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준 이
6 years ago
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1 TTX 판토그라프틸팅구조물의경량화설계 A Weight Reduction Model of TTX Pantograph Tilting Structure 이민수 * 한재흥 ** 김기남 *** 고태환 **** Lee, Min-Su Han, Jae-Hung Kim Ki-Nam Ko, Tae-Hwan ABSTRACT The TTX(Tilting Train express) is designed to achieve high driving speed up to 200 km/h and to run on conventional curved rails without speed reduction. In order to maintain power collection between catenary and pantograph collector while train body is tilted, the TTX pantograph must have tilting structure (or Sledge). The power quality is determined by the tilting structure. Static and dynamic characteristics of tilting structure, therefore, are important to evaluate the pantograph performance. The current prototype of the tilting structure is overweight model and its structural characteristics have not been investigated. In this study, the finite element model of TTX tilting structure is established and static analysis is performed. Finally, using this result, a light weight model is proposed. 1. 서론 판토그라프 (Pantograph) 는기차의동력차량상부에설치되어가선으로부터전력을공급받아동력차를운행하는핵심부품이며, 판토그라프의집전품질에따라기차의주행안정성과속도성능이평가된다. TTX(Tilting Train express) 는국내에서는최초로개발되고있는틸팅기차 (Tilting train) 로서, 기존의기차나지하철과는달리틸팅구조물 (Tilting structure or Sledge) 을수반하게된다. 이러한틸팅기차는차량의곡선부주행시차체를주행곡선안쪽으로기울여속도를증가시키고승차감을향상시키는것은물론, 에너지소비의장점등을가지고있다차량이틸팅을하면그림 1과같이차량의중심축이가선에서벗어나게된다. 따라서틸팅구조물은상하운동만하는판토그라프를좌우로이동시켜가선과의접촉을유지시켜주는역할을 * 한국과학기술원, 항공우주공학전공석사과정 ** 한국과학기술원, 항공우주공학전공조교수 *** 유진기공산업 철도차량부품기술연구소 **** 한국철도기술연구원

2 한다. 판토그라프의집전품질은가선과의안정적인접촉으로이선 (Loss of contact) 을최소화함으로써결정된다 [1]. 따라서외부의진동환경은집전품질을결정하는중요한요소이며, 판토그라프와직접연결되어판토그라프를지지, 틸팅시키는틸팅구조물의특성은판토그라프의집전품질과직결된다. 현재판토그라프의틸팅구조물의시제품이제작되었으나당초설계중량의약 2 배정도초과하였을뿐만아니라구조물의안정성검증도미흡한실정이다. 따라서본연구에서는판토그라프틸팅구조물의구조해석으로안정성을검증하였고, 해석결과를기초로틸팅구조물의경량화모델을제시하였다. 그림 1. Schemetic diagram of pantograph tiling mechanism 2. 틸팅구조물의구조해석 2.1 틸팅구조물의 3-D 모델링판토그라프틸팅구조물의 3-D 모델링은 Pro/E CAD 프로그램을사용하였으며, 그림 2와도표 1 에틸팅구조물의그림과명칭을나타내었다. 베이스프레임 (Base frame) 은차량상부에직접연결되어있으며, 판토그라프와슬러쥐프레임 (Sledge frame), 그외의틸팅시스템을탑재하고있다. 또한베이스프레임은강도를보강하기위해기차진행방향의전후프레임에다수의보강재 (Rib) 들이설치되어있다. 슬러쥐프레임은측면방향에연결되어있는두개의동일한스프링 (Main spring) 에의해베이스프레임의가운데에위치하게되며, 스프링의초기변위는약 100mm이다. 슬러쥐의틸팅구동은회전형능동구동기 (Driving set) 가구동되면서시작된다. 구동기가회전하면구동기와연결되어있는 Teeth wheel이돌아가게되어벨트를통하여슬러쥐프레임에구동력

이전달된다. 따라서슬러쥐프레임은베이스프레임에위치한틸팅가이드를따라세개의롤러에의해좌우로움직인다. 슬러쥐프레임의최대변위는좌우로약 400mm이다 [2]. 틸팅가이드역할을하는부품은 Rear track과 Front track 이며, 베이스프레임에탑재되어있다. 틸팅가이드는곡선궤도로되어있어, 틸팅시에도판토그라프집전판의지면과의수평을유지시켜준다.

