자기조향 기능을 구비한 틸팅차량용 주행장치 개발 기술

기술개발 내용 및 파급효과 1. 개발기술의 내용 및 특징 산악지형인 우리나라는 철도에는 곡선부가 많으며, 이 곡선부가 속도향상의 저해요인으로 작용하고 있다. 따라서 국내 기존철도의 속도향상은 직선부의 최고속도 향상과 병행하여 곡선부에서의 속도향상이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 여기서 소개하고자 하는 기술은 자기 조향기능과 틸팅기구장치를 구비한 틸팅열차의 주행장치에 대한 기술로서, 현재 건설교통부 주관 하에 수행중인 철도기술연구개발사업의 인환으로 개발 중인 최고속도 200km/h의 한국형 틸팅열차(Korean Tilting Train eXpress)의 주행장치로 적용되고 있다. 틸팅열차란 차체를 경사시켜 원심가속도를 상쇄함으로서 곡선궤도를 고속으로 주행할 수 있는 차량으로, 원리는 다음과 같다. 곡선궤도 주행시 차체를 곡선의 내측으로 기울임으로써, 원심가속도의 횡방향 성분을 중력가속도의 횡방향 성분으로 감쇄시켜 승객이 느끼는 횡가속도를 저감시키는 원리이다. 곡선부에서 일반열차와 틸팅열차의 곡선통과 자세는 <그림 1>과 같다.

곡선부에서 승객이 느끼는 횡가속도성분은 식(1)과 (2)와 같다. 일반열차의 미보상 횡가속도 :　 (1) 틸팅열차의 미보상 횡가속도 :　 (2) 여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다. a f : 곡선부에서 승객이 느끼는 미보상 횡가속도 a c : 곡선부에서 작용하는 순수횡가속도 g : 중력가속도 Φ : 캔트 (트랙의 곡선부에서 횡가속도 보상을 위해 외측레일의 높이를 내측레일보다 높게 부설한 것) θ : 차체 틸팅각 V : 곡선통과속도 R : 곡선반경 따라서 틸팅열차는 곡선궤도에서 일반열차에 비해 약 20∼30% 정도의 속도향상이 가능하게 된다. 이것은 국토의 70%가 산악지형으로 많은 곡선궤도에 의해 속도 제한을 받는 국내 기존선의 속도향상에 가장 적합한 열차 시스템이라 할 수 있다. <그림 2>는 한국형 틸팅열차의 형상을 나타낸 것이다.

