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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내 KTX 차량이 곡선부 주행 시 차륜과 레일의 접촉점 변화에 따른 내, 외측 레일에서 발생하는 접촉압력을 수치해석을 통해 산정하였고, 구름접촉피로시험을 통해 레일종별(UIC60 일반레일, 열처리레일) 접촉압력(900, 1,200, 1,500 MPa) 차이에 따른 레일마모율 변화 경향을 분석하고자 하였다.
가설 설정
- 곡선부에서는 외측레일에 차륜플랜지가 레일의 게이지코너부에 접촉하게 되어 외측레일 밖으로 이동하는 것을 제어하고 있다. 본 연구에서는 내측레일과 외측레일에 접촉하는 차륜의 위치를 최대 9 mm까지 이동하는 것으로 가정하였다. 또한, KTX 차량의 정적하중 85kN과 동적증폭효과를 고려한 동적하중 135 kN을 적용하여 레일표면에서 발생하는 접촉응력을 해석하였다.
제안 방법
- 3) 본 연구에서는 국내 고속철도(KTX) 곡선부에서 차륜/레일 상호작용으로 인해 레일표면에 작용하는 접촉압력(900~1,500 MPa 범위)의 변화에 따라 레일종류별(일반, 열처리) 레일마모율에 대한 회귀분석식을 제시하였다.
- 구름접촉피로시험 후 일반레일(NR), 열처리레일(HR) 시험편에 대하여 레일에 적용한 접촉압력(900, 1,200, 1,500 MPa)에 따라 표면상태 변화 및 손상 발생특성을 고배율(100배율) 전자현미경을 이용하여 확인하였다. 접촉압력에 따른 일반 모재부레일(NR)과 열처리레일(HR)의 구름접촉피로시험 결과는 Fig.
- 구름접촉피로시험의 시험조건은 슬립율과 디스크의 회전속도를 각각 -1%와 500 rpm(약 48 km/h)으로 고정하였다. 슬립비-1%는 차륜의 회전속도가 0인 경우로써 차륜의 고착에 따른 슬립의 증가로 인해 레일의 마모와 피로손상의 가중이 큰 조건을 말한다[4].
- 본 연구에서는 내측레일과 외측레일에 접촉하는 차륜의 위치를 최대 9 mm까지 이동하는 것으로 가정하였다. 또한, KTX 차량의 정적하중 85kN과 동적증폭효과를 고려한 동적하중 135 kN을 적용하여 레일표면에서 발생하는 접촉응력을 해석하였다.
- 시험편은 국내 고속철도에서 사용중인 레일종류(UIC60)로 하였으며, 일반 모재부 레일과 열처리레일을 대상으로 하였다. 본 연구에서 수행한 구름접촉피로시험에서는 레일의 마모 및 구름접촉피로에 가혹한 조건을 설정하기 위해 슬립비를 -1%로 시험조건을 설정하였고, 접촉압력(900, 1,200, 1,500 MPa)에 차이를 주었으며, 반복횟수 5만회 마다 표면변화를 육안과 고배율(100배율) 전자현미경을 이용하여 확인하고, 마모 중량을 미세전자저울을 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 고속철도 차륜과 일반 및 열처리레일 시험편에 대해 접촉압력(900, 1,200, 1,500 MPa)별 구름접촉피로시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이에 따라 차륜-레일 접촉위치에 따른 해석조건을 Fig. 2와 같이 산정하고 차륜-레일 접촉위치에 따른 레일표면 접촉압력을 확인하였다.
- RCF시험 시 차륜과 레일에 작용하는 접촉압력은 FEM해석을 통해 도출한 900 MPa, 1,200 MPa, 1,500 MPa으로 하였다. 차륜과 레일의 접촉면에서의 접촉압력은 차륜 디스크에 시험하중을 가력하고, 차륜과 레일디스크의 접촉면적을 변경시켜 접촉응력의 최소수준이 900 MPa, 1,200 MPa, 1,500 MPa로 유지될 수 있도록 시험조건을 설정하였다.
