Lubrication for Wheel Flanges of Industrial Locomotives

1. Lubrication for Wheel Flanges of Industrial Locomotives Okin Lubchem Co.

2. Contents • 서론 • 운전특성 • 윤활개소 • 윤활제 선택 • 윤활급유장치 선택 • 윤활 효과 • 결론 • 참고자료

3. 1.서론 고무타이어와 아스팔트 사이의 높은 마찰계수 때문에 급출발, 급제동, 고속운전이 가능한 자동차에 비해 철도차량은 강철 휠 과 레일사이의 마찰계수가 낮아 정상운전 속도까지 가속하는데 많은 시간과 에너지가 필요할 뿐 아니라 급제동 역시 시속 50Km시 120m 이상(화물기관차의 경우 250m)의 제동거리를 가지는 단점이 있다. 하지만 휠 과 레일의 낮은 마찰계수 때문에 지구상의 어떤 운송수단 보다도 친환경적이며 한꺼번에 많은 사람 혹은 화물들을 효율적으로 운송할 수 있다는 장점때문에 그 효용과 관심은 지속적으로 고조되고 있다. 여기에서 우리는 철도차량의 효율성 제고를 위해 휠 과 레일사이의 마찰계수에 관련된 함수들, 즉, 마찰/마모와 윤활에 대한 고찰과 아울러 적정 휠 플랜지 윤활제와 급유장치를 소개 드리고자 합니다.

4. 2.운전특성 • 높은 축 하중(Axle Load) • 높은 스트레스와 Creepage • 구름마찰과 미끄럼 마찰 • 경계마찰과 혼합마찰

5. 높은 축 하중(Axle Load) 여객용에 비해 산업용 기차에 걸리는 높은 축 하중(Axle Load)은 휠과 레일에 많은 마모와 소성변형, 모재부(Subsurface) 열화, 접촉부의 재료피로파괴 등을 일으킨다. [ 표면피로에 의한 Pitting이 발생한 Wheel Flange ] [ 모재부 열화로 shelling이 발생한 Wheel Rim ]

6. [레일의 Scoring(상)과 Rippling(하)] [ Abrasive wear와 Adhesive wear가 동시에 발생하고 있는 Wheel ]

8. 높은 스트레스와Creepage 곡선구간 주행시 각 Wheels에 작용하는 Creep Forces

9. [ 곡선구간 주행시 원심력에 의해 바깥쪽 횔의 플랜지와 레일 플랭크에 집중응력이 걸리며 안쪽 휠의 Rim과 레일사이에는 Stick-Slip과 미끄럼 마찰에 의한 소음이 발생한다. ] [ 레일 플랭크에 가해진 집중하중에 의해 레일의 Subsurface가 열화 균열된 레일 단면 ]

10. 구름 마찰과 미끄럼마찰 Rails위에서 구름마찰을 하는 Wheels에는 낮은 마찰계수로 인해 미끄럼 마찰도 피할 수 없이 일어난다. 우측 그래프는 미끄럼 마찰이 극히 적을 때 재료표면의 수명이 미끄럼 마찰의 증가에 따라 급격히 감소됨을 보여주고 있다.

11. [ 구름마찰에 의한 모재부의 피로현상으로 균열 발생 ] [ 미끄럼마찰에 의해 모재부 균열이 촉진되어 Scuffing발생 ] 고하중의 구름마찰에 의해 Subsurface(모재부)에 균열이 발생(1)하여 반복된 하중에 의해 Spalling(3)이 발생한 Pit에 미끄럼 마찰이 일어나면 Subsurface에 발생한 균열을 더욱 진행(5)시켜 결국에는 접촉표면에 커다란 Scuffing(6)이 일어나게 된다.

