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  1. (Dept. of Railroad Electrical System Engineering, Woosong University, Korea.)



Pulley type tensioning device, High-speed operation, Tension variation rate

1. 서 론

전기철도에서 차량의 팬터그래프와 접촉하여 전기를 공급하는 가공 전차선로는 속도에 적합한 설계를 해야 하는 핵심 설비이다(1). 차량을 고속으로 운행하기 위하여 가공 전차선로에서는 전차선의 파동전파속도를 올려야 하고, 파동전파속도는 차량의 팬터그래프가 움직이면서 전차선을 파동, 변형시켜 동요하게 하고 이로 인한 파동은 전차선로를 따라 전파되며 전차선의 장력에 비례한다(3). 순동 혹은 동합금 재질을 사용하는 전차선 및 조가선은 온도변화에 따라 늘어나거나 줄어들기 때문에 일정한 장력을 유지하기 위하여 장력조정장치를 설치한다. 장력조정장치는 온도변화에 따라서 신축하는 특성을 가지고 있는 전차선 및 조가선의 신축량을 자동으로 조절할 수 있어야 하며 항상 일정한 장력을 유지시켜주기 위하여 사용한다.

국내에서 사용하고 있는 장력조정장치는 활차비를 이용한 활차식, 도르래비를 이용한 도르래식, 스프링의 탄성을 이용한 스프링식을 주로 사용하고 있다(2). 장력변동률은 전차선의 흐름방지장치의 값과 장력조정장치간 거리의 변화로 스프링의 효율에 따라 감소되는 변동률이다. 따라서 장력조정장치의 종류에 따라 장력변동률을 다르게 규정하고 있는데, 국내에서는 활차식은 5[%] 이내이고 스프링식은 15[%] 및 도르래식은 3[%] 이내로 각각 규정하고 있다[4-6].

장력조정장치의 장력변동률이 크면 전차선로에서 경간 내 전차선 높이가 변화하고 그림 1과 같이 호그(Hog) 상태 등이 발생할 수 있어서 집전성능을 저하시킬 수 있다. 또한 고속에 사용하기 위하여 조가선이 진동에 영향을 받지 않도록 하기 위하여 개별식으로 설치하여 운행하여야 한다(7). 따라서 우리나라에서는 열차운행속도 300 [㎞/h] 이상 고속철도에서는 장력변동률을 3[%] 이내로 제한하고 있기 때문에 장력변동률 3[%] 이하의 도르래식 장력조정장치를 국산화 개발하였다[8∼9]. 현재 국내에서 300 [㎞/h] 이상 고속철도에서는 도르래식 장력조정장치만을 사용하고 있는 실정이다. 그러나 도르래식 장력조정장치의 경우 한국철도공사 유지보수 세칙에 따르면 도르래에 삽입된 베어링의 그리스 교체를 3년에 1회씩 주기적으로 유지보수 해야 하는 단점이 있다(10).

그림. 1. 호그 상태

Fig. 1. Hog state

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따라서 본 연구에서는 유지보수성 향상과 고속운행이 가능한 선로의 장력조건과 장력변동률을 ±3[%] 이내를 만족하는 활차식 장력조정장치를 개발하였다. 유지보수성 향상과 장력변동률을 최소화하기 위하여 오일리스 베이링을 적용하여 장력조정장치를 설계하고 제작하여 시험절차인 한국철도표준규격(KRS)에 따라 공장 성능 시험을 완료하였다(4). 또한 현장 적용성 등을 확인하기 위하여 약 1년 동안 운행선에 설치하여 특성을 확인하였고 철거하여 육안검사와 공인기관 인증 시험을 추가적으로 진행하였다.

