기술개발기관 한국철도기술연구원

기술/제품명 급경사‧급곡선 도로를 활용하는 친환경 산악철도의 주행추진시스템

기술의 정의

산악지역의 급경사 및 급곡선 도로에 환경 훼손 없이 부설된 매립형

콘크리트 톱니궤도에서 도로 겸용으로 운행할 수 있는 무가선 산악철

도의 대차 및 추진시스템 기술

핵심기술내용(기술적 난이도)

-세계 최고 급곡선(반경 10m)과 급경사(기울기 180‰(=10.3°))를 주행

할 수 있는 독립구동 차륜과 차축

-접촉 마찰 진동‧소음을 감소시키기 위한 탄성체 삽입 톱니바퀴

-급경사(기울기 180‰)에서 제동 안전성을 확보할 수 있는 유압식 밴

드제동장치

-동하중을 고려한 정적 하중시험을 통해 강도가 입증되고 200만 싸이

클 동적하중 시험을 통해 피로내구성이 검증된 대차프레임

-급경사(기울기 180‰) 주행에 필요한 추진력을 발생하기 위한 견인전

동기와 추진제어장치

-차체에 부착된 견인전동기로부터 동력을 차축에 전달하기 위해 프로

펠러 샤프트와 감속기로 구성된 동력전달장치

-산악 자연공원 지역의 환경과 전망을 보존하기 위해 전차선이 없이

급경사 급곡선 궤도에서 주행할 수 있도록 세계 최초로 개발된 무가

선 배터리 추진시스템

-산악지역 기존 도로에서 자동차와 겸용할 수 있는 프리캐스트 콘크리

트 패널 방식의 톱니 궤도 및 주행 장치

-기존 대차동특성 시험장치로 불가능한 톱니바퀴 구동 방식의 대차를

시험하기 위한 동특성 주행시험장치

-급곡선 주행을 위한 1대차-1차체 구조의 차량

-소형 시험궤도(곡선 반경 10m, 경사 100‰)에서 시제 대차 및 추진

시스템에 대한 주행시험을 통해 성능 검증 및 공인기관의 인증

-동절기 폭설 및 결빙 시 대차 및 추진시스템의 무가선 주행 추진시험

실시 및 성능 입증

『2018 올해의 10대 기계기술 신청서』

<기존기술과의 비교>

항목 개발기술 기존 해외기술 비고

주행 곡선 반경 10m 30m 세계 최고 사양

상승 경사 180‰ 180‰경사 상승 능력 동일

톱니 바퀴 탄성톱니바퀴강체(steel)톱니

바퀴진동수준 1/3이하 감소

차륜-차축 차륜 독립 구동차륜 차축

일체곡선 주행시 슬립 방지

궤도프리캐스트

콘크리트 궤도자갈 궤도

건설 기간 단축 및 유지보수 비용 감소

추진전력 무가선 배터리 전차선 환경 친화(세계최초)

레일 고정 방식 탄성충진재 레일 체결구 레일 진동 감쇠

노면 활용 도로 겸용 철도 전용 자동차 운행 가능

파급효과

-세계 최고 수준(경사 180‰, 곡선 10m)기술 개발로 폭설 결빙 시 고

립되는 산악벽지 거주 주민들에게 교통기본권 제공

-겨울철 폐쇄되는 산악지역 도로에서 교통수단(산악트램)이 운행 가능

하게 됨에 따라 관광 활성화 및 관광객 만족도 증가

-산악지역 자연 훼손이 없이 기존 도로를 활용하는 새로운 친환경 교

통수단 실현 (궤도운송법 상의 「산악벽지형 궤도」에 해당)

-산악지역 도로 자동차 감소에 따라 온실가스 저감 및 로드킬 발생 감소

-국내 신규 산악철도 건설 시장 형성(시장규모 7,783억원)

-산악관광지 동절기 관광객 증가에 따른 지역 경제 활성화

∙지리산 산악철도의 총경제적 파급효과 8,232억원(생산유발액 5,720억

원, 수입유발액 602억원, 부가가치 유발액 1,910억원)

∙한라산 산악철도의 총경제적 파급효과 428억원(생산유발액 297억원,

수입유발액 31억원, 부가가치 유발액 99억원) ※「산악철도 실용화 기술개발 기획보고서」, 한국철도기술연구원 (2016)

주요 기술 개발실적

-탄성 톱니바퀴 최대 하중 시험 완료 및 성능 공인기관 인증(‘16.1.11.)

-밴드브레이크 제동성능 시험 완료 및 성능에 대한 공인기관 인증

(‘16.1.11.)

-대차프레임 하중 시험 완료 및 구조안전성 공인기관 인증(‘15.10.28.)

-대차시스템 동적 성능시험 완료 및 동적 성능 공인기관 인증(‘16.1.7.)

-추진제어장치 성능 시험 완료 및 성능 공인기관 인증(‘15.12.10.)

-대차 및 시제 차체의 시험선 무가선 주행 시험 및 성능의 공인기관

인증(‘17.1.13.)

-2016년 산업통상자원부 NET 인증(‘16.12.21.)

