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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 전량 수입에 의존하고 있는 절연구분장치를 국산화 개발하였다. 내마모성이 높은 절연재를 사용하였고, 집전성능을 향상시키기 위하여 슬림형 구조를 채택하였다.
- 본 연구는 전기철도 전차선로에 설치되는 절연구분장치에 대하여 내마모성 향상 및 집전특성 향상을 고려한 국산화 개발을 수행하였다. 절연구분장치 개발을 위하여 기존 국내에서 사용되는 FRP제 수입품과 해외에서 사용되는 PTFE제 절연재의 고유 특성을 파악하여 비교하였으며, 그에 따른 개발품의 절연재료을 선정하여 기계적 및 전기적 특성시험을 진행하였다.
- 위와 같은 FRP제 절연구분장치의 마모 및 오염에 의한 성능 저하를 개선하기 위해서 새로운 절연구분장치를 연구 개발하였으며, 그 배경 및 기술적 특성은 아래와 같다.
- 유리섬유가 충진된 PTFE 재료의특성이 충진되지 않은 재료 보다 우수한 재료특성을 나타내고 있다. 이를 기반으로 본 연구에서는 유리섬유 함유량을 조절하여 기존의 FRP제 절연구분장치 보다 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 2조의 시작품 및 기존 사용품의 동특성을 비교하기 위하여 동일한 속도에서 주행중 팬터그래프 집전판의 충격가속도를 측정하였다. 주행 중 집전판의 충격가속도는 그림 7과 같이 2조의 집전판 하부에 각각 가속도 센서를 설치하였다.
- PTFE 절연재 튜브를 예열 공정에 의하여 팽창시킨 후 FRP제 코어를 삽입하였고, 그 후 냉각공정으로 절연재를 수축하여 코어와의 공극을 줄여 1차적으로 고정하였다. 절연재와 코어 양 끝단에 금구류를 압착하는 추가 고정 작업으로 내구성을 향상시키고 절연구분장치의 추가 연결이 용이하도록 제작하였다.
- 위와 같은 절열재를 이용하여 2가지의 시작품을 개발하였다. 개발 초기에 2열 구조를 가진 시작품을 제작하고 예비 설치 테스트에서 설치상에 어려움과 연결금구의 중량을 많이 감소시킬 수 없는 단점을 발견하고, 2차적으로 1열 구조를 가진 절연구분장치를 추가적으로 개발하였다. 아래의 표 5에서는 기존의 절연구분장치와 개발품의 절연재 및 연결금구의 중량을 비교하였다.
- 위와 같은 조건으로 제작된 시작품에 대하여 동특성 및 설치 편의성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원 구내 테스트 베드에서 동특성 측정 시험을 수행하였다. 개발된 1열 구조와 2열 구조 및 기존 FRP제 절연구분장치에 대하여 동특성을 상대비교하기 위하여 동일한 설치조건 및 속도에서 시험을 진행하였다. 그림 6에서는 1열과 2열 구조의 절연구분장치 시작품 형상과 설치 사진을 나타내었다.
- 따라서, 본 연구에서는 전량 수입에 의존하고 있는 절연구분장치를 국산화 개발하였다. 내마모성이 높은 절연재를 사용하였고, 집전성능을 향상시키기 위하여 슬림형 구조를 채택하였다. 마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작하여 각각의 절연재에 대하여 내마모 시험을 수행하였다[7-8].
- 마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작하여 각각의 절연재에 대하여 내마모 시험을 수행하였다[7-8]. 또한, 개발한 절연구분장치의 향상된 동특성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원의 구내 테스트 베드에서 동특성 시험을 수행하였고, 기존의 FRP제 절연구분장치와 동특성을 비교하였다.
- 내마모성이 높은 절연재를 사용하였고, 집전성능을 향상시키기 위하여 슬림형 구조를 채택하였다. 마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작하여 각각의 절연재에 대하여 내마모 시험을 수행하였다[7-8]. 또한, 개발한 절연구분장치의 향상된 동특성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원의 구내 테스트 베드에서 동특성 시험을 수행하였고, 기존의 FRP제 절연구분장치와 동특성을 비교하였다.
- 아래의 표 4에서 내마모 시험을 수행한 결과를 정리하였다. 마모시험 전/후에 절연재와 집전판에 대한 마모량의 변화와 중량의 변화를 각각 측정하였다.
- 본 연구에서는 개발한 절연재의 내마모 특성을 확인하기 위하여 기존품인 FRP 절연재와 유리섬유가 25% 충진된 PTFE 절연재 그리고 15% 충진된 절연재를 제작하여 동일 조건에서 내마모 시험을 수행하였다. 내마모 시험은 그림 4와 같은 왕복식 마모시험기를 사용하였으며, 팬터그래프 집전판의 경우는 구리 소재를 사용하였다.
