KR102454674B1 - 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법 - Google Patents

철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것이다.

Description

철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법{Friction characteristic analysis method according to the component ratio of the friction pad for railway vehicles}
본 발명은 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것이다.
일반적으로, 철도차량에 설치되는 제동패드는 차축 또는 차륜에 설치된 디스크에 마찰력을 전달하여 철도차량의 속도를 줄이거나 정지시키는 역할을 하는 제동 부품이다.
이러한 제동패드는 약 10 ~ 20가지의 다양한 원료를 배합하여 제작하기 때문에 원료들의 배합과 비율에 따라 마찰계수의 등의 특성이 서로 다르게 나타난다.
철도차량의 종류, 운행 지역 등에 따라 요구되는 제동패드의 마찰계수 성능은 다양할 수 있는데, 이러한 제동패드의 마찰계수는 철도차량의 제동 성능을 결정짓는 매우 중요한 요소이므로, 제동패드를 사용하기 전에 마찰계수특성을 파악하기 위한 테스트가 필수적으로 수반되어야 한다.
상기 제동패드의 마찰계수특성을 파악하기 위한 테스트 방법으로는 통상적으로, 실제 철도차량의 제동력을 모사할 수 있도록 구성한 시험기를 이용한 반복 시험을 통해 마찰계수를 측정하는 방법을 사용하는데, 이러한 방법은 많은 시간과 비용이 소요될 뿐만 아니라, 실제 제동패드의 제작 전에는 마찰계수특성의 파악이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 제동패드의 마찰계수는 제작사와 원료의 배합에 따라 다를 수 있기 때문에 각 제작사, 배합의 비율에 따라 테스트를 수행해야 한다.
하지만 아직까지 제동패드의 제조에 사용되는 각 성분들이 함량 또는 비율에 따른 마찰계수 특성을 확인할 수 있는 방법이 제공되고 있지 않으므로, 제작사에서는 이미 알고 있는 배합과 성능에도 조합하여 사용할 수 없고, 철도차량의 운영기관에서도 제공받은 마찰재의 특성을 조합하여 활용할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 제동패드의 마찰계수특성을 파악하기 위한 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 줄일 수 있도록 하는 새로운 장치 또는 방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1823797호(2018.01.30.) 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0090830호(2019.08.02. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 원하는 마찰계수의 성능을 도출하기 위한 주요 성분 비율의 조절이 용이하도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 철도차량용 제동패드에 사용되는 주요 성분의 비율별 및 속도별 마찰계수 특성을 제공하여 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,
철도차량용 제동패드의 제조에 사용되는 성분들 중 마찰계수 특성에 영향을 미칠 수 있는 주요 성분들을 선정하는 주요 성분 선정단계와, 상기 주요 성분들의 비율을 알고 있는 조합들에 대한 반복 시험을 통해 각 주요 성분들의 함량에 따른 마찰계수의 변화를 측정하는 반복시험단계와, 상기 반복시험단계에서의 측정 결과를 이용한 회귀분석을 통해 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 도출하는 회귀분석단계와, 상기 반복시험단계에서의 측정 결과 및 회귀분석단계에서 도출된 결과를 이용하여 마찰특성맵을 생성하는 마찰특성맵 생성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 주요 성분 선정단계에서 선정되는 주요 성분은 황(S), 칼슘(Ca), 규소(Si), 바륨(Ba), 탄소(C), 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반복시험단계에서는 속도별 마찰계수의 차이를 확인하기 위해 제동패드의 회전 속도를 달리하면서 시험을 진행하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 회귀분석단계에서는 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 상한과 하한으로 구분하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 원하는 마찰계수의 성능을 도출하기 위한 주요 성분 비율의 조절이 용이하도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 효과를 추가로 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 2의 (a) ~ (f)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 반복시험단계에서의 각 성분별 마찰계수의 비율별 및 속도별 측정결과를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 8은 도 1에 나타낸 본 발명 중 마찰특성맵 생성단계에서 생성된 각 성분별 마찰특성맵을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 2의 (a) ~ (f)는 도 1에 나타낸 본 발명 중 반복시험단계에서의 각 성분별 마찰계수의 비율별 및 속도별 측정결과를 나타낸 도면이며, 도 3 내지 도 8은 도 1에 나타낸 본 발명 중 마찰특성맵 생성단계에서 생성된 각 성분별 마찰특성맵을 나타낸 도면이다.
