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더블스킨 구조

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목차

1. 개요

더블스킨 구조는 철도 차량 차체의 강성을 높이고 실내 공간을 넓히기 위해 외판과 골조를 일체화한 구조이다. 알루미늄 합금 압출형재를 용접하여 제작하며, 2중 구조로 인해 소음 감소와 제조 공정 간소화의 장점을 가진다. 최근 개발되는 철도 차량에 많이 채용되고 있으며, 세미 더블스킨 구조와 스테인리스 더블스킨 구조 등 다양한 형태로 발전하고 있다.

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더블스킨 구조

2. 구조 및 특징

더블스킨 구조는 철도차량의 차체를 구성하기 위해 필요했던 외판과 골조를 일체로 정리한 구조이다. 트러스 형태의 단면을 가지는 알루미늄 합금의 압출 성형재를 용접으로 이어 맞추어 제작된다. 차체 제조 시에는 마찰 교반 용접(FSW)이 주류이며, 킨키 차량에서는 레이저 MIG 하이브리드 용접이라는 독자적인 용접 방식을 채용하고 있다.[1]

외벽부만으로 필요한 강도를 유지할 수 있기 때문에 종래의 싱글스킨 구조에서 필요했던 기둥이나 대들보 역할을 하는 골재가 불필요하며, 이에 따라 실내의 돌기가 없어져 실내공간을 넓힐 수 있다. 또한 2장의 벽 사이 틈새에 제진재를 삽입하여 객실 소음을 줄이고, 제조 공정 간소화 및 비용 절감 효과도 있다.[1]

2중 구조이기 때문에 경량화 측면에서는 약간 불리하지만, 더블스킨 구조의 여러 이점을 고려하면 싱글스킨 구조보다 훨씬 우수하기 때문에 최근 개발되는 철도차량에서 많이 채용되고 있다.[1]

2. 1. 장점

강성이 강하고 차체의 굴곡이 적다. 외벽 부분만으로 필요한 강도를 확보할 수 있기 때문에 기존의 싱글스킨 구조에서 필요했던 기둥이나 보와 같은 골재가 불필요해져 실내로의 돌출이 없어지고 실내 공간을 넓게 확보할 수 있다. 그리고 2장의 판 사이의 틈새에 제진재를 삽입할 수 있어 객실 내 소음을 매우 낮게 억제할 수 있다. 또한, 차체의 지붕판과 측판이 일체화되어 부품 수를 줄이고 기둥과 보를 생략하여 제조 공정의 간소화 및 제조 비용 절감도 실현하고 있다.[1]

2. 2. 단점

이중 구조이기 때문에 중량 면에서 약간 무거워 경량화에 다소 불리하지만, 전체적인 밸런스에서는 싱글스킨 구조보다 압도적으로 우수하여, 최근 개발된 신칸센 N700계 전동차 등 많은 철도 차량의 차체 구조로 채용되고 있다.[1] 히타치 제작소의 A-train 시스템 및 가와사키 중공업의 efACE 시스템에서도 채용되고 있다.[1]

2. 3. 세미 더블스킨 구조 (일본 자료 기반)

제도고속도교통영단(영단 지하철) 08계는 2002년(헤이세이 14년)부터 제조되었으며, 싱글 스킨 구조의 일부에 더블 스킨 구조를 채용한 "세미 더블 스킨 구조"를 채택하였다.[7] 이 전동차는 기존 바닥 구조체 외에 측면 구조체 하부(7인용 좌석 사이는 대들보 접합부 부근, 차량 단부는 측면 창 아래 전체)를 중공 형재를 이용한 이중 구조(더블 스킨 구조)로 만들었다.[8][9]

그 외에도 도쿄 지하철 9000계 5차차[10], 게이한 13000계, 삿포로 시 교통국 9000형[11]에서 세미 더블 스킨 구조를 채택하였다. 그러나 영단 지하철 08계와는 구조가 다르다.[10]

