KR101023803B1 - 전철 팬터그래프 및 그 팬터그래프에 의한 전류 수급품질을 모니터링하는 센서 - Google Patents

Abstract

팬터그래프(1)는 캐터너리(catenary)에 접촉하는 보우(3, 4), 적어도 하나의 보우 지지부(25, 26), 서스펜션 수단(2; 5, 6)에 부착되며 보우 지지부가 부착되는 요크(15, 16), 및 캐터너리에서 보우(3, 4)의 접촉력을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다. 요크(15, 16)는 센서를 형성한다. 이는 두 치크를 포함하고, 각각은 테스트 빔 및 그의 굽힘을 제한하는 수단을 포함한다.

Description

전철 팬터그래프 및 그 팬터그래프에 의한 전류 수급 품질을 모니터링하는 센서 {RAILWAY TRACTION MACHINE PANTOGRAPH AND SENSOR FOR MONITORING THE QUALITY OF CURRENT COLLECTION BY THE PANTOGRAPH}

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 팬터그래프 및 힘 센서에 대한 하기의 설명에 의해 더 잘 이해될 수 있다.

도 1은 부착 요크와 함께 팬터그래프의 보우 및 그 지지부를 도시한 사시도;

도 2는 도 1의 팬터그래프의 요크 중 하나의 사시도;

도 3은 테스트 빔, 각 설치된 스트레인 게이지와 함께, 도 2의 요크의 치크를 도시한 분해사시도; 및

도 4는 스트레인 게이지의 바람직한 전기 배선의 다이어그램이다.

본 발명은 전철 팬터그래프에 의해, 캐터너리를 흐르는 전류의 수급을 품질 관리하는 것에 관한 것이다.

팬터그래프는 전류를 그 구동 부재로 전달하기 위해 전기 동력 차의 지붕에 설치되는 기구이다. 일반적으로 펼침 또는 접힘을 위해 축에 대해 관절된 프레임, 및 헤드로 이루어진다. 헤드는 축 또는 보우 서스펜션으로 불리는 세스펜션 요소 를 통해, 하나 또는 둘의 마찰 판(friction strip)으로 보우를 지지한다.

공압 실린더 및 충격 흡수 스프링의 결합된 작동 하에서, 관절된 프레임이 펼쳐지고, 헤드가 캐터너리에 붙여 세워지고, 예를 들면 약 70N의, 접촉력에 의해 그대로 유지된다. 이동 중의 전동 차와 함께, 보우는 캐터너리에 붙어서 미끄러지며, 접촉을 유지한다.

하지만, 높은 속도에서, 상대적으로 약한 접촉력은 마찰 판과 캐터너리 사이의 접촉 단절(break of contact)을 방지하기에 충분하지 않다. 이는, 아크 방전(electric arc) 및 모터로부터 전달되는 전류량의 변동(fluctuation)을 야기한다. 전류 수급 품질은 이러한 변동에 달려있다. 나아가, 너무 강한 팬터그래프는, 캐터너리 접촉력이 접촉 와이어를 지나치게 들어올려 캐터너리와 지지부를 손상할 우려가 있다.

전류 수급 품질을 모니터링하는 데는 많은 방법이 있다.

물론 전류량의 변동을 직접적으로 측정하는 것도 가능하다.

또 다르게는, 접촉 단절 시에 일어나는 아크 방전의 주파수를 측정하거나 이와 같은 아크 방전에 의해 소산되는 전력을 측정하는 것도 가능하다.

하지만 접촉력에 의해 캐터너리에 대한 가압을 유지하는 보우의 순간 접촉력을 실시간으로 측정하는 것 또한 가능하다.

본 발명은 더욱 상세히는 후자의 방법인, 접촉력 측정에 의해 전류 수급 품질을 모니터링 하는 방법을 가능하게 하는 센서와 관련이 있다.

특정 유럽식 센서들의 인가(acceptance) 테스팅을 하는 동안, 승인 수단으로 이용될 수 있는, 특히 광섬유 브래그 격자(optical fiber Bragg gating)를 이용한, 본 출원의 힘 센서는 특히 그 작동과 관련된 매우 정확한 사양(specification)을 만족해야 한다. 이러한 사양은 유럽 표준 NF EN 50317에 상세히 개시되어 있다.

센서는 시편(test piece)에 고정되어 부착되는 스트레인 게이지를 포함한다. 이는 팬터그래프를 지지하는 기계적인 체인으로 삽입되고, 보우에 가까이 위치된다. 따라서 테스트 시편을 보우와 분리하는 체인 부분이 측정에 영향을 주지 않는데, 예를 들면 충격 흡수 스프링의 존재, 특히 보우 세스펜션에 구비된 것들이 측정에 영향을 주지 않는다.

