본 논문은 제동 디스크의 주행 중 온도변화를 측정하고 이에 따른 재료 특성을 확인하여 제동디스크의 신뢰성 확보의 기초 차원에서 연구를 수행하였다. 역차별 제동디스크 온도변화를 측정한 결과, 동일 구간에 대해서도 제동디스크 표면의 온도변화는 평균 및 최고 온도 모두 열차별로 상이한 것을 알 수 있다. 또한 동일구간 동일차량을 이용하여 제동디스크와 라이닝의 조합에 의한 온도변화를 측정한 결과, 규격을 만족하는 표준제품이라 하더라고 사용조합에 따라 표면의 온도 변화가 달라지는 것을 확인했으며, 따라서 제동디스크와 라이닝을 선택할 때는 반드시 이를 고려한 영향을 평가를 수행하여야 한다. 그리고 주행 중 디스크 온도변화 측정 결과를 바탕으로 $100^{\circ}C,\;200^{\circ}C,\;300^{\circ}C$에서 얻은 제동디스크의 열전도도 시험결과는 온도가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 변화는 $100^{\circ}C\sim200^{\circ}C$ 사이에 변화가 가장 큰 것으로 나타났다.
본 논문은 제동 디스크의 주행 중 온도변화를 측정하고 이에 따른 재료 특성을 확인하여 제동디스크의 신뢰성 확보의 기초 차원에서 연구를 수행하였다. 역차별 제동디스크 온도변화를 측정한 결과, 동일 구간에 대해서도 제동디스크 표면의 온도변화는 평균 및 최고 온도 모두 열차별로 상이한 것을 알 수 있다. 또한 동일구간 동일차량을 이용하여 제동디스크와 라이닝의 조합에 의한 온도변화를 측정한 결과, 규격을 만족하는 표준제품이라 하더라고 사용조합에 따라 표면의 온도 변화가 달라지는 것을 확인했으며, 따라서 제동디스크와 라이닝을 선택할 때는 반드시 이를 고려한 영향을 평가를 수행하여야 한다. 그리고 주행 중 디스크 온도변화 측정 결과를 바탕으로 $100^{\circ}C,\;200^{\circ}C,\;300^{\circ}C$에서 얻은 제동디스크의 열전도도 시험결과는 온도가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 변화는 $100^{\circ}C\sim200^{\circ}C$ 사이에 변화가 가장 큰 것으로 나타났다.
This study investigates the temperature change and thermal conductivity for the braking disc of the railway vehicle due to the types of train and service conditions. The temperature change was measured by non-contact Infrared thermometers. Average temperature was measured between $79.32^{\circ}...
This study investigates the temperature change and thermal conductivity for the braking disc of the railway vehicle due to the types of train and service conditions. The temperature change was measured by non-contact Infrared thermometers. Average temperature was measured between $79.32^{\circ}C$ and $104.46^{\circ}C$ due to types of train and service section. In the same service section, the surface temperatures of Saemaul train were higher than Mugungwha train; the reason might have been the average service speed of Saemaul train (83km/h) was higher than Mugungwha train (107km/h), and the weight was similar 39t (Mugungwha) and 39.3t (Saemaul). But the maximum surface temperature was measured on the Mugungwha train; however the difference was not too big with the maximum temperature of Saemaul train. Also, the disc surface temperatures were changed due to the material of lining; metal and non-asbestos, on the same train and the same service section. In addition. the thermal conductivity was tested the thermal conductivities were increased by the increasing of the temperature. The change is too big between $100^{\circ}C$ and $200^{\circ}C$. But each average value is small. and the mechanical property change is very low. As a result, we conclude that this disc is suitable for usage between $100^{\circ}C$ and $300^{\circ}C$.
