A Study on the Wearing Phenomenon Analysis of Pantograph Slider for the Subway Cars

(1)

전동차 판토그라프 주습판 마모 현상분석에 관한 연구

A Study on the Wearing Phenomenon Analysis of Pantograph Slider for the Subway Cars

김영규^†·권석진¹·원시태²·이희성³

Young-Gyu Kim

^·

Seok-Jin Kwon

^·

Si-Tae Won

^·

Hi-Sung Lee

1. 서 론

판토그라프

(pantograph)

는전기기관차또는전동차에설치 되어가선과접촉하는집전장치로서

,

전동차지붕위에설치 되며상단부에집전판이설치된다

.

판토그라프의형태와습 동부재질에따라전차선이나판토그라프 마모량은큰편차 를보인다

.

특히

,

날씨변화에따른판토그라프주습판

(slider)

과 전차선의상대적인마모량

,

마모형태는아크에의한급 격한마모와 더불어전차선과판토그라프주습판의 수명을 결정하는 주요인자이다

.

현재전동차에사용되는판토그라프주습판의마모정도 는기상조건의영향을크게 받으며

,

특히우기 시에는과마

모현상과 편마모현상이발생하여전동차관리및 운용에많 은제약을주고 있다

.

주습판은높은전기전도도

,

내아크성

,

내후성

,

윤활성이요구되며우수한내마모성이요구된다

.

이 를 위한주습판의재료로는동계

,

철계

,

카본계주습판이사 용되고있으며

,

본연구에서는동계주습판소재의배합비 변경을통하여

,

전기전도도및내아크성을향상시키고

,

기존 제품과그 성능을비교하였다

.

동계 주습판은여러가지우 수한성질이많으나내마모성이 다른재질에비해떨어진다 는단점을지니고있다

.

특히우기시에는수분에의하여가 선에형성된윤활성분이손실되어

,

^{마찰계수가}^증가되고^수

분에 함유된산소

(O

2

)

에의해주습판의주성분인동

(Cu)

성 분을 산화시켜 마모가 촉진되는 단점이 있다

[1].

이러한특성으로 인하여

,

동계주습판은과마모및 편마 모 현상에의해사용수명이급속히단축된다

.

이러한특성 은전동차유지관리및보수비용의상승을초래한다

.

본연 구에서는 동계소결합금의재질특성에따른 재질구성과제 조공정변경으로

,

내마모성이향상된동계주습판을제시한 Abstract

This paper is about the copper slider with high electric conductivity and resistance arc. A new copper slider which has enhanced resistance against frictional wear was developed. By alteration of its material components and manu- facturing process, its material property has been enhanced. To verify its enhanced wear-resisting capacity, a laboratory test and a field test were carried out. As the laboratory test, a dynamo test was performed and its test result showed that the developed new copper slider had superior wear-resisting capacity to the currently used copper slider. The new one showed double durability of the current one and normal wearing characteristics. A filed test was performed on the Metro subway lines at service by Seoul Metro. The field test showed similar results to those from the laboratory test, which the developed new copper slider has double superior durability and sound wearing patterns. Authors strongly believe that the replacement of the copper slider currently in use by the developed new one will contribute to the economic and efficient operation of the subway line system.

Keywords

: Pantograph, Collector shoe, Main wearing slider, Sintered copper alley

초 록 본 논문은 우수한 전기전도도 및 내 아크성을 가진 동계주습판에 관한 것이다

.

내마모성이 향상된 동 계 주습판을 개발하여 실내실험과 현장실험을 수행하였다

.

주습판 재료의 성분 조성을 변경하여 재질과 제조공 정을 개선하였으며

,

실내실험과 현장실험을 통하여 기존 주습판과 내마모성을 비교하였다

.

실내 실험은 다이나 모 실험을 통하여 이루어졌으며

,

실험결과 개선품의내마모성은 기존 제품에 비해

2

배 정도 향상되었으며

,

균질 한 마모패턴을 보여주었다

.

또한 공용중인 도시철도 구간에서 현장 시험을 수행하였으며

,

현장실험결과도 실내 실험과 같이 개발된 개선품의 내구성이 기존품에 비해

2

배 정도 향상되었으며

,

이상마모가 발생하지 않는다는 것을 확인하였다

.

