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문제 정의
- 본론에서는 집전성능과 관련된 팬터그래프-전차선로 주요 설계 파라미터에 대한 검토와 함께 본 연구에서 사용한 집전성능 예측을 위하여 사용한 팬터그래프-전차선 동역학 시뮬레이션 프로그램 SPOPS(Simulation Program for Overhead contact line-Pantograph System)에 대한 소개 후, 동역학 시뮬레이션을 통하여 200km/h 급 일반철도와 300km/h급 고속철도에서 집전성능 관련 주요 설계 파라미터를 도출하였다. 결론에서는 도출된 주요 설계 파라미터를 토대로 200km/h급 일반철도에서 뿐만 아니라 고속철도에서 집전성능을 개선할 수 있는 설계방안을 제시하였다.
- 팬터그래프와 전차선 사이의 이선을 유발하는 주요 요인은 팬터그래프로 인하여 전차선에 야기되는 파동의 전파와 반사와 열차 진행방향의 전차선로(Railway catenary) 강성변화라고 한다[9]. 본 논문의 목적은 특정 집전시스템(팬터그래프와 전차선로)의 최적 설계점을 찾는 것이 아니라 200km/ h급 일반철도와 300km/h급 고속철도에서 이선을 효율적으로 줄이기 위하여 이선을 유발하는 주요 요인, 즉 전차선에서의 파동의 전파와 반사 그리고 전차선로 강성변화 중 어떤 것이 집전성능에 더 큰 영향을 미치는지를 분석하는 것이다. 이를 통하여 200km/h 급 일반철도와 300km/h 이상의 고속철도에서의 집전성능을 개선하기 위하여 집중적으로 검토해야 할 설계 파라미터가 무었인지를 파악할 수 있을 것이다.
- 본 논문의 목적은 특정 집전시스템의 최적 설계점을 찾는 것이 아니라 200km/h급 일반 철도와 300km/h급 고속철도 에서 이선을 유발하는 주요 요인, 즉 전차선에서의 파동의 전파와 반사 그리고 전차선로 강성변화 중 어떤 것이 집전 성능에 더 큰 영향을 미치는지를 분석하는 것이다. 따라서, 이선의 주요 요인을 식별하는 것이 논문의 목적이므로 설계 파라미터에 세밀한 변화를 주는 대신에 Tabel 1에서 볼 수 있는 바와 같이 설계 파라미터의 큰 변화(KTX GPU 팬터그래프와 호남선 전차선로의 원래 값을 Baseline으로 취하고, Baseline에서 +20% 증가된 값, Baseline에서 –20% 감소된 값을 취함)를 취하였다.
- 팬터그래프에서는 전차선로와 마찬가지로 질량이 집전성능에 큰 영향을 주는 반면에 스프링과 감쇠기는 다른 파라미터에 비하여 상대적으로 덜 집전성능에 영향을 주고 있다. 지금부터는 300km/h급 전차선로를 대상으로 전차선 장력, 전차선 선밀도, 조가선 장력 그리고 조가선 선밀도의 변화가 접촉력 표준편차와 어떤 관계를 가지고 있는가를 살펴보겠다. 이상과 같은 4가지 인자의 영향을 분석하기 위하여 사용한 방법은 요인배치법(Factorial design)으로 각 인자별로 2가지 수준을 갖는 것으로 가정하였다.
- 접촉력 시뮬레이션 결과가 정규분포를 가진다면 통계적 최소접촉력은 평균접촉력에서 표준편차를 3배한 값을뺀 값으로 할 수 있다. 평균접촉력은 팬터그래프에 작용하는 압상력과 관계가 되므로 대체로 일정하다고 볼 수 있으므로 본 논문에서는 접촉력의 표준편차가 크면 집전성능이 나빠지는 것으로 보고 해석결과를 평가하였다.
가설 설정
- 1. 전차선로 파라미터는 팬터그래프 파라미터에 비하여 집전성능에 영향을 더 크게 미친다.
- 이상과 같은 4가지 인자의 영향을 분석하기 위하여 사용한 방법은 요인배치법(Factorial design)으로 각 인자별로 2가지 수준을 갖는 것으로 가정하였다. Table 2가 보여주는 바와 같이 KTX 전차선로의 원래 값에서 -20% 한 값을 수준 1로, +20% 한 값을 수준 2로 가정하였다.
- 파동전파속도를 식 (1)에 따라서 계산해 보면 호남선 전차선로에서의 파동전파속도는 442km/h가 된다. 경부고속철도 전차선로에 비하면 파동전파속도가 약 30km/h 낮지만 고속철도의 운행속도를 300km/h로 가정한다면 파동 전파속도는 운행속도의 1.5배 정도로 충분히 크다. 따라서, SPOPS 프로그램의 유한요소법 정식화 가정인 전차선의 길이방향 경사(Slope)가 충분히 작다는 가정이 충족하므로 SPOPS 프로그램을 사용하여 호남선 전차선로를 대상으로 고속 운행에 따른 집전성능의 특성 변화를 분석하는 것은 타당하다고 판단된다.
- SPOPS에서는 팬터그래프를 2수준 혹은 3수준의 질량-스프링-댐퍼로 모델링하고, 전차선로를 2절점 EulerBernoulli 보 요소를 사용하여 모델링한다. 실제로 전차선의 파동전파속도는 운행속도에 비하여 충분히 커서 전차선과 조가선에서 대 변형률(Large strain)이 발생하지 않으므로 SPOPS의 유한요소법 정식화는 전차선과 조가선의 길이방향 경사(Slope)이 충분히 작다는 가정하에 이루어졌다[1]. 전차선을 조가선에 걸어주는 드로퍼는 열차가 지나갈 때 드로퍼에 작용하는 힘이 0이 되면 강성을 잃어버리는 특성, 즉 스랙(Slack) 상태가 된다.
- 지금부터는 300km/h급 전차선로를 대상으로 전차선 장력, 전차선 선밀도, 조가선 장력 그리고 조가선 선밀도의 변화가 접촉력 표준편차와 어떤 관계를 가지고 있는가를 살펴보겠다. 이상과 같은 4가지 인자의 영향을 분석하기 위하여 사용한 방법은 요인배치법(Factorial design)으로 각 인자별로 2가지 수준을 갖는 것으로 가정하였다. Table 2가 보여주는 바와 같이 KTX 전차선로의 원래 값에서 -20% 한 값을 수준 1로, +20% 한 값을 수준 2로 가정하였다.
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