[논문]집전장치용 동계 주습판의 마모현상에 관한 실험적 연구

김경섭

doi:10.7782/jksr.2012.15.3.224

집전장치용 동계 주습판의 마모현상에 관한 실험적 연구
A Experimental Study on Wearing Phenomenon of Cu-type Wearing Slider for the Rail Motor Car's Pantograph 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.3 = no.70, 2012년, pp.224 - 230

김경섭 (서울메트로 창동차량사업소)

초록
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전동차의 집전장치용 주습판은 형태와 재질에 따라 마모현상에 상당한 차이가 있으며 특히, 강수량에 따른 이상마모, 아크에의한 급격한 이상마모는 전차선과 주습판의 수명을 결정하는 주요인자로 작용한다. 본 연구는 현차 실험을 통하여 우수한 전기전도도 및 내아크성을 가진 동계주습판의 마모현상을 정상마모 특성이 관찰된 동계주습판과 우천 시 국부적으로 이상마모 특성이 관찰된 동계주습판에 대하여 강수량, 주행거리 및 주습판의 교환 후 중량을 상호 비교하여 분석하였다. 트라이볼로지적 접근을 통하여 내마모성 등이 우수한 철계습판체의 적용 필요성을 본 실험적 연구를 통하여 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wearing slider of the rail motor car's pantograph is considerable changed by the type and the material properties. Especially, precipitation and arc influences are main factors decided to life time of wearing slider and contact wire. This study is wearing phenomenon analysis of Cu-type wearing slider with high electric conductivity and resistance arc through experiment by running train. Author observed that wearing phenomenon of Cu-type wearing slider with normal and abnormal wearing characteristics and comparatively analysis precipitation, mileage and weight influences of exchanged Cutype and Fe-type wearing sliders. In this paper result showed that necessity for the application which is the Fe-type of wearing slider had superior wear resisting capacity etc., through tribology approach.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 동계 주습판의 문제점을 극복하고 경제적 효율성과 운행 안전성을 확보하기 위하여 서울메트로 4호선 454편성과 459편성이 5개월간 본선을 주행한 거리, 강수량, 부착 및 교환날짜, 교환한 주습판의 윗수와 중량을 종합적으로 파악하여, 교환 시에 나온 주습판의 마모 특성을 분석하였으며, 내마모성, 전기전도도, 내아크성, 윤활성[4]이 우수한 이종 주습판에 대한 적용의 필요성에 따라서 동계와 철계주습판을 비교하여 실험하였다.
본 연구는 서울메트로 4호선에서 현재 사용하고 있는 동계 주습판이 강수에 매우 취약한 이상마모를 보이고 있으며특히, 장마기간에는 운행안전성을 크게 방해하는 원인이 된다. 이런 이유로 현재 운행하고 있는 4호선 454편성의 동계주습판과 459편성의 철계주습판이 5개월간 주행한 거리, 강수량, 부착 및 교환한 윗수, 중량 등의 관찰을 통한 그 영향의 정도를 분석하여 현재 사용되고 있는 동계주습판의 단점을 극복하고 효율성과 운행안전성을 함께 확보할 수 있는주습판의 적용 필요성을 제시하고자 하였다. 실험결과에 의하면

제안 방법

따라서 기상조건인 강수에 따른 주습판의 마모를 어떤 형태로 제어할 수 있는가 없는가가 중요한 실험변수이다. 실험에 사용된 주습판은 서울메트로 표준규격서[5]에서 제시한 Table 1 및 Table 2와 같이 화학적 조성과 기계적특성이 적합하도록 제작하여 한국건설생활환경시험원에 시험을 의뢰하여 KS기준에 따른 화학적 시험을 실시한다. 그 시험성적서의 결과를 Table 3에 나타내었는데, Table 1의 표준규격서의 함유량에 적합하였다.
중량의 비교는 정상마모와 이상마모 시의 마모량에 따른중량분 만큼의 경제적 손실이 발생하기 때문에 이상마모에의한 손실이 어느 정도 인가를 관찰하였다.

