[논문]CV-NCM 주철재 제동디스크의 성능 검증을 위한 다이나모 시험연구

길형균; 고태환; 조동현; 한성호

[국내논문] CV-NCM 주철재 제동디스크의 성능 검증을 위한 다이나모 시험연구
Dynamo Test Research for Performance Verification of CV-NCM Cast Iron Brake Disk 원문보기

길형균 (한국철도기술연구원, 시스템 엔지니어링팀) , 고태환 (한국철도기술연구원) , 조동현 (유진기공(주)) , 한성호 (한국철도기술연구원)

The study is to analyze dynamo test results for various commercial pads in order to verify the performance of brake disk with CV-NCM cast iron. The developed brake disk will apply to 200 km/h tilting trains that is being developed as one part of project for speed-up on Korean existing railroad. The test program is made out suitably for braking condition and performance of test equipment by referring UIC 541-3. Two kinds of resin pad and one kind of foreign sintered pad suitable for 200 km/h trains are used as various commercial pad for the dynamo test. The data aquisition for the maximum and smallest temperature, hot spot, etc. on disk and pad is performed by using the thermocouples and thermal imaging cameras. From this research, we obtained braking characteristics between CV-NCM cast iron disk and pad of various material and will be utilized usefully as basis data of performance optimization of developing sintered pad.

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문제 정의

본 연구에서는 200 km/h급 틸팅열차용으로 개발된 CV-NCM 주철재 제동디스크의 성능을 검증하기 위하여 수행하였던 다양한 상용 패드와의 다이나모 시험 결과를 분석하고자 한다. 이러한 시험 결과들을 현재 개발 중에 있는 소결패드의 성능 최적화를 위한 기초자료로서 활용될 것이다.

가설 설정

2) 레진계 패드는 최고온도 및 온도분포가 양호하여 열에 대한 디스크의 영향이 극히 작을 것이다. 특히 레진 2는 온도비의 변화폭이 균일하여 이상적인 접촉상태를 유지하고 있는 것으로 판단된다.

제안 방법

제동 디스크는 회주철(grey cast iron)계에 비하여 인장강도 등의 특성에서 유리한 NCM 저합금주철계에 마그네슘(Mg)을 소량 첨가하여 제작하였다. 개발이 완료된 차축 및 차륜 디스크의 실물사진을 그림 1과 그림 2에 각각 도시하였다.
, 최대 회전속도 1700 rpm(211 km/h) 의 성능을 갖는다. 디스크온도는 그림 1과 같이 디스크 반경방향으로 in, center, out으로 구분하여 마찰면으로부터 깊이 1mm 위치에 센서를 삽입하여 최소 3점에서 측정하고, 패드의 온도는 그림 6과 그림 7에 표시한 바와 같이 온도센서를 삽입하여 검출한다. 그리고 디스크의 속도, 마찰토크 및 압부력은 다이나모 시험기의 제어장치에서 출력을 받아 스캐너에 저장하였다.
그리고 디스크의 속도, 마찰토크 및 압부력은 다이나모 시험기의 제어장치에서 출력을 받아 스캐너에 저장하였다. 특히 디스크 마찰면의 순간 온도분포를 측정하기 위하여 열화상 카메라를 사용하였다.
다이나모 시험용 프로그램은 UIC 541-3에서 제시하고 있는 200km/h급 소결패드용 시험프로그램을 참조하여 시험장비의 성능 및 환경적 요건 등을 고려하여 표 3과 같이 작성하였다. 또한 시험장치의 제약에 따라 건조(dry)조건에서 수행하였다.
다이나모 시험용 프로그램은 UIC 541-3에서 제시하고 있는 200km/h급 소결패드용 시험프로그램을 참조하여 시험장비의 성능 및 환경적 요건 등을 고려하여 표 3과 같이 작성하였다. 또한 시험장치의 제약에 따라 건조(dry)조건에서 수행하였다.
200 km/h 급 틸팅열차 용으로 개발된 CV-NCM 주철재 제동디스크의 성능을 다양한 상용 패드를 적용하여 다이나모 시험을 실시하여 확인하였다. 그 결과로서 다음의 결론을 얻었다.

대상 데이터

CV-NCM 디스크의 성능을 검증하기 위하여 200 km/h급 열차에 적용할 수 있는 외국산 상용 패드 레진계 2종과 판형 소결패드(이하 소결패드) 1종을 선정하여 다이나모 시험을 수행하였다. 그림 5에서 그림 7은 시험에 사용된 패드의 실물사진으로 원 표시는 열전대 부착위치를 나타낸다.