본 발명은 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것으로, 그 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 주요 성분 선정단계(S10), 반복시험단계(S20), 회귀분석단계(S30) 및 마찰특성맵 생성단계(S40)를 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 먼저 상기 주요 성분 선정단계(S10)는 철도차량의 제동패드 제조에 사용되는 약 10 ~ 20가지의 성분들 중 마찰계수의 특성에 영향을 미칠 수 있는 주요 성분들을 선정하는 단계에 관한 것으로, 기존의 테스트 결과들을 활용할 수 있다.
즉, 통상적으로 철도차량의 제동패드는 철도차량에 장착되어 사용되기 전에 마찰계수 특성을 파악하기 위한 테스트를 필수적으로 수행하는데, 제동패드가 장착되는 철도차량의 종류나 철도차량의 운행 지역별로 요구되는 마찰계수 특성이 다를 수 있으므로, 위와 같은 조건들을 종합적으로 고려하여 제동패드에 필수적으로 포함되면서도 마찰계수에 영향을 미칠 수 있는 성분들을 주요 성분으로 선정할 수 있다.
상기 주요 성분 선정단계(S10)에서는 황(S), 칼슘(Ca), 규소(Si), 바륨(Ba), 탄소(C), 철(Fe)의 6가지 성분들이 주요 성분으로 선정될 수 있는데, 이는 상기 6가지 성분들이 철도차량의 종류나 철도차량의 운행 지역 등과 상관없이 제동패드의 성분으로 포함되면서도, 기존의 제동패드에 대한 마찰계수 특성 테스트 결과를 참고한 결과, 함량에 따른 마찰계수의 변화 특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 성분들이기 때문이다.
다음, 상기 반복시험단계(S20)는 주요 성분 선정단계(S10)에서 선정된 주요 성분들이 모두 포함된 기존의 마찰계수 특성 테스트 결과를 활용한 반복시험을 통해 각 성분들의 함량 변화에 따른 마찰계수의 변화를 측정하는 단계에 관한 것으로, 여기서 기존의 마찰계수 특성 테스트 결과는 주요 성분들의 비율을 이미 알고 있는 조합들에 대한 마찰계수 특성 테스트 결과를 의미한다.
즉, 상기 주요 성분들을 모두 포함하면서도, 각 주요 성분들의 비율, 즉 중량비(wt%)가 알려진 제동패드들에 대한 기존의 마찰계수 특성 테스트 결과와, 알려진 주요 성분들의 비율 조합 중 특정 성분에 대한 비율을 변경하면서 마찰계수 측정을 위한 반복시험을 실시하는 방법 등을 통해 각 주요 성분들의 함량에 따른 마찰계수의 변화 측정이 가능하게 된다.
상기와 같은 방법에 의한 반복시험단계(S20)를 통해 얻어진 각 주요 성분들의 함량에 따른 마찰계수의 변화를 도 2의 (a) ~ (f)에 나타내었다.
이때, 상기 제동패드의 마찰계수는 철도차량의 주행속도에 따라서도 달라지게 되므로, 상기 반복시험단계(S20)에서는 속도별 마찰계수의 차이를 확인하기 위해 제동패드의 회전 속도를 달리하면서 시험을 진행함으로써, 속도별 마찰계수의 특성에 대한 정보도 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 회귀분석단계(S30)는 반복시험단계(S20)에서의 측정 결과를 이용한 회귀분석을 통해 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 도출하는 단계에 관한 것이다.
여기서, 회귀분석은 두 개의 변수가 주어진 경우에 한 변수로부터 다른 변수를 예측하거나 두 변수 사이에 관계를 규명하는데 주로 이용되는 방법으로, 본 발명에서의 두 변수는 각각 주요 성분의 함량(wt%)과 마찰계수가 되고, MATLAB 등의 컴퓨터 프로그램을 활용한 회귀분석을 통해 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계, 즉 각 주요 성분의 함량에 따른 마찰계수의 변화를 도출할 수 있다.
이때, 상기 제동패드에 포함되는 주요 성분들의 비율, 즉 함량은 상한과 하한으로 정해지는 것이 보통이므로, 상기 회귀분석단계(S30)에서는 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 상한과 하한으로 구분하여 도출하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 방법에 의해 회귀분석단계(S30)에서 도출된 각 주요 성분들에 대한 함량과 마찰계수 사이의 관계를 아래의 (표 1)에 정리하여 나타내었다.
Figure 112020131171167-pat00001
다음, 상기 마찰특성맵 생성단계(S40)는 반복시험단계(S20)에서의 측정결과 및 회귀분석단계(S30)에서 도출된 결과를 이용하여 마찰특성맵, 즉 각 주요 성분들의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 그래프 형태로 나타낸 마찰특성맵을 생성하는 단계에 관한 것으로, 전술한 MATLAB 등의 프로그램을 확인할 경우, 도 2의 (a) ~ (f)에 나타낸 반복시험단계(S20)에서의 측정결과와 상기 (표 1)에 나타낸 회귀분석단계(S30)에서 얻어진 각 주요 성분들에 대한 함량과 마찰계수 사이의 관계를 포함하는 각 주요 성분들에 대한 마찰특성맵을 도 3 내지 도 8과 같은 형태로 나타낼 수 있다.
즉, 도 3 내지 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 마찰특성맵에 의하면 각 주요 성분들의 함량(wt%)에 따른 마찰계수(friction coefficient)의 변화는 물론 각 주요 성분의 함량에 따른 마찰계수의 상한과 하한을 용이하게 파악할 수 있으므로, 요구되는 제동패드의 마찰계수 성능을 도출하기 위한 주요 성분들의 비율, 즉 함량 조절이 별도의 테스트 없이도 가능할 수 있게 된다.
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 의하면, 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 원하는 마찰계수의 성능을 도출하기 위한 주요 성분 비율의 조절이 용이하도록 함은 물론 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량용 제동패드의 성분 비율을 알고 있는 조합의 반복 시험을 통해 각 성분의 비율이 제동마찰계수에 미치는 영향을 분석하여 마찰 특성맵으로 제공함으로써 제동패드의 마찰계수 테스트를 위한 반복 시험을 줄이고, 그에 따라 제동패드의 성능 테스트에 소요되는 시간 및 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법에 관한 것이다.
S10 : 주요 성분 선정단계 S20 : 반복시험단계
S30 : 회귀분석단계 S40 : 마찰특성맵 생성단계

