2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A206 저심도도시철도차량시스템핵심기술개발방향 Core Technology Development for the Near-surface of Urban Vehicle System 이호용 *, 이안호 *, 박기준 *, 조봉관 * Ho-Yong Lee *, An-Ho Lee *, Ki-Jun. Park *, Bong-Kwan Cho * Abstract Same roads and routes into the route design, design and development direction of urban rail vehicle systems to enable low-cost construction tunnel section should be designed to minimize. Minimum radius of curvature can satisfy the properties of high runnability and vehicle systems should be developed. Near surface vehicle systems, the key technologies of low height in driving performance should be maintained. To fit in the tunnel cross-section and the balance of the structure is developed for the low-floor, slimmer electronics, etc. so that it can be developed should be. To 15m under the minimum curve radius can be summarized as the core technology to satisfy the conditions of service for the Body Articulation. There is a need to develop a standard modularized vehicle system development as a redundant investment in prevention and local governments respond to passenger demand for low depth of a standard vehicle model. Keywords : Near surface urban, IRW, Minimum radius of curvature, Body Articulation 초록도시철도차량시스템개발방향은저비용건설이가능하도록하기위해노선설계시도로와동일한노선으로설계가가능하고터널단면을최소화할수있어야하고이를위해최소곡선반경주행성과고속성을만족시킬수있는차량시스템이개발되어야한다. 저심도차량시스템의주요핵심기술은낮은높이에서도주행성능을유지시키기위하여대차의구조가저상형에적합하게개발하고, 터널단면에맞도록전장품등이슬림화될수있도록개발되어야한다. 아울러전장품및각종의장기기들은기존의 EMU 전동차보다 Compact 한형태로개발되어야한다. 또한 15m 에이르는최소곡선반경하에서운행조건을만족하기위한차체 Articulation 등이핵심적인기술로요약될수있다. 표준모듈화차량시스템개발로중복투자방지및지자체승객수요에대응하기위한저심도표준차량모델을개발할필요가있다. 주요어 : 저심도도시철도, 저상대차, 급곡성, 차체연결기 1. 서론 국내경전철시장의경우, 의정부와용인, 광명등전국 21개지자체들이연계교통망확충을위해 13조 8810억원규모의경전철사업을추진중이고, 현재전국적으로 78개노선의경전철이추진및계획중에있다. 도심지의교통난이가중되고환경및에너지문제가심각해질수록건설비와운영비가저렴한경전철사업에대한관심이커지고관련시장규모가증가할것으로전망된다. 교신저자 : 한국철도기술연구원광역교통연구본부저심도 경전철연구단 (hylee@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원광역교통연구본부저심도 경전철연구단
또한, 민자사업 (BTL, BTO, Turn Key등 ) 이확대되고있으며, 국내경전철민자사업들이어려움을겪고있는일정기간동안운영에의한수익을창출하기위해경제성과시공성이높은기술에대한수요가늘어나고있다. 철도차량시스템의핵심잇슈는최소곡선반경으로오랜철도기술의발전사에서해결되지못한가장큰문제점으로들수있으며, 그로인한철도차량의승차감과안정성저하, 그리고부차적인유지관리비용의증가는반드시해결되어야할사항이다. 아직까지국내의경우해외선진국에비해조향시스템분야에서축적된기술력이크지않은만큼기술적인격차를좁히기위한연구개발이더욱요구되고있다. 고가경전철시스템에대한시민들의소음과진동에대한민원및도시미관등의이유로국내경전철시장이난항을겪고있다. 지하경전철시스템이필요하지만경제성의이유로건설에어려움이있다. 이러한문제를해결하기위한대체수단이필요하며이를위해저심도경전철시스템을개발하게되었다. 