성능/효과

025 % 이상인 경우에는 흑연형상이 구상화되어 열전도 특성을 악화시킬 수 있다. 개발된 제동디스크의 마그네슘 함량은 성분분석 결과 0.016%로 앞서의 허용기준을 만족시키고 있다.
그림에서 레진 1은 UIC 권장 범위내에서 안정성을 유지하고 있는 반면 레진 2와 소결패드는 권장범 위 하한을 벗어나 변화하고 있다. 마찰계수 안정성을 계산하여 정량화하면 레진 1은 83.8 %, 레진 2는 74.2 %, 소결패드는 81.2 %로 나타났다. 한편 레진 1의 경우 온도분포나 마찰계수의 안정성 측면에서 다른 제품에 비해 우수하지만 마모량(분진)은 상대적으로 높게 나타났다.
2 %로 나타났다. 한편 레진 1의 경우 온도분포나 마찰계수의 안정성 측면에서 다른 제품에 비해 우수하지만 마모량(분진)은 상대적으로 높게 나타났다. 베드인(bedded-in) 이후 시험이 종료되는 시점에서 총 마모량을 계량한 결과 704 g 으로 레진 2의 149 g, 소결 패드의 95 g에 비해 4~7배 높다.
다이나모 시험 결과 세 패드 모두에서 정지소음은 발생되지 않았으며 또한 마찰 작용에 의한 디스크 표면의 균열(crack)이나 긁힘(groove) 등의 흔적도 나타나지 않았다. 따라서 시험에 사용된 3종의 상용 패드는 모두 CV-NCM 주철재 제동디스크에 대한 공격성이 미약하다고 판단할 수 있다.
다이나모 시험 결과 세 패드 모두에서 정지소음은 발생되지 않았으며 또한 마찰 작용에 의한 디스크 표면의 균열(crack)이나 긁힘(groove) 등의 흔적도 나타나지 않았다. 따라서 시험에 사용된 3종의 상용 패드는 모두 CV-NCM 주철재 제동디스크에 대한 공격성이 미약하다고 판단할 수 있다. 하지만 소결 패드의 경우 제동 작용 시 발생하는 높은 열은 장기간 사용 시 디스크 손상의 주요 원인으로 작용할 수 있기 때문에 이에 대한 추가적인 검증이 요구된다.
1) 평균 마찰계수의 값은 200 km/h 급 레진 계열은 UIC 기준을 만족시키고 있는 반면 소결패드는 압부력이 증가하면서 하한 값을 벗어나는 제동특성을 나타내었다. 마찰계수의 안정성 측면에서 레진계열은 제품에 따라 큰 차이가 있음을 확인하였다.
1) 평균 마찰계수의 값은 200 km/h 급 레진 계열은 UIC 기준을 만족시키고 있는 반면 소결패드는 압부력이 증가하면서 하한 값을 벗어나는 제동특성을 나타내었다. 마찰계수의 안정성 측면에서 레진계열은 제품에 따라 큰 차이가 있음을 확인하였다. 한편 소결패드는 비교적 안정적으로 나타났다.
마찰계수의 안정성 측면에서 레진계열은 제품에 따라 큰 차이가 있음을 확인하였다. 한편 소결패드는 비교적 안정적으로 나타났다.
3) 소결패드는 마찰표면의 온도가 높고, 온도분포 또한 특정 위치에 집중되어 열점이 발생한다. 이것은 디스크의 균열이나 변형의 주요 원인이 될 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 200 km/h급 틸팅열차용으로 개발된 CV-NCM 주철재 제동디스크의 성능을 검증하기 위하여 수행하였던 다양한 상용 패드와의 다이나모 시험 결과를 분석하고자 한다. 이러한 시험 결과들을 현재 개발 중에 있는 소결패드의 성능 최적화를 위한 기초자료로서 활용될 것이다.
따라서 시험에 사용된 3종의 상용 패드는 모두 CV-NCM 주철재 제동디스크에 대한 공격성이 미약하다고 판단할 수 있다. 하지만 소결 패드의 경우 제동 작용 시 발생하는 높은 열은 장기간 사용 시 디스크 손상의 주요 원인으로 작용할 수 있기 때문에 이에 대한 추가적인 검증이 요구된다.
향후 UIC 541-3에 제시되어 있는 전체 프로그램에 대하여 제동조건 및 시험환경 등을 고려하여 작성한 전 과정의 시험용 프로그램을 적용하여 소결패드에 대한 제동디스크의 성능을 검증하고자 한다.

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