내구성이 향상된 본 개발품의 현장 적용 시

,

경제적이고 효과적인 도시철도 노선의 유지보수 가 가능할 것으로 판단된다

.

주요어 : 판토그라프

,

습판체

,

주습판

,

소결동합금

†교신저자 : ^{서울산업대학교}^{철도전문대학원} E-mail : [email protected]

1한국철도기술연구원차륜궤도연구실

2서울산업대학교제품설계금형공학과

3서울산업대학교철도전문대학원

(2)

다

.

다이나모시험과실차시험을 통하여

,

사용중인주습판

(

이하규격품

)

과새로운방식으로 구성한주습판

(

이하 개선

품

)

의 성능을측정하였다

.

측정된결과를이용하여

,

주습판 의마모현상을비교분석하고

,

전동차용최적주습판을제안 함으로써전동차의집전성능을향상시켜

,

안전운행및승차 감 향상

,

유지보수 비용 절감을 이루고자 한다

.

2. 주습판의 재료 특성 및 마모현상

주습판은전도도와집전능력이 우수하고

,

접촉점에서에 너지손실이없어야하며

,

상대전차선에대하여 우수한윤 활특성과낮은 마찰계수로습판의마모를최소화하여야 한 다

.

또한고속주행시에도외력에의한구조적인 손상이없 도록적절한기계적강도를갖추어야하며

,

아크등에의한 전력손실이 발생하지 않아야 한다

.

주습판마모의주요원인은전기적인마모와기계적인마 모이며

,

^이 ^외에도^복합적인^원인에^의해서^마모가^진행되

며

,

주행속도및 압상력

,

가선전류

,

기상조건에따라주습판 의마모량이변화하는것을마모현상분석을통하여알 수 있다

.

마찰속도와마찰계수는반비례하는경향을보이며

,

기 계적마모는 마찰속도에비례하나전기적마모는 마찰속도 에반비례하는복합적인마모현상을나타낸다

[2].

압상력증 가에따라마모량은감소하며

,

^전류량이^{증가할수록}^마찰열

과아크에의한열화가증가하여주습판마모량이증가한다

.

아크는이선율과관계되는인자를가지며이선으로인한전 류량이 같이 증대함을 알 수 있다

[3].

주습판의편마모는 복합적인원인에 의해급속하게진행 된다

.

기온의하강으로전차선에서리가맺혀있을경우

,

이 선율이증가하여마모량이증가하며

,

^강우 ^시^또는^다습 ^조

건에서는주습판및전차선의표면에형성된윤활피막의부 족으로마찰계수가증가하여 주습판의편마모발생과 마모 량이증가한다

.

전기적인원인인이선으로발생하는아크열 에의한편마모와기계적인원인인재질에의한마모는우 기에집중적으로나타나는현상으로서

,

편마모의주인자는 지상구간에서우수에의한윤활제유실이다

.

^이에^따라^주

습판표면에형성된윤활피막이파괴되어주습판마모가급 속히진행되며

,

^전차선의^편위가^있지만^주습판^{중앙부위를}

중심으로 마모가진행하게되어주습판중앙부위 편마모현 상이 집중적으로 발생하게 된다

.

3. 동계 주습판 재료 3.1 동계 주습판의 재료 종류 및 선정

동계 주습판은동

(Cu),

^주석

(Sn),

^탄소

(C)

^및^내마모^성분

등을첨가하여소결합금으로제조되고있으며

,

동

(Cu)

은높 은전기전도특성으로동계주습판의주성분이된다

.

^동

(Cu)

분말의함량이

88w%

이하인경우에는집전능력이저하되

며

, 88w%

^이상인^경우에는^전기^전도도는^양호하나^내마모

성 금속이첨가되어있을경우마찰특성이저하되어

,

마찰

상대물인가선

(trolley wire)

^의^마모를^증가시킬^우려가^있어

바람직하지않다

.

주석

(Sn)

은구리의내마모성및강도와같 은 기계적성질을향상시키는역할을한다

.

