1. 서론

전기철도의 전차선은 온도변화에 의하여 신축하거나 경년 및 마모로 탄성신장이 발생하여 장력이 온도환경의 변화에 따라 전차선이 늘어나 장력이 감소하기 때문에 전차선의 처짐 현상이 발생된다. 이러한 개소에 전기철도차량의 팬터그래프가 진입할 경우 가선 진동이 증대하여 이선과 아크가 발생하고, 팬터그래프의 마모를 유발하여 전차선의 단선사고를 유발하는 결과가 나타난다. 반대로 온도가 낮아질 때에는 장력이 증대하여 전차선이 들어 올려지기 때문에 집전할 때 요구되는 등고성을 해치고 팬터그래프의 도약이 심하게 되어 열차운전에 지장을 주게 된다^[1]. 이러한 운용상의 문제 해결을 위해 전차선의 장력을 일정한 크기로 유지하기 위하여 조정식 인류장치를 설치하여 사용하고 있으며 이를 장력조정장치라고 하고 있다. 장력조정장치는 활차식, 스프링식, 와이어턴버클, 조정스트랩 방식 등이 있다. 이중 활차식 자동장력조정장치는 활차의 원리를 이용한 것으로 와이어로프를 감아 전차선을 인류하고 중추를 걸어 내리는 방식으로 온도변화에 따라 수반되는 전차선의 이도 및 장력이 변화할 경우 활차가 회전하여 항상 표준장력을 유지하는 구조로 되어 있으며 통상 인류구간의 길이가 800[m] 이하인 경우에는 한쪽에, 800[m]를 넘고 1600[m] 이하인 경우에는 양쪽에 설치하여 운영하고 있다^[2]. 본 연구에서는 현재 운용 중인 활차식 자동장력조정장치 중 열화가 진행된 노후 활차식 자동장력조정장치(2t)를 한국철도표준규격(KRS-P W 0010-18(R))에서 제시한 기준에 따라 정밀분해 진단분석을 실시하여 그동안의 상태파악과 노후 된 활차식 자동장력조정장치의 계속사용 가능여부와 설치조건, 환경조건 등의 분석을 통해 노후화가 가속된 설비에 대한 교체 또는 유지보수 계획수립을 위한 기본데이터 확보를 하고자 하였다^[3].

2. 본론

2.1 진단대상

정밀분해 진단대상 활차식 자동장력조정장치는 약 17년간 사용되어 시설된 설비가 본래의 목적으로 사용할 수 있는 기간인 내용연수가 2년을 초과한 장력조정장치를 대상으로 하였다. 한국철도표준규격(KRS-PW 0010-18(R))에서 제시한 겉모양검사, 작동시험, 베어링시험, 와이어로프 단말슬리브에 대한 인장시험을 실시하였다^[4]. 표준장력은 19,613(N)(2,000(kgf)), 활차비 1:4를 가진 6대의 장력조정장치를 대상으로 비교분석을 실시하고, 이 중 sample1~sample2는 1일 전기차 운행횟수 약 36회, 1년 전기차 운행횟수 약 13,140회를 운행하는 구간에 설치된 설비이다.

sample3~sample6은 1일 전기차 운행횟수 약 173회, 1년 전기차 운행횟수 약 63,145회를 운행하는 구간에 설치된 설비를 대상으로 하였다. 또한 그동안의 운용조건으로 유지보수현황을 확인한 결과 2.0 t의 자동장력조정장치를 약 2.8 t의 장력을 인가하여 사용한 것으로 확인되었으며, 이러한 운용환경에 따라 자동장력조정장치의 노후화 여부를 가름할 수 있을 것으로 판단되었다.

표 1. 장력조정장치 일반현황

Table 1. Tensioning device general status

Standard tension	19,613[N](2,000[kgf])
Pulley ratio	1 : 4
Production date	2001년 11월
Period of use	2002년~2018년(16년) (내용연수(15년) 1년 경과)
Number of electric cars	sample1 ~ sample2	1일 (36회)	1년 약 13,140회
	sample3 ~ sample6	1일 (173회)	1년 약 63,145회

표 2. 장력조정장치 설치현황

Table 2. Tensioning device present condition of establishment

Total section length	Sample	Section length	Sample	Section length
1,245m	1	660m	2	585
1,350m	3	655m	4	695
1,339m	5	700m	6	639

그림. 1. 진단대상 장력조정장치

Fig. 1. Target facility Tensioning Device

2.2 진단기준

활차식 자동장력조정장치는 2.0t이상의 장력을 받는 설비로써 오랜 시간 장력을 받고 시간이 경과함으로 설비의 구조가 변형 될 수 있다. 구조와 치수검사는 활차, 볼트너트류, 와이어로프 및 당김금구에 대한 변형여부와 노후 및 열화상태, 부식, 균열상태 등을 진단하였다. 작동시험은 활차비(1:3.8~1:4.2), 사용장력의 ±5(\%) 이내(KRS 기준)를 적용하여 실시하였으며 사용 장력을 인가하여 장력장치가 상승과 하강을 반복함으로 와이어로프 UP/DOWN 2회, 베어링 교체 전/후 2회를 실시하여 장력조정장치의 변형여부를 확인하였다. 장력조정장치의 중요부품중 하나인 베어링은 신품과 사용품을 교체하는 분해진단을 통해 전·후 성능을 비교분석하였다.

