[논문]철도차량 안전성을 위한 주행 차축의 비파괴 검사주기 평가

권석진; 이동형; 서정원; 김재철

doi:10.7736/kspe.2014.31.9.777

[국내논문] 철도차량 안전성을 위한 주행 차축의 비파괴 검사주기 평가
Evaluation of Non Destructive Inspection Interval for Running Safety of Railway Axle 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.9, 2014년, pp.777 - 782

권석진 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 이동형 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 서정원 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 김재철 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Usually, railway axles are designed for infinite life based on endurance limit of the material and the axle is not fractured immediately when a surface crack initiated. The railway axles have been inspected regularly by NDT such as ultrasonic testing, magnetic testing and eddy current testing and so on. Because the axle failure is profoundly influenced by the probability of missing a fatigue crack during an NDT inspection, it is necessary to evaluate the Non Destructive Interval of railway axle. In the present paper, the Non Destructive Interval of railway axle based on fracture mechanics and finite element analysis was investigated. It was shown that the Non Destructive Interval of railway axle can be evaluated using fracture mechanics approach and extended using NDT which a crack can detect clearly.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 철도차량의 핵심 주행장치인 차축의 주행 안전성을 위하여 파괴역학적 접근 방법에 근거한 검사주기 평가에 대하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

앞 절에서 언급한 바와 같이 작용하중과 균열 진전 데이터를 입력하여 검사주기를 평가하였다. 비파괴 검사주기 산정을 위한 차축의 피로균열진전 수치 시뮬레이션은 AFGROW 균열진전 프로그램을 이용하여 수행하였다.
차축의 피로균열진전 수명평가에 사용되는 조건을 Table 1에 나타내었다. 최종 파단시까지의 균열진전은 파괴인성(K_IC) 한계치에 도달할 때까지 평가하였으며 사용온도에 따른 균열진전 수명의 영향도 평가하였다.
인장하중 작용시 최대응력은 146 MPa, 압축하중 작용시 464 MPa를 나타낸다. 여기에서 압축하중은 차축의 균열진전에 영향을 미치지 않으므로 인장하중만을 고려하여 균열진전해석에 사용하였다.
회 주행할 경우 5 km를 주행한 것으로 환산하여 계산하였다. 차축의 검사주기는 균열이 발생 진전하여 파단까지 도달하기 전 검출 가능한 균열 깊이에 따라 산정하였다. Fig.
파괴역학적 방법에 근거하여 차축의 피로균열 진전속도, 파괴인성과 유한요소해석에 의한 작용하중의 입력값으로 차축 압입부의 피로균열발생 수명과 그에 따른 검사주기를 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

피로균열 진전속도에 대한 데이터는 국내에서 운용 중에 있는 차축(SFA60)에서 시편을 채취하여 CT시편으로 피로균열진전속도 실험(ASTM 647)을 실시한 데이터를 평가에 사용하였다.

이론/모형

앞 절에서 언급한 바와 같이 작용하중과 균열 진전 데이터를 입력하여 검사주기를 평가하였다. 비파괴 검사주기 산정을 위한 차축의 피로균열진전 수치 시뮬레이션은 AFGROW 균열진전 프로그램을 이용하여 수행하였다.^8,9
차축의 균열진전은 Paris 방정식을 기초로 아래의 식에 의해 평가하였다. 초기균열 길이는 2mm로 하였으며 작용하중은 유한요소해석을 통하여 산출된 값을 사용하였다.

성능/효과

실온(R.T), -40℃와 +50℃의 온도조건하에서 실험한 균열진전 파라미터를 이용하여 평가한 결과 저온시에는 연성파괴에서 취성파괴로 파괴양식이 변화됨에 따라 파괴인성의 저하와 함께 파단에 이르는 임계균열길이와 파단수명도 다른 사용온도 조건에 비하여 많이 감소되고 있는 것을 알 수 있다.
(1) 저온 시에는 파괴인성의 저하와 함께 파단에 이르는 임계균열길이와 파단수명도 다른 사용 온도 조건에 비하여 많이 감소되고 있는 것을 알 수 있다.
(2) 실온에서의 차축의 임계균열깊이는 86 mm, 그에 따른 수명은1.5910 X 10⁸(429,300 km)이며 -40℃의 사용온도 조건하에서의 임계균열깊이는 43 mm. 균열진전 수명은6.
(3) 6 mm 이상의 균열깊이를 비파괴검사 기술로 확실하게 검출할 수 있다면 차축의 파괴 역학적 해석방법에 따른 검사주기를 200,000 km로 증가시킬 수 있다.

후속연구

이와 같은 결과는 피로균열 진전 시험 데이타와 환경 조건에 따라 다르게 나타날 수 있지만 실제 차축 제조과정 중 압축잔류응력이 존재할 경우에 균열진전은 더 더디게 진행될 수 있다. 또한, 베어링 발열에 의한 차축 파손 현상과 같이 설계조건 이외의 과대하중이 작용할 경우에는 손상진전이 급격하게 이루어질 수 있으므로 향후 이에 근거한 균열진전 평가가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차축은 무엇인가?	차축은 장기간 운행을 위해 설계된 안전한 철도차량의 핵심 주행 장치이며 회전 굽힘 하중 작용 조건하에서 운행된다. 차축의 피로균열성장의 계산은 주로 유한요소해석에 의한 응력상태, 응력 확대계수와 실험적으로 결정된 피로균열 성장속도에 의하여 계산될 수 있다.
	차축의 피로균열성장의 계산은 어떻게 할 수 있는가?	차축은 장기간 운행을 위해 설계된 안전한 철도차량의 핵심 주행 장치이며 회전 굽힘 하중 작용 조건하에서 운행된다. 차축의 피로균열성장의 계산은 주로 유한요소해석에 의한 응력상태, 응력 확대계수와 실험적으로 결정된 피로균열 성장속도에 의하여 계산될 수 있다. 변동하중을 받는 철도 차량 차축은 외측 단부 근처에 탑재된 베어링을 통해 차축에 중량이 전달되며 주행하는 동안 회전 굽힘 하중으로 작용하게 된다.
	유럽은 철도차축설계 표준을 어떻게 관리하는가?	1861년에 ‘The Constructor: A Hand-Book of Machine Design’을 근간으로 이후 계속적으로 차축 설계기준에 대하여 확대 발간하였다. 최근에 차축 설계지침을 통합하기 시작했으며 유럽은 구동차축과 객차차축에 대하여 공통 표준규격인 EN13103(2001년)와 EN13104(2001년)으로 적용하여 관리하기 시작하였다.

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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Newman Jr, J. C., "Fastran-II: A Fatigue Crack Growth Structural Analysis Program," NASA STI/Recon Technical Report N, Vol. 92, Paper No. 30964, 1992.

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