히타치 제작소의 도쿄 모노레일 10000형 전동차는 싱글 스킨 구조와 더블 스킨 구조를 조합한 차체를 "하이브리드 차체"라고 부른다.[12]

3. 제작 기술

더블스킨 구조는 철도차량 차체의 외판과 골조를 하나로 합친 구조이다. 골판지처럼 두 장의 판 사이에 트러스 형태의 보강재를 넣어 강도를 확보한다. 알루미늄 합금 압출형재를 용접하여 제작하며, 강성이 강하고 차체의 굴곡이 적다는 장점이 있다.

싱글스킨 구조와 비교하면 기둥이나 보 같은 골재가 불필요하여 실내 공간을 넓힐 수 있고, 두 판 사이 틈새에 제진재를 넣어 객실 소음을 줄일 수 있다. 또한 제조 공정이 간단해져 제조 비용도 절감된다. 이중 구조라 경량화에는 약간 불리하지만, 여러 장점 덕분에 신칸센 N700계 전동차 등 최근 철도차량에 많이 채택되고 있다. 히타치 제작소의 A-train 시스템 및 가와사키 중공업의 efACE 시스템에서도 사용된다.

3. 1. 용접 방식

차체 제조 시에는 트러스 형태의 단면을 가진 알루미늄 합금 대형 압출 성형재를 용접하여 제작하지만, 최근 용접 방법은 마찰 교반 용접(FSW)이 주류이며, 킨키 차량에서는 레이저 MIG 하이브리드 용접이라고 하는 독자적인 용접 방식을 채용하고 있다. 스테인리스 차체에서도 레이저 용접 또는 스폿 용접을 사용한 더블 스킨 구조가 연구되었다.[16] 2002년 3월에 도큐 차량 제조에서 제작된 JR 동일본 E993계 전동차 (AC 트레인)의 쿠하 E993-1(스폿 용접에 의한 더블 스킨 구조), 사하 E993-1(레이저 용접에 의한 더블 스킨 구조)에서 시험적으로 채용되었다.[17][18][19] 스테인리스 더블 스킨 구조는 레이저 용접, 스폿 용접 모두 가능하다.[17] 이 공법은 일정한 성과를 거두었지만, 패널 제조 회사가 철수했기 때문에 당분간 실용화는 보류되었다.[20]

3. 2. 제진 기술 (일본 자료 기반)

더블스킨 구조는 중공 형재 내부에 제진 수지를 용착하여 부착함으로써 차음성(소음 저감) 및 진동 저감에 큰 효과를 발휘한다.[13][14] 고베제강소가 1994년에 개발한 알루미늄 제진 형재 '단셰이프'(등록 상표)는 이러한 제진 기술을 적용한 제품이다.[14]

1996년, 영단 지하철(현 도쿄 메트로) 난보쿠선 9000계 2차차(46량)에 처음으로 채용되었으며, 신칸센 차량에서는 E2계, E3계 (양산차), 500계, 700계[14], N700계[14] 등에 채용되었다.

UACJ의 전신인 스미토모 경금속 공업은 1994년에 중공 형재 내부에 염화 스티렌 부타디엔계 고무의 제진 발포재를 충전한 "스미샤트"를 발표했으며[15], 일부 신칸센 차량에 채용되었다.

4. 역사

더블스킨 구조는 기존 철도 차량의 차체에 필요했던 외판과 골조(기둥, 보)를 일체화한 구조이다. 골판지와 같이 2장의 판 사이에 트러스 형태의 보강재가 있어 골조 없이도 강도를 확보할 수 있다. 차체는 트러스 형태 단면을 가진 알루미늄 합금 대형 압출 성형재를 용접하여 제작한다. 최근에는 마찰 교반 접합(FSW) 방식이 주류이며, 킨키 차량은 레이저 MIG 하이브리드 용접 방식을 사용한다.

