Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.25 No.6 pp.501-506
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2018.25.6.501

Development of Novel Composite Powder Friction Modifier for Improving Wheel-rail Adhesion in High-speed Train

Min Chul Oha, Byungmin Ahna,b*
aDepartment of Materials Science and Engineering, Ajou University, Suwon 16499, Republic of Korea
bDepartment of Energy Systems Research, Ajou University, Suwon 16499, Republic of Korea
-

오민철: 학생, 안병민: 교수


Corresponding Author: Byungmin Ahn, TEL: +82-31-219-3531, FAX: +82-31-219-1613, E-mail: byungmin@ajou.ac.kr
October 19, 2018 November 21, 2018 November 21, 2018

Abstract


With the recent remarkable improvements in the average speeds of contemporary trains, a necessity has arisen for the development of new friction modifiers to improve adhesion characteristics at the wheel-rail interface. The friction modifier must be designed to reduce slippage or sliding of the trains’ wheels on the rails under conditions of rapid acceleration or braking without excessive rolling contact wear. In this study, a novel composite material consisting of metal, ceramic, and polymer is proposed as a friction modifier to improve adhesion between wheels and rails. A blend of Al-6Cu-0.5Mg metallic powder, Al2O3 ceramic powder, and Bakelite-based polymer in various weight-fractions is hot-pressed at 150°C to form a bulk composite material. Variation in the adhesion coefficient is evaluated using a high-speed wheel-rail friction tester, with and without application of the composite friction modifier, under both dry and wet conditions. The effect of varying the weighting fractions of metal and ceramic friction powders is detailed in the paper.



고속열차 점착계수 향상을 위한 신규 복합재료 분말 마찰조절재 개발 및 점착력 특성 평가

오 민철a, 안 병민a,b*
a아주대학교 신소재공학과
b아주대학교 에너지시스템학과

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    14RTRP-B067706-02

    1. 서 론

    고속열차 주행 시 철도차량의 주행 안정성뿐만 아니라 가속 및 제동의 효율을 향상시키기 위해 차륜과 레일 사 이 점착력의 향상이 필요하다. 점착력이 낮을 때에는 가속 및 감속 시 차륜-레일간 미끄러짐이 발생하여 추진력이나 제동력이 효과적으로 전달되지 못한다. 이는 고속으로 달 리는 열차의 가속 및 감속 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 안전사고로도 이어질 수 있는 중요한 문제이기도 하다. 이 를 위해 차륜과 레일 사이의 점착특성을 제어할 수 있는 고점착력의 마찰조절재 개발이 필수적이다.

    점착력은 차륜-레일간 접촉조건, 슬립비, 주행속도 등에 영향을 받는 매우 복잡한 변수로서, 특히 차량의 속도가 증가할수록 점착력이 급격히 저하되는 특성이 있어서 최 근 철도의 고속화에 맞춰 필수적으로 연구되어야 할 주제 중 하나이다. 고속 주행 중 열차의 차륜 및 레일 사이에는 일정한 점착력이 걸리게 되는데, 추진력이 점착력보다 크 게 되면 공전이 발생하고, 제동력이 점착력보다 크게 되면 활주가 발생하게 된다[1-3].

    특히 차륜이나 레일이 수분 및 기타 이물질에 노출되었 을 때 점착력이 크게 감소하는 문제점이 발생하며, 이러한 문제를 해결하기 위해 해외에서는 정부, 기업, 연구소 차 원에서 다양한 접촉형 벌크 마찰조절재 및 분사형 분말 마찰조절재를 개발하여 외부 환경에 따른 점착 특성의 변 화에 관한 다양한 연구가 진행되었다[4, 5]. 하지만 국내에 서는 분사형 분말 마찰조절재를 사용한 점착계수 변화에 관련한 기초실험은 진행된 바 있으나, 실질적인 마찰조절 재의 개발로 이어진 연구는 수행된 바가 없다. 이러한 기 초실험들도 150 mm 디스크로 구성된 축소형 시험기를 사 용하였기에 분사된 마찰조절재의 실제 영향을 정확하게 파악하기 어려운 점이 있었다. 또한, 분사형이 아닌 접촉 형 벌크 마찰조절재에 관련해서는 사실상 국내 연구 결과 가 전무한 상태라고 할 수 있다.

