철도 레일의 누적통과톤수에 의한 교체주기기준은 레일의 휨 피로수명에 의해 결정된다. 레일의 휨 피로수명을 평가하기 위해서는 기본적으로 레일의 휨 피로거동(S-N선도)에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 50kg/m, 60kg/m 레일에 대하여 신품 및 사용 용접레일(모재부, 테르밋용접부, 가스압접부)로 구분하여 실물 휨 피로시험을 수행하였으며, 휨 피로시험결과를 바탕으로 파단유형 및 파단면 분석, 파괴 확률에 따른 휨 피로거동(S-N선도) 분석을 수행하였다. 이를 통해 레일종류별, 용접방법별, 신품 및 사용레일에 대한 S-N선도를 도출하였다. 이는 향후 누적통과톤수에 의한 레일 피로수명 평가를 위해 반드시 필요한 기초 자료로서 활용될 것으로 기대된다.
철도 레일의 누적통과톤수에 의한 교체주기기준은 레일의 휨 피로수명에 의해 결정된다. 레일의 휨 피로수명을 평가하기 위해서는 기본적으로 레일의 휨 피로거동(S-N선도)에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 50kg/m, 60kg/m 레일에 대하여 신품 및 사용 용접레일(모재부, 테르밋용접부, 가스압접부)로 구분하여 실물 휨 피로시험을 수행하였으며, 휨 피로시험결과를 바탕으로 파단유형 및 파단면 분석, 파괴 확률에 따른 휨 피로거동(S-N선도) 분석을 수행하였다. 이를 통해 레일종류별, 용접방법별, 신품 및 사용레일에 대한 S-N선도를 도출하였다. 이는 향후 누적통과톤수에 의한 레일 피로수명 평가를 위해 반드시 필요한 기초 자료로서 활용될 것으로 기대된다.
The replacement criterion of rail by accumulated passing tonnage was estimated by the bending fatigue life of rail. In order to estimate the bending fatigue life, it is basically needed to analyze bending fatigue behavior on the rail. In this study, the bending fatigue test were performed for 50kg/m...
The replacement criterion of rail by accumulated passing tonnage was estimated by the bending fatigue life of rail. In order to estimate the bending fatigue life, it is basically needed to analyze bending fatigue behavior on the rail. In this study, the bending fatigue test were performed for 50kg/m and 60kg/m rails, and test specimens were distinguished by new and used rails and by the types of welded rail such as base material, thermite weld, and gas pressure weld. Also, this study analyzed the fractured surface, the position of initial crack and the bending fatigue behavior (S-N curve). Therefore, it evaluated S-N curve for welded rails according to the fracture probability. The result from this study might be used essential data in order to estimate the bending fatigue life of rail by the accumulated passing tonnage.
The replacement criterion of rail by accumulated passing tonnage was estimated by the bending fatigue life of rail. In order to estimate the bending fatigue life, it is basically needed to analyze bending fatigue behavior on the rail. In this study, the bending fatigue test were performed for 50kg/m and 60kg/m rails, and test specimens were distinguished by new and used rails and by the types of welded rail such as base material, thermite weld, and gas pressure weld. Also, this study analyzed the fractured surface, the position of initial crack and the bending fatigue behavior (S-N curve). Therefore, it evaluated S-N curve for welded rails according to the fracture probability. The result from this study might be used essential data in order to estimate the bending fatigue life of rail by the accumulated passing tonnage.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 50% 파괴확률 S-N선도식을 중심으로 하는 정규분포함수를 가정한 후 표준편차에 따른 확률분포를 고려하여 S-N선도식의 Y절편값을 산정함으로써 파괴확률에 따른 S-N선도식을 도출하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 국내외 레일 휨 피로시험방법을 조사하여 실제 철도궤도현장에서의 휨 거동에 가까운 레일 휨 피로시험용 지그(test-jig)를 제작하였으며, 신품 및 사용 용접레일에 대한 휨강도시험 및 실물 레일 휨 피로시험을 수행하여 국내에서 사용되고 있는 레일의 휨 피로거동에 대해 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 50kg/m, 60kg/m 레일의 휨 피로거동을 분석하고자 국내외 문헌조사를 통해 실제 철도궤도조건을 고려한 실물 레일 휨 피로시험용 지그를 제작하였으며, 신품 및 사용레일의 용접방법별 휨 피로시험을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 피로하중을 받은 레일의 파단면을 검토하여 휨 피로에 의한 초기 균열 발생위치를 파악하고자 하였다. Fig.
