KR0160597B1 - 레일용 절연패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철침목 및 레일 사이에 삽입되는 철침목에 관한 것이며; 그 목적은 절연성 및 충격흡수성을 갖을 뿐만 아니라 복원력이 향상된 레일용 절연패드를 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 종래에 사용되었던 에틸렌비닐아세테이트 (ethylene vinyl acetate)에 내마모성과 내노화성을 향상시키는 역할을 하는 스틸렌브타디엔고무(sthylene butadiene rubber) 및 경도를 높여주는 하이스틸렌(high sthylene)수지를 사용하거나 또는 상기 조성물로 이루어지는 절연패드의 내부에 복원력 향상은 물론 수명의 향상을 꾀하기 위하여 보강섬유를 삽입시키고 필요에 따라 패드의 표면에 다양한 홈을 형성시킨 레일용 절연패드에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

레일용 절연패드

본 발명은 철침목과 레일(rail) 사이에 삽입된는 절연패드(pad)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 우수한 절연성을 갖는 한편 충격흡수성이 양호한 레일용 절연패드에 관한 것이다.

철도 선로에 사용중인 침목은 종래에는 목침을 많이 사용하였으나 산림보호 측면과 경제성 등을 이유로 현재는 콘크리트침목으로 대체되었다. 그러나, 상기 콘크리트 침목은 무거워 운반 및 설치가 용이하지 않고 폐기시 재활용되지 못하고 있을 뿐만 아니라 수명이 짧고 특히 압축변형율이 목침목에 비하여 작기 때문에 열차가 통과할 때 충격흡수성, 진동감쇄성 등이 떨어지는 단점이 있어 현재는 철침목의 사용이 증대되고 있다. 철침목은 보통 열악한 환경하에서 사용될 수 있어 산업용, 구체적으로는 광산 및 제철소 등의 철도구간에서 주로 사용되고 있다. 세계적으로는 산악지대가 많은 유럽에서 상기 철침목에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 국내에서는 포항제철(주)에서 지난 수년간의 연구 끝에 제철소내의 쇳물운반용으로 약 200여개의 철침목이 시험 부설된 바 있다.

한편, 침목과 레일 사이에는 완충역활을 해주는 절연패드가 있어야 하는데, 철침목에 사용되는 절연패드는 목침과 콘크리트침목과는 달리, 철침목과 레일간의 강한 탄성체와의 결합으로 열차의 승차감 등을 저하시키는 것을 방지할 뿐만 아니라, 특히 레일과 철침목간에 통전이 되어 선로의 건널목 등에서 전기적인 신호의 간섭을 일으키는 것을 방지하여 사고의 위험성을 예방하는 역할을 해 준다. 보통 침목과 레일 사이에는 고무를 이용한 판상의 절연패드가 삽입되는데, 제1도 내지 제3도에 나타난 바와 같이, 레일용 절연패드(1)는 절연체(2)를 끼고 레일크립(3)에 의해 연결 된 침목(4)과 레일(5) 사이에 삽입되어 고정부재(6)에 의해 고정된 상태에서 전기적인 신호를 절연해 주며, 열차의 운행시 진동을 흡수해 주는 중요한 기능을 한다.

이러한 레일용 절연패드는 보통 천연고무(natural rubber), 합성고무(synthetic rubbers), 또는 열가소성 플라스틱(thermo-plastics) 등이 사용되며, 그 형상에 따라 평면성, 홈형등 다양한 모양으로 개발되어 사용중에 있다.