^주석의^함량이

8w%

이하이면주습판의기계적 강도향상효과가거의없

고

, 12w%

^이상이면^{내마모성금속이}^{함유되더라도}^저융점^금

속인주석의과다분포로내아크성및내열성이현저히감소 되고도전성도저하된다

.

^흑연

(C)

^은 ^주습판에^내아크성^및

윤활을부여하는작용을하며

, 0.5w%

이하인경우에는효

과가 미미하며

, 3w%

^이상인^경우에는^성형과^소결성이^떨

어져기계적강도가현저하게낮아진다

.

내마모성첨가원소

에따른동계주습판의물리적특성을

Table 1

에정리하였다

.

내마모성첨가원소분말의크기는

45

µ

m~1000

µ

m

범위를

갖는입자를사용함이적당하다

.

^{첨가금속분말}^크기가

45

^µ

m

이하인경우에는습동마찰시쉽게분리되어내마모성이떨

어진다

. 1000

^µ

m

^이상인^경우 ^균일한^혼합을^이루기^어려워

편석이 발생되기쉽고가선과의 습동마찰면이커져가선의 마모를증가시키며

,

편석에의한주습판의국부적인마모가 발생하게 되어 좋지 않은 결과를 가져온다

[4].

소결온도는고융점의내마모성금속원소가첨가된경우

,

종례의 주습판 소결온도에 비해 고온이 되어야 하며

,

약

650

^o

C~850

^o

C

^의 ^온도가^권장된다

.

^{소결온도가}

650

^o

C

^이하이

면

,

소결이미흡하여마모량이증가됨은물론기계적강도 Table 1내마모성첨가원소에따른물리적특성 구분

조 성 (w%)

비중 고유 저항

인장 강도

경 도

마모 량

Cu Sn C Fe Cr Mo W µΩ·cm cm^gf/² HB g/100hr

A 87 5 3 4 7.24 21 1950 62 5.99

B 89 3 5 2 7.13 23 1820 56 6.24

C 84 10 1 5 7.55 25 1710 52 2.38

D 86 8 1 5 7.58 29 1590 49 2.43

E 84 8 1 5 7.64 25 1740 52 2.57

F 86 8 1 5 7.64 28 1620 51 2.64

G 84 10 1 5 7.75 24 1680 52 2.29

H 86 8 1 5 7.78 27 1570 48 2.36

Fig. 1정상마모와편마모비교

(3)

저하를초래한다

.

내마모성첨가금속의융점은주습판의주

성분인구리

(Cu)

보다매우높아

, 850

^o

C

이상에서소결하게

되면드래깅

(dragging)

현상이생겨바람직하지않다

.

또한

분말의접촉면적을넓히고 소결력을증가시키기위하여 가 압성형시의가압조건은약

2.5~3.5t/cm

²의압력으로하고있

다

[4].

내마모성첨가원소의입자크기및소결온도에따른물

리적 특성을

Table 2

에 정리하여 나타내었다

.

3.2 미세조직에 의한 영향

주습판체의미세조직은크게소지성분

(Cu),

윤활성분

(C),

내마모성분등으로이루어지며

,

^각 ^{미세입자의}^크기^및 ^분

포

,

그리고 입자의형상에 의해그 특성이결정된다

.

일반 적으로소결품의경우

,

^입자가^{일정크기를}^유지해야^하며

,

^입

자의분포는편석없이전체적으로균등하게분포해야하고

,

입자의형상은사용 목적에따라균일한모양을하고 있어 야한다

.

또한주습판의 경우

,

최종소결가공된후에 도전성

기계유를 함침하기때문에기공의크기및모양은일정해야 한다

.

또한 기공의 분포는 편중이 없어야 한다

.

Fig. 2

에서나타낸세 가지주습판의 미세조직을 비교해

보면

,

소지성분은동등한것으로사료되며내마모성성분은

J

사제품측이조금조대한것을알 수 있다

.

윤활성분인흑 연의형상의경우

J

사제품과개선품의경우크기및 형상이 동등하며 기존품의경우흑연의형상이조대하고 그형상이 수평으로배열된판상의형태가존재한다

.

일반적으로흑연 의 형상은수직으로배열되어야하며그 형상이구상에가 까울수록 좋은 것으로 알려져 있다

.

