Infrared thermography using high-speed infrared camera has been recognized as a powerful method for various potential applications, such as nondestructive inspection, failure analysis, stress analysis, and medical fields, due to non-contact, high-speed, and high spatial resolution at various tempera...
Infrared thermography using high-speed infrared camera has been recognized as a powerful method for various potential applications, such as nondestructive inspection, failure analysis, stress analysis, and medical fields, due to non-contact, high-speed, and high spatial resolution at various temperature ranges. In this investigation, damage evolution due to generation of hot spots on railway brake disc was investigated using the infrared thermography method. A high-speed infrared camera was used to measure the surface temperature of brake disc as well as for in-situ monitoring of hot spot evolution. From the thermographic images, the observed hot spots and thermal damage of railway brake disc during braking operation were qualitatively analyzed. Moreover, in this investigation, the previous experimental and theoretical studies on hot spots phenomenon were reviewed, and the current experimental results were introduced and compared with theoretical prediction.
Infrared thermography using high-speed infrared camera has been recognized as a powerful method for various potential applications, such as nondestructive inspection, failure analysis, stress analysis, and medical fields, due to non-contact, high-speed, and high spatial resolution at various temperature ranges. In this investigation, damage evolution due to generation of hot spots on railway brake disc was investigated using the infrared thermography method. A high-speed infrared camera was used to measure the surface temperature of brake disc as well as for in-situ monitoring of hot spot evolution. From the thermographic images, the observed hot spots and thermal damage of railway brake disc during braking operation were qualitatively analyzed. Moreover, in this investigation, the previous experimental and theoretical studies on hot spots phenomenon were reviewed, and the current experimental results were introduced and compared with theoretical prediction.
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문제 정의
본 논문에서는 적외선 카메라를 이용하여 제동디스크에 형성되는 열크랙 현상을 관찰하여 분석하고자 하였다. 또한, 적외선 열화상 기술을 통하여 제동디스크에서 발생하는 열크랙 현상에 대한 분석 결과를 제공하였다.
철도차량 제동디스크에서의 핫스팟 현상의 열화상적 분석에 관한 본 연구에서는 다음의 결론이 도출되었다. 적외선 열화상 기법은 초고속 열화상 카메라가 고속이며, 철도제동디스크의 표면을 비접촉 스캔할 수 있다는 장점으로 철도 제동디스크의 온도 모니터링 및 핫스팟 관찰 연구 분석에 매우 효율적으로 적용될 수 있음이 소개되었다.
제안 방법
본 논문에서는 적외선 카메라를 이용하여 제동디스크에 형성되는 열크랙 현상을 관찰하여 분석하고자 하였다. 또한, 적외선 열화상 기술을 통하여 제동디스크에서 발생하는 열크랙 현상에 대한 분석 결과를 제공하였다.
제동 디스크의 핫스팟 분석은 고속이 아닌 일반 적외선 열화상 카메라 (100 Hz 이하)로는 분석이 적합치 않아 초고속 적외선 카메라 (최고 380 Hz)를 이용하여 수행되었고, 제동 동작동안 제동 디스크 표면의 불균질 온도 분포를 모니터링하였다.
제동 시험은 실물크기(직경 860 mm) 제동시험기에서 수행되었는데, 제동 디스크로는 현재 새마을호 및 무궁화에서 상용되고 있는 회주철 디스크가 사용되었다. 제동시험기의 앞부분에 초고속 적외선 열화상 카메라가 장착되어, 제동 디스크 표면의 온도측정과 핫스팟 생성 및 진전을 모니터링하였다.
015℃일 정도로 매우 민감한 카메라이다. 적외선 카메라의 캘리브레이션은 다이나모미터 실험 전에 이루어졌는데, 제동디스크를 어느 온도까지 가열하였다가 공냉을 시키면서 미리 부착된 열전쌍이 제동디스크 표면의 온도를 실측하고 적외선카메라가 읽은 보정된 강도값(Intensity)과 비교하여 이들간의 관계식을 도출 시킨 후 캘리브레션이 이루어졌다.
그림 3의 두 이미지는 동일한 이미지이나 그림 3(b)는 참고 인덱스를 표기하여 나타내었다. 제동 동작은 150 km/h에서 이루어졌으며, 적외선 열화상 이미지는 온도 상승을 분석하기 위해 얻어졌다. 그림 3(a)에서 얻어진 제동디스크 표면의 열화상 이미지를 대상으로 그림 3(b)에서는 관심의 대상이 되는 5부분에 대하여 분석을 위해 표시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 이용된 제동디스크는 현재 새마을호 및 무궁화호 열차에서 이용되고 있는 객차용 제동 디스크로서 12공 분할형으로, 재질은 펄라이트(Pearlite) 기지조직에 흑연이 균일하게 분포된 회주철(Gray Cast Iron)로 구성되어 있다.
제동 시험은 실물크기(직경 860 mm) 제동시험기에서 수행되었는데, 제동 디스크로는 현재 새마을호 및 무궁화에서 상용되고 있는 회주철 디스크가 사용되었다. 제동시험기의 앞부분에 초고속 적외선 열화상 카메라가 장착되어, 제동 디스크 표면의 온도측정과 핫스팟 생성 및 진전을 모니터링하였다.
성능/효과
본 시험에 이용된 적외선 카메라는 최고속도가 380 Hz, 즉 1초에 380 프레임의 이미지 관찰이 가능하며, 픽셀 사이즈는 320 × 256까지 나타낼 수 있으며, 공간 해상력은 약 5.4 µm이며, 온도 감도는 상온에서 0.015℃일 정도로 매우 민감한 카메라이다.
뿐만아니라, 제동 동작동안 경과시간의 함수로 나타낸 온도 상승은 디스크상의 작은 온도 변화에도 매우 민감하게 나타나고 있다. 비록 본 논문의 결과는 핫스팟의 정량적 분석을 제공하는데 있어 예비적인 시험결과를 나타내고 있지만 철도분야 제동디스크에서의 핫스팟 현상의 연구에 대해 열화상 기법이 강력한 실험적 도구가 될 수 있음을 보여주기에 충분한 결과로 볼 수 있다.
후속연구
자동차 디스크 관련한 이전의 연구결과와 현재의 철도분야 제동디스크 핫스팟 연구동향도 간단히 소개되었으며, 제동디스크의 제동동작 동안의 핫스팟 관찰과 온도상승이 설명되었고, 철도 분야 제동디스크에서의 핫스팟 현상의 연구를 위해 적외선 열화상 기술이 필수적인 기술임이 소개되었다. 이번에 얻어진 기초실험결과를 토대로 향후 철도제동 디스크 핫스팟 연구가 활발히 전개될 수 있을 것이다.
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