레일 표면 결함이 발생할 경우 매우 높은 충격하중이 발생하여 레일 피로 진전 또는 레일 파단에 이를 수 있고 레일이 파단될 경우 열차탈선 등 대형 사고가 발생할 수 있으므로 레일 결함부에 대한 관리기준의 정립이 매우 중요하다. 본 연구에서는 차량-궤도 동적 상호작용 해석 프로그램을 이용하여, 실제 고속철도 자갈궤도에서 결함이 발생한 43개 지점에서 측정된 레일요철을 입력값으로 하여, 요철 깊이에 따른 충격 윤중과 레일 휨응력을 산정하였다. 궤도틀림을 감안하여 윤중 및 레일 휨응력의 한계값을 설정하고, 해석결과로부터 얻은 윤중 및 레일 휨응력 최대값과 결함 깊이 및 폭과의 상관관계를 분석함으로써 레일 표면 결함부에 대한 관리기준을 제시하였다. 분석 결과, 허용할 수 있는 요철 깊이는 충격 윤중에 의하여 발생할 수 있는 레일 두부의 소성 변형을 방지하기 위하여 관리되어야 하며, 엄격한 조건을 평가할 경우 그 값은 0.2mm 정도가 적당함을 알 수 있었다.
레일 표면 결함이 발생할 경우 매우 높은 충격하중이 발생하여 레일 피로 진전 또는 레일 파단에 이를 수 있고 레일이 파단될 경우 열차탈선 등 대형 사고가 발생할 수 있으므로 레일 결함부에 대한 관리기준의 정립이 매우 중요하다. 본 연구에서는 차량-궤도 동적 상호작용 해석 프로그램을 이용하여, 실제 고속철도 자갈궤도에서 결함이 발생한 43개 지점에서 측정된 레일요철을 입력값으로 하여, 요철 깊이에 따른 충격 윤중과 레일 휨응력을 산정하였다. 궤도틀림을 감안하여 윤중 및 레일 휨응력의 한계값을 설정하고, 해석결과로부터 얻은 윤중 및 레일 휨응력 최대값과 결함 깊이 및 폭과의 상관관계를 분석함으로써 레일 표면 결함부에 대한 관리기준을 제시하였다. 분석 결과, 허용할 수 있는 요철 깊이는 충격 윤중에 의하여 발생할 수 있는 레일 두부의 소성 변형을 방지하기 위하여 관리되어야 하며, 엄격한 조건을 평가할 경우 그 값은 0.2mm 정도가 적당함을 알 수 있었다.
The rail surface defects can cause the high impact load on the track and lead to the progress of the rail fatigue damage and the rail break. In case of the rail break, there is a great deal of risk for derailment, and thus the maintenance criteria for the rail surface defects are of great importance...
The rail surface defects can cause the high impact load on the track and lead to the progress of the rail fatigue damage and the rail break. In case of the rail break, there is a great deal of risk for derailment, and thus the maintenance criteria for the rail surface defects are of great importance. In this study, using the dynamic train-track interaction analysis program, the impact wheel loads and rail bending stresses according to the depths of the surface defects have been calculated with the input data of the rail surface irregularities measured at 43 spots with surface defects in the ballasted track of high-speed railway. Considering the irregularity of track geometry, the allowable limits of wheel load and rail bending stress have been set, and the maintenance criteria for the rail surface defects was suggested by analyzing the relationship of the maximum values of wheel load and rail bending stress versus depth and width of rail surface defect. The analysis results suggest that the allowable depth of the surface defect is determined approximately 0.2mm from the limit of the impact wheel load.
