전기철도에서 열차의 속도향상을 위하여 전차선의 장력상승은 필수적이며, 전차선로의 집전성능은 장력에 따라 크게 좌우한다. 경부고속철도에서 사용하고 있는 도르래식 장력장치는 장력변동율이 3% 이내로 규정되어 있고, 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 고속선에서의 장력변동을 요구소건을 만족하는 도르래식 장력조정장치를 개발하였다. 개발한 장력조정장치의 성능을 확인하기 위하여 경부고속철도 장력조정장치의 규격에 따라 성능시험, 내하중 시험 및 파단시험을 수행하였다. 장력조정장치의 신뢰성을 확보하기 위하여 공장에서의 피로시험과 충북선 본선에서 1 년 이상을 시범설치, 운영하였다. 이들 시험을 통하여 개발된 장력조정장치가 신뢰성을 가지며 본선에 적용할 수 있다는 것을 입증하였다.
전기철도에서 열차의 속도향상을 위하여 전차선의 장력상승은 필수적이며, 전차선로의 집전성능은 장력에 따라 크게 좌우한다. 경부고속철도에서 사용하고 있는 도르래식 장력장치는 장력변동율이 3% 이내로 규정되어 있고, 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 고속선에서의 장력변동을 요구소건을 만족하는 도르래식 장력조정장치를 개발하였다. 개발한 장력조정장치의 성능을 확인하기 위하여 경부고속철도 장력조정장치의 규격에 따라 성능시험, 내하중 시험 및 파단시험을 수행하였다. 장력조정장치의 신뢰성을 확보하기 위하여 공장에서의 피로시험과 충북선 본선에서 1 년 이상을 시범설치, 운영하였다. 이들 시험을 통하여 개발된 장력조정장치가 신뢰성을 가지며 본선에 적용할 수 있다는 것을 입증하였다.
In the electrical railway, the increase of tensions in an overhead contact lines is essential to speed-up of train, because current collection quality largely depends on the ratio of a wave propagation speed to a train speed. For Kyungbu high-speed line, a pulley-type tensioning device is required t...
In the electrical railway, the increase of tensions in an overhead contact lines is essential to speed-up of train, because current collection quality largely depends on the ratio of a wave propagation speed to a train speed. For Kyungbu high-speed line, a pulley-type tensioning device is required to have a tension variation of maximum 3%. Therefore we developed a pulley-type tensioning device in order to meet tension variation requirement of the high-speed tensioning device. To verify the performance of the developed device, a performance test, overload test and failure test were carried out according to the factory test procedure of the Kyung-Bu High-speed line. Furthermore, we also performed reliability performance through not only a fatigue test in a factory, but also on-line verification test in Chungbuk line for over 1 year. These tests verified that the tensioning device had applicability to a main line.
In the electrical railway, the increase of tensions in an overhead contact lines is essential to speed-up of train, because current collection quality largely depends on the ratio of a wave propagation speed to a train speed. For Kyungbu high-speed line, a pulley-type tensioning device is required to have a tension variation of maximum 3%. Therefore we developed a pulley-type tensioning device in order to meet tension variation requirement of the high-speed tensioning device. To verify the performance of the developed device, a performance test, overload test and failure test were carried out according to the factory test procedure of the Kyung-Bu High-speed line. Furthermore, we also performed reliability performance through not only a fatigue test in a factory, but also on-line verification test in Chungbuk line for over 1 year. These tests verified that the tensioning device had applicability to a main line.
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문제 정의
그러나, 개별식 장력조정이 가능하고 장력변동율이 3% 이내인 도르래식 장력조정장치는 국내에서 개발된 바 없어서 전량 외국에서 수입하여 사용되고 있는 실정이다. 그러므로 본 연구에서 기존선의 속도 향상 뿐만 아니라 고속선에 적용할 수 있는 도르래식 장력 조정 장치를 국산화하였다.
따라서, 본 연구에서는 장력조정장치 개발품이 기존선 속도향상 및 고속선에 모두 적용될 수 있도록 최대 운용 장력이 24kN이 되도록 개발하였다.
본 논문에서는 도르래식 장력조정장치의 개발 과정, 즉도르래식 장력조정장치의 설계 및 제작, 공장 성능시험, 충북선 본선에서의 시범설치/운영에 대하여 논하고 최종적으로 결론을 도출하였다.
