철도교용 스페리컬 받침 EP 마찰재의 마찰 특성 분석

2.1 실험기법

마찰실험은 EN 1337-2의 규정에 따라 실험을 진행하였으며, EN 1337-2에서는 온도하중에 의한 거동인 Type A 및 활하중에 의한 이동인 경우 Type B를 규정하고 있다(EN 1337-2, 2004)^[4]. Fig. 3.에서 보듯이 Type A는 온도변화를 주면서 이동속도 0.2 mm/sec로 이동거리 22 m를 이동한 후 마치게 된다. 이 후 연속으로 Type B를 수행하며 상온에서 이동속도 2.0 mm/sec로 1000 m를 이동한 후 마치게 된다 (Fig. 3. 참조). 실험은 Type A 11번, Type B 10번 수행하여 총 이동거리는 10,242 m가 된다. 실험을 연속적으로 수행하는 약 70간의 시간이 소요되는 장시간의 실험이다. 마찰 실험을 수행할 때 작용하는 수직응력은 모든 시편에 동일하게 60 MPa를 적용하였다 (Fig. 4. 참조). 이 연구에서 사용한 실험장비는 특별하게 제작된 장비를 사용하였으며, 온도방을 설치하여 온도조절을 수행하였고, 수직압력을 일정하게 유지한 상태에서 수평이동이 가능하게 제작되었다 (Fig. 5. 참조).

Fig. 3.

Test hysteresis of EN 1337-2

Fig. 4.

Test set-up for frictional test

Fig. 5.

Machines for frictional test

2.2 시편

마찰실험 시편은 지름과 두께가 각각 75 및 5 mm의 원형판 형태이며 윤활제를 도표하기 위해서 지름 8 mm의 딤플 19개를 마찰면에 새겨 제작하였다. Fig. 6.은 시편을 실험하기 위해서 장착 했을 때의 형상이다.

Fig. 6.

Shape and dimension of a specimen

이 연구에서 사용한 시편은 Fig. 7.에 나타나 있으며, 시편 3의 경우에는 윤활제를 도포하지 않기 때문에 표면에 딤플이 없다. 나머지 시편의 경우에는 윤활제 도포를 위해서 딤플이 제작되어 있다.

Fig. 7.

Photos of 5 specimens

2.3 시편의 압축 탄성계수 및 탄성한계

시편 1-3과 동일한 재료로 압축시편을 Fig. 8.과 같이 제작하여 압축실험을 수행하였다. 시편은 지금 10 mm 높이 20 mm의 원형으로 압축실험을 통해서 응력-변형률 곡선을 통해서 압축 탄성계수 및 탄성한계응력을 추정하였다.

Fig. 8.

Compressive test of EP material

압축거동은 Fig. 9.에서 볼 수 있듯이 전형적인 이선형거동(bilinear behavior)을 보였으므로, 초기 기울기를 압축 탄성계수로 추정하고 두 직선의 접점과 같은 변형률에 해당하는 응력을 탄성한계응력으로 추정하였다. 탄성계수는 1319-1497 MPa 범위에 있고, 탄성한계응력은 51-66 Mpa 범위에 있는 것으로 나타났다. 시편 4 및 5의 압축실험은 수행되지 않았으나, 탄성한계응력은 30-40 MPa 정도인 것으로 알려져 있다.

Fig. 9.

Stress-strain curve in compression of EP material

3.1 온도의 영향

Type A 실험에서 온도 단계별 마찰계수를 산정하여 Fig. 11.에 나타내었다. 온도변화에 따른 마찰계수의 변화는 크게 발생하지 않는 것으로 나타났다. 시편 1의 경우가 그래프의 폭이 커서 온도변화에 의한 마찰계수의 변화가 다른 시편에 비해 큰 것을 알 수 있다. 시편 3의 경우 딤플이 없는 시편으로 윤활제를 사용하지 않는 경우인데, 온도에 따른 마찰계수 변화가 상대적으로 가장 작은 것으로 나타났다. 온도 변화에 따라 윤활제의 점성은 저온에서 증가하기 때문에 이러한 현상이 마찰계수에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 11.

