전차선로 가고의 적합성

 전차선로 가고의 적합성

 

 

집전성능 확인의 확인 외에 가고의 적합성을 검토하기 위해서는   

① 가고에 따른 동력학 특성 변화 파악  

② 동력학 시뮬레이션을 통한 정상운행조건에서 동적 압상량 확인  

③ 동력학 시뮬레이션을 통한 최대 풍속에서 동적 압상량 확인  

④ 선로와 차량 조건에 따른 차량의 주행 중 동적 수직 움직임 파악  

⑤ 곡선당김금구 및 가동브래키트의 사양 확인  

⑥ 팬터그래프 게이지 확인  

⑦ 팬터그래프 최대 압상 시 곡선당김금구 및 암지지금구와의 위치관계 검토  

⑧ 최악조건에서 팬터그래프가 최대로 기울어지는 각도 계산  

⑨ 곡선당김금구 사양에 대한 팬터그래프와의 접촉관계 평가가 이루어 져야 한다.

 

1.  압상량  

 

1)  개요  

 전차선로의 가동브래키트(Cantilever)는 가고(System Height)가 960mm이며 여기에 취부되는 곡선당김금구에는 Stopper가 달려있어 압상이 100mm밖에 허용되지 않는 구조이다. 따라서 팬터그래프의 압상량(Uplift Amount)이 클 경우에는 곡선당김금구가 Stopper에 닿게 되고 동력학적으로 경점(Stick Spot)으로 작용하여 대이선이 발생할 가능성이 있게 된다. 따라서 동적 상태에서의 팬터그래프의 압상량을 검토하여 제안된 가동브래키트와 곡선당김금구의 기술적 적합성을 검토하여야 한다.

 

2)  동적 압상량  

①  정상운전조건에서의 압상량    

시뮬레이션 조건	곡선당김금구에서의 압상량	최대 압상량(경간 중앙)
팬터모델 1, 속도 160km/h	19 mm	65 mm
팬터모델 2, 속도 160km/h	18 mm	67 mm

②  최악운전조건에서의 압상량  

운전취급규정에 의하여 풍속 30m/s의 강풍이 불 때는 열차 운행을 중지 하도록 되어있다. 그러나 부분적이고 순간적인 풍속은 모니터링도 쉽지 않고 또 즉각적으로 운전에 반영되기 어려우며, 또한 지형에 따라 풍속의 세기가 달라지므로 풍속 30m/s에서도 운전하여야 하는 경우가 생길 수 있다. 따라서 풍속 30m/s의 바람을 전면 방향에서 받으면서 팬터그래프가 160km/h로 주행하는 경우를 최악조건으로 설정하기로 하고, 이 경우에 팬터그래프가 받는 공기역학적 양력은 열차속도와 풍속의 합이 되므로

 

팬터그래프가 받는 공기의 흐름 = 열차 속도 + 풍속 = 160km/h + 108 km/h  

(30m/s는 108km/h에 해당) = 268km/h

 

결국 열차가 268km/h로 달리는 상태가 되므로 이 조건에서 시뮬레이션하여 동적 압상량 및 한 경간에서의 전차선변위를 구하면 다음과 같다.

      

최악조건에서 동적 압상량

 

시뮬레이션 조건	곡선당김금구에서의 압상량	최대 압상량(경간 중앙)
팬터모델 1, 속도 268km/h	67 mm	121 mm
팬터모델 2, 속도 268km/h	74 mm	119 mm

3)  KTGV 차량의 동적 수직 운동  

전차선-팬터그래프 동력학 시뮬레이션은 팬터그래프 베이스 프레임이 고정되어 있는 것으로 간주하여 시뮬레이션 한다. 이것은 차량의 진동의 영향을 반영하지 못함을 의미한다. 그러나 실제로는 차량은 주행하면서 선로 조건에 따라 횡방향은 물론이고 수직방향으로도 운동을 하게 되고 이러한 차량의 동적 변위는 전차선에도 영향을 미친다. 그러나 차량의 동적 변위가 전차선의 압상량으로 그대로 전달되는 것은 아니다.  

팬터그래프에는 몇 단의 현가장치(Suspension)와 댐퍼(Damper)가 있어 이를 일부 흡수하기 때문이다. 그러나 차량의 운동이 전차선까지 영향을 미침은 확실하다.  

따라서 전차선의 압상량을 검토하기 위하여 선로 조건과 차량조건에 따라서 차량이 주행하면서 일으키는 동적 수직 변위의 크기를 파악하는 것은 매우 중요하다. 

4)  동적 압상량 평가  

정상적인 운전조건에서 전차선과 팬터그래프사이의 동력학에 의한 압상량은 곡선당김 금구 지점에서 18～19mm로 나타났다.  차량의 동적 수직변위의 최대치 50mm를 그대로 더하더라도 68～69mm범위이다.   

일본의 자료에 의하면 속도향상을 위한 집전계 기술검토사항 중의 하나로서 압상량에 대하여 보수여유 30mm를 고려해 주고 있다. 이 보수여유는 전차선이 마모에 의하여 가벼워지거나 장력이 제대로 작동하지 않을 때에 지지점이 부상하는 것에 대비하기 위한 목적으로 여유를 두는 값이다.  

이 보수여유 값을 그대로 적용하면 정상운전 시 최대압상량이 98～99mm로서 곡선당김금구의 허용 압상량 100mm에 못미치므로 곡선당김금구 Stopper가 작동하지 않는 상태로 양호한 집전이 가능하다.  

그러나 최악조건으로 설정한 30m/s의 바람이 불 때에는 지지점에서의 압상량이 67～74mm가 되고 차량의 동적 움직임을 고려할 때 일부구간에서 곡선당김금구의 Stopper가 작동되어 경점으로 작용할 수 있음을 알 수 있다. 팬터그래프에서 스프링 작용과 댐퍼의 작용 특히, 하방향 댐핑 계수가 큰 특성 등이 있음으로 인해 차량의 수직 움직임이 그대로 전달되지는 않지만 보수여유 등을 고려할 때 차량의 수직변위가 큰 구간에 대해서는 궤도 정비나 개량이 필요하리라 판단된다.  

결론적으로 압상량에 대하여 종합적으로 평가할 때 Stopper는 바람이 병합되는 조건에서는 작동하는 것이 본래의 목적이므로 제안된 곡선당김금구 사양은 압상량 측면에서 KTGV 차량의 운행에 적합한 것으로 판단된다.