저심도도시철도시스템이란, 기존지하철의 15~25m 심도로건설하는것이아닌, 도로상면에서부터지하 5~7m에건설하여도로선형에따라주행이가능한지하철도를말한다. 이는자동차와동일한작은곡선회전과급한경사에도주행이가능한지하철도로서, 고가경전철대비저비용으로지하에건설하여도시미관, 소음과진동, 접근성과쾌적성 편의성등이향상된고효율의신개념 (Fresh) 도시철도시스템이다. 경제적인문제를해결하기위해서는도로와동일조건에서주행할수있는차량시스템개발이무엇보다도우선시될수밖에없다. 2. 본론 2.1 저심도차량시스템개발방향 2.1.1 저심도차량시스템특징및개요일반적으로철도차량은차륜과축이일체형으로이루어져있어스퀼소음이발생하기쉽고승객접근성이어려웠다. 이러한기술적한계를극복하고더불어도로선형와동일한조건에서운행할수있는저상차량시스템핵심기술개발로건설비절감및친환경철도구현가능하다. 이시스템의특징으로는도심내최소곡선반경 15m을갖는도로곡선조건에서운행이가능하고 100 의급구배등판추진능력을갖는철도차량시스템의핵심기술이다. 급곡선주행성이란도심내도로와같은곡선조건에서도차량의주행원활히주행이가능한것으로서, 도심내와동일한선상 ( 최소곡선반경은 15~20m) 에서운행이가능한것이다. 저심도차량의도시내주행을위한곡선주행성확보와시외주행을위한고속직진성확보를위해서는대차에조향장치의탑재가필요하다. 대차시스템의조향장치에는다양한종류가있으며, 저심도차량의특성상 100% 저상대차에조향장치를탑재하기위해서는조향장치에대한선행연구와저상대차에의적용가능성에대한사례조사가이루어졌다. 조향장치를탑재한대차의고속직진성과곡선주행성을극대화하고, 차량의중량을낮춰운영비및개발비를절감하기위해서는구조의설계최적화가필요하다.
또다른특징으로 100 의급구배등판능력으로서, 이는경사가심한도로와동일선상에서운행하기위해서는급구배등판능력을가진추진기술비점착추진또는별도의점착능력을향상시키는것이다. Fig. 1 A concept for Near-surface urban transit (As-Is) (To-Be) Fig. 2 Curve route effect for use of city roads 2.1.2 국내외저상차량시스템기술동향경전철은유럽을중심으로하여일본, 싱가포르, 말레이시아, 미국, 캐나다등지에서운행중이며, 기존지하철의연결을통한교통망구축, 환경정책과교통혼잡문제해결, 신개발지역과도심과연결을주목적으로하여도입되고있다. 세계경전철시장은 Bombardier, Alstom, Siemens가분할하고있으며 70% 저상형시장은 Bombardier가, 100% 저상형시장은 Alstom에서주도하고있으며중장기적으로유럽및미주시장에서의수요확대가이루어질것으로예측된다. 차량의형식은기존의 70% 저상형 ( 시장점유율67%) 에서 100% 저상형 ( 시장점유율 23%) 으로확산되고있는상태 2009년도트램의구매를확정한주요도시들중브레멘, 뒤셀도르프, 쾰른등은주문자요청에의해각자독특하고특정한 Tailor made 구매를선택하였으며, 암스테르담, 브뤼셀등은 Combino와 City runner와같이반-표준화된모델을선택한다. 세계주요차량제작사들은 Ansaldo의 Sirio family 표준모듈차량은전두부와실내디자인을수요처의요구사항에적합한맞춤형생산을하고있으며, Bombardier에서는 City runner와 Flexity, Cobra 등의차종을시장에내놓고있다. 이중 Siemens는기존의 Combino 클래식의차종이외에 Avenio을중점모델로마케팅하고있고후발주자로들어선
CAF, Stadler, SKODA 역시각자모델을개발하고있다. 현재독립차륜형저상대차적용을성공적으로수행한나라는독일과프랑스로서최근개통된프랑스의 T4라인의경우기존 T1-T3라인이 RATP에서운영하여도시내부교통으로서의역할을담당하였던데반해, SNCF가운영을하면서도시교통망과광역교통망의연결이가능하다. 최소곡선반경및고속저상대차기술을적용한차량은 Bombardier사의 Flexity Link와 Bombardier-Adtranz의 A32차량 ( 부분저상 ), Alstom사의 Regio-Citadis, Dualis 등이다. 스페인에적용할 Alstom사의차량은 RegioCitadis의변경모델이아닌 2004년에합병된 VOSSLOH의독자모델의성격을가지고있으며, 부분저상을채택한최고속도 110km/h의고속저상대차모델이다. 현재여러국가에서다양한경전철시스템이운영및건설중에있고, 향후에도그시장은확대되는추세에있음. 상기철도시장의톱을달리고있는중국의경우에도가까운장래에경전철시스템이도입된다면매머드급시장이형성될것으로판단된다. Fig. 3 World Top 10 railway market 2010 년 (2009 년 -2011 년평균 ) 세계 Top 10 철도시장 Fig.4 Low-floor vehicles overseas representative system 2.1.3 국내외기술개발동향및개발방향도시철도차량시스템개발방향은저비용건설이가능하도록하기위해노선설계시도로와동일한노선으로설계가가능하고터널단면을최소화할수있어야함. 이는최소곡선반경주행성과고속성을만족시킬수있는차량시스템이개발되어야한다.