그림. 2. 베어링

Fig. 2. bearings

2.3 진단결과

2.3.1 겉모양검사 진단결과

노후 및 열화 상태와 부식, 균열 상태는 진단결과 sample1~ sample6까지 활차와 당김금구, 볼트너트류는 동일하게 기준값 이내로 결과가 확인되었으나 와이어로프는 대부분의 sample이 전부 부식되어 있는 것이 확인되었다. 활차 베어링을 감싸고 있는 내부 고무파킹은 일부 sample만 찢어진 상태였으나, 장력조정장치의 동작을 위한 가장 중요한 부품인 베어링은 대부분의 sample이 동작불량 또는 파손된 것으로 확인되었다. 구조검사로는 사용상의 결함이 없고 작동에 이상없는 것을 전제로 진단한 결과 모든 sample이 기준을 만족하는 것으로 진단되었다. 치수검사는 일부sample 중 장력을 직접 받는 부품의 일부 치수가 변형되어 부적합한 결과가 진단되었다.

2.3.2 작동시험 진단결과

베어링 교체 전·후의 작동시험결과 도출을 위해 장력조정장치의 온도변화에 의한 추 이동량(2Ton 철주용)의 기준에 따라 장력구간 800m의 A의 길이를 기준으로 산정하였으며 온도에 따른 작동시험 A길이는 다음과 같이 산출하였다.

표 3. 치수검사 진단결과

Table 3. Dimensional inspection Diagnosis result

sign	A [mm]	B [mm]	C [mm]	D [mm]	E [mm]	F [mm]	G [mm]	H [mm]	test results
standard	$\varnothing$660 ± 33.0	$\varnothing$336 ± 16.8	120 ± 6.0	19 ± 1.0	9 ± 0.5	22 ± 1.1	55 ± 2.8	M16
sample1	668.0	330.0	123.84	22.78	11.70	24.32	53.82	15.93	부적합
sample2	660.0	335.0	123.82	19.77	11.04	22.06	56.44	15.86	부적합
sample3	665.0	336.0	121.39	19.84	10.32	22.80	56.95	15.70	부적합
sample4	665.0	336.0	120.52	21.55	9.22	22.34	54.00	15.61	부적합
sample5	665.0	331.0	121.76	18.74	11.17	22.38	57.64	15.85	부적합
sample6	663.0	330.0	119.77	19.87	10.33	21.65	54.87	15.72	부적합

활차비1: 3.8~4.2, 사용 장력의 ±5% 이내의 기준을 통해 장력조정장치를 사용 상태와 동일하게 설치하여 대기온도변화 (-25[℃] ~ +40[℃]) 시 이동되는 작동거리에 대한 장력변화를 측정한 결과 사용장력의 ±5%를 초과하는 진단결과가 sample1~ sample6에서 확인되었다. 진단방법으로는 구형베어링과 신형베어링으로 교체하여 작동시험 결과값을 비교하였다.

표 4. 온도변화에 따른 측정길이 기준값 선정결과

Table 4. Selection result of measured length according to temperature change

$ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad $Type of street Temperature	800m
	A		X	Y
-25℃	1,776	238	96	4,512
-20℃	1,708		368	4,240
-15℃	1,640		640	3,968
-10℃	1,572		912	3,696
-7.5℃	1,538	238	1,048	3,560
-5℃	1,504		1,184	3,424
0℃	1,436		1,456	3,152
5℃	1,368		1,728	2,880
10℃	1,300	204	2,000	2,608
15℃	1,232		2,272	2,336
20℃	1,164		2,544	2,064
25℃	1,096	204	2,816	1,792
30℃	1,025		3,360	1,520
35℃	960		3,632	1,248
40℃	892			976

그림. 3. 온도변화에 의한 추 이동량(2ton)

Fig. 3. Weight shift due to temperature change(2ton)

2.3.3 와이어로프 단말슬리브 인장시험 결과

장력조정장치의 와이어로프 단말슬리브의 인장시험 방법으로는 와이어로프 단말 한쪽에 표준장력 약 2,500 kgf×2.5배의 하중을 약 3분간 유지하는 조건을 적용하여 시행하였다.

그림. 4. 인장시험 진단결과

Fig. 4. Tensile test diagnostic result

3. 결 론

한국철도표준규격에서 제시한 시험기준을 적용하여 내용연수를 초과 운영 중인 활차식 자동장력조정장치에 대한 정밀분해 진단분석을 시행하였다. 제시된 시험항목 중 겉모양검사, 구조검사, 인장시험은 시험기준을 만족하였으나, 치수검사 및 작동시험은 일부기준을 만족하지 못한 것이 확인되었다. 특히 활차식 자동장력조정장치의 중요설비인 베어링이 장기사용에 따른 노후로 인하여 파손 및 동작상태가 불량한 것이 확인되었으며, 구형베어링과 신형베어링을 각각 교체 후 작동시험을 실시하여 비교한 결과 또한 대부분의 sample이 전체적인 성능저하에 따라 부적합 결과가 도출되었다.

본 연구결과가 활차식 자동장력조정장치의 설치조건과 운용조건 등 유지보수 현황을 분석하는 기초 데이터로 활용하여 노후화가 가속되고 있는 구간의 확인과 내용연수가 초과되어 운용 중인 장력조정장치에 대한 계속사용 가능여부 판단 및 경제적인 사용을 위한 교체주기 산정과 최적의 유지보수 계획수립을 위한 기초 연구결과로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.