대상 데이터

또한, Table 4는 Table 2에 제시한 서울메트로 표준규격서에 적합한지 여부를 KS기준에 따른 물리적 시험을 나타내었는데, 시험은 보통 샘플을 3~6개 채취하여 각각의 시험을 실시하며 평균치를 취하는 방법에 의하여 시험성적서[5]를 제출하는데 그 기계적 특성값이 Table 2의 규격과 적합하여 현장에서 실제로 사용하고 있는 주습판을 대상으로 실험하였다. 동계주습판은 Table 5와 같이 2011년 3월 2일부터 7월 11일까지 서울메트로 4호선 전동차인 454편성에서 습판체 교환에 따른 유지보수 과정에서 교환된 주습판을 정상마모 형태를 갖는 주습판 10개(1~10)와 이상마모 형태를 갖는 주습판 10개(A~J)를 실험대상으로 하였으며, 철계주습판은 2011년 6월 15일부터 9월 6일까지 운행한 459편성으로 같은 실험을 수행하였으며, 교환한 날짜와 교환된 윗수를 기록하였고, 교환된 주습판의 부착날짜와 그 기간 동안의 총 주행거리는 서울메트로에서 사용하는 차량분야 정보화시스템(RIMS)의 기록을 이용하였고, 강수량은 기상청의 자료를 기초로 하였으며, 주습판의 마모된 질량변화는 전자저울을 이용하여 측정하였다.
동계주습판의 사용 전 중량은 560g이며, 철계주습판의 사용 전 중량은 600g이다. 탈착 후의 무게를 전자저울로 측정하여 그 중량을 제외한 나머지 중량이 전차선과의 마찰운동에 의해 소비된 마모량이다.
그 시험성적서의 결과를 Table 3에 나타내었는데, Table 1의 표준규격서의 함유량에 적합하였다. 또한, Table 4는 Table 2에 제시한 서울메트로 표준규격서에 적합한지 여부를 KS기준에 따른 물리적 시험을 나타내었는데, 시험은 보통 샘플을 3~6개 채취하여 각각의 시험을 실시하며 평균치를 취하는 방법에 의하여 시험성적서[5]를 제출하는데 그 기계적 특성값이 Table 2의 규격과 적합하여 현장에서 실제로 사용하고 있는 주습판을 대상으로 실험하였다. 동계주습판은 Table 5와 같이 2011년 3월 2일부터 7월 11일까지 서울메트로 4호선 전동차인 454편성에서 습판체 교환에 따른 유지보수 과정에서 교환된 주습판을 정상마모 형태를 갖는 주습판 10개(1~10)와 이상마모 형태를 갖는 주습판 10개(A~J)를 실험대상으로 하였으며, 철계주습판은 2011년 6월 15일부터 9월 6일까지 운행한 459편성으로 같은 실험을 수행하였으며, 교환한 날짜와 교환된 윗수를 기록하였고, 교환된 주습판의 부착날짜와 그 기간 동안의 총 주행거리는 서울메트로에서 사용하는 차량분야 정보화시스템(RIMS)의 기록을 이용하였고, 강수량은 기상청의 자료를 기초로 하였으며, 주습판의 마모된 질량변화는 전자저울을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

