경량 · 고강성 확보를 위한 금속-복합재료 하이브리드 팬토그래프 상부암의 설계 및 성능 평가

초록

열차에 사용되는 팬토그래프는 가선으로부터 전력을 공급받아 열차 내부에 전달하는 중요한 부품으로 싱글암, 더블암 등 다양한 형태를 가지고 있다. 고속 열차의 경우 주행 시 공기 저항을 줄이기 위해 싱글암을 주로 사용하나 파이프 구조 특성상 굽힘과 비틀림 하중에 약하여 이선 현상이 발생하며, 이는 집전 성능을 감소시키며 소음을 유발한다. 집전 성능 향상 및 접촉 안전성을 확보하기 위하여 본 연구에서는 팬토그래프 상부암의 강성을 향상시키는 금속-복합재료 하이브리드 구조를 적용하였다. 장시간 자외선 노출과 아크가 발생하는 환경으로 복합재료 기지의 열화가 발생할 수 있어 메인 파이프 내부에 복합재료를 적층하였으며, 파라메트릭 연구를 통해 적합한 강성을 확보하면서 알루미늄과 기계적 열압착 체결이 될 수 있는 복합재료 적층 조건을 확보하였다. 감쇠능을 향상시키기 위하여 금속-복합재료 파이프 사이에 감쇠층 역할을 갖는 테프론 필름을 삽입하였으며, 그 외 부품은 접착제를 활용해 조립하였다. 설계된 팬토그래프의 유한요소해석을 통해 구동 환경의 온도 조건을 반영하여 열응력 해석 및 정적 해석, 고유진동수 해석을 수행하였으며, 해석을 통해 규정 및 연구에서 제안한 조건을 만족하는 최적의 적층조건을 제시하여 해석 결과와 시제품 실험의 비교를 수행하였다.