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기획특집/연재

시속 360km! JR니시니혼(東日本)「초고속 신칸센」기술혁명

2019년 봄, 등장하기 위해 개발

(서울:레일뉴스)최경수 편집위원 = JR 니시니혼(西日本)은 3월 4일, 간사이(關西) 권 3개 역에 승강장 안전문을 설치한다고 발표하였다. 3월 19일부터 26일까지 교바시(京橋) 역ㆍ다카쓰키(高槻) 역ㆍ신 코베(新神戶) 역의 각 역에 사용을 개시한다.


 

  - JR 히가시니혼이 2005년~2009년 사이에 주행시험을 실시한 FASTECH-360S형 고속시험 차


시속 360km를 실현하기 위한 기술검증 진행 중


  2019년 봄에 등장하기 위해서 개발이 진행 중인 JR 히가시니혼(東日本)의 신칸센 시험 차 E 956형 ALFA-X(알파엑스)이다. JR 히가시니혼의 공식 사이트에는 "새로운 안전성ㆍ안정성 추구", "쾌적성 향상", "환경성능 향상", "유지보수 혁신"을 컨셉으로써 빅 데이터와 AI 등을 활용하여 개발 중이다.


  그 가운 데에도 주목할 것은 영업운전에서 최고시속 360km의 가능성을 기술적으로 검증한다는 것이다. ALFA-X의 개발은 차세대형 신칸센(新幹線)의 프로토 타입인 동시에 홋카이도 신칸센(北海道新幹線)의 삿포로(札幌) 연장을 고려한 기술개발도 한다. 그 가운 데에는 쾌적성과 속달성이라는 요소도 시속 360km 운전도 그 주제의 하나이다.


  그런데 최고시속 360km라면 2005년부터 2009년까지 JR 히가시니혼이 고속시험 차 E 954형 FASTECH-360S 고속시험 차(풀 규격 신칸센), E 955형 FASTECH-360Z형 고속시험 차(미니 신칸센)의 속도향상 시험을 실시한 적이 있다. 시험결과 시속 360km 운전은 무산되었지만 최고시속을 320km로 올린 영업용 차량의 E 5계 신칸센 및 E 6계 신칸센이 등장한 바 있다.


 

  - JR 히가시니혼의 주력 싱칸센 E 5계


  그래서 FASTECH-360형 고속시험 차의 시험결과를 되새기면서 ALFA-X를 시속 360km를 실현하기 위해서 현재 공표된 기술을 고찰하여 새로 채용되는 기술을 예상하고 싶다.


  이 FASTECH-360형 고속시험 차에 의한 시험에는 영업 최고시속 360km에 대해서 몇 가지 과제가 남았다. 그 하나가 비상제동 시의 과제이다. 신칸센에 국한된 얘기는 아니지만 비상제동은 정전시를 고려하여 제동만으로 하는 게 원칙이다.


  시속 360km의 비상 제동거리의 목표는 E 2계 신칸센의 시속 275km의 비상 제동거리인 4000m이내이다. 이는 속도향상해도 성능이 악화해서는 안 된다는 상황에 악화의 룰에 따른 것이다.


  FASTECH-360형 고속시험 차는 비상제동 시 발열에 의한 뜻이 적은 중앙 체결방식 브레이크 디스크와 반(反) 디스크에 유연하게 접촉하여 높은 마찰계수를 얻을 수 있는 분할식 브레이크 라이닝을 채용하였다. 더욱 열의 영향을 받기 쉬운 유압부품을 없애고 신칸센 최초의 공압제동(空押制動) 캘리퍼를 채용하였다. 더욱 공기저항 증가장치를 탑재하였다. 차체에는“고양이”라고도 부르는 저항판(抵抗板)을 격납하여 비상제동 시에는 공기 실린더를 이용하여 지붕에 펼쳐지게 한 구조이다.


제동과 팬터그래프 방음판(방음판)의 안전성


  이 공기저항 증가장치를 병용함으로써 시속 360km에서 4000m 이내로 정지시킬 수 있었다. 그러나 공기저항 증가장치의 저장공간이 객실을 압박하는 것과 동작하는 데 공기 실린더를 이용하기 때문에 페일 세이프 성에 과제가 남았다. 그리고 FASTECH-360형 고속시험 차가 제동장치만으로 4,000m 이내 정지할 수 있는 초속은 시속 340km/h였다.


  ALFA-X에는 새로운 공력 저항판(空力 抵抗板) 유닛을 지붕에 탑재하였다. 이 유닛은 서로 반대 방향으로 전개되는 2장의 저항판을 균형 기어로 연결하여 1조로 하였다. 비상제동 시 주행풍(走行風)을 받고 일어나는 저항판(抵抗板)과 연동되어 또 1장의 저항판(抵抗板)이 반대방향에서 일어나 주행풍(走行風)이 감소하는 것으로 전개상태의 균형이 유지되는 시스템이다.


  장점은 로크를 제외하는 것 만으로 무동력(無動力)ㆍ무제어(無制御)이며, 페일 세이프 성이 뛰어난 것과 객실 내를 압박하지 않는 것이었다.


