[논문]레일 피로수명 예측에 따른 레일 연마의 효용성 평가

김만철

레일 피로수명 예측에 따른 레일 연마의 효용성 평가
Evaluation on Effectiveness of Rail Grinding by Prediction of Rail Fatigue Life 원문보기

김만철 (한국철도기술연구원, 궤도토목연구본부 궤도구조연구팀)

The importance of maintenance of rail surface defects is increasing according to the KTX operation. That is because during high speed operation of rolling stocks, rail surface defects shorten fatigue life of rail, accelerate track degradation and deteriorate ride comfort. Rail grinding has been applied for effective rail maintenance in Kyeong-Bu HS line. This paper evaluates the effectiveness of rail grinding in term of rail fatigue life. To this end, the stresses of the ground rail are measured under KTX running and the equivalent stress range is calculated by RMC after the frequency analysis done with Rainflow counting method. Also, Pamglen-Miner rule is applied to predict the fatigue life of ground rail. The result of the analysis shows that the fatigue life of ground rail is increased by 15%.

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문제 정의

표 4에 나타낸 허용피로응력범위는 레일 모재에 대한 것인데, 피로가 모재부 보다는 용접부에서 문제가 되는 현상임을 고려하면 표 4의 허용피로응력범위를 이용하여 피로수명을 평가하는 경우에 피로수명이 과대평가되는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 UIC260급 레일과 물리적 성질이 유사한 50N급 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N선도(Makoto ISHIDA)를 이용하여 레일 용접부의 피로수명을 평가하였다(그림 7). 이러한 가정에 의한 평가는 다소 안전측의 결과를 나타내므로 공학적인 측면에서 무리가 없다고 판단된다.
본 논문에서는 경부고속선에 대해서 피로수명 측면에서 레일 연마의 효용성을 검토하였다. 50N급 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N선도에 레일 연마 전․후에 측정된 레일 저부응력을 이용하여 피로수명을 예측한 결과 9억톤에서 10억톤으로 약 15% 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 경부고속선에 있어서 레일 연마의 효용성을 평가하기 위하여 연마 전․후 측정된 저부응력을 통한 레일의 피로수명을 예측하였다.

제안 방법

50N급 레일의 S-N선도, 레일 저부의 실측 등가응력범위 및 광명～대전구간의 일평균 교통량을 앞서 언급한 피로수명 평가방법에 적용하여 레일 용접부의 피로수명을 산출하였으며, 그 결과는 다음 표 5와 같다. 표 5에 의하면 레일 답면의 연마에 의해 약 15%의 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다.
레일 연마의 효용성을 평가하기 위하여 경부고속선 KP 86.108km(T1)를 측정개소로 하여 레일 요철과 저부응력을 측정하였다. 레일 요철은 우측 레일에 대해 측정지점을 중심으로 전․후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Techoline을 사용하여 측정하였다.
레일 저부응력은 레일 연마 전․후에 각각 KTX 주행시 측정하였다. 그림 2는 레일 저부응력의 측정 예를 보여주고 있으며, 그림 3은 각각의 저부응력 측정결과에서 최대값을 나타낸 것이다.

대상 데이터

108km(T1)를 측정개소로 하여 레일 요철과 저부응력을 측정하였다. 레일 요철은 우측 레일에 대해 측정지점을 중심으로 전․후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Techoline을 사용하여 측정하였다. 측정된 레일 요철은 EN13231-3 Part3(2003)에서 제시하고 있는 각 파장대역별(10～30mm, 30～100mm, 100～300mm, 300～1,000mm)로 이동평균실효치를 이용하여 정량화 하였다(그림 1).
본 논문에서 대상으로 하고 있는 경부고속철도 선로의 레일은 UIC260(900A)급으로서 이에 대한 허용피로응력범위는 그림 6의 Smith diagram에 의해 표 4와 같이 주어진다. 표 4에 나타낸 허용피로응력범위는 레일 모재에 대한 것인데, 피로가 모재부 보다는 용접부에서 문제가 되는 현상임을 고려하면 표 4의 허용피로응력범위를 이용하여 피로수명을 평가하는 경우에 피로수명이 과대평가되는 문제가 있다.
본 해석에서 적용한 응력범위의 분할폭은 최대응력 대비 1/100～1/120에 해당하는 Δf = 5 MPa을 적용하였다.
레일 요철은 우측 레일에 대해 측정지점을 중심으로 전․후 각각 150m씩, 총 300m 구간에 대해서 TecnoGamma사의 Techoline을 사용하여 측정하였다. 측정된 레일 요철은 EN13231-3 Part3(2003)에서 제시하고 있는 각 파장대역별(10～30mm, 30～100mm, 100～300mm, 300～1,000mm)로 이동평균실효치를 이용하여 정량화 하였다(그림 1). 각 파장대역 λ_i와 λ_i+1에 대한 이동평균실효치는 다음 식과 같이 파장대역에 해당하는 윈도우 길이 L에 대한 단면형상의 PSD(Power Spectral Density)인 S(x,L,λ)를 이용하여 구할 수 있다.