- 내마모 시험은 그림 4와 같은 왕복식 마모시험기를 사용하였으며, 팬터그래프 집전판의 경우는 구리 소재를 사용하였다. 시험에 사용된 시편의 마찰하중은 10 kgf, 마찰속도 300 rpm, 왕복 마찰거리 100 mm, 왕복시험 횟수는 2,000,000회에 거쳐 시험을 진행하였다[7].
- 위와 같은 절열재를 이용하여 2가지의 시작품을 개발하였다. 개발 초기에 2열 구조를 가진 시작품을 제작하고 예비 설치 테스트에서 설치상에 어려움과 연결금구의 중량을 많이 감소시킬 수 없는 단점을 발견하고, 2차적으로 1열 구조를 가진 절연구분장치를 추가적으로 개발하였다.
- 위와 같은 조건으로 제작된 시작품에 대하여 동특성 및 설치 편의성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원 구내 테스트 베드에서 동특성 측정 시험을 수행하였다. 개발된 1열 구조와 2열 구조 및 기존 FRP제 절연구분장치에 대하여 동특성을 상대비교하기 위하여 동일한 설치조건 및 속도에서 시험을 진행하였다.
- FRP제와 비교한 성능 향상비율에서 개발품에 대한 절연재 및 집전판의 중량 변화량이 약 79%정도로 A사와 비교하여 그 특성이 향상되었으며, 치수 변화에 따른 특성 향상은약 40% 정도로 A사와 비교하여 근사한 결과를 나타내고 있다. 이상과 같이 PTFE 재료의 특성과 내마모 시험 결과를 기초로 하여 유리섬유 함유량 15%의 PTFE제 절연구분장치 시작품을 제작하였다.
- 또한 해외에서 개발되어 사용되는 PTFE제 절연재와는 동등이상의 성능임을 확인하였다. 이에 따라 유리섬유 15%의 PTFE제 절연재 튜브에 FRP제 코어를 삽입하여 내마모성과 기계적 강도를 확보하는 절연구분장치 1열 구조 및 2열 구조를 가진 시작품을 제작하였다. 제작된 시작품에 대한 동특성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원 구내 테스트 베드에서 동특성 시험을 수행하였다.
- 본 연구는 전기철도 전차선로에 설치되는 절연구분장치에 대하여 내마모성 향상 및 집전특성 향상을 고려한 국산화 개발을 수행하였다. 절연구분장치 개발을 위하여 기존 국내에서 사용되는 FRP제 수입품과 해외에서 사용되는 PTFE제 절연재의 고유 특성을 파악하여 비교하였으며, 그에 따른 개발품의 절연재료을 선정하여 기계적 및 전기적 특성시험을 진행하였다. 절연재료의 내마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작/사용하여 동일한 조건으로 각각의 절연재 시편으로 내마모 시험을 수행한 결과 유리섬유를 15% 충진된 PTFE제 절연재가 FRP제 기존품 보다 뛰어난 내마모 특성을 보이는 것을 확인하였다.
- 절연구분장치의 개발을 위한 시작품 제작에 있어 내마모성과 내오염성을 향상하기 위하여 PTFE 절연재에 유리섬유를 15% 충진하였으며, 연신율 및 기계적 강도 향상을 위하여 튜브형태로 절연재를 제작하고 그 내부에 FRP제 코어가 삽입된 형태의 절연구분장치을 제작하였다. 그림 5에서는 PTFE 절연재를 압출성형에 의해 튜브형태로 제작한 후 예열 공정을 거쳐 FRP제 코어를 삽입한 형상을 나타내었다.
- PTFE 절연재 튜브를 예열 공정에 의하여 팽창시킨 후 FRP제 코어를 삽입하였고, 그 후 냉각공정으로 절연재를 수축하여 코어와의 공극을 줄여 1차적으로 고정하였다. 절연재와 코어 양 끝단에 금구류를 압착하는 추가 고정 작업으로 내구성을 향상시키고 절연구분장치의 추가 연결이 용이하도록 제작하였다.
- 이에 따라 유리섬유 15%의 PTFE제 절연재 튜브에 FRP제 코어를 삽입하여 내마모성과 기계적 강도를 확보하는 절연구분장치 1열 구조 및 2열 구조를 가진 시작품을 제작하였다. 제작된 시작품에 대한 동특성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원 구내 테스트 베드에서 동특성 시험을 수행하였다. 주행시험기의 팬터그래프 집전판에 가속도 센서를 설치하여 각각 절연구분장치를 통과할 때의 가속도를 측정하였으며, 그 결과 1열 구조의 개발품이 현장 시공성 및 동특성 측면에서 기존의 제품보다 우수하였다.
- 표 3에서는 PTFE 절연재의 재료특성을 나타내었으며, 유리섬유가 25% 충진된 제품과 비 충진된 제품을 구분하여 비교하였다[8].