본 연구에서 기존선의 속도 향상을 위하여 경부고속철도에서 사용하고 있는 도르래식 장력조정장치를 국산화 개발하였다. 개발한 장력조정장치는 고속철도에서 사용하는 개별식(20kN용) 혹은 호남선 등 기존선에서 사용하고 있는 일괄 식(24kN용)으로 장력을 조정할 수 있어 활용 범위가 넓고, 장력 변동 비율도 3% 이내로 맞추어 고속철도에도 적용이 가능하다.
도르래에서 로프가 미끄러지지 않으면 X값(도르래 중심간 거리)이 약 11cm 변화하게 될 것이다. 본 연구에서는 도르래와 로프 사이의 미끄러짐이 발생하는지를 확인하기 위하여 고해상도 이미지를 처리하여 X값(도르래중심거리)을 측정하였다. 이미지 처리기법을 이용한 X값의 측정 오차를 확인하기 위하여 직접 측정한 X값과 이미지 처리로 계산한 결과를 비교하였다.
피로시험의 경우 사양에서 특별히 정의하고 있지 않지만, 전차선 및 조가선이 아침/저녁으로 온도변화에 의해 신축되기 때문에 사용기간 동안 베어링, 스테인레스 스틸 선 및 도르래 쉬브의 마찰 등에 대한 내구성능을 확인하기 위하여 수행하였다. 경부고속철도 사양에는 내구 성능과 관련한 형식 (type) 시험 기준이 제시되어 있지 않으므로 본 연구에서는 도르래 장치의 추가적인 조사(investigation) 시험으로 장력 조정 장치 사용기간을 20년 이상으로 보고 아침/저녁으로 한번 신축한다고 가정하여, 장력조정장치를 Fig.
제안 방법
24kN의 장력 이 작용하는 전차선로에 사용할 수 있는 장력 조정 장치는 경부고속철도 장력조정장치 공장성능시험 사양[기을 준용하여 정상 장력의 2배 즉 48kN의 장력을 받는 상태에서 소재가 탄성을 유지해야 하고, lOOkN의 장력을 받은 상태에서 파단이 발생되지 않도록 설계하였다.
경부고속철도 사양에는 내구 성능과 관련한 형식 (type) 시험 기준이 제시되어 있지 않으므로 본 연구에서는 도르래 장치의 추가적인 조사(investigation) 시험으로 장력 조정 장치 사용기간을 20년 이상으로 보고 아침/저녁으로 한번 신축한다고 가정하여, 장력조정장치를 Fig. 12와 같이 장력 조정 장치를 사용상태로 설치하고 장력추를 O.lHzS, ±35cm 상하 이동을 11,000회(여유율 포함) 연속으로 움직이도록 엑츄에이터를 가진하였다. 시험 후 도르래는 시험 전과 마찬가지로 원활히 회전하였고, 도르래 쉬브와 와이어 로프는 눈에 띄는 마모를 보이지 않았음을 확인할 수 있었다.
기존선의 속도 향상 뿐만 아니라 고속선에 적용할 수 있도록 개발하는 도르래식 장력조정장치의 용량을 정하였다. 호남선에서는 전차선(Cu 110)과 조가선(Bz 65)에 각각 12 kN의 장력을 일괄식으로 부여하므로 호남선 적용을 위해 장력 조정 장치는 최대 24kN의 장력을 줄 수 있어야 한다.
제작하였다. 도르래의 형식은 총 3가지이므로 3 종류의 금형을 제작하여 중력 주조방식으로 도르래를 제작하였고, 도르래를 지 지하는 Anchor arm는 구조용 강판을 레이저로 절단하여 제작하였다. 또한, Anchor arm의 부식을 막기 위하여 절단된 강판을 아연도금으로 처리하였다.
장력 조정 장치에는 2개의 Anchor Arm이 있는데 그 중에서 전선에 가까운 쪽의 Anchor Ami에 더 큰 하중이 작용한다. 따라서 본 연구에서는 전선에 가까운 쪽의 Anchor Amml를 해석 대상으로 상용 유한요소 해석 툴인 ANSYS 10.0을 이용하여 응력해석을 수행하였다.
도르래의 형식은 총 3가지이므로 3 종류의 금형을 제작하여 중력 주조방식으로 도르래를 제작하였고, 도르래를 지 지하는 Anchor arm는 구조용 강판을 레이저로 절단하여 제작하였다. 또한, Anchor arm의 부식을 막기 위하여 절단된 강판을 아연도금으로 처리하였다.
또한, 본선 시범설치 단계에서는 충북선에 1년 1개월간 시험설치하여 현장 적용성 및 신뢰성을 확인하였다. 그러므로 개발된 도르래식 장력조정장치는 기존선 속도 향상을 장력 부여에 활용될 수 있으리라 판단된다.