더블스킨 구조는 강성이 높고 차체 처짐이 적다. 외벽만으로 강도를 확보할 수 있어 싱글 스킨 구조에 필요한 기둥이나 보 같은 골재가 불필요해져 실내 돌출이 없고 공간을 넓게 쓸 수 있다. 또한, 판 사이 틈새에 제진재를 넣어 객실 소음을 줄일 수 있다. 지붕판과 측판이 일체화되어 부품 수를 줄이고 제조 공정과 비용을 절감한다.

이중 구조라 경량화에 불리하지만, 전체적으로는 싱글 스킨 구조보다 우수하다. 신칸센 N700계 전동차를 비롯한 많은 철도 차량, 히타치 제작소의 A-train, 가와사키 중공업의 efACE 시스템에 채택되고 있다.

4. 1. 일본

일본에서 더블스킨 구조를 처음 채택한 것은 1981년에 제조한 산요 전기 철도 3050계 7차차이다. 이 차량은 알루미늄 합금 압출 형재를 조합하여 지붕 구조체나 측면 구조체를 제작하고(싱글 스킨 구조), 측면 보와 바닥 구조체, 처마 도리(측면 구조체와 지붕의 맞닿는 부분)의 구조체 부재에는 중공 구조의 알루미늄 압출 형재를 사용했다.[4]。 당시에는 "더블 스킨 구조"라는 용어는 없었고, "중공 형재" 등으로 불렸다.[4]。

중공 구조의 바닥 구조체는 가로보를 생략하고, 중공 형재에 일체 성형된 커튼 레일 모양의 기기 매달기 홈이 있어, 볼트를 통해 바닥 하부 기기를 매달았다.[4]。 기기를 매달기 위한 보에 좌우되지 않고 기기 배치가 가능하며, 이전 등 개조도 용이하다.[4]。 중공 형재 내부는 전선 덕트로 사용할 수도 있어, 합리적인 구조가 되었다.[4]。

이 구조는 산요 전기 철도 3050계 이전에 유럽의 철도 차량에서 이미 실적이 있었다.[4]。 산요 전기 철도에서 채택 후, 게이한 6000계, 에이단 지하철 01계, 오사카 시 교통국 20계에서 채택이 이어졌다.

한큐 7300계(알루미늄 차량)[5]나 국철 203계[6] 등 구조체에 압출 형재를 사용한 알루미늄 차량도 있지만, 이들의 바닥 구조체는 일반적인 대차 구조(싱글 스킨 구조)이다.[5][6]。

싱글 스킨 구조의 일부에 더블 스킨 구조를 채용한 것이 "세미 더블 스킨 구조"이다. 2002년에 제조가 시작된 제도고속도교통영단(영단 지하철) 08계에서 채용되었다.[7] 이 계열에서는 종래의 바닥 구조체에 더하여 측면 구조체의 하부 구조(7인용 좌석 사이는 대들보와의 접합부 부근만, 차량 단부는 측면 창 아래 전체)를 중공 형재에 의한 이중 구조(더블 스킨 구조)로 하였다.[8][9]

그 외, 도쿄 지하철 9000계 5차차[10], 게이한 13000계 , 삿포로 시 교통국 9000형[11]에서 세미 더블 스킨 구조를 채용하고 있다. 단, 영단 지하철 08계와는 구조가 다르다.[10]

히타치 제작소제 도쿄 모노레일 10000형 전동차에서는 싱글 스킨 구조와 더블 스킨 구조를 조합한 차체를 "하이브리드 차체"라고 칭하고 있다.[12]

4. 2. 대한민국

대한민국에서는 최근 개발되는 철도차량에 더블스킨 구조가 많이 채용되고 있다. 더블스킨 구조는 철도차량의 차체를 구성하기 위해 필요했던 외판과 골조를 일체로 정리한 구조이다. 트러스 형태의 단면을 가지는 알루미늄 합금 압출형재를 용접으로 이어 맞추어 제작된다. 강성이 강하고 차체의 굴곡이 적은 것이 장점이다.