그런데, 철침목에 사용되는 절연패드의 경우 현재 특별히 개발된 것이 없고 종래의 콘크리트침목에 사용중인 열가소성 수지인 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate; 이하, 단지 'EVA') 재질의 절연패드를 그대로 사용되고 있는데, 상기 EVA 절연패드의 경우 영구압축변형 및 내열노화물성 등이 취약한 단점을 갖고 있기 때문에 그 수명이 약 1년 정도에 지나지 않는다. 또한, 천연고무를 이용한 절연패드는 콘크리트침목과 같이, 열전도성이 없고 복원력과 진동흡수성만을 요구하는 곳에는 적합하나 복사열이 심한 철침목에 그대로 적용할 경우 다양한 환경변화에서 장기간 누적압축에 따른 고무와 철과의 화학적 반응 및 열에 의한 노화에 특히 약한 것으로 나타났다. 즉, 철침목 사용시 목침과 콘크리트침목에 비해 복사열을 많이 받기 때문에 철의 부식에 따른 패드와의 화학적 반응 등으로 콘크리트침목에 맞게 개발된 절연패드를 그대로 사용할 경우는 그 기능을 상실하게 된다.

이에 본 발명은 철침목에 적합한 절연성 및 충격흡수성을 갖을 뿐만 아니라 복원력이 향상된 레일용 절연패드를 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 레일과 침목과의 결합구성 단면도.

제2도는 제1도의 사시도.

제3도는 제1도의 평면도.

제4도는 본 발명에 따른 편측홈을 갖는 절연패드의 일례도.

제5도는 본 발명에 따른 원형홈을 갖는 절연패드의 일례도.

제6도는 본 발명에 따른 사각홈을 갖는 절연패드의 일례도.

제7도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 인장강도를 나타내는 그래프.

제8도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 인열강도를 나타내는 그래프.

제9도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 신장율을 나타내는 그래프.

제10도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 경도를 나타내는 그래프.

제11도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 반발탄성율을 나타내는 그래프.

제12도는 종래 및 본 발명재에 대한 노화전후의 압축영구변형율을 나타내는 그래프.

제13도는 종래 및 본 발명재에 대한 홈형상에 따른 압축영구변형율과의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은 침목과 레일 사이에 삽입되는 절연패드에 있어서, 상기 절연패드는 PHR로, 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate) : 30-50, 스틸렌브타디엔고무(sthylene butadiene rubber) : 30-50 및 하이스틸렌(high sthylene)수지 : 20-30에 가황제(S) : 0.75-1.25, 가황촉진제 : 2.2-5, 충진제 : 25-35, 백카본(white carbon): 30-50, 노화방지제 : 1.5-1.7, 가소제 : 4..5-5.5, 및 분산제 : 4..5-5.5의 범위로 첨가된 원료고무로 이루어지는 레일용 절연패드에 관한 것이다.

이하, 본 발명은 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 절연패드는 종래 사용되던 절연패드와는 달리 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate)에 스틸렌브타디엔고무(sthylene butadiene rubber) 및 하이스틸렌(high sthylene)수지를 첨가한 고무원료를 이용한다. 이때 첨가되는 스틸렌브타디엔고무는 내마모성 및 내노화성을 항상시켜주는 역할을 하며 또한 하이스틸렌수지는 경도를 높여주는 역할을 한다. 상기 고무원료의 비는 에틸렌비닐아세테이트 30-50PHR, 스틸렌브타디엔고무:30-50PHR 및 하이스틸렌수지: 20-30PHR의 범위로 혼합됨이 적당하다.

그리고, 상기 고무원료에 첨가되는 부원료는 통상적인 양이면 무방한데, 바람직하게는 가황제(S)의 경우 0.75-1.25PHR, 가황촉진제는 2.2-5PHR, 충진제는 25-35PHR, 백카본(white carbon)은 30-50PHR, 노화방지제는 1.5-1.7PHR, 가소제는 4.5-5.5PHR, 및 분산제는 4.5-5.5PHR의 범위로 첨가되면 좋다.

상기 가황촉진제는 보통 테트라메틸티오람 디술파이드(tetramethylthuram disulphide) 및 N-시클로헥실-2-벤조티아질 술펜아미드 (N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide)이 사용된다.

