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문제 정의
- 본 연구에서는 내마모성 및 내아크성 향상을 위한 Fe-Ti 첨가, 산화 및 소성변형 억제를 위한 인(P) 첨가 등 기존 주습판의 성분 변화로 내마모성 향상 효과를 현차시험을 통해 입증하였고, 이 개선품으로 기존 동계 주습판을 대체하고 있다. 개선 주습판의 미세조직은 유사하였으며 밀도는 약 0.
- 이때 아크열은 산화작용을 가속시켜 상대적으로 경도가 낮은 주습판의 급격한 마모를 유발한다. 이에 본 연구 개발에서는 가선과의 마찰 저항성의 감소를 위해 흑연 함량을 변화시켰으며, 마찰에 의한 기지상 Cu의 소성변형을 감소시키기 위해 내마모 성분의 경질 입자를 균일 하게 분산시키는 방법으로 합금설계를 하였다. 경질 입자가 기지상내에 균일하게 분산될 경우, 합금은 분산강화 효과를 얻을 수 있다.
제안 방법
- 0wt.% 씩 추가로 첨가하여 기존품에 비해 내마모성 및 내아크성을 향상시키고, 마찰계수를 감소시키는 방안을 검토하였다. 연질 금속의 기지상에 경질 입자가 균질하게 분산되면 기지상이 소성변형되는 응력을 증가시켜 결과적으로 강화효과를 발생시키데 되는데, Fe-Ti는 기지상인 Cu에 비해 경도가 높은 경질 입자이기 때문에 첨가량의 증가는 입자분산강화에 의해 소성변형 감소의 부석효과를 얻을 수 있으나, 주습판의 통전성을 약간 감소시키게 된다.
- 1차 현차시험은 '11.11.22~'12.4.25(약 5개월) 동안 4호선 교직류 전동차 3개 편성(편성당 40개)에 120개 주습판을 취부 하였으며 기존품 대비 샘플3종에 대해 우천시 및 강설시 주습판 급마모 및 편마모 측정을 주행거리에 따라 측정하고 전차선 이상마모 현상이 발생되는지 관찰하였다.
- 2차 현차시험은 1차 현차시험에서 보다 우수한 성능을 나타낸 1종(샘플1)을 선정하여 1차 시험에서의 환경조건과는 달리 강수량이 최고치인 하절기에 기존품 대비 내마모 특성을 평가하고자 '12.6.18~10.18(약 4개월) 동안 4호선 교직류 VVVF 도시철도차량 5개 편성(편성당 80개)에 180개 주습판을 취부하여 개선 주습판의 장마철 운행시 마모상태를 관찰하였다.
- 1차 시험은 윤활제를 사용하지 않고 4시간을 시행하고, 2차 시험은 1차 시험과 동일한 조건으로 4시간을 추가 운전 하였다. 3차 시험은 윤활제를 사용하고 신규 제작한 시험용 주습판을 12시간 연속 운전하였다. 이때 평가 항목은 주습판의 표면형상 변화 및 색상, 주습판면의 마모율, 전차선의 상대적인 마모율 등을 측정하였다[9].
- 3차 현차시험은 1종(샘플1)을 2차 시험기간과 유사한 '13.7.9~10.29(약 3개월) 동안 4호선 교직류 VVVF 도시철도차량 8개 편성(편성당 80개)에 재질 개선(샘플1)한 동계 주습판으로 전량(640개) 확대 취부 운행한 후 개선 주습판의 장마철의 마모상태와 전차선에 미치는 영향을 관찰하였다.
- 1은 주습판의 내마모성을 비교 평가하기 위한 내마모 시험장비를 보여주고 있다. 내마모성 시험장비를 활용하여 우기시 상황과 최대한 가깝도록 조건을 만들기 위하여 물 20cc/min를 syringe 핀을 사용하여 물을 공급하고 전후 왕복하는 지 그를 사용하여 주습판을 고정하고 시험하였다. 전차선 회전속도는 실제로 80km/hr 운행속도를 고려하여 660rpm으로 하였고 전차선은 실제 서울메트로 4호선에 사용한 홈원형 170mm2 경동선을 사용하였으며 팬터그라프 주습판이 6Kgf의 압상력으로 전차선과 접촉하도록 시험조건을 유지하였다[7-8].