이론/모형

선형누적피로피해를 이용한 피로수명 평가방법은 Pamglen-Miner 법칙에 기초하며, 다음과 같은 가정에 근거한다.
열차 통과시 레일 저부에서 발생하는 응력범위를 산정하기 위하여 경부고속철도 KP 86.108km(T1)에서 레일 연마 전․후 현장계측을 통해 얻어진 레일 저부응력 시간이력곡선(그림 2)에 대해 Rainflow counting method를 적용하여 빈도해석을 실시하고 RMC(Root mean cube)법에 의해 등가응력범위를 계산하였다. 레일 저부응력 시간이력곡선에 대한 빈도해석결과 및 등가응력범위는 그림 8과 같다.
응력범위빈도분포의 계산은 가장 보편직인 Rainflow Counting Method를 이용하였다. 이 방법은 계속해서 나타나는 4개의 변동응력치 f₁, f₂, f₃, f₄가 f₁ ≧ f₃ ≧ f₂ ≧ f₄ 또는 f₁ ≦ f₃ ≦ f₂ ≦ f₄ 라고 하는 조건을 만족하는 경우에 |f₂-f₃|을 응력범위로서 계산하는 것이다.

성능/효과

본 논문에서는 경부고속선에 대해서 피로수명 측면에서 레일 연마의 효용성을 검토하였다. 50N급 레일의 용접부에 대한 피로실험을 통해 얻어진 S-N선도에 레일 연마 전․후에 측정된 레일 저부응력을 이용하여 피로수명을 예측한 결과 9억톤에서 10억톤으로 약 15% 피로수명이 연장되는 것으로 나타났다. 이는 현재 JR West(일본)에서 레일 연마 전의 피로수명 8억톤을 연마 후 10억톤으로 연장한 것과 유사하게 나타났다.
레일 연마 전․후에 요철이 이동평균실효치 구간 평균으로 하였을 경우 10～1,000mm 파장에 대해서 약 6.12μm 감소하는 것으로 분석되었다.
표 3은 레일 연마 전․후에 측정된 전체 레일 저부응력 최대값의 평균값을 비교한 것이다. 레일 연마에 따라 레일 저부응력은 2.94MPa로 약 5%정도 감소하는 것으로 분석되었다.

후속연구

위에서 검토한 경부고속선에서의 피로수명 검토 결과는 매우 지엽적인 것이므로, 정확한 레일 연마에 따른 피로수명 산정을 위해서는 다양한 궤도상태 및 용접부에서 계측된 결과와 UIC60 레일 용접부에 대한 S-N 선도를 기초로 좀 더 심도 깊은 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 레일 피로에 따른 갱환주기는 궤도 상태에 따른 레일의 충격량과 밀접한 관련이 있으므로 분석된 결과를 기초로 하여 현장에서 발생되는 레일 파단 등의 데이터를 고려하여 수정․보완되어야 할 것이다.
위에서 검토한 경부고속선에서의 피로수명 검토 결과는 매우 지엽적인 것이므로, 정확한 레일 연마에 따른 피로수명 산정을 위해서는 다양한 궤도상태 및 용접부에서 계측된 결과와 UIC60 레일 용접부에 대한 S-N 선도를 기초로 좀 더 심도 깊은 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 레일 피로에 따른 갱환주기는 궤도 상태에 따른 레일의 충격량과 밀접한 관련이 있으므로 분석된 결과를 기초로 하여 현장에서 발생되는 레일 파단 등의 데이터를 고려하여 수정․보완되어야 할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

레일 연마가 활용되는 이유는 무엇인가?

이러한 현상은 차량이 고속화 되면서 더욱더 크게 증가하게 된다. 최근에는 레일 수명을 연장하고 소음 및 유지보수 비용을 절감하기 위하여 레일 연마가 적극 활용되고 있다.

선형누적피로피해를 이용한 피로수명 평가방법은 어떠한 가정에 근거하는가?

․ 임의의 응력수준에서의 피로손상의 진행은 그 응력만에 의해 일의적으로 결정되며, 선형으로 누적된다. ․ 각 응력수준에 있어서 피로손상의 총합이 일정 값에 도달하면 피로파괴된다.

각종 레일 결함은 어떠한 문제를 일으키는가?

레일 답면의 요철 즉 각종 레일 결함은 차량 주행시 큰 충격을 유발하고, 이로 인하여 레일의 내구성 감소, 궤도의 열화 촉진, 승차감 저하 및 소음을 증가시킨다. 이러한 현상은 차량이 고속화 되면서 더욱더 크게 증가하게 된다.

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