저심도차량시스템의주요핵심기술은낮은높이에서도주행성능을유지시키기위하여대차의구조가저상형에적합하게개발되어야하고, 터널단면에맞도록전장품등이슬림화될수있도록개발되어야한다. 언더프레임하부에비해상대적으로공간이협소한 Roof에각종기기장치가취부됨으로써전장품및각종의장기기들은기존의 EMU 전동차보다 Compact 한형태로개발되어야한다. 또한 15m에이르는최소곡선반경하에서운행조건을만족하기위한차체 Articulation등이핵심적인기술로요약될수있다. 표준모듈화차량시스템개발로중복투자방지및지자체승객수요에대응하기위한저심도표준차량모델을개발할필요가있다. 도시철도추진시스템은대부분유도전동기, VVVF-IGBT 인버터제어방식을채용할것으로보이며, 견인전동기의경우출력밀도향상을위하여영구자석형동기전동기를적용한다. 고추력리니어모터는고속, 고추력, 고정도를모두만족하는첨단분야에적용되며, 특히냉각시스템의구현이중요한기술로대두될것으로예상됨. 따라서, 이에대한구체적인해석및설계기술이동반되어야한다. 도심철도용저상차량의형식은기존의축이있는대차에서 100% 독립차륜형으로확산되고있는상태이며, 2009년도독립차륜형대차의구매를확정한주요도시들중브레멘, 뒤셀도르프, 쾰른등은주문자요청에의해각자독특하고특정한 Tailor made 구매를선택하였으며, 암스테르담, 브뤼셀등은 Combino와 City runner와같이반-표준화된모델을선택하였음. 이에따라주요차량제작사들은 Ansaldo의 Sirio family 표준모듈차량은전두부와실내디자인을수요처의요구사항에적합한맞춤형생산을하고있으며, Bombardier에서는 City runner와 Flexity, Cobra 등의차동을시장에내놓고있음. 2.2 저심도차량시스템개발방향및목표사양 2.2.1 저심도차량시스템개발방향독립차륜형 100% 저상대차 (IRW bogie) 는저상차량시스템을개발하고자하는국가나기업에서가장우선시되는기술이며편리성및접근성을극대화하기위한저상대차시스템은정거장와차량과의레일상면에서높이차이를 35cm이하로건설함으로써교통약자에게불편함을없애고건설비를줄일수있는대중교통시스템임으로대중교통체계를혁신적으로바꿀수있다. 목표사양은 100% 저상시스템이면서속도를 80km/h이상, 25mR, 소음및진동을확보하는것이다. 특히, 저상의조건은휠축이제한으로따르게되고축이없는독립휠을설계할경우속도향상에기술적어려움을극복하는하는것이다. 도시교통과효과적인접근성을위해저상대차설계가요구되어지고속도향상을위해고용량 / 초경량추진제어시스템적용이필요함. 장치의효과적인배치를위해위치최적화를위한연구가진행중이다. 구성방법중대차 (Bogie) 는 2개의차륜이하나의윤축에고정되어있고, 이러한윤축 2~3개가하나의대차에고정된상태로차량을구성하게되며차륜과윤축이고정되어있기때문에곡선구간에서원활한조향을보조할수없으며, 이로인해
차륜 / 레일간의원천적인공격각 (Inherent Angle of Attack) 을지니게되므로공격각을최소화할수있는기술을적용한다. 곡선통과시좌측레일과우측레일사이에곡선거리차이로인해레일이미끄럼이발생하게된다. 이는좌우측레일의곡선주행시회전속도차이로인해발생하게되는데이를해결하기위해서모터제어시각각의휠의속도차를제어할수있는기술적용한다. 또한, 조향기능을추가하여주행안전성과곡선추종성을향상시킴으로서 Squeal noise를저감할수있는기술을적용한것이다. 