[논문]경부고속선의 레일 연마에 따른 레일 피로수명 평가

김만철; 최은수

초록
AI-Helper

고속철도 운행에 따라 레일표면결함에 대한 관리의 중요성이 점점 더 증대되고 있다. 차량의 고속주행시 레일표면결함은 레일의 피로수명 단축 및 궤도의 열화 촉진, 승차감 저하를 유발하기 때문이다. 현재 경부고속철도에서는 레일의 효율적 유지보수를 위하여 레일연마를 수행하고 있다. 본 논문에서는 레일연마에 따른 레일의 피로수명을 예측하였다. 이를 위해서 연마 후 KTX 운행시 레일 저부의 휨응력을 계측하였으며, Rain-flow counting 기법을 적용하여 빈도해석을 실시하여 RCM에 의해 등가응력범위를 산정하였다. 선형누적피로피해를 이용한 피로수명 평가방법은 수정 Miner 법칙에 기초하였다. 해석결과 연마에 따른 레일의 피로수명이 15% 증가되는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The importance of maintenance of rail surface defects is increasing according to the KTX operation. That is because during high speed operation of rolling stocks, rail surface defects shorten fatigue life of rail, accelerate track degradation and deteriorate ride comfort. Rail grinding has been appl...

The importance of maintenance of rail surface defects is increasing according to the KTX operation. That is because during high speed operation of rolling stocks, rail surface defects shorten fatigue life of rail, accelerate track degradation and deteriorate ride comfort. Rail grinding has been applied for effective rail maintenance in Kyeong-Bu HS line. This paper evaluates the effectiveness of rail grinding in term of rail fatigue life. To this end, the stresses of the rail are measured under KTX running and the equivalent stress range is calculated by RMC after the frequency analysis done with rainflow counting method. Also, The Modified Miner's rule is applied to predict the fatigue life of ground rail. The result of the analysis shows that the fatigue life of ground rail is increased by 15%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 UIC260급 레일과 물리적 성질이 유사하고 Ishida 등[6]이 레일 피로수명 산정을 위해 적용한 60kg 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N 선도를 이용하여 레일 용접부의 피로수명을 평가하였다(Fig. 7).
본 논문에서는 경부고속선에 대해서 연마에 따른 레일 피로수명을 산정하였다. 60kg 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N선도에 레일 연마 전후에 측정된 레일저부응력을 이용하여 피로수명을 예측한 결과 9억톤에서 10억톤으로 약 15% 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 경부고속선에 있어서 레일 연마에 따른 레일의 피로수명을 예측하였다. 이를 위해서 레일 연마 전 · 후 KTX 주행시 레일 용접부에서 저부의 휨응력을 측정하였으며, Rainflow counting[5] 기법에 따른 빈도해석을 실시하고, 수정 Miner 법칙[6]을 적용하였다.

