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문제 정의
- 여러 차례 답면제동장치의 구조개선과 현차시험을 수행하여 제륜자 고리의 탈락은 방지할 수 있었으나 마찰재의 균열저감은 만족할만한 수준이 되지 못하였다. 마찰재의 근본적인 개선 없이는 제륜자의 균열, 탈락을 방지할 수 없다는 결론에 도달하여 아래와 같이 새로운 마찰재 개발을 시도하였다.
제안 방법
- 표면복제 시, 연마의 초기엔 산화피막을 연삭한 후 점차 미세한 연마지를 사용하여 연마하였으며, 최종 연마시에는 6 µm와 1 µm의 다이아몬드연마제를 사용하였다. 2% 나이탈(Nital)을 사용하여 부식시킨 후 셀룰로우즈 아세테이트 필름을 사용하여 미세조직을 복제하였다. 최적조건을 얻기 위하여 각 부위에서 부식 수준을 달리하여 3종의 래플리카를 얻었다.
- Fig. 3과 같은 기존품 제륜자 형상을 Fig. 4와 같이 중앙부에 V형 홈이 있는 형상으로 변경하였으며, 보강판의 두께는 3mm에서 4.5mm로 1.5mm 증대시켰고, 제륜자 고리는 3.1 절에서 검토한 구조로 보강판 속으로 들어가 결합되는 구조로 하여 보강판의 균열을 방지할 수 있도록 하였다. 제륜자의 마찰재 재료는 합성수지, 환원철분, 윤활재, 파이버, 무기물 분말, 유기물 분말 등으로 구성되며 각 성분의 함유 량을 조정하여 경도, 강도, 마찰계수 등을 조절하였다.
- Table 3에서 심각도, 발생빈도 및 검출 도는 절대적인 것이 아니고 해석 대상에 따라 해당분야의 전문가들이 적절히 분류하여 사용할 수 있다. Table 3의 분류 기준을 적용하여 답면제동장치를 구성하는 각 부품의 고장 유형과, 원인, 고장의 영향, 치명도에 대해 Table 2와 같이 FMECA 분석을 하였다. 구성품 중 제륜자의 고장이 치명도 평점 6.
- 고속철도 KTX동력차 답면제동장치의 제륜자가 비정상적인 균열에 의하여 교환되는 수량이 많아 그 문제점을 분석 하고 해결방안을 제시하였으며 최종적으로 다이나모 시험과 현차시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 제륜자의 탈락원인은 제륜자의 균열, 제륜자 고리가 절손되면서 탈락되는 것이 대부분으로 파악되었으며 이는 열차 운행 중 차량-선로간 진동으로 차륜답면과 제륜자 간에 빈번한 접촉으로 충격하중이 제륜자에 작용되어 균열이 발생한 것으로 추정되어 제륜자의 비디오 모니터링 결과 일부 구간에서 제륜자 끝단과 차륜간에 서스펜션 동작 및 진동으로 접촉현상이 발생하고 있음을 확인하였으나 마찰재의 특성상 스치는 정도의 접촉으로 표면의 박리를 유발할 수 있으나 충격의 가능성은 낮은 것으로 판단되었으며, 30km/h 이하의 속도에서는 비상제동 시 제륜자와 차륜 간에 충격이 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한 제동작용 시 발생하는 수직력은 마찰재에 압축응력으로 작용하나, 차륜이 회전 중일 때는 마찰계수와 수직력에 의해 마찰력이 작용하여 마찰재의 표면에 발생하는 인장 및 압축응력, 제동열에 의해 피로균열이 발생되는 것으로 판단되었으며, 차륜과 제륜자 사이에 마찰력 발생시 상대적으로 제륜자 고리부에 전단력이 작용되어 제륜자 고리가 절손되는 것으로 판단되어 제륜자 고리의 개선연구와 현차시험을 시행하였다.