- 또한 4차 현차시험은 '13.11.27~'14.2.21(약3개월) 동안 앞서 총 3회에 걸친 현차시험 결과와 더불어 최종적으로 4호선 VVVF 교직류 및 직류 도시철도차량 각 1개편성에 취부하여 직교류 구간(지상+지하구간)과 직류구간(지하구간)에서의 동절기의 혹한과 폭설, 결빙에 의한 문제점 유무를 집중적으로 관찰하였다.
- 이러한 특성을 개선하여 주습판의 성능을 향상시키고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 특히 편마모의 발생이 억제될 수 있는 기구의 연구에 대한 관심이 모아지고 있다. 본 연구에서는 마찰저항의 요소를 배제할 수 있는 인자를 통해 우천 시 동계 주습판 표면에서 발생되는 편마모 현상을 억제시킬 수 있는 신규 재질의 주습판을 개발하기 위하여 화학적 조성이 각기 다른 3가지 주습판을 제작하여 현차시험을 통해 마모형상 및 마모율 측정, 기계적, 전기적 마모에 의한 주습판 성분 및 조성변화에 대한 특성평가를 4회 실시하였고, 우기 및 강설과 혹한의 동절기와 같은 악 조건하에서 현차시험을 거쳐 그 중 가장 우수한 내마모성을 가지는 재질을 최종적으로 선정하여 기존 주습판(SPC2H)의 대체품으로 실제 전동차에 적용하였다.
- 3는 간이 내구시험을 통해 얻어진 주습판 기존품 및 개선품, 그리고 가선의 마모 특성을 보여주고 있다. 앞서 시험 방법에서 언급했었던 바와 같이, 1차 및 2차 시험은 흑연 윤활제를 사용하지 않은 채 시험을 수행하였고, 3차 시험은 실제 전동차 운행과 유사하게 조건을 부여하기 위하여 흑연 윤활제를 채용한 후 시험하였다. Fig.
- 현차시험 기간이 경과함에 따라 샘플1이 샘플3에 비해 보다 안정적인 마모경향을 보였다. 이는 기계적전기적 마모에 대한 저항성이 큰 샘플1을 2~3차 현차시험을 수행하였다. 2차 현차시험은 1차 현차시험('11.
- 3차 시험은 윤활제를 사용하고 신규 제작한 시험용 주습판을 12시간 연속 운전하였다. 이때 평가 항목은 주습판의 표면형상 변화 및 색상, 주습판면의 마모율, 전차선의 상대적인 마모율 등을 측정하였다[9].
- 기존품 및 샘플2 와는 달리 샘플1,3은 현차시험 모니터링 동안 편마모 현상이 관찰되지 않았다. 이에 안정된 마모양상을 보이는 샘플1과 샘플3 중에서 하나의 재질을 선택하기 위해 2가지 재질의 주습판을 비교평가 해보았다. 현차시험 기간이 경과함에 따라 샘플1이 샘플3에 비해 보다 안정적인 마모경향을 보였다.
- 3회에 걸친 시험을 통해 주습판의 내마모성이 간이 내구시험을 통해 평가되었지만, 본 시험에서 나타난 결과로부터 샘플1과 샘플3과의 내마모특성이 차별화됨을 판달할 수 없었다. 이에, 현차시험을 통해 기존품 및 샘플1,2,3의 내마모 특성을 재평가하였다.
대상 데이터
- 25(약 5개월) 동안 4호선 교직류 전동차 3개 편성(편성당 40개)에 120개 주습판을 취부 하였으며 기존품 대비 샘플3종에 대해 우천시 및 강설시 주습판 급마모 및 편마모 측정을 주행거리에 따라 측정하고 전차선 이상마모 현상이 발생되는지 관찰하였다. 본 시험을 통해 보다 우수한 샘플 1종을 선정하여 추가 시험을 하였다.