제안 방법

60kg 레일의 S-N선도, 레일 저부의 실측 등가응력범위 및 광명~대전구간의 일평균 교통량을 앞서 언급한 피로수명 평가방법에 적용하여 레일 용접부의 피로수명을 산출하였으며,그 결과는 Table 5와 같다. Table 5에 의하면 레일 답면의 연마에 의해 약 15%의 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다.
경부고속선에서 레일 연마의 효용성을 평가하기 위하여 레일 용접부에서 표면 결함이 발생한 KP 86.108km 하선(T1) 우측레일을 측정지점으로 하여 레일 연마 전후에 레일 저부의 휨응력을 측정하였다[7]. 또한 레일 연마 전후의 레일 요철 상태를 평가하기 위하여 측정지점을 중심으로 전후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Tecnoline[7]을 사용하여 레일 요철을 측정하였다.
108km 하선(T1) 우측레일을 측정지점으로 하여 레일 연마 전후에 레일 저부의 휨응력을 측정하였다[7]. 또한 레일 연마 전후의 레일 요철 상태를 평가하기 위하여 측정지점을 중심으로 전후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Tecnoline[7]을 사용하여 레일 요철을 측정하였다. 측정된 레일 요철은 EN13231-3 Part3[8]에서 제시하고 있는 각 파장대역별(10~30mm, 30~100mm, 100~300mm, 300~1,000mm)로 이동평균실효치를 이용하여 정량화 하였다.
KTX의 주행속도는 약 300km/h이다. 레일 연마 전후의 피로수명평가를 위한 신뢰도 있는 계측결과를 확보하기 위해 레일 연마 전에 총 29회, 레일 연마 후에 총 27회에 걸쳐 레일 저부응력을 계측하였다. Fig.
레일 용접부에서 저부의 휨응력은 레일 연마 전후에 각각KTX 주행시 측정하였다. KTX의 주행속도는 약 300km/h이다.
JSSC 지침에서는 분할폭을 최대응력범위의 20등분 이상으로 하는 것을 추천하고 있다. 본해석에서 적용한 응력범위의 분할폭은 최대응력 대비 1/ 100~1/120에 해당하는 ∆f =0.5MPa을 적용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 대상으로 하고 있는 경부고속철도 선로의 레일은 UIC260(900A)급으로서 이에 대한 허용피로응력범위는 Fig. 6의 Smith diagram에 의해 Table 4와 같이 주어진다[9].
또한 레일 연마 전후의 레일 요철 상태를 평가하기 위하여 측정지점을 중심으로 전후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Tecnoline[7]을 사용하여 레일 요철을 측정하였다. 측정된 레일 요철은 EN13231-3 Part3[8]에서 제시하고 있는 각 파장대역별(10~30mm, 30~100mm, 100~300mm, 300~1,000mm)로 이동평균실효치를 이용하여 정량화 하였다. Fig.

이론/모형

본 연구에서는 Miner 법칙으로 대표되는 누적피로손상법칙을 이용해서 레일 연마 전후의 피로수명을 평가하였다. Miner 법칙은 대상 부재에 발생하는 응력이 피로한도 이상의 응력 상태의 피로수명을 추정하는 경우에 적합하고, 응력이 피로한도 이하의 것이 많은 응력상태의 수명을 추정하는 경우에는 적합하지 않다.
또한 피로한도보다 작은 응력이라고 하더라도 피로에 영향을 미치는 것이 수많이 보고되고 있고, 실제 레일에 발생하는 휨응력이 대부분 피로한도 이하인 것을 고려하면, 피로한도 이하의 응력이 피로에 미치는 영향을 어떻게 고려하는가가 중요하다. 본 연구에서는 보수적으로 피로에 의한 레일갱환 유지보수를 시행하기 위하여 수정 Miner 법칙을 적용하여 피로수명을 추정하였다.
열차 통과시 레일 용접부의 저부에서 발생하는 휨응력범위를 산정하기 위하여 경부고속철도 KP 86.108km(T1)에서 레일 연마 전후 현장계측을 통해 얻어진 레일 용접부의 저부 휨응력 시간이력곡선(Fig. 2)에 대해 Rainflow counting기법을 적용하여 빈도해석을 실시하고 RMC(Root Mean Cube)법에 의해 등가응력범위를 계산하였다. 빈도해석시 cutoff 응력은 최대발생응력범위의 20%를 적용하였다.
응력범위빈도분포의 계산은 가장 보편적인 Rainflow counting기법을 이용하였다. 이 방법은 계속해서 나타나는 4개의 변동응력치 f₁, f₂, f₃, f₄가 f₁ ≥ f₃ ≥ f₂ ≥ f₄ 또는 f1 ≤ f₃≤ f₂ ≤ f₄라고 하는 조건을 만족하는 경우에 |f₂ − f₃|을 응력범위로서 계산하는 것이다.
이를 위해서 레일 연마 전 · 후 KTX 주행시 레일 용접부에서 저부의 휨응력을 측정하였으며, Rainflow counting[5] 기법에 따른 빈도해석을 실시하고, 수정 Miner 법칙[6]을 적용하였다.
한편 피로수명 평가시 2×106회에 대한 피로강도 및 재료상수 m은 183.76MPa 및 S-N 선도에서 응력수준에 따라 산정하여 적용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 경부고속선에 대해서 연마에 따른 레일 피로수명을 산정하였다. 60kg 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N선도에 레일 연마 전후에 측정된 레일저부응력을 이용하여 피로수명을 예측한 결과 9억톤에서 10억톤으로 약 15% 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다. 이는 레일 연마에 의한 레일의 요철 성분이 감소하여 열차 주행시 충격성분의 감소에 의한 것으로 판단된다.

