2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A075 전기기관차운영노선확대에따른차륜마모특성에관한연구 A Study on the Wheel Wear of Electric Locomotive on the Main Conventional Line 안춘근 *, 원시태 **, 김원경 *** Chun-Kun Ahn *, Si-Tae Won * *, Won-Kyong Kim * * * Abstract In this paper we model 8200 electric locomotives operating domestic routes since 2005 according to the center line of the main line electrification and the opening in line taebaekseon industries including Gyeongbu, Honam expanded to major routes including operating as a rapid replacement cycle wheel that are coming this phenomenon occurred wear properties of the electrical locomotive wheels became necessary for the study. The main route for the rail operating environment and characteristics were analyzed for the multi-faceted, fast wheel replacement cycle is in progress, the reason for the advent of the wheel wear for the operating routes of progression was measured to determine the wear characteristics. The operation of the railway vehicle wheel wear also inevitable and efficient operation of the railway vehicle wheel wear and the need to minimize wear properties of a 8200type electric locomotive wheels to minimize wear and tear considering the wheel of the best maintenance management standards were presented repair method was to be used as the basis Keywords : Electric Locomotive, Wheel, Wheel Wear, 8200type, Wheel Flange Wear, Wheel change Cycle 초록본논문은 8200 형전기기관차운영노선이 2005 년부터국내주요노선전철화및개통에따라중앙선, 태백선등산업선에서경부선, 호남선등주요노선으로확대운영되면서차륜교환주기가급속히도래되는현상이발생하였고이에따라전기기관차차륜마모특성에대한연구가필요하게되었다. 주요운영노선에대하여레일환경과특성에대하여다각적으로분석하였고, 급속히진행되는차륜교환주기도래에대한원인에대하여운영노선에서의차륜마모진행과정을실측하여마모특성을파악할수있었다. 또한차륜마모는철도차량의운영상필연적이나철도차량의효율적인운영을위해서는차륜마모를최소화할필요성이있어 8200 형전기기관차차륜마모특성을감안하여마모를최소화할수있는최적의차륜관리기준을제시하였고유지보수방법기초자료로활용할수있도록하였다. 주요어 : 전기기관차, 차륜, 차륜마모, 8200 형, 차륜후렌지마모, 차륜교환주기