- 3(a)에서 보여지 듯, 샘플2는 1차 시험에서 기존품 및 샘플1, 3에 비해 가선에 최소 2배 이상의 가선 마모에 영향을 미쳤으며, 주습판 자체의 마모율도 가장 큰 값을 보였다. 이에 2차 및 3차 시험에서는 기존품 및 샘플1, 3을 대상으로 시험하였다. 2차 시험에서는 샘플3이 가선 마모에 미치는 영향이 가장 작았으며, 주습판 마모는 기존품에서 가장 크게 발생하였다.
- 내마모성 시험장비를 활용하여 우기시 상황과 최대한 가깝도록 조건을 만들기 위하여 물 20cc/min를 syringe 핀을 사용하여 물을 공급하고 전후 왕복하는 지 그를 사용하여 주습판을 고정하고 시험하였다. 전차선 회전속도는 실제로 80km/hr 운행속도를 고려하여 660rpm으로 하였고 전차선은 실제 서울메트로 4호선에 사용한 홈원형 170mm2 경동선을 사용하였으며 팬터그라프 주습판이 6Kgf의 압상력으로 전차선과 접촉하도록 시험조건을 유지하였다[7-8].
이론/모형
- 6은 2차 현차시험 후 회수된 주습판 개선품을 롯트 별로 구분하여 각각에 대하여 측정된 경도치를 나타내고 있으며, 측정된 경도 평균값을 시험 전에 측정된 경도와 비교해 보았다. 경도측정은 HB500을 적용하였다. 현차시험 후의 경도값 평균값은 39.
- 장마철 주습판의 편 마모 및 이상마모 현상을 감소시키기 위한 내마모성이 향상된 동계 주습판을 개발하기 위해 Table 2와 같이 기존 재질과 다른 화학적 성분 조성을 갖는 3가지 동계 주습판을 KSD-1959의 구리제품 분석방법을 적용하여 시험, 제작하였다. 이상마모를 억제할 수 있는 것은 내마모성 향상이기에 합금설계 시 주습판의 아크 소호성, 윤활성, 그리고 부석효과 증가에 주안점을 두었다.
성능/효과
- 3차 현차시험에서는 사용일수가 28% 연장되는 효과가 있었으며, 주행거리를 비교해 보았을 때 샘플1은 기존품 대비 주행거리가 47%증가되는 것을 규명되었다. Fig.
- 주습판 마모는 기존품에서 가장 두드러지게 발생하였다. 3회에 걸친 시험을 통해 주습판의 내마모성이 간이 내구시험을 통해 평가되었지만, 본 시험에서 나타난 결과로부터 샘플1과 샘플3과의 내마모특성이 차별화됨을 판달할 수 없었다. 이에, 현차시험을 통해 기존품 및 샘플1,2,3의 내마모 특성을 재평가하였다.
- Table 5와 Fig. 8은 4회차의 현차시험결과로서 1.2.3차 현차시험에서 채용 결정된 주습판 샘플1에 대해 추가 진행된 시험으로 하나의 편성내에서 주습판의 마모가 가장 큰 팬터그라프에 취거하여 측정한 결과로 교직류 구간(지상+지하)과 직류구간(지하구간)에서의 기존 및 개선 주습판의 마모 후 잔량을 비교한 것으로 우기나 동절기의 환경에 직접적으로 영향을 받는 교직류 구간에서의 개선효과가 상대적으로 우월함을 나타내고 있으며, 특히 집전장치별 마모편차가 기존품에 비해 월등히 개선되었다.