Claims (4)

  1. 철도차량용 제동패드의 제조에 사용되는 성분들 중 마찰계수 특성에 영향을 미칠 수 있는 황(S), 칼슘(Ca), 규소(Si), 바륨(Ba), 탄소(C), 철(Fe)을 주요 성분으로 선정하는 주요 성분 선정단계와,
    선정된 주요 성분들을 모두 포함하고, 상기 주요 성분들의 비율을 알고 있는 조합들에 대한 반복 시험을 통해 각 주요 성분들의 함량에 따른 마찰계수의 변화를 측정하는 반복시험단계와,
    상기 반복시험단계에서의 측정 결과를 이용한 회귀분석을 통해 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 도출하는 회귀분석단계와,
    상기 반복시험단계에서의 측정 결과 및 회귀분석단계에서 도출된 결과를 이용하여 각 주요 성분들의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 그래프 형태로 나타낸 마찰특성맵을 생성하는 마찰특성맵 생성단계를 포함하되,
    상기 반복시험단계에서는 각 주요 성분들의 비율이 알려진 제동패드들에 대한 기존의 마찰계수 특성 테스트 결과와, 알려진 주요 성분들의 비율 조합 중 특정 성분에 대한 비율을 변경하면서 실시하는 반복시험 결과를 이용하여 각 주요 성분들의 함량에 따른 마찰계수의 변화를 측정하고,
    상기 회귀분석단계에서는 각 주요 성분의 함량과 마찰계수 사이의 관계를 상한과 하한으로 구분하여 도출하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반복시험단계에서는 속도별 마찰계수의 차이를 확인하기 위해 제동패드의 회전 속도를 달리하면서 시험을 진행하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 제동패드의 성분 비율에 따른 마찰 특성 분석방법.
  4. 삭제
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