Analysis for Optimal Rail Grinding Amount by Rolling Contact Fatigue Test in High Speed Railway

(1)

† 교신저자, 서울과학기술대학교 철도전문대학원 E-mail : [email protected] * 대원대학 철도건설과 ** 서울과학기술대학교 철도전문대학원 *** 한국철도기술연구원

구름접촉피로시험을 통한 고속철도 레일연마량 분석

Analysis for Optimal Rail Grinding Amount by Rolling Contact Fatigue

Test in High Speed Railway

장기성† 성덕룡* 박용걸** 최진유*** 이동형****

Ki-Sung Chang Deok-Yong Sung Yong-Gul Park Jin-Yu Choi Dong-Hyung Lee

ABSTRACT

The rail surface defects which are generated on repeated rolling contact fatigue are getting increased according to high speed, high density, and minimum weight. In addition, Increasing noise and vibration are affected by these also impact load generated as well. Because of this phenomenon, more serious and critical damages were occurred. In fact, in order to control them, the rail grinding were conducted. However, there are not enough researches to make an criteria of generating optimal rail grinding amount in Korea. This study evaluated how depth of hardening on rail surface is formed and suggested optimal rail grinding amount by RCF(rolling contact fatigue) test with generated contact pressure between KTX wheel and UIC60 rail by applying FEM analysis. Therefore, the amount was generated approximately 0.2mm/20MGT to maintain integrity of rail surface by getting rid of depth of hardening on rail according to rail accumulated passing tonnage. 1. 서론 일반적으로 구름접촉피로 및 마모는 레일과 차륜의 반복적인 접촉에 의해 발생되는 현상으로 차량의 고속화에 대비하기 위해 지속적인 연구가 진행되고 있다. 철도 차량의 고속화는 전 세계적인 추세이며, 300km/h이상의 속도로 주행 가능한 차량이 계속적으로 개발되고 있고 국내에서는 최고속도 430km/h의 차세대 고속열차를 개발중에 있다. 하지만 차량의 고속화에 따른 접촉압력의 증가는 레일표면의 구름접 촉피로손상의 발생빈도를 높게 하고, 이러한 레일의 손상은 승차감, 소음, 주행 안정성과 밀접한 연관이 있어 매우 중요하게 다루어 지는 요소이다. 이에 따라, 레일손상을 예방하고 제어하기 위해 국내외에서 는 레일 탐상차 및 종합검측차 운행과 레일연마기준 및 교체기준을 마련하여 운영하고 있다. 특히, 국외 철도선진국의 경우 경제성, 유지보수효율성 등을 고려하여 주기적인 레일연마를 시행하고 있으며, 자체 운영환경을 고려한 레일연마기준을 수립하여 적용하고 있다. 국내의 경우에는 도시철도 및 고속철도를 중심으로 국외 적용된 기준들을 그대로 준용하여 사용하고 있어 과학적인 근거 수립이 필요한 실정이 다. 본 연구에서는 실제 KTX차륜과 UIC60레일의 동일한 크기와 물성치로 ABAQUS를 이용하여 모델링 한 후, 정적윤중과 300km/h에 대한 동적윤중에 대하여 차륜의 위치별 접촉압력을 산정하였으며, 산정된 접촉압력을 구름접촉피로시험(RCF, Rolling Contact Fatigue Test)에 적용시켜 구름접촉피로 손상을 파 악하고 적정 연마량을 산정하였다.

2. 수치해석

(2)

철도선로는 레일을 사용하여 중량의 차륜하중을 극히 작은 접촉면적으로 지지하기 때문에 타 교통수 단에 비해 전동저항이 낮은 것이 장점이다. 그러나 이 작은 접촉면적에서 1,000kN/mm2_{이상의 높은 응} 력이 발생함에 따라 차륜과 레일의 소성변형을 일으킬 수 있다. 레일 균열은 가속 및 감속에 의해 발생 하는 접선력(Slip)과 수직력(adhesion)의 변화로 인하여 주로 발생하며 차륜과 레일의 구름접촉에 의해 변형이 확장되어 진행된다. 그림 1. 구름접촉피로에 의한 레일손상 메커니즘 2.2 차륜/레일 접촉위치에 따른 레일표면 접촉압력 산정 2.2.1 FEM 해석 차륜-레일 접촉시 발생하는 접촉압력의 해석방법으로 Hertz이론이 사용되고 있지만, Hertz이론은 차 륜 및 레일의 변형을 고려 할 수 없을 뿐만 아니라 레일 게이지 코너에서의 접촉해석에 적용하기 힘들 다. 즉, 레일의 게이지 코너 접촉영역에서 차륜과 레일의 프로파일 곡률 변화가 상당히 크고, 접촉 영역 의 크기가 게이지 코너 영역에 비하여 작지 않기 때문에 반 무한체 가정은 유효하지 않다. 반면, 유한요 소해석은 접촉부위의 형상이 일정한 곡률을 가졌다고 가정하지 않고 실제 기하학적 형상을 모델링함으 로써 더 정확하게 두 물체의 접촉 거동을 모사와 다중 접촉(multi point contact)을 고려할 수 있으며 재료의 소성변형 등의 모사가 가능하다[1]. 표 1과 그림 2에서는 모델링 방법 및 해석조건, KTX차륜과 UIC60레일 모델을 제시하고 있다. 구분 Input Data 비고 해석모델 KTX 차륜, UIC60레일 차륜구배: 1/40 레일구배: 1/20 사용요소 6 및 8절점 블록요소, 9 및 12절점 원통형 블록요소 폭 및 길이방향 최소요소 크기 : 1~2mm 탄성계수 210GPa 차륜, 레일 하중조건 KTX윤중 85kN, 동적윤즁 138kN* 수직하중 표 1. 유한 요소해석 모델링 방법 및 해석조건 *Zimmermann식[2]을 이용하여 KTX 30km/h에 대한 동적윤중 값 산정.

