김봉석
(Research and Development Center, LS Cable & System)
,
원용희
(Research and Development Center, LS Cable & System)
,
박설희
(Research and Development Center, LS Cable & System)
,
배상준
(Research and Development Center, LS Cable & System)
,
장광동
(Research and Development Center, LS Cable & System)
With the increasing running speed of trains, new railway lines in metropolitan areas, and the rising demand for green transportations, the number of underground and tunnel sections are constantly becoming larger, and installations of overhead rigid conductor systems are becoming wider. However, dome...
With the increasing running speed of trains, new railway lines in metropolitan areas, and the rising demand for green transportations, the number of underground and tunnel sections are constantly becoming larger, and installations of overhead rigid conductor systems are becoming wider. However, domestic commercial products for overhead rigid conductors are limited to 120 km/h train speeds. In this study, to develop a high-speed (250 km/h) overhead rigid conductor, R-Bar (Rigid Bar), the electrical and mechanical stability was enhanced through the improvement of the cross sectional shape of the R-Bar; the transition structure was also designed for flexibility and natural frequency isolation. In addition, the evaluation of contact forces between a pantograph and the overhead rigid conductor system for 250 km/h train speeds was performed using dynamic analysis.
With the increasing running speed of trains, new railway lines in metropolitan areas, and the rising demand for green transportations, the number of underground and tunnel sections are constantly becoming larger, and installations of overhead rigid conductor systems are becoming wider. However, domestic commercial products for overhead rigid conductors are limited to 120 km/h train speeds. In this study, to develop a high-speed (250 km/h) overhead rigid conductor, R-Bar (Rigid Bar), the electrical and mechanical stability was enhanced through the improvement of the cross sectional shape of the R-Bar; the transition structure was also designed for flexibility and natural frequency isolation. In addition, the evaluation of contact forces between a pantograph and the overhead rigid conductor system for 250 km/h train speeds was performed using dynamic analysis.
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문제 정의
강체전차선 R-Bar의 동적 성능을 평가하기 위해서, 강체전차선으로 전달되는 판토그래프 상하(수직방향) 진동주파수에 대해 R-Bar 공진주파수가 얼마만큼 절연되어 있는지 검토하였다. R-Bar 에 작용하는 판토그래프 상하 진동주파수 f(Hz)는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다[5].
본 논문에서는 열차의 고속화, 노선의 지하화, 터널 구간의 증대로 강체전차선로 적용이 확대됨에 따라, 현재 국내 기술로 상용화 되어 있는 120 km/h급 중저속용 강체전차선로를 설계속도 250 km/h급으로 확대 적용하기 위하여 고속용 강체전차선로를 개발하였다.
본 연구에서는 고속용 강체전차선 R-Bar와 이행장치를 개발하기 위하여 중저속용 R-Bar의 형상 구조 및 이행장치의 단면 구조를 최적화하였고, 250 km/h 조건에서 고속용 R-Bar와 이행장치 시스템에 대한 동역학 해석을 통해 판토그래프와의 상호 접촉력을 평가하여 집전성능을 검증하였다.
가설 설정
강체전차선 R-Bar를 설계속도 250 km/h 이상의 고속열차에 적용하기 위한 주요 인자중 하나인 통전 성능을 높이기 위해서는 기존 R-Bar보다 도전율을 높이고 단면적을 증가시켜야 하지만, 단면적의 증가는 질량 증가, 시공 및 조립 효율성 저하, 운송 등의 비용이 증가하게 되고 관련 부속자재의 설계 변경이 요구된다. 고속화에 따라 통전 성능 향상을 위해서 단면적 증가가 필수적인 부분이기는 하지만 본 논문에서는 기존 중저속용 R-Bar 질량의 최대 15% 증가로 제한하였고, 재료의 도전율은 중저속용과 동일한 것으로 가정하였다.
5는 속도 250 km/h에서 고속용강체전차선 R-Bar와 이행장치에 대한 동역학 모델이고 R-Bar와 이행장치 20 m, 커티너리 5 m로 총 길이 25 m로 하였다. 판토그래프는 터널 내부에서 외부로 열차가 진출하는 조건으로 가정하였으며, R-Bar는 등가 굽힘강성을 갖는 shell 모델로 적용하였다. 강체전차선과 이행장치 연결부 경계조건은 포설 조건과 동일하게 5 m, 고정조건으로 하였다.