3 이전달된다. 따라서슬러쥐프레임은베이스프레임에위치한틸팅가이드를따라세개의롤러에의해좌우로움직인다. 슬러쥐프레임의최대변위는좌우로약 400mm이다 [2]. 틸팅가이드역할을하는부품은 Rear track과 Front track 이며, 베이스프레임에탑재되어있다. 틸팅가이드는곡선궤도로되어있어, 틸팅시에도판토그라프집전판의지면과의수평을유지시켜준다. 벨트는항상일정한장력을유지하는데 Pre - force set에있는두개의스프링이그역할을한다. 그림 2. 3-D model of total sledge 도표 1. Each part of sledge Mark Part 수량 Mark Part 수량 1 Base frame 1 7 Below roller set 3 2 Main spring 2 8 Teeth belt 1 3 Teeth wheel 1 9 Pre-force set 1 4 Driving set 1 10 Front track 1 5 Rear trak 1 11 Sledge frame 1 6 Roller set 경계조건및하중조건 슬러쥐프레임은판토그라프와 Insulator 의중량및판토그라프의공기저항과가선과의접촉력 등을지지한다. 판토그라프와 Insulator 의중량은 150kg 이며, 본연구에서는판토그라프에작용하

는공기력과가선간의힘은고려하지않고자체중량에하중계수 (Load factor) 2를가하여수직하중을결정하였다 [3]. 각작용점의수직하중은판토그라프를지지하는슬러쥐프레임세곳에동일하게작용한다고가정하였다. 수평하중은크게벨트의장력과구동기에서발생하는구동력, 스프링의탄성력등으로나누어진다.

4 는공기력과가선간의힘은고려하지않고자체중량에하중계수 (Load factor) 2를가하여수직하중을결정하였다 [3]. 각작용점의수직하중은판토그라프를지지하는슬러쥐프레임세곳에동일하게작용한다고가정하였다. 수평하중은크게벨트의장력과구동기에서발생하는구동력, 스프링의탄성력등으로나누어진다. 벨트의장력은 2000N으로가정하였으며 [3], 벨트의장력은슬러쥐프레임양쪽에동일하게적용하였다. 스프링에의한탄성력은스프링의탄성계수와슬러쥐프레임의최대변위로결정하였다. 양쪽에스프링이연결되어있으나슬러쥐프레임의구조상늘어난스프링의탄성력만받기때문에, 한쪽의스프링에의해서만하중이걸린다. 구동기의구동력은수평하중의평형상태로부터결정되며, 슬러쥐프레임의경계조건으로베이스프레임과연결되는세점에두개의병진자유도 (x, y) 를구속하였으며, 틸팅가이드가전개되는방향 (z) 은정적해석시직선으로가정하였다. 베이스프레임의수직하중은판토그라프, Insulator, 슬러쥐프레임중량의합으로계산되며, 수직하중은슬러쥐프레임과연결된세곳에동일하게분포한다고가정하였다. 한편, 베이스프레임의수평하중은슬러쥐프레임의수평반발력과같으며방향은반대이다. 베이스프레임의경계조건으로는차량상부에고정되는 10 곳에대해각각세개의병진자유도 (x, y, z) 를구속하였다. 2.3 틸팅구조물의구조해석구조물의안정성평가및경량화를위하여슬러쥐프레임과베이스프레임에대해 MSC PATRAN/NASTRAN 을이용한정적해석을수행하였다. 슬러쥐프레임과베이스프레임의응력분포결과는그림 3에나타내었다. 슬러쥐프레임과베이스프레임의재질은스틸종류의하나인 SS400 으로제작되었으며인장항복강도 (Tensile yield strength) 는 250MPa 이다. 슬러쥐프레임과베이스프레임의최대응력은각각 82.9MPa 와 44.2MPa 이다. 이결과는재료의인장항복강도 250MPa보다매우작은값으로써구조물의안정성및경량화가능성을보여준다. 그림 3. Static analysis results of sledge and base frame

3. 틸팅구조물의경량화모델링과재해석 경량화모델는구조물의응력분포결과를근거로, 각각의구조물들의안전계수 (Safety factor) 를 1.5이상유지하며두께를감소시켜얻었다. 총무게가약 650kg인구조물을약 50% 의경량을목표로응력분포를고려하여구조물의두께를약 40~60% 감소시켜재해석하였다. 경량화모델의정적해석결과는그림 4에나타내었다.