(3)

그림2. 차륜-레일 해석모델 또한, 직선부 주행 시 발생하는 사행동으로 인해 차륜과 레일의 접촉점이 변화됨에 따라, 차륜의 가동 범위는 차륜의 내측간의 거리 1,355mm와 궤간 1,435mm 차륜 플랜지 폭 71mm를 기준으로 레일중앙 으로부터 좌우로 최대 9mm까지의 접촉범위가 산정되었다. 또한 차륜-레일접촉위치에 따른 해석조건을 그림 3 과같이 산정하여 차륜-레일 접촉위치를 Case1~5까지로 나타내었다. 그림 3. 차륜-레일접촉위치에 따른 해석조건 2.2.2 접촉압력 해석결과 차륜과 레일이 중앙에서 접촉할 때 85kN일에 대한 최대 접촉압력은 1,174.4MPa, 138kN에 대한 최 대 접촉압력은 1,485.7MPa로 나타났으며, 내측으로 4.5mm 이동 시 1,176.9 MPa와 1,486.9MPa로 가 장 크게 나타났다. 그림 4는 위치별 접촉압력 그래프를 나타내고 있다. 차륜이 중앙에서 내 외측으로 이 동할 때 차륜은 접촉위치가 변화하지만, 레일은 거의 일정한 위치에서 접촉이 발생하였다[3]. 또한, 차 륜이 중앙에서 외측으로 9mm 이동하였을 때(Case5)에서 2점 접촉이 발생(차륜의 플랜지와 레일의 측 면 접촉)하였다. -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 1172M Pa 1172M P a longitu d ial lateral A xis [m m ] Co n tact Pres su re [Mp a ] (a) Case 1 (85kN 재하시) 해석결과

(4)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 longitudial 1483.7 M P a 1483.4M P a lateral A xis [m m ] Contac t Pr es sur e [M pa] (b) Case 1 (138kN 재하시) 해석결과 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 1176.9M P a 1176.9M P a

lon gitu d ial lateral A x is [m m ] C o nt ac t P re ssur e [Mpa] (C) Case 2 (85kN 재하시) 해석결과 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 longitud ial 1486.9M Pa 1486.7M P a lateral A xis [m m ] Cont a ct Pr ess u re [Mp a ] (d) Case 2 (138kN 재하시) 해석결과 -15 -10 -5 0 5 10 1 5 20 0 300 600 900 1200 1500 1174.4 M P a longitu d ial lateral A xis [m m ] Co n ta ct Pres su re [Mp a ] (e) Case 3 (85kN 재하시) 해석결과 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 longitudial 1485.7M P a 1485.5 M P a lateral A xis [m m ] Co n tact Pres su re [Mp a ] (f) Case 3 (138kN 재하시) 해석결과

(5)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 1160.9M P a 1170.3M P a longitud ial latera l A xis [m m ] C o n ta ct Pressu re [M p a ] (g) Case 4 (85kN 재하시) 해석결과 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 longitudial 1479.6M P a 1479.5M P a lateral A xis [m m ] Contact P r essure [Mpa] (h) Case 4 (138kN 재하시) 해석결과 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 lo ngitud ial lateral 1065.4 M Pa 845.7 M P a A xis [m m ] C o ntac t P re ssu re [ M pa] (i) Case 5 (85kN 재하시) 해석결과 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 300 600 900 1200 1500 longitud ial 1409.5M Pa lateral 1404.7M Pa 1073.9M P a A xis [m m ] C ontact Pre ss u re [Mp a] (j) Case 5 (138kN 재하시) 해석결과 그림 4. 차륜-레일 접촉압력 해석 결과 3. 차륜-레일 구름접촉피로시험