캐터너리에 가까이에서, 센서는 그곳에 흐르는 강한 전류 및 아크 방전 발생에 의해 유도된 전자기 효과(electromagnetic effect)의 영향을 받기 쉽다. 따라서 전기 측정 회로에 구비되는 전기 필터링 요소 및 갈바닉 절연 요소(galvanic insulation element)에 의해 이러한 효과로부터 보호된다.

무엇보다, 필연적으로 고가(overhead)에 장착되기 때문에, 그 설치는 당연히 시편의 공기역학적인 프로파일을 따르는 관계에 있다. 특히, 350km/h에 달하는 속력까지, 팬터그래프 상에 그것의 존재로 인해, 설계치(nominal value)의 5%를 넘는 접촉력의 변경이 일어나서는 안 된다.

캐터너리로부터 전류 수급을 위한 전철(railway traction machine)의 팬터그래프는 프레임, 캐터너리에 접촉하는 보우, 적어도 하나의 보우 지지부, 프레임에 부착되며 보우 지지부가 부착되는 요크 및 적어도 하나의 힘 센서를 포함하는 것으 로 알려져 있다.

일반적으로, 요크는 스프링 서스펜션 박스에 장착되며, 스프링 서스펜션 박스는 그 자체가 프레임의 상단 분기에 부착된 교차 부재(cross member)에 부착된다. 또한 보우 지지부는 요크의 양 치크(cheek) 사이에, 이후에 요크와 양 치크를 고정적으로 부착하기 위해 관통하는 축과 함께 삽입된다. 또한 센서는 일 예로 보우 마찰 판(bow friction strip)의 직하에 부착된다.

본 발명자는 이러한 팬터그래프의 품질을 높이고, 가능한 최소의 교란(disturbance)을 일으키며 수직 힘만을 기록하는 센서를 제공하도록 모색해왔다.

따라서, 본 출원의 발명은 먼저, 캐터너리로부터 전류 수급을 위한 전철의 팬터그래프로, 캐터너리에 접촉하는 보우, 적어도 하나의 보우 지지부, 세스팬션 수단에 부착되며 보우 지지부가 부착되는 요크 및 보우의 접촉력을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하며, 요크가 센서를 형성하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프에 관한 것이다.

식별할 수 없기 때문에, 센서가 따라서 요크에 최대한 가깝기만 한 것은 아니다. 본 발명의 팬터그래프 센서는 가정할 수 있는 최소의 교란을 일으킨다.

바람직하게는, 요크는 양 치크를 포함하고, 요크의 양 치크는 각각 요크 및 보우 지지부를 고정되게 부착하기 위해 축이 관통하는 테스트 빔을 포함한다.

본 발명은 또한 전철의 팬터그래프를 통해, 캐터너리로부터의 전류 수급 품 질을 모니터링하기 위한 센서에 있어서, 팬터그래프의 보우 지지부의 부착을 위한 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서에 관한 것이다.

바람직하게는, 부착 요크의 각 치크는 테스트 빔 및 그것의 굽힘을 제한하기 위한 수단, 특히 교각(abutment shank), 을 포함한다.

또한 바람직하게는, 요크의 테스트 빔은, 감도를 증가시키는데 강도가 약해져서, 특히 스트레인 게이지를 수용하기 위한 오목부가 강도를 약하게 한다.

또한 바람직하게는, 요크는 가속도계를 수용하기 위한 하우징을 포함한다.

도 1을 참조하면, 팬터그래프(1)의 머리부만이 도시되어 있다. 팬터그래프(1)는 그 프레임(2)의 상부에 서스펜션 부재(5, 6) 및 각각 마찰 판(9, 10)에 의해 덮여진 하프 보우(half-bow: 3, 4)를 포함한다. 여기서는 서스펜션 부재(5, 6)는 충격 흡수체(shock absorber)로, 예를 들면 전류를 인가하기 위해 보우를 두 개의 하프 보우(3, 4)가 캐터너리 와이어(미도시)에 붙게 받치는 스프링 박스이다.

동력 차가 움직일 때, 팬터그래프(1)의 관절된 프레임(2)을 펼치는 매커니즘을 일으켜서, 하프 보우(3, 4)의 마찰 판(9, 10)은 접촉 와이어를 F의 힘으로 가압한다.

두 하프 보우(3, 4)는 이들에 거의 수직인 두 쌍의 팔(11, 12 및 13, 14)에 의해 서로 고정되어 부착되며, 서로 평행하게 유지된다.

각 팔(11, 12, 13, 14)은, 그 양 단 중 어느 하나에 의해, 두 하프 보우(3, 4) 중 어느 하나의 양 단 중 어느 하나에 고정되어 부착된다. 팔(11, 12, 13, 14)의 타단은 두 개의 중앙 보우 지지부(25, 26) 중 어느 하나에 고정되어 부착된다.

