| 연구개발개요 |
[1세부]○ 철도차량의 동절기 피해조사를 통하여, 겨울철 눈과 얼음, 빙점 이하의 저온으로 인한 동절기 피해가 지속적으로 발생 됨○ 철도운영기관에서는 자체적으로 고속선 설빙피해 예방 및 대응을 위하여 운영 및 유지보수 관점에서의 대책을 수립하여 대응하고 있지만 한계점을 가지고 있음○ 착설방지 설계기술을 확보하기 위하여 선행적으로 착설 현상의 메커니즘을 규명해야 하며, 이를 위하여 착설에 대한 실험적 연구를 통해 정교한 물리 모델링을 개발하고, 이를 시뮬레이션으로 구현할 필요○ 이러한 동절기 피해는 고속철도 개통 이후 지속되고 있는 실정이며, KTX-산천 도입 이후로 증가 추세에 있음○철도운영기관에서는 자체적으로 고속선 설빙피해 예방 및 대응을 위하여 운영 및 유지보수 관점에서의 대책을 수립하여 대응하고 있지만 한계점을 가지고 있음 -. 고속선 설빙피해 대책 : 자갈비산방지 네트, 감속운행, 인력에 의한 차량 제빙 등 ○ 친환경 철도차량용 제빙액(De-icing Fluid) 개발의 필요성 -. 지금까지 철도산업 분야에서는 화학적 방법의 사용이 많은 주목을 받지는 못하였으나 눈과 얼음을 녹이는데 가장 흥미로운 방법이 될 수 있음. 특히, 프로필렌글리콜은 물이나 공기보다 에너지를 더 잘 전달하기 때문에 열 제빙작업시간을 단축할 수 있음 [2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발○ 착설 현상은 내리고 있는 눈송이(snow flake)가 고속 주행 중인 열차에 충돌하여 부착하거나 지면에 쌓여 있는 눈 입자가 열차풍에 의해 비산(飛散, Saltation)하여 열차에 붙어서 발생하는 것으로 알려져 있음.○ 기상학적 조건과 철도 차량의 운용 조건에 따라 착설 발생 주요 위치와 강도에 차이 - 기상학적 조건 : 기상학적 조건에 의해 눈의 특성 변화가 발생함 주로 대기 온도와 습도에 따라 ▲눈의 함습률과, ▲열차 표면 부착성의 차이가 발생, ▲눈송이의 크기와 형상, ▲눈송이의 거동 특성이 결정 되므로 기상학적 조건에 대한 기초적인 연구 필요 - 운용 조건 : 대차부의 크기와 형상, 운용 속도는 ▲눈송이 궤적, ▲부착성, ▲표면 열전달 특성을 결정하므로 해석 대상이 되는 열차의 운용 조건을 고려한 실험 및 수치적 연구가 필수적 ○ 대차부 착설 현상은 기상학적 현상과 관계가 있는 눈의 특성, 눈의 특성에 따른 눈의 거동 (다상 유동), 열차 풍에 의한 비산, 표면 소재에 따른 눈의 부착성, 부착된 눈의 상변화 등의 복잡한 물리적 현상이 다학제적으로 결합 ○ 국내외에서는 착설 환경에서 실차 운행 전후 관측, 환경 모사 풍동을 이용한 실험과 시뮬레이션을 바탕으로 착설을 이해하고, 이를 예방하거나 착설에 의해 발생하는 문제를 해결하기 위한 연구 활동 수행[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 선로전환기는 하나의 선로에서 다른 선로로 분기하기 위해 설치된 분기부의 방향을 변환시키는 장치를 말하며 전철기라고도 함. 선로전환기의 경우 차량의 방향 전환 시 매우 중요한 기기이므로 운용의 신뢰성 및 차량 주행 안정성을 제공할 수 있어야 함. 그러나 선로전환기는 노반에 놓여있기 때문에 분기부 사이의 적설이나 동결 현상에 의하여 밀착불량을 일으켜 열차의 운행 장애로 이어지기도 하는데, 이는 고속철도, 일반철도, 도시철도 구간 모두에서 발생하고 있음○ 현재 국내의 선로 분기부에서는 동절기 결빙을 방지하기 위해 열선을 설치하여 선로전환기의 주요 동작부의 제설 및 방빙을 수행하고 있으나 이러한 방식은 전력 소모량이 매우 커 운영상의 효율 문제를 야기하고 있음○ 국내에서는 선로 분기부의 히팅장치로 레일히터를 적용 중이며, 레일히터의 방식은 열선으로 선로에 부착되어 열이 전도되는 방식임○ 따라서, 기존의 직접가열방식이 아닌 새로운 히팅시스템이 요구되는 실정이며, 선로분기부의 적설에 대응하고 결빙을 방지하기 위한 새로운 히팅 시스템을 통해 전기적 효율과 열 효율을 높이는 연구가 매우 시급함○ 일반적으로 열선 설치의 한계로 인해 노반상에 설치되어 있는 선로전환기 전체에 열전도를 통한 히팅이 용이하지 않음. 2001년 2월 발생한 전국적인 폭설 이후 선로전환기에는 제설 및 결빙 방지를 위한 히팅 장치가 설치되어 있지만 장애가 지속적으로 발생하고 있으며, 이는 선로전환기용 융설장치가 일정 수준 이상의 강설에는 제 역할을 하지 못하고 있음을 보여줌. 따라서 현재는 일정 수준 이상의 폭설 시에는 인력 제설을 별도로 실시함○ 특히 고속선에서는 열차운영 시간대에 선로전환기가 동결되었을 경우, 작업자의 안전문제로 유지보수가 어렵기 때문에 폭설 예상 시, 선로전환기를 고정하여 사용하고 있는 실정임. 따라서 융설 효율 향상을 위해 히팅 시스템과 혼용하여 적설을 방지할 수 있는 별도의 기술 개발이 요구됨
