[국내논문]Rayleigh Wave를 이용한 KTX 제동 디스크의 균열 검측 시스템 개발 Development of Nondestructive System for Detecting the Cracks in KTX Brake Disk Using Rayleigh Wave원문보기
최근 KTX (Korean Train Express) 열차의 사고의 대부분은 기기의 오작동, 차량 부품의 노후와에 따른 고장 및 장애발생, 신호장치에 대한 인적오류 등이 주된 원인이였다. 특히, 차량부품 중 제동 디스크의 파손은 하부 차축 및 차륜에 충격을 가해 탈선의 우려와 고속 충돌 등 대형 인명 피해를 낳을 수 있다. 따라서 본 연구에서 KTX의 제동 디스크(Solid Type, Ventilation Type)를 형상화하고, 이를 동작시켜 균열을 측정하여 DB화 할 수 있는 균열검측시스템을 구축하였다. 제동 디스크의 표면균열을 검사하기 위하여 Rayleigh wave를 이용하였으며 수침기법으로는 제동디스크 장착상태에서 탐상의 어려움이 인하여 국부수침 탐상기법을 활용하여 제동디스크의 초음파 검사모듈을 개발하였다. 또한 제동디스크의 회전에 따라 측정된 균열을 저장할 수 있는 균열검측 자동화장치와 제동 디스크의 초음파 검사모듈을 이용하여 제동 디스크의 표면결함을 평가하였다.
최근 KTX (Korean Train Express) 열차의 사고의 대부분은 기기의 오작동, 차량 부품의 노후와에 따른 고장 및 장애발생, 신호장치에 대한 인적오류 등이 주된 원인이였다. 특히, 차량부품 중 제동 디스크의 파손은 하부 차축 및 차륜에 충격을 가해 탈선의 우려와 고속 충돌 등 대형 인명 피해를 낳을 수 있다. 따라서 본 연구에서 KTX의 제동 디스크(Solid Type, Ventilation Type)를 형상화하고, 이를 동작시켜 균열을 측정하여 DB화 할 수 있는 균열검측시스템을 구축하였다. 제동 디스크의 표면균열을 검사하기 위하여 Rayleigh wave를 이용하였으며 수침기법으로는 제동디스크 장착상태에서 탐상의 어려움이 인하여 국부수침 탐상기법을 활용하여 제동디스크의 초음파 검사모듈을 개발하였다. 또한 제동디스크의 회전에 따라 측정된 균열을 저장할 수 있는 균열검측 자동화장치와 제동 디스크의 초음파 검사모듈을 이용하여 제동 디스크의 표면결함을 평가하였다.
Recently, KTX (Korean Train Express) train stoppage accidents were mainly caused by malfunctioning equipment, aging and cracking of railway vehicles, crack breakages of brake disks, and breakages of brake disks. Breakage of brake disk can cause large-scale casualties such as high-speed collision and...
Recently, KTX (Korean Train Express) train stoppage accidents were mainly caused by malfunctioning equipment, aging and cracking of railway vehicles, crack breakages of brake disks, and breakages of brake disks. Breakage of brake disk can cause large-scale casualties such as high-speed collision and concern about derailment by hitting lower axle and wheel. Therefore, in this study, a brake disk with solid and ventilation type, which is the brake disk of a KTX train was modeled, and a dynamometer system was constructed to operate the disk. A Rayleigh wave was used to inspect the surface of the brake disk. An ultrasonic inspection module was developed for the brake disk by using a local immersion method due to the difficulty involved in ultrasonic inspection using an existing immersion method. In addition, the surface defects of the brake disk were evaluated using a dynamometer mock-up system and an ultrasonic inspection module of the brake disk.
Recently, KTX (Korean Train Express) train stoppage accidents were mainly caused by malfunctioning equipment, aging and cracking of railway vehicles, crack breakages of brake disks, and breakages of brake disks. Breakage of brake disk can cause large-scale casualties such as high-speed collision and concern about derailment by hitting lower axle and wheel. Therefore, in this study, a brake disk with solid and ventilation type, which is the brake disk of a KTX train was modeled, and a dynamometer system was constructed to operate the disk. A Rayleigh wave was used to inspect the surface of the brake disk. An ultrasonic inspection module was developed for the brake disk by using a local immersion method due to the difficulty involved in ultrasonic inspection using an existing immersion method. In addition, the surface defects of the brake disk were evaluated using a dynamometer mock-up system and an ultrasonic inspection module of the brake disk.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 KTX 제동 디스크의 표면균열을 검출하기 위하여, 열피로균열을 형상화한 표준시험편을 제작하였고, 균열 검측 시스템을 개발하여, 결함 깊이와 초음파간의 상관관계를 이용하여 균열 성장의 추이를 분석할 수 있는 관계식을 도출하였다.
13은 실제 제동디스크에 대한 균열시험을 수행할 다이나모메타의 시험부에 장착된 제동디스크 및 캘리퍼이며, 실제 KTX의 주행모드를 통한 제동 디스크의 제동 실험을 수행하는 시스템이다. 본 논문에서는 제동 디스크 균열 검출 시스템을 개발하기 위해서 다이나모메타 시스템을 모사한 모사 시스템을 설계 및 제작하였다.