- 최적조건을 얻기 위하여 각 부위에서 부식 수준을 달리하여 3종의 래플리카를 얻었다. 래플리카는 대비를 좋게 하기 위하여 금으로 진공 스퍼터 코팅한 후, 실험실에서 광학 현미경으로 400배의 배율로 관찰하였다.
- 본 연구에서는 KTX 개통 이후 제륜자 균열현상 데이터를 기반으로 하여 제륜자의 사용수명을 평가하고 FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)를 통하여 고장 모드를 분석하고 몇 가지 개선책을 제시하여 실험을 실시하고 각 개선책의 효과를 검증하였다.
- 본 연구에서는 표면복제법을 적용하여 공격성을 평가하였다. 우선 기존품 제륜자와 개발품 2종에 대한 상대재 차륜 3개를 확보하고 다이나모 성능시험 전 차륜 표면의 4곳을 지정하여 자분탐상 비파괴검사(MT: Magnetic Particle Testing)를 실시하여 결함이 없음을 확인하였다. 다이나모 실험 후 관찰부위 4곳에서 조직검사를 하였다.
- 제륜자 고리 두께를 Table 4 및 Fig. 2와 같이 기존제품 보다 두께는 1mm, 높이는 2mm 더 크게 하여 강도를 보강 하고 제륜자 고리 조립방법을 기존의 단순 용접구조에서 제륜자 고리를 보강판 밑으로 넣어 견고히 용접하는 구조로 개선하여 제륜자 홀더와 유동 간격 없이 장착되도록 하였다.
- 1 절에서 검토한 구조로 보강판 속으로 들어가 결합되는 구조로 하여 보강판의 균열을 방지할 수 있도록 하였다. 제륜자의 마찰재 재료는 합성수지, 환원철분, 윤활재, 파이버, 무기물 분말, 유기물 분말 등으로 구성되며 각 성분의 함유 량을 조정하여 경도, 강도, 마찰계수 등을 조절하였다. Table 5는 기존품과 개발품의 특성치이며 Fig.
- 개발품(12개)과 개발품 A(6개), B(6개)를 영업차량에 장착 하여 약 230,000km 운행시험을 실시하였다. 제륜자의 상태, 탈부착 상태, 마모량, 균열발생 여부 등을 점검하였다. 기존품 제륜자의 경우 12개 개발품 중 10(83.
- 2% 나이탈(Nital)을 사용하여 부식시킨 후 셀룰로우즈 아세테이트 필름을 사용하여 미세조직을 복제하였다. 최적조건을 얻기 위하여 각 부위에서 부식 수준을 달리하여 3종의 래플리카를 얻었다. 래플리카는 대비를 좋게 하기 위하여 금으로 진공 스퍼터 코팅한 후, 실험실에서 광학 현미경으로 400배의 배율로 관찰하였다.
- 표면복제 시, 연마의 초기엔 산화피막을 연삭한 후 점차 미세한 연마지를 사용하여 연마하였으며, 최종 연마시에는 6 µm와 1 µm의 다이아몬드연마제를 사용하였다.
대상 데이터
- 개발품(12개)과 개발품 A(6개), B(6개)를 영업차량에 장착 하여 약 230,000km 운행시험을 실시하였다. 제륜자의 상태, 탈부착 상태, 마모량, 균열발생 여부 등을 점검하였다.
- 우선 기존품 제륜자와 개발품 2종에 대한 상대재 차륜 3개를 확보하고 다이나모 성능시험 전 차륜 표면의 4곳을 지정하여 자분탐상 비파괴검사(MT: Magnetic Particle Testing)를 실시하여 결함이 없음을 확인하였다. 다이나모 실험 후 관찰부위 4곳에서 조직검사를 하였다. 표면복제 시, 연마의 초기엔 산화피막을 연삭한 후 점차 미세한 연마지를 사용하여 연마하였으며, 최종 연마시에는 6 µm와 1 µm의 다이아몬드연마제를 사용하였다.