2. 고속 전차선로용 활차식 장력조정장치 설치 및 제작

2.1 고속 전차선로용 활차식 장력조정장치 설치

일반적인 활차식 장력조정장치는 그림 2와 같이 설치한다. 기존의 활차식 장력조정장치는 대활차와 소활차의 장력비가 1 : 4이다. 장력비로 인하여 장력조정장치의 크기가 크기 때문에 개별식으로 설치하는 데 한계가 있어서 국내에서 사용하는 모든 활차식 장력조정장치는 일괄식으로 사용되어 왔다. 국제기준인 UIC 799에서는 설계속도 230 [㎞/h] 이상 고속 전차선로에는 개별식 장력조정장치로 설치할 것을 요구하고 있다(7). 또한 세계적으로 고속 전차선로에 사용하는 활차식 장력조정장치 장력비는 모두 1 : 3의 비율로 작동되도록 운영하고 있다. 따라서 활용성의 극대화를 위하여 그림 3과 같이 개별식으로 설치할 수 있도록 대활차와 소활차의 장력비를 1 : 3의 비율로 작동되도록 설계하였다.

그림. 2. 일괄식 활차식 장력조정장치 구성도

Fig. 2. Diagram of double type pulley tensioning device

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그림. 3. 개별식 활차식 장력조정장치 구성도

Fig. 3. Diagram of single type pulley tensioning device

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2.2 고속 전차선로용 활차식 장력조정장치 제작

유지보수성 향상과 고속운행이 가능한 장력변동률(3[%] 이하)을 고려하여 소활차 내에 설치하는 베어링을 기존의 볼 베어링에서 오일리스 베어링으로 적용하였다.

기존에는 볼 베어링을 적용하고 있어서 결로현상 및 수분유입으로 인한 부식문제와 그리스 주입 등의 유지보수가 필요한 단점이 있어서 고속, 중속, 저속 조건에서 14.7 [N/㎟]의 낮은 마찰 계수와 우수한 부하 성능을 가진 윤활성과 0.067 [㎜]의 내마모성이 뛰어난 테프론 납 혼합물을 고체 윤활제로 사용한 복층구조의 무급유 타입의 오일리스 베어링을 그림 4표 1과 같이 적용하여 제작하였다.

그림. 4. 오일리스 베어링 및 내마모성 마찰계수 테스트 결과(11)

Fig. 4. Oilless bearing and wear resistance friction coefficient test results

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표 1. 오일리스 베어링 특성(11)

Table 1. Oilless bearing characteristics

구 분

특 성

윤활 조건

Dry

사용온도 범위 [℃]

-200 ~ +280

최대 허용 접촉압력 : P [N/㎟]

49.0

최대 허용 속도 : V [m/s]

0.65

최대 허용 PV 값 [N/㎟・m/s]

3.60

활차식 장력조정장치를 개별식으로 적용하기 위하여 활차의 크기를 최소화하고 대활차와 소활차의 장력비를 1 : 3의 비율로 작동되도록 장력조정장치 활차를 그림 5와 같이 제작하였다.

그림. 5. 장력조정장치 활차

Fig. 5. The pulley type tensioning device

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기존 와이어로프는 아연도강연선 재질로 인장강도가 약하고 부식이 발생하므로 스테인리스 재질의 와이어로프 코어를 강재로 제작하여 가벼우며 부식 발생을 방지할 수 있고 장력변동률을 최소화 할 수 있도록 그림 6과 같이 제작하였다.

그림. 6. 와이어로프

Fig. 6. Wire rope

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개발된 고속 전차선로용 활차식 장력조정장치의 사용재료 및 특성은 표 2와 같다.

표 2. 개발된 장력조정장치의 사용재료 및 특성

Table 2. Materials and characteristics of the developed tensioning device

구 분

사용재료 및 특성

사용 장력

32,251 [N]

장력비

1 : 3

주활차 화학성분

EN AC42200

인장강도

302.6 [N/㎟]

와이어로프

스테인리스

베어링

오일리스

3. 공장 성능 시험

3.1 성능 평가 항목

활차식 장력조정장치 성능 진단을 위하여 한국철도 표준규격(KRS)을 기본으로 한 사양(안)에 따라 시험을 수행하였다(4). 시험 항목으로는 겉모양검사, 구조검사, 치수검사, 내구성시험, 파괴하중시험, 장력변동률시험, 사용온도시험, 제동시험, 재질시험을 국가 공인 시험기관의 입회시험을 통하여 수행하였고 모두 시험 기준에 적합한 결과로 나타났으며 시험 결과는 표 3과 같다.

