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문제 정의
- 따라서 본 연구에서 R-Bar형식의 강체전차선로에서 최고속도 250 ㎞/h로 운영하기 위한 지지점의 설치높이 변화를 포함한 설계파라미터를 제시하였다. 고려된 설계파라미터는 지지간격, 지지점의 강성 및 R-Bar 프로파일의 수직강성뿐만 아니라 지지점의 설치높이 변화도 함께 고려하였다.
- 따라서 본 연구에서는 250 ㎞/h급 강체전차선로 시스템에 대한 주요 설계파라미터를 제시하였다. 설계파라미터를 제시하기 위하여 자체개발하고 검증된 전차선로/팬터그래프간 동특성 예측프로그램을 활용하였다.
- 그러나 앞에서 언급하였듯이 팬터그래프의 공력으로 인한 접촉력 변동이 상대적으로 큰 터널에 시공하는 강체전차선로이고 시뮬레이션으로 고려할 수 없는 현장 조건 때문에 파라미터 값을 보수적으로 보아야 한다. 따라서 본 연구에서는 집전성능 향상을 고려하여 제시한 R-Bar 프로파일 조건에서 250 ㎞/h급 강체전차선로에 대한 주요 설계 파라미터를 아래와 같이 제시하였다.
제안 방법
- 설치간격에 따라 km당 브래킷을 시공비를 계산하면 표 5와 같다. 계산시에 기존 강체전차선로에 사용하는 브래킷 단가를 적용하였고 터널내 브래킷 시공를 위한 케미컬앵커, 하수강 등 제반비용 등을 포함하였으며 터널내 주간 시공비용이다. 지지점 간격이 1m 올라감에 따라 km당 약 1천만원 정도 차이를 보이고 있다.
- 따라서 본 연구에서 R-Bar형식의 강체전차선로에서 최고속도 250 ㎞/h로 운영하기 위한 지지점의 설치높이 변화를 포함한 설계파라미터를 제시하였다. 고려된 설계파라미터는 지지간격, 지지점의 강성 및 R-Bar 프로파일의 수직강성뿐만 아니라 지지점의 설치높이 변화도 함께 고려하였다. 자체 개발한 유한요소법(FEM)을 이용한 검증된 동특성 예측프로그램을 활용하여 최고속도 250 ㎞/h로 운영하기 위한 강체전차선로 시스템의 주요 설계파라미터를 제시하였다.
- 국내에서는 120 ㎞/h급 강체전차선로에 대한 R-Bar의 처짐과의 상관관계 및 신축이음장치의 전기적 특성에 대하여 분석하였다. 그리고 최근 자체 개발한 동특성 예측프로그램을 이용하여 최고속도 250 ㎞/h까지 속도향상을 위하여 설계파라미터인 브래킷을 포함한 지지부의 강성, 브래킷간 간격 및 레일의 수직강성이 집전성능에 미치는 영향을 분석하였다[6]. 고속에서 커티너리 방식의 설계파라미터를 보면 지지점의 높이변화가 집전성능에 큰 영향을 미치기 때문에 200 ㎞/h급 이상의 속도에서 지지점의 높이변화를 엄격히 제한하고 있다[7].
- 집전성능 예측을 위하여 사용한 프로그램은 유한요소법(FEM)을 이용하여 자체 개발한 전차선/팬터그래프간 동특성을 예측할 수 있는 프로그램이다. 기존에 개발한 팬터그래프와 커티너리 방식의 전차선로간의 동특성 예측 프로그램[8, 9]을 수정하여 R-Bar 방식의 전차선로를 모델링할 수 있도록 하였다. 개발한 팬터그래프/R-Bar간 동특성 예측 프로그램은 유럽 코드인 EN50318[10]에 따라 검증하였다.
- 제작 가능성을 고려하고 프로파일 내부에 돌출부를 두어 연결금구를 설치하였을 때 두 프로파일간 연결부의 회전을 방지하게 하였다. 또한 전차선 그립력을 올리는 구조로 검토하였고 지지점간 처짐도 동등 이하로 설계하였다.
- 따라서 본 연구에서는 250 ㎞/h급 강체전차선로 시스템에 대한 주요 설계파라미터를 제시하였다. 설계파라미터를 제시하기 위하여 자체개발하고 검증된 전차선로/팬터그래프간 동특성 예측프로그램을 활용하였다. 그리고 적용한 팬터그래프는 상용화된 KTX-산천에 적용된 Faiveley사의 팬터그래프를 채택하였다.
- 설계파라미터를 제시하기 전에 지지간격에 따라 시공비용의 차이가 많이 나기 때문에 지지간격에 따른 브래킷 시공비용을 계산하였다. 설치간격에 따라 km당 브래킷을 시공비를 계산하면 표 5와 같다.
