철도차량 승차감 향상을 위한 철도차량용 능동현가장치 기술
기술의 정의 : 철도차량 주행 시 선로로부터 차체로 전달되는 진동을 능동제어기술
이용하여 저감시킴 으로서 승차감을 향상시키기 위한 기술
핵심기술내용 (기술적 난이도) :
기술개발 현황
능동현가기술은 제어기술을 이용하여 차체 진동을 제어함으로서 여객 승차감을 향상시키 기 위한 기술이다. 본 기술은 현재 선로 상태가 비교적 취약한 일본, 유럽에서 선로 인프 라 개량 없이 차량 고속화를 구현하기 위하여 연구개발이 진행되어 왔으며 최근, 일본 신 간선, 스위스 SBB의 중고속 철도차량에 개발, 장착되고 있다. 본 기술은 미래 능동형 철 도차량 핵심기술로서 선진국의 기술 이전이 불가하여 산업통상자원부 산업원천기술개발사 업으로 5년간 국내 연구진의 독자기술로 개발되었으며 일본, 봄바르디어사에 이어 세계에 서 3번째로 개발되었다.
기술의 구성
본기술의 구성은 센서, 능동액추에이터, 파워팩, 제어기로 구성된다. 선로로부터 차체로 전달되는 횡방향 차체 진동을 센서를 이용하여 감지하고 제어기를 통하여 필요한 제어력 을 계산하여 파워팩을 거쳐 대차와 차체 간에 설치된 능동액추에이터를 구동하여 차체 진 동을 제어한다. 핵심기술로서 철도차량 능동현가장치용 액추에이터 기술, 능동현가장치 파 워팩 기술, 능동현가 제어기술 등이 요구된다
핵심기술 내용
본 능동현가장치는 능동현가 액추에이터로 전자기 선형모터형식 액추에이터를 독자 개 발하여 적용하였으며 파워팩, 제어기를 개발하였다. 구성품에 대한 성능시험을 거쳐 기존 철도용 여객열차를 시험차에 선정, 능동현가장치를 장착하여 시험선 성능시험을 완료하였 다. 시험결과, 기존 철도차량 대비 승객체감 진동 53.% 저감, 승차감으론 6.7dB의 획기적 인 승차감 개선 효과를 보였다. 이는 속도로 환산하면 선로 인프라 개량, 보수 없이 최소 50km/h 이상의 속도 향상이 가능함을 의미한다. 이로서 기존 철도차량의 승차감 성능 한 계를 극복하고 현재 태동기에 있는 미래 능동형 철도차량 시장을 선점할 수 있는 핵심원 천기술을 확보하였다는 데 기술적 의의가 크며 도시철도차량, 기존선 철도차량, 고속철도 차량 등 철도차량 전반에 핵심기술로 폭 넓은 활용이 기대된다.
파급효과 :
기술적 효과 -
철도차량용 능동현가시스템 국내 독자 개발(세계 3번째) - 기존 철도차량의 성능 한계를 극복하여 승차감을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 미래 철도차량 주행장치 핵심기술로서 현재 태동기에 있는 능동형 철도차량 시장에서 기술 적 우위를 통한 시장 선점 효과가 큼 - 철도 궤도 개량 없이 능동현가기술 적용 시 차량 주행속도 50km/h 증속 효과 - 대용량 전자기 선형 액추에이터 기술은 시스템이 간편하여 철도차량 외 중장비, 산업 기계, 토목, 건축 등 다양한 분야에서 응용이 가능함
경제적 효과 -
승차감 향상으로 인한 속도 약 50km/h 향상 효과 : 승객 시간편익 연간 약 240억원 - 선로 개량비용 절감 약 2조원 (서울-부산 기존선 개량 기준) - 수입대체 및 수출 효과 : 향후 5년간 880억원
주요 기술 개발 실적
- 철도차량용 능동현가장치 사양도출, 시스템 설계, 성능 해석
- 능동현가장치용 전자기 선형액추에이터 개발 - 능동현가장치 구성품 시제 개발,
성능 시험 및 능동현가 제어기 및 제어알고리즘 개발
- 능동현가장치 장착 시험대차 실궤도 모사 주행시험대 성능 시험
- 능동현가장치 시험차 구성 및 실선로 성능 검증 : 승차감 6.7dB 향상
- (첨부) 능동현가장치 기술개발 주요 실적 참조
능동현가장치 기술개발 주요 실적
○ 철도차량용 능동현가장치 개요
- 용 도 : 철도차량 차체 승차감 향상을 위한 능동현가장치
- 구 성 : 전자기식 선형액추에이터(연속추력 10kN, 3kN), 파워팩, 제어기, 센서
- 성 능 : 기존철도차량 대비 승차감 최소 5dB 향상
- 적용 차량 : 철도차량 전반(도시철도차량, 기존선 운용차량, 고속철도차량 등)
- 관련 과제 : 산업통상자원부 국가R&D "철도차량용 능동현가장치 기술개발(‘10.4 ~’15.5)
대한기계학회 2015