This study investigates the temperature change and thermal conductivity for the braking disc of the railway vehicle due to the types of train and service conditions. The temperature change was measured by non-contact Infrared thermometers. Average temperature was measured between $79.32^{\circ}C$ and $104.46^{\circ}C$ due to types of train and service section. In the same service section, the surface temperatures of Saemaul train were higher than Mugungwha train; the reason might have been the average service speed of Saemaul train (83km/h) was higher than Mugungwha train (107km/h), and the weight was similar 39t (Mugungwha) and 39.3t (Saemaul). But the maximum surface temperature was measured on the Mugungwha train; however the difference was not too big with the maximum temperature of Saemaul train. Also, the disc surface temperatures were changed due to the material of lining; metal and non-asbestos, on the same train and the same service section. In addition. the thermal conductivity was tested the thermal conductivities were increased by the increasing of the temperature. The change is too big between $100^{\circ}C$ and $200^{\circ}C$. But each average value is small. and the mechanical property change is very low. As a result, we conclude that this disc is suitable for usage between $100^{\circ}C$ and $300^{\circ}C$.
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문제 정의
따라서 다양한 온도에서 가동 중인 부품에 대한 정확한 온도분포를 파악하기 위해서는 실제 가동 온도 범위에서의 온도별 열전도도 측정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 상업운전 구간에서 실차 시험을 통해 열차 주행 및 제동시 발생하는 제동디스크 표면의 온도변화 프로파일을 측정하고 이를 통한 운행환경을 분석하였으며, 이 온도변화 분석 결과를 바탕으로 철도 차량 접촉 제동장치의 온도별 열전도도 측정시험을 수행하여 다양한 온도 조건에서의 디스크 소재의 열전도도를 확보하였다. 또한 온도변화 프로파일을 위한 실차 시험의 경우 추가로 제동디스크와 라이닝 조합에 따른 온도 변화도 측정하였다.
제동디스크와 라이닝 항상 조합으로 함께 사용하는 부품으로서 각각의 규격을 만족하는 디스크와 라이닝을 사용한 경우에도 사용 조합에 따라 제동디스크 표면 온도 프로파일 및 온도분포가 변화할 수 있으며, 이에 따라 예상치 못한 제동디스크 손상이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 제동디스크와 라이닝 조합에 따른 디스크 표면 온도 변화 프로파일도 측정하였다.
본 논문은 제동디스크의 주행중 온도변화를 측정하고 이에 따른 재료 특성을 확인하여 제동디스크의 신뢰성 확보의 기초 차원에서 연구를 수행하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이러한 열전도도 결과 등을 바탕으로 향후 디스크의 조직검사, 온도분포해석 등 추가적인 연구를 통해 제동디스크의 성능을 검증하고 이를 개선하는 연구를 진행하고자 한다.
제안 방법
온도 측정부에서 각각의 온도를 측정하여 식 (1)을 이용, 열전도도를 계산하였다. 각각의 시험편에 대하여 4회 시험하였고, 그 값을 평균하여 열전도도를 산출하였다.
Table 2, Table 4와 같이 실차시험에서 측정된 제동디스크 표면의 최고온도는 몇몇 경우(약 450℃ 등) 이외에는 주로 300℃ 이하이며, 평균온도는 약 100℃로 측정되었다. 따라서 시험 온도는 100℃, 200℃, 300℃까지 실험 온도범위를 결정하였다.
따라서 본 연구에서는 실제 상업운전 구간에서 실차 시험을 통해 열차 주행 및 제동시 발생하는 제동디스크 표면의 온도변화 프로파일을 측정하고 이를 통한 운행환경을 분석하였으며, 이 온도변화 분석 결과를 바탕으로 철도 차량 접촉 제동장치의 온도별 열전도도 측정시험을 수행하여 다양한 온도 조건에서의 디스크 소재의 열전도도를 확보하였다. 또한 온도변화 프로파일을 위한 실차 시험의 경우 추가로 제동디스크와 라이닝 조합에 따른 온도 변화도 측정하였다. 제동디스크와 라이닝 항상 조합으로 함께 사용하는 부품으로서 각각의 규격을 만족하는 디스크와 라이닝을 사용한 경우에도 사용 조합에 따라 제동디스크 표면 온도 프로파일 및 온도분포가 변화할 수 있으며, 이에 따라 예상치 못한 제동디스크 손상이 발생할 수 있다.
