[논문]철도차량 차륜의 기계적 특성 및 잔류응력평가

서정원; 권석진; 이동형; 전홍규; 박찬경

doi:10.7736/kspe.2014.31.9.783

철도차량 차륜의 기계적 특성 및 잔류응력평가
Evaluation of Mechanical Characteristic and Residual Stress for Railway Wheel 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.9, 2014년, pp.783 - 790

서정원 (한국철도기술연구원 시험인증안전센터) , 권석진 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 이동형 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) , 전홍규 (한국철도기술연구원 시험인증안전센터) , 박찬경 (한국철도기술연구원 시험인증안전센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Railway wheels and axles are the most critical parts of the railway rolling stock. The wheel carry axle loads and guide the vehicles on the track. Therefore, the contact surface of wheel are subjected to wear and fatigue process. The wheel damage can be divided into three types; wear, contact fatigue failure and thermal crack due to braking. Therefore, in the contact surface between the wheel and the rail, the materials are heat treated to have a specific hardness. The manufacturing quality of the wheel have a considerable influence on the formation of tread wear and damage. Also, the residual stress on wheel is formed during the manufacturing process is one of the main sources of the damage. In this paper, the mechanical characteristic and the residual stress according to wheel material have been evaluated by applying finite element analysis and conducting mechanical tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서 사용하고 있는 차륜의 종류에 따른 기계적 성질 및 잔류응력 특성을 평가하였으며 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 국내에서 사용하고 있는 차륜의 종류에 따른 기계적 성질 및 잔류응력 특성을 조사하고 적용 타당성을 평가하였다.
이러한 열처리 과정에서 접촉면에 압축잔류응력이 발생하여 접촉면 손상을 억제하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 제조시 열처리에 의해 발생하는 잔류응력을 유한요소 해석과 실험을 통하여 평가하였다. 잔류응력측정에는 작은 구멍을 내어 잔류응력을 국부적으로 이완시키는 방법인 천공법(hole drilling method)9,10 및 X-ray 장비¹¹를 사용하여 측정하였다.

제안 방법

1의 하중비를 적용하여 하중제어방식으로 시험을 수행하였다. 균열길이는 100배 줌 CCTV Camera를 이용하여 측정하였고, 0.1mm 당 반복수를 측정하여 a-N 선도를 산출하였다. 또한 식(3)을 이용하여 da/dN-ΔK 선도를 획득하였고, da/dN이 10^-7mm/cycle 이하 일 때의 값을 하한계응력확대계수로 결정하였다.
균열진전시험은 차륜에 균열 발생 시 균열진전속도를 평가하는 것으로 국내외 규격에서는 규정하고 있지 않지만, 차륜의 안전성 평가에 중요한 요소이므로 시험을 실시하였다. ASTM E647에 따라서 하중제어를 통한 피로균열진전 시험을 수행하였으며, 시험편 형상은 Fig.
본 논문에서는 열전달 해석을 수행한 후 이를 바탕으로 열응력 해석을 수행하였다. 열처리 과정은 대류조건을 사용하여 가열, 냉각, 뜨임, 냉각 순으로 적용하였다.
5인 지점까지 피로 예비균열을 삽입하였다. 시험편에 1mm/min의 속도로 인장하중을 작용하여 하중-변위선도를 획득하였으며, 획득한 선도를 이용하여 P_Q를 구하고, 이를 이용하여 K_Q를 구하였다. 구한 K_Q값이 아래의 조건식을 만족하게 되면 K_Q를 K_IC로 결정하였다.
본 논문에서는 열전달 해석을 수행한 후 이를 바탕으로 열응력 해석을 수행하였다. 열처리 과정은 대류조건을 사용하여 가열, 냉각, 뜨임, 냉각 순으로 적용하였다. 해석에 사용된 물성치는 Table 4와 같으며 탄소성해석 조건으로는 완전소성조건을 적용하였다.
10은 열처리 조건에서 950초시에 차륜 단면의 온도분포를 나타내고 있다. 이때 950초는 차륜에 전체적으로 열을 가하는 과정의 마지막 시간으로써 이 때의 온도분포가 잔류응력 분포에 영향을 줄 것으로 판단되어 이를 비교하였다. 비교결과 두 가지 종류의 차륜 모두 유사한 온도분포를 나타내고 있다.
4와 같다. 피로균열진전 시험편의 노치 선단에는 상온에서 피로하중을 작용시켜 a/W=0.5인 지점까지 피로 예비균열을 삽입한 후, R=0.1의 하중비를 적용하여 하중-하중선변위를 측정하여 컴플라이언스의 변화로부터 균열길이를 구하여 a-N선도를 산출하였다. 또한 아래의 식을 이용하여 da/dN-ΔK curve를 구하고 Paris 상수 C와 지수 m값을 구하였다.
시험은 ASTM E647 시험규격에 따라 수행하였다. 피로균열진전 시험편의 노치 선단에는 상온에서 피로하중을 작용시켜 a/W=0.5인 지점까지 피로 예비균열을 삽입한 후, 주파수 20Hz, R=0.1의 하중비를 적용하여 하중제어방식으로 시험을 수행하였다. 균열길이는 100배 줌 CCTV Camera를 이용하여 측정하였고, 0.

대상 데이터

국내외의 일반해석대상으로는 현재 국내에서 사용하는 객화차용(SSW)차륜과 고속철도차륜(R7)을 선정하였으며, 해석모델 및 하중의 대칭성을 고려하여 축대칭 모델을 사용하였다. Fig.
열처리 과정은 대류조건을 사용하여 가열, 냉각, 뜨임, 냉각 순으로 적용하였다. 해석에 사용된 물성치는 Table 4와 같으며 탄소성해석 조건으로는 완전소성조건을 적용하였다.