Frictional coefficient with temperature variation

3.2 이동거리에 따른 마찰계수 변화

이동거리에 따른 마찰계수의 변화를 분석하기 위해서 Type A & B 실험에 대한 마찰계수의 변화를 고찰하고, 이를 통합하여 이동거리에 따른 마찰계수의 변화를 분석하였다. Fig. 12.에는 시편 1의 Type A & B 실험에 대한 실험주기별 마찰계수를 평균 및 평균+표준편차로 표시하였다. 이를 이용하여 5개 시편에 대해서 Type A & B의 마찰계수 변화 및 전체 이동거리에 대한 마찰계수 변화를 Fig. 13.에 나타내었다. 또한, 초기 및 최종 마찰계수와 최대 마찰계수를 Table 2에 나타내었다. 주의할 점은 시편 4의 경우, 실험 도중 시편의 과도한 변형으로 인해 실험을 도중에 중단하고 다시 수행하는 과정에서 Type A & B 실험의 횟수가 누락된 것이다.

Fig. 12.

Frictional coefficients according to moving distance: example of specimen 1

Fig. 13.

Frictional coefficients of 5 specimens

Table 2.

Initial, final, and maximum frictional coefficients

5개의 시편 중, 시편 1과 2는 비교적 경도가 높은 것으로 윤활제를 도포한 것이고, 시편 3은 경도가 상대적으로 높으며 윤활제를 사용하지 않은 것이다. 시편 4와 5는 비교적 경도가 낮으며 윤활제를 사용한 것이다. 시편 1과 2의 경향은 Type A와 B 실험 모두에서 이동거리가 증가함에 따라 마찰계수가 증가하는 것으로 나타났다. 특히 이동거리가 약 7,000 m 에 달했을 때 마찰계수가 급격히 증가하는 현상을 보이고 있다. 이는 도포한 윤활제의 소진, 마찰면의 마모에 의한 조도의 변화 및 마모에 의한 부스러기의 영향 등에서 발생한다고 판단된다.

시편 1과 2가 상대적으로 경도가 큰 것을 고려하면 마찰면의 영향보다는 윤활제의 소진이 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 시편 3은 윤활제를 사용하지 않기 때문에 시편 1 및 2보다 초기 마찰계수가 상당히 크다. 시편 1 및 2의 초기 마찰계수가 0.025 및 0.020인 것에 비해 시편 3은 0.049로 거의 두 배가 크다. 따라서 윤활제의 역할이 초기 마찰계수에 미치는 영향이 매우 큰 것을 알 수 있다. 시편 3도 이동거리에 따라 마찰계수가 증가하고 있으나, 그 기울기가 시편 1 및 2보다 완만하며, 이는 윤활제의 영향은 없고 마찰면의 변화, 즉 마모 및 파편의 영향에 의해서 마찰계수가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 이동거리가 약 6,000 m에 달했을 때 마찰계수가 증가율이 증가하고 있으며, 이동거리 8,000 m 이후에 마찰계수에 큰 변화가 없는 것으로 나타나 마찰면의 상태가 더 이상 마찰계수에 영향을 주고 있지 않다는 것을 파악 할 수 있다.

시편 3의 최종 마찰계수는 0.067로 시편 1의 최종 마찰계수 0.062와 유사하다. 시편 4 및 5의 경우, 이동거리 증가에 따라 마찰계수의 변화가 시편 1,2 및 3에 비해 작으며, 또한 약 5,000m 이동거리에서 최대 마찰계수가 발생하고 이후 이동거리 증가에도 마찰계수가 감소하는 현상을 보이고 있다.

시편 4와 5는 비교적 경도가 작은 시편으로 처음 Type A 실험 결과, 시편 5의 경우 초기 마찰계수는 0.023이며, 최종 마찰계수는 0.023으로 초기 마찰계수와 동일하며 최대 마찰계수는 0.034로 추정되었다. 이러한 시편은 부드러워 압력에 의한 변형이 크기 때문에 딤플(dimple) 하부에 있는 윤활제가 사용되는 현상이 발생할 수 있으며, 또한 마찰면이 마모에 의해서 조도가 감소하거나 부스러기가 롤러 역할을 수행하여 마찰작용을 감소시킬 수도 있다고 판단된다. 이 연구에서 수행한 한 개의 시편으로 이러한 모든 영향을 판단할 수 없으며, 추후 연구를 통해서 각 변수의 특징 및 영향을 밝혀 내야할 것이다.

