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문제 정의
- 따라서 일반철도 파괴확률 1%에 대한 피로수명 평가결과를 바탕으로 레일연마에 따른 레일 피로수명을 평가하고자 한다.
- 기존 연구에서는 레일 휨 피로수명 평가 방법 및 피로수명에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구가 주로 진행되었다. 본 연구는 레일연마와 레일교체주기의 연동모듈에 대한 연구로써, 국내 일반철도 선로 조건에 레일표면요철과 뜬침목을 함께 고려한 레일 휨응력예측식을 도출하고, 기존 연구결과를 바탕으로 레일 휨 피로수명 평가방법을 활용하여 레일연마 시행방안에 따른 레일교체주기 연장효과에 대하여 정량적으로 평가하고자 하였다.
- Ishida (1990, 1999)는 레일표면요철, 뜬침목에 대한 중회귀분석을 통해 레일휨응력예측식을 도출하였고, 이를 레일용접부 S-N선도에 적용하여 레일피로수명을 평가하였다. 본 연구에서는 국내 일반철도에서 운행되는 새마을호를 고려하여 레일표면요철과 뜬침목을 함께 적용한 모델을 통해 레일휨응력예측식을 도출하고자 하였다. 이렇게 레일표면요철과 뜬침목 및 열차속도를 고려하게 되면 국내 일반철도 레일의 피로수명을 평가할 수 있으며, 레일연마를 통해 레일표면요철이 관리됨에 따라 레일휨응력을 계산할 수 있다.
- 본 연구에서는 앞에서 설명한 중회귀분석을 통한 레일휨응력예측식 도출을 위해서 차량/궤도 상호작용해석을 수행하였다. 해석에 적용한 요철량은 현장에서 계측한 16개 유형(Table 1참조)이며, 뜬침목은 연속으로 뜬침목이 1, 3, 5개 발생한 경우에 대해 뜬침목량이 0, 0.
가설 설정
- 4mm, 뜬침목개수 3개, 뜬침목량 3mm, 새마을호 동력차 200km/h 주행시, S-N선도 파괴확률 1%를 적용하였다. 또한, 레일요철성장률은 KAIA (2014)에서 수행한 현장계측결과를 인용하여 50kg레일의 경우 0.16mm/억톤, 60kg레일의 경우 0.12mm/억톤으로 하였고, 레일연마 시 이를 제거하는 것으로 가정하였다. 레일연마를 고려한 레일 피로수명 평가결과는 Fig.
- 모든 요철 깊이가 국내 일반철도를 운행하는 디젤기관차와 KTX에 대한 임계요철깊이 이내에 있어 레일면은 차륜답면과 접촉한다는 가정이 유효함을 확인하였다. 또한, 레일표면요철에 따라 차륜과 레일의 접촉패치(Patch) 면적이 달라지므로 정상구간과는 헤르츠상수(Hertzian constant)가 달라지게 되지만, 헤르츠 상수는 궤도강성에 비하여 매우 크므로 헤르츠 상수의 변화가 전체 차량과 궤도의 상호작용에 비치는 영향은 크지 않을 것으로 예상되어 레일표면요철에서도 정상구간과 동일한 값으로 가정하였다.
- 뜬침목 모델은 MTT (Multiple Tie Temper)작업 등 궤도정정작업 직후 도상다짐 불량으로 발생할 수 있는 단순 뜬 침목 유형(Bezin, 2009)으로 궤도틀림은 발생하지 않고 다만 침목만 도상과 분리된 경우에 대해 해석하였으며, 뜬침목 개수는 1, 3, 5개, 뜬침목량은 0, 0.5, 1, 2, 3mm로 가정하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서 적용한 해석기법에서는 레일의 주행면(Rail Running Surface)과 차륜답면(Wheel Tread)이 헤르츠 스프링(Herztian)에 의해 접촉하는 것으로 가정하였기 때문에 레일표면요철에 의해 차륜답면이 레일의 주행면과 접촉이 되어야 하는지 검토가 필요하다. 이때 차륜답면이 요철부 레일 표면과 접촉할 수 있는 임계요철깊이(critical depth, Hmax)는 요철 형상을 원형으로 가정할 때 차륜반경(r)과 요철 폭(b)에 따라 구할 수 있다(Yang, 2011).
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