제안 방법
강체전차선 R-Bar와 이행장치의 동적 성능은 열차의 집전성능을 나타내는 대표적인 기준인 판토그래프와 상호간 접촉력으로 판단하였다. 접촉력은 강체전차선과 판토그래프 사이의 진동 특성과 속도에 따른 동적 특성이 결합되어 나타난다.
고속용 R-Bar 형상에 대하여 다양한 아이디어를 수집하였고, 유한요소해석 평가와 양산 난이도를 반영하여 최종적으로 선정된 구조는 Table 3과 같이 Π 기본 형태를 유지하되, 전차선 그립력을 향상시키고, 그립시 R-Bar의 최대 응력과 변형량을 저감하며, 포설 시 자기 정렬 (self-alignment)이 가능하도록 하부 수직바를 경사지게 하여 이중 텐션(double tension)이 작용하도록 하였다[10].
고속용 강체전차선로의 동적 성능을 중저속용과 비교하였다. 강체전차선 R-Bar와 이행장치의 안정성은 판토그래프와의 동적 상호 작용에 의해 결정되는데 자중에 의한 처짐량이 위치에 따라 다르고 판토그래프의 주행으로 인하여 강성이 변화된다.
3 mm/N 이상, 동적 성능 평가 방안은 판토그래프 상하 진동주파수에 대한 이행장치의 공진주파수 절연 성능으로 선정하였다. 고속용 이행장치 설계 기준은 유연도 0.4 mm/N 이상, 공진주파수 절연율 15% 이상으로 선정하였고 Fig. 2에서처럼 폭과 높이에 대한 영향도 분석을 통해 이행장치 설계 구조를 최적화하였다. 중저속용 이행장치는 동일 치수의 폭과 높이가 변화되는 구조인 반면 고속용 이행장치는 폭과 높이를 변화시켜 성능을 향상시켰다.
이행장치에 대하여 해외 선진사들은 유연도(flexibility) 시험과 일정 주파수에서의 진동 내구시험으로 성능을 평가한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 5 m 캔틸레버(cantilever) 조건으로 이행장치의 정적 성능 평가 방안은 유연도 0.3 mm/N 이상, 동적 성능 평가 방안은 판토그래프 상하 진동주파수에 대한 이행장치의 공진주파수 절연 성능으로 선정하였다. 고속용 이행장치 설계 기준은 유연도 0.
고속용 이행장치는 열차속도 120 km/h에서 공진주파수 절연율 33%이며 속도 250 km/h에서는 17%로 설계 기준을 만족한다. 이행장치의 강성은 판토그래프의 압상력(lift force)을 계의 처짐량으로 나누어 준 값으로 하였다. 중저속용과 고속용 이행장치의 5 m 캔틸레버 조건에서 자연 처짐량과 압상력을 고려하여 이행장치의 강성을 Fig.
정적 압상력 Ps는 질량 m 2에 60 N을 인가하였다. 중저속용과 고속용 판토그래프의 제원이 다르기는 하지만 그 특성 값들이 기술 자료마다 차이가 있어 본 연구에서는 동일한 값으로 동적 거동을 비교하였다.
대상 데이터
3 Hz(수평방향)이었다. 해석 시지지점 간격은 중저속용 강체전차선 지지 간격인 10 m, 양 끝단은 고정 조건으로 고려하였다. 강체전차선 R-Bar는 중저속용과 고속용 모두 유사한 동적 특성을 가지며 큰 차이가 없고, 판토그래프상하 진동주파수에 충분히 절연되어 있다.
데이터처리
중저속용과 고속용 강체전차선 R-Bar와 이행장치의 판토그래프와의 동적 거동은 상용 동역학 해석 프로그램인 LS-DYNA Version 971로 평가하였다. Fig.
이론/모형
4 mm이다. 유한요소해석 평가는 상용 프로그램 ABAQUS Version 6.11로 수행하였다. 철도시설공단 설계 규격에 따르면 지지 간격 사이에서의 중앙 처짐이 지지 간격 거리의 1/1,000이어야 하는데 중저속용 R-Bar는 0.
성능/효과
고속용 강체전차선 R-Bar는 전차선 그립 시 최대 응력, 변형량, 10 m 자중 처짐량을 설계 기준으로 하여 다중 인장 구조의 형상 최적화를 수행하여 중저속용 R-Bar 대비 전차선 그립 시 최대응력 28%, 변형량 38%가 개선되었고 처짐량은 단면적의 증가에도 유사한 수준이었다. 강체전차선과 커티너리 가공전차선 전이 구간에 설치되는 이행장치는 중저속용 대비 자중에 의한 처짐량이 8% 개선되었고, 탄성도 0.47 mm/N이며, 250 km/h 판토그래프 상하 진동주파수에 대한 공진주파수 절연율은 17%로 고속 주행 시 안정성을 확보하였다. 또한, 고속용 이행장치의 강성 변화가 중저속용보다 점진적인 특성을 나타냄을 비교하였다.
