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과제기본정보

철도 선로 진동소음 저감기술 사업화 연구3년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 22TBIP-C155692-03
국가과학표준분류 1순위 에너지·자원 | None | None 적용분야 환경
2순위 에너지·자원 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 개발
과제명 철도 선로 진동소음 저감기술 사업화 연구
주관연구기관 유니슨테크놀러지주식회사
총괄연구 책임자 성명 장강석
소속 (주)씨앤스파트너스 직위 CEO
전화번호 070-4800-3001 FAX -
총 연구기간 2020-04-27 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
3차년도 475,000,000 32,500,000 290,000,000 322,500,000 797,500,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 국토부 R&D 철도기술연구사업 ‘철도 선로변 지속가능 저소음과 기술개발’을 통해 비탄성 충돌을 적용한 50kg 레일 웹 댐퍼가 개발되었다. 연구중(2018.09) 인천 2호선 검단오류역~왕길역 최고속도 구간에 160m를 현장시공하여 궤도 감쇠율, 레일 진동 및 소음, 열차 실내소음 저감 성능을 검증하였다. 제품의 해체 및 재설치 가능성, 민원구간 적용을 위해 2018년 11월에 인천 2호선 검단오류역~왕길역에 설치된 제품을 철거하여 왕길역 인근 소음 민원 구간에 160m를 재설치하여 인접한 공동주택 12층에서 소음저감 성능을 평가하였다. 해당 기술과 관련하여 3건의 특허가 등록되었으며, 2019년 12월 한국철도기술연구원과 유니슨테크놀러지(주)와의 기술이전 협약이 체결되었다. 개발 시제품은 인천도시철도 2호선 검단오류역~왕길역 구간에 160m 18년 11월에 설치되어 현재 운영중이며, 계절별 장기 성능 모니터링 (진동소음 저감효과, 궤도에 미치는 영향 등) 이 이루어지지 못했다. 운영처인 인천교통공사에서는 본 기술의 장기성능 검증, 안정성 및 공인시험 결과가 확보되면 구매를 진행하겠다는 ‘구매의향서’를 확보하였다. 국외 제품의 경우 댐핑장치로 인해 파상마모 등 열차의 주행으로 인해 선로에 야기되는 마모발생 시점이 지연되거나 발생이 억제될 수 있다는 연구결과를 이용하여 홍보하고 있다. 궤도에서 발생하는 유지보수 및 궤도 구성품의 안전성 향상에 미치는 긍정적 영향을 추가로 연구하여 소음ㆍ진동 저감 성능과 궤도의 안전성 향상 및 수명연장에 대한 결과를 확보하면 철도 운영처는 매우 효율적 운영과 유지보수 절감의 효과를 얻는다. 현재 개발품은 인천 2호선 경전철 직결 궤도 구간에만 설치되어 있다. 단기간의 성능검증과 경전철 차량의 검증결과로 국내 철도의 대부분이 중전철 차량과 60kg 레일에 적용은 한계가 있다.
따라서 체결장치 및 충돌댐퍼의 성능을 고도화하여 중량궤도용 상용화 제품을 테스트베드 성능검증 및 기술 인증을 통해 사업화 연구가 절실한 상황이다. 본 연구 결과를 바탕으로 철도 운영처의 다양한 요구를 부합하는 상용화 제품을 완성할 수 있다.
또한 중전철, 국철 다양한 열차 운행선, 궤도 종류 및 철도 소음민원의 해소 대안이 미흡한 곡선부 등에 적용하기 위한 테스트베드 검증 및 데이터 확보에 대한 운영처들의 요구가 발생하고 있다. (신분당선, 서울교통공사, 한국철도시설공단 등) 본 기술은 철도 운행선에 시공되어 1년이 넘는 기간 동안 해당 선로에 열차가 상업운행 중이며, 열차의 주행 안전성이 확보됨이 증명되었다.
최종목표 본 연구는 운영처의 요구사항(장기성능 모니터링, 공인시험 결과 등)을 만족하여 방음벽 이외에 레일의 진동 및 소음원의 크기를 저감하는 새로운 기술로 방음 시장에서 기술 경쟁력을 확보하고, 레일 진동과 파상 마모와의 인과 관계를 도출하여 궤도의 유지보수 주기 절감, 레일 수명을 연장하는 기술을 개발하여 연구기간중 판매를 통한 사업화에 목적이 있다. 선행연구를 통하여 50kg 레일, 경전철 및 콘크리트 직결궤도 구간 제품을 개발하였고 단기간 성능 검증을 완료하였다. 최종 성과물은 적용 범위 확대를 위해 60kg 레일, 중전철 이상 및 궤도 종류에 따라 적용이 가능한 상용화 제품을 개발한다.
