레일은 차륜과의 접촉에 의한 피로와 접촉 마모(wear) 및 파상마모(corrugation), 표면박리(shelling), 표면미세균열(head crack), 압좌(squat), 파단(failure) 등 각종 결함들이 발생한다. 이러한 레일결함은 차량 주행시 충격을 유발하여 레일 및 궤도구성품의 내구성 및 수명 단축, 소음 증대, 승차감 저하 등을 유발하고, 심할 경우 철도사고로 이어져 막대한 인명 및 재산피해를 가져올 수 있다. 특히 열차가 고속화 되면서 이에 대한 문제는 더욱 크게 증가하게 될 것으로 판단되고 있다. 본 연구에서는 레일표면에서 발생하는 결함에 대한 유형들을 파괴역학적 관점으로 해석하고자 차륜과 레일의 접촉에 따른 영향을 3차원 유한요소모델을 이용하여 비선형 상세해석을 수행하였으며, 현장측정을 통해서는 레일연마 시행 시 중요한 영향을 미치는 누적통과톤수에 따라 레일표면의 요철성장 경향을 분석하였다. 또한, 실내시험에서는 현미경을 이용한 조직검사, 표면깊이별 화학성분검사 및 마이크로비커스 ...
레일은 차륜과의 접촉에 의한 피로와 접촉 마모(wear) 및 파상마모(corrugation), 표면박리(shelling), 표면미세균열(head crack), 압좌(squat), 파단(failure) 등 각종 결함들이 발생한다. 이러한 레일결함은 차량 주행시 충격을 유발하여 레일 및 궤도구성품의 내구성 및 수명 단축, 소음 증대, 승차감 저하 등을 유발하고, 심할 경우 철도사고로 이어져 막대한 인명 및 재산피해를 가져올 수 있다. 특히 열차가 고속화 되면서 이에 대한 문제는 더욱 크게 증가하게 될 것으로 판단되고 있다. 본 연구에서는 레일표면에서 발생하는 결함에 대한 유형들을 파괴역학적 관점으로 해석하고자 차륜과 레일의 접촉에 따른 영향을 3차원 유한요소모델을 이용하여 비선형 상세해석을 수행하였으며, 현장측정을 통해서는 레일연마 시행 시 중요한 영향을 미치는 누적통과톤수에 따라 레일표면의 요철성장 경향을 분석하였다. 또한, 실내시험에서는 현미경을 이용한 조직검사, 표면깊이별 화학성분검사 및 마이크로비커스 경도시험을 통해 누적통과톤수(열차축중×통과수)에 따른 레일내부 조직의 물리․화학적 변화를 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 차륜/레일 비선형 상세해석을 통해 열차 제동시 레일표면 및 내부에서 발생하는 최대등가응력이 증가하며, 파괴역학적 관점에서 분석한 누적피로손상도가 레일표면에서 (약 6~28%) 증가하고, 레일표면으로부터 약 6.8mm깊이에서 (약 3~12%정도) 증가하는 것으로 분석되었다. 즉, 차륜과 레일의 접촉으로 인해 발생하는 레일 열화손상을 제어하기 위한 레일연마작업은 열차 주행구간과 제동구간을 구분하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 2) 현장시험을 통해 열차운행조건(주행/제동) 및 궤도조건(자갈/콘크리트궤도, 도상상태 양호/불량)과 누적통과톤수에 따른 레일표면 요철성장률을 분석한 결과, 궤도형식에 따른 레일표면 요철성장률은 자갈궤도와 콘크리트궤도가 동일한 것으로 분석되었으나 자갈궤도의 도상상태가 불량할 경우에 (약 54.5%) 더 큰 것으로 분석되었다. 도상상태에 따른 비교에서는 정거장(제동)구간에서는 도상상태가 불량할 경우 양호한 구간에 비해 요철성장률이 (약 50.0%) 더 크며, 주행구간의 경우에도 (약 54.5%) 더 큰 것으로 분석되었다. 열차운행조건에 따른 비교에서는 정거장(제동)구간이 주행구간보다 (약 21.2%) 더 큰 것으로 분석되었다. 따라서 합리적인 레일연마를 위해서는 자갈궤도와 콘크리트궤도를 구분하고, 유한요소해석결과와 마찬가지로 열차제동구간과 주행구간을 구분하여 시행하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 3) 실내시험을 통한 레일내부 조직의 재료적 특성(물리․화학적) 변화를 분석한 결과를 통해 도출한 결론은 다음과 같다. 현미경을 이용한 레일내부 조직검사 결과와 레일두부표면 깊이별 화학성분검사 결과, 신품레일에서 약 0.2~0.3mm 깊이까지 유효탈탄층이 존재하여 초기연마깊이를 약 0.3mm까지 시행해야 할 것으로 판단되었다. 레일표면 깊이별 마이크로비커스 경도시험 결과, 유효탈탄층이 존재하는 신품레일에서는 레일심부 대비 경도값이 표면에서 낮은 것으로 분석되었으며, 사용레일에서는 연마 후 누적통과톤수가 높을수록 표면층 심부경도 대비 측정값이 높아지는 것으로 분석되었다. 여기서 표면층의 경도값을 심부경도 대비 95~110% 수준으로 유지할 수 있도록 하기 위해서는 신품레일의 경우 초기연마깊이를 약 0.3mm 연마하고, 사용레일의 경우 예방연마 측면에서 약 0.1mm/5천만톤를 연마하는 것이 효과적인 것으로 판단되었다. 4) 따라서 본 연구에서는 도시철도의 합리적인 레일연마를 위해 적정 레일연마주기 및 연마량을 전 구간을 일괄적으로 연마할 경우와 선로구간별로 연마할 경우로 구분하여 제시함으로써 합리적인 레일연마작업이 이루어질 수 있도록 하였다. 향후 본 연구에서 다루지 못한 도상상태와 레일표면 요철성장률의 상관관계에 대한 정량적 분석, 레일표면 요철량과 소음의 정량적 상관관계 및 궤도구성품의 사용수명 연장을 위한 레일표면 요철의 임계치 분석 등이 필요할 것으로 판단된다.