Static analysis results of light sledge and base frame 4. 결론 판토그라프를지지하고틸팅시키는틸팅구조물인슬러쥐의적합한모델수립을위하여슬러쥐에대한정적해석및경량화를수행하였다.

5 3. 틸팅구조물의경량화모델링과재해석 경량화모델는구조물의응력분포결과를근거로, 각각의구조물들의안전계수 (Safety factor) 를 1.5이상유지하며두께를감소시켜얻었다. 총무게가약 650kg인구조물을약 50% 의경량을목표로응력분포를고려하여구조물의두께를약 40~60% 감소시켜재해석하였다. 경량화모델의정적해석결과는그림 4에나타내었다. 경량화후슬러쥐프레임과베이스프레임의전반적인응력상승이나타났으나, 각각의최대응력은 122MPa과 145MPa로여전히안정적인구조로판단되었다. 슬러쥐프레임과베이스프레임의질량은초기 487kg에서경량화후각각 113kg, 117kg, 총 230kg으로약 53% 가감소하였고, 결과적으로전체슬러쥐는 654kg 에서 397kg으로약 40% 감소하였다. 그림 4. Static analysis results of light sledge and base frame 4. 결론 판토그라프를지지하고틸팅시키는틸팅구조물인슬러쥐의적합한모델수립을위하여슬러쥐에대한정적해석및경량화를수행하였다. 유진기공산업 에서제작한슬러쥐시제품의도면을이용하여슬러쥐의 3-D CAD 모델을수립였으며, MSC PATRAN/NASTRAN을이용하여베이스프레임과슬러쥐프레임의유한요소모델을수립하였다. 판토그라프틸팅구조물의강도측면에서틸팅구조물의안정성판별과모델개선을위하여정적해석을수행하였으며, 베이스프레임과슬러쥐프레임에대하여독립적으로수행되었다. 최종적으로설계중량을초과한초기슬러쥐모델에대한정적해석결과를바탕으로구조물의경량화모델를제시하였고, 수립된경량화모델에대해정적해석을수행하여안정성을판별하였다. 또한현재판토그라프틸팅구조물의외부진동조건에대한동적응답을해석을수행중에있다.

6 5. 감사의글 본연구는건설교통부의철도기술연구개발사업으로수행되었으며, 도움주신한국철도기술연구 원, 유진기공산업 관계자여러분의지원에감사드립니다. 참고문헌 1. J.Y. Mok, Y.G. Kim, C.S. Park, and K.H. Kim(2004), Variation Trends of the Contact Force between Pantograph - Catenary and Acceleration Behavior According to the Train Running Speed and Driving Pattern in Korean High Speed Train, KSNVE Annual Spring Conference. 2. 유진기공산업 (2005), Development of Core Component 3. 유진기공산업 (2004), Development of Core Component 4. 한국철도기술연구원 (2004), Technical Specification and Interface Document 5. 한국철도기술연구원 (2003), Developments of Practical Technology for Tilting System 6. 한국철도기술연구원 (2004), Developments of Practical Technology for Tilting System 7. Schneider, R.(1998), Pantograph for Tilting Trains, IEE.

Microsoft Word - KSR2012A021.doc

Microsoft Word - KSR2012A021.doc YWXY G ºG ºG t G G GGGGGGGGGrzyYWXYhWYXG Ÿƒ Ÿ ± k ¹Ÿˆ Review about the pantograph field test result adapted for HEMU-430X (1) ÕÕÛ äñ ã G Ki-Nam Kim, Tae-Hwan Ko * Abstract In this paper, explain differences