전차선 장력에 따른 팬터그래프 동적 접촉력 특성 분석

Abstract

과거, 일반 철도차량은 뛰어난 정시성과 대량의 화물운송 할 수 있게 개발되었다. 하지만 전반적으로 속도제한을 고려해볼 때 다른 운송 수단과 다르게 주목받지 못하였다. 그 해결방안을 찾고자 고속철도차량을 개발하였다. 이 때문에 불과 몇 년 전부터 고속철도차량은 고속성과 안정성을 목적으로 개발되고 있다. 고속주행을 달성하기 위해서 전반적으로 고속철도 차량의 성능개선이 필요하다. 우선 차량 작동을 위해 전력공급이 필요하다. 전력공급을 받는 시스템을 팬터그래프라고 한다. 이 시스템은 차량 최고속도를 결정짓는 핵심기술이고 가장 중요한 기계장치 중 하나이다. 집전시스템은 기본적으로 전차선과 팬터그래프 사이의 동적 접촉력 상호작용이 발생한다. 기존 연구는 해석적 방법을 이용하여 모델링 개발 및 결과의 신뢰성 검증을 하였다. 또한, 차량 한계속도를 벗어난 결과를 해석적 방법을 사용하여 예측한 것과 팬터그래프가 주행 중 일어나는 전차선과 팬터그래프 사이의 움직임을 예상하기 위한 연구가 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 HEMU-430X 차량의 팬터그래프를 대상으로 동적 접촉력 특성 분석을 수행하였다. 또한, 방대한 시험 계측데이터 분석과 해석 기법을 사용하였다. 먼저, 측정방법 및 시험조건에 대해 설정을 하였다. 두 번째, 시험조건을 바탕으로 계측한 데이터에 대해 경부고속선20KN(최고속도:300km/h)와 호남고속선26, 34KN(최고속도:400km/h)의 특성분석을 수행하였다. 그 결과 팬터그래프가 속도에 따른 평균 접촉력과 접촉력 표준편차 증가를 확인하였다. 표준편차 증가원인을 파악하기 위해 주파수 분석(FFT)을 수행하였다. 그 결과 경간이 접촉력 표준편차 증가에 가장 큰 영향임을 확인하였다. 좀 더 상세한 분석을 수행하기 위해 경간 길이를 분석하였다. 그 결과 경간 길이가 길수록 표준편차가 다소 증가하는 경향이 보이지만 전체적으로 경간 길이 영향은 미미한 결과로 확인하였다. 동시에 종합적인 결과를 분석하여 전차선 장력이 접촉력 표준편차 감소를 위한 효과 인자라는 것을 도출하였다. 실제 시험 최고속도 400km/h 이상에서 팬터그래프의 안정된 집전성능을 유지하려면 전차선과 팬터그래프 사이의 접촉력 표준편차가 작아져야 한다. 먼저, 속도에 따른 평균 접촉력 실험결과와 해석결과를 수행하였다. 그 결과 실험결과에 대한 신뢰성 및 모델링 검증을 확인하였고 경향성도 매우 잘 일치하였다. 또한, UIC Code-794-O의 기준에 만족한 결과를 얻었다. 두 번째, 속도에 따른 접촉력 표준편차 실험결과와 해석결과, 경간 길이에 따른 속도별 해석결과, 장력에 따른 실험결과와 해석결과를 수행하여 장력인자가 표준편차 감소 인자임을 재확인하였다. 세 번째, 장력에 따른 해석적 예측결과 및 경향성 분석을 수행하였다. 추가로 장력 23KN,30KN을 수행하여 속도에 따라 비교․분석함으로써 장력에 대한 예측과 경향성을 해석적으로 확인하였다. 마지막으로 전차선 설계 시, 영업운영 속도에 따라 장력 설계기준을 판단할 수 있게 제시하였다.