선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이러한 손상이 발생하면 큰 충격하중이 발생하여 레일 및 차량에 안전에 영향을 주며, 적절한 시기에 제거하지 않으면 레일의 파단시켜 대형 사고를 유발한다. 본 논문에서는 Ballast imprint 가 head check 형태의 균열 발생을 일으키는 원인인지를 시험편 접촉피로시험과 유한요소해석을 이용하여 조사하였다.
제안 방법
- 4 가지 종류의 손상이 발생시 반복적인 싸이클에 따른 손상의 변화를 살펴보았다. 최대 싸이클을 10 만싸이클까지 시험하였으며 일정 싸이클마다 시험기를 멈추고 표면 손상을 관찰하였다.
- Indenter 에 의해 형성된 Dent 주위의 차륜/레일 구름접촉에 의한 잔류응력 및 내부응력의 변화를 조사하기 위하여 구름접촉 해석을 수행하였다. 차륜/레일의 구름접촉은 Rigid body 를 이용하여 접촉해석을 수행하여 차륜이 레일 위를 지나도록 모델링하였으며 Fig.
- 레일에 발생하는 손상의 크기에 따른 수명을 비교하기 위하여 손상크기 종류에 따라서 유한요소모델을 생성하였다. Fig.
- 레일에 생성된 손상크기에 따른 모델을 초기 조건으로 구름접촉해석을 수행하였다. Fig.
- 레일에서 발생하는 Ballast imprint 가 구름접촉 피로손상에 미치는 영향을 평가하기 위하여 시험편 시험 및 유한요소해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 이러한 손상에 의한 내부 응력상태의 변화를 관찰하기 위하여는 해석 모델의 요소 크기의 선택이 중요하다. 레일의 크기에 비하여 접촉면적이 굉장히 작으므로 요소크기를 0.5mm 이내로 결정하였다. 모든 부분에서의 요소크기를 작게 하면 해석시간에 문제가 있으므로 접촉면의 일부분만 요소크기를 세밀하게 모델링하였다.
- 2 는 도상자갈에 의해 레일 표면에 발생한 손상을 보여주고 있으며 직경이 약 10mm 정도가 발생하고 있다. 레일의 표면손상의 크기에 따른 거동을 조사하기 위하여 시험편 시험을 실시하였다. Fig.
- 5mm 이내로 결정하였다. 모든 부분에서의 요소크기를 작게 하면 해석시간에 문제가 있으므로 접촉면의 일부분만 요소크기를 세밀하게 모델링하였다. Fig.
- 22 는 손상크기에 따른 피로수명평가 결과를 나타내고 있다. 수명평가는 하중이 진행하는 방향에서 손상이 시작되는 부분(st)과 손상이 끝나는 부분(ed)에 대하여 수행하였다. 손상이 가장 작은 D1 의 경우에는 손상이 끝나는 부분에서 수명이 작게 발생하고 있으나, 나머지 크기에 대하여는 손상이 시작되는 부분에서 수명이 작게 발생하고 있다.
- 하중의 크기는 접촉압력이 1100 MPa 이 되도록 하중을 부가하였다. 시험속도는 500RPM 으로 유지하였고 일정 사이클 마다 되면 시험기를 멈추고 손상 거동을 살펴보았다.
- 4 는 시험편에 형성된 표면손상을 나타내고 있으며 크기에 따라서 Dent 1 부터 Dent 4로 구분하였다. 시험조건으로는 슬립율이 0.1%가 되도록 하였고, 접촉면에 공기를 분사하여 접촉에 의한 마모입자를 제거하였다. 하중의 크기는 접촉압력이 1100 MPa 이 되도록 하중을 부가하였다.
- 시험편 시험 결과로부터 일정 크기 이상의 손상이 발생 할 경우에는 균열이 성장함을 알 수 있었으므로, 실제 레일에서 발생한 손상의 크기에 따른 레일 표면의 재료적인 거동을 조사하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 레일 표면에서 발생하는 Ballast imprint 의 경우에는 레일 위에 자갈 등의 물체가 존재하고 차량이 주행하면서 차륜이 이를 통과하면서 발생하는 현상이다.
