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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국철도기술연구원 Korea Railroad Research Institute |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2013-11 |
과제시작연도 | 2013 |
주관부처 | 국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport |
등록번호 | TRKO201600003870 |
과제고유번호 | 1615006432 |
사업명 | 건설교통연구기획 |
DB 구축일자 | 2016-07-09 |
1. 기술개발 목표
○ 첨단소재 적용 도시철도차량 차체, 대차 및 의장/내장분야 부품 기존 대비 20% 이상 경량화 기술개발
- 고강도 알루미늄, 복합소재 및 난연 마그네슘 합금 등 첨단소재 적용 20% 이상 경량화된 도시철도 차량용 하이브리드 차체 기술 개발
- 첨단소재 적용 소형ㆍ경량 도시철도 차량용 대차 및 부품 20% 이상 경량화 기술 개발
- 난연성 마그네슘합금 기반 최적화 및 부품화 요소기술 개발을 통한 도시철도 차량 의장ㆍ내장 부품 20% 이상 경량화 기술 개발
2. 기술개발 동향
1. 기술개발 목표
○ 첨단소재 적용 도시철도차량 차체, 대차 및 의장/내장분야 부품 기존 대비 20% 이상 경량화 기술개발
- 고강도 알루미늄, 복합소재 및 난연 마그네슘 합금 등 첨단소재 적용 20% 이상 경량화된 도시철도 차량용 하이브리드 차체 기술 개발
- 첨단소재 적용 소형ㆍ경량 도시철도 차량용 대차 및 부품 20% 이상 경량화 기술 개발
- 난연성 마그네슘합금 기반 최적화 및 부품화 요소기술 개발을 통한 도시철도 차량 의장ㆍ내장 부품 20% 이상 경량화 기술 개발
2. 기술개발 동향
○ 첨단소재 적용 철도차량 경량화 기술관련 기술개발 동향
(차체 경량화 기술)
- 스페인 Zaragoza의 CAF에서는 복합소재 적용 루프구조 개발을 통한 35% 경량화
- 독일 DLR에서는 알루미늄 압출재와 복합소재 샌드위치 구조 적용 초경량 차체 개발
- 중국과 일본의 경우 난연 마그네슘합금의 차체 적용을 위한 연구개발 착수 (2013년)
(대차 경량화 기술)
- 철도 선진국인 프랑스, 독일의 경우 초경량 대차 부품 기술개발에 집중투자
- 최근에는 기존 대차 대비 최대 30% 경량화, 스프링하 질량 25%, 운영비용 25% 및 휠마모 저감 특성이 우수한 경량ㆍ소형 대차 및 부품 기술 개발 활발히 진행
. 현재 철도선진국에서 개발된 대표적인 경량ㆍ소형 대차
- 프랑스 Paulstra사에서는 주요 대차 부품에 탄소섬유 목합소재, 알루미늄 합금등을 적용하여 경량화 연구 수행 중
(의장/내장 경량화 기술)
- 일본의 경우 난연성 및 기계적 특성, 성형성이 향상된 고특성 난연 마그네슘합금의 철도차량 의자 및 내장재 적용 기술 개발중
- 중국의 경우 500km/h 초고속 열차에 상용 마그네슘 합금제 의장 및 내장부품 적용
3. 기술개발 필요성
○ 기술개발 필요성 및 시급성
(차체 경량화 기술)
- 국내에서도 1990년대 후반 알루미늄 합금 적용을 통한 차체 20% 경량화
- 현재 알루미늄 합금을 적용한 차체 경량화 기술 한계에 도달한 상태
- 따라서, 고강도 알루미늄, 복합소재, 난연 마그네슘 합금 등 첨단소재를 적용한 차체 경량화 부품ㆍ소재 원천기술 개발을 통한 기술혁신 필요한 시점
(대차 경량화 기술)
