공력최적설계 팬터그래프의 동특성 해석

초록

국내 고속열차인 KTX-산천에 적용된 CX 팬터그래프의 공력성능을 향상시키기 위하여 팬헤드와 암(Arm)의 형상을 최적화하는 연구가 최근에 수행되었다. 해당 연구에서는 팬터그래프의 형상최적화를 통하여 항력 및 소음 특성을 감소시킬 수 있음을 전산유체역학 해석을 통하여 보였으나 이는 오직 공기역학적인 요소만 반영되었고, 형상변화에 따른 팬터그래프의 동력학적 특성에 대한 고려는 수행되지 않았다. 특히 팬터그래프의 동특성은 고속열차의 집전성능에 밀접한 영향을 미치기 때문에 반드시 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 팬터그래프의 공기역학적 최적화에 따른 질량변화가 팬터그래프의 동특성에 미치는 영향을 동력학적 해석을 통하여 검토하였다. 질량변화에 따른 팬터그래프의 동특성 해석은 경부고속선 (전차선 장력 20kN) 가선계 중 가장 경간이 긴 63m 경간 가선계에 대하여 열차가 300km/h로 주행할 때의 조건으로 해석을 수행하였다. 해석결과 공력최적화 모델이 팬헤드 질량의 증가에 따라 접촉력 표준편차가 약 2.5N 정도 미세하게 열화 됨을 확인하였다. 그러나 전반적인 접촉력 특성은 국내 및 국제 기준치를 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 최적설계모델의 동특성은 충분히 확보될 것으로 예상된다.