고속용 강체전차선 R-Bar는 전차선 그립 시 최대 응력, 변형량, 10 m 자중 처짐량을 설계 기준으로 하여 다중 인장 구조의 형상 최적화를 수행하여 중저속용 R-Bar 대비 전차선 그립 시 최대응력 28%, 변형량 38%가 개선되었고 처짐량은 단면적의 증가에도 유사한 수준이었다. 강체전차선과 커티너리 가공전차선 전이 구간에 설치되는 이행장치는 중저속용 대비 자중에 의한 처짐량이 8% 개선되었고, 탄성도 0.
단, 강체전차선 R-Bar와 연결되는 이행장치의 강성은 1,000 N/mm으로 고정하였다. 고속용 이행장치는 기존 중저속용보다 강성의 변화가 점진적임을 알 수 있고, 열차 진출입시 구조적 안정성이 높아 집전성능에 유리한 설계 구조임을 알 수 있다.
국내에 상용화된 120 km/h급 중저속용 R-Bar에 대한 전차선 그립력 평가를 위하여 R-Bar 상단부를 고정시키고 하단부에 100 N 하중을 적용하여 해석한 결과, 최대 응력은 97.7 MPa, 변형량은 2.9 mm이며, 양단 고정, 지지간격 길이 10 m 조건 시 자중에 의한 처짐량을 해석한 결과는 8.4 mm이다. 유한요소해석 평가는 상용 프로그램 ABAQUS Version 6.
47 mm/N이며, 250 km/h 판토그래프 상하 진동주파수에 대한 공진주파수 절연율은 17%로 고속 주행 시 안정성을 확보하였다. 또한, 고속용 이행장치의 강성 변화가 중저속용보다 점진적인 특성을 나타냄을 비교하였다.
29 sec 구간을 나타내었다. 접촉력의 통계적 분석 결과, 평균 접촉력은 120.7 N, 최대 접촉력은 189.9 N, 최소 접촉력은 61.3 N, 표준편차는 28.1 N이며, UIC 794-1 식에 따라 계산된 결과 36.4 N, IEC 62486 식에 따른 결과 8.1N으로 두 기준을 모두 만족하여 고속주행시 집전성능을 확인하였다. 고속 250 km/h에서는 판토그래프가 이행장치로 이동되는 시점인 0.
45 sec에서는 강체전차선에서 이행장치로 판토그래프가 이동되면서 접촉력이 커져 불안정하게 되는 것을 알 수 있다. 접촉력의 통계적 분석 결과, 평균 접촉력은 131.4 N, 최대 접촉력은 178.1 N, 최소 접촉력은 65.2 N, 표준편차는 26.7 N이며, UIC 794-1 식에 따라 계산된 결과 51.4 N, IEC 62486 식에 따른 결과 12.7 N으로 두 기준을 모두 만족하여 주행시 집전성능을 확인하였다.
중저속용 120 km/h와 고속용 250 km/h 속도에서의 판토그래프상하 진동주파수는 각각 3.3 Hz와 6.9 Hz이며, 중저속용 강체전차선 진동해석 결과 굽힘모드(bending mode)로 3.9 Hz(수평방향), 6.2 Hz(수직방향), 10.4 Hz(수평방향)이었으며, 고속용은 3.8 Hz(수평방향), 6.1Hz(수직방향), 10.3 Hz(수평방향)이었다. 해석 시지지점 간격은 중저속용 강체전차선 지지 간격인 10 m, 양 끝단은 고정 조건으로 고려하였다.
중저속용 R-Bar와 동일한 조건에서의 고속용 R-Bar 해석결과 최대응력은 70.2 MPa로 중저속용 대비 28% 개선되었고, 변형량은 1.8 mm로 중저속용 대비 38% 개선 효과가 확인되었다. 10m 지지간격에서 자중에 의한 처짐량을 해석한 결과, 8.
2에서처럼 폭과 높이에 대한 영향도 분석을 통해 이행장치 설계 구조를 최적화하였다. 중저속용 이행장치는 동일 치수의 폭과 높이가 변화되는 구조인 반면 고속용 이행장치는 폭과 높이를 변화시켜 성능을 향상시켰다.
