2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S015 부산 3호선전동차브레이크디스크및차축보스시트가공방법개선 Improvement of Processing way of Brake disk and a wheel axle boss seat in Busan metro line 3 김상균 박희철 * 황석진 ** 김심인 *** Sang Gyun Kim Hee Chul Park Seug Jin Hwang Sim In Kim Abstract The brake disk of Busan metro line 3 was opened in 2005. It occurred for thermal variation and one-sided worn out because of repeated friction braking of brake disk that can cause noise during braking, uncomfortable ride and inaccurate train stop occurring by braking degradation. When wheel axle boss seat is hand-grinded that uses belt sander, it applies an imbalance force on machine s surface that can cause error. Also processing error can occur by difference in contact speed of journal lathe chuck jaw. Therefore when pressing and fitting a wheel in the wheel axle, The metro can occur danger in safety driving if the diameter of the wheel and wheel axle boss seat is damage. This dissertation made to cut chamfer into zig for brake disc surface that can minimize to disassemble and assemble time, workers, and cost. Also, It can minimize the error of the occurrence of the shape and processing by installing program about automatically processing to wheel axle boss seat on journal lathe and making center stationary jig and adapter. Keywords : Brake disk, A wheel axle boss seat, Belt sander, Zig, Journal lathe 초록 2005년도에개통한부산 3호선전동차의브레이크디스크는반복적인마찰제동으로열변형과편마모가발생되어제동시소음발생및승차감불량, 제동성능저하로정위치정차불량등을야기시킬수있다. 차축보스시트를벨트샌더로수동연마시가공면에가해지는힘의불균형으로형상오차가발생되고또한저널선반척죠의물림속도차이에의해가공오차가발생한다. 따라서차축에차륜압입시차륜내경및차축보스시트가손상되어전동차안전운행에위험이발생될수있다. 본논문은디스크삭정시발생되는분해및조립시간, 작업인원및제작비용을최소화시킬수있는디스크삭정전용지그를제작하고, 저널선반엔차축보스시트를자동으로가공할수있는프로그램설치와센터고정지그및어댑터를제작하여형상및가공오차발생을최소화시킨내용이다. 주요어 : 브레이크디스크, 차축보스시트, 벨트샌더, 지그, 저널선반 교신저자 : 부산교통공사호포차량사업소정비부 (ksk8373@humetro.busan.kr) * 부산교통공사운영본부장 ** 부산교통공사차량처 *** 부산교통공사호포차량사업소
1. 서론부산도시철도 3호선전동차는브레이크디스크와패드간의마찰력을이용하여운동에너지를열에너지로전환되면서제동이체결되는구조로되어있다. 그러므로브레이크디스크와패드간의마찰접촉으로디스크표면에지속적인마찰열이발생하고이는디스코표면에악영향을미쳐박리, 그루빙등으로나타나제동시진동, 소음발생과정위치정차실패로이어져이용고객의안전사고발생가능성이높아지며, 향후 PSD 개폐와직결되어디스크관리의중요성이대두되는이유이다. 차축은차량하중외에수직력, 수평력, 브레이크디스크와차륜에가해지는제동력을지지하며, 각하중에비틀림, 굽힘및전단응력이반복적으로가해지므로만일주행중인차량의차축이파손시열차탈선등의대형사고와많은인명피해로이어져철도안전에매우중요한요소라할수있다. 따라서브레이크디스크및차축보스시트가공방법을개선하여적용한내용을기술하고자한다. 2. 본론 2.1 브레이크디스크구성부산도시철도 3호선전동차는편성당 4량 (TC1-M1-M1 -TC2) 으로구성되어있고브레이크디스크는 TC1,2 2량 (8대) 에설치되어있으며 Brake Disc, Disc Pad, Caliper, Housing, Piston 등으로구성되어있다. 2.2 브레이크디스크삭정시문제점 2.2.1 작업인원및시간, 비용과다소요 1 브레이크디스크분해및삭정 조립과정에작업인원과시간이과다하게소요됨. (3명*4일) (Fig.1 참조 ) 2 지지부및회전부, 제어부등디스크삭정전용장비를제작할경우제작비용과장비유지관리에많은어려움이발생됨.
