KR100404920B1 - 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집전 성능을 측정하기 위한 전동열차의 집전 장치와 전차선 사이에 접촉력을 측정함에 있어, 별도의 측정용 집전 장치를 구비하지 않고 측정을 행할 수 있으며 대 전류 고 전압 환경에서 잡음의 영향을 최소화할 수 있는 전동열차 집전 장치와 전차선 사이의 접촉력 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법 및 그 장치{MEASURATION METHOD AND EQUIPMENT BY CONTACT SURFACE POWER}

본 발명은 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집전 성능(current collection performance)을 측정하기 위한 전동열차의 집전 장치와 전차선 사이에 접촉력을 측정함에 있어, 별도의 측정용 집전 장치를 구비하지 않고 측정을 행할 수 있으며 대 전류 고 전압 환경에서 잡음의 영향을 최소화할 수 있는 전동열차 집전 장치와 전차선 사이의 접촉력 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열차 집전 장치는 전차선으로부터 열차구동에 필요한 전력을 공급받거나 회생 제동시 열차에서 생산한 전력을 전차선으로 보내는 중요한 역할을 수행하게 되므로 열차 집전 장치는 가능한 한 전차선과 접촉된 상태로 있어야 한다.

그러나, 열차의 속도가 고속화됨에 따라 전차선과 열차 집전 장치는 동적 상호 작용에 의해 집전 성능이 저하되므로 이러한 집전 성능을 파악하기 위하여 열차 집전 장치와 전차선 사이의 접촉력을 측정하게 된다.

이에, 기존의 열차 집전 장치에 작용하는 접촉력을 측정하는 방법은 대개가 해외(독일, 프랑스 등)에서 독자적으로 개발한 측정방법을 활용하고 있는 실정이며, 그 일례로서 독일에서 현재 사용하고 있는 측정방법을 도 1로 도시하였다.

이에 도시된 바와 같이 집전 장치에서 작용하는 접촉력을 측정하기 위해 측정용 집전 장치(도 1에서는 집전장치 중 팬헤드를 표시하고 있음.)를 만들어 여기에 트랜스듀서(transducer. 변환기)어셈블리를 부착하되,

부착된 트랜스듀서 어셈블리에는 가속도와 로드 셀이 구비되어져 있어 트랜스듀서 어셈블리의 끝에 작용하는 가속도와 힘을 측정하는 것이며, 측정된 힘에 관성력(가속도)를 보정하여 집전장치와 전차선사이의 접촉력을 측정하는 것이었다.

하지만, 집전 장치의 집전 성능은 설계변경에 민감하게 변할 수 있는 것으로서, 설계 변경으로 인한 질량의 변화, 강성의 변화는 집전 장치의 이선 특성을 변화시킬 수 있으므로 가급적 원래의 집전 장치를 대상으로 접촉력을 측정함이 바람직한 것인 바,

일례로서 독일에서 사용하고 있는 접촉력 측정방법은 집전판(도 1의 수평 부재)과 스프링어셈블리(도 1의 수직부재)가 결합되는 방식이 도 1과 다를 경우에는 트랜스듀서 어셈블리를 새로 개발해야 하는 문제점을 갖는 것이며, 이에 따라 집전 장치마다 새로운 설계 변경 및 트랜스듀서 어셈블리의 개발을 계속적으로 요하는 것이었다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래 집전 장치와 이에 따른 접촉력 측정방법이 갖는 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로,

본 발명은 집전 장치의 설계 변경 없이도 전차선과 열차 집전 장치 사이의 집전 성능을 파악하기 위한 접촉력을 측정할 수 있도록 하여 측정에 소요되는 비용을 절감할 수 있도록 함에 그 목적이 있으며,

상기한 목적을 구현하기 위해, 도 2와 같이 4장의 스트레인게이지를 양단에 각각 부착하되, 전단력 작용점을 중심으로 2장의 스트레인게이지는 좌측에 나머지 2장의 스트레인게이지는 우측에 부착하고, 이 스트레인게이지를 이용하여 휘스톤 브릿지 회로를 형성하여, 단축 스트레인게이지들의 굽힘 변형율의 변화율을 구한 후, 이 변화율을 전단력과 굽힘 모멘트사이의 관계식에 대입하여 집전판 단면에 작용하는 전단력을 구하게 되는 1과정과;

집전판의 저면 중앙과 중앙을 축으로 대칭되는 지점에 가속도계를 설치하여 집전판에 대한 자유 물체도를 통해 집전 장치가 정지상태에서 가진할 때의 힘 평형 관계식을 구한 후, 가진력에 대한 전단력의 전달함수와 가속도의 전달함수를 통해주파수영역에서 가속도계에 할당되는 집전판에 대한 등가 질량을 구하고, 등가 질량을 접촉력 측정시 얻게 되는 가속도계 신호를 곱하여 관성력을 구하게 되는 2 과정과,

열차가 본선을 주행할 때 집전 장치로 작용하는 힘들에 대한 평형 관계식을 통해 1과정에서 구한 집전판 양단에서의 전단력과, 2과정에서 구한 등가 질량과, 접촉력 시험 측정에서 측정된 가속도와 풍동 시험에서 구한 공력을 상기 식에 대입하여 동적 접촉력을 얻게 되는 3 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전동열차 집전 장치와 전차선 사이의 접촉력 측정방법을 구비함으로써 달성된다.

