R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717RTRP-C137646-01 | |||||
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| 연구사업명 | 철도기술연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 나노유체 기반 철도차량 회전기기용 고성능 저비용 윤활제 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-10-23 ~ 2019-06-22 | |||||
| 연구책임자 | 현준수 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 612,000,000 원 기업 : 204,000,000 원 계 : 816,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 612,000,000 원 기업 : 204,000,000 원 계 : 816,000,000 원 |
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| 연구기관명 | (주)원에스티 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B552989-000140-01 | |||||
| ISBN | 979-11-89761-71-4 | |||||
| 주요 내용 |
○ 윤활제는 철도차량 내 각종 회전기기의 원활한 작동을 위해 사용됨. 윤활제는 베어링 등 금속 간 마찰면 사이에 윤활막을 형성하여 마찰 및 마찰열 감소, 공기 또는 수분의 접촉 차단을 통한 부식방지 등 다양한 역할을 함, 고속/도시철도의 견인전동기 및 차축감속기 등의 회전기기에 설치되는 베어링은 구름접촉에 근거하여 설계되어서 마찰 효과는 낮긴 하지만, 무시할 정도가 아니므로 윤활이 필수적임. 고성능 윤활제를 사용함으로써 윤활 및 냉각 성능을 향상시키고, 부품의 수명을 증가시킬 수 있으며, 동력의 소모를 줄여 기계 효율을 증가시킬 수 있으며, 이는 철도차량 시스템의 안정적인 운영 및 유지보수 비용 절감과 직결됨. 특히, 차축 감속기에 설치된 고속철도용 베어링의 경우, 원가 비용 등의 문제로 국내에서 제작하지 않아 전량 수입하고 있기 때문에 베어링의 고장기성 수명 연장을 위한 윤활제의 연구개발이 시급함. ○ 윤활유는 사용하는 동안 금속간의 마찰열/접촉열, 금속 마모입자, 공기중의 산소 및 수분 등에 의해 물리적, 화학적 변형이 진행됨. 오염된 윤활유나 부적적한 실(Seal) 등 윤활제로 인한 문제는 베어링의 마모손상, 재경화 (rehardening), 나아가 균열이나 플레이킹 손상으로 발전할 수 있음. 윤활제의 수명을 증가시키기 위해서, 이러한 마찰열/접촉열을 냉각할 수 있는 열전도성 향상 및 베어링 금속면의 마찰 최소화가 요구되며, 또한 최적화 된 실(Seal)을 통해 이물질의 침입이나 윤활제의 누출을 방지할 수 있음. ○ 나노유체란, 일반 유체에 직경이 100nm 이하 크기의 나노입자 또는 나노튜브와 같은 섬유들을 분산, 부유시켜 만든 유체임. 높은 열전도 특성으로 차세대 냉각유체로 활발히 연구되고 있음. 나노유체 기반 윤활제란, 기계적 특성(강도 및 열전도도, 친환경성)이 우수한 나노 크기의 입자가 기존 윤활제 내 분산되어 수용액 상태로 안정화된 2상(Two phase) 유체를 의미함. ○ 베어링 윤활유 내의 나노입자는 금속 볼(Ball)과 기저면(Substrate) 사이에 입자막을 형성하여, 두 금속면의 접촉면을 점접촉화 하여 Rolling effect를 향상시키고, 운전 중 상승되는 열을 냉각시킬 수 있음. 또한 미세한 손상부위를 채워주워 표면을 매끄럽게 재생하는 효과를 주는 등 윤활성능을 향상시킴. 하지만, 철도차량 윤활유에 나노유체가 적용된 사례는 전무하며, 철도 회전기기와 같은 고하중, 장기사용 환경에서 안정적인 분산도 및 점도 등 기계적 특성을 유지할 수 있는 나노유체 윤활제의 연구가 필요함. 