해외제품을 적용하고, 실용화기술개발과제에서 일부 차량에 대하여 국산화 개발품을 적용 기본 성능을 확인하였음 * 제동제어장치는 국내 개발하고, 디스크, 캘리퍼, 활주방지장치 등은 해외제품 아웃소싱 후 일부 국산화 개발 - 활주방지장치(WSP)는 제동 과정에서 발생할 수 있는 활주 제어를 통하여 제동거리 확보 및 차륜 찰상을 방지하기 위한 주요 핵심장치로서 유럽 TSI(Technical Specification for Interoperability) 대응 시 가장 큰 문제가 있는 장치임 * 유럽 TSI에 따른 시험방법 및 절차는 매우 복잡하고 다양한 시험을 요구하고 있으나, 국내에서는 단순한 동작여부만 확인 * 국내 고속열차 차륜찰상에 대한 차륜 삭정 등 유지보수 비용 절감을 위한 고도화된 활주방지제어 알고리즘 적용 및 활주방지장치 개발 필요 ○ 또한 국내기술로 상용화된 동력집중식고속열차(KTX-산천, SRT)의 경우에도 운행초기에 개선요구가 필요한 부분으로 차체진동 및 제동장치가 많은 부분을 차지하였으며, 동력분산형 고속열차의 경우에도 이용 승객들의 요구수준이 높아짐에 따라 보다 향상된 성능을 확보할 필요가 있음 - 활주방지장치의 경우에도 활주에 따른 차륜손상을 최대한 억제하여 유지보수 비용 절감 및 차량 운행안전성의 향상이 필요함 ○ 따라서 본 연구과제는 동력분산형 고속열차의 최적 차륜ㆍ현가장치 파라미터 도출하여 차체 진동을 현재 대비 개선 및 해외 동등수준 이상의 진동성능을 확보하고, TSI기준에 맞는 활주방지장치 고도화 기술을 개발하여 국내 고속열차 기술의 해외진출 경쟁력을 확보 및 국내 고속열차 성능 고도화를 통한 국내 고속열차 서비스의 승객 편의성/운행안전성 향상을 목표로 함. [최종목표] □ 최종목표 ○ 동력분산형 고속열차 진동저감 기술개발 - 최적 차륜ㆍ현가장치 파라미터 도출 및 차체 진동 현재 대비 개선 ○ 동력분산형 고속열차 활주방지장치(WSP) 고도화 기술개발 - TSI 기준 만족여부 확인이 가능한 성능평가절차서 개발 - TSI 성능평가 기준을 만족하는 WSP 개발 □ 세부목표 ○ 동력분산형 고속열차 진동저감 기술개발 - 진동전달 경로 분석 등을 통한 차체 진동발생 원인 분석 및 규명 - 차량 현가장치 및 휠 프로파일 최적 파라미터 도출 - 최적 파라미터 현차 적용을 통한 설계 검증 ○ 동력분산형 고속열차 활주방지장치(WSP) 고도화 기술개발 - TSI 성능평가 기준 및 인증 절차 분석 - TSI 기준 만족여부 확인을 위한 성능평가절차서 개발 - WSP 제어 알고리즘 및 H/W 개선 - 시제품 제작 및 성능 검증 : 상기 성능평가절차서를 통한 시제품 성능 만족 여부 확인 [연구내용 및 범위] □ 동력분산형 고속열차 진동저감 기술개발 ○ 동력분산형 고속열차 진동분석 기반 구축 및 현가장치 특성에 따른 차량 동특성 분석 - 철도차량 진동전달 경로 분석 등을 통한 차체 진동발생 원인 분석 - 국내 선로 여건 분석을 통한 현차시험 기준선로 선정 - HEMU-430X 현차시험을 통한 동력분산형 고속열차 현재 진동 수준 파악 및 진동저감 성능목표 설정 - 차량 동특성 해석을 통한 주요 현가장치 및 차륜 프로파일의 영향도 분석 ○ 차체 진동저감 설계(안) 및 현가장치· 휠-프로파일 최적 파라미터(안) 도출 - 차체진동 원인규명 및 진동저감 설계(안) 도출 - 차량의 각 현가장치 및 차륜 프로파일의 영향도(민감도) 평가 - 현가장치· 휠 프로파일 최적 파라미터(안) 도출 - 현가장치· 휠 프로파일 최적 파라미터(안)의 현차 적용시험을 위한 인터페이스 검토 및 설계 ○ 차체진동 저감을 위한 최적 파라미터(안) 현차 적용 시험 및 성능검증 - 저진동 차체설계 적용 방안 도출 - 동력분산형 고속열차 진동저감 방법 및 절차 정립 - 차륜 등가답면 구배 변화에 따른 진동 영향도 평가 - 차체진동 저감을 위한 최적 파라미터(안) 현차 적용 시험 및 성능검증 - 주행안정성을 고려한 단계별 증속시험 실시 □ 고속열차 활주방지장치(WSP) 고도화 기술개발 ○ 활주방지장치 TSI 기준/인증 절차 분석 및 성능평가를 위한 기반환경 구축 - WSP 관련 TSI 기준(EN15595) 문서 분석을 통한 주요 설계요구사항 및 필수 성능평가항목 도출 후 개발 WSP의 정량적 성능목표 설정 - HILS기반 WSP 성능평가를 위한 동역학모델(제동성능 및 슬라이드 모드)개발 및 성능시험 H/W 인터페이스(I/O 등) 검토 - 현차 성능시험용 국내 시험환경 검토 및 저점착 조건 형성을 위한 기본시험 수행 ○ 활주방지장치 성능개선 기본설계 및 TSI 대응 설계 프레임웍 구축 - 구성품(H/W) 기본 설계 및 차량 취부 인터페이스 검토 - WSP 제어로직 현재수준 분석 및 개선로직 설계 - HILS기반 성능평가를 위한 H/W 인터페이스 설계 - TSI인증에 대한 국제 공인기관 컨설팅 (설계 부분) ○ 활주방지장치의 TSI 기준 만족여부 확인을 위한 성능평가절차서(안) 도출 - WSP 성능평가를 위한 HILS기반 시뮬레이터 설계/제작 및 건조 레일 조건 제동시험을 통한 동역학모델의 적정성 검증 - 동역학 모델 개선(점착조건 모델, 마찰재 모델 등 추가) 및 개발모델의 시뮬레이터 반영 - 동역학 모델을 이용한 WSP 제어로직 성능개선 검토 - TSI기준 WSP 성능평가 주요 요구조건(저점착, 전차축 슬라이드 등) 구현 방안 도출 - 활주방지장치의 TSI 기준 만족여부 확인을 위한 성능평가절차서(안) 도출 ○ 활주방지장치 성능개선 상세설계 및 TSI 대응 부품/시제품 제작 - WSP 주요 구성품 H/W 상세설계 및 시제품 제작 - WSP 성능개선을 위한 개선로직 확정 및 제어보드에 적용 - 단품시험을 통한 구성품 기본성능 확인 - 시스템 설계완료 및 시제품 제작 - TSI인증에 대한 국제 공인기관 컨설팅 (부품 및 H/W) ○ WSP 성능평가절차서(안) 기준으로 시제품 성능검증 - 저점착 시험을 통한 동역학 모델 및 시뮬레이터의 적정성 검증 - 오송시험선을 활용한 현차시험(초저점착 시험, Drag시험 등) 요구조건 구현방안 도출 - WSP 성능평가절차서(안) 기준 시제품 성능검증 - TSI 기준 대응 WSP 최종 성능평가절차서 작성 및 기술기준안 수립 검토 ○ WSP 성능개선품 TSI 인증 준비 완료 - WSP 주요 구성품 H/W 및 개선로직이 포함된 제어보드 조합시험 - 최종 시제품 기본 성능 시험(환경, EMI 등)실시 및 공인인증 - 시제품 성능검증을 위한 현차설치 및 시험지원 - TSI인증에 대한 국제 공인기관 컨설팅 (성능인증 관련) |
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| 색인어 | 한글 | 고속열차 | 현가시스템 | 진동저감 | 활주방지장치 | 유럽 철도 상호운영을 위한 기술기준 |
| 영문 | High-Speed Train | Suspension System | Vibration reduction | Wheel Slide Protection | TSI | |
| 최종보고서 | 동력분산형 고속열차 진동저감 및 활주방지장치(WSP) 고도화 기술개발 최종보고서.pdf | |||||