전기 트레인의 팬터그래프가 트롤리 와이어와 접촉하는 지점은 철도 부품 제조업체와 테스트 엔지니어가 예측하고 개선하는 것은 물론이고 이해해야 하는 가장 복잡하고 어려운 환경 중 하나입니다.
트레인이 효율적으로 작동하려면 팬터그래프가 전차선 시스템에 달린 트롤리 와이어와 지속해서 접촉을 유지해야 합니다. 그러나 이러한 와이어와 지지 구조는 주어진 섹션을 따라 서로 다른 수직 강성을 나타냅니다. 전차선 시스템은 그루빙을 방지하기 위해 30~100m 간격으로 지그재그로 움직입니다. 팬터그래프가 와이어에 적용되는 힘은 잘 규정된 범위(70N~120N) 내에 있어야 합니다. 너무 낮으면 접촉 손실로 인해 아크가 발생하여, 열차의 전력이 손실될 뿐만 아니라 에칭 및 과열로 인해 트롤리 와이어와 접점 바가 손상됩니다. 힘이 너무 높으면 그에 따른 마찰로 인해 와이어와 접촉 바가 너무 빨리 마모됩니다.
적절한 양의 힘을 전달하려면 다양한 수직 운동이 필요합니다. 그러나 트레인이 더 빠른 속도로 움직일 때 팬터그래프는 적절하게 반응하는 능력을 잃습니다. 트롤리 와이어가 최대한 평평하더라도, 방해받지 않고 달려있을 때만 평평합니다. 팬터그래프가 와이어를 들어 올리면 그에 따른 변형으로 인해 물결이 생성됩니다. 상승이 너무 많으면 팬터그래프가 훨씬 더 큰 파형을 생성하여 다음 팬터그래프에 대한 접촉 문제를 일으킵니다.
이러한 문제를 해결하는 것은 빠르게 성장하는 글로벌 고속철도 산업에 매우 중요합니다. 철도 승객은 빠르고 신뢰할 수 있는 서비스를 요구하지만 철도 차량이 점점 더 빠르게 운행됨에 따라 현재의 팬터그래프 기술은 속도와 서비스 품질을 위험에 빠뜨립니다. 최악의 시나리오에서는 마모된 트롤리 와이어 하나가 파손되어 수천 번의 여행이 취소되거나 경로가 변경되는 오류가 발생하고, 기술자가 손상된 와이어를 교체하는 데 많은 시간이 소요될 수 있습니다.
복잡한 상호 작용 재현
테스트 관점에서 볼 때 가장 큰 과제는 실험실에서 복잡하고 동적인 팬터그래프 운영 환경을 재현하는 방법입니다. 팬터그래프는 현재 최대 350km/h(220mph)의 속도로 이동하고 있으며 지속적인 개발로 인해 그 상한선이 더 높아지고 있습니다. 팬터그래프는 또한 매우 작은 접촉 영역을 통해 수백 톤의 철도 차량을 최고 속도까지 가속할 수 있는 충분한 힘을 전달하고 있습니다. 그리고 우리가 시연했듯이, 물리적 부품은 높은 종적 방향 운동과 다양한 압력의 슬라이딩 환경에서 상호 작용합니다.
전통적인 팬터그래프 연구에는 지름이 1~2m인 회전 디스크에 트롤리 와이어를 부착하는 기본 회전/슬라이드 테스트가 포함됩니다. 시험 시편은 팬터그래프 슈와 비슷하게 만들어진 탄소 또는 기타 접촉 물질입니다. 시편이 회전하는 와이어에 밀려 앞뒤로 미끄러집니다. 이러한 테스트는 서로 다른 재료에 대한 마모 효과를 특성화하는 데 유용하지만 실제 사용 중인 시스템에서 발생하는 접촉 역학을 복제하지 않습니다.
MTS Systems Corp.이 개발한 새로운 시스템은 팬터그래프 환경에 대한 보다 완벽한 시뮬레이션을 제공합니다. 이를 통해 제조업체와 테스트 엔지니어는 더 높은 정확도와 정밀도를 통해 팬터그래프 및 트롤리 와이어 역학을 연구할 수 있습니다. 테스트 그룹이 오프라인 비율(접촉이 감소한 시간), 접점 저항, 역률, 아킹 시간 및 강도, 접점 바의 온도를 측정할 수 있도록 설계되었습니다. 또한 테스트 그룹은 와이어 및 접점 바의 마모 및 프로파일 변경을 실시간으로 측정할 수 있습니다.