한국형 틸팅열차는 6량 1편성으로 구성되며 전장은 약 143m이다. 편성의 좌우측 선두에 2량의 제어동력차(motorized control car, Mcp)가 1량씩 위치하고, 그 사이에 동력차(motorized car, M)와 부수차(trailer car, T) 2량씩이 위치하고 있다. 이와같은 한국형 틸팅열차에 적용되는 ‘자기조향 기능을 구비한 틸팅차량용 주행장치 개발 기술’은 철도차량 분야에서 국내 최초로 시도된 기술이며, 특히 자기 조향기구장치는 국외 기술과 차별화된 고유의 모델로 개발되었다. 개발된 기술의 특징과 장점을 열거하면 다음과 같다. 첫째, 자기 조향장치(self-steering mechanism) 기술 일반 철도차량은 직선궤도 고속 주행안정성(임계속도)과 곡선궤도 추종성능(횡 하중 및 탈선안전도)이 상호 이율배반적이기 때문에 두 궤도 조건에서의 동시에 고속화를 이루는 데 한계가 있다. 따라서 본 연구개발사업의 목표인 직선궤도 200km/h 이상의 고속주행 안정성과 곡선주행속도 30% 향상에 따른 곡선추종성능을 동시에 만족시킬 수 있는 자기 조향장치(self-steering mechanism)를 개발하였다. 국외 조향장치의 단점인 구조 복잡성과 유지보수성 저하문제를 개선하고, 지적소유권에 저촉되지 않도록 독창적으로 고안되었다. 둘째, 틸팅 기구장치 기술 차체를 경사시키는 기구장치와 구동장치를 주행장치 내에 간결하게 구성함으로써 차량 공간과 중량 증가를 최소화할 수 있었다. 4개의 스윙 바를 이용하여 차체의 경사 운동을 안내하도록 한 단순 강건 구조의 틸팅 기구장치로 구조안전도가 높고, 정비성이 우수한 기구장치이다. 셋째, 차량 동역학적 성능 향상 자기 조향장치 적용에 따라 횡방향 안정성이 상실되는 임계속도를 200 km/h 이상으로 높게 유지시키며 즉 고속주행안정성을 확보하고, 곡선궤도의 횡 하중과 차륜/레일 마모, 탈선에 대한 안전도가 향상되었다. 또한 틸팅 기구장치를 통해 승객이 느끼는 원심가속도를 상쇄하여 곡선부 승차감을 향상시켰다. 넷째, 강건 단순구조로 정비성 향상 틸팅차량용 틸팅 기구장치와 자기 조향장치 두 종의 기구장치를 강건 단순구조의 무도유 방식으로 함으로써 차량의 정비성을 향상시켰다. 따라서 주행장치의 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 2. 개발기술의 기술적인 파급효과 · 국내 및 국외에서 소요되는 틸팅 시스템의 설계·제작에 직·간접적으로 활용 · 200 km/h급 중고속 차량의 대차 주행장치 설계에 활용 · 도시철도 및 고속철도 차량의 곡선 추종성능 향상에 조향장치 기술 활용 · 틸팅 시스템 핵심기술 확보로 국내 틸팅 열차 조달 및 운영에 유리한 위치 점유 3. 개발기술의 경제·산업적인 파급효과 · 기존선 속도향상을 통한 영업수익 증가 및 국가 물류비용 절감 · 틸팅 시스템 핵심기술 확보로 국내 및 국외 틸팅열차 시장 진출 · 틸팅차량 기술력 향상으로 인한 수입대체 효과 : 연간 1,320억 · 틸팅차량 생산성 향상 효과 : 연간 400억∼480억 ※산출근거 - 틸팅 전기차량 예상수요 새마을, 무궁화급 여객열차 폐차 대체수요 : 약 30량/년 전철화 및 수요증가에 따른 추가차량 수요 : 약 10량/년 - 틸팅차량 수입대체 효과 해외 200km/h급 틸팅전기차량 가격 : 약 33억 원/량 (2000년 영국 Virgin Rail 틸팅차량 도입가 30억/량 + 물가상승 10%) 해외 틸팅차량 수입 대체효과 33억/량x40량/년=1,320억/년 - 생산성 향상 효과 국내 개발 틸팅차량 예가 : 21억∼23억 원/량 국내 개발품 조달 시 해외 도입대비 구입원가 절감효과 {33억원/량-(21억∼23억 원/량)}x40량/년 =400억∼480억 원/년 국내외 기술개발 동향 1. 경쟁기업 기술동향 우리나라는 아직 독자적인 기술을 보유하고 있지는 않으며, 한국철도기술연구원의 주관으로 2001년부터 최고설계속도 200km/h의 (현재 새마을호 최고속도 150km/h) 한국형 틸팅열차 TTX를 개발 중에 있다. 틸팅 차량에 대한 연구는 유럽과 일본에서 1960년대부터 시작하였으며, 틸팅 차량은 일부 승객의 멀미호소 및 곡선부 궤도부담 증가 등의 기술적 문제로 상용화에 오랜 기간 소요되었다. 1990년대부터 틸팅 차량이 급속히 보급되기 시작, 현재 14개국에서 틸팅차량이 운행되고 있다. 차체 경사운동을 안내하는 틸팅 기구장치는 크게 자연틸팅 방식과 강제틸팅 방식 두 가지로 나뉘며, 자연틸팅 방식은 특별한 제어장치 없이 원심력과 중력 등 자연력을 이용해 차체를 기울이는 방식으로, 구조와 원리가 간단하여 초창기에 많이 시도되었던 방식임에 반해 강제틸팅 방식은 자이로스코프나 가속도센서를 통해 곡선 진입을 감지, 컴퓨터로 제어되는 유압실린더 등으로 외력을 가해 차체를 강제로 기울이므로, 강제틸팅 방식은 자연틸팅 방식에 비해 복잡하고 제어가 어려운 반면, 곡선 통과속도를 더 높일 수 있으므로 최근 틸팅열차들의 주류를 이룬다. 틸팅 구동방식도 유압에서 전기기계식으로 변화되고 있으며, 틸팅 제어는 차상에서 곡선을 검지하고 틸팅량을 판단하는 적응제어 방식(유럽)과 선로 데이터베이스를 이용한 예측제어 방식(일본)이 주류를 이루고 있다. 기존선 연계운행을 위해 TGV, 신간센과 같은 고속열차에 틸팅 시스템을 적용하고 있는 추세로, 철도 선진국에서는 오랜기간의 철도차량 개발과 운영경험이 있기 때문에 상당한 수준의 기술을 기 보유하고 있고 이 기술은 지적재산권으로 철저히 보호되고 있다. 국외의 틸팅차량용 주행장치 기술을 보유한 경쟁기업은 다음과 같다. ·Bombardier(구 ADtranz) <국명 : 스웨덴, 독일, 캐나다> ·ALSTHOM(구 FIAT) <국명 : 이탈리아> ·SIEMENS <국명 : 독일> ·TALGO <국명 : 스페인> ·Hitachi, 일본차량 등 <국명 : 일본> 핵심요소 기술별 주요내용 자기조향기능을 구비한 틸팅차량용 주행장치개발기술은 크게 주행장치 동역학적 설계기술, 주행장치 구조 설계기술, 틸팅 기구장치 설계 및 해석기술, 자기 조향장치 설계 및 해석기술, 주행장치 시험평가 기술로 나눌 수 있다.

