[논문]고속열차 차륜 플랜지 마모

이희성; 강부병

doi:10.9725/kstle.2006.22.1.033

문제 정의

그리고 고속 신선에 비해서 기존선의 궤도틀림상태도 상대적으로 등급이 낮기 때문에 차륜플랜지 마모가 상대적으로 커지게 된다. 본 논문에서는 우선 기존선 곡선부 주행시 주행거리에 따른 차륜플랜지 마모 특성에 대한 수치해석적 연구를 수행하여, 차륜 형상별(GV40, XP55), 곡선반경별, 캔트변화 및 완화곡선 길이에 따른 차륜플랜지 마모에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 기존선 주행시 차 륜 플랜지 마모를 제어 및 관리하기 위해서 차륜/레일 인터페이스면에 고체윤활제를 적용한 차량과 적용하지 않은 차량의 플랜지 마모 특성을 비교 분석하고, 계측한 마모량을 참고하여 고속차량이 기존선 구간을 운행 하는 경우에 고체윤활제 적용에 따른 차륜삭정주기를 마모의 관점에서 예측하였다.
그러나 기존선 곡선구간 운행시에는 차륜과 레일 인터페이스 면에서 후속 차륜이 계속 통과함에 따라 윤활막이 쉽게 파손되어 윤활막이 유지되지 않으므로 매우 심각한 차륜플 랜지마모가 발생한다[4].이에 따라 곡선부에서 충분한 윤활이 되도록 기존의 차상 도유기 대신에 고체 윤활제를 고속열차에 적용하기 위하여 고체 윤활제 적용차량과 비적용 차량간의 마모율 비교와 고체윤활제 소모량 계측을 통하여 고체윤활제 적용시에 플랜지 마모 특성을 비교 분석하고자 한다

제안 방법

고속열차의 차륜답면형상은 플랜지 두께 (Sd), 플랜지구배 (qR), 플랜지높이 (Sh)[6]를 측정하여 비교하였다. Fig.
곡선부에서 완화곡선의 길이가 차륜마모에 미치는 영향을 분석하고자 Fig. 6, Fig. 7과 같은 곡선데이터를 이용하여 완화곡선을 50 m, 100 m, 150 m, 200 m 로 변경시키며 해석하였다. Fig.
곡선에서 캔트의 영향을 알아보기 위해 Fig. 4와 같이 동일한 곡선에서 캔트를 변경하며 플랜지마모지수 의 변화를 분석하였다. Fig.
본 논문에서는 우선 기존선 곡선부 주행시 주행거리에 따른 차륜플랜지 마모 특성에 대한 수치해석적 연구를 수행하여, 차륜 형상별(GV40, XP55), 곡선반경별, 캔트변화 및 완화곡선 길이에 따른 차륜플랜지 마모에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 기존선 주행시 차 륜 플랜지 마모를 제어 및 관리하기 위해서 차륜/레일 인터페이스면에 고체윤활제를 적용한 차량과 적용하지 않은 차량의 플랜지 마모 특성을 비교 분석하고, 계측한 마모량을 참고하여 고속차량이 기존선 구간을 운행 하는 경우에 고체윤활제 적용에 따른 차륜삭정주기를 마모의 관점에서 예측하였다.

대상 데이터

고속열차에 사용되는 차륜은 GV40(동력차)과 XP55 (객차)[5]이며 기존선 구간 레일은 KS50] 적용되었으며, 각종 차량시스템자료는 Alstom 공급자 자료를 사용하였다. 해석에 사용한 궤도모델은 궤도검측 데이터를 이용하여 Vampire해석 모델로 변환하여 사용하였다.
본 연구에서 사용한 고속열차(KTX)의 주요제원은 PC (동력차) + MT(동력객차) + 14T(객차) + MT(동력객차) + PC(동력차)로 구성되었으며, 동력차와 동력객차의 전위부대 대차는 일반 2축대차이나 동력객차 후위부나 객차 는 관절대차로 구성되어 있다.
고속열차에 사용되는 차륜은 GV40(동력차)과 XP55 (객차)[5]이며 기존선 구간 레일은 KS50] 적용되었으며, 각종 차량시스템자료는 Alstom 공급자 자료를 사용하였다. 해석에 사용한 궤도모델은 궤도검측 데이터를 이용하여 Vampire해석 모델로 변환하여 사용하였다.

성능/효과

1. 궤도 검측데이타를 활용한 마모지수 해석에서 궤도틀림 변화 중 캔트와 궤간의 영향을 분석하였으며 궤간이 좁아진 경우 플랜지 마모가 증가될 수 있다. 캔트를 조정하여 마모지수를 감소시킬 수는 있으나 설정캔트 150 mm를 적용했을 때 곡선반경 600 m이하의 급곡선 구간에서는 그 영향이 곡선반경으로 인한 플랜 지 마모상태를 정상마모 수준으로 감소시킬 정도로 크지 않았다.
2. 기존선 곡선부 주행시 곡선반경 변화에 따른 플랜지마모의 영향이 가장 크므로 고속열차시스템의 변 경없이 고체윤활제를 적용한 성능시험을 통하여 측정한 차륜답면 형상을 가지고 계산했을 때 고체윤활제 적용시 오일도유기 만 사용한 경우보다 평균 플랜지 두께 마모량은 2.6배 감소하였고 플랜지 구배 (Qr)의 경우는 답면부 마모로 인하여 기준점이 낮아지면서 오히려 증가하였다.
3. 현재의 마모패턴으로 마모가 진행될 경우 차륜답면 형상 유지보수 기준에 따르면 마모한도에는 플랜지 높이가 가장 먼저 도달하며 삭정주기는 427, 350 Km이다. 차륜 찰상이나 박리 등 돌발적인 결함에 의해 삭정주기는 더 감소된다.
4. 고체윤활제의 평균마모량은 약 1만km/스틱이다. 설치된 고체윤활제의 경우 플랜지 마모량과 스틱마모량이 정상상태에 도달하면 고체윤활제 마모량은 더 감 소한다.
11은 고체윤활제 적용전과 적용후의 플랜지 두께마모량과 플랜지 구배 마모율의 변화비를 보여준다. 이를 정리하면 Table 1과 같으며 이에 따라 고체윤활제 적용 후에 평균적으로 플랜지 두께마모율은 2.6배 감소하였으며, 플랜지 높이는 2.1 배 증 가하였다.
15는 최초 측정시부터 현재까지 KTX32호의 차륜마모변수 변화를 보여준다. 플랜지 구배와 플랜지 두께는 고체윤활제 사용 후 마모율이 현저히 감소한 후 변화가 없으며, 플랜지 높이는 변화율이 완만하게 증가하였다. 플랜지 두께 감소는 고체윤활제의 효과이나, 플랜지 높이 증가는 고 체윤활제의 효과라기보다는 답면부마모의 진전에 의해 우묵하게 패인 현상이 진행되면서 플랜지 높이가 증가한 것이다.

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