1.1 연구의배경및목적 1. 서론 1.1.1 연구배경 8200대형신형전기기관차는 8000대형구형전기기관차내구연한도래및디젤기관차폐차에따른여객및화물열차기관차대체차량으로철도공사에서전략적으로도입을추진하였으며현재총보유량은 85량이다 8200대형신형전기기관차는기존산업선인중앙선, 영동선, 태백선등에서여객및화물열차에투입운영되어왔으며, 국내영업노선인경부선, 충북선, 호남선등주요노선이전철화됨에따라확대운행으로본격적으로주요노선열차에투입운영되기시작했다. 전철화확대노선에서운영을시작한 8200대형전기기관차는기존산업선노선에서의차량운영에서의차륜마모주기에비해현저하게급속히도래되는현상을보였으며, 그로인한차량운영및유지보수등에많은문제점을도출하게되었다. 따라서기존산업선 ( 중앙선, 영동선, 태백선 ) 에비교하여차륜교환주기가단축됨에따라전철확대구간 ( 경부선, 호남선, 충북선 ) 에서의차륜 / 마모특성에대한연구가필요하게되었다. 1.1.2 연구목적차륜의마모는철도차량운영상필수적이나노선별궤도특성에따라철도차량차륜의운용시정비방법등유지보수방법에따라차륜교환주기에있어많은차이가발생하고있다노선별레일특성에대하여전기기관차차륜마모에대한다각적인분석을통한레일및차륜의인터페이스측면에서의차륜마모특성을파악하고더나아가차륜의최적유지보수도출의기초자료로활용하고자한다. 철도차량운영측면에서는차륜수명주기연장이필요하며, 차륜에대한검사및정비방법등최적의유지보수로차륜교환에소요되는인건비, 재료비등유지보수비용절감을절감시키는것은필수적이라할수있겠다. 교신저자 : 한국철도공사연구원품질인증센터 (railman95@korail.com) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도차량시스템공학과 ** 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과 (stwon370@seoultech.ac.kr) *** 한국철도기술연구원시험인증안전센터 (wkkim@krri.re.kr)
2. 본론 2.1 8200 대형전기기관차차륜마모특성에대한현차실험 2.1.1 실험전차량및운영노선특성분석 1) 8200대형전기기관차차륜교환주기 (1) 산업선 8200대형전기기관차가도입이후 2006년까지는산업선인중앙선, 태백선, 영동선에서무궁화여객열차와일반화물열차에충당운영되어차륜교환주기약 7년, 주행거리는 100 만킬로미터도달후교환되었다. (2) 주요노선 ( 경부선, 호남선 ) 8200대형전기기관차는전철화확대된 2006년이후국내주요노선인경부선과호남선 에서여객열차와화물열차에충당되어운영후부터는급속한차륜마모현상이발생되었으며 차륜교환주기는약 5년주행거리는 60~70만킬로미터로짧게변경되었다. Table 1 노선별차륜교환주기 차륜교환주기사용년수주행거리 비고 산업선 7년 100만킬로미터 주요노선 5년 70만킬로미터 2) 운영노선궤도특성 (1) 레일 8200대형전기기관차운영노선에부설되어있는레일은 50kg 레일과 60kg 레일로두종류의 레일에대한화학적성분과기계적성질은약간의차이가있었으나주요노선과산업선에서 레일별설치현황을조사분석한결과레일별설치비율은큰차이를보이지않았다. Table 2 레일별화학성분 C Mn Si P S 50kg 화학성분 0.63~0.75 0.70~1.10 0.15~0.30 0.030이하 0.025이하 60kg 화학성분 0.60~0.80 0.70~1.20 0.15~0.58 0.025이하 0.025이하 Table 3 레일별기계적성질 인장강도 (N/ mm2 ) 연신율 경도 (HB) 50kg 기계적성질 800이상 10% 이상 235이상 60kg 기계적성질 880이상 10% 이상 260~300
Table 4 노선별 / 레일별부설현황 주요노선산업선경부선호남선중앙선태백선영동선 50kg 레일 78 77 61 87 88 60kg 레일 21 22 37 12 9 기타 1 1 1 1 3 비고 (2) 구배및운행곡선주요노선과산업선에서의구배와운행곡선을비교분석한결과산업선에서의구배와운행곡선비율이상대적으로높아산업선에서차륜마모의환경적인요인을주요노선에비하여더높게제공하였다. Table 5 노선별구배현황 ( 구배 ) 주요노선 산업선 경부선호남선중앙선태백선영동선 5% 이하 41.5 45.6 46.1 26.4 32.5 10% 이하 56.5 34.9 40.3 13.2 24.5 계 15% 이하 1.5 19.5 11.1 15.7 23.1 20% 이하 0.5) 0 1.9 17.5 13.0 20% 이상 0 0 0.6 27.2 6.9 Table 6 노선별곡선현황 주요노선 산업선 경부선 호남선 중앙선 태백선 영동선 400R 이하 2.8 4.9 16.3 36.6 29.2 500R 이하 2.7 4.6 4.9 5.7 3.9 600R 이하 17.3 11.6 9.3 1.8 2.6 700R 이하 1.5 0.9 0.5 0.3 0.1 800R 이하 6.8 9.3 3.1 0.9 1.4 900R 이상 68.9 68.7 65.9 54.7 62.8 계 (3) 운행속도 8200대전기기관차의주요노선과산업선에서운행속도조사분석한결과주요노선인경부선과호남선에서구배와운행곡선비율이높은산업선에비하여월등히높은운행속도를확인할수있었다.