서스펜션 박스(5, 6)는 그 상부에서 부착 요크(15, 16)에 각각 고정되어 부착되며, 보우 지지부(25, 26)는 하프 바우(3, 4)를 지지하기 위해 거기에 맞물려진다. 여기서부터 도 2를 참조하여, 좀 더 명확히 한다.

도 2의 각 요크(15, 16)는, 대응하는 서스펜션 박스(5, 6)에 부착하기 위해, 밑판(soleplate: 23)에 안착되는 평행한 양 치크(21, 22)를 포함한다. 각 치크(21, 22)은 천공(27, 28)을 포함한다. 마주보는 양 치크(21, 22) 사이에 설치되도록 배열된 각 지지부(25, 26)는, 천공(25, 26)에 삽입되는 동시에 거기에 삽입되고, 거기에서 회전하도록 배열된 절대 연결축(positive connetion pivot; 29, 30)에 설치된다. 하지만 힘 F의 작용하에서, 두 마찰 판(9, 10)이 와이어의 경사와는 무관하게 캐터너리 와이어와 접촉을 유지할 수 있도록, 지지부(25, 26), 일부에 있어서, 는 충분한 운동 각(angle of movement)을 통해서만 요크(15, 16)에 대해 상대적으로 회전할 수 있다. 회전하는 동안 지지부(25, 26)의 바닥면이 밑판(23)에 접하지 않기 위해, 천공(27, 28)은 충분히 밑판(23)으로부터 거리가 있다.

요크(15, 16)는 힘 F를 항상 함께 측정하도록 배열되고, 따라서 하프 보우(3, 4)의 지지부의 역할과 동시에 힘 센서의 역할을 한다.

양 치크(21, 22)은 각각, 일반적으로 사각 단면을 하는 빔(32)에 의해 상단에서 서로 결합되는 두 개의 발(31, 33)을 매개로, 밑판(23)에 얹혀 있는 모노블럭 아치형의 프레임(monobloc arched frame: 36)으로 구성된다.

도 3을 참조하면, 양 치크(21, 22)의 빔(32)은 이동 센서에 의해 감지될 수 있는 이동을 야기하는 변형을 받는 시편 역할을 하도록 배열된다. 여기서 이동 센 서는 스트레인 게이지이다.

빔(32)은 각각, 치크 21의 빔 32에 4 개의 스트레인 게이지 41, 42, 43, 44, 치크 22의 빔 32에 4 개의 스트레인 게이지 45, 46, 47, 48이 설치된다.

당업자가 달성할 수 있는 바와 같이, 빔(32)의 단면이 천공(8) 됨으로써, 강도가 약해져서 게이지의 양호한 감도를 충분히 얻을 수 있게 된다.

빔(32)은 보우(3, 4)의 무게를 지지하고, 영구적으로 힘 F의 존재로부터 야기되는 응력하에 있기 때문에, 또한 소성 변형되어서 측정을 왜곡하거나, 더 나아가 파괴되면 안 되기 때문에, 이들은 중앙부(34)의 아래로 빔(32)에 고정되어 부착되는 수직 교각(39)과 함께 구비되고, 밑판(23)에 평행하며 그와 분리되어 있는 멈추개(39')에 의해, 빔(32)의 최대 유효 탄성 변형에 대응하는 거리까지 연장된다.

따라서 빔(32)의 어떠한 잔류 변형도 방지된다.

도 3의 예에서, 게이지(41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48)는 빔(32)의 수직면(32'')에 배열된 오목부(recess: 35)의 바닥에 수용되어, 전단 작용(shearing action) 동안에 작동한다. 이러한 오목부(35)에서, 그것들은 요크(15, 16)가 작동하는 동안 일어날 수 있는 갑작스런 충격으로부터 보호된다.

게이지는 오목부(35)의 수평면상에 설치될 수 있으며, 따라서 굴곡(flexion)에서도 작동하도록 만들어질 수 있다.

또한 이러한 오목부(35)를 수평면(32')에 배열할 수 있으며, 게이지가 굴곡에서도 작동하도록 만들어, 힘 F의 방향으로 빔(32)의 변형을 측정하는데 이용할 수 있다.

마지막 두 선택 사항은, 스트레인 게이지 대신 바람직하게는 가속도계가 사용되는 경우 더욱 필수적이다. 이때, 중앙부(34)에 배열된 하우징에 위치한 빔 당 하나의 가속도계로도 충분할 수 있다.

오목부(35)가 상기 언급한 천공(38)과 동시에 빔(32)의 강도를 약화하는데 기여한다는 것에 주의하여야 한다.

