[논문]전자기센서를 이용한 고속철도용 차륜재의 구름접촉피로 손상 모니터링

권석진; 황지성; 서정원; 이진이

doi:10.7736/kspe.2012.29.6.600

[국내논문] 전자기센서를 이용한 고속철도용 차륜재의 구름접촉피로 손상 모니터링
Damage Monitoring of Rolling Contact Fatigue in Wheel Specimen for High Speed Train Using Electro-Magnetic Sensor 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.6, 2012년, pp.600 - 606

권석진 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 황지성 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 서정원 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 이진이 (조선대학교 IT-NDT연구센타)

Abstract ▼ AI-Helper

Upon investigation of the damaged wheels for high speed train it was determined that the damage was caused by rolling contact fatigue during operation of train. The major problems that railway vehicle system using wheel-rail has to face during operation of railway vehicle are rolling contact fatigue, cracks in wheels, cracks in rails and wheel-rail profile wear. If these deficiencies are not controlled at early stages the huge economical problems due to unexpected maintenance cost in railway vehicle can be happened. Also, If the accurate knowledge of contact conditions between wheel and rail can be evaluated, the damage of wheel can be prevented and the maintenance operation can save money. This paper presents the applicability of electro-magnetic technique to the detection and sizing of defects in wheel. Under the condition of continuous rolling contact fatigue the damage of wheel has continuously monitored using the applied sensor. It was shown that the usefulness of the applied sensor was verified by twin disc test and the measured damaged sizes showed good agreement with the damaged sizes estimated by electro-magnetic technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

