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Abstract

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.

Table 1

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

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.

Fig. 1

Schematic of hot press process.

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.

Fig. 2

High-speed wheel-rail friction tester.

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.

Fig. 3

Friction modifier specimens with different chemical compositions described in Table 1.

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.

Fig. 4

Adhesion test cycle with application of slip.

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.

Fig. 5

Variation of adhesion coefficient according to chemical compositions in dry condition.

Fig. 6

Variation of adhesion coefficient according to chemical compositions in wet condition.

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].

Fig. 7

Comparison of maximum adhesion coefficient according to chemical compositions in (a) dry and (b) wet conditions.

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.

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