순서 1 2 3 4 5 공정분해작업조립작업삭정작업분해작업조립작업 작업 모습 설명디스크시트에서디스크분해 디스크시트지그에조립 저널선반설치후삭정 디스크시트지그에서분해 디스크시트에디스크조립 Fig.1 디스크시트분해및삭정 조립작업 2.2.2 방향전환으로인한안전사고발생우려브레이크디스크삭정후반대쪽디스크삭정할때천정크레인을사용하여방향전환시작업자와충돌위험으로안전사고발생이우려됨. 2.3 개선방향및개선내용 2.3.1 개선방향 1 브레이크디스크양면및모따기삭정시방향전환이필요없고분해및조립시간, 최소작업인원및비용이투입될수있는지그를제작할것. 2 디스크삭정시진동및소음발생이없는최적의삭정각인서트팁을선택할것. 2.3.2 개선내용 1 저널선반공구대에설치할수있는디스크양면삭정지그및모따기전용지그를제작함. (Fig.2 참조 ) 2 화학증착법 (CVD) 을이용한바이트홀더및디스크양면인서트팁 DNMG1504(30 ) 과모따기인서트팁 SNMX1507(45 ) 을선정함. 도면작성디스크양면지그및삭정작업모따기지그및삭정작업 Fig.2 지그제작과삭정모습
지그사양사진비고 바이트홀더인서트팁바이트홀더인서트팁 PDJNR20 20 K15 DNMG1504(30 ) HSDNN25 25 M1507 SNMX1507(45 ) 디스크양면용 디스크모따기용 Fig.3 바이트홀더및인서트팁 2.4 디스크삭정개선전 후비교 개선현황작업인원작업시간제작비용삭정량 (2 량 ) 개선전 3 명 4 일 8 천만원 ( 장비제작 ) 8 대 개선후 1 명 2 일 2 백만원 ( 지그제작 ) 8 대 3.1 윤축구성철도차량의윤축은 Axle, Wheel, Journal bearing seat, Break disk or gear seat 등으로구성되어있다. (Fig.4 참조 ) 3.2 차축일반현황 Fig.4 호선현황길이 [ mm ] 저널부슬링거부보스부 M[T] 구동기어부 M[T] 편성당 [TC,T] 2 2140 120 145 186[ 160] 192 24[12] 3 2140 130 150 196 202.5[ 198] 16[8]
3.3 차축보스시트삭정시문제점 1 수동연마기 ( 벨트샌드 ) 에의한차축보스시트삭정시가해지는힘차이로인해가공면의형상공차와저널선반척죠의물림속도차이로가공오차가발생하여, 2 유압프레스 (500톤) 로차륜압입시차륜내경및차축보스시트손상과비정상적인압입선도가발생하고압입부위가반복하중이작용할경우접촉면의손상에의해피로균열이발생하여전동차안전운행에위험이발생될수있다. (Fig.5, 6 참조 ) 순서 1 2 3 4 공정차축고정작업보스시트가공작업 작업 모습 설명주축대면판과심압대에차축고정보스시트좌 우측가공 Fig.5 정상압입선도비정상압입선도손상된차축보스시트 Fig.6 3.4 개선방향및개선내용 3.4.1 개선방향 1 차축보스시트을자동으로삭정할수있는프로그램입력으로형상오차를방지하고, 2 저널선반척죠의물림속도에영향을덜받는지그를제작하여가공오차발생을최소화시킴. 3.4.2 개선내용 1 저널선반제어장치내에자동삭정을할수있는 CNC(Computerized Numerical Control) 프로그램을입력하고, [TC T M] (Fig.7 참조 )
2 저널선반주축대면판내센터고정지그및어댑터를설치하여가공오차를최소화함. (Fig.8 참조 ) 프로그램 프로그램 0301 ; 0302 ; (SUBWAY AXLE - TC, T) ; (SUBWAY AXLE - M) ; G28 U0 W0 ; G28 U0 W0 ; G30 U0 W0 ; G30 U0 W0 ; M01 ; M01 ; G50 X800. Z200. S250 T0100 ; G50 X800. Z200. S250 T0100 ; G97 S220 M03 ; G97 S220 M03 ; G00 X-155. Z-200. T0101 M08 ; G00 X100. Z-2. T0101 M08 ; G01 G42 X-161. F0.4 ; G01 G42 X87. F0.4 ; X-161. Z-215. F0.5 ; X86.6. Z0. F0.1 ; X-161. Z-220. ; X87. Z-5. ; X-161. 04 Z-715. ; X87. Z-194.8 ; N20 G01 X54. ; G02 X97. Z-197.8 R5. ; M09 ; G01 X105. ; G40 G00 X800. Z200. T0100 M05 ; N20 G01 X54. ; M30 ; M09 ; Fig.7 CNC 프로그램 센터고정지그고정차축면판고정심압대센터고정가공전편심측정 Fig.8 센터고정지그및어댑터
3.5 차축보스시트개선전 후비교 개선 현황 삭정방법 차축물림방법 개선전 벨트샌더에의한수동삭정 저널선반면판척죠에의한물림 개선후 저널선반에의한자동삭정 저널선반면판내지그및어댑터설치 3. 결론부산도시철도 3호선전동차브레이크디스크및차축보스시트가공방법을개선한내용을제시하였다. 브레이크디스크가공방법개선내용은디스크양면및모따기전용지그를제작하여디스크분해, 조립시간단축과작업인원및제작비용을최소화하였으며, 특히정위치정차률향상과제동체결에따른소음최소화, 제륜자및디스크사용수명확대에기여할것으로판단되어지고, 차축보스시트가공방법개선내용은수동연마방식에서저널선반제어장치내자동삭정을할수있는 CNC프로그램을설치하여가공함으로써형상오차를방지하고주축대면판에센터고정지그및어댑터를설치로가공오차를최소화하여차륜압입시압입선도를개선하였고현재운용중인모든차량에도응용하여적용이가능하다. 참고문헌 [1] 한국공작기계학회 FEM을이용한벤틸레이티드브레이크디스크열응력에관한연구 Vol. 18, No 5 pp. 544 549, 2009 10 [2] 한국소음진동공학회논문집 회전브레이크디스크의스퀼소음에대한선형안정성연구 제19권제10호, pp. 1092 1098, 2009 [3] 한국자동차공학회논문집 브레이크디스크에서접촉마찰진동이열섬에미치는영향연구 제15권제1호, 2007 [4] 비파괴검사학회지 철도차량차축재료의파괴특성적외선열화상모니터링 Vol. 30, No 5 2010.4 [5] 대한기계학회논문집 프레팅마모를고려한압입축의피로균열발생수명예측 A권, 제 33권제10호, pp. 1091 1098, 2009 [6] 대한기계학회논문집 압입축에발생하는프레팅피로균열발생및전진특성실험 A권, 제31권제6호, pp. 701 709, 2007 [7] 한국철도학회논문집 압입축에발생하는프레팅마모가피로균열발생위치에미치는영향 제10권제5호, pp. 546 553, 2007