우리나라 고속철도는 2004년 4월 경부고속철도를 개통하고 이후 2015년 4월 호남고속철도 및 2016년 12월 수도권고속철도 개통으로 전국이 반나절 생활권으로 접어들었고 각종 산업인프라 구축 등에서도 획기적인 변화를 가져오고 있다.
전기철도의 고속화는 차량에 직접 전기를 공급해주는 중요설비인 전차선로와 팬터그래프의 구조와 제원 및 성능에 따라 도달 가능한 최고속도가 달라지게 됨에 따라 고속철도 차량의 안정된 집전성능과 신뢰도의 향상이 중요하다고 할 수 있다. 또한 안정적 전원공급을 통한 고속운행을 위해서는 전차선로의 파동전파속도를 높여야 되므로 전차선의 중량이 가볍고 가선장력이 커져야 하며 가선장력 증가에 따라 큰 장력에 대응한 고강도 곡선당김금구 경량화가 필수적으로 요구된다.
본 논문에서는 전기차량이 고속으로 운행하기 위하여 전차선 장력을 증가시킴에 따라 이에 대응하기 위하여 고강도 곡선당김금구를 최적 설계/제작하고 현장 설치 검증하였다. 높은 장력에 대응하고 경량화하기 위하여 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 최적설계 하였다. 1차 설계에서는 경량화를 위하여 타원형의 알루미늄 파이프와 경량 고강도 재료인 알루미늄 A7075 재질로 단조하여 금구를 제작하여 호남고속철도 테스트 베드(Test bed) 구간에 약 2년간 설치 시험하였고, 최고속도 400km/h의 차량 운행시험과 고장력에도 구조적으로 문제가 없었다. 그러나 알루미늄 A7075 재질에 장해가 발생하였고 장해를 분석한 결과 부식으로 판명되었다.
따라서 2차 설계에서는 A7075 재질보다 상대적으로 무겁지만 내부식성이 좋은 SM45C를 선정하여 경량화를 위한 추가적인 최적화 설계를 수행하였다. 제시한 기준에 따라 성능시험을 수행하고 운영 신뢰성을 확인하기 위하여 성능 검증과 현장설치시험을 약 1년여간 수행한 결과 기준을 만족하였으며 설치 시험한 고강도 곡선당김금구를 철거하여 추가적으로 시험한 결과 내부식성이 확보되어 현장 적용성에 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
연구시험 결과 전기철도 차량이 고속화됨에 따라 그에 필요한 고장력에 대응하는 곡선당김금구의 강도확보와 경량화는 필수적이며 이에 따른 강도 확보와 경량화를 위한 최적화 설계/제작 절차 그리고 재질 선정의 중요성을 제시하였고 이를 바탕으로 향후 전기철도 차량의 속도향상과 전차선로 시스템 결정 시에 고강도 곡선당김금구는 중요하게 활용될 수 있으리라 판단된다.