- 차륜 및 레일시험편의 직경은 50mm 이고 두께는 10mm 가 되도록 하였다. 시험편 접촉면의 경도를 일정하게 유지하기 위하여 열처리 실시하였고 접촉면의 조도를 맞추기 위하여 연삭을 실시하였다.
- 시험편에 Ballast imprint 의 모양을 만들기 위하여 브리넬 경도기 및 비커스 경도기의 압흔자를 이용하였다. Fig.
- 차륜이 자갈 등의 물체에 접촉하고 접촉한 물체가 레일 표면에 하중을 가하면서 소성변형에 의하여 발생한다. 자갈 등이 레일 표면에 소성변형을 발생시키는 현상을 모사하기 위하여 Indenter simulation 을 수행하였으며 차륜이 손상된 레일을 주행하는 현상은 Rigid body 를 이용하여 접촉해석을 수행하였고 해석절차는 Fig. 6 과 같다.
- Indenter 에 의해 형성된 Dent 주위의 차륜/레일 구름접촉에 의한 잔류응력 및 내부응력의 변화를 조사하기 위하여 구름접촉 해석을 수행하였다. 차륜/레일의 구름접촉은 Rigid body 를 이용하여 접촉해석을 수행하여 차륜이 레일 위를 지나도록 모델링하였으며 Fig. 11 과 같다.
- 4 가지 종류의 손상이 발생시 반복적인 싸이클에 따른 손상의 변화를 살펴보았다. 최대 싸이클을 10 만싸이클까지 시험하였으며 일정 싸이클마다 시험기를 멈추고 표면 손상을 관찰하였다. Dent 1 의 경우에는 3000cycle 후에 모두 마모가 되어 형상이 사라졌으며, Dent 2 역시 9000cycle 이후에 마모가 발생하여 형상이 사라졌다.
대상 데이터
- 레일의 경우에는 Indenter 와 접촉하는 부위인 요소크기가 세밀한 부분은 탄․소성으로 모델링하였고 그 외 부분은 탄성체로 모델링하였다. 레일 모델에 사용된 요소갯수(Element)는 80,000 개, 절점갯수(Node)는 86,961개이다. 탄·소성 해석에서 항복조건은 Von-mises, 유동성경화법칙(Kinematic Hardening Rule)을 사용하였다.
- 7 은 Indenter simulation 을 위한 유한요소 모델을 보여주고 있다. 레일의 경우에는 Indenter 와 접촉하는 부위인 요소크기가 세밀한 부분은 탄․소성으로 모델링하였고 그 외 부분은 탄성체로 모델링하였다. 레일 모델에 사용된 요소갯수(Element)는 80,000 개, 절점갯수(Node)는 86,961개이다.
- 15 는 손상크기에 따른 대표적인 유한요소모델을 보여주고 있다. 손상크기에 따라서 5 가지 종류에 대하여 모델을 생성하였고, 가장 크기가 작은 경우는 D1 으로써 직경이4.6mm 이고 가장 큰 경우는 D5 로써 직경이 11.4mm 이다.
이론/모형
- 탄·소성 해석에서 항복조건은 Von-mises, 유동성경화법칙(Kinematic Hardening Rule)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) Dent 크기에 따른 시험편 시험결과 Dent 의 크기가 작을 경우에는 마모에 의해서 손상이 제거되지만 일정 크기 이상에서는 균열이 발생하고 진전하였다.
- 2) Indenter 유한요소해석결과 변형의 잔류응력이 형성되었으며, Dent 가장자리에서 400 Mpa 정도의 큰 잔류응력이 형성되었다.
- 3) Dent 크기에 따른 유한요소해석 및 피로해석 결과 Dent 크기가 증가할수록 접촉압력이 증가하였고, 피로수명은 감소하였다.
- 12000 싸이클에서는 마모가 조금 발생하여 Dent의 직경이 조금 작아졌음을 알 수 있다. 시험편 시험 결과로부터 Dent 의 크기 작을 경우에는 마모에 의해서 손상이 제거되지만, 일정 크기 이상에서는 균열이 발생하고, 성장함을 알 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.