[논문]마모와 제동에 의한 화차륜의 잔류응력 변화

권석진; 서정원; 김민수

doi:10.7736/kspe.2016.33.7.529

마모와 제동에 의한 화차륜의 잔류응력 변화
Evaluation of Residual Stress for Freight Car Wheel due to Wear and Brake Application 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.7, 2016년, pp.529 - 534

권석진 (한국철도기술연구원 신교통연구본부) , 서정원 (한국철도기술연구원 신교통연구본부) , 김민수 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

During the past few years, several incidents of freight car wheel failure during operation have occurred due to fatigue crack and overheating from braking. Tensile residual stress on the wheel tread creates an environment conducive to the formation of thermal cracks that may threaten the safety of train operations. It is important to investigate the residual stress on wheels in order to prevent derailment. In the present paper, the residual stress on wheels is measured using the x-ray diffraction system and the residual stress is analyzed using FEM. The result shows that the residual stress on the wheel rim is lower than that on the wheel tread center and the stress on over-braked wheels changes from compression residual stress to tensile residual stress.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 차륜의 손상원인에 대한 여러 영향인자 중에서 잔류응력에 대한 분석과 평가를 실시하였으며 주행마모와 제동에 따른 화차용 차륜의 잔류응력의 변화를 FEM 해석과 X선 잔류응력측정 시스템을 이용하여 측정 비교 평가하였다.
철도차륜은 초기 제조시와 비교하여 주행거리에 따른 마모영향과 제동이 작용하면서 차륜표면 상태는 많은 변화를 겪게 된다. 본 절에서는 차륜 제조시와 제동작용시의 잔류응력변화에 대하여 유한요소해석을 수행하여 그 변화를 평가하였다.

제안 방법

시험차륜은 마모한도 차륜, 일정거리 주행 차륜, 제동시험을 실시한 차륜을 대상으로 잔류응력 변화를 측정하였다. 주행차륜은 차륜마모 직경에 따라 구분하였으며 잔류응력 측정은 차륜 표면을 측정하여 비교하였다.
3은 차륜 답면에서의 잔류응력 측정 위치이다. 차륜 플랜지를 기점으로 A 위치 (110 mm), B 위치 (135 mm)에서 X선을 조사하여 차륜표면의 잔류응력을 측정하였으며 차륜의 원주방향으로 90° 간격으로 잔류응력을 측정하였다.¹²
차륜에서의 잔류응력의 측정은 원주방향으로 회전하면서 측정하였으며 X선 조사 각도는 -45°에서 45°로 25° 간격으로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 차륜의 잔류응력에 대한 측정결과는 각각 3번씩 측정하여 평균값을 비교하였으며 오차율은 ± 5MPa이다.

대상 데이터

시험차륜은 마모한도 차륜, 일정거리 주행 차륜, 제동시험을 실시한 차륜을 대상으로 잔류응력 변화를 측정하였다. 주행차륜은 차륜마모 직경에 따라 구분하였으며 잔류응력 측정은 차륜 표면을 측정하여 비교하였다.
차륜의 잔류응력 측정을 위하여 국내에서 운용 중에 있는 Fig. 2와 같은 화차용 차륜을 대상으로 시험을 실시하였다.

성능/효과

(1) 제작시 차륜에 존재하였던 압축잔류응력이 주행마모에 따라 현저하게 변화되지는 않지만 주행거리가 증가할수록 신재 차륜과 비교하여 압축 잔류응력이 감소되는 특성을 나타내었다. FEM 해석결과에서도 이러한 경향을 보여주고 있다.
(2) 차륜 림부가 다른 부분에 비하여 20%의 잔류응력 감소치가 나타난다. 이는 과제동시 취약부라 할 수 있으며 차륜 손상시 파손되는 위치와 일치한다.
(3) 과제동 차륜을 대상으로 잔류응력을 측정한 결과 차륜의 열균열 발생과 파손에 영향을 미치는 인장잔류응력이 측정되었으며 과제동시 압축잔류 응력이 인장 잔류응력으로 반전될 수 있다.
Figs. 6과 7에서의 측정결과 차륜의 잔류응력은 주행거리에 따라 현저하게 변화되는 특성이 관찰되지 않지만 운행 중 제동과 마모에 의해 차륜직경 감소에 따라 차륜의 압축잔류응력이 점차적으로 감소되고 있는 것을 알 수 있다. 또한 차륜 답면중앙부쪽 보다는 차륜 림부쪽에서 압축 잔류응력이 감소되고 있음을 알 수 있으며 차륜 림부쪽이 파손에 대하여 더 취약함을 알 수 있었다.
6과 7에서의 측정결과 차륜의 잔류응력은 주행거리에 따라 현저하게 변화되는 특성이 관찰되지 않지만 운행 중 제동과 마모에 의해 차륜직경 감소에 따라 차륜의 압축잔류응력이 점차적으로 감소되고 있는 것을 알 수 있다. 또한 차륜 답면중앙부쪽 보다는 차륜 림부쪽에서 압축 잔류응력이 감소되고 있음을 알 수 있으며 차륜 림부쪽이 파손에 대하여 더 취약함을 알 수 있었다.
차륜 림부를 기점으로 원주방향 10° 간격으로 측정하였다. 전체적으로 인장잔류응력은 측정되지 않았지만 초기 제작 시 존재하였던 -400 MPa에서 -500 MPa의 잔류응력 수치에 비하여 -150 MPa에서 -250 MPa로 감소되는 잔류응력 값이 측정되었다. 이것은 차륜이 장기간 주행 시 제동마찰열의 반복적인 가열, 냉각이 누적되면서 나타나는 변화라 생각된다.
지금까지의 과제동에 의한 차륜과 정상적인 운행 차륜에서의 잔류응력측정치의 실험결과로 유추해 보면 과제동에 의한 차륜 잔류응력 변화에 의하여 차륜이 손상될 수 있음을 알 수 있으며 이러한 잔류응력의 변화는 차륜의 성능과 안전성 평가에 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 화차 차륜의 안전성 평가시 차륜 림부의 잔류응력을 측정하여 관리할 필요성이 요구되며 답면 제동식 차륜의 열한계 조건과 파손 모드에 대한 실증적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 화차용 차륜의 잔류응력의 변화를 해석하기 위해 수행한 방법은?	본 논문에서는 차륜의 손상원인에 대한 여러 영향인자 중에서 잔류응력에 대한 분석과 평가를 실시하였으며 주행마모와 제동에 따른 화차용 차륜의 잔류응력의 변화를 FEM 해석과 X선 잔류응력측정 시스템을 이용하여 측정 비교 평가하였다.
	차륜표면의 소성변형은 언제 일어나는가?	철도차량 차륜과 레일의 구름접촉에서 차륜 및 레일이 견인력, 제동, 곡선 등의 높은 마찰력을 반복적으로 받을 때 차륜 표면은 소성변형이 발생한다. 이와 같은 현상이 반복될 때 미시적으로 차륜 표면이 변형되어 균열 등의 손상이 발생한다.
	답면 제동방식이 차륜에 미칠 수 있는 부정적인 영향은 무엇인가?	철도용 화차의 경우 차륜표면에 직접 제동을 가하는 답면 제동방식을 사용하고 있다. 화물의 중하중과 장기간 운행 중 제동 마찰열의 반복, 냉각에 의하여 차륜손상이 발생할 수 있으며, 차륜 손상에 따른 철도차량의 탈선은 복구비용과 운행정지로 인한 운행 수입 등의 경제적 피해 등을 발생시킬 수 있다.1-4