더블스킨 구조는 외벽부만으로 필요한 강도를 유지할 수 있기 때문에, 종래의 싱글스킨 구조에서 필요했던 기둥이나 대들보 역할을 하는 골재가 불필요하다. 이에 따라 실내의 돌기가 없어져 실내 공간을 넓힐 수 있다. 또한, 2장의 벽과 벽 사이 틈새에 제진재를 삽입할 수 있기 때문에 객실 소음을 크게 낮출 수 있다. 기둥이나 대들보를 생략하면 제조 공정이 간소화되어 제조 비용도 절감할 수 있다.

더블스킨 구조는 2중 구조이기 때문에 경량화 측면에서는 약간 불리하지만, 여러 이점을 고려하면 싱글스킨 구조보다 훨씬 우수하다.

5. 스테인리스 더블스킨 구조 (일본 자료 기반)

스테인리스 차체에서도 레이저 용접 또는 스폿 용접을 사용한 더블스킨 구조가 연구되었으며[16], 2002년 3월 도큐 차량 제조에서 제작된 JR 동일본 E993계 전동차 (AC 트레인)의 쿠하 E993-1(스폿 용접에 의한 더블스킨 구조), 사하 E993-1(레이저 용접에 의한 더블스킨 구조)에서 시험적으로 채용되었다[17][18][19]。스테인리스 더블스킨 구조는 레이저 용접, 스폿 용접 모두 가능하다[17]。

이 공법은 일정한 성과를 거두었지만, 패널 제조사가 철수했기 때문에 당분간 실용화는 보류되었다[20]。

참조

[1] 문서
[2] 잡지 私鉄通勤形電車 新図鑑 シリーズ化と個性 交友社 2016-11
[3] 문서
[4] 간행물 山陽電鉄3050系新形式アルミ電車 日本鉄道車輌工業会 1981-10
[5] 간행물 阪急電鉄7300系アルミ車両 鉄道電化協会 1982-09
[6] 간행물 203系通勤形直流電車について レールウエー・システム・リサーチ 1982-07
[7] 문서
[8] 웹사이트 車両の衝突安全性に関するこれまでの研究成果のまとめ https://web.archive.[...]
[9] 간행물 帝都高速度交通営団　08系の概要 レールアンドテック出版
[10] 간행물 東京地下鉄 9000系車両（5次車） 日本鉄道車輌工業会 2009-09
[11] 웹사이트 札幌市交通局向け地下鉄電車を受注 https://web.archive.[...]
[12] 웹사이트 東京モノレール10000形車両の開発 https://www.hitachih[...]
[13] 논문 방음・제진 복합형 알루미늄 합금 형재 "단쉐이프" 日本金属学会
[14] 서적 神戸製鋼100年 1905-2005 神戸製鋼所
[15] 논문 制振形材と制振発泡材 https://www.uacj.co.[...] 住友軽金属工業研究開発センター 1994-10
[16] 논문 レーザスポット溶接によるステンレス鋼ダブルスキンパネル材料の開発(第1報) https://doi.org/10.2[...] 精密工学会 2006
[17] 간행물 次世代通勤近郊形電車ACトレインの開発 - e@train構想の実現を目指して - 日本鉄道技術協会 2002-07
[18] 웹사이트 レーザ溶接によるステンレス鋼製ハニカムパネルの製造技術の開発 https://www.nipponst[...] 新日本製鉄 2003
[19] 논문 ステンレス車体の溶接技術史 : 抵抗スポット溶接の技術導入から世界初のレーザ溶接車体の開発まで https://www.j-trec.c[...] 総合車両製作所生産本部技術部 2017-12
[20] 웹사이트 次世代通勤電車の実現に向けて https://www.jreast.c[...] 東日本旅客鉄道 2004-Summer


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