- 기존 주습판의 마찰면의 편마모 현상이 두드러지게 관찰되는 때는 우천시가 대부분인데, 우천시에는 윤활목적으로 주습판에 함침시킨 오일이 빗물에 의해 주습판 표면으로부터 다소 제거됨에 따라 균일한 윤활피막이 형성되지 못하여 마찰계수 증가 등이 편마모가 발생되는 원인이 되지만, Ferro-Ti 금속간 화합물 입자가 Cu 기지상의 소성변형을 억제시키는데 이러한 부석효과가 내마모성을 향상시켜 편마모를 억제시켜는 현상이다. 결과적으로 주습판의 마모량이 평균 53.5% 연장되었으며 예산절감 효과도 유발하였다. 더불어 또 다른 효과는 주습판과 상호 연관성이 있는 전차선의 마모량을 '12.
- 1g/cm3, 충격강도는 5kgf·cm/cm2 상승하였다. 그 결과 Fe-Ti 금속간화합물 입자의 첨가에 따른 부석효과의 상승으로 인해 편마모 등 이상마모 현상이 제어될 수 있었다.
- 기존품 및 샘플2 와는 달리 샘플1,3은 우천시 불균일한 윤활피막이 존재하는 조건이라도 Ferro Ti 금속간화합물을 함유하여 Cu 기지상의 소성변형이 억제되는 부석효과에 의해 이상마모 현상이 발생되지 않는 것으로 사료된다. 그러나 샘플1과 샘플3을 비교 분석해 보았을 때 현차시험 기간이 경과함에 따라 샘플1이 샘플3 비해 보다 더 안정적인 마모경향을 보였다. 이것은 샘플1이 기계적 마모 및 아크 마모에 대한 저항성이 우수하였다.
- 그리고 내마모성 향상으로 전차선에도 이상마모 현상은 발견되지 않았다. 기존 동계 주습판의 평균 사용기간이 41.5일 정도이나 재질개선으로 인해 65.5일로 연장되는 효과를 얻었다. 즉, 기존품 대비 수명이 60% 연장되는 효과가 규명되었다.
- 21(약3개월) 동안 앞서 총 3회에 걸친 현차시험 결과와 더불어 최종적으로 4호선 VVVF 교직류 및 직류 도시철도차량 각 1개편성에 취부하여 직교류 구간(지상+지하구간)과 직류구간(지하구간)에서의 동절기의 혹한과 폭설, 결빙에 의한 문제점 유무를 집중적으로 관찰하였다. 더불어 4호선(당고개~오이도) 71.9km 중 지상구간이 32.56km(45.3%),지하구간이 39.34km(54.7%)인 점을 고려하여 지상과 지하구간의 마모결과를 측정하여 우기나 동절기의 결빙 등에 의한 개선효과를 입증하였다.
- 더불어 또 다른 효과는 주습판과 상호 연관성이 있는 전차선의 마모량을 '12.4~'14.4 까지 18개월간을 주습판 재질에 따라 6개월 단위로 구분하여 측정한 전차선의 마모량(6개월 평균)도 철계주습판 사용 시보다는 0.25mm 감소하고 기존 동계 시 보다는 측정장비의 오차범위내로 비슷한 수준을 유지하여 문제가 없는 것으로 판명되었다.
- 이와 같이 동일한 기간이 아닌 6개월씩 연속적으로 모니터링된 이유는 하나의 노선에서 현차시험이 수행되었기 때문이다. 본 시험에서 적용된 전차선 구간은 3구간으로 분류되며, 여기서 Korail 및 DC 구간은 공히 동일한 주습판이 적용되었고 ADV 구간에서는 Table 6에서 보여주는 바와 같은 주습판 재질에 따른 전차선의 변화를 관찰해 보았으며, 측정된 전차선의 마모량(6개월 평균)을 비교해 보았을 때, 개선 재질의 적용이 철계 사용 시 보다는 0.25mm 감소하고 기존 동계 시 보다는 측정 장비의 오차범위내로 비슷한 수준을 유지하여 문제가 없는 것으로 판명되었다.
- 2(b)에서 보여 지고 있다. 본 시험에서 주습판의 편마모 및 이상 마모 현상은 관찰되지 않았으며, 오일 및 흑연에 의한 윤활 상태도 양호함을 알 수 있었다. 내마모 시험기를 사용한 간이 내구 시험은 현차시험 전 단계 시험으로써, 현차시험에서 진행될 시험품을 선정하기 위함이다.