표 3. 국가 공인기관 시험 결과

Table 3. National authorized institution examination result

시험 항목

시험 기준

시험 결과

겉모양검사

표면이 매끈하고 사용상 유해한 흠 등의 결함이 없을 것

이상 없음

구조검사

표면에 유해한 갈라짐, 주물 기공 등의 결함이 없을 것

이상 없음

치수검사

주강품 보통 허용차 기준

이상 없음

내구성시험

0.02 [Hz] 20,000 [회]

이상 없음

파괴하중시험

90 [kN] 3 [분]

이상 없음

장력변동률시험

3[%] 이내

이상 없음

시험 항목

시험 기준

시험 결과

사용온도시험

-25[℃]와 60[℃]에서 72시간

이상 없음

제동시험

낙하거리 : 200 [㎜] 이하

160 [㎜]

제동시간 : 0.3 [S] 이하

0.27 [S]

재질시험

화학성분 분석시험

EN AC42200

이상 없음

인장강도시험

인장강도 : 250 [N/㎟] 이상

302.6 [N/㎟]

연신율 : 1[%] 이상

4.69[%]

브리넬 경도시험

약 [HB] 85 이상

[HB] 94.4

3.2 장력변동률 작동 시험

장력변동률 작동 시험은 장력조정장치의 가장 중요한 특성으로 외부 환경조건 및 장력조정장치 내부조건 등에 의해 장력이 변화하는 것을 %로 표시하는 것을 말하며, 차량 주행 특성에 직접적으로 영향을 주는 요소이다. 장력변동률 시험은 활차식 장력조정장치를 그림 7과 같이 장력변동률 작동 시험 장치에 설치하고, 장력조정장치 와이어로프에 사용 최대하중인 32,251 [N]의 장력이 작용하도록 장력추를 매달은 다음, 인장 시험기를 사용하여 전차선과 조가선의 인류구간 800 [m]를 기준으로 하였을 때의 장력조정장치 가동범위 2,652 [㎜]를 네 구간으로 나누어 0 [㎜]를 시작으로 884 [㎜]씩 2,652 [㎜]까지 4회 시험하여 장력변동률을 측정하였다. 장력변동률 시험에서의 기준은 장력추의 모든 위치에서 장력변동률이 ±3[%] 범위에 있어야 한다.

그림. 7. 장력변동률 작동 시험 장치

Fig. 7. Tension change rate operation test equipment

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그림 8 및 9는 개발한 32,251 [N]용 활차식 장력조정장치에 대한 장력변동률 시험 결과이다. 상승 시와 하강 시 모두 4차례 측정하였으며 상승 시에 최저 1.1[%], 하강 시에 최대 2.9[%]의 장력변동률을 보이고 있다. 시험 결과 장력변동률 기준 ±3[%] 이내를 만족하는 것을 확인하였다.

그림. 8. 상승 시 장력변동률 시험 결과 그래프

Fig. 8. Test result graph of tension change rate at rise

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그림. 9. 하강 시 장력변동률 시험 결과 그래프

Fig. 9. Test result graph of tension change rate at rise descent

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4. 운행선 설치 시험을 통한 현장 적용성 검증

개발한 활차식 장력조정장치에 대하여 조립성 및 현장 적용성 등을 확인을 위하여 한국철도공사의 운행선로에서 그림 10과 같이 현장설치를 하였다. 국내 활차식 장력조정장치 설치구간은 개별식 장력조정장치로 설치한 선구가 없기 때문에 일괄식 활차식 장력조정장치를 충북선 구간에 약 1년간(2017년 12월 ∼ 2018년 11월) 설치하였으며, 설치구간의 장력거리 등은 그림 11과 같이 현장시험을 수행하였다.