또한, 상기 충진제로는 semi-seinforcing furance(SRF)가 적당하다. 상기 백카본은 실리카가 사용되며, 또한 노화방자제로는 2-메르캅토벤조이미다졸(2-mercaptobenzoimidazole) 및 n-페닐-2-나프틸아민(n-phenyl-2-naphtylamine)이 적당하다. 상기 가소제로는 다옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate)가 적당하고, 분산제로는 스테아르산(stearic acid) 등이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 절연패드는 상기와 같이 조성되는 원료고무의 내부에 면섬유(cotton) 또는 유리섬유(glass fiber) 중 적어도 하나 이상의 보강재가 다수개의 층을 형성하면 충격흡수성 또는 전단성 등이 보완될 수 있다.

이같은 조성으로 이루어진 절연패드의 실예를 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제4도 내지 제6도는 본 발명에 따른 조성으로 제작된 절연패드를 나타내는데, 각각의 절연패드는 그 상부 또는 하부 중 적어도 한면에 다수개의 홈 (12)(22)(32)이 형성되고, 그 측면에는 고정부재가 삽입될 수 있는 절개부(6a)가 마련되어 있다.

즉, 제4도에는 고정용 절개부(6a)측으로 평행하게 다수개의 직선홈(12)이 형성된 절연패드(10)가 예시되어 있는데, 상기 직선홈(12)의 경우에는 패드의 일면에만 홈이 형성되는 편측홈이 적합하다.

이러한 홈들은 제4도와 같은 직선형태뿐만 아니라 제5도와 같이 패드(20)의 중심을 동심원으로 하여 다수개의 원형홈(22)으로 형성될 수도 있으며, 또한 제6도와 같이 패드(30)의 중심을 기준으로 방사방향을 향하여 다수개의 사각홈(32)으로 형성될 수도 있다.

또한, 제4도 내지 제6도에도 나타난 바와 같이, 각각의 절연패드(10)(20)(30)의 내부에는 충격흡수성 및 전단성 향상을 위해 보강재 섬유층(13)(23)(33)이 삽입되어 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

하기표 1과 같은 조성으로 EVA, SBR 및 HS를 혼합하여 수차례 내림작업을 실시하면서 유황을 조금씩 가하고, 밀(mill)에 밀착되도록 하였다.

이렇게 제조된 각각의 고무에 대한 물성시험결과, 열가소성수지인 EVA 함량이 높은 비교예의 경우 고무상 탄성이 저하될 뿐만 아니라 내부에 면섬유나 유리섬유 등의 보강재 삽입시에도 접착력이 크게 저하됨을 알 수 있었다. 반면에 본 발명에 따른 조성을 만족하는 월료로 제조된 고무의 경우 비교예 또는 종래의 EVA재보다 우수한 탄성력을 나타내었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 제조된 발명예(2)의 고무원료를 사용하여 절연패드를 제조하였다. 이때 제조된 패드 가운데 내부에 보강재층이 삽입되지 않고 고무만으로 제조된 패드를 발명제(A)로 하고, 발명재(3)의 고무원료에 면섬유를 보강시킨 패드를 발명재(C), 유리섬유를 보강시킨 패드를 발명재(G)로 하였다. 상기 패드중 보강섬유를 삽입한 패드인 발명재(C)(G)는 각 보강섬유의 양면에 발명재(3)의 고무와의 접착성을 좋게 하는 접착제를 도포한 다음 일정항 크기의 금형으로 보강섬유와 고무를 절단하고, 프레스의 표면온도를 일정하게 예열한 후, 혼합된 고무와 그 사이에 삽입된 보강섬유를 가열성형시키고, 이후 냉각하여 절연패드로 만들었다. 그리고, 각각의 절연패드 발명재(A)(C)(G) 및 종래의 고무원료인 EVA로 만든 절연패드의 상면에는 제4도와 같이 각각 직선홈을 형성시켰다.

이와 같이 제작된 패드들은 노화(aging) 전후의 물성을 알아보기 위해 100℃, 72시간 동안의 가열하여 노화시킨 다음, 상온상태의 물성치와 비교하였다. 상기 각 절연패드에 대한 물성시험은 JIS E-1117(완충용 궤도패드의 물성시험규격)에 의해 인장강도, 신장율, 반발탄성율, 경도 그리고 압축영구변형율을 측정하여 실시하였으며, 그 결과들은 하기 표 2 및 제7도 내지 제12도에 나타내었다.