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| 연구내용 및 범위 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발○ 고속철도차량 De-icing 시스템 개발○ De-icing Fluid 기술개발[2세부과제] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발○ 착설 현상 규명 및 수치적 모델 개발○ 착설/설빙 해석 시뮬레이션 기술 개발○ 유지보수성을 고려한 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발[3세부과제] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 분기부 Anti-icing 시스템 개발[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발○ 연구개발의 창의성 국내외 최초 고속철도용 기구적, 화학적, 송풍 방식을 혼용하여 시스템에 적용하고자 하며, 성능의 안전성과 효율을 극대화하는 창의적인 시스템을 구상함. 1) 기구적 진동방식 차량의 진동을 이용하여 빙결의 낙하 유도를 통해, 육방정계 얼음을 제거하는 방식 2) 화학적 제빙방식 빙점강하를 통하여 빙결조직의 용해 및 방빙효과를 함께 줄수 있는 친환경적 용액을 개발하여, 육방정계 얼음과 비결정질 얼음을 함께 제거하는 방식 3) Blower 제빙방식 60도의 온풍을 40m/s 속도의 면분사를 통하여 욱방정계 얼음과 비결정질 얼음, 안착된 눈을 모두 제거하는 방식[2세부과제] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발○ 기존의 대차부 착설 관련 연구는 항공기 착빙 해석 기법 등에서 사용하는 해석 기법들을 차용하고 있으며 착설과 착빙의 물리적 특성이 달라 정확도가 상대적으로 떨어짐○ 특히 국내 대차부 착설에 관한 연구들은 착설에 의해 발생하는 피해를 예방하기 위한 규제를 마련했지만 피해발생원인과 효율적인 해결방안을 찾지 못함 ○ 유사한 연구 사례로 전선에 대한 착설 연구가 있지만 실린더 형태에 대한 부착성 연구만 이루어진 상태이며 비산과 같은 열차 착설에 발생하는 현상에서 차이점이 커 대차부 착설에 그대로 적용하는 것은 불가능함○ 따라서 본 연구는 눈의 궤적, 눈의 부착성 및 열역학적 특성, 비산 특성 등 착설 현상의 특성에 대한 각각의 실험을 통해 수치적 모델을 자체적으로 개발하여 시뮬레이션 기술에 반영, 해석의 정확도를 높이고자 함○ 시뮬레이션 기술이 개발되면 대차부에서 발생하는 착설현상을 규명하고 이를 반영하여 효율적인 착설 방지 Anti-icing 설계 기술 개발가능○ 기존의 대차부 착설 방지에 관련된 연구들은 운행조건에 대한 규제, 설빙피해를 줄이는 방지 대책이 대부분이지만 본 연구의 경우 개발된 시뮬레이션기술을 통해 대차부에서 발생하는 착설현상을 파악하여 효율적인 방지 장치의 개발이 가능함[3세부과제] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 연구개발의 창의성 ？ 현재 철도 선로에 적용되어 있는 직접가열 방식의 히팅시스템(열선)은 재료의 도전율과 열전도율이 낮아 전기적 효율과 열전달 효율이 매우 낮음 ？ 따라서 열손실을 방지할 수 있는 열유체 형상 설계기술을 결합한 고효율의 히팅시스템 기술의 연구개발이 필요함 ？ 제안하는 간접발열방식 중 하나인 면상발열방식 히팅시스템은 높은 전력밀도(44W/cm2)로 고효율의 열전도가 가능하며, 급속 가열이 가능한 장점을 가지고 있으며, 필요 부위만을 위한 전력분배, 모듈 슬림화로 인해 원하는 크기, 형상으로 설계가 가능하고 공간적 제약을 해결할 수 있는 기술임 ？ 면상발열방식은 기존의 열 전도방식이 아닌 면상발열체를 이용하여 열을 발생시키고, 이를 가열판을 통해 분기부에 열이 전달되도록 함으로써 기존의 기술과는 차별성이 있으며, 국내외에서는 간접가열방식의 히팅시스템이 적용된 사례가 없으므로 창의성을 내포하고 있음 ？ 제안하는 간접발열방식 중 하나인 유도발열방식 히팅시스템은 대면적 발열 메커니즘으로 레일의 열구배를 완화하여 열응력을 저감하고 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 유도발열 시스템의 열유체공학적 설계로 대기로 방출되는 열손실을 저감하여 추가적으로 에너지 효율을 향상시킬 수 있음 ？ 또한 지능형 분기부 열유동 제어시스템은 궤간에 설치된 전철기의 적설 방지를 위하여 궤간에 설치되는 컴팩트한 유동 제어시스템으로써 작은 에너지로도 구동이 가능하도록 하며, 기후조건을 감지하여 최적의 유량, 온도를 유지하도록 함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있음 ？ 또한 유도발열방식은 열 전도 방식이 아닌 자속을 이용하여 와전류를 발생시키고, 와전류에 의해 열이 발생하는 원리로 전기적 효율과 열 효율을 높일 수 있는, 기존의 기술과는 차별성이 있으며, 국내에서는 연구개발과제로 진행된 이력이 없으므로 충분히 창의성을 내재하고 있음
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