레일은 차륜과의 접촉에 의한 피로와 접촉 마모(wear) 및 파상마모(corrugation), 표면박리(shelling), 표면미세균열(head crack), 압좌(squat), 파단(failure) 등 각종 결함들이 발생한다. 이러한 레일결함은 차량 주행시 충격을 유발하여 레일 및 궤도구성품의 내구성 및 수명 단축, 소음 증대, 승차감 저하 등을 유발하고, 심할 경우 철도사고로 이어져 막대한 인명 및 재산피해를 가져올 수 있다. 특히 열차가 고속화 되면서 이에 대한 문제는 더욱 크게 증가하게 될 것으로 판단되고 있다. 본 연구에서는 레일표면에서 발생하는 결함에 대한 유형들을 파괴역학적 관점으로 해석하고자 차륜과 레일의 접촉에 따른 영향을 3차원 유한요소모델을 이용하여 비선형 상세해석을 수행하였으며, 현장측정을 통해서는 레일연마 시행 시 중요한 영향을 미치는 누적통과톤수에 따라 레일표면의 요철성장 경향을 분석하였다. 또한, 실내시험에서는 현미경을 이용한 조직검사, 표면깊이별 화학성분검사 및 마이크로비커스 경도시험을 통해 누적통과톤수(열차축중×통과수)에 따른 레일내부 조직의 물리․화학적 변화를 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 차륜/레일 비선형 상세해석을 통해 열차 제동시 레일표면 및 내부에서 발생하는 최대등가응력이 증가하며, 파괴역학적 관점에서 분석한 누적피로손상도가 레일표면에서 (약 6~28%) 증가하고, 레일표면으로부터 약 6.8mm깊이에서 (약 3~12%정도) 증가하는 것으로 분석되었다. 즉, 차륜과 레일의 접촉으로 인해 발생하는 레일 열화손상을 제어하기 위한 레일연마작업은 열차 주행구간과 제동구간을 구분하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 2) 현장시험을 통해 열차운행조건(주행/제동) 및 궤도조건(자갈/콘크리트궤도, 도상상태 양호/불량)과 누적통과톤수에 따른 레일표면 요철성장률을 분석한 결과, 궤도형식에 따른 레일표면 요철성장률은 자갈궤도와 콘크리트궤도가 동일한 것으로 분석되었으나 자갈궤도의 도상상태가 불량할 경우에 (약 54.5%) 더 큰 것으로 분석되었다. 도상상태에 따른 비교에서는 정거장(제동)구간에서는 도상상태가 불량할 경우 양호한 구간에 비해 요철성장률이 (약 50.0%) 더 크며, 주행구간의 경우에도 (약 54.5%) 더 큰 것으로 분석되었다. 열차운행조건에 따른 비교에서는 정거장(제동)구간이 주행구간보다 (약 21.2%) 더 큰 것으로 분석되었다. 따라서 합리적인 레일연마를 위해서는 자갈궤도와 콘크리트궤도를 구분하고, 유한요소해석결과와 마찬가지로 열차제동구간과 주행구간을 구분하여 시행하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 3) 실내시험을 통한 레일내부 조직의 재료적 특성(물리․화학적) 변화를 분석한 결과를 통해 도출한 결론은 다음과 같다. 현미경을 이용한 레일내부 조직검사 결과와 레일두부표면 깊이별 화학성분검사 결과, 신품레일에서 약 0.2~0.3mm 깊이까지 유효탈탄층이 존재하여 초기연마깊이를 약 0.3mm까지 시행해야 할 것으로 판단되었다. 레일표면 깊이별 마이크로비커스 경도시험 결과, 유효탈탄층이 존재하는 신품레일에서는 레일심부 대비 경도값이 표면에서 낮은 것으로 분석되었으며, 사용레일에서는 연마 후 누적통과톤수가 높을수록 표면층 심부경도 대비 측정값이 높아지는 것으로 분석되었다. 여기서 표면층의 경도값을 심부경도 대비 95~110% 수준으로 유지할 수 있도록 하기 위해서는 신품레일의 경우 초기연마깊이를 약 0.3mm 연마하고, 사용레일의 경우 예방연마 측면에서 약 0.1mm/5천만톤를 연마하는 것이 효과적인 것으로 판단되었다. 4) 따라서 본 연구에서는 도시철도의 합리적인 레일연마를 위해 적정 레일연마주기 및 연마량을 전 구간을 일괄적으로 연마할 경우와 선로구간별로 연마할 경우로 구분하여 제시함으로써 합리적인 레일연마작업이 이루어질 수 있도록 하였다. 향후 본 연구에서 다루지 못한 도상상태와 레일표면 요철성장률의 상관관계에 대한 정량적 분석, 레일표면 요철량과 소음의 정량적 상관관계 및 궤도구성품의 사용수명 연장을 위한 레일표면 요철의 임계치 분석 등이 필요할 것으로 판단된다.
Defections of rail such as wear, corrugation, shelling, head crack, squat, failure, and etc are occurred from interactions between wheel and rail. These could cause decreasing service life of track components, increasing noise, and declining comfortability of riding. In ultimate cases, defections ma...