한편, 종래재의 경우 상기 노화조건에서 실험도중 100℃ 이하의 온도에서 녹아버려 결과치의 측정이 곤란하였다.

상기 인장강도 및 신장율은 상기 규격에 따른 아령형 3호 시험편을 제작한 후, 100㎜/min의 인장속도로 측정된 3회의 실험값을 각각 산술평균하였으며, 인열강도는 상기 규격에 따른 B형 시험관을 사용하여 국부적인 응력집중, 결정화에 의한 김정도를 정량화하여 측정하였다.

또한, 반발탄성은 일정한 하중(W)을 가진 반구형의 충격봉이 초기 높이(h₀)에서 고무표면에 낙하할 때 갖는 반발높이(h₁)와의 백분율(h₁/h₀), 즉 반발탄성율로 표시하였다.

그리고, 경도는 스프링식 쇼아(Shore)사의 durometer A형을 사용하여 시험편을 가압후 30초후의 일정하게 유지되는 값을 3회 측정하고, 이를 산술평균한 값으로 계산하였다.

상기 압축영구변형시험은 절연패드에서 절취한 원형시편을 공기 가열식 노화시험기를 이용하여 JIS K6301에 따라 5군데를 측정한 뒤 그 평균값을 구하고 하기식에 의해 압축영구변형율(C)을 계산하였다.

C = ( t₀- t₁) / t₀x 100

단, t₀: 시험편의 초기두께

t₁: 시험편의 최종두께

제7도 내지 제9도는 발명재(A)(C)(G) 및 종래재에 대하여 노화 전후 각각 인장강도, 신장율 및 인열강도를 비교한 그래프로서, 먼저 상기표2 및 제7도에 나타난 바와 같이, 본발명재(A)(C)(G)의 경우 JIS에서 규정한 인장강도인 120㎏/㎠보다 상회하고 있는 반면 종래재의 경우 규격이하의 값을 가짐을 알 수 있었다. 특히, 발명재(A)의 경우는 섬유보강된 발명재(C)(G)의 경우보다 인장강도 측명에서는 향상된 결과를 보이고 있고 더욱이 발명재(A)의 경우 가열경화후에는 더욱 인장강도가 향상되었다. 이는 섬유보강 절연패드의경우 일정하중이상을 받으면 고무와 섬유간의 분리현상으로 인장강도가 다소 저하되는 것이다. 그러나, 발명재(C)(G)의 경우 후술되는 특성에서 보다 우수한 점이 있다.

한편, 제8도에 도시된 인열강도 측면을 비교해 보면 발명재(A)(C)(G)의 경우 서로 노화 전후 별로 차이가 없으나, 발명재의 경우 종래재보다도 모두 우수한 결과를 보이고 있는데, 이로부터 종래재의 경우 발명재의 경우보다 국부적인 응력집중에 의한 찢김에 취약함을 알 수 있다. 특히, 유리섬유로 보강된 발명재(G)는 상대적으로 가장 우수한 인열강도를 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 제9도와 같이 각 절연패드의 신장율을 비교해 보면 발명재(A)(C)가 가장 신율이 양호하였으며, 발명재(G)의 경우 고무와 유리섬유간의 분리현상으로 가장 낮은 신율을 나타내었고, 전반적으로 노화후의 신율은 경화에 의해 50% 정도 낮아짐으로 알 수 있었다. 그러나, 신율은 절연패드의 성능에는 큰 영향을 미치지 않는 정도에 불과하였다.

제10도 내지 제11도는 노화 전후 각각에 대한 경도와 반발탄성을 도시한 것으로서, 경도의 경우 제10도와 같이, 보강섬유의 유무와는 차이가 없고 노화후에는 전반적으로 노화전에 비해 다소 높아짐을 알 수 있었다. 이는 절연패드고무가 가열경화됨을 의미하는 것이다.

