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한국철도학회 우수논문발표상, 이배화 책임연구원 & 신하건 연구원 인터뷰

한국철도학회의 춘계, 추계학술대회는 국내외 철도산업 관계자들이 정기적으로 최신 연구 성과를 공유하고 평가하는 자리입니다. 매년 철도 10대 기술의 발표와 전시 역시 학술대회에서 이루어지는데요. 그만큼 철도분야에서 권위 있고 중요한 학술대회로 볼 수 있습니다.

▲현대로템 KTX-이음, 2021년 철도 10대 기술 선정!

*모든 사진은 방역수칙을 철저히 준수하며 촬영되었습니다

 

최신 철도기술을 교류하는 정기학술대회

2021년 11월 개최된 한국철도학회 추계학술대회에서는 철도안전, 보안, 신호, 정책, 유지보수 등의 주제로 수백 건의 논문이 발표되었습니다. 전 분야의 논문 중 심사를 통해 일부 논문에 우수논문발표상을 시상하는데요. 현대로템에서는 구조 분야의 ‘신개념 Side Structure 구조 기술 개발’과 충돌 분야의 ‘고속철도차량 충돌안전 한계속도에 대한 고찰’이 우수논문발표상을 수상했습니다. 

오늘 현대로템 블로그에서는 한국철도학회 추계학술대회에서 우수논문발표상을 수상한 이배화 책임연구원과 신하건 연구원의 철도기술 이야기를 들어봅니다.  

 

이배화 책임연구원: 고속철도차량 충돌안전 한계속도에 대한 고찰

Q. 책임연구원님의 자기소개를 부탁드립니다.

안녕하세요? 현대로템 차체개발팀 이배화 책임연구원입니다. 철도차량은 불가피한 상황을 대비해 생존공간 유지, 탈선방지, 변형한계 및 관리방안 등의 기술사항을 요구합니다. 이를 충족하기 위해 충돌에너지가 적절히 분배 및 흡수되도록 충돌하중을 관리하는데, 이때 적용되는 기술을 열차충돌 안전설계기술이라 부릅니다. 저는 이러한 충돌안전설계를 통해 사고로부터 승객 및 운전자뿐만 아니라 차량의 피해도 최소화하고 이를 입증하는 업무를 맡고 있습니다.

지금까지 참여 프로젝트로는 국내 고속전철 및 전동차를 비롯해 대만, 필리핀, 말레이시아, 폴란드, 인도, 싱가포르 등 다양한 해외 프로젝트들이 있습니다.

 

Q. 이번 논문 주제에 대해 설명 부탁드립니다.

KTX-이음은 현대로템의 진보된 설계기술이 적용된 고속철도차량입니다. 고속차량은 주행속도가 빠른 만큼 작은 돌발상황이 큰 사고로 이어질 수 있는데요. 이때 피해를 최소화하고자 규격 평가기준 이상의 안전기술을 적용했습니다. 고하중 에너지 흡수장치를 적용할 경우 기준 대비 안전율은 높일 수 있겠지만, 차량의 중량과 기기 배치 등 유지보수 측면의 문제점이 발생해 운영 상의 문제점으로 옮겨가게 됩니다.

그래서 KTX-이음의 차체에는 타 장치에 설계영향을 주지 않고 구조체의 다양한 변수를 고려해 얻어진 최적설계안이 적용되었고, 이 과정에서 연구한 일부 기술과 관련 장치들의 설계 지향점에 대해 공유하게 되었습니다.

▲다양한 안전기술과 최적의 설계가 적용된 현대로템 KTX-이음

Q. 연구 과정에서 어려운 점은 무엇이었나요? 

충돌사고평가에는 상당한 시간과 비용이 요구됩니다. 국내외 관련 규격에서는 수치해석을 통해 안전성을 입증하도록 정해져 있는데요. 유한요소 모델을 통해 수치해석을 계산하는데, 충돌평가는 편성 단위의 열차가 대상이고 대변형 압괴거동을 표현하기 위해 세밀한 요소망이 사용되어 결과물이 크고 시간도 많이 소요되었습니다. 에너지 밸런스 및 에러를 검토하는 전산분석과 계산효율을 높이는 데에도 추가적인 시간이 걸려서 시간과의 싸움이 많았던 것 같습니다.

*대변형 압괴거동: 대부분의 충돌안전장치는 충돌하중이 장치에 인가되면 변형을 통해 에너지를 흡수하게 되는데, 이를 압괴라 부릅니다. 대변형 압괴거동은 압괴부품을 차체에 부착 혹은 설치하여 충돌 시 변형을 유도해 차체를 보호하는 장치입니다. 