흑연은잘알려진고체윤활제이며가소성

(plasticity)

이커 서복잡한형상의상대재라도자동조정

(self-adjusting)

으로대 응이용이하다

.

그러나그 형상이판상이되어가선과평행

하게 놓이지못할 경우

, Fig. 3(a)

에 나타난것과 같이흑연

이 윤활제역할을 하지못하고균열을유도하게되어가선 과의충돌로 벽개파괴를야기할수있다

.

개선품의경우이 러한문제점을개선하기 위하여입경이작고구상에가까운 흑연입자를적용하여가선에대한평활한배열

(configuration)

이 유지되도록 하였다

.

금속간화합물은높은화학적안정성

,

고경도와비등점으 로 아크가빈발하는환경에서도보전성

(integrity)

이우수하

다

. Fig. 4(a)

에서와같이아크에의한크레터

(crater)

내에서

도 금속간화합물의형상은거의변화가없으며

,

^이를^유지

하지못한다면

,

크레터내부에용손이심화되어주습판의마

모는가속화될것으로생각된다

. Fig. 4(b)

의경우 크레터의

크기및깊이가상당함을알수 있으며

, Fig. 4(c)

의경우금

속간화합물에의해크레터의깊이및크기가상대적으로미 소하다

.

이는금속간화합물에의해아크에대해보호되고

,

Table 2 내마모성첨가원소입자크기및소결온도에따른물 리적특성

구 분

조성(w%)

비중고유 저항

인장

강도 경도 마모량입자 크기

소결

Cu Sn C Cr 온도

C 84 10 1 5 7.55 25 1710 52 2.38 125 I 84 10 1 5 7.54 27 1460 46 4.88 40 J 84 10 1 5 7.57 25 1660 54 5.06 1500 C 84 10 1 5 7.55 25 1710 52 2.38 750 K 84 10 1 5 7.18 29 1380 40 5.43 600 L 84 10 1 5 7.58 21 1740 53 5.11 900

Fig. 2주습판의기본적미세조직비교

Fig. 3주습판흑연의미세조직

(4)

기지금속과금속간화합물과계면결합력을증대시켜

,

금속 간화합물이탈락하지않고지속적으로그역할을수행하였 기 때문이다

.

동계주습판의단점은우기시수분이가선에형성된윤 활성분

(

고체윤활제피막

)

을 세척시켜마찰계수가증가되고

,

수분에용해된산소

(O

²

)

에 의해주습판의주성분인동

(Cu)

성분을산화시켜마모가촉진되는것이다

.

이를예방하기위 해서는습판체에우기시에도견딜 수있는강력한유막을 형성하여습판체의빗물에 의한마모성분유실을 보호하고 동성분의산화를방지하여마모를최소화하여야한다

.

이와 같은보호막을유지하기위해

,

개선품은인 화합물의용해

(

溶解

)/

공동화

(

空洞化

)

공정으로 기지금속에 오일포켓

(oil

porket)

이 형성되도록 하였다

[4].

Fig. 5

에나타낸바와같이

,

개선품의기공크기는

0.45

µ

m

로기존품의

0.23

µ

m

보다

2

배가량크다

.

전동차의주행에의

해 발생되는 낮은기압

,

모세관

,

집전중 온도상승에의한 오일의점도감소로 표면에과도한오일배출이일어날수 있으나

,

^{오일포켓을}^만들고^기공경을^키운^결과^오일^저장

력

(

貯藏力

)

개선으로보호막보존성

(film retainability)

이 증

가하였다

.

그 결과

,

우기시에도습판체표면에보호막

(film)

을형성유지하게되어 습판체의마모는감소되었다

.

보호막

(film)

을 습판체표면에서체취하여적외선분광분석한결

과

,

함침유와동일한피크를나타내므로보호막

(film)

은 윤 활유막

(

^潤滑油膜

)

^성분으로^구성되어^있음을^알^수^있으며

,

^이

를

Fig. 6

에 나타내었다

.

4. 동계 주습판 재료의 마모 특성을 위한 다이나모 실험

4.1 마모실험 방법

전차선은서울지하철

4

호선에서설치운용중인것과동일 하게구성하고

,

^주습판과^{고체윤활제는}^{서울지하철}

4

^호선에

서운용중인 기존주습판과개선주습판을시험기에맞추 어재가공하여

Fig. 7

과같은다이나모시험을수행하였다

.