본 연구에서는 Rayleigh wave를 이용하여 제동 디스크의 표면결함을 검사하기 위한 초음파검사 모듈을 개발하였으며, 제동디스크 표면균열의 진전을 시험할 제동다이나모메타의 시험부를 모사한 모사 시스템을 제작하고, 이를 검사할 수 있는 스캐너 모듈을 개발하였다.
하지만 깊이 방향 및 검사 방향에 대해 경사진 결함은 검사가 어려울 것으로 예상된다. 따라서 결함의 형상 및 경사진 각도에 따른 추가적인 연구의 필요성을 확인하였다.
제안 방법
본 연구에서는 KTX 제동 디스크의 표면 균열을 비파괴 방식으로 정밀하게 검측하기 위해서 Rayleigh wave를 이용하였다. Rayleigh wave는 액체 – 고체의 경계면에서 초음파가 레일리 각 근처에 도달했을 때, 모드 변환을 통해서 발생하며, 이때 발생된 Rayleigh wave는 전체 에너지의 약 90%가 표면에 집중되어 전파가 되는 특징을 갖는다.
초음파검사 모듈에 적용될 검사 기법을 선정하기 위해서 각각 pulse-echo 기법과 pitch-catch 기법 및 2.25 MHz(0.5")와 5 MHz (0.5")의 평면형 탐촉자를 이용하여 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 초음파검사 모듈의 최적 탐촉자를 선정하여 초음파검사 모듈에 적용하였고 각각 실험 및 시뮬레이션을 통해서 증명하였다.
5를 이용하여 물성평가를 진행하였다. 시험편의 종파 속도는 5972 m/s이며, Rayleigh wave 속도는 2873 m/s로 측정되었으며, 이와 유사한 물성을 갖는 SM45C를 활용하여 검사 기법 선정을 위한 실험 수행 시 사용될 표준시험편을 제작하였다.
각 결함의 크기는 폭 0.5 mm, 길이 10 mm, 깊이 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm로 방전 가공을 하였다.
초음파검사 모듈에 적용될 탐촉자의 형태를 선정하기 위해서 상용 FEM (finite elements method) 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 Rayleigh wave의 거동 특성을 가시화하였고 국부수침탐상법을 형상화하여 시뮬레이션을 설정 하였다.
본 연구에서는 KTX 제동 디스크의 균열 검측을 위한 시스템을 개발하였으며, 각각 다이나모메타 시스템, 스캐너 모듈, 초음파검사 모듈로 구성되어 있다.
본 논문에서는 다이노모메타 모사 시스템에 사용될 solid type의 제동 디스크 모사시험편을 제작하였으며, 시험편의 물성은 2.3절에 나타낸 물성과 동일하게 수행하였다.
Fig. 15는 설계 프로그램으로 설계된 스캐너 모듈이며 (a) 스텝핑 모터, (b) 엔코더, (c) 볼 스크류, (d) LM가이드로 구성되었으며, 스캐너의 스캔 거리는 500 mm로 전체 시험편의 반 이상을 커버할 수 있도록 제작하였으며, LM가이드와 볼 스크류에 이물질 및 물의 유입을 방지하기 위해서 스캐너에 커버를 씌어주었고, LM가이드 및 볼 스크류의 재질을 SUS로 제작하여 물에 대한 부식을 미연에 방지하였다.
2.3절의 결과를 이용하여 초음파검사 모듈을 개발하였다. Fig.
3장에서 개발한 KTX 제동 디스크 균열 검측 시스템을 이용하여 3.1절에서 모사한 KTX 제동 디스크 결함 모사시험편에 대한 실험을 수행하였으며, 2.3절에서 설정된 검사 모듈을 활용하였으며, 각각 2.25 MHz 평면형 탐촉자와 집속형 탐촉자를 사용하여 FEM 시뮬레이션 결과를 증명하였다.
대상 데이터
Fig. 12는 solid type의 제동 디스크 모사시험편이며, 실제 solid type의 제동 디스크와 동일한 크기인 외경 Φ640과 내경 Φ140으로 구성되었으며, 결함의 크기는 Fig. 6과 동일하게 제작하였다.
데이터처리
실험 결과를 통해서 결함의 크기가 커질수록 결함 신호의 진폭이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 결함과 투과파 진폭의 상관관계를 분석하여 식(2)과 같은 상관관계식을 도출하였다.
성능/효과
0 mm 결함신호의 진폭이 비슷하기 때문에 결함 성장 거동을 분석하기에 어려움이 있다. 하지만 2.25 MHz의 pitch-catch 기법은 결함의 크기가 커짐에 따라서 선형적으로 감소함을 확인할 수 있으며 결함의 성장 거동을 분석하기에 유리함을 확인할 수 있다. 또한 주파수는 결함 검출 분해능과 관련이 있으며, 분해능은 파장(λ)에 반비례한다.