또한 제동디스크와 라이닝의 조합별 제동디스크 온도 변화를 측정하기 위하여 무궁화 호 객차를 이용해서 서울-부산 상, 하행 구간의 상업운전에 대하여 온도변화 측정 시험을 수행하였다. 이 시험의 경우 제동디스크와 라이닝 사이의 접촉면 온도를 측정하기 위하여 비접촉식 적외선 온도센서가 아닌 접촉식 온도센서를 제동디스크와 라이닝의 접촉면에 설치하였다.
먼저 비접촉식 적외선 온도 센서를 이용하여 열차종류별 제동디스크의 표면 온도변화를 측정하였다. 그 결과 새마을호 열차와 무궁화호 열차의 제동디스크의 온도변화는 Fig.
본 연구에서는 열차 주행시 제동디스크 온도변화 측정결과를 바탕으로 제동 디스크 재질에 대한 열전도도 시험 온도 조건을 결정하였다. Table 2, Table 4와 같이 실차시험에서 측정된 제동디스크 표면의 최고온도는 몇몇 경우(약 450℃ 등) 이외에는 주로 300℃ 이하이며, 평균온도는 약 100℃로 측정되었다.
실제 주행시 발생하는 제동디스크 표면의 온도변화를 측정하기 위해 Table 1과 같이 새마을호와 무궁화호에 대한 제동디스크 표면 온도변화 측정 시험을 수행하였으며, 각 측정은 실제 열차의 상업운전과 동일한 조건에서 수행되었다. 측정방법으로는 미국 레이텍(Raytek Corp.
측정방법으로는 미국 레이텍(Raytek Corp.)사의 비접촉식 적외선 온도센서 (Noncontact Infrared Thermometers) 인 Thermalert MID를 Fig. 1과 같이 새마을호와 무궁화호의 대차에 설치하여 초당 4회씩 제동디스크 표면을 스캔하여 실시간으로 온도변화를 측정하였다, 이때 비접촉식 적외선 온도센서의 재질 표면에 따른 조사율에 따른 온도보정을 위하여 실차 실험전에 다이나모 시험기를 통하여 동일한 제동디스크 재질에 대한 예비 실험을 수행하였다.
대상 데이터
이 시험의 경우 제동디스크와 라이닝 사이의 접촉면 온도를 측정하기 위하여 비접촉식 적외선 온도센서가 아닌 접촉식 온도센서를 제동디스크와 라이닝의 접촉면에 설치하였다. 시험 대상은 Y사에서 제작한 제동디스크와 철계, 비석면계 라이닝 2 종류를 사용하였다.
시험은 GC250~300수준 편상흑연주철재질(이후 주철 재질)의 12공(hole) 형상 제동디스크를 사용하였다. 시험편의 경우에는 제동시 제동디스크 단면의 방향성을 고려하여 제동디스크의 원주방향으로 시편을 제취하여 가공하였다.
시험편의 경우에는 제동시 제동디스크 단면의 방향성을 고려하여 제동디스크의 원주방향으로 시편을 제취하여 가공하였다.
이론/모형
시험방법은 ASTM E1225 시험규격에 따라 Fig. 8과 같이 시험편 및 시험 시스템을 제작하여 수행하였다. 이때, 시험편은 측정 온도에 도달한 뒤, 시험편의 각 센서로부터 출력되는 온도가 일정하게 유지되도록 1시간 ~ 1시간 30분 정도 정상 상태를 유지하였斗.
열전도도 시험은 제동디스크 표면의 온도변화 측정시험 결과를 고려하여 100℃, 200℃, 300℃에서 수행하였으며, 시험방법은 ASTM E1225[4] 규격에 따라 수행하였다.