RCF(Rolling Contact Fatigue)시험을 위한 차륜 및 레일 디스크 시편의 제원은 표 2와 같다. 대상 시 편은 국내 고속철도에서 사용중인 레일의 종류와 같으며, 일반 모재부레일과 열처리레일은 KR60을 대 상으로 하였다. 열처리레일의 경우 KR60 모재부 레일에 열처리를 하여 일반적인 열처리레일과 동일한 특성을 가지도록 제작하였으며, 시험조건으로 레일의 마모 및 구름접촉피로에 가혹한 조건을 설정하기 위해 슬립비를 -1%로 시험조건을 설정하였으며, 균열 및 손상은 진동신호를 측정하여 진동신호가 어느

(6)

수준이상이면 시험이 정지하도록 제어하고, 반복횟수 5만회 마다 시험기를 정지시켜 광학현미경으로 표 면상태 관찰[4]및 일정 반복횟수에 도달한 시편에 대한 마이크로 비커스 경도시험을 실시하였다. 그림 5. 차륜-레일접촉위치에 따른 시험조건 일반모재부 레일 열처리레일 차륜 종류 60K 60K SSW-Q1R 기호 KR HR W 경도(HV) 250~270(평균260) 350~400(평균360) 350 표 2. 레일 및 차륜 디스크 제원 3.1 레일표면 상태 검토 구름접촉피로시험 후 일반 모재부레일, 열처리레일 시편에 대하여 레일에 적용한 접촉압력(900, 1,200, 1,500MPa)에 따라 각 시편의 표면상태 변화 및 손상 발생특성을 고배율(100배율) 광학현미경 을 이용하여 관찰하였다. 3.1.1 일반 모재부 레일(KR) 및 열처리레일(HR)의 접촉압력별 표면상태 구름접촉피로 시험 후 동일한 반복횟수 3.0×105에서의 각기 다른 접촉압력 900, 1200, 1500MPa으 로 일반레일과 열처리 레일의 표면상태를 검토한 결과, 두 시편의 표면에 구름방향의 직각방향으로 변 형경화에 따른 Shelling(가공경화층)[5]현상과 기존 모재재질의 경계부가 분리되어 떨어져 나가는 두부 면 박리(surface flaking) 및 스폴링 (spalling)현상이 발생하였다. 또한 동일한 접촉압력에서 열처리 레 일의 표면 상태가 일반레일의 표면상태보다 미세하게 안정되어 있는 것으로 나타났으며, 이는 열처리 레일의 경도가 일반레일의 경도보다 크기 때문이라고 판단되었다.

900MPa 1200MPa 1500MPa

일반레일

열처리 레일

(7)

3.2 레일표면 경도변화

구름접촉피로시험 후 일반 모재부레일, 열처리레일 시편에 대하여 차륜과 레일에 발생한 접촉압력 (900MPa, 1,200MPa, 1,500MPa)에 따라 각 시편의 깊이별 표면 경도변화 관찰을 위해 마이크로 비커 스 경도시험을 수행하였다. 또한, 마이크로 비커스 경도시험은 레일의 최적연마량을 결정하는데 매우 중 요한 시험방법(KS B 0811)으로 사용되고 있으며, 시험하중은 HV 0.5(1.961N)으로 산정하였다. 3.2.1 레일종별 표면으로부터 깊이에 따른 경도변화 구름접촉피로시험 후 접촉압력에 따른 표면경도변화 수준을 평가하고, 반복횟수에 따른 레일의 경화 진전량을 확인하기 위하여 마이크로 비커스 경도 시험을 실시하였다. 그림 7은 접촉압력 및 반복횟수에 따른 경도 변화를 레일종별 표면으로 부터 심부깊이로 산정하여 3회씩 측정한 경도값에 대한 평균을 나 타내었다.