시험조건은주행속도

80km/h

정속운전조건

,

전류치

500A

의정 전류를인가조건

, 1,000km

연속주행조건으로건기

조건과우기조건으로구분하여시험을실시하였다

.

우기조 건을충족시키기위하여

,

^분

(

^分

)

^당^약

10cc

^의^물을^살포하면

서시험을진행하였다

.

평가기준은가선과집전판의마모량

(

중량

,

두께

)

으로측정하며시험전후전차선의 두께

,

주습

판과고체윤활제의두께및중량을각각측정하여결과를비 교하였다

.

4.2 실험결과 및 고찰

다이나모시험결과

,

^규격품^재질의^{주습판보다}^개선품^재

질의주습판의마모량이상대적으로적은것을확인할수있 Fig. 5기공크기비교

Fig. 6집전판의

film FT-IR

^분석

Fig. 4금속간화합물이미치는내아크성미세조직

(5)

었고

,

전차선의마모도미소하지만개선품재질의주습판이 상대적으로 적게 마모되는 것을 확인할 수 있었다

.

Fig. 8

과

Fig. 9

는수행된다이나모시험에따른주습판시

험체별마모량과마모패턴을보여준다

. Fig. 8

에나타낸바

와같이개선품

(SPC4H)

의 마모량은

0.335g/100km

로서

,

기

존품

(SPC2H)

에비해약

50%

정도마모량이감소하였음을확

인할수있다

. Fig. 10

에나타난바와같이시간경과에따

라개선품과기존품의마모정도는더욱큰비율로차이를

보이며

, Fig. 11

에서와확인할수 있듯이

,

개선품의경우 소

음도크게감소함을알수 있다

. Fig. 12

는 시간경과에따

른 주습판의 마모 표면 상태를 보여준다

.

Fig. 13

은기존의규격품과 개선품의건기조건과우기조

건에따른마모량을보여주며

,

여기서전차선마모량의단 위는두께

(mm)

이고주습판마모량의단위는무게

(g)

이다

.

본 측정자료를살펴보면

,

주습판의경우기존규격품은우기 시 마모량이크게증가하나

,

개선품의경우에는우기시에 도양호한마모상태를보여줌을알 수있다

.

^또한 ^우기

/

^건

기에상관없이 개선품의내마모성은기존규격품에 상당히 우수함을알수 있다

.

전차선의마모 측정결과마모량이미 소하지만규격품에서상대적으로많이진행된것을알수있

다

. Fig. 14

는 마모시험후 규격품과개선품의마모 상태를

시각적으로 보여준다

.

5. 전동차 적용 실험

개발된개선품을현재 운영중인서울지하철

4

호선구간 에 적용하여현장실험을수행하였다

.

서울지하철

4

호선은

총 연장

71.5km

로서국내에서 동계주습판을사용하는최

장 구간이며

, DC

전원과

AC

전원을혼용하여사용하며

,

지

상구간의 비율이

47%

로서 강수량에따라 주습판마모량의 편차가발생하여

,

규격품재질주습판과개선품재질주습 판의 마모를 비교하여 결과를 얻기에 적합한 노선이다

.

Fig. 15

와 같이

,

집전판에는

4

개의주습판과

2

개의고체윤

Fig. 12시간변화에따른표면상태

Fig. 13재질별마모량측정

Fig. 14실험후의규격품과개선품의마모비교 Fig. 8주습판마모량비교 Fig. 9주습판마모패턴

Fig. 10전차선마모량비교 Fig. 11재질별소음비교 Fig. 7다이나모실험

(6)

활제를조합하여장착하였으며

,

시험차량의영업운전후 차

량기지에입고될때의주습판중앙을중심으로좌

,

우

35mm

사이에서각주습판의최대마모발생위치에서측정하였다

.

버어니어캘리퍼스를사용하여마모량을측정하였으며

,

최

초 주습판의중앙부

15mm

두께부터시작하여최소측정단

위는

0.01mm

로 마모한도

3mm

까지약

1

주일단위로측정

하여 결과를 비교분석하였다

.

