한국형 고속열차 팬터그래프 시스템의 집전성능 향상을 위한 강건설계

Abstract

본 논문에서는 한국형 고속열차에 탑재되는 팬터그래프 시스템을 대상으로 운행 중 발생되는 접촉력의 크기를 감소시킬 수 있는 방안을 제안하였다. 접촉력은 이선저감의 문제와 함께 집전시스템의 성능을 평가하는 데 있어 가장 중요한 평가특성이라 할 수 있으며, 열차의 운행속도와 직접적으로 관련이 있기 때문에 이에 대한 다양한 연구가 필요한 실정이다. 최근 가선 및 팬터그래프 시스템을 대상으로 수치해석 차원의 연구 내용들이 소개된 바 있으나 대부분 이론해석의 한계를 벗어나지 못하는 부분이 존재한다. 이에 본 연구에서는 실제 한국형 고속열차의 내/외부에 갖추어져 있는 계측시스템을 활용하여 접촉력 특성을 분석하였으며, 동적 특성 분석에 앞서 경부고속철도 고속선로(KP22~124.5)에 설치되어 있는 경간의 형태별 설치빈도를 분석하여 경간길이에 따른 접촉력 특성 분석에 활용하였다. 본 논문의 주요 목적은 운행 중 경간 길이의 변화에도 안정적인 집전성능을 유지할 수 있는 설계변수를 선정하는 것이며, 팬터그래프 시스템의 집전성능 향상을 위한 최적 설계변수 선정 도구로 강건설계 기법을 활용하였다. 강건설계는 직교배열표를 활용하여 선정된 인자의 수준별로 시뮬레이션을 수행하는 과정이 필요하므로 실제 팬터그래프 시스템의 해석을 위한 수치모델을 구성해야 한다. 시스템 해석 차원의 선형 3DOF 모델을 구현하여 운동방정식을 유도하였으며, FFT(Fast Fourier Transform)를 활용하여 수치모델의 타당성을 확인하였다. 가선 시스템의 유한요소 모델을 구성하여 전차선의 시변강성(time varying stiffness)을 주어진 속도범위 내에서 구하였고, 이를 바탕으로 다시 경간 및 속도별 접촉력을 분석하였다. 이러한 내용을 근거로 고속열차의 운행 중 집전성능을 향상시킬 수 있는 최적의 설계변수 조합을 선정하고자 하였다. 강건설계는 신호인자(signal factor), 제어인자(control factor), 잡음인자(noise factor)를 선정하여 직교배열표에 배치하고 각 설계변수의 수준별 출력응답 특성 결과를 대상으로 S/N ratio 및 감도를 분석하게 되며, 이러한 분석결과를 토대로 하여 집전성능 향상을 기대할 수 있는 설계변수를 선정하였다. 최종적으로, 선정된 설계변수를 대상으로 실제 진동저감 효과가 있는지 시뮬레이션을 실시하여 재현성을 확인하였다.; This paper aims to propose a method for reducing a size of contact force generated while a pantograph system loaded on the Korean-style high-speed trains is driving. Contact force calls for various researches on it because it is one of the most important factors in evaluating the performance of a current collecting system along with a decreasing loss of contact, and has direct relation to train’s operation speed. Recently there has been the introduction of various researches on catenary and pantograph system in terms of numerical analysis, but most of them have failed to go further than theoretical interpretation. Against those backdrops, in this study we analyzed the characteristics of contact force by using a measurement system inside/outside Korean-style high-speed trains, and also analyzed the frequency of high-speed lines (KP22~124.5) installed by span types before analyzing dynamic characteristics in order to use the result for analyzing the characteristics of contact force. The main purpose of this paper is to select a design variable that can maintain a stable current collection despite changes of span lengths during operation. For the purpose of improving the current collection of the pantograph system, we used a robust design method with tools to select an optimal design variable. As the robust design requires a simulation of selected factors based on the tables of orthogonal array, it is necessary to configure a numerical model for analyzing a pantograph system. In this study, we induced an equation of motion by implementing a linear 3DOF model in terms of system interpretation and checked the feasibility of a numeric model by using the FFT (Fast Fourier Transform). Then, we figured out a time varying stiffness of catenary within a given speed range by configuring a finite element model of the catenary system, and analyzed the contact force by span and speed. Then, we intended to select an optimal combination of design variables that can improve the current collection while high-speed trains are driving. To that end, we came to utilize the robust design method as a kind of optimization techniques. Robust design includes the array of signal factors and control factors onto the tables of orthogonal array and analyzes an S/N ratio and sensitivity as a result of output response characteristics for each design variable level. According to those results, we selected an optimal level of design variables that are likely to improve the current collection. Consequently, we conducted a simulation on selected design variables to check if they have an effect on reducing vibration. By doing so, we managed to confirm their reproducibility.