설계단계에서 하중 분석을 수행하여 Anchor Arm 등의 안전성을 검토하였고 , 공장 성능 시험 단계에서 경부 고속철도 장력조정장치 사양에 따라서 운영 시험, 과하중 시험 및파단시험을 수행하여 고속철도 뿐만 아니라 기존선 속도향상에 적용할 수 있는 성능을 확보하였음을 확인하였고, 보다 완벽한 성능 확보를 위하여 사양에 나와 있지 않은 정적 장력측정, 접촉상태 점검 및 피로시험을 추가로 수행하였다. 또한, 본선 시범설치 단계에서는 충북선에 1년 1개월간 시험설치하여 현장 적용성 및 신뢰성을 확인하였다.
운영시험(operating) 및 과하중(overload) 시험은 경부고속철도 장력조정장치 공장성능시험 사양에서 제시하고 있는 시험으로, 국내에 시험설비를 갖추고 있지 않아서, 스위스의 Furrer+Frey사에서 시험을 수행하였다. 경부고속철도에서 전차선의 장력은 20kN이다.
집중 하중의 방향이 일직선이 아니므로 모멘트 불 평형이 발생하게 된다. 이러한 모멘트 불 평형으로 인한 원치 않는 응력 발생을 막기 위하여 전차선로가 연결되는 구멍 주변에 모멘트를 부여하였다. 경계조건으로 최 좌단 구멍은 위치를 고정하고 최 우단 구멍은 y축방향 변위만을 구속하였다.
본 연구에서는 도르래와 로프 사이의 미끄러짐이 발생하는지를 확인하기 위하여 고해상도 이미지를 처리하여 X값(도르래중심거리)을 측정하였다. 이미지 처리기법을 이용한 X값의 측정 오차를 확인하기 위하여 직접 측정한 X값과 이미지 처리로 계산한 결과를 비교하였다. 줄자를 이용하여 X값을 직접 측정한 결과는 82.
장력조정장치의 공장성능을 측정하기 위하여 접촉상태 점검, 운영 시험, 과하중 시험, 파단시험 및 피로시험을 수행하였다. 위 시험 중 경부고속철도 풀리타입 장력 조정 장치 사양에서 제시하고 있는 시험은 운영시험, 과하중 시험 및 파단시험이다.
10과 같이 장력조정장치를 사용 상태로 설치하였다. 장력추 대신에 와이어를 정반에 고정하고 엑츄에이터를 이용하여 Fig. 11과 같이 3번의 가력을 실시하였다. 첫 번째는 110kN까지 단계적으로 하중을 증가시켜 정적인 거동을 확인하였으며, 두 번째는 약 1240까지 급작스런하중을 가력하였다.
전차선 장력을 20kN과 24kN일 경우에 대하여 상기 절차에 따라서 Fig. 9와 같은 시험장비를 이용하여 운영시험과 과하중시험을 수행하였다. Table 3은 운영하중 200에 대하여 시험절차 ①~⑨에 따라 수행한 시험결과이다.
접촉면의 상태 확인을 위하여 도르래 내면에 화이트를 바르고 나서 장력추를 장력이 20kN과 24kN이 될 때까지 장력 조정 장치에 올려 놓고 나서 접촉면을 검사해 보았다. 검사 결과는 Fig.
11과 같이 3번의 가력을 실시하였다. 첫 번째는 110kN까지 단계적으로 하중을 증가시켜 정적인 거동을 확인하였으며, 두 번째는 약 1240까지 급작스런하중을 가력하였다. 마지막으로 세 번째는 두 번째 가력과마찬가지로 급작스런 하중을 가하되 부품이 파단될 때까지가력하였다.
대상 데이터
도르래 ⑤, ⑥, ⑦의 소재는 알루미늄이고, 암 ①, ② 의 소재는 강이며, 와이어 로프(③)는 스테인레스 재질을 사용하였다.
이때 과하중은 운영하중의 2배를 부여하였다. 시험에 사용한 로드셀은 Dynafor사의 50 kN용(모델명: LLX-5) 이다. 성능지수는 0.
장력조정장치의 현장 성능확인을 하기 위하여 기존 선인 충북선에서 Fig. 13과 같이 설치하여 약 1년 1개월간 시범운영을 하였다. 설치한 선로를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
마지막으로 세 번째는 두 번째 가력과마찬가지로 급작스런 하중을 가하되 부품이 파단될 때까지가력하였다. 130kN 이상에서 볼트로 힌지가 되는 앵커 클래비스(④)에서 파단이 일어나 시험합격기준을 만족함을 알 수 있었다.