- 수치 적분은 General alpha 방법을 사용하였고, 이선을 모사할 수 있도록 하였으며, 전차선과 팬터그래프 사이의 Penetration은 1 × 10-5 m 이내로 해석하였다(패널티 방법으로 환산한다면 오차 1 N 이하를 유발할 정도로 작은 Penetration임).
- 고려된 설계파라미터는 지지간격, 지지점의 강성 및 R-Bar 프로파일의 수직강성뿐만 아니라 지지점의 설치높이 변화도 함께 고려하였다. 자체 개발한 유한요소법(FEM)을 이용한 검증된 동특성 예측프로그램을 활용하여 최고속도 250 ㎞/h로 운영하기 위한 강체전차선로 시스템의 주요 설계파라미터를 제시하였다.
- 정해진 R-Bar 프로파일을 채택하고, 고속강체전차선로 설계파라미터 민감도 분석연구 결과[6]를 고려하여 지지점에서 전차선 높이에 대한 오차, 지지점 간격 및 지지점 강성을 표 3과 같은 조건에서 동특성 예측 시뮬레이션을 수행하였다. 지지점 강성은 제작 가능한 스프링 값을 채택하였고, 설치오차의 경우 최근 시공하는 콘크리트 궤도에서 설치가능한 설치오차를 고려하여 최소 ±3 ㎜ 이상으로 조건을 설정하였다.
- R-Bar 프로파일은 다른 파라미터보다 집전성능에 상대적으로 작게 영향을 미친다. 제작 가능성을 고려하고 프로파일 내부에 돌출부를 두어 연결금구를 설치하였을 때 두 프로파일간 연결부의 회전을 방지하게 하였다. 또한 전차선 그립력을 올리는 구조로 검토하였고 지지점간 처짐도 동등 이하로 설계하였다.
- 전차선로 모델링 그래프에서 보이는 원은 연결금구의 위치를 의미한다. 주어진 전차선의 최대 설치오차를 고려하여 모델링하였다.
- 지지점 강성은 제작 가능한 스프링 값을 채택하였고, 설치오차의 경우 최근 시공하는 콘크리트 궤도에서 설치가능한 설치오차를 고려하여 최소 ±3 ㎜ 이상으로 조건을 설정하였다.
대상 데이터
- 250 ㎞/h급 강체전차선로 파라미터를 제시하기 위하여 개발한 R-Bar 프로파일은 그림 4 및 표 2와 같은 프로파일로 선정하였다. R-Bar 프로파일은 다른 파라미터보다 집전성능에 상대적으로 작게 영향을 미친다.
- 250 ㎞/h급 강체전차선로에 대한 파라미터를 제시하기 위하여 고려한 팬터그래프는 KTX-산천에 적용된 프랑스 Faiveley사 팬터그래프이다. 현재 국내에서 상용화된 고속용 팬터그래프는 Faiveley사의 팬터그래프이 유일하기 때문에 KTX-산천에 적용한 팬터그래프를 고려하였다.
- 지지점 강성은 제작 가능한 스프링 값을 채택하였고, 설치오차의 경우 최근 시공하는 콘크리트 궤도에서 설치가능한 설치오차를 고려하여 최소 ±3 ㎜ 이상으로 조건을 설정하였다. 고려한 전차선은 보수적으로 시뮬레이션하기 위하여 질량이 무거운 Cu150 ㎟ 전차선을 적용하였다.
- 그림 5는 케이스 1 조건에서 전차선로를 모델링한 결과이다. 전차선로는 60경간을 모델링하였고, 시뮬레이션은 10번째 경간부터 48경간까지 수행하였다. 전차선로 모델링 그래프에서 보이는 원은 연결금구의 위치를 의미한다.
- 수치 적분은 General alpha 방법을 사용하였고, 이선을 모사할 수 있도록 하였으며, 전차선과 팬터그래프 사이의 Penetration은 1 × 10-5 m 이내로 해석하였다(패널티 방법으로 환산한다면 오차 1 N 이하를 유발할 정도로 작은 Penetration임). 접촉력 해석결과는 39개 경간에 대하여 표시하였고, 16번째 경간에서 33번째 경간사이에서 데이터를 취득하였다. 이와 같은 조건에서 검증 완료한 강체전차선로/팬터그래프간 동특성 예측 프로그램을 이용하여 KTX-산천 열차가 250 km/h로 주행할 때 집전성능을 시뮬레이션한 수행한 결과는 표 4와 같다.
- 특히 커티너리 구간과 비교하여 지지점의 전차선 높이변화가 집전성능에 영향을 미치는 상당히 큰 파라미터임을 입증하였다. 터널에서 팬터그래프의 공력이 개활지보다 변동이 심하기 때문에 상당히 보수적인 값을 제시하였으며, 제시한 파라미터를 고려하여 제작한 강체전차선로 시스템을 원주~강릉간 본선 터널에 설치중이다. 향후 집전성능 검증을 통하여 250 ㎞/h급 강체전차선로 시스템에 대한 주요 설계파라미터 등을 최종적으로 확정할 예정이다.
데이터처리
- 기존에 개발한 팬터그래프와 커티너리 방식의 전차선로간의 동특성 예측 프로그램[8, 9]을 수정하여 R-Bar 방식의 전차선로를 모델링할 수 있도록 하였다. 개발한 팬터그래프/R-Bar간 동특성 예측 프로그램은 유럽 코드인 EN50318[10]에 따라 검증하였다.[6].
성능/효과
- 집전성능이 가장 좋은 케이스 1과 상대적으로 가장 좋지 않은 케이스 6에 대한 접촉력 파형 및 운행중 팬터그래프의 수직 변위는 그림 6~그림 9와 같다. 가장 우수한 집전성능을 보인 케이스 1과 비교하여 케이스 6은 접촉력 변동이 상대적으로 크게 나타났고, 팬터그래프의 수직변위도 조금 높은 결과를 보이고 있다.
- 시뮬레이션 조건을 고려하면 전체적으로 지지간격이 짧을수록, 지지점 강성이 작을수록, 그리고 설치오차가 작을수록 집전성능이 상대적으로 더 우수하였다. 또한 케이스 4와 6을 비교하면 전차선 높이에 대한 설치오차에 따라 접촉력 표준편차가 약 20%까지 차이가 보였으며, 지지점 강성과 유사하게 집전성능에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터인 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서 결과를 보면 집전성능 측면에서 지지점 간격이 작을수록 유리하지만, 시공비, 재료비 및 유지보수 측면에서는 지지점 간격이 클수록 유리하다. 따라서 집전성능을 만족하는 수준에서 지지간격을 넓게 결정하는 것이 필요하다.
- 시뮬레이션 결과를 보면 동일한 조건에서 지지점에서 전차선 높이에 대한 설치오차를 각각 ±3 ㎜와 ±5 ㎜로 시뮬레이션을 수행한 결과 접f력 표준편차가 약 20%까지 차이를 보였으며, 지지점 강성과 유사하게 집전성능에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터인 것을 알 수 있다.
- 시뮬레이션 조건을 고려하면 전체적으로 지지간격이 짧을수록, 지지점 강성이 작을수록, 그리고 설치오차가 작을수록 집전성능이 상대적으로 더 우수하였다. 또한 케이스 4와 6을 비교하면 전차선 높이에 대한 설치오차에 따라 접촉력 표준편차가 약 20%까지 차이가 보였으며, 지지점 강성과 유사하게 집전성능에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터인 것을 알 수 있다.
- 지지점의 강성은 제시한 파라미터로 제작하는 것이 가능하고, 지지점에서의 전차선 높이에 대한 설치 오차는 시공시에 충분히 반영할 수 있고 유지보수 등을 고려하여 가장 보수적인 값을 선택하였다. 그리고, 지지점 간격의 경우 최대 8 m로 제시하였는데, 향후 현장 검증을 통하여 확정할 필요가 있다.
- 시뮬레이션 결과를 보면 동일한 조건에서 지지점에서 전차선 높이에 대한 설치오차를 각각 ±3 ㎜와 ±5 ㎜로 시뮬레이션을 수행한 결과 접f력 표준편차가 약 20%까지 차이를 보였으며, 지지점 강성과 유사하게 집전성능에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터인 것을 알 수 있다. 특히 커티너리 구간과 비교하여 지지점의 전차선 높이변화가 집전성능에 영향을 미치는 상당히 큰 파라미터임을 입증하였다. 터널에서 팬터그래프의 공력이 개활지보다 변동이 심하기 때문에 상당히 보수적인 값을 제시하였으며, 제시한 파라미터를 고려하여 제작한 강체전차선로 시스템을 원주~강릉간 본선 터널에 설치중이다.
후속연구
- 지지점의 강성은 제시한 파라미터로 제작하는 것이 가능하고, 지지점에서의 전차선 높이에 대한 설치 오차는 시공시에 충분히 반영할 수 있고 유지보수 등을 고려하여 가장 보수적인 값을 선택하였다. 그리고, 지지점 간격의 경우 최대 8 m로 제시하였는데, 향후 현장 검증을 통하여 확정할 필요가 있다.
- 터널에서 팬터그래프의 공력이 개활지보다 변동이 심하기 때문에 상당히 보수적인 값을 제시하였으며, 제시한 파라미터를 고려하여 제작한 강체전차선로 시스템을 원주~강릉간 본선 터널에 설치중이다. 향후 집전성능 검증을 통하여 250 ㎞/h급 강체전차선로 시스템에 대한 주요 설계파라미터 등을 최종적으로 확정할 예정이다.
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