성능/효과
(1) 열차별 제동디스크 온도변화를 측정한 결과, 동일 구간에 대해서도 제동디스크 표면의 온도변화는 평균 및 최고 온도 모두 열차별로 상이한 것을 알 수 있다.
(2) 또한 동일 구간 동일 차량을 이용하여 제동디스크와 라이닝의 조합에 의한 온도변화를 측정한 결과, 규격을 만족하는 표준 제품이라 하더라고 사용 조합에 따라 표면의 온도 변화가 달라지는 것을 확인했으며, 따라서 제동디스크와 라이닝을 선택할 때는 반드시 이를 고려한 영향을 평가를 수행하여야 한다.
(3) 주행 중 디스크 온도변화 측정결과를 바탕으로 100℃, 200℃, 300℃에서 얻은 제동디스크의 열전도도 시험결과는 온도가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 변화는 100℃ 에서 200℃ 사이에 변화가 가장 큰 것으로 나타났다.
준비하였다. 비교 시험결과 제동디스크 평균온도에 있어 제동디스크와 라이닝의 종류별 조합에 따라서 차이가 있음을 확인하였다. Table 4에서와 같이 서울-부산구간 상, 하행선 모두에서 철계 라이닝을 사용한 조합의 경우가 비석면계 라이닝을 사용한 경우에 비해 평균온도에서 약 20℃ 정도 높은 것으로 확인되었다.
Table 5와 같다. 제동디스크의 열전도도는 온도가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 변화는 W0℃ 에서 200℃ 사이에 변화가 가장 큰 것으로 나타났다. 하지만 전체적인 값에서 온도에 따른 열전도도는 유사하며, 앞서 실험한 제동디스크의 실차 온도측정결과를 바탕으로 할 때, 현재 새마을호와 무궁화호 열차에 사용하는 제동디스크의 경우에는 주 사용온도구간, 특히 200℃ 에서 300℃ 사이에서 제동디스크의 물성 변화는 매우 적은 것을 알 수 있다.
제동디스크의 열전도도는 온도가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 변화는 W0℃ 에서 200℃ 사이에 변화가 가장 큰 것으로 나타났다. 하지만 전체적인 값에서 온도에 따른 열전도도는 유사하며, 앞서 실험한 제동디스크의 실차 온도측정결과를 바탕으로 할 때, 현재 새마을호와 무궁화호 열차에 사용하는 제동디스크의 경우에는 주 사용온도구간, 특히 200℃ 에서 300℃ 사이에서 제동디스크의 물성 변화는 매우 적은 것을 알 수 있다. 따라서 현재 사용중인 제동디스크 재질은 제동디스크 재질의 주요 요구 조건인 열전도 특성이 초기 물성과 동일하게 잘 유지되고 있는 것으로 판단된다.
후속연구
이때 발생된 열로 인해 온도상승에 따른 디스크 재질의 변화와 열응력 집중으로 인한 피로손상이 발생하여 디스크 표면의 균열 생성에 커다란 영향을 주게 된다. 따라서 균열 발생 방지 등 제동디스크의 신뢰성을 확보하기 위해서는 실제 열차 주행 및 제동시 발생하는 온도변화에 대한 정확한 연구와 이를 바탕으로 그러한 온도 조건에서의 제동디스크 재질의 신뢰성을 평가하는 연구가 수행되어야 한다. 하지만 국내는 아직 이러한 연구가 미비한 실정이다[1-3].
Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded- Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique, ASTM E1225
김낙수, 임용택, 진종태 공역, 공업재료 가공학, 반도출판사, 1993
Anderson, Fracture Mechanics 2nd, CRC, 1995
A. Fissolo, C. Robertson & V. Maillot, Prediction of crack initiation and growth under thermal fatigue, Thermomechanical Fatigue and Fracture, WIT press, 2002, pp.67-103
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