휠-레일 접촉 시험기를 활용한 다양한 열차 속도에서의 살수 방법의 공기 질 향상 효과 측정 및 분석

1. 서론

지하철 시스템의 공기는 철도 차량 운행 중 발생하는 비 배기(Non-exhaust) 미세 먼지(Particulate Matter, PM), 즉 마찰면에서 발생하는 미세 마모 입자(Airborne Wear Particles)에 의해 심하게 오염되어 있다. 국내 철도 차량은 회생 제동을 주로 사용하므로 이러한 비 배기 미세 먼지의 주된 원인은 휠-레일 접촉(Wheel-rail Contact)면에서 발생하는 미세 마모 입자들이다. 이러한 미세 마모 입자들은 다양한 중금속을 포함하고 있어 인체에 유해하다[1-5]. 입자는 작을수록 인체 침투가 용이하고 장기에 쌓여 다양한 질병의 원인이 될 수 있어[6-8] 미세 마모 입자 저감 기술 개발을 통해 지하철 시스템의 공기 질을 향상시키는 것은 승객 및 작업자의 건강 향상을 위하여 아주 중요하다.

미세 먼지 저감 연구는 주로 필터(Filter) 또는 집진기(Dust Collector) 개발 등 발생된 미세 마모 입자를 줄이는 후처리(Post-processing) 기술 연구가 대부분으로, 지하철 미세 마모 입자 저감 연구 또한 다르지 않다. 이 방법이 효과를 보기 위해서는 지하철 터널 전라인에 연속적으로 설치를 해야 한다. 이는 비용(설치 및 유지 보수) 및 새로운 인력 투입 등 다양한 현실적인 문제에 부딪혀 실제 적용하지 못하고 있다. 또한, 후처리 방법만으로는 열차 주행 중 지속적으로 발생하고[9,10] 있는 미세 마모 입자를 제거하는데 한계가 있다. 따라서, 미세 마모 입자 발생 자체를 줄일 수 있는 전 처리(Pre-processing) 기술 개발이 반드시 필요하다.

전 세계적으로 휠-레일 접촉 미세 마모 입자 발생 관련 연구는 아주 드물다. 또한, 저감 관련 전 처리 기술 연구는 본 저자가 유일하다. Lee는 열차 속도[9] 및 하중[10]이 미세 마모 입자발생량 및 발생 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한, Lee[11,12]는 1 μm 이하의 입자들이 열적 마모(Thermal Wear) 과정[13]에서 주로 발생하는 것에 착안하여, 휠-레일 접촉면에 물을 뿌려 접촉 온도를 낮추는 방법의 효과를 Twin-disk 시험기를 활용하여 수 농도(Number Concentration, Unit: #/cm³) 관점에서 확인하였다. 이를 통해 살수 방법이 미세 마모 입자 발생수 농도 저감에 효과가 있음을 확인하였고, 특히 마이크로 마모 입자 발생 저감에 매우 효과적임을 확인하였다.

공기 질(Air Quality)의 관점에서는 수 농도가 아닌 질량 농도(Mass Concentration, Unit: μm/m³)가 사용된다. 일반적으로 입자가 작을수록 발생 수는 많지만 질량에서 차지하는 비중은 작다. 마이크로 마모 입자의 경우 입자 수는 절대적으로 매우 적게 발생하지만, 전체 발생 입자의 질량에서 차지하는 비중은 거의 대부분을 차지한다. 따라서, 질량 농도의 특성은 수 농도 특성과는 다른 경향을 보인다.

최근 미세 먼지가 사회적 이슈가 되고 있어 공기 질에 대한 국민적 관심이 높아지고 있다. 또한, 작은 입자, 특히 작은 미세 마모 입자의 인체 유해성이 부각됨에 따라 공기 질 모니터링은 PM10에서 PM1으로까지 이어지고 있다. 참고로, PM10은 10 μm 이하 입자들의 질량 농도 합을, PM1은 1 μm 이하 입자들의 질량 농도 합을 의미한다. 따라서, 본 연구는 미세 마모 입자 발생 저감 전 처리 기술인 수돗물 살수 방법의 나노 마모 입자 발생 저감 효과를 공기 질 측면에서 확인하고, 이에 대한 열차의 속도 영향도 확인하고자 한다.