    본 연구에서는 차륜과 레일간의 점착력 향상을 위한 접 촉형 마찰조절재 개발을 위해 금속합금, 세라믹, 고분자화 합물로 구성된 신규 복합재료를 제조하였다. 첨가 재료들 의 조성에 따른 마찰특성의 변화를 평가하고자 실제 크기 의 차륜이 장착된 고속 차륜-레일 점착시험기를 이용하여 점착력 특성을 평가하였다.

    2. 실험방법

    본 연구에서 사용된 마찰조절재 소재는 Table 1과 같이 Al-6Cu-0.5Mg 금속합금 분말과 Al2O3 세라믹 분말을 서 로 동일한 wt%로 혼합하고, Bakelite(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride) 계열 고분자화합물 분말을 전체 조성에 대해 각각 10, 20, 40, 60 wt% 첨가한 후 3D tubular mixer를 이용하여 건식 상태에서 30분간 혼합하여 신규 복합재료 분말을 제조하였다.

    이렇게 혼합된 복합재료 분말은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 hot press 장비를 이용하여 상대적으로 낮은 온도 (150°C) 및 압력(15 MPa)에서 30 mm 직경의 원형으로 성 형 및 소결을 진행하였다.

    점착계수는 한국철도기술연구원에서 보유중인 고속 차 륜-레일 점착시험기를 이용하여 측정하였다. 이 시험기에 는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 실제 철도차량의 차륜과 동 일한 크기의 차륜이 설치되어 있으며, 본 연구에서 제조한 다양한 조성의 마찰조절재들을 각각 차륜에 직접 발라서 시험을 진행하였다. 실제 고속열차에서는 접촉형 마찰조 절재가 필요 시 회전 중인 차륜에 접촉되면서 도포되는 방식이지만, 본 실험에서는 마찰조절재 시편을 차륜 회전 이전에 고체 풀을 바르듯이 사전에 도포한 후에 시험을 진행하였다. 또한 건식(dry) 상태와 우천 시와 유사하게 물을 분사하는 습식(wet) 상태에서 모두 점착계수의 변화 를 분석하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    접촉형 마찰조절재로 사용될 새로운 복합재료의 개발을 위해서는 현재 사용되는 마찰재의 조성에 대한 선행 조사 가 필수적이다. 본 논문에 구체적인 조성을 첨부하지는 않 았지만, 현재 미국, 일본, 캐나다 등의 국가에서 개발되어 사용되고 있는 마찰조절재는 주로 다양한 세라믹 분말들 을 고분자화합물로 결합시켜 놓은 형태를 띠고 있다. 세라 믹 분말은 차륜-레일간의 마찰력을 높여주는 역할을 하고, 고분자화합물은 세라믹 분말들을 결합해주는 역할과 함께 차륜-레일간의 윤활제 역할도 한다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 첨가하고자 하는 재료들에 대한 특성을 각각 분 석하여 첨가 원소를 선정하였으며, 기존의 해외 마찰조절 재와는 다르게 금속합금을 첨가하였다. 금속합금 분말은 세라믹 분말처럼 차륜과 레일 사이의 마찰력을 향상시키 면서도 세라믹에 비해 높은 연성으로 인해 차륜, 레일 소 재의 마모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 적당한 기계적 강도와 연성을 가진 상용 알루미늄 분말합 금 중 하나인 Al-6Cu-0.5Mg를 이용하였다. 세라믹 분말로 는 polygonal 구조를 가지고 있어서 마찰특성이 우수한 Al2O3를 선정하였다. Al2O3는 기계적 강도가 우수하면서 도 가격경쟁력이 뛰어나다는 장점이 있다. 마지막으로 금 속합금 분말과 세라믹 분말의 결합재 역할을 하여 접촉형 마찰조절재의 형태를 유지시켜줄 고분자화합물은 Bakelite 계열의 열경화성 합성수지를 선정하였다.