Table 7 노선별운행속도현황주요노선산업선경부선호남선중앙선태백선영동선 계 90km/h 이하 1.6 1.7 7.5 21.4 37.4 110km/h 이하 11.7 6.2 6.2 78.6 62.6 130km/h 이하 5.7 5.3 1.9 0 0 130~150km/h 이하 81.0 86.8 84.4 0 0 2.1.2 실험방법및절차 8200대형전기기관차인경부선, 호남선을운행하는무궁화열차대하여차륜마모즉림의두께 (DT), 후렌지두께 (FT), 후렌지높이 (FH) 에대하여각차량의 8개차륜에대한마모특성을비교분석하였다. 경부선은서울과부산, 호남선은서울과목포및광주까지운행하는여객열차로차륜마모특성은차량사업소입고시림의두께, 후렌지두께및높이세가지부분에대하여측정을시행하고기록하였다. 8200대형전기기관차의차륜에대한신뢰성있는마모특성실험을위하여시험대상차량 20량에대하여한국철도공사수색차량사업소에배치하여운영토록하였다. 차륜마모시험기간은 2008.9월부터 2010년 5월까지약 2년동안진행하는동안 3개월주기의데이터를분석하였다. 또한실험을진행하는동안차륜마모의특성중주원인인후렌지마모에따른현상에대하여후렌지원형확보를위한최적관리주기에대하여실험을동시에진행하였다차륜후렌지관리는철도공사규정상원형 32mm에서사용을시작하여 25mm에도달시다시원형으로삭정을하여관리토록되어있으나 25mm 도달전 26mm, 28mm, 30mm 도달시삭정을시행하여차륜후렌지마모측정치를측정기록하였다. 2.1.3 시험차량차량마모특성연구를위하여대상차량은한국철도공사수색차량사업소에배치한 8201호부터 8220호까지를대상으로 20량에대하여진행하였으며실험에사용된차륜형상에대한주요제원아래와같다.
Fig. 1 윤축형상 Fig. 2 차륜답면형상 2.1.4 실차시험결과 8200대형전기기관차차륜마모특성연구를위하여측정은시험차량별총 6~8차에걸쳐림의두께, 후렌지두께, 후렌지높이를약 3개월간격으로아래표와같이차호별측정하였다. 측정결과속도가빠른주요노선에서는기존산업선운행시보다차륜교환의주원인으로후렌지의급속한마모특성을발견할수있었으며, 후렌지의원형확보를위하여차륜삭정횟수가많아지고이에따라차륜교환주기가빨라졌음을확인할수있었다. 또한일정한후렌지두께에서부터는마모가빨리진행되는특성이있었으며후렌지의효율적관리기준즉원형확보기준을다시정하면일정부분차륜의마모주기를연장할수있었다. Fig. 3 차륜마모측정표
3. 결론 8200대형전기기관차가기존산업선운행에서주요노선인경부선, 호남선운행시급속한차륜마모특성을파악하기위하여대상차량 20량에대하여주기적인차륜마모진행에대한측정한데이터를기초자료로하여분석한결과다음과같은결론을얻었다. 1. 전기기관차주요노선운행시발생되는급속한차륜마모현상은차륜답면의마모보다는레일과차륜의사행동등으로횡압에의한차륜후렌지부분이급속한마모가진행되는특성이있었다. 또한마모된후렌지원형을확보하기위하여는후렌지두께1mm 확보시차륜두께가약 3mm가얇아짐에따라차륜교환주기가단축되었다. 2. 차륜마모는차량운행조건에서레일의조건 (50kg레일, 60kg레일 ), 궤도의구배및곡선에따라차륜마모의진행에어느정도차이는있겠으나차륜마모의직접적인원인을제공하는후렌지마모에대해서는일반차량운영노선의차량운행속도인자가가장큰것으로나타나는특성과결론을얻었다. 따라서향후일반차량의속도향상시후렌지마모의감소를최소화하는연구가필요할것으로보인다. 3. 철도공사규정상후렌지는 25mm까지사용후원형으로삭정토록되어있으나후렌지두께 28mm에서부터 25mm까지 3mm는 28mm까지도달하는것에비교하여급속한후렌지마모가진행되는특성을알았다따라서차륜후렌지가 28mm도달시원형으로확보하여관리한다면 8200대전기기관차의주요노선에서의후렌지마모는필연적이나효율적인차륜관리로후렌지마모를감소시켜차륜교환주기를연장할수있는최적유지보수방안이라는결론을얻었다. 참고문헌 [1] 경부고속열차의기존선주행시차륜마멸특성에관한연구 ( 논문 ) [2] 차륜답면형상에따른실험적차륜마모특성연구 ( 논문 ) [3] 도시철도차량차륜플랜지의마모패턴에관한연구 ( 논문 ) [4] 전동차차륜마모에따른차륜 / 레일기하학적접촉특성변화분석 ( 논문 ) [5] 차륜답면과레일의경계영역에서의마모특성 ( 논문 ) [6] 한국형고속철도차량의차륜과레일간상호작용현상연구 ( 논문 ) [7] 차륜답면형상이새마을호차륜의차륜마모에미치는영향 ( 논문 ) [8] 철도공사차량분야, 시설분야, 및전기분야기술자료집