대상물이 강자성체인지 또는 상자성체인지에 따라, 전자석, 유도전류, 헬름홀츠코일 또는 지자기를 자원으로 활용할 수 있고, 결함이 존재하는 대상체에 자기장을 인가하면 결함 주변에서 누설 자속이 발생하고 자기렌즈에 의해 집속되며, 배열된 전자기센서에 의하여 전기신호로 변환된다. 또한 누설자장 분포는 실시간으로 가시화되고, 해석을 위한 정량적인 데이터를 제공하기 위하여 기록된다. ¹⁰
본 연구에서는 twin disc 시험기를 이용하여 고속철도용 차륜재과 레일재의 구름접촉시 손상발생 의 전후에 걸쳐 전주기의 피로와 마모에 대한 특성을 비접촉 전자기 센서를 부착하여 그 센서의 적용가능성과 구름접촉 피로손상을 받는 차륜을 모니터링하는 방법에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 구름접촉피로에 의한 차륜-레일 경계영역에서 발생하는 결함을 진전까지 전주기를 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하여 평가하였다. 평가시스템에 사용된 센서는 웨이퍼상에 선형으로 배열된 고공간 분해능의 전자기센서와 말굽 형태의 소형 전자석을 이용한 자기카메라를 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 INA126 상용 증폭기를 사용하여 입력되는 결함신호를 60dB로 증폭한다. ADC는 National Instruments의 PCI-6259를 사용하여 1MS/s의 속도로 AD 변환을 수행하였다. ADC 의 분해능, 입력신호전압, 정밀도는 각각 16bit, ±10V, 1920uV 이다.
이러한 현상에는 접촉압력과 경계영역에서의 마찰계수가 크게 좌우된다. 결함 이 발생하여 진전하게 하는 일정량의 구동력이 필요하게 되는 데 본 실험에서는 마모 모니터링에 연구 초점이 맞추어져 있어 필요한 구동력으로 실험조건을 가미하지 않았다. 또한, 결함진전 요소에서 결함의 형상도 중요한 요소이다.
시험편의 회전방향을 x 방향, 시험기의 회전축 방향을 y 방향, x-y 평면에 수직한 방향을 z 방향이라 할 때, x 축을 따라 이동 가능한 차륜 시험편과 x 축에 고정된 레일 시험편을 접촉시켜 시험을 수행하였다. 고속철도차륜 접촉압력에 해당하는 하중을 환산하여 500kgf 의 하중을 x 방향으로 가하면서 레일 시험편과 구름접촉이 되는 조건을 선정하였다. 두 시험편은 시험편의 반경과 슬립율을 0.
구름 접촉 시험은 최종 회전수를 1.2×106번으로 하고 1×105 번 마다 구름 접촉면에 대해 자기카메라 영상을 얻도록 하였다.
본 연구에서는 INA126 상용 증폭기를 사용하여 입력되는 결함신호를 60dB로 증폭한다. ADC는 National Instruments의 PCI-6259를 사용하여 1MS/s의 속도로 AD 변환을 수행하였다.
5%의 slip율로 dry 시험조건에서 마모 모니터링시험을 실시하였다. 시편 표면에 Table 2와 같은 인공결함을 삽입하여 총 100만 cycle 시험을 실시하면서 cycle 당 차륜-레일 시편의 마모상태를 모니터링하였다.
시험편은 내경 25mm, 외경 50mm 폭 10mm 로 연마 가공하여 제작되며, 차륜과 레일 시험편은 동일한 크기이다. 시험시 차륜 시험편과 레일 시험편의 접촉면의 형태를 동일하게 하여 선접촉이 일어나도록 하였다.
5 는 구름접촉 피로시험장치의 개요도이다. 시험편의 회전방향을 x 방향, 시험기의 회전축 방향을 y 방향, x-y 평면에 수직한 방향을 z 방향이라 할 때, x 축을 따라 이동 가능한 차륜 시험편과 x 축에 고정된 레일 시험편을 접촉시켜 시험을 수행하였다. 고속철도차륜 접촉압력에 해당하는 하중을 환산하여 500kgf 의 하중을 x 방향으로 가하면서 레일 시험편과 구름접촉이 되는 조건을 선정하였다.
평가시스템에 사용된 센서는 웨이퍼상에 선형으로 배열된 고공간 분해능의 전자기센서와 말굽 형태의 소형 전자석을 이용한 자기카메라를 적용하였다. 실제 고속철도 차륜과 레일에서 시험편을 채취하고, 소형 구름접촉시험기에서 고속철도 차륜에 부여되는 하중과 비슷한 실험환경을 설정하여 구름접촉 부위의 자기적인 특성 변화를 측정하였다. 자기카메라를 이용하여 피로 결함의 발생, 진전을 탐지한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험은 무윤활 상태로 상온·대기 중에서 공기를 연속적으로 시험편과 레일 사이에 직접 분사하여 마모입자를 제거하며 수행하였다.
자기카메라에 의한 차륜-레일 소형시편의 마모상태 모니터링을 위하여 회전속도 500rpm, 접촉하중 500kgf, -0.5%의 slip율로 dry 시험조건에서 마모 모니터링시험을 실시하였다. 시편 표면에 Table 2와 같은 인공결함을 삽입하여 총 100만 cycle 시험을 실시하면서 cycle 당 차륜-레일 시편의 마모상태를 모니터링하였다.
차륜-레일의 경계영역에서 발생하는 피로/마모 손상의 발생 및 진전 특성을 모니터링하기 위하여 twin disc 를 이용한 소형 시험기에 전자기 센서를 부착하여 시험을 실시하였다.

대상 데이터

4 는 실험에 사용된 구름접촉 시험편의 채취 위치와 형상 및 크기를 나타낸다. 시험편은 고속 차륜의 림 부분과 고속용 레일의 두부에서 환봉 형태로 채취하였다. 시험편은 내경 25mm, 외경 50mm 폭 10mm 로 연마 가공하여 제작되며, 차륜과 레일 시험편은 동일한 크기이다.
시험편은 고속 차륜의 림 부분과 고속용 레일의 두부에서 환봉 형태로 채취하였다. 시험편은 내경 25mm, 외경 50mm 폭 10mm 로 연마 가공하여 제작되며, 차륜과 레일 시험편은 동일한 크기이다. 시험시 차륜 시험편과 레일 시험편의 접촉면의 형태를 동일하게 하여 선접촉이 일어나도록 하였다.
본 연구에서는 구름접촉피로에 의한 차륜-레일 경계영역에서 발생하는 결함을 진전까지 전주기를 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하여 평가하였다. 평가시스템에 사용된 센서는 웨이퍼상에 선형으로 배열된 고공간 분해능의 전자기센서와 말굽 형태의 소형 전자석을 이용한 자기카메라를 적용하였다. 실제 고속철도 차륜과 레일에서 시험편을 채취하고, 소형 구름접촉시험기에서 고속철도 차륜에 부여되는 하중과 비슷한 실험환경을 설정하여 구름접촉 부위의 자기적인 특성 변화를 측정하였다.