  더욱이 ALFA-X에는 자기 부상식 감속도 증가장치도 탑재하였다. 이것은 이른바 와전류(渦電流) 레일제동이다. 대차(臺車) 프레임에 교류 전자석과 인버터를 탑재하여 동작 시에 레일에 가깝게 와전류(소용돌이) 전류를 발생시켜 감속한다.


  레일제동은 독일철도의 고속철도 차량 ICE에서 상용되었다. JR 히가시니혼은 독일철도와의 기술교류를 1990년대부터 하고 있으며, ICE용 대차를 시작(試作)한 실적도 있다.


  FASTECH-360Z형 고속시험 차에는 이동식 팬터그래프 방음판에 대한 과제도 남았다. 팬터그래프 방음판은 팬터그래프에서 발생하는 소음을 글자 그대로 차단하는 벽으로써 팬터그래프 좌우의 지붕 위에 세워져 있다. 그 크기는 풀 규격 신칸센의 차량한계 최저 높이의 대형이다.


 

 - FASTECH360형 고속시험 차의 선두형상은 두 종류가 있으며, 이것은 앞 사진의 형상과 다르다


  그러나 재래선 차량한계는 신칸센보다 훨씬 작기 때문에 대형 팬터그래프 방음판을 세운 채 재래선에 들어갈 수 없다. 그래서 FASTECH-360Z형 고속시험 차는 팬터그래프 방음판을 가동식으로 하였으며, 재래선 구간에는 팬터그래프 방음판을 차체 측면에 격납하고 있다.


  과제가 된 것은 이 가동식 팬터그래프 방음판의 페일 세이프 성이다. 신칸센 구간에서 고장 났을 경우에는 재래선 구간에 투입하지 않으며, 반대로 재래선 구간에서 고장 났을 경우에는 시속 360km로 주행할 수 없게 하였다.


  또 팬터그래프 방음판을 격납하는 부분에는 객실을 만들지 못해 차내 레이아웃에 제약을 받았다.


  E 6계 신칸센에는 팬터그래프 방음판을 고정식으로 하여 재래선 차량한계 내에 들어갈 수 있는크기로 소형 화하였다. 이것이 최고시속을 320km로 한 이유 중 하나이다.


  ALFA-X의 미니 신칸센 타입에 대해서는 아직 방송은 없지만 아마도 제조하려고 한다. 또한 ALFA-X는 시뮬레이션을 활용하여 팬터그래프의 소음발생 요인을 검토하여 대책 형상의 풍동실험(風洞實驗)에 의한 평가와 방음, 흡음방법을 검토하여 종합적인 저 소음화 개발을 실시하고 있으며, 새로운 저 소음대책을 마련할 수 있을 지도 모른다. 그리고 시속 360km 영업운전하는 데 대해서 큰 과제가 된 것이 신재(新在 = 신칸센이 재래선을 운행하는 열차) 합병편성이 장대 터널을 통과할 때 후위편성(後位編成)의 선두 차가 크게 진동하는 것이다.


2019년 봄에 등장


  도호쿠 신칸센(東北新幹線)의 운용상의 특성으로 풀 규격 신칸센(新幹線)과 재래선(在來線) 직통 미니 신칸센을 합병하여 운용하는 것이 많다. 이 두 편성의 선두 차(先頭車) 간을 연결하는 부분의 차체 단면적은 일단 작고, 다시 커지는 만큼 전위(前位) 편성의 선두 부가 만들어 내는 소용돌이가 후위(後位) 편성의 선두 차(先頭車)에 작용하여 차체의 고유 진동수와 일치하여 차체를 크게 흔드는 현상이 발생하였다.


  FASTECH-360형 고속시험 차에는 풀 액티브 서스펜션의 고출력 화와 제어 로직을 개량하여 시속 320km에서는 양호한 승차감 수준을 확보할 수 있었다. 그러나 시속 360km에서는 그 수준까지는 못 미쳤다.


  
 - ALFA-X의 선두 형상은 두 종류가 있다


  이 진동을 해결하려면 ALFA-X에서 선두 부 형상을 재검토할 필요가 있을 것이다. ALFA-X에는 두 종류의 선두부 형상을 비교 시험하기 위해 터널 돌입 시 영향을 포함한 성능을 평가할 예정이다.


  물론 ALFA-X는 시속 360km 운전뿐만 아니라 안전성·안정성 향상 책으로써 지진대책 좌우방향 댐퍼와 지진대책 크랏샤불 스톳퍼를 설치하는 등 쾌적성 향상 책으로써 상하 제진장치(上下 制振裝置)의 탑재 및 흡음성(吸音性)·정음성 향상(靜音性向上), 제동 디스크 이면(裏面) 핀에 의한 저 소음화(騷音化) 그리고 차량 각 기기를 모니터링하는 장치를 탑재하여 고장을 예지(豫知)하여 사전에 유지보수를 실시하는 C B M(상태기준 보전)을 실현하는 등 다양한 기술을 검증한다.


  ALFA-X의 등장은 2019년 봄, 그때까지 얼마나 기술이 밝혀질 지 궁금하다.


     - 資料 : 東洋經濟 新報社, 2018. 7. 29.

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