    접촉형 벌크 마찰조절재는 그 특성상 마찰력을 높여주 는 역할을 하는 재료가 차륜에 접촉 시 너무 잘 갈려나가 면 재료의 소모가 크고, 너무 안 갈려나가면 그 역할을 제 대로 하지 못하면서 차륜에 마모만 일으킬 여지가 크다. 따라서 본 연구에서 제안하는 신규 복합재료가 마찰조절 재로 잘 활용되기 위해서는, 마찰력 향상의 역할을 하는 세라믹, 금속 분말들은 적당히 잘 갈려나가야 하며, 이를 위해 고분자화합물은 세라믹, 금속 분말들을 적당한 강도 로 잘 결합해줘야 한다. 또한, 고분자화합물의 첨가량은 차륜-레일간의 윤활제 역할도 할 수 있을 만큼 조절되어 야 한다. 따라서 본 연구에서 필요한 공정은 (1) 고분자화 합물이 휘발되지 않을 정도의 상대적으로 낮은 온도에서 성형 및 소결이 진행되어야 하고, (2) 철도 차륜에 접촉 시 잘 갈려나갈 수 있도록 소결 강도가 너무 높아서는 안되 며, (3) 사용이 용이하도록 적당한 치밀화를 이룰 수 있는 공정이다. 이를 위해 온도 및 압력을 동시에 가하여 기지 상의 변화를 단시간에 극대화 할 수 있는 hot press 공정 으로 벌크 마찰조절재를 제작하였다. Hot press 공정은 소 결 과정 중에도 압력이 가해지고 있기 때문에 기존 성형/ 소결의 구분된 공정에 비해 단시간에 치밀화를 이룰 수 있다[6]. 조성에 따른 모습은 Fig. 3에 나타내었고, 밝은 부 분이 금속과 세라믹 분말이며 어두운 부분은 고분자화합 물이다.

    점착력 시험을 설계함에 있어서, 차륜/레일 접촉 조건에 따라 동일한 하중이라 하더라도 압력 분포가 달라진다[7]. 따라서 가장 이상적인 실험 조건은 실제 차량과 직선 또 는 곡선 레일에서의 압력 분포를 동일하게 맞추어 주는 것이지만, 현실적으로 이는 불가능하다고 할 수 있다. 시 편의 규격은 정해져 있고, 가능한 실제의 조건을 근사할 수 있는 하중 크기를 산정하는 것이 중요하다 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 KTX에 사용되는 직경 850 mm 차륜에 가해지는 수직 하중과 유사한 5 kN 하중 조건 에서 시험을 하였다.

    점착력 시험은 차륜 디스크와 레일 디스크를 접촉시킨 후 수직 하중을 인가하고, 차륜 디스크가 일정 속도로 회 전하는 상태에서 맞대어 돌아가고 있는 레일 디스크의 속 도를 감소시켜 두 디스크 사이에 슬립(slip)을 발생시켜 이 때 발생된 토크 값을 측정함으로써 점착계수를 구할 수 있다. 본 연구에서 서울-부산 간 KTX의 평균 주행속도와 유사한 160 km/h 속도를 기준으로 하였을 때 직경 850 mm 차륜 디스크의 최대회전수는 1,000 rpm이 되고, 슬립 률(slip rate)을 0~2% 범위로 정하였을 때 레일 디스크의 최 대회전수는 1,020 rpm이 된다. 이번 점착력 시험에서의 회 전수 변화 및 슬립 발생을 도식적으로 Fig. 4에 나타내었다.