 

Q. 이번 연구가 앞으로 어떻게 활용될 수 있을까요?
충돌안전평가는 열차의 운행환경을 고려해 시나리오를 결정하는데, 고속차량에 가장 높은 수준의 사고각본이 적용됩니다. 이번 연구에서 얻은 충돌안전설계를 일반 철도차량과 전동차 등 최고운행속도가 낮은 차량에 적용하여 동등한 안전성을 확보하는 데 활용될 것으로 기대합니다.

Q. 책임연구원님이 현재 진행 중인 연구와 앞으로의 계획은요?
차체는 철도차량을 구성하는 기본 구성품으로서, 연결되는 장치와의 인터페이스 관점에서 특히 중요한 설계조건입니다. 저는 현재 충돌에너지 관리 방안의 연구 결과에 기초해 고효율 에너지 흡수장치에 대한 개발을 진행 중인데요. 표준사고각본 이외의 사고 시나리오에 대비할 수 있는 복합적인 안전설계를 완성할 수 있도록 요소기술에 대한 연구를 추진할 계획입니다.

 

신하건 연구원: 신개념 Side Structure 구조 기술 개발

Q. 연구원님의 자기소개를 부탁드립니다.
안녕하세요? 현대로템 차체개발팀에서 철도차량 차체의 구조적 안정성과 내구 수명 검증을 위해 구조 해석, 피로 해석 및 정하중 시험 업무를 담당하는 신하건 연구원입니다. 그동안 국내 고속열차 및 전동차를 비롯하여 터키, 필리핀, 호주, 말레이시아, 카자흐스탄 전동차 등의 해외 프로젝트에 참여하였고, 현재 대만 전동차와 탄자니아 전동차 프로젝트를 수행하고 있습니다.

Q. 이번 논문 주제에 대해 설명 부탁드립니다.
철도차량 산업에서 ‘수익성 개선’ 및 에너지 효율과 밀접한 관계가 있는 ‘경량화’는 중요한 화두입니다. 논문 주제인 ‘신개념 Side Structure 구조 기술 개발’은 이에 발맞추어 차체 제작 공정 단축 기술 개발의 일환으로 수익성 개선과 경량화를 목표로 수행한 연구입니다. 즉, 철도차량 차체 Side Structure 내부 골조 일부를 최적 설계한 메인 골조로 대체한 것입니다.

Q. 새로운 구조를 적용한 결과가 궁금합니다.
내부 골조를 최소화하고 기존 설계 대비 용접량이 적은 형상으로 변경하였기에 제작 공정 단축과 외판 품질 향상을 기대해 볼 수 있습니다. 또한, 최적설계 기법을 적용하여 기존보다 경량화된 구조로 설계되었습니다. 그리고 개발한 구조물을 적용한 차체의 안전성과 내구성을 평가하기 위해서 철도안전법 및 국제 규격에 따라 구조 및 피로 해석을 수행하였습니다. 그 결과 모든 하중 조건에서 평가 기준 이내의 결과가 도출되었습니다. 따라서 신개념 Side Structure는 안전성과 내구성을 확보한 구조라고 볼 수 있습니다.

▲ 신하건 연구원이 참여한 GTX-A 프로젝트의 목업 전시

Q. 해당 기술을 상용화하려면 어떤 노력이 필요할까요?
현재는 개발한 구조물에 안전율을 적용하여 해석으로만 검증한 단계이므로 상용화를 위해서는 시험을 통하여 검증하는 과정이 필요합니다. 더 나아가 지금의 수익성 개선 및 경량화 수준보다 더 발전시켜서 상용화할 수 있다고 생각됩니다. 그래서 현재의 신개념 Side Structure 구조물을 더 경량화 하고 좀 더 수익성을 개선할 수 있는 방안에 대해 모색 중입니다. 추후에는 차체 언더프레임 및 브라켓류의 경량화를 위해 최적화 연구도 추진할 계획입니다.

 

“앞으로도 연구개발에 매진하겠습니다”

두 연구원은 ‘팀원들을 대신해 받은 상’이라며 겸손한 감사의 인사를 전했습니다. 차량/기계 분야가 운영에 직접적인 영향을 끼치지는 않지만, 철도차량의 품질과 안전성을 높이기 위한 연구에 최선을 다하겠다는 다짐도 잊지 않았습니다.
거대한 차체에서 작은 구성품까지, 철도차량 연구개발에 매진하고 있는 현대로템에 많은 응원 부탁드립니다!