실험 및 FEM 시뮬레이션의 결과에 따라서 탐촉자는 2.25 MHz 집속 탐촉자를 사용하여 pitch - catch 기법으로 실험을 수행하는 것이 가장 제동 디스크의 균열 측정에 용이함을 예상할 수 있다.
현재 개발된 제동 디스크 균열 검측 시스템은 2.25 MHz, 0.5"의 집속형 탐촉자를 사용하였으며, 약 6 mm 이하의 결함을 측정할 수 있고 도출된 상관관계식을 이용하여 결함의 성장 거동을 확인할 수 있다.
결함의 크기가 커질수록 결함 신호의 진폭이 작아지는 경향을 보이며, 결함 신호의 진폭이 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
탐촉자의 형태에 따라 결함에 대한 결함 신호 진폭의 감소폭이 다르며, 평면형 탐촉자의 경우는 0.5 mm 결함을 기준으로 약 5% 내외로 감소하는 경향을 보이며, 2.0 mm 결함과 3.0 mm 결함간 결함 신호 진폭의 감소가 급격히 이뤄지는 것을 확인할 수 있다.
집속형 탐촉자일 경우는 결함에 대한 의존성이 큰 것을 확인할 수 있으며, 이는 표면에 집중된 초음파의 음압이 결함을 통과하면서 급격히 감소되는 것이며, 0.5 mm 결함을 기준으로, 약 15~20%씩 감소하는 경향을 보이며, 5.0 mm 결함과 6.0 mm 결함일 경우는 결함의 감소폭이 적음을 확인할 수 있다. 또한 6 mm의 신호의 진폭이 작기 때문에, 6 mm 이상의 결함에 대해서는 신호수집에 어려움이 있을 것으로 예상할 수 있다.
25 MHz보다 더 낮은 주파수를 갖는 탐촉자를 사용하면 되지만, 낮은 주파수를 갖는 탐촉자의 직경이 대부분 1" 이기 때문에, 결함을 측정하는데 어려움이 있을 수 있다. 따라서 탐촉자의 형태는 초음파가 다른 곳으로 분산되지 않도록 하는 집속형 탐촉자를 사용하고, 탐촉자의 집속거리는 최소화 한다면, 6 mm 이상의 결함을 검사할 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제동 디스크의 파손의 원인은 무엇인가?
최근 KTX 및 KTX-산천의 열차 사고가 빈번히 발생하고 있으며, 대부분 차량의 오작동으로 인한 열차의 멈춤 사고지만, 제동 디스크의 파손 및 레일의 손상은 차량의 탈선 및 대형 인명사고를 초래할 수 있다. 이 중 제동 디스크의 파손은 표면에 발생하는 열 피로균열이 성장함으로써 제동 디스크의 파손이 발생하게 된다[3,4].
KTX의 특징은 무엇인가?
국내 고속철도 KTX (Korea Train Express)는 2004년 4월에 개통과 더불어 도시와 도시를 연결하여 전국을 하나의 생활권으로 만들었고, 항공기나 버스와 달리 안개, 폭설, 폭우와 같은 기후의 영향을 거의 받지 않으며 탄소 배출량이 적고 소음도 상대적으로 적어 차세대 운송 수단으로 각광 받고 있다. 이는 지역 간의 이동성 및 접근성을 향상시켜 인적 자원 및 물적 자원을 원활이 교류하는 결과를 가져다주었다.
KTX 제동 디스크 균열 검측 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?
본 연구에서는 KTX 제동 디스크의 균열 검측을 위한 시스템을 개발하였으며, 각각 다이나모메타 시스템, 스캐너 모듈, 초음파검사 모듈로 구성되어 있다.
참고문헌 (6)
M. N. Zheng and J. H. Rho, "Empirical analysis for the effect of the inter-regional express rail system (KTX) on the change of the relative dependency between regions in Korea," Journal of Korea Planning Association, Vol. 50, No. 7, pp. 141-153 (2015)
J. U. Jo and M. J. Woo, "The impacts of high speed rail on regional economy and balanced development," Journal of Korea Planning Association, Vol. 49, No. 5, pp. 263-278 (2014)
C. W. Lee, "High-speed railway vehicle collision and derailment safety evaluation research," Autumn Conference on The Korean Society for Railway, pp. 33-38 (2006)
S. G. Kim, H. C. Park, S. J. Hwang and S. I. Kim, "Improvement of processing way of brake disk and a wheel axle boss seat in Busan Metro Line 3," Spring Conference on The Korean Society for Railway, pp. 79-85 (2016)
Y. T. Yeom, H. J. Kim, S. J. Song, S. S. Kang and S. D. Kwon, "Study on an ultrasonic method for detecting micro-defect by using the leaky Rayleigh wave," New Physics: Sae Mulli, Vol. 65, No. 2, pp. 199-204 (2015)
Y. T. Yeom, H. G. Lee, H. J. Kim, S. J. Song and S. D. Kwon, "A Study on the behavior characteristics of leaky Rayleigh waves for the detection of crack-like defect," New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 2, pp. 1-6 (2016)
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