이론/모형

ASTM E339에 따라서 변위제어를 통한 파괴인성시험을 수행하였다. 파괴 인성시험편의 노치선단에는 상온에서 피로하중을 작용시켜 a/W=0.
균열진전시험은 차륜에 균열 발생 시 균열진전속도를 평가하는 것으로 국내외 규격에서는 규정하고 있지 않지만, 차륜의 안전성 평가에 중요한 요소이므로 시험을 실시하였다. ASTM E647에 따라서 하중제어를 통한 피로균열진전 시험을 수행하였으며, 시험편 형상은 Fig. 4와 같다. 피로균열진전 시험편의 노치 선단에는 상온에서 피로하중을 작용시켜 a/W=0.
이러한 결함들로부터 피로균열이 성장하지 않는 재료의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 시험은 ASTM E647 시험규격에 따라 수행하였다. 피로균열진전 시험편의 노치 선단에는 상온에서 피로하중을 작용시켜 a/W=0.
본 논문에서는 제조시 열처리에 의해 발생하는 잔류응력을 유한요소 해석과 실험을 통하여 평가하였다. 잔류응력측정에는 작은 구멍을 내어 잔류응력을 국부적으로 이완시키는 방법인 천공법(hole drilling method)9,10 및 X-ray 장비¹¹를 사용하여 측정하였다.
국내규격에서는 충격시험에 대하여는 상온에서 시험한 결과를 규정하고 있지만, EN 규격⁵에는 -20℃에서 저온시험을 규정하고 있다. 충격시험은 KS B 0809의 U-노치 및 V-노치 시험편을 이용하였고 시험 방법은 KS B 0810에 따라서 수행하였다. Fig.

성능/효과

1) 철도차량 차륜 재질의 파괴인성시험 결과 재질의 종류에 따라서 차이가 크게 발생하였고 R7은 평균이 80MPa√m 이상으로 평가되었다.
2) 충격시험 결과 상온에서는 재질의 종류에 따라서 유사한 값을 나타내고 있으나, 저온시험에서는 차이를 발생하고 있으며, R7에서는 17J 이상으로 평가되었다.
3) 차륜의 종류에 따라서 잔류응력을 평가한 결과 접촉면에서는 압축잔류응력이 발생하였고 차륜의 종류에 상관없이 유사한 값을 나타내었다.
4) 접촉면의 압축 잔류응력의 크기는 약 -300MPa로 평가되었으며, 웹 부위에서는 인장잔류응력이 약 200MPa이 발생하였다.
시험결과 기울기 m이 클 수록 진전속도가 빠르며, C 값이 클 수록 진전속도가 빠른 것을 나타낸다. 시험 결과 R7의 진전속도가 SSW보다 느린 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SSW의 화학성분은 무엇이 있는가?	Table 1은 시험에 사용한 재료의 종류와 화학성분을 나타내고 있다. SSW의 화학성분은 C, Si, Mn등 5가지 원소로 규정하고 있지만, R7은 5가지 원소 이외에 Cr, Cu, Mo 등의 특수원소가 포함되어있고 특수원소의 사용량에 따라서 기계적성질이 변화한다.
	차륜 제조시 접촉면에 열처리를 수행하는 이유는 무엇인가	일반적으로 접촉면의 경도가 높으면 마모가 감소하나, 접촉피로손상이 증가하는 경향이 있다. 따라서, 차륜은 제조 시 접촉면에 열처리를 수행하여 경도를 높이고, 압축잔류응력을 형성시켜서 손상을 감소시키고 있다.6-8 또한 열 하중에 의한 균열생성 및 진전은 재료의 파괴인성에 따라서 달라진다.
	차륜의 접촉면에 열 하중에 의한 손상을 저감시키는 방법은 무엇이 있는가	구름접촉하중에 의해서는 접촉면에 마모와 접촉피로손상이 필연적으로 발생하고, 열 하중에 의해서 열 균열이 발생한다.1-3 이러한 손상을 저감시키는 방법은 차륜의 접촉면 형상 최적화, 유지보수 및 새로운 재료 개발 등 이 있다. 국내외에서는 차륜에 사용하는 재료 및 기계적 성질에 대하여 표준규격으로 정하여 사용하고 있으나 사용재료, 시험방법 및 시험 기준값 등이 다르게 규정되어 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
Kulkarni, S., Hahn, G., Rubin, C., and Bhargava, V., "Elasto-Plastic Finite Element Analysis of Repeated Three-Dimensional, Elliptical Rolling Contact with Rail Wheel Properties," Journal of Tribology, Vol. 113, No. 3, pp. 434-441, 1991.

상세보기
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Kim, C., Suk, C. S., and Yang, W. H., "Influence of the Hole Eccentricity in Residual Stresses Measurement by the Hole-Drilling Method," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers: A, Vo1. 24, No. 8, pp. 2059-2064, 2000.
Hyun, J. S., Yoo, K. B., and Choi, H. S., "The Characteristics of Residual Stresses in the Welded Joint of P92 Steel for Fossil Power Plant by the X-Ray Diffraction," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 25, No. 7, pp. 116-123, 2008.
Noda, T., "Safety of Wheels and Axles for Railway Vehicles and Engineering Ethics," Forum, Vol. 7, No. 7, pp. 9-16, 2002.

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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].

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