† 성균관대학교 기계공학부 교수 E-mail : [email protected] * 성균관대학교 대학원, 기계공학부 ** 성균관대학교, 기계공학부 *** 한국철도기술연구원
실사용조건을 모사한 전차선 굽힘피로 특성평가 시스템개발
Development of Bending Fatigue Test System for
Trolley Line Simulating Real Conditions
강민성* 안상수* 구재민** 석창성†
Minsung Kang Sangsoo Ahn Jae Mean Koo Chang Sung Seok
이기원*** 조용현***
Kiwon Lee Yong Hyeon Cho
ABSTRACT
A Trolley line is a very important equipment among electric railway equipments since it contacts directly with pantograph and supplies electricity on the electromotive. Such it was thought that a trolley line need not to consider fatigue since the replace cycle by wear is shorter than the replace cycle by fatigue breakage. But, the bending fatigue breakage accidents occurred several times at the Shinkansen trolley line in East Japan Railway Company. Therefore, in case of a new developed trolley line, the evaluation for bending fatigue life became more important, But, since there are not an authorized fatigue test method and a testing device for the trolley line, the quantitative evaluation is difficult. In this study, we analyzed the load and environment condition of trolley line used in the actual spot and the developed testing device that can evaluate bending fatigue properties of the trolley line as simulating the real condition. The bending fatigue test of the trolley line was achieved using the developed testing device and estimated the fatigue life of trolley line and also, established the fatigue test process.
1. 서론 전차선은 전기철도의 전력 공급 기능을 수행하는 핵심 부품으로 철도 분야의 기술 개발을 위해서는 전차 선의 물성 및 특성 파악이 필요하다. 특히 고속 철도에서 사용되는 전차선은 가선 시에 부가하는 장력이 이전보다 증가하게 되어 평균응력이 증가하므로 기존의 전차선을 적용할 수가 없다. 따라서 기존의 전 차선보다 높은 강도를 가지며, 가혹한 진동 환경 하에서도 충분한 내구성을 가진 전차선을 개발해야 한 다. 하지만 초기에는 팬터그래프와의 마찰로 인한 마모 손상이 주요한 관심거리가 되었지만 일본 동해 도 신간선 가선의 교차금구가 있는 장소에서 전차선이 마모 손상으로 인한 교체 주기보다 짧은 시기에 피로 파단을 일으킨 사고가 여러 건 발생한 이후로는 전차선의 피로 손상 및 파단에 대한 평가의 필요성 이 대두되고 있다. 하지만 전차선의 피로 특성을 평가할 수 있는 공인된 시험 방법 및 시험장치 등의 규격 서가 존재하지 않아 전차선의 피로 특성을 정량적으로 평가하는데 어려움이 많다. 본 논문에서는 실제 현 장에서 전차선이 사용되고 있는 하중 및 환경 조건을 분석하고 이를 모사하여 피로 특성을 평가할 수 있는 시험장치를 개발하였다. 개발된 시험장치를 이용하여 동전차선의 피로수명을 평가하였고, 동전차선의 피로 수명 평가 절차를 확립하였다.