또한, 나노유체 기반 철도부품 윤활제의 성능 평가를 위한 시험장비/시험절차 설계 및 구축을 통해, 개발되는 윤활제의 상용화를 위한 신뢰성을 확보하는 것이 중요함. ○ 따라서, 본 과제에서, 고속/도시철도 회전부품인 기어박스의 윤활 특성 요구사항에 부합하는 고성능, 장기적인 안정성을 가지는 나노유체 기반 윤활제를 개발하고, 부품단위/현차시험의 성능검증을 통한 실용화 기반을 마련하고자 함. [최종목표] ○ 철도차량의 기어박스에 활용되는 베어링의 윤활, 냉각성능 및 수명향상을 위해 기계적 성능 (강도, 전도도, 친환경성 등)이 우수한 나노유체(Nano-fluids) 기반 윤활제 제조기술 개발 - 기존 윤활제 대비 회전기기 마모율 및 냉각성능 20~40 % 향상 - 사용 수명 3~5년 연장 - 적용 대상 철도부품의 운용환경을 고려한 나노입자 특성(점성, 열전도도 등) 설계 및 최적 나노입자 선정 - 철도차량기어박스 운용환경을 고려한 나노유체 기반 윤활제 적용방안 설계 - 저농도(~5 vol.% 이하) 나노유체 기반 윤활제 제조기술 개발 - 유체 내 나노입자의 분산안정도(colloidal stability)를 장기간 유지하기 위한 나노유체 합성방법 개발 - 나노입자의 종류(형상, 크기, 열특성 등), 유체조건(농도, pH, Zeta potential)에 따른 대량 합성기술 개발 ○ 나노유체 기반 윤활제 시작품 제조, 부품단위/현차적용 시험 평가를 통한 상용화 기반 마련 - 나노유체 기반 철도차량 기어박스용 윤활제 시작품 제작 - 시험절차서(기준) 개발 및 부품단위/현차 검증시험 - 성과품 공인시험성적서 취득 - 교체주기 등 유지보수 방안 도출 [연구내용 및 범위] ○ 철도차량 기어박스용 나노유체 윤활제 목표 요구사항 정의 - 국내 고속철도 및 도시철도 차량 기어박스 운용환경 분석 - 철도차량 윤활제 수요처 요구사항 조사/분석 및 소재 설계를 위한 요구사항 정의 ○ 나노유체 윤활제 1, 2차 시작품 제조 및 제조기술 최적화 연구 - 철도차량 나노유체 윤활제 적용 나노소재 선정 - 문헌자료 및 시장조사를 통해 철도차량 윤활제 적용에 적합한 나노소재 후보군 선정 - 나노소재 기초 물성(형상, 크기, 열특성 등) 조사 및 윤활 베이스 오일 조건(농도, pH, Zeta potential 등)과의 적합성 분석 ○ 나노유체 기반 윤활제용 기초소재 분석 - NMR과 FT-IR 기법을 이용한 기유 (Base-oil)의 화학적 조성 및 특성 분석 - TEM, XRD, DLS 및 Zeta-potential를 이용한 나노입자의 크기, 균일도 및 표면 특성 분석 ○ 나노입자 표면 처리 기술 개발 - 기유와 화학적인 특성이 유사한 나노입자 표면처리제 선정. 나노유체에 많이 사용되는 알루미나, 산화티타늄과 같은 세라믹산화물의 표면을 Self-assembled monolayer(SAM)를 이용하여 표면처리할 수 있는 제조기술 확립 - 혼합방법에 따른 표면 처리된 나노입자의 분산도 테스트 및 분산최적화 기술 개발 - 나노입자 함량 및 나노유체 용액 시스템의 용매 종류, 농도 및 점도 최적화 연구. 동점도 및 유변특성의 기초물성 평가 ○ 고분산성 나노유체 분산안정성 특성 평가 - Turbiscan의 투과도 및 산란도 측정을 통해 나노유체 내부의 분산 저해 메커니즘 연구 및 시간에 따른 나노유체의 분산안정도 측정방법 확립 - 50 nm 수준 입자크기 및 5 vol% 이하 저농도 나노유체 기반 윤활제 합성 및 요구조건에 따른 물성특성 연구 - 나노유체 윤활제 시작품 제작 및 성능향상 연구 ○ 베어링에서의 특성 평가 - 시험기의 설계 및 개발 - 윤활제의 표면 특성 시험이 용이한 형태의 베어링 시험기 개발. 특히 미세한 표면현상 관찰을 용이하게 하기 위해 조립과 해체가 용이한 베어링의 형태 고려 및 특성의 모니터링을 위한 방안 수립. - 베어링의 온도 특성 평가 베어링의 표면 및 마모 특성 평가 ○ 오일 씰과 관련된 특성 평가 베어링 시험 평가 - 베어링 시스템에서 윤활제는 베어링의 작동 표면 뿐 아니라 시스템에 사용되는 씰의 표면에도 큰 영향을 미침. 윤활제 고유 특성이 씰 재료와의 상호 영향도를 분석하는 것은 일반적이지만 표면 특성 향상물질이 베어링은 물론 씰 표면에도 어떠한 불리한 면이 없고 효과적인 특성들 가져야 함. 또한, 모니터링을 위한 방안이 수립되고 수행되어야 함. - 오일씰 시험기의 설계 및 개발 - 오일씰 적합성 및 변형 특성 평가 - 오일씰 표면 및 마모특성 평가 ○ 시작품 제작 및 부품/현차 시험 결과 기반 문제점 도출 및 성능향상 연구 - 성능시험 결과 기반 최종성과품 공인시험성적서 취득 - 소재 물성 특성을 개선하고, 마찰계수, 내하중 및 내마모 특성 등 기계적 성능 개선을 위한 나노유체 윤활제 최적 합성 제조기술 개발 - 대량 합성을 위한 공정 효율화 방안 연구 - 성과품의 가격경쟁력 확보 및 대량생산 신뢰성 향상을 위한 제조 공정 효율화 방안 도출 |
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