차량시스템모듈화및표준화구현으로유지보수성향상및생산성향상을위해기술개발이필요하고선진국에서도활발히추진하고있다. Fig. 4 A specifications of vehicle system design and standard method 2.2.2 저심도차량시스템해석결과및검토최적화저상트램의구성은 100km/h급저상트램과같이그림과같이전, 후위동력객차, 일반객차, 부수객차로총 3개의객차와동력대차 2대로구성되었다. 독립차륜형저상대차는 Wheel 과 Wheelcarrier가연결된반면최적화저상대차는그림와같이대차프레임과 Wheelcarrier 사이에회전이가능한 Knuckle arm을추가하고 Active suspension을장착하여휠이독립적으로회전 (IRW; Independently Rotating Wheels) 할수있도록설계한다. 또한, Active suspension이란레일상태에맞추어휠의움직임을신호처리로제어하여속도에따라스프링과댐핑값을조절해주는장치로서저상트램의직진성과곡선성을동시에향상시키기위하여장착하여해석한결과, 목표사양을만족하는결과를얻었다. 고속저상철도차량을출발시키기위해필요한힘과, 철도차량이주행중에받는힘등을구할수있었다. 또한, 이러한힘을내기위해서는공랭식 IPMSM 방식의 65kW급전동기 8대가필요하고저상대차전동기의부하특성을다음과같이얻을수있었다.
Fig. 5 The load characteristics of the motor torque characteristic and critical speed 3. 결론 저심도차량시스템을지하경전철에적용하는것은기존도시철도시스템에비하여낮은심도 (2 5m) 에건설이가능하고지상에서승객의접근시간이단축되고특히지하철간의환승시소요되는시간이대폭줄어들것으로예상된다. 차외통행시간단축은결과적으로저심도철도시스템의타수단에대한경쟁력으로나타나저심도철도의통행수요를향상시킬수있다. 반면기존건설방식의지하단층저심도정거장의경우지상부에서플랫폼까지평균접근시간은 66 초가소요될것으로분석되어승하차에소요되는총접근시간을고려할때 168 초정도접근시간이단축됨에따라사회적편익 3.6% 이상증가발생할것으로예상된다. 지하경전철대비건설비 30% 절감된인프라시공기술확보로 230 억원 /km 절감이가능하며이에대한근거는급구배기술구현 (10%) 으로 3.5% 대비 km 당 65 억원공사비절감및급곡선기술구현 (15m) 로 29 억원공사비절감이가능하다.( 토지사용에따른보상기준 ) 저심도철도시스템이기존고가경전철이갖는저비용요소와지하경전철이갖는도시공간활용의효율성을동시에만족시키면서첨단신기술집약체로서이용자편의성까지충족시킨다고하면 60 조에달하는도시철도시장이비약적으로성장할수있을것으로기대된다. 참고문헌 [1] 이호용, 곽재호, 장승호등 (2011) 도시철도용고속저상대차시스템핵심기술개발 [2] Andrzej Brzezinski., Wojciech Suchorzewski (2004)., TRAM SYSTEMS IN POLAND rom Neglect to a Recognition of Great Potentials., pp. 16-23. [3] GLEN D. BOTTOMS. (2001), Continuing Developments in Light Rail Transit in Western Europe., 9th National Light Rail Transit Conference. [4] 안계철., 김국진. (2009), 국내환경에적합한 Low Floor Tram 개발방안., 한국철도학회 2009 년도추계학술대회논문집., pp. 1044-1051. [5] 철도차량주행안전성향상을위한현가장치최적화연구., 한국철도학회, 한국철도학회논문집, 제 12 권제 6 호., pp. 909-914., 2009.