The rail surface defects can cause the high impact load on the track and lead to the progress of the rail fatigue damage and the rail break. In case of the rail break, there is a great deal of risk for derailment, and thus the maintenance criteria for the rail surface defects are of great importance. In this study, using the dynamic train-track interaction analysis program, the impact wheel loads and rail bending stresses according to the depths of the surface defects have been calculated with the input data of the rail surface irregularities measured at 43 spots with surface defects in the ballasted track of high-speed railway. Considering the irregularity of track geometry, the allowable limits of wheel load and rail bending stress have been set, and the maintenance criteria for the rail surface defects was suggested by analyzing the relationship of the maximum values of wheel load and rail bending stress versus depth and width of rail surface defect. The analysis results suggest that the allowable depth of the surface defect is determined approximately 0.2mm from the limit of the impact wheel load.
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문제 정의
본 연구에서는 레일 표면에 발생한 자갈 임프린트, 스쿼트 등의 결함이 궤도에 미치는 영향을 차량과 궤도의 상호 작용 해석을 수행함으로써 분석하였다. 경부고속철도 1단계 구간의 궤도구조 및 궤도관리 조건과 차량 및 운영조건을 토대로 도출된 입력자료를 사용하였으며, 해석은 경부고속철도 1단계 자갈궤도구간의 표면 결함부에서 측정한 43개 개소의 요철을 대상으로 수행되었다.
가설 설정
본 논문에서 도출한 연구결과는 수치해석 결과를 토대로 제시한 것으로서 수치해석기법에 대한 신뢰도는 문헌[4,5]에서 제시한 바와 같이 여러 가지 수치해석 예를 통하여 검증된 바 있다. 그러나 해석에서 차량 및 궤도의 물성값은 많은 부분 추정된 값을 사용하였으며, 또한 구성품 자체의 거동을 대부분 선형적으로 가정함으로써 해석결과가 실제와는 다소 차이가 있을 수 있다고 판단된다. 보다 신뢰성 있는 결과를 도출하기 위해서는 현장에서 윤중 및 레일 저부 휨응력을 계측하고 이들을 토대로 관리기준을 도출할 필요가 있다.
Table 2에 나타낸 바와 같이 차륜 반경 450mm에 대해 모든 경우에 요철 깊이는 한계 요철 깊이 이내에 있으므로 레일면은 차륜 답면과 접촉한다는 가정이 유효함을 알 수 있다. 또한 레일 결함부에서는 차륜과 레일의 접촉 패치(patch)의 면적이 달라지므로 정상구간과는 헤르츠 상수(Hertzian constant)가 달라지게 되지만, 헤르츠 상수는 궤도 강성에 비하여 매우 크므로 헤르츠 상수의 변화가 전체 차량과 궤도의 상호작용에 비치는 영향은 크지 않을 것으로 예상되어 레일 결함부에서도 정상 구간과 동일한 값으로 가정하였다.
1은 해석에 사용된 차량과 궤도의 수직방향 상호작용 해석모델을 나타낸다[4-5]. 차량 서브모델(sub-model)은 차체와 2개의 대차, 그리고 4개의 윤축(wheel-set)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링하며, 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠 요소(damping element)로 모델링한다. 차량은 수직운동만 하는 것으로 가정하여 10개의 자유도 시스템으로 나타낸다.
차량 서브모델(sub-model)은 차체와 2개의 대차, 그리고 4개의 윤축(wheel-set)으로 구성되며, 이들은 각각 강체운동을 하는 것으로 가정하여 질점(lumped mass)으로 모델링하며, 차체와 대차를 연결하는 2차 현수장치와 대차와 윤축을 연결하는 1차 현수장치는 스프링과 감쇠 요소(damping element)로 모델링한다. 차량은 수직운동만 하는 것으로 가정하여 10개의 자유도 시스템으로 나타낸다. 이 경우 차량 시스템의 강성, 감쇠, 그리고 질량 행렬은 문헌[6-7]에서 제시한 것과 같은 방법으로 구성할 수 있다.
제안 방법
고저틀림에 의해 발생하는 윤중과 레일 휨응력을 산정하기 위하여 주파수영역에서의 차량/궤도 상호작용해석 기법을 적용하였다. 주파수영역 차량-궤도 상호작용 해석은 문헌[14,18]에서 제시한 방법에 의하여 수행하였다.