1. 주행장치 동역학적 설계기술 주행장치는 차체를 지지하고, 차량이 궤도를 따라 안전하게 주행할 수 있도록 안내하며, 추진력과 제동력의 발생 및 전달 역할과 고속 주행안정성과 곡선추종성능, 승차감등의 동역학적 성능을 좌우하는 철도차량의 핵심구성요소이다. 이 틸팅차량용 주행장치에서는 틸팅 기구장치 및 조향장치가 추가적으로 구성되어야 하기 때문에 3차원 설계와 Mock-up 제작을 통한 최소 공간설계를 완성하였고, 현가장치와 조향장치가 하나의 동역학 시스템으로 한 동역학적 매개변수 분석을 통해 최선의 설계변수를 도출하였다. 또한 틸팅 제어와 연계된 곡선주행 세뮬레이션을 통해 주행장치 설계의 적정성을 검증하였다. 2. 주행장치 구조설계기술 주행장치 주요 구조물의 구조강도설계를 위해서는 먼저 구조물에 부과되는 각종 하중조건을 규명하고 구조물의 재료 및 규모를 결정하며, 유한요소해석을 통해 구조강도설계를 검증한다. 틸팅차량은 일반적인 비틸팅 차량보다 틸팅에 의해 유기되는 별도의 하중조건이 고려되어야 한다. KS R9210 및 UIC 513R 규격에 명시된 일반차량의 하중 조건에 최대 틸팅조건의 하중을 기구동역학 해석으로 부터 산출하여 부가하였다.