3.3 실험 후 시편의 두께 변화

실험을 종료한 후 시편의 사진이 Fig. 14.에 나타나 있으며, 실험 전후 두께의 변화량을 Table 3에 제시하였다. 시편 1-3은 마찰면이 마모된 현상을 관찰 할 수 있으며, 원래의 원형 모양을 유지하고 있는 것을 볼 수 있다. 그러나 시편 4와 5는 마찰면이 매끈한 것을 관찰할 수 있다. 특히 시편 5는 마찰면이 거칠지 않은 것을 육안으로 확인할 수 있다. 그러나 시편 4와 5는 측면에 영구변형이 발생하여 원형모양이 훼손된 것을 관찰할 수 있다. 이것은 탄성한계응력보다 큰 외부압력이 작용하여 소성변형이 크게 발생한 것으로 추정된다. 실험을 수행하는 과정에서 60 MPa의 압력이 지속적으로 가해지므로, EP 마찰시편은 압축에 의한 마모, 소성변형 및 크리프 등에 변형이 발생하고 두께가 감소한다. 또한 시편은 일부는 구속되지 않고 노출되어 있어 측면의 부품현상 (bulging)이 발생하여 두께의 감소요인이 되고 있다. 각 시편의 실험 종료 후 두께의 변화를 Table 3에 나타내었다. 시편 1과 2는 상대적으로 두께의 감소가 작으며, 이는 시편 4와 5에 비해서 탄성계수가 크기 때문에 영구변형이 작은 것으로 판단된다. 시편 3은 윤활제를 사용하지 않기 때문에 마모에 의한 두께 감소가 시편 1 및 2에 비해 크게 나타난 것으로 판단된다. 시편 4와 5는 탄성한계를 넘어서는 압력의 작용에 의한 영구변형이 두께 감소의 큰 원인으로 판단된다

Fig. 14.

Deformed shapes of specimens after testing

Table 3.

Thickness variation of specimens after testing

3.4 PTFE 마찰재와 비교

PTFE(PolyTetraFlouEthelane)는 현재 교량받침의 마찰재로 가장 광범위하게 사용되고 있는 소재이다. PTFE에 대한 국내 설계마찰계수는 0.05로 설정되어 있다. 한 실험결과에 의하면 PTFE는 윤활제를 도포한 상태에서 속도 0.4 mm/s, 온도 21℃ 및 하중 30 MPa로 실험한 경우 초기마찰계수는 0.003으로 계측되었으며, 마찰 이동거리에 따라 10,000 m 에서는 0.013, 20,000 m 에서는 0.0165로 나타나 이동거리에 따라 마찰계수가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 위의 EP 마찰재와 경향이 유사한 것을 알 수 있다 (Eggert and Kauschke, 2002)^[5]. 초기에서 10,000 m 사이의 마찰계수 증가율은 1m 당 1.0×10^-6 1/m 이나, 10,000-20,000 m 구간에서는 1m 당 증가율이 0.35×10^-6 1/m 로 나타나 초기구간의 35%로 적다. EP 마찰재의 경우, 윤활재를 도포한 시편 1 및 2의 마찰계수 증가율은 각각 3.51×10^-6 1/m 및 2.63×10^-6 1/m 으로 PTFE의 증가율 보다 크게 발생하고 있으며, 이는 재료의 특성과 더불어 큰 수직압력과 온도변화가 동시에 영향을 준 것으로 판단된다. 윤활재를 도포하지 않은 시편 3의 경우 마찰계수 증가율은 1.757×10^-6 1/m로 윤활재를 도포한 EP 마찰재에 비해 증가율이 현저히 낮게 나탔다. 이는 EP 마찰재 시편 1-3에서 윤활재를 사용하는 경우, 윤활재의 소진이 이동거리에 따라 발생하고 마찰계수가 급격히 증가하여 최종 증가율이 크게 나타나는 것으로 판단된다.

또한, 윤활재를 도포하지 않은 PTFE의 초기마찰계수는 0.035로 측정되었으며, 윤활재를 사용하지 않는 EP 마찰재 시편 3의 초기 마찰계수 0.049보다 약간 작게 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 PTFE는 윤활재를 사용하는 경우 마찰계수가 감소효과가 매우 크게 발생하나, EP 마찰재에서는 상대적으로 효과가 적음을 알 수 있다.

Fig. 15.에는 마찰실험 후의 PTFE 시편의 모양을 보여주고 있으며, 이를 Fig. 14.의 EP 마찰재와 비교해 보면, 시편 1-3의 경우에는 PTFE에 비해서 마모 내구성이 월등한 것을 알 수 있으며, 시편 4-5의 경우에도 변형은 되었지만, 표면의 마모는 PTFE에 비해서 우수하다고 판단된다.

Fig. 15.

Deformed shape of plates of PTFE