- 특히, 대차의 경우 철도차량 중량의 약 35% - 40%를 차지하는 고중량 부품으로 대차 부품의 경량화 없이 차량 경량화에 한계
- 국내에서도 세계적인 경량ㆍ에너지 절감형 대차 부품 기술 개발 방향에 부합하고, 향후 수출 및 기술 선도가 가능한 첨단 소재 적용한 혁신적인 대차 부품 기술 개발이 필요한 시점임
(의장/내장 경량화 기술)
- 현재 국내에서도 세계 최고 수준의 3세대 난연성 마그네슘합금 관련 원천기술을 확보하고 있으며, 이에 대한 부품화 요소기술 개발에 집중 투자할 경우 세계시장 선도 가능함 시점임
○ 정부 정책과의 부합여부
- 박근혜 정부 국정과제관련하여 아래와 같은 정책에 부함
. (1-1-1) 과학기술을 통한 창조 산업 육성
. (1-3-20) 중소ㆍ중견기업의 수출경쟁력 강화
. (1-3-21) 국가 과학기술 혁신역량 강화
. (4-16-105) 자원ㆍ에너지의 낭비를 줄여 자원순환사회 실현
- 제2차 철도산업발전기본계획(‘11)
. 수출주도형 연구개발추진
○ 정부 지원의 필요성
- 첨단 경량화 소재(마그네슘, 강화 알루미늄, 복합소재 등) 적용기술은 성공시 파급효과가 크나, 단기간에 성과물 확보가 어렵고 개발 위험도가 큰 만큼 국내의 소규모 부품소재 기업이나 연구소가 독자적으로 수행하기보다 국가 주도로 수행하는 것이 바람직함
4. 기술개발 추진전략
○ 본 과제에서는 철도차량 및 부품에 적용 가능한 첨단소재관련 전문연구기관 및 제작사에 대한 기술수준 및 설비현황을 분석하여 기술개발이 가능하도록 추진전략 구성
○ 또한, 국내에서 최초로 적용되는 기술인 난연 마그네슘 합금, 고강도 알루미늄 합금 및 대차부품 경량화 기술에 대한 기술개발의 위험요소를 분석하고 이에 대한 대응방안 마련
5. 세부과제별 연구내용
ㅇ (1세부과제) 첨단소재 적용 도시철도차량 차체 경량화 기술개발
- 첨단소재 적용 하이브리드형 차체 설계 기술 개발
- 4세대 난연 마그네슘 합금 적용 차체 설계 기술 개발
- 충격흡수 기능을 포함한 차체 경량 엔드 모듈 설계 기술 개발
- 하이브리드형 차체 공진방지 및 공력진동감소기술 개발
- 이종소재간의 접합 및 차체 제작성을 고려한 차체 구조 도출
- 첨단소재 적용 하이브리드형 차체 제작 기술 개발
- 테스트 베드를 활용한 주행시험을 통한 현장 적용성 평가
(기존 기술과의 차별성 및 독창성)
. 기존 알루미늄 합금 압출형식의 차체 대비 20% 이상 경량화
. 복합소재, 고강도 알루미늄 합금 및 난연 마그네슘 합금 적용 하이브리드형 차체 기술 세계 최초 확보
ㅇ (2세부과제) 첨단소재 적용 도시철도차량 대차 및 부품 경량화 기술개발
- 대차 경량ㆍ소형화 설계 및 제작 기술 개발
- 신공정 기술 적용을 통한 복합재 대차 구조물 경량화 기술 개발
- 경량ㆍ소형 감속기 및 구동 모터 기술 개발
- 첨단 소재 적용 제동디스크 및 공기스프링 경량화 기술 개발
- 실차시험을 통한 첨단소재 적용 시제 차량 주요 부품 성능 평가
(기존 기술과의 차별성 및 독창성)
. 기존 대차 대비 20% 이상 경량화
. 기존 강재위주의 대차 주요부품에 첨단 복합소재, MMC(금속복합재), 경량 알루미늄 합금을 적용하여 경량화 및 소형화 기술 개발
. 소형 감속기 및 구동모터 기술개발
ㅇ (3세부과제) 첨단소재 적용 도시철도차량 의장/내장 부품 경량화 기술 개발
- 철도차량 의장/내장 적용을 위한 난연 마그네슘합금 기술 개발
- 난연 마그네슘합금 적용을 위한 화재안전성 평가 및 기준 작성
- 합금 조성-공정-미세조직 변화에 따른 개발 소재 특성 평가 및 DB 구축