Defections of rail such as wear, corrugation, shelling, head crack, squat, failure, and etc are occurred from interactions between wheel and rail. These could cause decreasing service life of track components, increasing noise, and declining comfortability of riding. In ultimate cases, defections may lead to accidents. Especially, the higher train speed will be expected, the more defections of rail will be developed. In this study, interactions between wheel and rail were investigated using rolling contact fatigue theory and mechanism of rail degradation through fracture mechanics. For the more, the Von-Mises stress occurred on the rail due to the interaction between wheel and rail was analyzed using 3-D finite element method. The amounts of surface irregularity of rail were measured according to accumulated passing tonnage in urban railway in fields, and tests of microscopic, chemical property, and micro vickers hardness on specimens were also performed in laboratory. The conclusions of this study are as follows; The initial rail grinding about 0.3mm should be carried out to remove de-carbonized layer for new rail; The maintenance of rail should be separated by running and braking sections to prevent RCF defects. In addition, the preventive-cyclic rail grinding about 0.1mm/50MGT should be performed; Two options of grinding to prevent RCF defects are proposed such as whole line grinding or grinding by separated sections of running and breaking.
Defections of rail such as wear, corrugation, shelling, head crack, squat, failure, and etc are occurred from interactions between wheel and rail. These could cause decreasing service life of track components, increasing noise, and declining comfortability of riding. In ultimate cases, defections may lead to accidents. Especially, the higher train speed will be expected, the more defections of rail will be developed. In this study, interactions between wheel and rail were investigated using rolling contact fatigue theory and mechanism of rail degradation through fracture mechanics. For the more, the Von-Mises stress occurred on the rail due to the interaction between wheel and rail was analyzed using 3-D finite element method. The amounts of surface irregularity of rail were measured according to accumulated passing tonnage in urban railway in fields, and tests of microscopic, chemical property, and micro vickers hardness on specimens were also performed in laboratory. The conclusions of this study are as follows; The initial rail grinding about 0.3mm should be carried out to remove de-carbonized layer for new rail; The maintenance of rail should be separated by running and braking sections to prevent RCF defects. In addition, the preventive-cyclic rail grinding about 0.1mm/50MGT should be performed; Two options of grinding to prevent RCF defects are proposed such as whole line grinding or grinding by separated sections of running and breaking.
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