연구내용 및 범위 가. 1차년도
① 개발 목표
(1) 기존 제품 장기성능 모니터링(인천 2호선)
(2) 진동 감쇠 성능 개선을 위한 레일 진동 저감장치의 시스템 설계 및 체결구조 개선(50kg 및 60kg 레일)
(3) 레일 유지관리 현황 분석 및 모니터링
(4) 레일 진동ㆍ소음 저감장치 고도화 인자 도출 연구
② 개발 내용 및 범위
(1) 기존 제품 장기성능 모니터링(인천 2호선)
(2) 진동 감쇠 성능 개선을 위한 레일 진동 저감장치의 시스템 설계 및 체결구조 개선(50kg 및 60kg 레일)
설계 프로그랩의 DMU 모듈을 이용하여 트랙과 슬라브 사이의 협소 공간을 고려한 클립의 체결방식을 시뮬레이션하고 클립 사이즈를 최적화하여 체결성능을 보장한다. 또한 유한요소해석을 이용하여 체결클립의 설계지름과 재질을 선정하고, 압축량에 따른 클립의 응력해석을 진행하여 클립 설계 파라미터에 따른 안정성과 체결성을 확보한다.
(3) 레일 유지관리 현황 분석 및 모니터링
- 레일 연마, 보수, 교체 등 유지관리 현황 분석
- 레일 파상마모, 소음 및 궤도 동적 감쇠율 측정 및 분석
(4) 레일의 파상마모 모니터링 및 분석
(5) 레일 진동ㆍ소음 저감장치가 궤도에 미치는 영향인자 측정 및 분석, 설계보완 요소 연구

나. 2차년도
① 개발 목표
(1) 고도화 제품 초도품 설계 및 시험체 제작
(2) 궤도의 진동 부담력 저감과 레일 진동ㆍ소음 저감을 위한 레일 웹 댐퍼의 현장 적용성 연구
(3) 개발품 체결 상태 안전성 공인시험
(4) 테스트베드 선정, 시제품 제작 및 시험부설
(5) 테스트베드 시공 전/후 성능평가
(6) 비즈니스 모델 및 마케팅 전략 수립
(7) 레일 진동ㆍ소음 저감장치고도화 보완설계 연구
(8) 테스트베드 시공 전 궤도 특성 모니터링
② 개발 내용 및 범위
(1) 고도화 제품 초도품 설계 및 시험체 제작
(2) 궤도의 진동 부담력 저감과 레일 진동ㆍ소음 저감을 위한 레일 웹 댐퍼의 현장 적용성 연구
(3) 개발품 체결 상태 안전성 공인시험
EN 13146-4 : Railway applications - Track - Test methods for fastening systems - Part 4: Effect of repeated loading의 시험방법을 적용하여 국외 제품과 동일한 300만회 피로 시험 수행
(4) 테스트베드 선정, 시제품 제작 및 시험부설
(5) 테스트베드 시공 전/후 성능평가
(6) 비즈니스 모델 및 마케팅 전략 수립
(7) 레일 진동ㆍ소음 저감장치고도화 보완설계 연구
(8) 테스트베드 시공 전 궤도 특성 모니터링

다. 3차년도
① 개발 목표
(1) 테스트베드 장기성능 모니터링
(2) 테스트베드 장기성능 공인시험(진동ㆍ소음)
(3) 장기성능 모니터링 및 저감 성능 공인시험
(4) 신기술 인증
(5) 레일 진동ㆍ소음저감장치 설치 후 궤도특성 변화 모니터링
(6) 신기술 인증 공동 추진

② 개발 내용 및 범위
(1) 테스트베드 장기성능 모니터링
(2) 테스트베드 장기성능 공인시험(진동ㆍ소음)
(3) 장기성능 모니터링 및 저감 성능 공인시험
(4) 신기술 인증
(5) 레일 진동ㆍ소음저감장치 설치 후 궤도특성 변화 모니터링
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
3차년도 1. 레일 진동ㆍ소음저감장치 시제품 운행선(기존 제품TESTBED) 현장성능 장기모니터링
2. 고도화 제품 시스템 설계 및 체결구조 개선
3. 레일 진동소음 저감장치 철도현장 사업화 전략 수립
4. 개발품이 궤도에 미치는 영향인자 측정 및 분석
5. 파상마모 모니터링 및 분석
6. 레일 유지관리 현황 분석 및 모니터링 		1. 레일 진동ㆍ소음저감장치 시제품 운행선(기존 제품TESTBED) 현장성능 장기모니터링