15는 고 해상도 카메라를 이용하여 온도변화에 따라 X 값을 측정한 결과이다. X값의 변화가 Y값과 유사하게 선형적으로 변동되고 있으므로 장력조정장치의 도르래와 로프는 미끄러 지지 않고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
개발한 장력조정장치는 고속철도에서 사용하는 개별식(20kN용) 혹은 호남선 등 기존선에서 사용하고 있는 일괄 식(24kN용)으로 장력을 조정할 수 있어 활용 범위가 넓고, 장력 변동 비율도 3% 이내로 맞추어 고속철도에도 적용이 가능하다.
설치한 전주의 인류구간 길이는 1, 307m(장력길이 650m) 이고, 도르래식 장력조정장치 장력비 5:1을 기초로 온도에 따라 Y값의 변화를 계산하여 보면 온도 l(y>C 변화시 Y값이 약 55cm 변화하고, X값이 약 Hem 변화한다. 그래프에서 알 수 있듯이 제한된 측정 조건에서 온도에 따라 측정한 Y값의 변화가 거의 계산 결과와 부합하고, Y값의 변화가 선형적으로 변동되어 장력 조정 장치가 정상적으로 작동함을 확인할 수 있었다. 약간의 오차는 온도 측정시 바람 및 직사열 등의 영향으로 주변 온도가 약 ±2℃ 정도 편차를 보였기 때문이라고 판단된다.
48kN 의 장력이 작용할 때의 최대 응력은 157MPa로 항복응력인 250MPa 이내이므로 Anchor arme 48kN의 장력이 작용하더라도 여전히 탄성 상태를 유지할 수 있을 것이다. 따라서 48kNe 본 연구에서 목표로 하는 최대 표준장력 24kN의 두 배이므로 본 연구에서 개발되는 장력 조정 장치를 사용할 때에 구조 안전의 문제를 발생하지 않을 것임을 예상할 수 있다. Table 2에서 해석 조건, 결과 등을 정리하였다.
lHzS, ±35cm 상하 이동을 11,000회(여유율 포함) 연속으로 움직이도록 엑츄에이터를 가진하였다. 시험 후 도르래는 시험 전과 마찬가지로 원활히 회전하였고, 도르래 쉬브와 와이어 로프는 눈에 띄는 마모를 보이지 않았음을 확인할 수 있었다.
8과 같이 접촉상태가 원활하였다. 원주 방향의 접촉 상태는 와이어로프와 도르래가 접촉하기 시작한 부분과 접촉이 끝나려는 부분에서 강한 접촉이 있음을 확인할 수 있었고 그 중간 부분에서는 접촉 강도는 상대적으로 약하지만 균일한 접촉 상태를 보였다. 원주 방향으로 접촉 상태는 다음 그림과 깉이 9시 방향을 중심으로 대칭 형태를 띠고 있었다.
후속연구
또한, 본선 시범설치 단계에서는 충북선에 1년 1개월간 시험설치하여 현장 적용성 및 신뢰성을 확인하였다. 그러므로 개발된 도르래식 장력조정장치는 기존선 속도 향상을 장력 부여에 활용될 수 있으리라 판단된다. 아울러, 국산화 개발된 도르래식 장력조정장치의 고속철도 적용을 위하여 향후에 경부고속철도 본선에 시범설치 운영을 추진할 계획이다.
본 연구에서 개발한 도르래식 장력조정장치에 대한 고속철도 본선에서의 시범설치가 성공리에 완료되어 기존선 고속화 및 호남선 고속철도 건설 등에 적용하게 된다면 수입대체 효과가 클 것으로 기대된다.
그러므로 개발된 도르래식 장력조정장치는 기존선 속도 향상을 장력 부여에 활용될 수 있으리라 판단된다. 아울러, 국산화 개발된 도르래식 장력조정장치의 고속철도 적용을 위하여 향후에 경부고속철도 본선에 시범설치 운영을 추진할 계획이다.
참고문헌 (11)
Siemens(2001), "Contact Lines for Electric Railways."
International Union of Railways(2002), "UIC 799, Characteristics of a.c. overhead contact systems for high-speed lines worked at speeds of over 200km/h."
Korea TGV Consortium(1999), "Technical Specification for the supply of pulley type tensioning devices."
임금광, 윤용한(2004), "전차선로 자동 장력 조정 장치의 개선 방안," 한국철도학회 추계학술대회 논문집
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