12. 경계마찰과 혼합마찰Boundary Friction and Mixed Friction Wheels는 Rails위를 주로 마찰계수가 큰 경계마찰과 혼합마찰상태로 구름운동과 미끄럼운동을 하므로 격심한 마모발생과 아울러 마찰동력손실도 큰 운전특성을 갖고 있다. Friction Coefficient, ℳ

13. 운전특성에 따른 문제점 • Wheel Flange/Gage Rail Face 마모 • Rail Head/Wheel Rim 마모 • Wheel 답면의 높은 삭정비용 • Wheel 답면 삭정으로 운행율 저하 • 곡선구간에서의 소음발생 • Wheels/Rails의 단수명 • Wheel Flange의 높은 마찰에 의한 동력손실

14. 3.윤활개소 • Wheel Flange • Rail Flank & Gage Rail Face • Rail Head & Wheel Rim

15. Wheel Flange / Rail Flank & Gage Rail Face 윤활개소별 윤활목표 • 재료표면의 피로파괴 방지 –정상마모 - 수명연장 • 하중과 마찰력에 의한 소성변형 방지 - 수명연장 • 미끄럼 마찰계수 저감 –탈선위험과 소음감소, 에너지 절감 Rail Head / Wheel Rim ( 참고자료에서 소개 ) • 구름마찰저항 감소 –에너지 절감, 마모감소 • 미끄럼 마찰계수 조정 –제동거리 무영향, 견인력 향상 • 횡력(Lateral Force)과 소음 감소

16. 4.윤활제 선택 • 고점착성-접촉면 잔류와 비산방지 • 온도변화에 안정된 윤활성과 분사성 • 급유장치에 대한 적합성 • 내마모성-경계 윤활성 • 내하중성, 방청성, 내수성, 산화안정성, 극압성 • 중금속 비함유의 친환경성 • 생분해성 • 장기 저장성

17. Solution"Biodegradable Synthetic Ester" • 환경에 무해 • 낮은 수질오염 • 높은 생분해성 • 독성 물질 불포함 • 용제성분 불포함 • 탁월한 윤활성

18. Wheel Flange LubricantLocolube ECOof FUCHS Lubritech GmbH

19. Locolube ECO의 특징 • 생분해성 식물성 에스테르기유의 벤톤계 그리이스 • 저온 유동성과 열안정성, 고점착성 • 그라파이트와 특수백색 고체윤활제의 경계윤활성 • 15%의 구동에너지(연료비) 절감 • 마모, 소음과 마찰 감소 • 정비주기 연장 • 정비작업 감소 • 극소량 윤량 • 탈선 위험 감소

20. Locolube ECO에 수행된 시험들 • Friction Value • Tannert • Timken • Almen-Wieland • Environment • CECL-33-A93 • OECD 301 A-E • RAL-UZ 64 • Wear • FBT Welding Load • FBT Wear • Timken • Adhesion Power • Tannert • Timken-Retention • Fling-Off Test • Corrosion Protection • Erichsen • Water Resistance • Emcor

21. Locolube ECO의 적용

23. 휠 플랜지 윤활장치 네트웍에 의한 극소량 연속급유(0.03g/cycle) 트랙 및 주변의 오염손실 없이 급유전량 윤활에 사용 운전자나 정비팀에 관계없이 채택된 제어장치에 따라 곡선주로, 거리, 시간에 의한 자체제어 윤활관리 트랙사이드 윤활장치 재충진 주기설정의 어려움 휠과 주변오염이 야기되는 곡선주로에서의 과잉급유 네트웍에 의한 정확한 윤활이 어렵다. 5.윤활급유장치 선택 부적절한 장치는 윤활성능 저하와 경비상승 유발

24. 휠 플랜지 급유방법(On Board Type) • 첫번째 휠 플랜지에 노즐을 통해 극소량 직접 급유 • 레일 플랭크에 전달된 윤활제가 후속 휠에 간접 급유 • 레일 헤드로의 오염 혹은 퍼짐이 없이 플랭크에 만 간접급유

25. Vogel WFL SP 8 of Willy Vogel AG. • 윤활제 분사 폭 : 20 mm • 분사 주기별 분사량 : 30mg • 첫번째 휠 유막두께 : 약 0.5ℳ • 분사 주기별 운전거리 : 500 m • 1000Km운전 시 급유량 : 60g [ 윤활제 분사 패턴 ] [ 시스템 개략도, 분사 노즐 ]

26. 6.윤활 효과 • 차륜 답면의 마모 감소 • 마모 감소로 인한 추가 효과 • 마찰계수 감소- 소음, 에너지 감소 • 연료/에너지와 Wheel Sets 정비 경비절감