- 이 시험기를 이용하여 기존품과 개발품 A, B의 마찰계수를 측정하였다. 상대재인 차륜은 KTX용 차륜 이다. Fig.
이론/모형
- 마찰재가 마찰계수와 마모량에 대한 기준을 만족하여도 차륜에 손상을 주거나 열 균열을 발생시키면 사용할 수 없으므로 차륜에 대한 공격성은 주요한 평가항목의 하나이다. 본 연구에서는 표면복제법을 적용하여 공격성을 평가하였다. 우선 기존품 제륜자와 개발품 2종에 대한 상대재 차륜 3개를 확보하고 다이나모 성능시험 전 차륜 표면의 4곳을 지정하여 자분탐상 비파괴검사(MT: Magnetic Particle Testing)를 실시하여 결함이 없음을 확인하였다.
성능/효과
- (1) 답면제동장치의 FMECA 분석 결과 제륜자 및 제륜자 홀더의 고장이 열차 운행에 가장 치명적이었으며 제륜자 홀더의 고장은 주로 제륜자 마찰재의 균열에 의한 제륜자의 탈락으로 발생하므로 답면제동장치의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 제륜자 마찰재의 균열, 탈락을 방지해야 함을 알 수 있었다.
- (2) 제륜자 고리부에 보강판을 삽입하고 보강판과 용접하여 현차시험을 한 결과 제륜자 고리의 탈락현상이 줄어들었으나 마찰재의 균열발생은 줄어들지 않았다.
- (3) 제륜자 마찰재조성을 변경하여 개발한 소재는 현차 시험 23만km를 주행할 때까지 마찰재의 균열이나 제륜자 고리의 탈락 현상은 없었다.
- 6개월 동안의 현차시험 결과 제륜자 고리 탈락 및 제륜자 고리의 균열발생은 없었다. 그러나 개발품 40개 중 33개의 제륜자 마찰재에서 균열(82.
- 11, 12는 관찰점 3, 4에서 400배 확대한 사진으로 망상형으로 보이는 부위는 페라이트이고, 기지는펄라이트이다. 개발품 제륜자 A의 상대재인 차륜에서 실시된 각 관찰부의 검사결과, 일부 마르텐사이트 변태된 금속조직이 관찰되었으며, 소성변형이 일어난 조직을 나타내고 있고 각각의 표본을 관찰한 결과 Fig. 13, 14에서 보는 바와 같이 관찰부위 1과 3에서 그물망 형태의 균열이 관찰되었다.
- 정상마모에 의한 교환수명은 53만km 정도이다. 교체내역을 분석한 결과 고속주행 중 제륜자의 탈락으로 제륜자 홀더 (holder)가 차륜에 직접 접촉되면서 마모 열화되어 교체한 것이 22건으로 가장 많았으며 그 외 공기 실린더의 고무실의 노후 경화, 제륜자 홀더 행거의 링크 부싱 마모, 기능불량 및 기타 외부 타격에 의한 고장으로 분석되었다.
- 69로 가장 높아 제륜자에 관한 설비개선 또는 구조 변경이 가장 시급한 것을 알 수 있다. 그리고 제동실린더, 자동간격조정장치, 스프링류, 제동기어 등 링크류는 치명도 3등급으로 나타났으며 치명도 3등급 중 브레이크 제륜자 홀더는 치명도 평점 3.91로 동일 치명도 등급 중 다소 높게 나타났다. 답면제동장치 FMECA에서 보듯이 답면제동장치의 고장을 저감시키기 위해서는 제륜자와 홀더를 개선하여야만 답면제동장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 제륜자의 상태, 탈부착 상태, 마모량, 균열발생 여부 등을 점검하였다. 기존품 제륜자의 경우 12개 개발품 중 10(83.3%)개에서 고리 탈락, 마찰재 균열현상이 나타났으며, 개발품 A의 경우 6개중 1개(16.7%)의 고리가 탈락되었으며 개발품 B의 경우 모두양호 하였다. 상대재인 차륜에서 자분탐상으로 결함유무를 조사한 결과 기존품과 개발품 공히 약 76,000Km 주행 시 미세한 균열이 발견되었으나 234,000km까지 주행하여도 더 이상의 균열진전이 없어 마찰재의 차륜에 대한 공격성은 기존품이나 개발품 모두 유사한 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 기존품 제륜자의 상대재인 차륜에서 실시한 검사 결과, 일부 영역에서 마르텐사이트로 변태된 금속조직이 관찰되었으며, 소성변형이 일어난 조직을 보이고 있으나 균열은 발견할 수 없었다. Fig.