이러한 측정을 활성화하면 시스템을 사용하여 고속철도를 위한 새로운 팬터그래프 설계의 성능을 더 잘 이해할 수 있습니다. 테스트 엔지니어는 접촉 손실 및 관련 효과, 접촉 저항 및 아킹 시간, 아크 및 접촉 막대의 온도, 트롤리 와이어 및 접점 바의 마모 영향에 대한 효과적인 연구를 수행할 수 있습니다. 궁극적으로, 테스트 데이터는 제조업체가 트롤리 와이어 동작의 동적 추적을 증가시키는 수동 또는 능동 팬터그래프 서스펜션 시스템을 개발하는 데 도움이 되어 접촉 시스템의 마모를 최소화하면서 더 나은 접촉을 가능하게 합니다.
테스트 시스템 역량
이 새로운 시스템은 전 세계 철도 차량이 경험하는 다양한 종류의 작동 조건에 대해 팬터그래프 및 전차선 시스템 역학을 밀접하게 복제할 수 있습니다.
최대 550kph로 회전하는 직경 4m 디스크의 하단 가장자리 주위에 트롤리 와이어를 장착하여 트레인 속도를 시뮬레이션합니다. 디스크는 가변 속도를 시뮬레이션하고, 실제 트레인 속도 시간 기록을 재현하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 트롤리 와이어의 수직 변위 또는 강성을 시뮬레이션하기 위해, 디스크는 수직 변위 시간 기록을 재생하거나 강성을 시뮬레이션할 수 있는 모션 캐리지에 장착됩니다. 캐리지는 또한 트롤리 와이어의 실제 동작을 시뮬레이션하기 위해 지그재그 동작으로 움직입니다. 완전한 팬터그래프는 레일을 따라 달리는 철도 차량의 수직 운동을 시뮬레이션하는 진동 테이블에 장착됩니다. 시뮬레이션을 완료하기 위해 시스템은 접점을 통해 최대 2,000amps를 전송할 수 있습니다. 고속 기류가 접촉 영역을 향하여 냉각을 제공하고 와이어 아래를 통과하는 팬터그래프를 시뮬레이션합니다. 그리고 계측 캐리지가 와이어의 지그재그 동작을 따라가며, 접점 바와 트롤리 와이어의 마모를 실시간으로 모니터링합니다.
이 테스트 시스템은 개별 부품의 프로그래밍 기능을 통해 실제 팬터그래프 및 트롤리 와이어 상호 작용에 대한 보다 사실적인 시뮬레이션을 만들 수 있습니다. 여러 테스트 모드를 통해 테스트 엔지니어는 실제 시간 기록을 재생할 수 있을 뿐만 아니라 다음을 포함한 사용 가능한 모든 테스트 채널을 변경할 수 있습니다. 와이어 수직 변위, 와이어 수평(지그재그) 변위, 와이어 속도, 팬터그래프 수직 모션, 팬터그래프 상승/하강, 현재 흐름 및 냉각 공기가 바로 그것입니다. 이 시스템은 또한 매우 반복 가능한 테스트 시나리오를 제공하여, 테스트 제품 설계의 작은 차이를 자세히 측정할 수 있습니다. 이러한 측정을 통해 실제 서비스 환경에서 부품이 어떻게 수행되는지에 대한 확신을 가지고 엔지니어링 결정 및 설계 변경을 수행할 수 있습니다.
매개변수 테스트 중 디스크는 다른 매개변수가 변경되는 동안 반복되는 주기로 이동합니다. 예를 들어, 일정한 수직 위치를 유지하도록 디스크를 프로그래밍한 다음, 점점 더 큰 변위를 도입하고 접촉 성능에 미치는 영향에 대한 자세한 연구를 수행할 수 있습니다. 합성 데이터 재생에는 원하는 디스크 모션 이력을 달성하는 데 사용되는 고급 신호 처리 소프트웨어(예: MTS Remote Parameter Control 또는 RPC)를 사용하여 디지털 모델을 기반으로 트롤리 와이어 변위 이력을 예측하는 작업이 포함됩니다.