대상 데이터
- 본 연구에서는 개발한 절연재의 내마모 특성을 확인하기 위하여 기존품인 FRP 절연재와 유리섬유가 25% 충진된 PTFE 절연재 그리고 15% 충진된 절연재를 제작하여 동일 조건에서 내마모 시험을 수행하였다. 내마모 시험은 그림 4와 같은 왕복식 마모시험기를 사용하였으며, 팬터그래프 집전판의 경우는 구리 소재를 사용하였다. 시험에 사용된 시편의 마찰하중은 10 kgf, 마찰속도 300 rpm, 왕복 마찰거리 100 mm, 왕복시험 횟수는 2,000,000회에 거쳐 시험을 진행하였다[7].
성능/효과
- FRP제와 비교한 성능 향상비율에서 개발품에 대한 절연재 및 집전판의 중량 변화량이 약 79%정도로 A사와 비교하여 그 특성이 향상되었으며, 치수 변화에 따른 특성 향상은약 40% 정도로 A사와 비교하여 근사한 결과를 나타내고 있다. 이상과 같이 PTFE 재료의 특성과 내마모 시험 결과를 기초로 하여 유리섬유 함유량 15%의 PTFE제 절연구분장치 시작품을 제작하였다.
- 절연재료의 내마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작/사용하여 동일한 조건으로 각각의 절연재 시편으로 내마모 시험을 수행한 결과 유리섬유를 15% 충진된 PTFE제 절연재가 FRP제 기존품 보다 뛰어난 내마모 특성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 해외에서 개발되어 사용되는 PTFE제 절연재와는 동등이상의 성능임을 확인하였다. 이에 따라 유리섬유 15%의 PTFE제 절연재 튜브에 FRP제 코어를 삽입하여 내마모성과 기계적 강도를 확보하는 절연구분장치 1열 구조 및 2열 구조를 가진 시작품을 제작하였다.
- 본 연구 결과 PTFE제 절연구분장치 개발품은 내마모성 및 동특성 측면에서 기존의 사용제품 보다 우수하였다. 절연재의 내마모성 및 동특성 향상은 집전판은 물론 절연구분 장치의 파상마모 현상을 감소시켜 현장 운영에 따른 유지보수 및 교체 주기를 줄일 수 있고 수입 제품에 의존하던 절연구분장치의 수입대체 효과와 국내 철도 전차선로 운영 기술 향상에 기여할 것으로 기대된다.
- 왕복식 마모시험기를 사용한 절연재와 집전판의 마모시험 결과 각 소재의 물리적 변화량은 FRP제 절연재 보다 더 우수한 성능을 보였으며, 유리섬유 함유량 15%의 PTFE 절연재 개발품은 유리섬유 함유량이 25%인 A사의 절연재와 동등이상의 내마모 특성을 확인하였다.
- 그리고 1열 구조의 장치가 2열 구조의 장치보다 충격 가속도 레벨이 낮았다. 이와 같은 충격 가속도 측정 결과를 고려하면 개발한 1열 구조의 절연구분장치가 기존의 FRP제의 장치보다 주행특성이 우수한 것을 확인 할 수 있다.
- 절연구분장치 개발을 위하여 기존 국내에서 사용되는 FRP제 수입품과 해외에서 사용되는 PTFE제 절연재의 고유 특성을 파악하여 비교하였으며, 그에 따른 개발품의 절연재료을 선정하여 기계적 및 전기적 특성시험을 진행하였다. 절연재료의 내마모 특성을 확인하기 위하여 왕복식 마모시험기를 제작/사용하여 동일한 조건으로 각각의 절연재 시편으로 내마모 시험을 수행한 결과 유리섬유를 15% 충진된 PTFE제 절연재가 FRP제 기존품 보다 뛰어난 내마모 특성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 해외에서 개발되어 사용되는 PTFE제 절연재와는 동등이상의 성능임을 확인하였다.
- 제작된 시작품에 대한 동특성을 확인하기 위하여 한국철도기술연구원 구내 테스트 베드에서 동특성 시험을 수행하였다. 주행시험기의 팬터그래프 집전판에 가속도 센서를 설치하여 각각 절연구분장치를 통과할 때의 가속도를 측정하였으며, 그 결과 1열 구조의 개발품이 현장 시공성 및 동특성 측면에서 기존의 제품보다 우수하였다.
후속연구
- 본 연구 결과 PTFE제 절연구분장치 개발품은 내마모성 및 동특성 측면에서 기존의 사용제품 보다 우수하였다. 절연재의 내마모성 및 동특성 향상은 집전판은 물론 절연구분 장치의 파상마모 현상을 감소시켜 현장 운영에 따른 유지보수 및 교체 주기를 줄일 수 있고 수입 제품에 의존하던 절연구분장치의 수입대체 효과와 국내 철도 전차선로 운영 기술 향상에 기여할 것으로 기대된다.
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