한편, 절연패드의 특성중 중요한 특성인 반발탄성의 경우 종래재가 가장 높아 발명재 (A)(C)(G)에 비해 충격흡수성이 크게 뒤짐을 알 수 있다.

또한, 제12도에 도시된 바와 같이, 압축영구변형율(C)의 경우 발명재 (A)(C)(G)는 종래재보다 2배이상 향상된 결과를 나타내고 있다. 상기 압축영구변형율은 절연패드의 복원력, 즉 장기간 탄성을 유지하고 진동흡수정도를 나타내는 척도인데, 만일 복원력이 취약한 절연패드를 목침과 콘크리트침목에 비해 복사열이 많이 받는 철침목에 그대로 적용하면 레일을 지지하고 있는 절연패드의 상면이 열차 운행시 다양한 하중을 받게 되어 진동흡수 및 절연성을 유지하는 기능등이 상실하게 된다는 점에서 가장 중요한 패드 특성이다.

결국 상기 결과에서도 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 조성된 절연패드를 사용하면 종래의 EVA 절연패드와 거의 동등한 특성을 지니면서도 특히 복원력이 우수하여 충격흡수성 및 진동흡수성 등이 양호한 결과를 얻을 수 있다.

[실시예 3]

절연패드의 표면에 형성된 홈 형상의 영향을 알아보기 위해 발명재(3)의 고무에 서로 다른 형상의 홈을 형상시키고, 각각의 경우에 대하여 압축영구변형시험을 행하고, 그 결과를 종래재와 함께 제13도에 나타내었다.

제13도에 나타난 바와같이, 절연패드의 양측에 사각형홈 및 원형홈을 형성시킨 절연패드의 경우 편측에 직선홈이 형성된 절연패드에 비해 약 2배 정도 이상의 복원력을 지니고 있으며 또한 종래재에 비해서는 약 3배 정도 이상의 복원력을 지니고 있음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성을 만족하는 절연패드는 종래의 에틸렌비닐아세테이트수지로 제작된 절연패드에 비하여 절연성 및 충격흡수성을 갖을 뿐만 아니라 복원력이 향상되어 특히 다량의 복사열을 받는 철침목에 적합하게 적용될 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 침목과 레일 사이에 삽입되는 절연패드에 있어서, 상기 절연패드는 PHR로, 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate) : 30-50, 스틸렌브타디엔고무(sthylene butadine rubber) : 30-50 및 하이스틸렌(high sthylene)수지 : 20-30에 가황제(s) : 0.75-1.25, 가황촉진제 : 2.2-5, 충진제 : 25-30, 백색카본(white carbon) : 30-50, 노화방지제 : 1.5-1.7, 가소제 : 4.5-5.5 및 분산제 : 4.5-5.5의 범위로 첨가된 원료고무로 이루어짐을 특징으로 하는 레일용 절연패드.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연패드는 그 고무원료의 내부에 면섬유(cotton) 또는 유리섬유(glass fiber)가 삽입되어 적어도 하나이상의 층을 형성하여 구성됨을 특징으로 하는 레일용 절연패드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연패드는 그 상부 또는 하부 중 적어도 한면에 다수개의 홈이 형성되고, 그 측면에는 고정용 절개부(6a)가 마련됨을 특징으로 하는 레일용 절연패드.
4. 제3항에 있어서, 상기 홈은 고정용 절개부(6a) 측으로 평행하게 형성되는 다수개의 직선홈(12)임을 특징으로 하는 레일용 절연패드.
5. 제3항에 있어서, 상기 홈은 패드의 중심을 동심원으로 하여 다수개 형성된 원형홈(22)임을 특징으로 하는 레일용 절연패드.
6. 제3항에 있어서, 상기 홈은 패드의 중심을 기준으로 방사방향으로 향하여 대수개 형성된 사각홈(32)임을 특징으로 하는 레일용 절연패드.