    건식 조건에서 네 가지 마찰조절재 종류 및 슬립에 따 른 점착계수 측정 결과를 Fig. 5에 나타내었고, 습식 조건 에서의 점착계수 측정결과는 Fig. 6에 표시하였다. 철도 차량 주행 시 마찰 조절재에 의하여 차륜의 표면이 손상 되면, 슬립이 증가할수록, 점착 계수가 지속적으로 증가하 여야 하지만[8], 본 연구에서는 건식 및 습식 조건 모두 약 1% 슬립 이후 점착 계수가 일정해지는 것을 확인 할 수 있으며, 점착계수 시험 중 표면 손상은 없는 것으로 판단 된다. 물을 뿌리지 않는 건식 조건에서는 슬립률이 증가할 수록 점착계수가 점차적으로 꾸준히 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 습식 조건에서는 점착계수가 대략 슬 립률 0.5%까지 증가하다가 이후에는 감소하는 것을 알 수 있다. 습식 조건에서는 뿌려진 물 자체가 윤활제의 역할로 작용하여 점착계수가 일정이상 증가하지 않으며, 마찰조 절재의 종류와 상관없이 전체적인 결과를 비교하였을 때 습식 조건에서 건식 조건 보다 점착계수가 매우 낮은 것 을 알 수 있다. 습식 조건에서 일부 마찰조절재가 물에 의 해 씻겨 나갔거나, 차륜과 레일 사이에 형성된 수막에 의 한 슬립 현상이 증가하여 건식 조건에 비해 점착계수가 낮아지게 된 것으로 판단된다. 하지만, 마찰조절재의 조성 에 따른 점착계수의 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있 으며, 이는 분사되는 물 및 주행 중 마찰에 의한 마찰조절 재들이 전량 손실되는 것이 아니라, 일정 부분의 마찰조절 재가 잔류하는 것을 확인 할 수 있으며, 습윤 상태에서도 본 연구에서 제조한 마찰조절재를 적용 가능한 것으로 판 단된다.

    시험 조건 및 마찰조절재의 종류에 따른 최대 점착계수 를 정리하여 Fig. 7에 표시하였다. 건식 및 습식 조건에서 모두 마찰조절재 1번과 2번 조성을 도포한 후 점착계수가 증가하였다. 특히 2번 조성에서는 건식의 경우 점착계수 가 35% 정도 증가하였으며, 습식 조건에서는 110%까지 증가하였다. 1번 조성에서는 마찰조절재에 사용된 금속 및 세라믹 분말들이 차륜과 레일 사이에 마찰력을 향상시 키는 역할을 하였고, 2번 조성에서는 1번보다 금속과 세 라믹 분말의 함량은 낮지만 추가된 bakelite 계열 고분자 가 점착 특성을 1번 조성보다도 더욱 향상시켰다. 고분자 화합물인 bakelite는 우수한 접착력을 가진 재료로 금속 및 세라믹 분말과 차륜 사이의 접착력을 증가시키며, 고분자 화합물 구조에 존재하는 OH 및 CH3 곁사슬 구조들이 차 륜의 점착력을 증가시킨 것으로 판단된다[9].

    반면 고분자화합물의 양이 다량 첨가된 3번과 4번 조성 에서는 건식 및 습식의 경우 모두 점착계수가 마찰조절재 를 사용하지 않았을 때보다도 감소하였다. 이는 분말 간의 결합력을 향상시키는 고분자화합물의 함량은 늘어났지만, 실질적인 마찰력 향상에 영향을 미치는 금속 및 세라믹 분말의 절대 함량이 적어지게 되었기 때문으로 보인다.

    4. 결 론

    고속 열차의 주행 안정성을 확보하기 위하여 높은 점착 계수를 갖는 새로운 접촉형 벌크 마찰조절재를 복합재료 분말을 이용하여 성공적으로 제조하였다. 금속, 세라믹 및 고분자 분말이 모두 포함된 다양한 조성의 복합재료 분말 을 hot press를 이용하여 치밀화하였다. 실제 고속열차와 동일한 크기의 차륜이 설치된 점착시험기를 이용하여 건 식 및 습식 조건에서 점착계수를 구하였고, 건식 조건에서 는 차륜 및 레일에 이물질이 없이 마찰조절재의 역할로 높은 점착계수를 나타낸 반면, 습식 조건에서는 수분에 의 해 차륜과 레일 표면에 얇은 수막을 형성하여 윤활제로 작용함으로써 점착계수가 건식에 비해 상대적으로 감소하 였다.