-연구성과 홍보에 따라 「지리산권 친환경 전기열차 사업 지원」사업의

문재인 정부 100대 국정과제 전북지역 공약 선정 (’17.7.19.)

-「산악트램」 기술개발 성과 제주 신교통수단 품평회 전시 (‘17.12.1.)

-국토교통기술대전 「산악트램」 기술개발 성과 전시(‘18.6.7.~8.)

-「산악철도차량용 대차구조」 등 관련 특허 14건 등록(‘18.5.3.)

첨부

『실적 및 사진 자료』

1. 전체 시스템의 구성

대차시스템 소형시험선 대차동특성 시험장치

산악철도 주행추진시스템

독립구동 차륜 차축

탄성 톱니바퀴

유압밴드제동장치

대차프레임

전동기/추진제어장치

동력전달장치

배터리 추진시스템

콘크리트 궤도 패널

탄성충진재

자가구동 시험 장치

2. 핵심기술 세부 내용

(1) 급곡선과 급경사를 주행할 수 있는 독립구동 차륜과 차축

- 차륜과 차축 사이에 베어링을 삽입하여 좌우 차륜 독립 회전에 의해 급곡선 주행

- 톱니 바퀴와 궤도(Rack & Pinion)에 의한 급경사 상승

- 세계 최고 수준인 급곡선 반경 10m와 급경사 180‰ 주행

<급경사 급곡선 산악도로>

<차축 조립도>

<톱니 바퀴 독립 구동 차축> (2) 저진동 탄성 톱니바퀴

- 접촉 마찰에 의한 진동‧소음을 감소시키기 위해 톱니바퀴 내부에 탄성체 삽입

- 저진동 탄성톱니바퀴의 적용을 통해 기존 강체 톱니(steel rack & pinion) 대비 진동 및

소음 1/3 이하로 감소 가능

<탄성톱니바퀴 조립도> <조립된 탄성톱니바퀴> <진동 감소 효과> (3) 유압식 밴드제동장치

<밴드제동장치>

<대차에 장착된 밴드제동장치>

<제동력 시험>

- 급경사(기울기 180‰)에서 비상제동시 제동력 확보 및 유지 가능

- 기존 공압 제동장치 대비 1.4배 제동력 발휘

(4) 구조안전성이 입증된 대차프레임

- 산악도로 상 궤도에서 받을 수 있는 최대 수직, 전후, 좌우, 비틀림 하중에 대한 강도시

험 결과 안전성 입증

- 200만 싸이클 동적하중 시험을 통해 피로 내구성 검증

<제작 완료된 대차프레임>

<대차프레임 수직하중시험>

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Stre

ss(M

pa)

Gauge Number

수직하중

<수직하중 응력 계측 결과>

(5) 급경사 주행 고성능 견인전동기 및 추진제어장치

- 급경사(기울기 180‰) 주행에 필요한 추진력을 발생하기 위한 80kW 급 견인전동기

- 견인전동기 제어를 위한 DC-DC 컨버터와 가변전압 가변주파수(Variable Voltage

Variable Frequency) 추진제어장치

<견인전동기> <추진제어장치 구성> <경사 주행 견인 성능> (6) 차체 견인전동기와 대차 차축을 연결하는 동력전달장치

- 차체에 부착된 견인전동기로부터 동력을 차축에 전달하기 위해 프로펠러 샤프트와 감

속기로 구성된 동력전달장치

<감속기> <동력전달 프로펠러 샤프트> <동력전달장치 계통> (7) 급경사 급곡선 산악궤도 주행 무가선 배터리 추진시스템

- 산악 자연공원 지역의 환경과 전망을 보존하기 위해 전차선 건설 공사 불가

- 산악 도로 위 급경사 급곡선 궤도에서 주행할 수 있는 무가선 배터리 추진시스템

- 산악 도로 겸용 철도에 무가선 추진시스템 세계 최초로 적용

<배터리 형상> <배터리 구성 회로도> <무가선 추진 주행 시연>

(8) 친환경 프리캐스트 콘크리트 톱니 궤도 패널

- 산악지역에서 신규 철도 건설시 환경 훼손 발생을 방지하기 위하여 산악지역 기존 도

로를 활용하여 궤도 구현

- 자동차와 겸용할 수 있는 프리캐스트 콘크리트 패널 방식의 톱니 궤도

- 산악 도로에서 궤도 시공의 효율화와 유지보수 편의성 향상

- 레일 탄성충진재 고정에 의한 진동 소음 감소

<콘크리트 매립형톱니 궤도>

<시험궤도>

<자동차 겸용 궤도> (9) 톱니바퀴 대차의 동특성 시험을 위한 주행시험장치

- 기존 대차 동특성 주행시험장치로는 톱니바퀴 구동 방식의 대차 시험 불가

- 톱니궤도를 구현한 대차 동특성 주행시험장치 개발 및 성능 시험(공인기관 시험성적서)