궤도 서브모델은 자갈궤도의 레일, 레일체결장치, 침목, 도상자갈(ballast), 그리고 노반이 다층(multi-layers)으로 배열된 것으로 하고 최상부층을 구성하는 레일은 Timoshenko 연속보로 모형화하였으며, 하부의 레일체결장치 및 패드는 질점, 선형스프링(linear spring) 및 댐퍼(damper)로, 침목은 질점(mass)으로만 모형화하였다. 도상자갈은 문헌[8]에서 제시한 상층자갈-하층자갈 피라미드 모형을 적용하였다.
본 연구에서는 고속철도 자갈궤도의 레일 표면 결함 발생 지점에서 레일 표면의 요철(rail surface roughness)을 정밀하게 측정한 후 이 측정값을 입력값으로 하여 차량/궤도 상호작용 해석을 통해 충격 윤중 변동과 레일 휨응력을 산정하였다. 궤도틀림을 감안하여 윤중 및 레일 휨응력의 한계값을 설정하고, 해석 결과로부터 얻은 윤중 및 레일 휨응력 최대값과 결함 깊이 및 폭과의 상관관계를 분석함으로써 레일 표면 결함부의 유형에 따른 요철 깊이 관리기준을 제시하였다.
본 연구에서는 고속철도 자갈궤도의 레일 표면 결함 발생 지점에서 레일 표면의 요철(rail surface roughness)을 정밀하게 측정한 후 이 측정값을 입력값으로 하여 차량/궤도 상호작용 해석을 통해 충격 윤중 변동과 레일 휨응력을 산정하였다. 궤도틀림을 감안하여 윤중 및 레일 휨응력의 한계값을 설정하고, 해석 결과로부터 얻은 윤중 및 레일 휨응력 최대값과 결함 깊이 및 폭과의 상관관계를 분석함으로써 레일 표면 결함부의 유형에 따른 요철 깊이 관리기준을 제시하였다.
이들 층에서 인접 블록(block) 사이의 상대변위에 따른 간섭(coupling) 효과는 블록을 연결하는 점탄성 요소로 나타내며, 스프링 및 감쇠 계수는 수직 방향 값의 30%를 적용한다. 차륜과 레일 사이의 접촉에 의한 상호작용은 비선형 헤르츠 스프링(nonlinear Hertz-ian spring)으로 모형화하였다.
주파수영역 차량-궤도 상호작용 해석은 문헌[14,18]에서 제시한 방법에 의하여 수행하였다. 해석 모델은 2.1절에서 제시한 시계열 해석 모델과 동일하나 차륜과 레일 사이의 헤르츠(Hertzian) 접촉 스프링은 시계열에서 사용한 비선형 스프링과 달리 선형 스프링으로 모델링한다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 레일 표면에 발생한 자갈 임프린트, 스쿼트 등의 결함이 궤도에 미치는 영향을 차량과 궤도의 상호 작용 해석을 수행함으로써 분석하였다. 경부고속철도 1단계 구간의 궤도구조 및 궤도관리 조건과 차량 및 운영조건을 토대로 도출된 입력자료를 사용하였으며, 해석은 경부고속철도 1단계 자갈궤도구간의 표면 결함부에서 측정한 43개 개소의 요철을 대상으로 수행되었다.
따라서 경부고속철도 자갈궤도구간에서 측정한 장파장 고저틀림(3~50m)[14]은 그대로 사용하되 단파장고저틀림은 독일고속철도에서 측정한 데이터(파장≤ 7m)[15]를 사용하였다.
고속철도 자갈궤도에서 차량궤도 상호작용해석에 필요한 차량 및 궤도의 입력자료는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 차량의 물성 및 제원은 KTX차량을 대상으로 한 것이며, 궤도의 물성 및 제원은 경부고속철도 1단계 구간에 부설된 자갈궤도를 대상으로 도출 및 평가된 것이다.