이러한 실물 레일 휨 강도시험결과는 실물 레일 휨 피로시험 시 항복강도 이하에서 하중이 재하될 수 있도록 최대하중의 크기를 제공해주며, 본 연구에서는 실물 레일 휨 피로시험을 위한 최대하중을 700kN 이하로 제한하여 적용하고자 하였다.
제안 방법
1) 국내외 문헌조사를 기초로 실제 철도궤도조건을 모델링한 실물 레일 휨 피로시험용 지그(4-point bending test)를 개발하였다.
3) 본 연구에서는 실물 레일 휨 피로시험을 통해 신품 및 사용레일의 용접방법별(테르밋용접, 가스압접, 모재부) S-N 선도를 파괴확률(50%, 1%, 0.1%)에 따라 제시하였다. 또한, 피로한도 이하의 동일한 응력범위에 대한 휨 피로수명 산정시 5U-T<6U-T<5U-G<6U-G<5U-B<5N-T(KRRI)≈6N-T<6U-B≈6N-G<6N-B<5N-T(RTRI) 순으로 피로수명이 예측되었다.
따라서 본 연구에서는 레일저부 휨 피로파괴에 대한 피로 수명 평가를 위해 최근 유럽 및 일본에서 적용하고 있는 4점 휨 피로시험방법을 선정하였다.
지점간 거리는 시험목적 및 조건에 따라 변경이 가능할 수 있도록 제작하였다. 또한, 레일 휨 피로파괴 시 발생하는 충격에 의한 피해를 예방하기 위해 시험편 양 끝으로 종방향 가드와 양 옆으로 횡방향 가드를 설치하였다.
본 연구에서 적용한 시험용 지그는 4점 휨 피로시험이 가능하도록 제작하였으며, 레일이 체결구에 의해 고정되어 있는 실제 철도궤도조건을 모사하기 위해 지점부 위아래에 롤러를 설치하고 상부 롤러가 일정 압력으로 레일을 고정할 수 있도록 이상화하였다. 또한, 레일용접부 열 영향부(100~120mm)에 직접적인 충격 및 전단응력이 발생하지 않고 레일저부에서만 인장응력이 발생하도록 하중재하 점간 거리를 150mm로 설정하였다. 지점간 거리는 시험목적 및 조건에 따라 변경이 가능할 수 있도록 제작하였다.
또한, 레일의 휨 피로수명 평가를 위한 기초자료로써 문헌[9]에서 레일 휨 피로수명 산정 시 적용한 방법인 Haibach's rule을 적용하고, 충분한 안전률을 가지도록 파괴확률 1%, 0.1%에 대한 S-N선도식을 제시하였다(Fig. 10 참조).
실물 레일 휨 피로시험용 시험편은 테르밋(T), 가스압접(G), 모재부(B)에 대하여 각각 4개씩으로 구성하였으며, 하중재하속도(Hz)는 시험장비의 성능을 고려하여 하중범위에 따라 1~4Hz 범위로 설정하였다. 또한, 모든 시험편에 대해서는 초음파탐상과 자분탐상을 통해 내부결함여부를 확인한 후 시험을 수행하였다.
실물 레일 휨 강도시험에 사용된 시험편은 테르밋용접 시험편 5개, 가스압접 시험편 5개로 모두 4억톤의 누적통과톤수를 받은 시험편이었다. 또한, 휨 강도시험 시 레일저부에 변형률게이지를 부착하여 재하하중에 따른 저부응력을 측정하였다.
본 연구에서 수행하고자 하는 실물 레일 휨 피로시험은 탄성 피로시험(고사이클 피로시험)으로 앞서 수행한 레일의 휨 강도시험 결과를 통해 항복강도 이하에서 하중이 재하되도록 최대하중을 700kN 이하로 제한하였다.
1과 같은 시험용 지그를 제작하여 수행하였다. 본 연구에서 적용한 시험용 지그는 4점 휨 피로시험이 가능하도록 제작하였으며, 레일이 체결구에 의해 고정되어 있는 실제 철도궤도조건을 모사하기 위해 지점부 위아래에 롤러를 설치하고 상부 롤러가 일정 압력으로 레일을 고정할 수 있도록 이상화하였다. 또한, 레일용접부 열 영향부(100~120mm)에 직접적인 충격 및 전단응력이 발생하지 않고 레일저부에서만 인장응력이 발생하도록 하중재하 점간 거리를 150mm로 설정하였다.