2. 실험 방법

본 논문은 참고 문헌[14]의 연속 연구로써 다양한 회전 속도에서의 공기 질 향상 특성을 확인한 연구이다. 따라서, 본 논문에서는 실험 방법에 대해서 간략히 설명하였다. 자세한 내용은 참고 문헌들[9-12,14]을 참고하길 바란다.

2.1 휠-레일 접촉 시험기 및 시편

Fig. 1에 나타나 있는 Twin-disk 시험기 및 고탄소강(SSWQ1R)으로 만들어진 300Ø의 휠 및 레일 시편을 이용하여 휠-레일 접촉면에서의 미세 마모 입자 발생 모사 시험을 수행하였다. 휠 시편은 편평한(Flat) 한 트레드(Tread)를 가지고 레일 시편은 UIC60 헤드 프로파일(Head Profile)을 가진다. 시편의 화학 조성 및 경도, 초기 거칠기 정보는 Tables 1 및 2에 각각 나타나 있다.

Fig. 1

Schematic of experimental setup

Table 1

Chemical compositions of the wheel and rail disks [14] (Adapted from Ref. 14 on the basis of OA)

Table 2

Hardness and Initial surface roughness of the wheel and rail disks [14] (Adapted from Ref. 14 on the basis of OA)

3. 실험 결과

3.1 입자 크기 분포 분석

Fig. 2에 건조 및 살수 조건에서 측정된 질량 농도에 대한 입자 분포(Particle Size Distribution)가 나타나 있다. 건조 조건에서는 회전 속도가 증가함에 따라 질량 농도도 같이 증가하였다. 입자 피크(Peak)는 500 및 800 RPM에서는 약 11 및 255 nm에서 동일하게 발생하였다. 1,300 RPM에서는 약 255 nm 에서만 발생하였다. 살수 조건에서도 질량 농도는 회전 속도에 영향을 받았다. 입자 피크는 500 RPM에서는 약 12, 19, 190 nm에서, 800 RPM 에서는 약 12, 19 nm에서, 1,300 RPM 에서는 약 190 nm에서 발생하였다. 특이하게도 500 및 800 RPM에서는 100 nm 이상 입자에서도 지속적으로 질량 농도가 증가하였고, 1,300 RPM에서는 약 190 nm 이후 감소하는 경향이 나타났다. 건조 조건의 각 회전 속도에서 100 nm 이상에서의 질량 농도는 살수 조건에 비해 상당히 높게 나타났는데 이를 통해 살수 방법이 100 nm 이상의 입자 발생 저감에 효과가 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 2

Particle size distribution for dry and wet conditions

Fig. 3은 살수에 따른 질량 농도 감소율을 보여준다. 빨간 점선을 기준으로 위쪽은 발생량 감소를, 아래쪽은 발생량 증가를 의미한다. 500 RPM에서는 약 100 nm 이상의 입자에서 대체로 질량 농도 감소가 나타났다(Fig. 3(a)). 800 및 1,300 RPM에서는 약 30-40 nm 이상의 입자에서 질량 농도 감소가 나타났다(Figs. 3(b) and 3(c)). 여기서, 질량 농도가 증가한 이유는 뿌려진 물이 순간적인 높은 마찰열에 의해 증발하여 생긴 수증기와 수돗물에 포함된 미네랄 크리스탈의 영향으로 판단된다[11,12,15]. 100 nm 이상의 입자에서는 모든 회전 속도에서 대체로 높은 질량 농도 감소율을 보였는데, 이는 뿌려진 물이 접촉면에 윤활층을 만들어 표면 요철(Surface Asperity)의 접촉을 줄인 결과, 마찰 및 마찰열이 감소하여 나타난 결과로 판단된다. 이를 통해 살수 방법은 100 nm 이상의 입자 발생 저감에 아주 효과적임을 알 수 있다.