(1) 동계주습판에서 이상마모가 관찰된 주습판은 10mm 이상의 강수 시에 나타났으며, 30~50mm 지점에서 깊은 홈을지속적으로 파고 들어가는 국부적인 이상마모가 진행되었고,정상마모에 비하여 마모량이 최대 62.8%가 많았다. 주행거리는 정상마모에 비해 0.
(2) 철계주습판은 현차에 약 80일간 부착되어 1,600mm의강수에도 약 40,000km를 주행하였고, 마찰면이 균질한 정상마모 형태를 보였다. 마모량은 동계주습판의 정상마모에비해 55%에 불과하였고, 67%의 주행성능 향상을 보여 우수한 트라이볼로지적 특성이 관찰되었다.
(3) 마찰마모특성이 우수하게 관찰된 철계주습판이 전차선과의 마모가 원활히 진행되는가를 판명하여 현장에 도입하게 된다면 효율적이고 주행안전성을 확보하는데 유리할 것으로 판단된다.
(2) 철계주습판은 현차에 약 80일간 부착되어 1,600mm의강수에도 약 40,000km를 주행하였고, 마찰면이 균질한 정상마모 형태를 보였다. 마모량은 동계주습판의 정상마모에비해 55%에 불과하였고, 67%의 주행성능 향상을 보여 우수한 트라이볼로지적 특성이 관찰되었다.
E번은 동년 7월6일~7월11일까지 5일간 104mm의 강수영향을 받고 이상마모 현상이 발생했다. 실험을 통하여 10mm미만의 소량의 강수는 주습판의 이상마모를 비교적 발생하지 않지만, 그 이상의 폭우에는 이상마모를 급격히 발생시키는 것을 관찰하였다.
이것을 주행거리로 나누면 다음과 같이 편차특성을 지닌 도표로 나타나는데, 정상마모는 이상마모에 비해 마모량이 현저히 적다는 것을 관찰할 수 있다. 이상의 결과를 통하여 짧은 기간에 집중적인 강수를 보이는 장마철에동계주습판은 급격한 이상마모를 발생시켜 주행거리를 단축시키게 되며, 장거리 운행에 있어서 주행안전성을 방해하는요인으로 작용할 수 있다. 철계주습판은 1600mm의 강수에도 불구하고 약 40,000km 이상을 주행하였으며, 주습판의부착 전과 탈착 후의 마모면이 균일한 형태를 취하였는데,고속 및 고감속도에서 주행속도가 증가함에 따라 마찰계면의 온도가 상승하는데, 이때 윤활효과가 극대화되어서 급격히 마찰계수가 감소한 것으로 보인다[7].
5mm임에도 불구하고 정상마모가 관찰되었다. 주습판을교환한 4월 14일부터 5월 6일까지 23일간은 강수가 없었고, 5월7일~6월24일까지 49일간은 강수량이 24.5mm였으나, 10mm내외의 소량의 강수에 노출된 결과 지속적으로 정상마모를 할 수 있었고, 6월 25일, 37mm의 강수가 집중되자마모한도에 도달한 것이다. 정상마모가 관찰된 나머지 주습판은 5.
5mm의 강수량에서 6,207Km를 주행한 것으로 나타났는데, 다른 동계주습판의 마모특성을 현저히 벗어난 이례적인 현상으로 이것은 강수에 따른 이상마모 현상이라고 보기 어렵고 재질의 불량과 판토그래프와 가선의 이선현상에 따른 아크의 발생이 주습판을 교환하게 만든 원인이라고 볼 수 있다[8]. 철계주습판의 마모량은평균 147g이었는데, 마찰면이 고른 정상마모를 나타내었고, 1600mm의 강수량에도 불구하고 16,000Km의 주행성능을 보여 동계주습판과 비교하여 우수한 마모특성이 관찰되었다.

후속연구

철계주습판은 강수의 집중에도 불구하고 내마모성, 주행성능, 윤활성능 및 내아크성이 우수하고 전기전도도 역시양호한 장점이 있으나, 전차선과의 마모가 원만히 진행되는가를 살펴 볼 필요가 있다. Sn이 주성분인 철계주습판이 전차선과의 마찰마모를 통하여 우수한 트라이볼로지적 특성이판명된다면 운행안전성과 효율성을 확보할 것이라고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한 개의 판토그래프는 어떻게 구성되어 있는가?	5MPa의 압상력을 받아서 가선과 접촉할 수 있도록 설계 되었다. 한 개의판토그래프는 2개의 동계주습판과 고체윤활제인 보조습판체가 대칭을 이루어 2조씩 구성되어 있는데 평상 시에는 고체윤활제와 주습판은 유막을 잘 형성하면서 가선과 원만한마찰운동을 통하여 전력을 공급받게 되며, 가선과의 직선 마찰운동을 통하여 주습판은 마모가 진행되는데 마모량은 주행속도, 압상력, 가선전류 및 기상조건에 따라 주습판의 마모량이 변화된다[1]. 서울메트로 4호선에서 사용되는 동계주습판은 비와 눈에 의하여 가선에 형성된 윤활성분이 손실되어 마찰계수가 증가되고 수분에 함유된 산소에 의해 주습판의 주성분인 Cu성분을 산화시켜 마모가 촉진되는 단점이있다[2].
	서울메트로 4호선에서 사용되는 동계주습판에는 어떤 단점이 있는가?	한 개의판토그래프는 2개의 동계주습판과 고체윤활제인 보조습판체가 대칭을 이루어 2조씩 구성되어 있는데 평상 시에는 고체윤활제와 주습판은 유막을 잘 형성하면서 가선과 원만한마찰운동을 통하여 전력을 공급받게 되며, 가선과의 직선 마찰운동을 통하여 주습판은 마모가 진행되는데 마모량은 주행속도, 압상력, 가선전류 및 기상조건에 따라 주습판의 마모량이 변화된다[1]. 서울메트로 4호선에서 사용되는 동계주습판은 비와 눈에 의하여 가선에 형성된 윤활성분이 손실되어 마찰계수가 증가되고 수분에 함유된 산소에 의해 주습판의 주성분인 Cu성분을 산화시켜 마모가 촉진되는 단점이있다[2]. 특히 장마철인 6월과 7월에는 주습판의 이상마모에 의하여 정상적인 교환주기를 채우지도 못하고 교환해 주는 비효율적인 현상이 반복적으로 발생하고 있다.
	전동차의 집전장치(pantograph)는 어떻게 설계 되었는가?	전동차의 집전장치(pantograph)는 가선과 접촉하면서 지속적으로 전원을 공급받도록 되어 있으며 공급받은 전원으로전동차는 구동할 수 있다. 이 장치는 전동차의 지붕 상부에설치되어 있으며 전동차에서 만들어진 약 0.5MPa의 압상력을 받아서 가선과 접촉할 수 있도록 설계 되었다. 한 개의판토그래프는 2개의 동계주습판과 고체윤활제인 보조습판체가 대칭을 이루어 2조씩 구성되어 있는데 평상 시에는 고체윤활제와 주습판은 유막을 잘 형성하면서 가선과 원만한마찰운동을 통하여 전력을 공급받게 되며, 가선과의 직선 마찰운동을 통하여 주습판은 마모가 진행되는데 마모량은 주행속도, 압상력, 가선전류 및 기상조건에 따라 주습판의 마모량이 변화된다[1].

참고문헌 (8)

H.W. Oh (2002) A study on measurement and analysis for pantograph slider wearing of electric multiple unit, Thesis for master's degree, Seoul National University of Technology, Seoul, Korea.
J.D. Chung, S.Y. Han, W.K. Kim, S.G. Lee et al. (2002) An evaluation on a wearing test for EMU's pantoshoes, Spring Conference of Korean Society for Railway, pp. 417-422.
J.M. Lee (2002) The development and transition on wearing slider of shinkansen pantograph, Railroad Rolling Stocks Technology, 28(3), pp. 100-105.
Y.G. Kim, S.J. Kwon, S.T. Won, H.S. Lee (2010) A study on the wearing phenomenon analysis of pantograph slider for the subway cars, Journal of the Korean Society for Railway, 13(4), pp. 389-395.
The standard specification of cu-type main wearing slider (2006) Seoulmetro, Electric rail car-2244-06.
T.S. Moon, B.P. Seo, J.H. Choi, D.C. Han (2003) The research on wear simulation between wheel and rail at inclined of Korea High Speed Railway, Fall Conference of Korean Society of Tribologist and Lubrication Engineers, pp. 112-117.
H.H. Kim (2010) The study on the effect on friction characteristics of brake pads, Thesis for master's degree, Kyungpook National University.
Y.G. Kim (2007) A study on the wearing phenomenon analysis of pantograph slider for the subway cars, Thesis for master's degree, Seoul National University of Technology, Seoul, Korea

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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