대상 데이터
- RCF시험 시 차륜과 레일에 작용하는 접촉압력은 FEM해석을 통해 도출한 900 MPa, 1,200 MPa, 1,500 MPa으로 하였다. 차륜과 레일의 접촉면에서의 접촉압력은 차륜 디스크에 시험하중을 가력하고, 차륜과 레일디스크의 접촉면적을 변경시켜 접촉응력의 최소수준이 900 MPa, 1,200 MPa, 1,500 MPa로 유지될 수 있도록 시험조건을 설정하였다.
- 5와 같다. 모든 시편은 직경이 50 mm이고, 폭이 10 mm이며, 실제 레일두부에서 시험편을 발췌하였다.
- RCF시험을 위한 차륜 및 레일 디스크 시험편의 제원은 Table 3과 같다. 시험편은 국내 고속철도에서 사용중인 레일종류(UIC60)로 하였으며, 일반 모재부 레일과 열처리레일을 대상으로 하였다. 본 연구에서 수행한 구름접촉피로시험에서는 레일의 마모 및 구름접촉피로에 가혹한 조건을 설정하기 위해 슬립비를 -1%로 시험조건을 설정하였고, 접촉압력(900, 1,200, 1,500 MPa)에 차이를 주었으며, 반복횟수 5만회 마다 표면변화를 육안과 고배율(100배율) 전자현미경을 이용하여 확인하고, 마모 중량을 미세전자저울을 이용하여 측정하였다.
이론/모형
- 차륜/레일 접촉해석 시 적용하는 유한요소해석은 접촉부위의 형상이 일정한 곡률을 가졌다고 가정하지 않고 실제 기하학적 형상을 모델링함으로써 두 물체의 접촉 거동을 모사하고, 차륜과 레일의 접촉점이 두개 이상인 경우(다중 접촉, multi point contact)를 고려할 수 있으며, 재료의 소성변형 등의 모사가 가능하다[6]. 본 연구에서는 범용유한요소해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였고, Table 1과 Fig. 1에서는 모델링 방법 및 해석조건, KTX 동력차 차륜과 UIC60레일을 모델링한 형상을 나타낸다.
성능/효과
- (a)에서 접촉압력 900MPa의 경우, 반복횟수 1.0×105회 이후부터 미세한 마모량 변화가 시작되었으며, 반복횟수 3.0×105회에서 뚜렷한 변화가 나타났다.
- (b)에서 열처리레일(HR)의 마모율 변화는 일반레일(NR) 경향과 유사하였으나, 열처리레일(HR)은 최종반복횟수 6.0×105회 까지 두 시편의 마모량 차이는 미세한 것으로 나타났다.
- 0.5×105회 부터 시험편 표면에 미세한 표면손상이 관찰되었고, 균열이 발생한 방향은 회전방향의 직각방향으로 발생하였으며, 발생된 균열들이 성장하여 서로 연결되는 형상이 발견되었다.
- 0.5×105회 이후부터 시편의 대부분에서 균열 및 표면박리 현상이 발생하였고, 접촉압력이 증가함에 따라 토크 및 마찰계수가 크게 작용하여 표면의 균열이 조각으로 떨어져 나가는 스폴링(spalling) 현상이 진전되었다.
- 1) 구름접촉피로시험 결과, 일반레일 및 열처리레일 시험편은 표면경도 차이로 인해 반복횟수가 증가할수록, 접촉압력이 높을수록 표면손상(shelling, spalling, surface flaking)이 크게 발생하고, 임계 반복횟수에 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.