본 연구에서는 시험결과에 대하여 Fig. 4와 같이 200만회 미파단, 중앙부 파단, 중앙 용접부를 벗어난 파단, 하중재하점을 벗어난 파단으로 크게 4가지 경우로 분류하였으며, 실물 레일 휨 피로시험 후 파단유형을 분류한 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
최소응력은 온도하중에 의한 인장응력이 상시 작용하는 것으로 가정하여 산정된 값이다[4]. 본 연구에서는 일본 RTRI에서 레일 휨 피로시험 시 수행한 최소응력과 동일한 값인 30MPa을 최소응력으로 적용하였다.
실물 레일 휨 강도시험은 50, 60kg/m 레일용접부의 항복 강도를 확인하기 위해 수행하였으며, 파괴강도가 낮을 것으로 판단되는 50kg/m 사용레일 용접부(테르밋용접, 가스압접)에 대하여 수행하였다. 실물 레일 휨 강도시험에 사용된 시험편은 테르밋용접 시험편 5개, 가스압접 시험편 5개로 모두 4억톤의 누적통과톤수를 받은 시험편이었다.
실물 레일 휨 피로시험용 시험편은 테르밋(T), 가스압접(G), 모재부(B)에 대하여 각각 4개씩으로 구성하였으며, 하중재하속도(Hz)는 시험장비의 성능을 고려하여 하중범위에 따라 1~4Hz 범위로 설정하였다. 또한, 모든 시험편에 대해서는 초음파탐상과 자분탐상을 통해 내부결함여부를 확인한 후 시험을 수행하였다.
또한, 레일용접부 열 영향부(100~120mm)에 직접적인 충격 및 전단응력이 발생하지 않고 레일저부에서만 인장응력이 발생하도록 하중재하 점간 거리를 150mm로 설정하였다. 지점간 거리는 시험목적 및 조건에 따라 변경이 가능할 수 있도록 제작하였다. 또한, 레일 휨 피로파괴 시 발생하는 충격에 의한 피해를 예방하기 위해 시험편 양 끝으로 종방향 가드와 양 옆으로 횡방향 가드를 설치하였다.
대상 데이터
또한, 피로한도 이하의 동일한 응력범위에 대한 휨 피로수명 산정시 5U-T<6U-T<5U-G<6U-G<5U-B<5N-T(KRRI)≈6N-T<6U-B≈6N-G<6N-B<5N-T(RTRI) 순으로 피로수명이 예측되었다.
본 연구에서 수행하고자 하는 실물 레일 휨 피로시험은 한국화학시험연구원에서 보유하고 있는 2,500kN 피로시험기(Saginomiya, 일본)에 Fig. 1과 같은 시험용 지그를 제작하여 수행하였다. 본 연구에서 적용한 시험용 지그는 4점 휨 피로시험이 가능하도록 제작하였으며, 레일이 체결구에 의해 고정되어 있는 실제 철도궤도조건을 모사하기 위해 지점부 위아래에 롤러를 설치하고 상부 롤러가 일정 압력으로 레일을 고정할 수 있도록 이상화하였다.
실물 레일 휨 강도시험은 50, 60kg/m 레일용접부의 항복 강도를 확인하기 위해 수행하였으며, 파괴강도가 낮을 것으로 판단되는 50kg/m 사용레일 용접부(테르밋용접, 가스압접)에 대하여 수행하였다. 실물 레일 휨 강도시험에 사용된 시험편은 테르밋용접 시험편 5개, 가스압접 시험편 5개로 모두 4억톤의 누적통과톤수를 받은 시험편이었다. 또한, 휨 강도시험 시 레일저부에 변형률게이지를 부착하여 재하하중에 따른 저부응력을 측정하였다.
시험순서는 최대응력범위에 대해서 먼저 시험하고 최초의 미파단 데이터가 생길 때까지 일정간격의 응력단계를 낮추어가며 시험하였으며, 미파단 데이터가 발생하였을 경우 미파단 데이터가 생긴 응력단계에 인접하는 바로 위의 응력단계에서 시험하는 Stair case법을 적용하였다[7]. 실물 레일 휨 피로시험을 위한 시험편은 총 37개로 지점간 거리를 고려하여 모두 1,500mm로 제작하였으며, 제작된 시험편 및 시험방법은 Table 2와 같다.
피로시험의 특성상 하나의 시험편에 대하여 오랜 시간동안 하중을 반복해서 재하해야 하며, 시험편보다 먼저 피로파괴가 발생하는 것을 예방하기 위해 충분한 강도를 지니고 있어야 한다. 이러한 시험용 지그 제작을 위해 우선 국내외에서 선행되었던 레일 휨 피로시험 관련 자료를 조사하였다.
