R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C098410-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도 진동소음 저감형 고분자 압전소재 및 자가발전 시스템 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-24 ~ 2017-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 임유진 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 70,000,000 원 계 : 270,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 140,000,000 원 계 : 540,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 배재대학교 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-002015-015 | |||||
| ISBN | 11-1613000-002015-015 | |||||
| 주요 내용 |
○ 철도궤도는 고속 주행하는 중량 차량을 안전하게 안내(유도)하고 지지하는 구조물로서 일반적으로 상당한 크기의 진동을 유발함. ○ 철도진동에 대한 대책공법은 주로 1)궤도에 직접 적용하는 기술인 레일패드, 방진패드 및 방진슬래브 또는 방진매트 등의 자재나 공법을 이용하는 기술과 2) 궤도근접지에 방진구 및 방진재, 방진벽을 설치하기 위한 설계 및 공법개발이 주로 이루어져 현장에 적용되고 있음 ○ 특히, 궤도에 직접 적용하는 방진(진동저감)기술은 1)방진침목시스템, 2)플로팅시스템, 3) 매입형 레일 시스템 및 4) 방진체결 시스템 등으로 구분할 수 있음 ○ 그러나, 현재 일반적으로 사용되는 방진패드는 진동저감 외에 별도의 기능을 발휘하지 못하고 있음. 궤도 각부를 구성하는 레일, 체결구, 침목, 패드 등은 중량의 철도차량에 의해 높은 하중을 반복적으로 받음. 이러한 각 궤도구성품을 압전소자가 매립된 패드, 매트 및 침목 등으로 개발함으로서 열차주행에 의한 진동을 저감시키는 기술과 압전소자 등 에너지 수확장치에 의한 발전을 동시에 이루는 복합기술은 고부가가치 신기술이 되어 새로운 산업수요를 창출할 수 있음. ○ 특히, 대도시 주요 교통수단으로 채택되고 있는 도시철도(지하철)와 향후 국내에 본격 도입되는 노면전차(트램)는 주행차량에 의해 발생하는 진동과 소음이 도시 주거환경을 침해하는 빈도가 높아 이를 저감할 필요성이 높아지고 있으며 차량 주행횟수가 매우 높은 점을 이용하면 진동저감과 동시에 압전소자 등을 활용한 자가발전 시스템은 매우 효과적인 에너지수확 장치가 될 수 있음 [최종목표] ○ 철도궤도는 고속 주행하는 중량의 차량을 안전하게 안내하고 지지하는 구조물로서 상당한 크기의 진동을 유발함. 진동의 저감과 궤도 안정성 확보를 목적으로 레일패드, 방진패드 및 방진슬래브, 매트 등의 자재와 공법을 이용하는 기술이 적용되고 있음. 본 연구는 일반적인 방진패드 등을 대체할 목적으로 궤도구조에 압전소자가 매립된 고분자 압전소재(패드 등)를 개발하여 열차주행에 의한 진동저감과 압전소자 활용 자가발전장치에 의한 발전 및 궤도진단 모니터링 복합기술을 개발하는 것이며 고부가가치 신기술이 되어 새로운 산업수요를 창출할 수 있을 것으로 판단됨. 연구목표는 다음과 같이 크게 세 영역으로 구분할 수 있음. - 철도궤도 진동에 기반한 압전소자 이용, 자가발전 시스템 개발 - 철도궤도 진동소음 저감형 고분자 재료 압전소재 개발 - 압전소재 활용 철도변 위치 파악 및 궤도 안전진단 모니터링 기술 개발 [연구내용 및 범위] ○ 철도에서 발생하는 진동소음을 저감함과 동시에 압전소자의 특징을 갖는 궤도소재 개발 ○ 철도궤도의 진동에너지를 활용한 압전소자 기반 철도발전시스템 개발 ○ 철도진동 기반 압전소자를 이용한 궤도 안전진단 모니터링 시스템 개발 - 국내외 압전소자 적용 사례 조사 - 압전소자 종류 및 성능 조사 - 기존 궤도 모니터링 기법 조사 - 수치해석 프로그램을 이용한 궤도의 진동발생 모델링 및 해석 - 패드 및 매트 소재특성별 철도 차량하중에 의한 진동발생 동적 거동 분석 - 철도궤도 진동 발생저감을 위한 고분자 재료 합성완성 - 진동발생 저감형 압전소재(압전소자+고분자재료) 기본모형 개발 - 철도궤도의 진동저감형 자가발전 시스템 기본 모형 설계 - 압전소재 활용 자가발전형 패드, 매트 및 침목의 궤도상 최적설치 위치 설계 - 압전소자 기반 궤도모니터링 기술 기본모형 설계/회로구성 - 신 개발된 진동발생 저감형 패드 및 매트를 적용한 동적 거동 분석 - 수치해석을 통한 진동발생 저감형 압전소재 적용성 분석 - 철도궤도 진동 발생저감을 위한 고분자 재료 개발 완성 - 진동발생 저감형 압전소재(압전소자+고분자재료) 개발 완성 - 철도궤도의 진동저감형 자가발전 시스템 mock -up 설계 완성 - 압전소재 활용 자가발전형 패드, 매트 및 침목의 궤도상 최적설치 위치 설계 완성 - 압전소자 기반 궤도모니터링 기술 모형 개발 ○ 적층 또는 삽입구조 형태의 압전소재를 개발하여 방진 및 압전 성능이 뛰어난 철도레일용 고내구성 방진·압전 복합패드 개발 ○ 압전소자를 이용한 자가 발전시스템은 압전소자 고유 특성과 압전소자가 장착되는 환경에 의해 동작특성이 정해지므로 효율적인 자가발전을 위해서 압전소자 이용 자가발전 동작 모델 개발 및 자가발전시스템 제작 ○ 압전소자를 활용한 열차 속도, 무게, 압력(응력), 위치 등을 모니터링할 수 있는 궤도 안전진단 및 검측 보조시스템 개발 □ 추진내용 ○ 철도궤도의 진동특성에 적합한 압전소자의 공학적 특성을 정량화하기 위하여 각종 분석과 시험을 실시하고 공학적인 특성을 파악함 ○ 진동저감형 압전소재(압전소자+폴리머 캡슐레이팅 적층구조)의 공학적 특성을 정량화하기 위하여 필요한 분석과 시험을 실시하고 공학적인 특성을 파악함 ○ 압전소자 활용 회로구성 및 궤도안전 진단 모니터링기술 개발을 위하여 국외 철도 선진국 개발사례를 조사하고 분류하며 기본 모형설계 시안을 제시함 - 철도차량 주행시 궤도 진동 발생메카니즘 분석 - 철도궤도 진동 발생저감을 위한 고분자 재료 개발(선별완료) - 진동발생 저감형 압전소재(압전소자+고분자재료) 기본모형(합성구조) 개발 - 철도궤도의 진동저감형 자가발전 시스템 기본 모형 설계 - 압전소자 기반 궤도모니터링 기술 기본모형개발 - 압전소재 궤도정착시 철도궤도의 구조안정성검토 및 사용성에 대한 분석 |
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