- 2) 차륜과 일반 및 열처리레일의 마모율 변화경향을 분석한 결과, 차륜에 비해 레일(일반및 열처리레일) 마모진전량이 높았으며, 일반레일이 열처리레일보다 마모진전량이 약 7~15% 높은 것으로 분석되었다. 또한, 레일종류별(일반 및 열처리레일) 접촉압력에 따라 레일마모진전 경향은 반복횟수가 증가할수록 선형에서 비선형으로 변화되는 시점이 존재하였고, 레일연마를 통해 조직이 변화된 레일표면을 삭정한다면 레일마모진전을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- Fig. 8로부터 차륜에 비해 레일의 마모율이 높았으며, 접촉압력이 증가할수록 레일 마모율은 차륜에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 열처리레일(HR)의 경우에는 일반레일(NR)에 비해 접촉압력이 증가하더라도 차륜마모율과 큰 차이가 없었다.
- Fig. 9로부터 일반 모재부레일의 마모율이 열처리레일의 마모율 보다 약 7~15% 높게 분석되었으며, 접촉압력의 증가는 일반 및 열처리레일의 마모량 증가에 선형적으로 비례하는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구를 통해 접촉압력 900~1,500 MPa범위에서 레일마모율에 대한 회귀분석식을 도출함에 따라 곡선부 레일마모진전에 대한 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 내측레일에서 정적하중 85 kN에 대한 최대 접촉압력은 1,172 MPa이었고, 동적하중 138kN에 대한 최대 접촉압력은 1,483.7 MPa로 나타났다. 외측레일 상면에서는 각각 1,065.
- 2) 차륜과 일반 및 열처리레일의 마모율 변화경향을 분석한 결과, 차륜에 비해 레일(일반및 열처리레일) 마모진전량이 높았으며, 일반레일이 열처리레일보다 마모진전량이 약 7~15% 높은 것으로 분석되었다. 또한, 레일종류별(일반 및 열처리레일) 접촉압력에 따라 레일마모진전 경향은 반복횟수가 증가할수록 선형에서 비선형으로 변화되는 시점이 존재하였고, 레일연마를 통해 조직이 변화된 레일표면을 삭정한다면 레일마모진전을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 접촉압력 1,200 MPa에서 최종 반복횟수는 3.5×105회 였으며, 육안으로 관찰 시 표면에 다수의 박리(shelling)현상이 발견되었다(Fig.
- 접촉압력 1,200 MPa에서의 일반레일(NR)과 차륜 시편의 최종 반복횟수는 3.0×105회 였으며, 육안으로 관찰 시 표면에 다수의 쉘링(shelling) 현상이 발생하였다(Fig.
- 접촉압력 1,200MPa에서는 접촉압력 900MPa에서와 유사한 경향을 나타내고 있지만, 접촉압력의 증가에 따라 레일과 차륜의 마모량은 1.0×105회 이후부터 증가하였고, 접촉압력 1,500MPa의 경우에는 0.5×105회이후부터 마모량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 0×105회 까지 두 시편의 마모량 차이는 미세한 것으로 나타났다. 즉, 본 연구에서 수행한 RCF시험을 통해 접촉압력 및 반복횟수가 증가할수록 레일마모량은 증가하고, 선형적인 레일마모율 감소경향에서 급격한 레일마모율 감소경향이 발생하는 시점이 존재하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 레일표면 내부의 조직 및 경도변화로 인해 레일마모 진전율이 증가하기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 4) 따라서 본 연구를 통해 국내 고속철도(KTX) 차륜에 대한 레일마모율에 대한 예측이 가능할 수 있을 것으로 판단되며, 레일마모가 급격하게 변화되는 시점 전에 레일연마를 통해 레일표면을 삭정한다면 레일마모진전을 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, “Magic wear rate[8]”와 같이 레일연마를 통해 레일마모진전을 제어한다면 레일마모량을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 9로부터 일반 모재부레일의 마모율이 열처리레일의 마모율 보다 약 7~15% 높게 분석되었으며, 접촉압력의 증가는 일반 및 열처리레일의 마모량 증가에 선형적으로 비례하는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구를 통해 접촉압력 900~1,500 MPa범위에서 레일마모율에 대한 회귀분석식을 도출함에 따라 곡선부 레일마모진전에 대한 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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