이론/모형
궤도 서브모델은 자갈궤도의 레일, 레일체결장치, 침목, 도상자갈(ballast), 그리고 노반이 다층(multi-layers)으로 배열된 것으로 하고 최상부층을 구성하는 레일은 Timoshenko 연속보로 모형화하였으며, 하부의 레일체결장치 및 패드는 질점, 선형스프링(linear spring) 및 댐퍼(damper)로, 침목은 질점(mass)으로만 모형화하였다. 도상자갈은 문헌[8]에서 제시한 상층자갈-하층자갈 피라미드 모형을 적용하였다. 따라서 상부의 자갈층과 하부의 자갈층을 각각의 질점, 선형스프링, 그리고 감쇠로 나타낼 수 있다.
고저틀림에 의해 발생하는 윤중과 레일 휨응력을 산정하기 위하여 주파수영역에서의 차량/궤도 상호작용해석 기법을 적용하였다. 주파수영역 차량-궤도 상호작용 해석은 문헌[14,18]에서 제시한 방법에 의하여 수행하였다. 해석 모델은 2.
성능/효과
해석결과 레일 표면 결함이 발생할 경우 레일 표면 결함의 폭보다는 결함 깊이가 충격윤중 및 레일 휨응력과의 상관성이 높은 것을 알 수 있었으며, 발생 윤중과 레일 휨응력 모두 표면 결함 깊이에 선형 비례하여 증가함을 알 수 있었다. 또한 해석결과로부터 표면 결함은 레일의 휨 피로 파괴 방지의 측면보다는 결함부에서 발생한 충격 하중이 레일 표면에 국부 소성변형을 발생시키는 것을 방지하기 위한 측면에서(레일 두부의 전단 응력 제한) 관리되어야 함을 알 수 있었으며, 엄격한 조건을 반영하여 평가할 때 허용 요철 깊이를 0.2mm로 제시할 수 있다.
보다 이론적 근거가 명확한 본 연구의 결과를 적용하면 요철의 면적보다는 요철의 깊이를 관리하는 것이 더 중요하며, 요철 깊이가 0.2mm 이상인 경우 레일표면에 소성변형의 발생이 시작하는 단계이므로 “보수계획 수립에 반영하여 적기 조치” 하는 수준으로 관리지침을 정하는 것이 바람직하다고 판단된다.
Table 3은 해석으로부터 얻은 윤중 및 레일 저부 휨응력 최대값의 선형 회귀 파라메타를 나타낸 것이다. 이들 결과로부터 윤중 및 레일 저부 휨응력 모두 요철 형상에 관계 없이 결정계수가 97.6% 이상으로 회귀식을 식(2)와 같은 직선식으로 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
9는 Table 1의 차량 및 궤도 제원을 이용하여 KTX 열차와 자갈궤도의 주파수 영역 상호작용 해석을 통하여 얻은 윤중 및 레일 저부 휨응력의 표준편차를 나타낸 결과이다. 이들 결과로부터 윤중 표준편차의 최대값은 레일패드강성이 600kN/ mm일 때 18.1kN이고 레일 저부 휨응력 표준편차의 최대값은 레일패드강성이 125kN/mm일 때 9.0MPa이다. 따라서 결함 발생 지점에서 레일 표면 결함의 영향을 제외한 일반적인 고저틀림에 의해 추가될 수 있는 윤중 및 레일 저부 휨응력의 동적 증분은 일반 구간에서의 누적빈도 97.