Fig. 3

Reduction rate at each particle size for each rotational speed

3.2 질량 농도 분석

건조 및 살수 조건에서 발생한 입자의 PM0.1 및 PM0.56의 평균(Average) 및 범위(Range)를 비교해서 Fig. 4에 보였다. 또한, 살수에 의한 질량 농도 감소율, 즉 공기 질 향상율을 Table 3에 %로 보였다. PM0.1 및 PM0.56 모두 건조 조건에서 질량 농도가 월등히 높은 것을 알 수 있다. 또한, 건조 및 살수 두 조건 모두에서 회전 속도가 증가할수록 질량 농도가 증가하였다. 500 RPM PM0.1의 경우 특이하게 살수 조건에서 더 높은 수치가 나타났는데, 이는 Fig. 3(a)에 나타나 있듯이 약 100 nm 정도 크기의 입자까지 질량 농도가 살수 조건에서 더 높게 나타났기 때문이다. 대체적으로, 살수 시 PM0.1의 경우 약 80%의 공기질 향상 효과가, PM0.56의 경우 최대 약 98%의 공기 질 향상 효과가 나타났다(Table 3).

Fig. 4

Averages and ranges of PM0.1 and PM0.56 at each rotational speed and their reduction rates

Table 3

Reduction rates at each rotational speed

건조 조건에서 PM0.1이 PM0.56에서 차지하는 비중은 500, 800, 1,300 RPM에서 각각 약 0.2, 2.0, 2.5%였다. 살수 조건에서는 각각 4.0, 16.1, 7.8%였다. 살수 조건에서 상대적으로 PM0.1의 비중이 높은 이유는 살수에 의해 미세 마모 입자 발생량은 줄었으나, 건조 조건과 달리 살수에 의해 발생했을 것으로 예상되는 수증기 및 미네랄 크리스탈의 영향 때문으로 판단된다.

건조 조건의 경우 PM0.1이 PM0.56에 비해 무시할 수 있을 정도로 적다는 것을 알 수 있다. 또한, 살수 조건의 경우 수증기 및 미네랄 크리스탈의 영향을 배제한다면, 아마도 건조 조건과 마찬가지로 비중이 무시할 정도로 적을 수 있을 것으로 생각된다. 따라서, 이를 통해 본 연구에서 측정된 560 nm 이하 입자들의 공기 질에서 100 nm 이상의 입자들이 지배적으로 영향을 미침을 알 수 있다. 실제 터널에서 입자를 측정해보면 1-10 μm 크기의 마이크로 입자들의 수 농도는 거의 무시할 수준으로 적게 측정되지만 질량 농도는 PM10에서 대부분을 차지한다. 따라서, 공기 질의 측면에서는 입자 크기가 미치는 영향이 지배적이라고 할 수 있다.

4. 결론

본 연구에서는 살수 방법의 나노 입자들에 대한 공기 질 향상 효과 및 이에 대한 열차 속도 영향 연구를 위해 Twin-disk 시험기를 활용하여 세 가지 회전 속도, 500, 800, 및 1,300 RPM에서 미세 마모 입자 발생 모사 시험을 수행하였다. 다양한 철도차량 동역학을 모사하기 위해 슬립률을 0에서 3%까지 연속적으로 변화시켜 이때 휠-레일 접촉면에서 발생한 미세 마모 입자의 질량 농도를 측정하고 이를 분석하였다. 본 연구를 통해 아래의 결론을 도출할 수 있다.

1. 살수 시 PM0.56의 감소율은 최소 약 74% 및 최대 약 97.5%로, 살수 방법은 나노 입자 공기 질 향상에 효과가 있는 것으로 판단된다.

2. 건조 및 살수 조건 모두에서 회전 속도가 증가함에 따라 PM0.1 및 PM0.56이 증가함을 보였다. 이를 통해 열차 속도는 접촉면에서 발생하는 미세 마모 입자의 공기 질에 영향을 미침을 알 수 있다.

3. 살수 조건에서 나타난 작은 입자 들에서의 음의 감소율, 즉 발생량 증가는 살수 시 발생한 수증기 및 미네랄 크리스탈의 영향으로 의심되는바, 이에 대한 확인 연구가 필요하다.

Acknowledgments

이 논문은 한국철도기술연구원 기본사업인 “역사 플랫폼 인근 터널 지속가능 부유 분진 저감장치 기술 개발(PK2404B1E)”의 연구 결과를 활용하여 작성되었음.

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