성능/효과

(1) 500rpm 의 속도에서 폭 0.5mm, 길이 1mm 이상의 정방형 결함을 탐상하고, 지시할 수 있었다. 또한, 결함의 형태를 판별할 수 있고, 크기도 추정할 수 있었다.
시험 횟수가 8×105 번으로 늘어남에 따라 시험편의 표면이 매끄러워지며 마모량은 줄어들고 다시 결함이 생겨남을 알 수 있었다.
6(a)는 1×10⁵번까지 시험한 시험편 표면의 영상을 나타낸다. 시험편의 표면 전체에서 길이가 0.33mm 정도인 균열이 발생하였고, 일부 부분에서최대 0.42mm의 균열을 발견할 수 있었다. 발생된 균열은 대부분 차륜 시험편의 회전 방향에 수직한 방향으로 발생하였다.
또한 실제로 육안으로는 확인할 수 없는 시험편 표면의 자기장 변화(⑦과 ⑧사이부분, ⑧과 ⑪사이 부분)들도 확인 할 수 있었다. 이것은 제안된 자기카메라 기술이 결함이 발생하기 이전의 단계에서 손상거동을 파악할 수 있는 수단을 제공할 수 있다는 것을 보여 주고 있으며 자기카메라에 의하여 1mm 이상의 구름접촉 피로손상 결함을 충분히 검지할 수 있음을 보여준다.
차륜 시험편의 선단부분에서 균열이 성장하여 표면이 떨어져 나가는 초기 쉘링 현상인 ①, ②, ④, ⑪균열도 탐상할 수 있었다. 또한 실제로 육안으로는 확인할 수 없는 시험편 표면의 자기장 변화(⑦과 ⑧사이부분, ⑧과 ⑪사이 부분)들도 확인 할 수 있었다.

후속연구

(2) 본 연구 평가시스템으로 차륜-레일 경계영역에서의 피로 손상을 발생부터 진전까지 계속적으로 모니터링 할 수 있는 가능성을 확인하였기 때문에 향후 피로의 손상메커니즘 및 결함발생 패턴을 상세히 분석할 수 있고 고속화에 대비한 차륜-레일의 설계와 유지보수 자료로서 활용될 수 있다.
Fig. 9 에서 볼 수 있는 바와 같이 전자기카메라에 의하여 차륜-레일 경계영역에서의 피로손상 모니터링을 cycle에 따라 실시할 수 있으며 이러한 결과는 향후 레일방식의 철도차량에 있어 피로손상과 마모 영향인자 또는 메커니즘 규명에 있어 유용한 시험 장치로서 활용될 수 있다.
^4-8 그 미끄럼의 크기는 접촉형상(contact patch geometry), 수직하중, 횡압과 마찰계수에 따라 영향을 미친다. 각종 영향인자와 많은 환경조건하에서의 차륜-레일 방식의 구름접촉피로손상 특성을 지속적으로 모니터링하고 평가할 수 있는 연구가 진행된다면 상기에서 언급하였던 유지보수 비용절감 및 철도 차량의 주행 안전성에 보다 중요한 자료를 제공할 수 있으리라 사려된다.
균열이 육안으로 관찰되기 이전 단계에서부터, 균열이 발생하고 성장하며, 마모로 인하여 생성되었던 균열이 소멸되거나 탈락하는 과정 등의 경년 열화 등을 탐지할 수 있음을 보인 연구 결과로써, 향후 실험 조건의 개선에 의하여 피로균열과 경년 열화에 대한 연구도 수행할 수 있음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구름접촉피로에 영향을 주는 기계적인 요소는 무엇인가?	구름접촉피로는 많은 변수에 의해 영향을 받지만 크게 기계적인 요소(Mechanical), 금속학적인 요소(Metallurgical), 윤활적인 요소(Lubrication) 3가지로 분류할 수 있으며 기계적인 요소로서 하중효과, 휠 및 레일 단면형상 등이 있다. 금속학적인 요소로서는 황 혹은 산소게재물의 영향 등을 들 수 있으며 윤활적인 요소로서 윤활에 따른 마모 및 접촉피로 변화 등을 들 수 있다.
	레일방식의 철도차량의 고속화가 빠르게 이루어지면서 어떤 문제가 대두되고 있는가?	레일방식의 철도차량의 고속화가 빠르게 이루어지면서 차륜과 레일의 경계영역에서 기본적이고 복잡한 문제인 피로와 마모의 평가 문제가 대두되 고 있다. 철도차량의 고속화와 고밀도로 인하여 차량의 운용조건이 점점 더 가혹해지면서 차륜과 레일은 각종 환경과 복잡한 하중 하에서 운용되고 있기 때문에 발생되고 있는 구름접촉피로(rolling contact fatigue, RCF) 손상에 대한 정량적인 예측과 안전성 평가기술이 필요하다.
	구름접촉피로에 영향을 주는 금속학적인 요소에는 무엇이 있는가?	구름접촉피로는 많은 변수에 의해 영향을 받지만 크게 기계적인 요소(Mechanical), 금속학적인 요소(Metallurgical), 윤활적인 요소(Lubrication) 3가지로 분류할 수 있으며 기계적인 요소로서 하중효과, 휠 및 레일 단면형상 등이 있다. 금속학적인 요소로서는 황 혹은 산소게재물의 영향 등을 들 수 있으며 윤활적인 요소로서 윤활에 따른 마모 및 접촉피로 변화 등을 들 수 있다. 1-3 접촉피로손상에 대하여는 시험편 접촉시험기를 이용하여 손상원인 규명 및 여러 가지 조건이 피로수명에 미치는 영향을 평가하고 있다.