- 난연 마그네슘 합금 철도차량 의장/내장 부품 적용 기술 개발
(기존 기술과의 차별성 및 독창성)
. 기존 의장/내장 부품 기존 대비 20% 이상 경량화
. 세계최고 수준의 마그네슘 난연화 기술 개발
. 기존 알루미늄 및 FRP로 제작된 의장/내장 부품에 난연 마그네슘 합금 적용기술 개발
6. 연구수행 체계
ㅇ 1세부과제는 도시철도차량의 차체를 첨단소재를 적용하여 경량화하는 연구로 실용화 측면에서 고강도 알루미늄 합금과 탄소섬유 복합소재를 적용한 하이브리드형 차체를 개발하고, 또한, 미래기술선점을 위해 고강도 4세대 마그네슘 합금의 차체 적용 핵심기술을 확보하는 것으로 기술개발 추진
ㅇ 2세부과제는 도시철도차량용 대차를 경량ㆍ소형화하고 첨단소재 적용을 통해 주요부품을 경량화하는 기술로 이미 기초·원천기술의 확보되어 있는 기술은 성능 향상을 추진하고, 주요 부품의 경량ㆍ소형화는 관련 중소기업 및 차량 제작사 참여를 통해 기술개발 추진
ㅇ 3세부과제는 의장/내장 부품을 첨단소재를 적용하여 경량화하는 연구로 의장/내장 관련 다양한 부품 및 소재 기업의 참여를 유도하고 이를 총괄적으로 통합 및 적용할 수 있도록 차량 제작사 및 운영처 참여를 통해 기술개발 추진
7. 기술개발 최종성과물
1. 첨단소재 적용 하이브리드형 차체 시제품
성공여부 평가 항목 : 차체 경량화율, 개발목표치 : 20%이상 (기존 알루미늄 차체 대비), 판정기준 : 시제품 실측
2. 복합소재 대형구조물 제작 신공정 기술
성공여부 평가 항목 : 제작기간 및 공정수, 개발목표치 : 50% 절감, 판정기준 : 신공정 실측
3. 난연성 마그네슘 합금 기술개발
성공여부 평가 항목 : 발화온도, 개발목표치 : 750℃, 판정기준 : 공인 시험성적서
4. 경량ㆍ소형 대차 시제품
성공여부 평가 항목 : 대차 경량화율, 개발목표치 : 20%이상(기존 대비), 판정기준 : 시제품 실측
5. 난연 마그네슘 합금 화재안전기준
성공여부 평가 항목 : 법제화여부, 개발목표치 : 법제화 완료, 판정기준 : 법제화 여부확인
6. 경량 의장/내장 부품 시제품
성공여부 평가 항목 : 의장/내장부품 경량화율, 개발목표치 : 20%이상(기존 대비), 판정기준 : 시제품 실측
7. 테스트 베드 구축 및 활용
성공여부 평가 항목 : 테스트 베드 구축여부, 개발목표치 : 테스트 베드 구축, 판정기준 : 테스트 베드 구축 여부확인
8. 성과활용 방안
ㅇ 2020년부터 도래하는 구형전동차 교체용 신규 전동차에 적용
ㅇ 현재 운행중인 도시철도차량에 부품단위로 적용 가능
ㅇ 일반 및 고속철도에 확대적용 가능
9. 기술개발 기대효과
ㅇ 경제적
- 도시철도차량 주요부품 20% 경량화시 수명주기비용 절감
: 국내 도시철도차량 전체 적용 및 25년 수명 기준 : 약 8,339억원 (약 333 억원/년)
: 국내 도시철도차량 전체 적용 및 40년 수명 기준 : 약 17,372억원 (약 434 억원/년)
- 고속철도로 확대적용시 고속철도레일 교체비용 절감 효과
: 향후 10년간 고속철도레일교체비용 163.5억 절감 기대
ㅇ 기술적
- 철도차량의 핵심기술인 경량화 부품소재 기술 선점
- 경량화에 따른 마모 및 소음저감을 통한 운영처 현안사항 해결
ㅇ 정책적
- 부품관련 중소기업의 참여를 통한 해당기업의 기술향상 및 강소기업 육성에 기여
- 유럽의 경우 철도차량의 축중에 근거한 선로사용료 적용하므로 경량화된 철도차량 선호하는 추세로 본 기술개발시 수출경쟁력 향상
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