- 인천 2호선 기존 제품 설치 구간 장기성능 모니터링(인천교통공사 구매의향서 요구사항)
- 레일 진동소음 저감장치 시제품 운행선 성능 모니 터링 및 분석
2. 고도화 제품 시스템 설계 및 체결구조 개선
- 조건별 설계 파라미터 도출 및 정량화
- 궤도 종류별 충돌 댐퍼의 궤도 감쇠율 튜닝
- 50kg 및 60kg 레일 체결구조 개선
3. 레일 진동소음 저감장치 철도현장 사업화 전략 수립
- 철도 운행 운영처 현장 의견수렴
- 설계보완 요소 연구
- 사업화 위한 설계변경 연구
4. 개발품이 궤도에 미치는 영향인자 측정 및 분석
- 레일 진동이 궤도에 미치는 영향인자 측정 및 평가
5. 파상마모 모니터링 및 분석
- 파상마모 현황 모니터링 및 성장 상태 분석
6. 레일 유지관리 현황 분석 및 모니터링
- 도시철도 레일 유지관리 종류 및 주기 현황 분석
연구성과 기술적 기대성과 - 인천 2호선 시범설치 현장 계절별 소음저감 성능 장기 모니터링
- 60kg 중레일용 제품 설계 및 시제품 제작
- 차량 및 궤도 구조를 다양화하여 테스트베드 현장부설 및 성능 검증
- 비탄성 충돌 역학을 이용한 목표 주파수 튜닝 기술 고도화(궤도 구조별 튜닝 인자 정립)
- 관련 공인시험(저감성능, 체결 클립의 안전성 등) 및 신기술 인증
- 레일 진동과 파상 마모, 레일 수명과의 상관관계 도출
사회 경제적 파급효과 1. 경제적ㆍ산업적 측면
철도 운영처는 그동안 철도 소음 민원을 많은 예산을 투입하여 방음벽을 건설하였다. 본 기술이 보급되면 방음벽 건설을 최소화 할수 있어 철도 소음 문제를 해결하는 비용을 절감 할 수 있다. 또한 방음벽 건설이 최소화 되어 방음벽 유지보수 비용도 절감이 가능하다. 또한 레일 진동으로 인해 발생하는 레일의 유지보수, 궤도 구성품이 수명 연장이 가능하여 궤도 분야의 운영비용을 크게 절감할 수 있다.
2. 사회적 측면
철도소음 노출평가 및 노출인구 산정(I)(국립환경연구원, 2013)에 따르면 경부선 주변 지역의 경우 야간 철도소음관리기준인 60 dB(A)를 초과하는 인구 비율은 약 46,048명으로 나타났다. 철도소음이 3.0dB(A) 저감되면 야간 소음을 초과하는 인구는 2013년 기준으로 10,539명으로 개선된다. 소음의 사회ㆍ경제적 가치 추정을 위해 약 1,000명을 대상으로 소음으로 인한 불쾌감 수준과 이를 해소하기 위한 지불 의사액을 설문조사한 결과 소음 1.0dB 저감별 경제적 가치는 133,000원/인으로 나타났다.(배상액 현실화 방안, 환경부 중앙환경분쟁조정위원회, 2016) 신청기술은 일반 철도 소음을 3.0dB 이상 저감하는 기술로 경부선 적용에 따라 소음환경을 개선하는 사회적 비용을 141.7억원 절감할 수 있다.
활용방안 철도 운영처에서는 본 제품 적용을 위해서는 장기간의 성능검증 결과(체결 상태 피로시험, 저감 성능 등)와 공인시험결과를 요구하나, 중소기업에서 자체적으로 이를 수행하는데는 한계가 있다. 따라서 철도 운영기관, 한국철도기술연구원 등 전문기관과의 사업화 연구가 필요하다
본 사업화 연구의 최종목적은 현장 실증연구, 신기술 인증를 통하여 국내외 철도 현장에서 효율적으로 사용하기에 적합한 최종 제품의 사양을 도출하여 기술의 완성도를 높이고, 국내외 시장에 성공적으로 진출하는 것이다.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 레일 진동 레일 파상마모 레일 웹 댐퍼 열차 실내소음 레일 유지보수
영문 Rail vibration Rail corrugation Rail web damper Train interior noise Rail maintenance
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