이론/모형
시험순서는 최대응력범위에 대해서 먼저 시험하고 최초의 미파단 데이터가 생길 때까지 일정간격의 응력단계를 낮추어가며 시험하였으며, 미파단 데이터가 발생하였을 경우 미파단 데이터가 생긴 응력단계에 인접하는 바로 위의 응력단계에서 시험하는 Stair case법을 적용하였다[7]. 실물 레일 휨 피로시험을 위한 시험편은 총 37개로 지점간 거리를 고려하여 모두 1,500mm로 제작하였으며, 제작된 시험편 및 시험방법은 Table 2와 같다.
성능/효과
2) 신품 및 사용레일의 용접방법별 휨 피로시험을 수행하여 레일 파단유형과 파단면을 분석한 결과, 실제 열차하중에 의해 현장에서 발생하는 파단유형과 동일한 형태로 나타났으며, 레일탐상차를 통해 검출할 수 없는 위치에서 초기 균열이 발생하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 레일 휨 피로파괴에 대한 위험성이 항시 내포되어 있음을 의미하고 누적통과톤수에 의한 레일교체주기 설정이 필요함을 보여주는 자료라 할 수 있다.
레일 휨 피로시험 후 파단유형 분석 결과, 총 37개 시험편 중 중앙부 파단(F.T.-1) 23개, 중앙용접부를 벗어난 파단(F.T.-2) 7개, 하중재하점을 벗어난 파단(F.T.-3) 1개, 200만회 미파단(N.F.) 6개로 중앙부 파단유형이 가장 많이 발생하였다. 또한, 용접방법별로 보면 테르밋용접부에서는 80%이상이 중앙부 파단(F.
본 연구에서 수행한 실내피로시험결과는 시험편 종류별 적은 데이터수에 비해 상관계수가 0.9 이상으로 높은 신뢰도를 보이고 있다.
2는 테르밋용접시험편 5개와 가스압접시험편 5개에 대한 실물 레일 휨 강도시험결과를 각각 평균한 결과이다. 사용레일 시험편의 경우 약 700kN 재하하중에서 항복하였으며, 이때 시험편별 발생한 레일저부응력은 테르밋용접부의 경우 690MPa, 가스압접의 경우 700MPa인 것으로 분석되었다.
후속연구
또한, 피로한도 이하의 동일한 응력범위에 대한 휨 피로수명 산정시 5U-T<6U-T<5U-G<6U-G<5U-B<5N-T(KRRI)≈6N-T<6U-B≈6N-G<6N-B<5N-T(RTRI) 순으로 피로수명이 예측되었다. 이러한 자료는 향후 레일의 사용수명 평가 시 기초자료로 유용하게 사용될 수 있으리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레일의 피로수명 예측을 현실적으로 실제 상황과 같게 재현하여 하는 것이 불가능하기 때문에 진행하는 방식으로는 어떤 것이 있는가?
또한, 발생 응력범위가 피로한도 이하일 경우, 실제 하중을 실제 피로수명동안 시험하는 것은 오랜 시간과 많은 비용이 소요되므로 비경제적이다. 따라서 실제 레일에 단순 반복하중을 가하여 얻은 수명데이터(S-N선도)로부터 피로해석을 수행하여 수명을 예측하거나, 노치(Notch)시험편을 이용한 피로시험으로부터 얻은 데이터로 레일의 수명을 예측하는 것이 일반적이다. 하지만 노치 시험편 시험으로부터 피로수명을 예측하는 방법은 하중효과, 치수효과, 표면처리효과 등 여러 가지 사항을 고려하여야 하며, 이상화된 시험편을 이용하기 때문에 실제 피로수명과는 다르게 평가될 수 있다.
철도 레일의 누적통과톤수에 의한 교체주기기준은 무엇으로 결정되나?
철도 레일의 누적통과톤수에 의한 교체주기기준은 레일의 휨 피로수명에 의해 결정된다. 레일의 휨 피로수명을 평가하기 위해서는 기본적으로 레일의 휨 피로거동(S-N선도)에 대한 분석이 필요하다.
레일의 휨 피로수명을 평가하려면 어떤 분석을 해야 하는가?
철도 레일의 누적통과톤수에 의한 교체주기기준은 레일의 휨 피로수명에 의해 결정된다. 레일의 휨 피로수명을 평가하기 위해서는 기본적으로 레일의 휨 피로거동(S-N선도)에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 50kg/m, 60kg/m 레일에 대하여 신품 및 사용 용접레일(모재부, 테르밋용접부, 가스압접부)로 구분하여 실물 휨 피로시험을 수행하였으며, 휨 피로시험결과를 바탕으로 파단유형 및 파단면 분석, 파괴 확률에 따른 휨 피로거동(S-N선도) 분석을 수행하였다.
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