2. 본론 2.1 전차선 가동 조건 분석 일반적으로 전차선은 장력 조정 장치를 통해 횡방향으로 일정한 장력을 부가하여 현장에 가선을 하게 된다. 이는 전차선 자체 중량으로 인한 처짐으로 팬터그래프와의 일정한 접점을 이루지 못하는 것을 방 지하는 것은 물론, 온도가 상승하거나 저하될 때 전차선의 길이 변화로 인해 지지점 사이(경간)에서 이 도가 변동됨에 따라 집전 시 요구되는 적정한 높이를 유지할 수 있도록 하기 위함이다. 국내에서는 300 km/h급 전기철도의 전차선으로 순동 재질의 150 mm2 급 전차선을 사용하고 있으며, 가선시에는 장력 조정 장치를 이용하여 횡방향으로 20 kN의 장력을 부가하게 된다. 이를 위해, 동전차선 말단 부분에는 별도의 장력 조절 장치를 설치하여 무게 추를 매달아 횡방향으로 장력을 부가한다. 2.2 전차선 굽힘피로 시험장치 개발 전차선의 굽힘피로 특성을 평가할 수 있는 시험장치를 그림 1과 같이 설계하였다. 본 시험장치에서는 실제 현장에 가선되는 전차선을 시험편 형태로 별도의 가공을 하지 않고 원래 형태 그대로 굽힘피로 시 험을 수행할 수 있도록 하였다. 팬터그래프의 도약으로 인해 전차선의 상·하 방향으로 발생하는 진동을 모사하기 위하여 유압식 액츄에이터를 사용하여 전차선 중앙부에 상·하 방향으로 스트로크를 가할 수 있도록 하였다. 또한 팬터그래프의 도약으로 인해 발생하는 상하 방향의 진동에 대한 전차선의 굽힘피 로 성능을 평가하기 위해서는 실제 가선 시 부가되는 횡방향 장력을 고려해야만 한다. 따라서 굽힘피로 성능 시험이 진행되는 동안 전차선에 일정한 장력을 부가할 수 있도록 하기 위하여 ‘L’ 형 레버를 고안 하였다. 일반적으로 전차선에 부가되는 장력이 20 kN 이상이기 때문에 작용점과 받침점의 거리가 다른 레버를 활용하여 적은 숫자의 무게 추를 사용하여도 원하는 크기의 장력을 부가할 수 있게 하기 위함이 다. 전차선의 한 쪽 말단에는 로드셀을 설치하여 장력을 모니터링 할 수 있도록 하였고, 전차선을 지지 하는 롤러에는 우레탄 재질의 플레이트를 삽입하여 굽힘피로 시험 중 전차선과 롤러사이의 마찰로 인한 파단이 발생하지 않도록 하였다. 그림 1. 전차선 굽힘피로 시험장치 설계안
위와 같은 설계안을 토대로 그림 2와 같이 장력이 부가된 상태에서 전차선의 굽힘피로 성능을 시험할 수 있는 시험장치를 제작하였다. 전차선에 상·하 방향으로 스트로크를 부가하는 액츄에이터를 지지하는 프레임과 전차선을 지지하는 롤러 고정용 프레임의 경우 충분한 강성을 지닐 수 있도록 H 형강을 사용 하였으며, ‘L’ 형 레버는 지지점으로부터 전차선 고정부와 무게 추 체결부 사이의 거리를 1:5의 비율을 갖도록 함으로써 적은 무게의 추를 사용하여 사용자가 원하는 크기의 장력을 쉽게 부가할 수 있게 하였 다. 전차선의 양쪽 말단부분에는 실제 현장에서 사용되고 있는 쐐기형 전차선 말단금구를 사용하여 로 드셀과 ‘L’ 형 레버에 고정할 수 있도록 하였다. 2.3 전차선 굽힘피로 시험 2.3.1 스트로크에 따른 스트레인 발생량 측정 팬터그래프의 도약은 전차선에 상·하 진동을 발생시키는데, 이와 같은 상·하 진동의 피로에 의한 전차 선의 파단 사례를 분석해 보면, 전차선 상단부에서 피로균열이 진전하여 파단된 것을 알 수 있다. 이는 전차선의 구조적 형상으로 인해 진동 발생 시 상단부에서 최대 변형이 발생하고, 이로 인해 균열이 개 시 및 진전한다는 것을 알 수 있다. 따라서 전차선의 굽힘피로 시험을 통해 피로수명 선도를 획득하기 위해서는 스트로크 변화에 따라 전차선 상단부에서 발생하는 스트레인 양을 측정할 필요가 있다. 본 연 구에서는 그림 2와 같이 순동 재질의 150 mm2 급 동전차선 상단부에 길이 방향으로 스트레인 게이지 를 부착하고, 전차선 하단부에서 위쪽 방향으로(인장 방향) 부가하는 스트로크에 따라 상단부에서 발생 하는 스트레인을 측정 하였다. 그림 2. 동전차선 상단부 스트레인 측정 그림 3. 스트로크에 따른 동전차선 상단부 스트레인 측정결과
그림 3에는 스트레인 게이지가 부착된 동전차선에 인장 방향으로 스트로크를 가하며 DAQ(Data acquisition system)을 통하여 수집한 스트로크-스트레인 데이터를 정리하여 그래프로 나타내었다. 측 정 구간에서 총 스트로크 변위는 28 mm 였으며, 발생한 최대 Bending strain은 약 6,000
으 로 측정되었다. 2.3.2 굽힘피로 시험 동전차선을 제작된 시험장치에 설치하였으며, 동전차선 중앙부에 굽힘 스트로크가 가해질 수 있도록 하였다. 스트로크가 직접 가해지는 롤러 사이의 전차선 스팬 거리는 1,500 mm 로 고정하였다. 시험이 진행되는 동안 동전차선과 롤러 사이에서 발생할 수 있는 마찰 및 마모로 인한 파단을 방지하기 위하여 우레탄 플레이트를 삽입하였다. 또한 동전차선 말단금구에 직접 연결되어 있는 로드셀 및 인디케이터를 통하여 20 kN의 장력이 일정하게 부가되고 있는지 확인하였다. 액츄에이터는 Instron社의 8400 컨트롤 러를 통하여 제어하였고, 동전차선 중앙부가 완전히 파단되는 순간의 반복 횟수를 저장하였다. 그림 4. 동전차선 굽힘피로 시험 2.4 시험 결과 및 분석동전차선 피로시험은 Bending strain level에 따라 총 9회 수행하였으며, 파단된 동전차선은 모두 스 트로크를 가한 중앙부에서 파단 되었다. 그림 4에 나타낸 파단면과 같이 파단된 동전차선은 모두 상단 부에서 균열이 개시되어 아래 방향으로 파단되는 양상을 보였으며, 재질 특성상 파단 이전에 단면적 감 소가 발생한 것을 관찰할 수 있었다. 동전차선 피로시험을 통해 획득한 Bending strain amplitude at break point vs. Fatigue life 데이터를 정리하여 그림 6과 같이 그래프로 나타내었다.
a. 전차선 상단부 스트레인 : 4,780
b. 전차선 상단부 스트레인 : 2,915
그림 5. 동전차선 굽힘피로 시험 후의 파단면
3. 결론
본 논문에서는 팬터그래프의 도약으로 인해 전차선의 상·하 방향으로 발생하는 진동을 모사할 수 있 으며 실제 현장에 가선되는 환경 조건을 고려하여 전차선의 굽힘피로 성능을 평가할 수 있는 시험장치 를 개발하였다. 또한 개발된 시험장치를 이용하여 국내 300 km/h급 전기철도에서 사용되고 있는 순동 재질의 150 mm2 급 동전차선을 대상으로 굽힘피로 시험을 수행하여 Bending strain amplitude at
break point vs. Fatigue life 선도를 획득하였다. 굽힘피로 시험을 통해 약 200만 수명을 만족하는 Bending strain amplitude는 약 1,000
인 것으로 판단된다. 이를 통해, 본 연구를 통해 개발된 전차선 피로성능 시험기를 이용하여 팬터그래프의 압상력 및 진동에 대한 전차선의 굽힘피로 성능을 평 가할 수 있을 것으로 판단된다. 4. 감사의 글 본 논문은 국토해양부에서 지원한 "400km/h급 고속철도 인프라 시범적용 기술개발" 과제의 일환으로 수행되었습니다. 5. 참고문헌 1. 鐵道總合技術硏究所 編, “電車線と パンタグラフの 特性,” 財團法人 硏友社, 19932. Yamashita C., Sugahara A., "Influence of mean stress on contact wire fatigue," QR of RTRI, Vol. 47, No. 1, pp. 46-51, 2006.
3. Yamashita C., Sugahara A., Kusumi S., "Basic study on fatigue life of contact wire," Annual meeting record I.E.E Japan, Vol. 5, pp. 212-213, 2005
4. 조용현, 권삼영, "전차선의 수명을 기초로 한 압상력 상한에 관한 검토," 2004년도 대한기계학회 재료 및 파괴부문 학술대회 및 파손방지기술 산학연 연합회 워크숍 논문집, pp.138-142, 2004.