마지막으로 실시간 이력 재생(playback)을 통해 트롤리 와이어 변위를 트랙에서 측정하고 소프트웨어를 사용하여 와이어 모션의 시간 이력을 다시 생성합니다. 이 재생 시간 기반을 변경하여 다른 열차 속도를 시뮬레이션할 수 있으며 실제 작동의 짧은 부분을 연결하고 반복하여 원하는 총 거리에 대한 드라이브 파일을 생성할 수 있습니다.
모니터링 및 측정
이 테스트 시스템이 테스트 엔지니어의 능력을 증진하는 방법의 하나는 "실제" 환경에서 측정하기 거의 불가능한 많은 요소를 측정하고 표준화되고 반복 가능한 방식으로 측정하는 것입니다.
이를 위해 시스템에는 광범위한 테스트 모니터링 기기가 포함되어 있습니다. 여기에는 접점 바, 접점의 하중, 드래그 하중의 하중 측정이 포함됩니다. 수직 가속도는 각 접점 바의 각 끝에서 측정되며, 이를 통해 철도 차량 및 접점 와이어의 방해에 반응할 때 동적 접점 바 동작을 모니터링할 수 있습니다. 온도는 접점 바 뒷면에 장착된 변환기와 기록 기능이 있는 열 화상 카메라로 모니터링됩니다. 레이저 스캐너는 마모 연구를 위해 와이어 및 접점 바의 프로파일을 기록합니다. 와이어 이동 거리가 자동으로 기록됩니다. 전류 및 전압 측정은 접점의 입력 및 출력 측 모두에서 측정되므로 저항, 역률 및 오프라인 시간을 자세히 모니터링할 수 있습니다. 아킹 시간과 강도는 광학적으로 모니터링됩니다. 모든 데이터는 특정 인스턴스 또는 운영 조건에 대한 자세한 연구를 위해 시간 동기화됩니다.
기계 모니터링 채널 또한 광범위합니다. 여기에는 메인 샤프트 베어링(수직 및 수평 가속도 및 온도), 액추에이터 하중 및 변위, 자동 윤활 시스템의 활동, 팬터그래프 상승/하강 상태, 유압 및 구동 모터가 포함됩니다. 모든 데이터 채널에서 모니터링 한계(경고 및 종료 수준 포함)를 설정할 수 있으므로 테스트 엔지니어가 시스템 작동을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 제어 및 모니터링 시스템과 결합한 이러한 한계 감지기는 작업자가 장비를 지속해서 모니터링할 필요 없이 자동 테스트를 가능하게 합니다.
이러한 기능은 팬터그래프 및 트레인 제조업체에 큰 차이를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 실행 중인 팬터그래프에서 접점 역학의 많은 매개변수를 측정하는 것은 이제 테스트 팀에게 현실적인 과제입니다. 과거에는 반복성이 낮고 제어가 제한되기 때문에 해결하기가 매우 어렵고 비현실적인 문제였습니다. 오늘날 더 정확한 시뮬레이션은 더 가치 있는 통찰력을 위한 단계를 설정합니다. 예를 들어, 테스트 그룹은 운영 비용에 직접적인 영향을 미치는 역률 및 손실을 보다 정확하게 계산할 수 있습니다.
이 시스템은 전 세계 철도 테스트 팀이 연구를 수행하는 방식을 변화시키는 차세대 팬터그래프 테스트 기술의 일부입니다. 트레인이 더 빨리 달리고, 철도가 더 많은 지역으로 확장되고, 전 세계 승객 수가 증가함에 따라 시장이 직면하는 과제가 더 어려워진 상황입니다. 제조업체는 테스트 팀이 실험실에서 복잡한 팬터그래프 및 전차선 시스템 역학에 대한 훨씬 더 현실적인 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하는 이 테스트 시스템과 기타 테스트 시스템으로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 운영 환경에서 팬터그래프의 반응에 대한 보다 정확하고 자세한 이해를 함으로써, 제품 설계자는 더 효율적이고 신뢰할 수 있는 고성능 팬터그래프를 개발하는 데 필요한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
