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문제 정의
- 본 연구에서는 브레이크 디스크의 내열성 향상을 위하여 개발된 후보재질들에 대하여 Lab-scale dynamometer 시험을 수행하였다. 시험은 현재 새마을호 및 무궁화호 열차의 디스크 제동에 사용되는 마찰패드가 동일하게 적용되어 수행되었고 각 제동초속도 및 제동압력 조건에서의 실험을 통해 각 후보재질에 대한 디스크-패드간의 마찰 및 마모특성 데이터의 비교평가를 실시하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 브레이크 디스크의 내열성 향상을 위하여 개발된 후보재질들에 대하여 Lab-scale dynamometer 시험을 수행하였다. 시험은 현재 새마을호 및 무궁화호 열차의 디스크 제동에 사용되는 마찰패드가 동일하게 적용되어 수행되었고 각 제동초속도 및 제동압력 조건에서의 실험을 통해 각 후보재질에 대한 디스크-패드간의 마찰 및 마모특성 데이터의 비교평가를 실시하였다. 본 실험의 결과는 고내열성 디스크 후보재질에 대한 실제 적용성 평가 시 선택여부의 결정에 기여할만한 데이터로써 반영될 수 있을 것이다.
- ㄱ. 각 시험 전에 1,100rpm(40km)의 제동 초속도와 각 실험에서 사용될 제동압력을 적용하여 40회, 동일 제동압력에서 1,640rpm(60km)의 제동 초속도로 60회의 제동을 가하여 갈아맞춤(Bed-in) 작업을 수행하였다. 갈아맞춤 작업 후 육안으로 패드 시편의 연삭 부족으로 인한 부접촉이 관찰되면 추가적인 갈아맞춤 작업을 시행하였다.
- 각 시험 전에 1,100rpm(40km)의 제동 초속도와 각 실험에서 사용될 제동압력을 적용하여 40회, 동일 제동압력에서 1,640rpm(60km)의 제동 초속도로 60회의 제동을 가하여 갈아맞춤(Bed-in) 작업을 수행하였다. 갈아맞춤 작업 후 육안으로 패드 시편의 연삭 부족으로 인한 부접촉이 관찰되면 추가적인 갈아맞춤 작업을 시행하였다.
- ㄴ. 브레이크 패드에 각각 4.5bar, 5.5bar, 6.5bar의 제동압력을 가하면서 각 압력에 대해 제동 초속도 1,000rpm(37km), 2,000rpm(73km) 및 2,500rpm(91km)에서의 제동시험을 수행하였다.
- ㄹ. 각 압부력과 초속도에 따른 50회의 제동시험 후에 패드의 마모량을 측정하여 기록하였다.
- 개발된 I~V 후보재질과 현재 새마을호 및 무궁화호 열차에서 사용되고 있는 사용품 재질에 대하여 동일한 패드 시편을 사용한 실험을 통하여 제동초속도 변화에 따른 패드 마모량측정 결과를 제동 시 가해진 제동압력별로 분류하여 나타내었다(Fig. 5).
- 소형 다이나모미터 시험기를 이용하여 현재 새마을호 및 무궁화호에서 사용되고 있는 브레이크 디스크 재질 및 내열특성 개선을 위해 개발된 각 후보 재질별 마찰-마모 실험을 수행하였다. 실험을 통해 총 6종의 디스크 재질에 대한 마찰-마모특성을 비교한 결과, 다음과 같은 사항들이 관찰되었다.
대상 데이터
- 본 연구에서의 제동 시험은 철도차량 디스크 브레이크용 마찰재 제작회사인 D사의 소형 다이나모미터 시험기를 사용하여 수행되었다. 본 시험기기는 KS R 4024에서 제시하는 스케일테스터 기준에 따라 제작되어 다방면에 적용되는 브레이크 디스크 및 패드의 마찰특성 시험에 사용되고 있다.