도 1은 종래 접촉력 측정을 위한 측정용 집전 장치의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 측정장치의 구성도

도 3은 본 발명에 따른 측정장치에 있어, 스트레인 게이지 휘스톤 브릿지의 회로 구성도

도 4는 본 발명에 따른 측정장치에 있어, 집전판에 대한 자유물체도

도 5는 본 발명에 따른 접촉력 계산 흐름도

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 전차선의 접촉력 측정장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 측정 장치에 있어, 스트레인 게이지 휘스톤 브릿지의 회로 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 측정장치에 있어, 집전판에 대한 자유 물체도이고, 도 5는 측정된 스트레인신호 및 가속도신호로부터 접촉력을 구하게 되는 과정을 설명하는 흐름도이다.

본 발명의 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법은 전단력을 측정하기 위해 스트레인 게이지와 가속도계를 부착하여 수직 전단력과 관성력을 구한 후, 이를 토대로 집전 장치와 전차선 사이의 접촉력을 측정함을 특징으로 한다.

우선, 전단력을 측정하기 위해 도 2에서와 같이 4장의 단축 스트레인 게이지를 전방 및 후방 집전판의 하부면에 부착하되, 전단력 작용점을 중심으로 2장의 스트레인 게이지는 좌측에 나머지 2장의 스트레인 게이지는 △χ만큼의 이격 거리를 갖도록 우측에 설치하고, 이러한 스트레인게이지를 이용하여, 도 3에서와 같은 풀 브리지(Full bridge) 형식의 휘스톤 브릿지 회로를 형성하게 된다.

아래의 결과식 1은 △χ만큼 떨어져 있는 단축 스트레인 게이지의 굽힘 변형을 측정결과의 차 즉 △ε이다. 이를 거리 △χ로 나누면 굽힘 변화율(△ε/△χ)을 구할 수 있다.

도 3과 같이 스트레인 게이지들로 풀 브리지 형식의 휘스톤 브릿지를 구성하면 결과식 1에서 알 수 있듯이 각각의 스트레인 게이지에 노이즈(Noise)가 혼입되더라도 노이즈를 상쇄할 수 있을 뿐만 아니라 스트레인 게이지를 한 줄이 아닌 두 줄을 부착함으로써, 출력신호를 크게 할 수 있어, 신호 대 잡음의 비를 높일 수 있는 장점이 있다.

이에, 굽힘 변형율의 변화율(△ε/△χ)을 전단력과 굽힘 모멘트 사이의 관계식에 대입하면 집전판 단면에 작용하는 전단력을 아래와 같이 구할 수 있다.

여기서, k는 전단력과 굽힘변형율의 변화율 사이의 비례상수로 집전판 단면의 고유특성이다.

이때 상기 비례상수 k는 알고 있는 무게의 추를 집전판에 매달 때의 굽힘 변형율을 측정하여 사전에 구할 수 있으며, 비례상수 k는 집전판 단면의 고유특성이므로 집전판의 마모가 현저히 진행되었을 때에는 비례상수 k를 재측정 해야 한다.

또한, 관성력을 측정하는 방법으로서, 관심의 주파수 내에 집전판의 굽힘 공진 모드가 포함되는 경우에도 관성력을 적절히 측정할 수 있도록 도 2와 같이 전방 및 후방 집전판에 가속도계 3개를 집전판 중앙 위치, 중앙을 기점으로 대칭이 되는 양단 위치에 각각 설치한다. 집전 장치를 정지상태에서 가진할 때의 힘 평형관계식은 도 4에 나와있는 자유물체도를 참고하여 결과식 3을 얻을 수 있다.

여기서, F는 집전판 단면에 작용하는 전단력, m_i는가속도계 i(i=1,2,3)에 할당된 등가질량, a_i는 i(i=1,2,3)에서 측정된 가속도 값, F_c는 가진력이다.

따라서, 가진력에 대한 전단력의 전달함수를 H_F, 가속도의 전달함수를 Ha_i라고 하면 결과식 3을 주파수 영역에서 결과식 4와 같이 쓸 수 있다.

가속도계가 대칭으로 설치되어 있다는 조건과 등가질량의 합은 집전판의 질량 m과 같다는 조건을 이용하여 양단에 위치한 팬헤드에 대한 등가질량을 결과식 5와 같이 구할 수 있다.