그림. 10. 운행선로 현장 설치

Fig. 10. Operating line site installation

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그림. 11. 운행선로 장력거리

Fig. 11. Operating line tension distance

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설치기간 동안 설치한 장력조정장치의 A와 X 길이를 측정하였고, 그 결과는 그림 12와 같다. 외기온도 변화에 따른 A, X 길이 변화량을 혹한기, 간절기, 혹서기의 분기별로 측정한 결과 장력변동률 기준인 ±3[%]를 만족하였다.

그림. 12. 온도에 따른 장력조정장치 거동 현장시험 결과

Fig. 12. Field test result of dynamic displacement according to temperature variation

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또한 약 1년여간의 사용한 장력조정장치의 장력변화 등을 확인하기 위하여 설치한 장력조정장치를 철거하여 육안검사 및 장력변동률 시험을 추가적으로 수행하였다. 육안검사 결과 부식이나 영구변형 등이 없음을 확인하였고, 장력변동률 시험 결과는 그림 1314와 같다. 신품 시험 결과와 유사한 결과를 보이고 있으며, 장력변동률 ±3[%] 이내를 만족하였다.

그림. 13. 상승 시 장력변동률 시험 결과

Fig. 13. Test result of tension change rate at rise graph

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그림. 14. 하강 시 장력변동률 시험 결과

Fig. 14. Test result of tension change rate at rise descent graph

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5. 결 론

장력조정장치는 전차선 및 조가선의 장력을 온도변화에 따라 일정하게 유지할 수 있도록 하는 전차선로의 핵심 장치이다. 도르래식 장력조정장치는 장력변동률이 ±3[%] 이하이고 개별식으로 사용할 수 있기 때문에 고속철도에서 주로 사용하고 있지만, 볼 베어링 구조로 되어있어서 주기적으로 그리스 주입이 되지 않으면 베어링의 부식이 발생되고 장력조정장치의 동작불량, 장력변동률의 증가 등이 초래되는 문제점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 장력변동률이 ±3[%] 이하이고, 개별식으로 설치가 가능하며 유지보수성이 향상된 활차식 장력조정장치를 개발하였다.

본 개발에서는 활차비를 1 : 3으로 하고 오일리스 베어링을 적용하였고 와이어로프는 기존의 와이어로프보다 가벼우면서 녹이 발생되는 것을 방지할 수 있으며 유연성이 우수한 와이어로프를 적용하여 장력변동률을 최소화 할 수 있도록 개발하였다. 개발한 활차식 장력조정장치는 국가 공인기관 입회하에 공장 성능 시험을 성공적으로 수행하였다. 그리고 현장 적용성 등을 확인하기 위하여 운행선에 약 1년여간 설치하여 작동 건전성을 확인하였다. 또한 설치한 장력조정장치를 철거하여 육안검사와 공인기관 인증 시험을 추가적으로 진행하여 장력변동률에 문제가 없음을 확인하였다.

개발한 활차식 장력조정장치는 일반철도 및 고속철도에서 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 전차선로 시스템의 수명연장과 유지보수비 절감에 기여할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

We are grateful to the relevant ministries for this research as the result of the technology development of small and medium-sized enterprises technology development support project conducted by Ministry of SMEs an Startups.

References

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11 
OILES CORPORATION, 2017, OILES BEARING 2016∼2017, pp. 147-148Google Search

저자소개

서 동 훈 (Dong-Hoon Seo)
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2018:Dept. of Railroad Electrical System Engineering(M.S.), Woosong University, Korea.

1995toPresent:D2engineering Co.,Ltd. Director.

서 기 범 (Ki-Bum Seo)
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1991:Dept. of ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING(M.S.), Hanyang University, Korea.

2000:Dept. of ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING(ph.D.), Hanyang University, Korea.

2002toPresent:Dept. of Railroad Electrical System Engineering, Woosong University, Korea. Associate Professor.