- 실험에는 현재 새마을호 및 무궁화호에서 사용되는 브레이크 디스크에서 채취된 기존품 재료 시편과 함께 고내열성 브레이크 디스크용 재질개발을 위하여 각기 다른 화학조성성분을 갖도록 제작된 I에서 V까지의 후보재료가 사용되었다.
- 브레이크 패드 시편은 시험에 사용된 새마을호 및 무궁화 객차용 디스크와 함께 사용되고 있는 실제 패드의 표면을 절삭하여 가로, 세로 각각 35mm, 16mm, 그리고 8mm 이상의 두께로 제작하였다. 제작된 브레이크 패드 시편은 제동 다이나모미터 시험기에 고정하기 위하여 별도 제작된 금속 틀에 부착되었고 모든 재질의 디스크 시편에 대한 시험에 대해 동일한 패드 시편이 사용되었다.
- ㄷ. 각각의 제동 초속도와 제동압력에 대하여 50회의 제동시험을 수행하여 평균마찰계수를 측정, 각 시편당 총 9가지 시험조건에서의 평균마찰계수 데이터를 획득하였다.
성능/효과
- 각 제동압력조건에서 대부분의 후보재질이 특정 속도(2,000rpm)에서 마찰계수가 급격히 상승하면서 불안정한 마찰특성을 보이거나 전체적으로 사용품 재질보다 현저히 낮은 마찰계수를 보인 반면, IV 재질은 현 사용품 재질과 유사하거나 약간 높은 제동속도별 마찰안정성과 마찰계수를 나타내었다.
- 각 제동압력, 제동초속도별 패드마모량을 측정한 결과, 현재 사용되고 있는 브레이크 패드와의 마찰마모특성에 가장 최적화 되어있는 상태일 것이라고 고려되는 사용품 디스크 재질과 비교할 때, IV 재질이 사용품 시편과 유사하거나 보다 개선된 패드 마모특성을 보였다.
- 2) 모든 재질의 마찰-마모특성 실험에 동일하게 사용된 제동 마찰패드는 현재 사용품 디스크와 함께 새마을호 및 무궁화호 열차에 최적화된 조합으로 적용되어 있는 상태이다. 따라서 현 사용품 디스크의 마찰-마모특성이 비교적 매우 우수하게 관찰되었다.
- 3) 하지만 개발된 후보 재질 중 하나인 IV 시편의 경우 마찰계수 및 패드마모량 측정시험 모두에서 현 사용품 재질과 유사하거나 더욱 우수한 마찰 안정성 및 마모특성을 나타내었다.
- 1) 대부분의 후보재질이 특정 제동초속도(2,000rpm)에서 상대적으로 높은 마찰계수를 갖는 등 사용품과 비교할 때 제동초속도 변화에 따라 불안정한 마찰성능을 보였다.
후속연구
- 시험은 현재 새마을호 및 무궁화호 열차의 디스크 제동에 사용되는 마찰패드가 동일하게 적용되어 수행되었고 각 제동초속도 및 제동압력 조건에서의 실험을 통해 각 후보재질에 대한 디스크-패드간의 마찰 및 마모특성 데이터의 비교평가를 실시하였다. 본 실험의 결과는 고내열성 디스크 후보재질에 대한 실제 적용성 평가 시 선택여부의 결정에 기여할만한 데이터로써 반영될 수 있을 것이다.
- 본 실험을 통해 고내열성 디스크 후보재질에 대한 실제 적용성 평가 시 선택여부의 결정에 반영할 수 있는 마찰-마모 특성 데이터가 수집되었으며 특히, 개발품 IV 재질의 우수한 마찰-마모 특성이 실험을 통해 관찰된 바, 향후 지속적인 연구를 통해 실제 브레이크 디스크 재질로서 당 후보재질에 요구되는 기타 특성에 대한 확인과정을 진행함으로써 실제 차량에의 적용에 대한 타당성을 입증해야 할 것으로 고려된다.
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