- 상기 시험결과로부터 알 수 있듯이 4회 현차시험을 통하여 주습판 재질개선 효과가 증명되었으며, 주습판의 밀도 향상은 Ferro-Ti의 부석효과를 상승시켜 우기 시에도 내마모성 및 내아크성을 유지함으로써 이상마모의 발생을 억제할 수 있었다. 주습판 내마모성 향상에 따른 전차선과의 마찰계수 감소를 위해 윤활용도 흑연 함량을 0.
- 서울메트로 4호선 VVVF 도시철도차량 기존 동계 주습판의 재질개선 효과를 입증하기 위해 4회('11.11.22~'14.2.21/약 17개월)의 현차시험을 실시하였으며, 그 결과로부터 내마모성 및 내아크성이 개선된 주습판을 선정하여 우천 시 집중적으로 발생하는 편마모 및 이상마모를 현저하게 저감하였다.
- 상기 시험결과로부터 알 수 있듯이 4회 현차시험을 통하여 주습판 재질개선 효과가 증명되었으며, 주습판의 밀도 향상은 Ferro-Ti의 부석효과를 상승시켜 우기 시에도 내마모성 및 내아크성을 유지함으로써 이상마모의 발생을 억제할 수 있었다. 주습판 내마모성 향상에 따른 전차선과의 마찰계수 감소를 위해 윤활용도 흑연 함량을 0.5%wt 증대 효과가 있었으며 인(P) 추가가 산화 및 소성변형 억제를 위해 효과가 있었던 것으로 사료된다.
- 5일로 연장되는 효과를 얻었다. 즉, 기존품 대비 수명이 60% 연장되는 효과가 규명되었다.
- 본 주습판은 금속분말의 혼합 및 소결에 의해 제작되기 때문에 소결에 의한 분말 입자간 치밀화에 의해 충격강도가 상승하게 된다. 충격 강도는 기존에 비해 3.0~5.9 kJ/m2 증가함을 보였으며, 이는 내마모성 및 내아크성이 향상되어 마모가 감소할 것으로 사료된다. 앞서 언급했었던 바와 같이, 본 합금계는 첨가제의 완전 고용이 아닌 분말입자의 소결에 의한 것으로, 경도는 측정 위치에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
- 이에 안정된 마모양상을 보이는 샘플1과 샘플3 중에서 하나의 재질을 선택하기 위해 2가지 재질의 주습판을 비교평가 해보았다. 현차시험 기간이 경과함에 따라 샘플1이 샘플3에 비해 보다 안정적인 마모경향을 보였다. 이는 기계적전기적 마모에 대한 저항성이 큰 샘플1을 2~3차 현차시험을 수행하였다.
- 경도측정은 HB500을 적용하였다. 현차시험 후의 경도값 평균값은 39.9HB로써, 시험전의 평균값 37.5HB에 비해 평균 2.4HB 증가함을 보이고 있는데, 이러한 경도 상승 원인은 주습판 성형 형상 때문에 프레스 성형시 위치별 받는 압력에서 차이가 발생하게 되는데, 이는 소결후 경도차로 발생되나 평균치는 차이가 거의 없는 것에 반해 현차시험 전후 경도값은 외적 영향에 의한 주습판 표면이 가선과의 마찰이 지속적으로 진행됨에 따라 주습판 표면의 소성변형 및 가공경화에 기인하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 21/약 17개월)의 현차시험을 실시하였으며, 그 결과로부터 내마모성 및 내아크성이 개선된 주습판을 선정하여 우천 시 집중적으로 발생하는 편마모 및 이상마모를 현저하게 저감하였다. 또한 주습판의 내구성의 향상으로 인한 운행장애 예방과 예산절감 효과가 확인되어 서울메트로 4호선 VVVF 도시철도차량에 우선 적용하였으며 추후 철계 주습판을 사용하는 1호선과 타 철도 구간에도 적용이 될 것으로 기대된다.
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