후속연구

위에서 검토한 경부고속선에서의 피로수명 검토 결과는 향후 아래와 같은 연구를 통하여 수정 보완되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응력범위빈도분포의 계산은 어떤 기법을 이용하였는가?	응력범위빈도분포의 계산은 가장 보편적인 Rainflow counting기법을 이용하였다. 이 방법은 계속해서 나타나는 4개의 변동응력치 f1, f2, f3, f4가 f1 ≥ f3 ≥ f2 ≥ f4 또는 f1 ≤ f3 ≤ f2 ≤ f4라고하는 조건을 만족하는 경우에 \|f2 − f3\|을 응력범위로서 계산하는 것이다.
	응력범위빈도분포를 작성할 때 무엇을 설정할 필요가 있는가?	한편 응력범위빈도분포를 작성할 때 그 응력범위의 분할폭을 설정할 필요가 있다. JSSC 지침에서는 분할폭을 최대응력범위의 20등분 이상으로 하는 것을 추천하고 있다.
	레일 답면의 요철 즉 각종 레일 결함은 무엇이 고속화되면서 더 크게 증가하는가?	레일 답면의 요철 즉 각종 레일 결함은 차량 주행 시 큰충격을 유발하고, 이로 인하여 레일의 내구성 감소, 궤도의열화 촉진, 승차감 저하 및 소음을 증가시킨다. 이러한 현상은 차량이 고속화 되면서 더욱더 크게 증가하게 된다. 최근에는 레일 수명 연장, 소음 저감 및 유지보수 비용 절감을 위하여 레일 연마가 적극 활용되고 있다.

참고문헌 (9)

S.C. Yang, M.C. Kim, J.S. Kim (2000) Prediction of Bending Fatigue Lifes of Rail Welded Parts, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 20(1-D), pp. 97-105.
M.C. Kim, J.S. Kim, S.C. Han (2001) Prediction of Bending Fatigue Life to Welding Parts of Rail on Slab Track, Journal of the Korean Society for Railway, 4(4), pp. 138-146.
D.Y. Sung, D.C. Go, Y.S. Kang, Y.G. Park (2009) The Parametric Study Effecting on the Fatigue Life of Rail on High Speed Railway, Journal of the Korean Society for Railway, 12(3), pp. 394-404
Y.G. Park, D.Y. Sung, H.K. Park, S.Y. Kong (2008) Bending Fatigue Life Assessment of Aged CWR Using the Field Test, Journal of the Korean Society for Railway, 11(3), pp. 317-325.
S.J. Maddox (1991) Fatigue Strength of Welded Structures, Abington Publishing.
Makoto Ishida, Noritsugi Abe (1990) Relationship between Rail Surface Irregularity and Bending Fatigue of Welded Part in Long Rails, RTRI Report, 4(7), pp. 8-15.
M.C. Kim (2006) Study on Establishing Rail Grinding Period, KRRI Report, pp. 59-79.
CEN (2003) EN13231-3 Part3 : Acceptance of rail grinding, milling and planning work in track.
Coenraad Esveld (2001) Modern Railway Track, MRT-Productions, pp. 84-90.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 경부고속선의 레일 연마에 따른 레일 피로수명 평가
Evaluation of Rail Fatigue Life by Grinding of Kyeong-Bu High-Speed Line 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 경부고속선의 레일 연마에 따른 레일 피로수명 평가 Evaluation of Rail Fatigue Life by Grinding of Kyeong-Bu High-Speed Line 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김만철 (21) 최은수 (30)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 경부고속선의 레일 연마에 따른 레일 피로수명 평가
Evaluation of Rail Fatigue Life by Grinding of Kyeong-Bu High-Speed Line 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper