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문제 정의
- (2) 이를 통해 실제 철도차량의 휠/레일 접촉면 크기 대 입자 크기의 비를 기준으로 실험에 사용할 입자의 크기를 선정할 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 세라믹 재료인 알루미나 입자를 사용하여 다양한 크기의 입자와 온도 조건에 따른 주철 재료의 마찰/마모 특성에 대해 고찰하였다.
제안 방법
- 또한, Table 2 와 같이 다양한 입자분포를 가지는 모래 입자에 대한 실험도 진행하였다. 다음으로, 주철 시편과 스틸 볼 사이의 마찰/마모 특성에 대한 온도의 영향을 파악하기 위해 동일한 조건에서 시편에 가해주는 온도만 변화를 주며 실험을 진행하였다. 철도차량과 같은 대형 수송 기계에서 제동 능력을 확보하기 위해 입자를 주입하기도 하는데, 이때, 디스크 브레이크와 같은 제동 장치에서 마찰에 의해 높은 열이 발생한다.
- 본 연구에서는 다양한 조건 하에서의 실험을 통해 주철 시편의 트라이볼로지적 특성을 고찰하였다. 실험 결과를 통해 마찰 계수와 마모량은 주입해준 알루미나 입자의 크기에 따라 변하는 양상임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 우선 상온에서의 주철 시편과 스틸 볼간의 마찰/마모 특성을 파악하였다. 여러 크기의 입자가 섞인 모래를 주입한 경우와 일정한 크기의 알루미나 입자를 입자 크기별로 주입한 경우에 대한 마찰/마모 특성을 분석하였다.
- 이에 따라 사용할 입자의 크기도 같은 비율로 줄어들었다. 서론에서 언급한 선행연구들에서 정한 표준 크기보다 더 크거나 작은 입자에 대한 영향을 비교해 보기 위해 0.05, 1, 20, 50 µm 등 다양한 크기의 입자들을 사용하였다. 또한, Table 2 와 같이 다양한 입자분포를 가지는 모래 입자에 대한 실험도 진행하였다.
- 본 연구에서는 우선 상온에서의 주철 시편과 스틸 볼간의 마찰/마모 특성을 파악하였다. 여러 크기의 입자가 섞인 모래를 주입한 경우와 일정한 크기의 알루미나 입자를 입자 크기별로 주입한 경우에 대한 마찰/마모 특성을 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 팁 장착부 상단에 무게추를 올려 dead-weight 방식으로 일정한 하중을 지속적으로 가할 수 있도록 구성하였다. 지름 50 mm 인 주철 재료를 10 mm 두께로 일정하게 잘라 실험 시편을 준비하였다. 또한, 주철 시편의 표면을 연마하여 일정한 표면 거칠기를 가지도록 하였다.
데이터처리
- 다음으로 SEM 과 confocal microscope를 이용하여 주철 시편과 스틸 볼 표면에 발생한 마모의 정도를 파악하였다. 마모는 기계장치의 성능과 수명에 영향을 주는 주요한 요소이다.
- 따라서, 주입하는 입자의 크기에 따라 주철 시철의 마모 정도를 정량적으로 파악하고 마모 트랙의 표면 상태를 분석하는 것은 반드시 필요하다. 먼저 SEM 을 이용해 마모 트랙의 폭 변화와 표면 상태를 관찰하였다. Fig.
이론/모형
- 또한, 주철 시편의 표면을 연마하여 일정한 표면 거칠기를 가지도록 하였다. 실험에 앞서 micro-hardness tester를 이용하여 주철 시편과 스틸 볼의 경도를 측정하였다. 실험에 사용한 주철과 스틸 볼 재질의 물성치와 측정한 경도 값을 Table 1 에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 주철 시편과 스틸 볼 사이의 미끄럼 운동에서 입자 주입에 따라 평균 마찰 계수는 약 0.2~0.5 정도를 나타내고, 입자를 주입한 경우의 마찰 계수가 주입 전보다 최대 약 2 배 증가하였다.
- (2) 20 µm 입자를 주입한 경우 마찰 계수가 가장 높으며 마모량이 가장 작았다.
- (3) 주철 시편의 마모량은 입자 주입에 따라 감소한 반면, 스틸 볼의 마모량은 대조되는 결과를 나타내었다.
- (4) 상온보다 온도를 증가시켰을 때, 입자를 주입한 경우 모든 입자 크기에 대해 250 ℃에서의 마찰 계수가 150 ℃보다 높았다.
- (5) 온도가 증가할 경우 입자의 유무에 관계없이 상온보다 마모량이 증가하였다.
- 실험 결과를 통해 마찰 계수와 마모량은 주입해준 알루미나 입자의 크기에 따라 변하는 양상임을 알 수 있었다. 또한 주철 시편의 온도를 증가 시킨 경우 상온 실험에서 얻은 마찰 계수 및 마모량과 현저하게 다른 값을 보였다. 이와 같이 주철의 마찰/마모 특성은 접촉 환경에 따라 큰 영향을 받음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 다양한 조건 하에서의 실험을 통해 주철 시편의 트라이볼로지적 특성을 고찰하였다. 실험 결과를 통해 마찰 계수와 마모량은 주입해준 알루미나 입자의 크기에 따라 변하는 양상임을 알 수 있었다. 또한 주철 시편의 온도를 증가 시킨 경우 상온 실험에서 얻은 마찰 계수 및 마모량과 현저하게 다른 값을 보였다.
- 또한 주철 시편의 온도를 증가 시킨 경우 상온 실험에서 얻은 마찰 계수 및 마모량과 현저하게 다른 값을 보였다. 이와 같이 주철의 마찰/마모 특성은 접촉 환경에 따라 큰 영향을 받음을 알 수 있었다.
- 주철 시편을 150 ℃와 250 ℃로 가열시킨 후 진행한 실험의 결과, 주철 시편과 스틸 볼 사이의 마찰/마모 특성에 대한 온도의 영향을 파악할 수 있었다. Fig.
후속연구
- 즉, 접촉면에 입자를 주입하면 마모로 인해 접촉면적과 접촉압력이 급격하게 변하고, 이러한 변화는 마모의 경향을 바꾼다. 따라서, 주입하는 입자의 크기에 따라 주철 시철의 마모 정도를 정량적으로 파악하고 마모 트랙의 표면 상태를 분석하는 것은 반드시 필요하다. 먼저 SEM 을 이용해 마모 트랙의 폭 변화와 표면 상태를 관찰하였다.
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