(10) 급곡선 주행을 위한 1대차-1차체 구조의 차량

- 급곡선에서 차륜 공격각 감소 및 탈선 방지를 위한 1대차-1차체 구조

(11) 소형궤도 주행시험을 통한 성능 검증

- 소형 시험궤도(곡선 반경 10m, 경사 100‰) 제작

- 시제 대차 및 추진시스템에 대해 주행시험 및 성능 검증, 공인기관의 인증

(12) 동절기 무가선 주행 시험 및 성능 검증

- 폭설 및 결빙 시 대차 및 추진시스템의 무가선 주행추진시험 실시 및 성능 검증

<대차 동특성시험장치> <소형시험궤도>

<동절기 주행시험> <3량1편성 산악트램>

3. 공인기관 인증서

(1) 핵심성능에 대한 시험 및 국내외 공인기관 인증

일자 인증기관 인증내용 시험결과

2016.01.11. TUV Reinland Korea 탄성톱니바퀴 성능적용하중이 최대하중 내 포함

및 톱니바퀴 손상 무

2016.01.11. TUV Reinland Korea 밴드제동장치 성능가동 범위 내

제동 성능 및 작동 확인

2015.10.28. RSP 대차프레임 구조안전성 응력 계측 및 허용응력 만족

2016.01.07. TUV Reinland Korea 대차시스템 동적 성능 운용 범위 내 동적 성능적합

2015.12.14.한국철도차량 엔지니어링

추진제어장치 성능 제어기능 등 시험 성능 적합

2015.12.29. 충청대학교 궤도 패널 및 탄성 충진재 성능 저항력 및 강성 적합

2017.01.13. TUV Reinland Korea 대차 및 차체 시험선 주행 성능 구배 및 곡선 주행시험 적합

<대차 주행성능> <대차프레임> <탄성 톱니바퀴> <밴드제동장치> <추진제어장치>

4. 특허 등록 현황

등록권리자 등록일 등록번호 명칭

한국철도기술 연구원

2018.05.15. 10-18599450000 산악철도차량용 차체 상부 연결 구조2018.05.03. 10-18565920000 산악철도차량용 대차구조2018.03.29. 10-18453450000 산악철도차량용 연결기 구조2016.11.25. 10-16815470000 산악 철도용 궤도 구조2016.10.05. 10-16651000000 산악철도차량용 비상제동장치2016.10.05. 10-16650870000 래칫기어를 이용한 산악철도차량용 비상제동장치

2016.08.31. 10-16548920000 산악 철도용 침목 구조

2016.08.31. 10-16548890000 산악 철도 궤도의 랙기어 진동 감쇄구조

2016.08.05. 10-16478230000 산악철도차량의 연결기 설치구조

2016.01.15. 10-15875720000 산악철도차량용 대차프레임

2016.01.15. 10-15875840000 산악철도차량의 플로어구조2015.08.13. 10-15459670000 산악 철도용 피니언 기어 승하강 구조2015.08.13. 10-15459660000 산악철도차량용 연결기

2015.01.09. 10-14831780000 산악 철도차량의 주행 장치

5. 연구성과의 활용 및 홍보

(1) 연구성과 정책토론회

- 지리산 친환경 산악철도 도입 (국회정책토론회 2017. 2. 24.)

- 지리산권 친환경 전기열차 (국회정책토론회 2017. 6. 26.)

(2) 정책 반영

- 문재인 정부 100대 국정과제 전북지역 공약(2017. 7. 19.) 「지리산권 친환경 전기열차

사업 지원」

- 궤도운송법 개정 「산악벽지형 궤도」 신설 (2016. 3. 22.)

<지리산권 친환경 산악철도> <지리산권 친환경 전기열차 정책토론회> <국정과제> (3) 산악철도 지자체 수요

- 남원시, 하동군, 태백시, 평창군, 서울시 등 산악철도 도입 의사 표명

<지자체 산악철도 수요조사 응답 공문>

(3) 연구성과 인증 및 홍보

- 산업통상자원부 NeT 신기술 인증 「일반도로와 겸용이 가능한 급구배 급곡선 산악철도

용 대차 및 궤도 기술」(2016. 12. 21.)

- 부산국제철도기술산업전 「산악철도 기술 전시」(2017. 6. 14.~17.)

- 제주 신교통수단 품평회 전시 「산악트램」(2017. 12. 1.~2.)

- 국토교통기술대전 「산악트램」 기술개발 성과 전시(2018. 6. 7.~8.)

- 국토교통부 교통신기술 신청 「산악도로를 활용한 톱니바퀴 철도주행추진 및 프리캐스

트 매립형 궤도시스템 기술」(2018. 2. 22.) 및 심사 통과

<산악철도 법안 통과> <NET 인증서>

<부산국제철도기술산업전>

<제주 신교통 품평회>

(4) 산악철도 경제성 분석(지리산, 한라산) 단위:억원

구간 B/C할인비용

할인편익

구간 B/C할인비용

할인 편익

지리산1구간

1-1 0.90 1,051 944한라산 (영실매표소~휴게소

1.08 425 4651-2 1.20 1,559 1,8711-3 0.96 1,979 1,905

지리산2구간 1.13 3,627 4,098※「산악철도 경제성분석 보고서」, 한국철도기술연구원, (2016)

<지리산 산악도로> <한라산 검토구간>