3. 틸팅기구장치 설계 및 해석기술 틸팅 기구장치의 설계는 에너지 소비, 엑츄에이터 용량 및 틸팅 기구장치 상부 구조물 질량중심의 이동량, 틸팅 시 링크 좌우의 하중 분포, 틸팅 실패시 자중에 의한 중심위치 복귀성능 등을 고려하여 최적의 값으로 결정되도록 해야한다. 이 개발에서는 ADAMS S/W를 이용하여 기구동역학 해석을 수행하였고, 틸팅 기구장치 설계변수에 대한 매개변수 분석을 통해 상기에 언급된 요건을 만족시키는 최선의 설계를 도모하였다.

4. 자기조향장치 설계 및 해석기술 고속 주행안정성과 곡선추종성, 이 상호 이율배반적인 동역학적 성능을 동시에 만족시킬 수 있는 장치가 조향장치이다. 본 연구에서는 국외의 여러 조향장치를 벤치마킹하였고, 국내 기존선 환경에 적합한 자기 조향장치(self-steering mechanism)를 설계 개념으로 잡았다. 자기조향장치의 세 가지 후보모델을 수립하여 수치해석적인 성능 비교를 하였고, 그 결과 댐퍼가 없이 좌우측이 토션바에 의해 연결된 방식을 최선의 모델로 선정하였다. 해석결과 및 Roller Rig 시험결과 목표로 하는 성능을 만족시키는 것으로 평가되었다. 5. 주행장치 시험평가 기술 이상의 과정을 통해서 설계 및 시제품제작이 완료된 틸팅차량용 주행장치에 대해 구조물 정하중시험, 피로하중 시험, Roller Rig 상의 동역학적 성능시험을 수행하여 구조안전성 및 동역학적 성능을 검증하였다.

개발기술 적용제품의 개요 1. 제품의 사진 또는 개략도, 구성도

2. 제품의 기능 · 차체를 지지하고 차량을 궤도에 따라 주행하도록 안내 · 직선궤도상의 주행안정성(running stability) 제공 · 곡선궤도상의 우수한 곡선추종성능(curving performance) 제공 · 궤도 왜란에 의한 진동절연으로 승객에게 우수한 진동 승차감 제공 · 궤도에 가해지는 힘과 마모 최소화 3. 국내외 경쟁사 제품과의 차별적 특징 (1) 좌우 엇갈림 링크 방식의 자기 조향장치 · 직선궤도 고속주행안정성과 곡선추종성(횡하중 발생량 및 탈선안전도)의 동반 확보를 위한 독자설계의 좌우 엇갈림 링크 방식 자기 조향장치(self steering device) · 뎀퍼 리스(damperless) 방식으로 유지보수성 우수 · 견인이나 제동 시 토션 바가 작용하여 진행방향의 과도 변위를 억제하는 장점이 있음 · 특허 확보 : 철도차량용 조향 대차 (등록번호 : 0516033) · 타제품과 비교 (2) 단순·강건 구조의 틸팅 기구장치 · 2차 현가장치 하부에 틸팅 액튜에이터가 배치되는 구조로 현가장치에 횡방향 하중 및 변위 감소, 따라서 centering device 사용 배제로 구조 단순화 · 링크 안내방식으로 주행장치 프레임내부에 간결하게 설치 · 단순·강건 구조로 유지보수성 우수 · 무도유 방식의 회전부 적용으로 유지보수에 유리 · 원할한 틸팅 운동을 구현할 수 있도록 안내하고 주행 시 발생되는 다른 방향의 미소 변위도 흡수토록 하여 안전성과 내구성을 확보토록 하였음. · 대차후레임과 볼스타를 스윙 바로 연결하고, 스윙 바 양단의 결합핀이 힌지 결합되도록 배치하고 윤활재를 포함하는 기본구조를 하고 있으며, 스윙 바 결합핀의 후레임 고정단은 억지끼워맞춤으로 고정하고 회전단은 판과 부시형태인 구조가 특징임 · 특허 확보 : 틸팅차량용 대차의 스윙 바 (등록번호 : 0516032)