5.1 실험결과

전동차에대한현장시험은

ADV458

^편성에^대하여^수행

하였으며

,

동일편성내 규격품재질주습판과개선품재질 주습판을구성하여운행후 마모정도를측정하였다

.

^시험기

간은

2007

년

4

월에서

2007

년

9

월까지진행하였으며운행구

간조건은예년과달리장마기간이긴 결과로두재질의마 모정도가확연하게비교를 이루면서나타난것을 확인하였 고

,

^같은^기간^전차선의^{마모정도는} ^{정상적으로}^마모가^진

행되고 특이한 사안이 발생하지 않았다

.

Fig. 16

^과

Fig. 17

^은 ^기존^규격품과^개선품의^현장시험^후

상태를보여준다

.

기존규격품의경우

,

장마기간인우기를거 치면서이상마모가발생하고

,

이후이상마모가확대되고집 전판에서편마모가발생하였다

.

하지만

,

개선품의경우에는 이상마모는발생하지않고정상마모만이발생하여주습판의 내마모성능이크게개선되었음을시각적으로확인할수 있

었다

.[5]

Fig. 18

에서와같이기존품과개선품의 마모형태를비교

분석한결과

,

시험초기모두건기에는정상적인마모패턴이 이루어지고있으나비가오는시기에기존품의경우급격한 마모가 진행하였으며개선품은우기 시에도별다른영향을 받지않고정상적인마모형태로마모가진행하는것을알수 있다

.

Fig. 19

에서나타난바와같이

,

기존주습판에비하여개

선 주습판의수명이우수함을알수 있으며

,

주습판의표면

상태를비교하면

Fig. 16

과

Fig. 17

에서상대적으로개선주

습판의표면상태가전체적으로양호한것을 알수있다

.

표 면 상태는전차선에직접적으로 영향을주는인자이고마모 속도를결정하는중요한요소로작용하는것을확인하였다

.

또한교환주기를비교분석한결과기존주습판이 개선주습 판에비하여약

2

배정도조기에교환함을알수있으며

,

이 는 개선품이기존품에비해약

2

배의내구성을 갖는다는것 을 의미한다

.

6. 결 론

판토그라프의주습판에대한마모원인과재질특성을분석 하여내마모성이우수한동계주습판재료를개선하기위하 여 내마모성 금속원소의 첨가와그에따른분말입경의 조 정

,

적절한소결온도

,

흑연형상의조정

,

금속간화합물의적 당한크기와고른분포등을최적으로개선하고자하였으며

,

동계주습판재료의마모특성을통하여확인된개선재료를 소결합금방법으로제작된동계주습판의개선품과규격

(

기 존

)

품을다이나모실험및전동차실차실험에서마모현상을 분석하여실험을수행하였다

.

본연구에서도출된결과는다 Fig. 16개선주습판과기존주습판마모비교

Fig. 17기존주습판이상마모현상

Fig. 18실험초기마모정도비교

(4

월

~6

월

)

Fig. 19개선재질과기존재질마모정도비교 Fig. 15주습판마모측정위치

(7)

음과 같이 정리할 수 있다

.

(1)

주습판재질구성비율 조정과공정을새롭게구성하

여전동차에서최적의마모현상을갖는동계주습판재질을 제안하였다

.

(2)

다이나모실험 및전동차실차실험에서 개선동계 주 습판은규격

(

기존

)

품보다 약

2

배 우수한내구성을 갖는다

. (3)

주습판의마모연구는환경에대응하여개선하여야하 고특히

,

우기시마모개선에효과적인주습판의개발이중 요하다

.

(4)

공용노선에대한현장시험결과

,

개선동계주습판은

건기와우기 시에관계없이일정한 마모패턴을형성하였고 과마모및편마모현상이발생하지않았다

.

또한주습판의 개선품은규격

(

기존

)

품 보다사용수명연장이가능함을알 수있었으며

,

다이나모실험결과전차선의영향도상대적으 로 우수함을 확인하였다

.

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접수일(2009년 12월 16일), 수정일(2010년 7월 28일), 게재확정일(2010년 7월 30일)