- 91로 동일 치명도 등급 중 다소 높게 나타났다. 답면제동장치 FMECA에서 보듯이 답면제동장치의 고장을 저감시키기 위해서는 제륜자와 홀더를 개선하여야만 답면제동장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 제륜자의 탈락원인은 제륜자의 균열, 제륜자 고리가 절손되면서 탈락되는 것이 대부분으로 파악되었으며 이는 열차 운행 중 차량-선로간 진동으로 차륜답면과 제륜자 간에 빈번한 접촉으로 충격하중이 제륜자에 작용되어 균열이 발생한 것으로 추정되어 제륜자의 비디오 모니터링 결과 일부 구간에서 제륜자 끝단과 차륜간에 서스펜션 동작 및 진동으로 접촉현상이 발생하고 있음을 확인하였으나 마찰재의 특성상 스치는 정도의 접촉으로 표면의 박리를 유발할 수 있으나 충격의 가능성은 낮은 것으로 판단되었으며, 30km/h 이하의 속도에서는 비상제동 시 제륜자와 차륜 간에 충격이 발생할 수 있음을 확인하였다.
- 7%)의 고리가 탈락되었으며 개발품 B의 경우 모두양호 하였다. 상대재인 차륜에서 자분탐상으로 결함유무를 조사한 결과 기존품과 개발품 공히 약 76,000Km 주행 시 미세한 균열이 발견되었으나 234,000km까지 주행하여도 더 이상의 균열진전이 없어 마찰재의 차륜에 대한 공격성은 기존품이나 개발품 모두 유사한 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 답면제동장치 FMECA에서 보듯이 답면제동장치의 고장을 저감시키기 위해서는 제륜자와 홀더를 개선하여야만 답면제동장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 제륜자의 탈락원인은 제륜자의 균열, 제륜자 고리가 절손되면서 탈락되는 것이 대부분으로 파악되었으며 이는 열차 운행 중 차량-선로간 진동으로 차륜답면과 제륜자 간에 빈번한 접촉으로 충격하중이 제륜자에 작용되어 균열이 발생한 것으로 추정되어 제륜자의 비디오 모니터링 결과 일부 구간에서 제륜자 끝단과 차륜간에 서스펜션 동작 및 진동으로 접촉현상이 발생하고 있음을 확인하였으나 마찰재의 특성상 스치는 정도의 접촉으로 표면의 박리를 유발할 수 있으나 충격의 가능성은 낮은 것으로 판단되었으며, 30km/h 이하의 속도에서는 비상제동 시 제륜자와 차륜 간에 충격이 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한 제동작용 시 발생하는 수직력은 마찰재에 압축응력으로 작용하나, 차륜이 회전 중일 때는 마찰계수와 수직력에 의해 마찰력이 작용하여 마찰재의 표면에 발생하는 인장 및 압축응력, 제동열에 의해 피로균열이 발생되는 것으로 판단되었으며, 차륜과 제륜자 사이에 마찰력 발생시 상대적으로 제륜자 고리부에 전단력이 작용되어 제륜자 고리가 절손되는 것으로 판단되어 제륜자 고리의 개선연구와 현차시험을 시행하였다.
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