관심의 주파수범위에서 결과식 4가 가장 근사적으로 만족할 수 있는 상수 m₁을 결정한다. 등가질량m₃은 m과 같으며, m₂는 m - 2·m₁과 같다.

이상과 같이 구한 등가질량을 접촉력 측정시 얻게 되는 가속도계 신호를 곱함으로써 관성력을 구하게 된다.

이에, 상기와 같이 구할 수 있는 전단력과 관성력을 토대로 동적 접촉력 측정방법은;

우선, 열차가 본선을 주행할 때 집전 장치에 작용하는 힘들의 평형 관계식을 세워보면 결과식 6을 얻게 된다.

결과적으로, 도 5에서와 같이 집전판의 양단에서 측정한 스트레인을 결과식 1에 대입하여 구한 양단에서의 전단력 F_L과 F_R과, 결과식 5로부터 구한 등가질량 m_i과, 접촉력 측정시험시 측정된 가속도a_i와, 별도의 풍동시험에서 구한 공력 F_aero을 결과식 6에 대입하여 접촉력 F_c를 구하게 된다.

이상과 같이 전차선과 집전 장치 사이에 작용하는 접촉력을 측정하는 본 발명에 있어, 1과정에 해당되는 전단력 측정방법은 교량의 교좌장치 등에 활용되어 교량을 통과하는 중량물의 무게를 측정하는데 적용할 수 있고, 또한 물체의 중립축(Neutral axis) 근방에 방해물이 설치되어 있어 전단력 측정을 위한 90。 스트레인 게이지 로제트를 부착할 수 없는 경우에 본 발명을 사용하여 전단력 측정이 가능한 장점을 가게 된다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정방법 및 그 장치는 집전 장치에 작용하는 접촉력을 측정하기 위하여 별도의 측정용 집전 장치를 구성할 필요가 없고, 또한 측정을 위한 집전 장치의 설계 변경이 없으므로 보다 정확한 집전 성능을 측정할 수 있는 효과를 갖는 것이며,

특히, 전단력 작용점을 중심으로 2장의 스트레인게이지는 좌측에, 2장의 스트레인게이지는 우측으로 일정간격을 갖도록 부착, 이들 스트레인게이지에 의해 휘스톤 브릿지 회로를 구비하므로서, 고 전압, 대 전류 환경에서도 노이즈에 영향을 덜 받으면서 접촉력의 측정이 가능한 것이다.

Claims (2)

1. 4장의 단축 스트레인게이지를 집전판 양단에 부착하되, 이 스트레인게이지를 이용하여 휘스톤 브릿지 회로를 형성하여, 단축 스트레인게이지들의 굽힘변형율의 변화율을 구한 후, 이 변화율을 전단력과 굽힘 모멘트사이의 관계식에 대입하여 집전판 단면에 작용하는 전단력을 구하게 되는 1과정과;

   집전판의 저면 중앙과 중앙을 축으로 대칭되는 지점에 가속도계를 설치하여 집전판에 대한 자유 물체도를 통해 집전 장치가 정지상태에서 가진할 때의 힘 평형 관계식을 구한 후, 가진력에 대한 전단력의 전달함수와 가속도의 전달함수를 통해 주파수영역에서 양단에 위치하는 팬헤드에 대한 등가질량을 구하고, 등가질량을 접촉력 측정시 얻게되는 가속도계 신호를 곱하여 관성력을 구하게 되는 2 과정과,

   열차가 본선을 주행할 때 집전 장치로 작용하는 힘들에 대한 평형관계식을 통해 1과정에서 구한 집전판 양단에서의 전단력과, 2과정에서 구한 등가질량과, 접촉력 시험 측정에서 측정된 가속도와 풍동시험에서 구한 공력을 상기식에 대입하여 동적 접촉력을 얻게 되는 3과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전동열차 집전 장치와 전차선의 사이의 접촉력 측정방법.
2. 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력을 얻기 위한 수단으로서, 물체에 작용하는 전단력과 관성력을 측정하기 위해 스트레인 게이지 로제트와 가속도계를 집전판의 저면으로 부착하되,

   상기 스트레인 게이지 로제트는 4장의 스트레인게이지를 양단에 각각 부착하되, 전단력 작용점을 중심으로 2장의 스트레인게이지는 좌측에, 2장의 스트레인게이지는 우측으로 일정간격을 갖도록 부착하여, 이들 스트레인게이지에 의해 휘스톤 브릿지 회로를 구비하게 되고,

   상기 가속도계는 집전판의 중앙과, 중앙을 기점으로 양단에 대칭되게 설치됨을 특징으로 하는 전동열차 집전 장치와 전차선의 접촉력 측정장치.