27. 1.차륜 답면의 마모감소 삭정 주기 연장, 삭정 횟수 증가 - 수명연장 : 마모부분 : 삭정시 재료손실 부분 [윤활] [비윤활] : 삭정후 차륜 단면

28. 비윤활로 인한 Rail의 마모

29. 10만 Km Field TestWheel Flange Wear Reduction

30. 2.마모 감소로 인한 추가효과 D.B. AG : Deutsche Bahn AG(독일철도), ÖBB : 오스트리아 국철, Conrail : Consolidated Rail Corporation(미국)

31. 3.마찰계수 감소: 에너지 절감

32. 4.연료/에너지와 Wheel Sets정비경비 절감 CSX : 미국철도 물류회사, AAR : 북미철도연합, BNSF : Burlington Northern Santa Fe Railway 레일 윤활로 가능한 연간 절감액(영국) (단위: 백만불)

33. Wheel Sets 관련 작업들의 백분율 변화 • Wheel Flange Wear • Contact Surface Wear • Chipping • Wheel Flange & Contact Surface Wear • Wheel Rim • Miscellaneous 재래식 광유계 그리이스를 1991년 부터 고성능 생분해성 그리이스로 변경한 후 정상마모와 관련된 작업들로 단순화 되고 있다. 기관차의 휠 플랜지 관련 작업(오스트리아 철도 제공)

34. 7.결론 고성능 윤활제와 적정 급유장치의 선택으로 여러 철도 회사들이 휠 플랜지 윤활에서 얻은 경험들의 결과는 다음과 같습니다. • 트랙의 마찰저항이 30 ~35% 감소 • 견인력과 제동거리에 영향 없이 여유 구동력 증가. • 15% 연료비 절감- 6개월 내 초기투자비 조기 회수. • 30 ~80% 마모감소로 휠과 레일의 수명연장. • 소음 및 탈선 가능성 감소로 안전성 증가. • 관리유지비와 기타 간접경비 절감.

35. 8.참고자료 Top of Rail(Rail Head) • 기관차의 휠은 화차 혹은 객차를 견인하기 위해 레일과의 높은 마찰이 요구된다. • 기관차는 휠과 레일의 접촉에 따른 마찰저항을 극복할 수 있는 많은 에너지가 요구된다. • 휠과 레일의 수명에는 낮은 미끄럼 마찰이 유리하다.

36. Top of Rail마모

37. 마찰조정제가 도포된Top of Rail

38. Top of Rail마찰연구를 위한 美BNSF社의 Test Car

39. Train과Track사이에 요구되는 안전성 Stress Energy of Train Strength of Track Safety Factor

40. Train과Track사이에 발생하는 트러블 Stress $ 9.6 Billion Annual Expense(in U.S) Energy of Train Strength of Track Failure

41. 운행중Train과Track사이에 변하는 안정성 Stress Strength of Track Energy of Train Failure

42. 비윤활 Rail Head에서 일어나는 횡력 20 18 16 14 12 LATERAL FORCES (kips) 10 8 6 4 2 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 AXLE COUNT

43. 윤활된 Rail Head에서 일어나는 횡력 20 18 16 14 12 LATERAL FORCES (kips) 10 8 6 4 2 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 AXLE COUNT

44. Rail Head의 윤활로 감소된 횡력 With Lub. Lateral Axle Force Distribution Without Lub. 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Lateral Force (Kips)

45. Rail Head and Wheels의 구름마찰 저항시험 결과

46. Rail Head윤활로 예상되는 효과 • 주행 저항마찰 계수 감소 • 에너지 절감 • 횡력 감소 • 구름 저항력 감소 • 신뢰성 증가 • 곡선 주로에서의 스퀼 감소 • 레일과 휠의 수명 연장

47. Other Lubricants • Top of Rails : Tram-Silence/00 • Switches : Tramlub 384G/S3/S5/W460 • Buffer Discs : Ceplattyn ECO 300 • Screw Couplings : Gleitmo 805

48. Thanks for your attention ! Okin Lubchem Co.