힘 F의 응력하에서, 치크 21의 빔 32 상의 스트레인 게이지 41, 42, 43, 44 및 치크 22의 빔 32 상의 스트레인 게이지 45, 46, 47, 48은, 치크 21, 22의 빔 32의 변형(또는 이동)을 측정하고, 이러한 변형은 게이지에 힘 F에 본질적으로 비례하는 전류를 생성한다. 하지만 동일한 혹은 반대의 부호(sign)로, 빔 32 상에서 게이지의 위치 및 전기 배선에 따라 가감되어야한다.

게이지가 도 3에 표시된 것과 같이 위치된다면, 치크 중 하나의 게이지 쌍 41, 42 및 43, 44 상대적으로 다른 치크의 게이지 쌍 47, 48 및 45, 46에 면하도록, 전기 배선은 도 4의 전기 회로도에 표시된 것과 같이 배선을 택하는 것이 바람직하다.

이 전기 회로도는 종래의 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge: 50) 중 하나로, 휘스톤 브리지(50)는 4개의 노드 1, 62, 63, 64를 구비하는 메시(mesh: 51)를 포함하며, 노드 61과 노드 63는 공급부(A)에 연결되고, 노드 62와 노드 4는 실질적으로 힘 F에 비례하는 측정 전기량(measurement electric quantity: M)을 공급한다.

하나의 동일 치크 21 및 이 치크 21의 중앙부(34)에 대해 상대적으로 동일한 일 측의 처음 두 게이지 41, 42는, 메시(51)에서 하나의 동일 분기 64-61에 직렬로 놓인다. 같은 치크 21의 다른 두 게이지 43, 44는 다음 분기 61- 62 상에서 직렬로 놓이지만, 처음 두 게이지 41, 42와는 반대로 놓인다.

네 게이지 41, 42, 43, 44는 측정치(measurement: M)을 공급하는 두 터미널 62, 64를 연결한다. 하지만 힘 F에 기인한 신호는, 상기와 반대로 놓여, 반대의 부호를 가지며, 서로 더해진다.

유사하게, 게이지 45 및 게이지 46은, 다음 분기 62-63에 직렬로 놓이며, 게이지 47 및 게이지 48은 분기 63-64에 직렬로 놓인다. 하지만 메시(51) 상에서, 전기 신호의 합이 0(null)이어야 하므로, 앞의 두 개는 반대로 놓인다.

이러한 방식으로 야기될 수 있는 수평방향 교란 힘을 제거하여, 최상의 측정치(M)이 얻어진다.

마지막으로, 힘 센서가 있든지 없든지, 요크가 힘 센서이고, 공기역학적인 저항이 절대적으로 변하지 않은 채 유지된다는 것을 주목해야 한다.

본 발명에 의한 팬터그래프는 전류 수급 품질이 향상될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 팬터그래프의 센서는 가능한 최소의 교란(disturbance)을 일으키며 수직 힘만을 기록할 수 있다.

Claims (8)

1. 캐터너리(catenary)에 접촉하는 보우(3, 4), 적어도 하나의 보우 지지부(25, 26), 서스펜션 수단(2; 5, 6)에 부착되며 보우 지지부가 부착되는 요크(15, 16) 및 캐터너리에 대한 보우(3, 4)의 접촉력을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하는, 캐터너리로부터 전류 수급을 위한 전철의 팬터그래프(1)에 있어서,

   요크(15, 16)가 센서를 형성하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프(1).
2. 제 1 항에 있어서,

   요크(15, 16)는 양 치크(21, 22)을 포함하고, 요크(15, 16)의 양 치크(21, 22)는 각각 축(29, 30)이 관통하는 테스트 빔(32)을 포함하여 요크(15, 16) 및 보우 지지부(25, 26)를 고정되게 부착하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프.
3. 전철의 팬터그래프(1)를 통해, 캐터너리로부터의 전류 수급 품질을 모니터링하기 위한 센서에 있어서,

   팬터그래프의 보우 지지부(25, 26)의 부착을 위한 요크(15, 16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   요크(15, 16)는 양 치크(21, 22)을 포함하고, 부착 요크(15, 16)의 각 치 크(21, 22)은 테스트 빔(32) 및 그것의 굽힘을 제한하기 위한 수단(39, 39')을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제 3 항에 있어서,

   굽힘을 제한하기 위한 수단은, 교각(39)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제 4 항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   요크(15, 16)의 테스트 빔(32)은, 강도가 약해짐으로써 감도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   테스트 빔은, 스트레인 게이지(41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48)를 수용하기 위한 오목부(35)에 의해 강도가 약해진 것을 특징으로 하는 센서.
8. 제 3항에 있어서,

   요크(15, 16)는 가속도계를 수용하기 위한 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.

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