중저속용과 고속용 강체전차선 R-Bar와 이행장치에 대한 동역학 해석 평가를 통해 철도차량의 집전성능을 나타내는 접촉력을 비교해 본 결과, 평균 접촉력 120.7 N, 표준편차 28.1 N이었고, UIC 794-1과 IEC 62486 접촉력 기준에 따라 계산한 결과 각각 36.4 N, 8.1 N으로 두 기준 모두를 만족하여 집전성능 안정성을 확보하였다.
1 mm이다. 진동해석 결과는 굽힘모드 공진주파수 2.3 Hz(수평방향), 4.5 Hz(수직방향), 9.2 Hz(수평방향), 16.3 Hz(수직방향), 20.3 Hz(수평방향)로 중저속용과 비교하여 공진주파수 이동(shift)이 발생하였음을 알 수 있다. Table 4는 중저속용과 고속용 이행장치 형상, 해석 결과, 특성을 비교한 것이다.
후속연구
이 방식은 터널 천장이나 측벽면의 지지부에 연결된 브래킷을 통해 R-Bar를 지지한다. 강체전차선 R-Bar는 직류와 교류 모두에 사용 가능하며, T-Bar 보다 가격, 성능, 전차선 포설 성이 우수하여 향후 시장성이 더욱 높을 것으로 예측된다. Table 1은 강체전차선 R-Bar와 T-Bar 특성을 비교한 것이다[4,6,7].
향후에는 본 연구에서 개발된 고속용 강체전차선 R-Bar와 이행장치 설계안에 대한 시제품을 제작하여 통전성능, 유연도, 진동 시험, 진동 내구 시험을 수행할 계획이며, 250 km/h 고속용 강체전차선로에 대한 실증시험을 통해 설계안이 최종 확정되면 이를 규격화하여 국내 고속철도 산업에 기여하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강체전차선로 방식의 적용이 점차 증가된 이유는 무엇인가?
철도기술이 발달하면서 고속화되고 도시철도 신규 노선이 지속적으로 추가되면서 지하구간과 터널이 많아져 여러 전차선 시스템 중 강체전차선로(overhead rigid conductor system) 방식의 적용이 점차 증가되고 있다. 기존 방식인 가공전차선로 (overhead catenary system)와 대비하여 강체전차선로 방식은 터널 단면을 줄일 수 있어 토목시공 비용이 절감되고, 무장력으로 단선 사고를 줄여 높은 안전성을 확보할 수 있으며, 사고 발생 시 응급복구나 전차선 교체주기 등 유지보수 비용이 적게 들어 경제적 이점이 있다.
강체전차선로는 어떤 한계를 가지는가?
또한, 전차선이 강체전차선에 일체화되기 때문에 대형화, 고속화되는 철도차량의 높은 급전용량에 유리하다[3-5]. 하지만, 강체전차선로는 커티너리 가공전차선로에 비해 판토그래프(pantograph) 추종 특성이 좋지 않아 운행속도의 한계와 높은 시공 정밀도로 고속화 적용에 제한이 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 강체전차선(overhead rigid conductor) 형상의 강성 증가, 재료 특성 개선, 집전 성능 향상, 시공 정밀도 증가, 지지 구조물의 절연성능 향상, 지지간격 개선 등에 대한 지속적인 연구가 진행되어, 최근 해외 업체에서는 고속철도 상용 노선에 적용한 실증시험이 완료된 것으로 알려져 있다[4,5].
국내 강체전차선로 시장이 가지는 한계는 무엇인가?
국내 강체전차선로 시장은 지난 25년간 유럽 업체들이 시장을 과점해 오다가 2013년 LS전선에서 중저속용 120 km/h급 강체전차선 R-Bar (rigid bar)를 비롯하여 이행장치(transition structure), 신축이음장치, 연결금구 등 관련 부속자재를 개발 완료하였고, 철도시설 성능검증을 통해 해외 선진사 수준의 기술력을 인정받았다[8] . 하지만, KTX 및 GTX 신규 노선 건설 증대, 지하 장대 터널의 증가로 고속용 강체전차선로 수요가 커지고 있으나 아직까지 국내에서는 250 km/h급 이상의 강체전차선로가 개발되지 못하여 고가의 외국산 제품을 그대로 수입하고 있는 실정이다. 고속용 강체전차선로 개발을 위해서는 통전 성능, 집전 성능, 정적 및 동적 특성 안정성이 기존 중저속용과 대비하여 향상되어야만 한다[6,7].
참고문헌 (12)
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