    고속 차륜-레일 시험기를 이용한 점착계수 시험 시, 마 찰조절재에 의하여 차륜의 표면에 손상이 발생한다면, 슬 립이 진행될 수록 점착계수가 증가하여야 하지만, 슬립률 이 1% 이상에서 일정한 점착계수가 일정한 것을 확인할 수 있으며, 습식 상태에서 물 분사에 의한 마찰조절재에 손실이 발생할 수 있지만, 본 연구에서는 특정 조성에서 점착 계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 건식 및 습식 조건 모두 본 연구에서 제조한 마찰조절재 사용 시 차륜의 손상 및 마찰조절재의 손실이 적어, 충분히 실제 고속철도 차량에 적용 가능할 것으로 판단된다.

    복합재료 분말 조성에 따른 점착계수를 비교한 결과, 금 속 및 세라믹 함량이 낮거나 고분자화합물의 함량이 일정 수준 이상이었을 경우에는 전체적으로 점착계수가 감소함 을 알 수 있었다. 금속분말 40 wt%, 세라믹 분말 40 wt%, 고분자화합물 20 wt% 조성일 때 건식과 습식 조건에서 모 두 점착계수가 큰 폭으로 향상되는 결과를 얻었다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 철도기술연구사업의 연구비지원 (14RTRP-B067706-02)에 의해 수행되었습니다. 점착시험 기 사용에 도움을 주신 한국철도기술연구원 관계자 여러 분께 감사 드립니다.

    Figure

    KPMI-25-501_F1.gif
    Schematic of hot press process.
    KPMI-25-501_F2.gif
    High-speed wheel-rail friction tester.
    KPMI-25-501_F3.gif
    Friction modifier specimens with different chemical compositions described in Table 1.
    KPMI-25-501_F4.gif
    Adhesion test cycle with application of slip.
    KPMI-25-501_F5.gif
    Variation of adhesion coefficient according to chemical compositions in dry condition.
    KPMI-25-501_F6.gif
    Variation of adhesion coefficient according to chemical compositions in wet condition.
    KPMI-25-501_F7.gif
    Comparison of maximum adhesion coefficient according to chemical compositions in (a) dry and (b) wet conditions.

    Table

    Chemical composition of composite powders for friction modifier (unit: wt%)

    Reference

    1. M. S. Kim, K. H. Kim and S. J. Kwon: J. Korean Soc. Precis. Eng., 32 (2015) 603.
    2. G. D. Kim, H. Y. Lee, T. K. Ahn, J. S. Hong, S. Y. Han and K. Y. Jeon: J. Korean Soc. Railway, 6 (2003) 257.
    3. G. D. Kim, Y. J. Han, H. J. Park, S. Y. Lee and K. H. Han: Trans. Korean Inst. Power Electron., 6 (2001) 299.
    4. T. H. Lim, S. S. Kim, J. J. Choi, B. R. Lee and S. Y. Yang: J. Korean Soc. Precis. Eng., 24 (2007) 56.
    5. G. C. Jun, D. H. Hwang and D. E. Kim: Tribol. Lubr., 13 (1997) 68.
    6. R. M. German: J. Korean Powder Metall. Inst., 20 (2013) 85.
    7. H. K. Kim, K. T. Yang and H. J. Kim: J. Korean Soc. Saf., 22 (2007) 8.
    8. W. Wang, H. F. Zhang, Q. Y. Liu, M. H. Zhu and X. S. Jin: Proc. IMechE Part J: J. Engineering Tribology, 230 (2016) 611.
    9. W. S. E. Solyman, H. M. Nagiub, M. A. Alian, N. O. Shaker and U. F. Kandil: J. Radiat. Res. Appl. Sci., 10 (2017) 72.