참고문헌 (10)

Orringer, O., Gray, D. E., and McCown, R. J., "Evaluation of Immediate Actions Taken to Deal with Cracking Problems in Wheels of Rail Commuter Cars," Final Report, DOT/FRA/ORD-93/15, 1993.
Rovira, A., Roda, A., Marshall, M. B., Brunskill, H., and Lewis, R., "Experimental and numerical modelling of wheel-rail contact and wear," Wear, Vol. 271, No. 5-6, pp. 911-924, 2011.

상세보기
Telliskivi, T. and Olofsson, U., "Contact mechanics analysis of measured wheel-rail profiles using the Finite Element Method," Journal of Rail and Rapid Transit, Proceedings of the IMechE Part F, Vol. 215, No. 2, pp. 65-72, 2001.

상세보기
Marshall, M. B., Lewis, R., Dwyer-Joyce, R. S., Olofsson, U., and Bjorklund, S., "Experimental characterization of wheel-rail contact patch evolution," Transactions of the ASME Journal of Tribology, Vol. 128, No. 3, pp. 493-504, 2006.

상세보기
Kalker, J. J., "A fast algorithm for the simplified theory of rolling contact," Vehicle System Dynamics, Vol. 11, No. 1, pp. 1-13, 1982.

상세보기
Ringsberg, J. W., Franklin, F. J., Josefson, B. L., Kapoor, A., and Nielsen, J. C. O., "Fatigue evaluation of surface coated railway rails using shakedown theory, finite element calculations, and lab and field trials," International Journal of Fatigue, Vol. 27, No. 6, pp. 680-694, 2005.

상세보기
Hiensch, E. J. M., Franklin, F. J., Nielsen, J. C. O., Ringsberg, J. W., Weeda, G. J., Kapoor, A., and Josefson, B. L., "Prevention of RCF damage in curved track through development of the INFRA-STAR two-material rail," Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., Vol. 26, No. 10, pp. 1007-1017, 2003.

상세보기
Kapoor, A., Ringsberg, J. W., Franklin, F. J., and Josefson, B. L., "Shakedown limits in three-dimensional wheel-rail rolling-sliding contacts," Proceedings of the 8th International Fatigue Congress-Fatigue, pp. 1365-1372, 2002.
Lee, J., Hwang, J.-S., Kwon, S.-J., and Seo, J.-W., "Inspection of cracks on the express train wheel using a high speed scan type magnetic camera," Trans. of KSME A, Vol. 32, No. 11, pp. 943-950, 2008.

원문보기 상세보기
Hwang, J.-S., Lee, J., and Kwon, S.-J., "The application of a differential-type Hall sensors array to the nondestructive testing of express train wheels," NDT&E International, Vol. 42, pp. 34-41, 2009.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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