해석결과 레일 표면 결함이 발생할 경우 레일 표면 결함의 폭보다는 결함 깊이가 충격윤중 및 레일 휨응력과의 상관성이 높은 것을 알 수 있었으며, 발생 윤중과 레일 휨응력 모두 표면 결함 깊이에 선형 비례하여 증가함을 알 수 있었다. 또한 해석결과로부터 표면 결함은 레일의 휨 피로 파괴 방지의 측면보다는 결함부에서 발생한 충격 하중이 레일 표면에 국부 소성변형을 발생시키는 것을 방지하기 위한 측면에서(레일 두부의 전단 응력 제한) 관리되어야 함을 알 수 있었으며, 엄격한 조건을 반영하여 평가할 때 허용 요철 깊이를 0.
후속연구
그러나 해석에서 차량 및 궤도의 물성값은 많은 부분 추정된 값을 사용하였으며, 또한 구성품 자체의 거동을 대부분 선형적으로 가정함으로써 해석결과가 실제와는 다소 차이가 있을 수 있다고 판단된다. 보다 신뢰성 있는 결과를 도출하기 위해서는 현장에서 윤중 및 레일 저부 휨응력을 계측하고 이들을 토대로 관리기준을 도출할 필요가 있다. 그러나 이 경우에도 통계적 신뢰성을 확보하기 위해서는 매우 많은 개소에서의 측정이 요구되므로 현실적으로 매우 어려운 접근방법이라 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
rail surface defects 발생할 경우 어떤 문제가 생기는가?
고속철도 궤도에서는 차륜과 레일의 주행접촉(rolling contact) 시 부등마모(differential wear)나 부등 소성변형(differential plastic deformation)에 의해 발생하는 스쿼트(squat), 유지보수작업 또는 열차풍 등에 의하여 미소 자갈 입자가 레일 표면에 놓인 경우 열차가 그 상부를 지나갈 때 발생하는 자갈 임프린트(ballast imprint) 등과 같은 다양한 레일 표면 결함(rail surface defects)이 발생한다[1-2]. 이와 같은 레일 표면 결함이 발생할 경우 매우 높은 충격하중이 발생하여 레일 피로 진전 또는 레일 파단에 이를 수 있기 때문에 일정 크기 이상의 결함은 즉시 보수하여야 한다. 경부고속철도 선로 점검차의 검측 결과에 대한 불량개소 판단 기준에 의하면 표면 결함 면적에 관계없이 결함 깊이가 0.
고속철도 궤도에서는 무엇이 발생하는가?
고속철도 궤도에서는 차륜과 레일의 주행접촉(rolling contact) 시 부등마모(differential wear)나 부등 소성변형(differential plastic deformation)에 의해 발생하는 스쿼트(squat), 유지보수작업 또는 열차풍 등에 의하여 미소 자갈 입자가 레일 표면에 놓인 경우 열차가 그 상부를 지나갈 때 발생하는 자갈 임프린트(ballast imprint) 등과 같은 다양한 레일 표면 결함(rail surface defects)이 발생한다[1-2]. 이와 같은 레일 표면 결함이 발생할 경우 매우 높은 충격하중이 발생하여 레일 피로 진전 또는 레일 파단에 이를 수 있기 때문에 일정 크기 이상의 결함은 즉시 보수하여야 한다.
경부고속철도 선로 점검차의 검측 결과에 대한 불량개소 판단 기준에 따르면 결함 깊이가 어느 이상인 경우 조치가 필요한가?
이와 같은 레일 표면 결함이 발생할 경우 매우 높은 충격하중이 발생하여 레일 피로 진전 또는 레일 파단에 이를 수 있기 때문에 일정 크기 이상의 결함은 즉시 보수하여야 한다. 경부고속철도 선로 점검차의 검측 결과에 대한 불량개소 판단 기준에 의하면 표면 결함 면적에 관계없이 결함 깊이가 0.3mm 이상인 경우에는 보수계획 수립에 반영하여 적기에 조치토록 하고 있다[3]. 그러나 이 지침은 국외 기준을 준용한 것이어서 국내 고속철도 선로 및 운영조건에 적합한지를 원점에서 검토하여 국내 고속철도 운영실정에 맞는 레일 결함부에 대한 관리기준을 재정립할 필요가 있다.
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