참고문헌 (15)

Ekberg, A. and Kabo, E., "Fatigue of Railway Wheels and Rails under Rolling Contact and Thermal Loading," Wear, Vol. 258, No. 7, pp. 1288-1300, 2005.

상세보기
Lonsdale, C., Bogacz, R., and Norton, M., "Application of Pressure Poured Cast Wheel Technology for European Freight Service," Proc. of the 9th World Congress on Railway Research, 2011.
Lynch, M., Mutton, P., Epp, K., and Donnelly, R., "Improving Wheelset Performance under High Axle Loads," Proc. of 13th International Wheelset Congress, Rome, pp. 1-12, 2001.
Magel, E. and Kalousek, J., "Identifying and Interpreting Railway Wheel Defects," Proc. of the International Conference on Freight Car Trucks / Bogies, pp. 9-12, 1996.
Lonsdale, C., Dedmon, S., and Pilch, J., "Effects of Increased Gross Rail Load on 36-Inch Diameter Freight Car Wheel," Railway Wheel Manufacture's Engineering Committee, pp. 12-18, 2001.
Gordon, J. and Perlman, A. B., "Estimation of Residual Stresses in Railroad Commuter Car Wheels Following Manufacture," US Department of Transportation, No. DOT/FRA/ORD-03/24, 2003.
Rossmanith, H., Loibnegger, F., and Huber, R., "Thermomechanical Fatigue Fracture due to Repeated Braking of Railway Wheel," Materials Science, Vol. 42, No. 4, pp. 466-475, 2006.

상세보기
Seo, J. W., Kwon, S. J., Jun, H. K., and Lee, D. H., "Effects of Residual Stress and Shape of Web Plate on the Fatigue Life of Railway Wheels," Engineering Failure Analysis, Vol. 16, No. 7, pp. 2493-2507, 2009.

상세보기
Handa, K. and Morimoto, F., "Influence of Wheel/Rail Tangential Traction Force on Thermal Cracking of Railway Wheels," Wear, Vol. 289, pp. 112-118, 2011.
Aviation and Railway Accident Investigation Board, "Report for Derailment of Freight Car in Topri-Bibong," http://araib.molit.go.kr (Accessed 12 April 2016)
Okagata, Y., "Design Technologies for Railway Wheels and Future Prospects," Nippon Steel and Sumitomo Metal Technical Report, No. 105, pp. 26-33, 2013.
Kwon, S. J., Lee, D. H., Seo, J. W., and Kwon, S. T., "Evaluation of Residual Stress of Railway Wheel Regarding to Deterioration," Proc. of Materials Science Forum, Vol. 654-656, pp. 2493-2498, 2010.
Kwon, S.-J., Seo, J.-W., Jun, H.-K., and Lee, D.-H., "Damage Evaluation Regarding to Contact Zones of High-Speed Train Wheel Subjected to Thermal Fatigue," Engineering Failure Analysis, Vol. 55, pp. 327-342, 2015.

상세보기
Kristan, J. and Garcia, G., "EMAT Evaluates Railroad Wheels," Advanced Materials and Processes, Vol. 154, No. 5, pp. 25-27, 1998.
Lonsdale, C., Demilly, F., and Fabbro, V., "Wheel Rim Residual Stress Measurements," Proc. of the Railway Wheel Manufacturers on Engineering Committee Technical Conference, pp. 13-19, 2000.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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