900MPa 1200MPa 1500MPa

일반 레일 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 KR-900MPa (3.0X105_cycle) Ha rd n ess (H V )

Depth from surface(µm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 KR-1200MPa (3.0X105 cycle) H a rdness( H V )

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 KR-1500MPa (3.0X105 cycle) H a rdne ss (HV )

열처리 레일 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 HR-900MPa (3.0X105_cycle) H a rdness (H V )

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 HR-1200MPa (3.0X105 cycle) Hard n ess(HV)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 HR-1500MPa (3.0X105 cycle) Har d n e ss (H V )

그림 7. 레일 표면으로 부터의 깊이별 경도측정 결과(일반레일 및 열처리 레일) 일반 모재부레일의 경우, 반복횟수 및 접촉압력의 증가에 따라 가공 경화층의 깊이가 증가하는 것으 로 나타났으며, 접촉표면의 경도는 심부경도 대비 최대 약 1.6배 증가하는 것으로 분석되었다. 열처리레 일의 경우에도 접촉압력의 증가에 따라 가공 경화층의 깊이가 증가하는 것으로 나타났으며, 일반 모재 부레일보다 초기 경도값이 컸다. 또한, 시편 모두 접촉면으로부터 약 200㎛ (약 0.2mm)이상에서 심부 경도값과 비슷한 수준으로 나타났다. 4.1 레일심부대비 경도변화 분석 일반 모재부레일과 열처리레일에 대한 표면경도변화를 분석하기 위해서 레일표면 깊이별 심부 대비 경도값으로 변환하였으며, 레일연마기준치를 심부대비 95%이하, 110%이상으로 정하여[6], 기준치에 따른 삭정량을 그림 8에 나타내었다.

(8)

900MPa 1200MPa 1500MPa 일반 레일 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 90 100 110 120 130 140 150 0.5X105 cycle 1.0X105 cycle 1.5X105 cycle 2.0X105 cycle 3.0X105 cycle 4.5X105_cycle 128µm 117µm 100µm 80µm 35µm 25µm Vi ck ers Hard n ess rat io to d eep p a rt (% )

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 90 100 110 120 130 140 150 0.5X105 cycle 1.0X105 cycle 1.5X105 cycle 2.0X105 cycle 3.0X105 cycle 148µm 130µm 102µm 70µm 40µm Vi ck er s Ha rd n ess r a ti o to d e ep p a rt (% )

Depth from surface(µm) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

90 100 110 120 130 140 150 165µm 0.5X105 cycle 1.0X105 cycle 1.5X105 cycle 2.5X105 cycle 3.0X105 cycle 126µm 167µm 90µm 66µm Vicker s Har d ne ss r atio to dee p part(%)

열처리 레일 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 90 100 110 120 130 140 150 0.5X105 cycle 1.0X105 cycle 1.5X105_cycle 2.0X105 cycle 3.0X105 cycle 4.5X105 cycle 52µm 41µm 25µm 22µm 15µm V icker s H a r d nes s ra tio to dee p pa r t(%)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 90 100 110 120 130 140 150 0.5X105_cycle 1.0X105 cycle 1.5X105 cycle 2.0X105 cycle 3.0X105 cycle 65µm 60µm 40µm 32µm 15µm Vi ck ers Hard n ess rat io to d eep p a rt (% )

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 90 100 110 120 130 140 150 0.5X105_cycle 1.0X105_cycle 1.5X105_cycle 2.5X105 cycle 3.0X105 cycle 87µm 85µm 55µm 40µm 26µm Vi ck ers H a rd n es s rat io t o d eep p a rt (% )

그림 8. 반복횟수 및 접촉압력에 따른 일반 모재부 레일(KR)과 열처리 레일(HR)의 심부대비 경도 분석 4.2 레일의 심부대비 경도변화 회귀분석 실제 누적통과톤수에 따른 레일연마량을 산정하기 위해 레일종별 접촉압력에 따른 연마량에 대한 회 귀분석을 수행하였으며, 그 결과는 표 3, 그림 9와 같다. 표 3에는 그림 9의 회귀분석식을 통해 국내 고속철도 1년간 통과톤수인 약 2천만톤(반복수1,176,470회)에 해당하는 연마량을 예측하였다. 일반 모 재부레일의 경우 약 0.2mm이상/2천만톤, 열처리레일의 경우 약 0.15mm이상/2천만톤을 연마할 경우 차 륜과 레일의 구름접촉에 의해 발생하는 레일표면의 경화층을 삭정할 수 있는 것으로 분석되었다. 0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 0 50 100 150 200 Y=-80.88*exp(-x/303072.20)+70.20, R2 =0.976 Y=-168.50*exp(-x/158140.53)+140.88, R2=0.928 KR-900MPa HR-900MPa Am ou nt of rail g rindi ng(u m ) Number of cycles 5.0x104 1.0x105 1.5x105 2.0x105 2.5x105 3.0x105 0 50 100 150 200 Y=-196.46*exp(-x/168740.46)+183.74, R2 =0.979 Y=-90.66*exp(-x/166441.94)+81.58, R2 =0.931 KR-1200MPa HR-1200MPa A m o unt o f ra il grin din g (um ) Number of cycles 5.0x104 1.0x105 1.5x105 2.0x105 2.5x105 3.0x105 0 50 100 150 200 Y=-194.03*exp(-x/195962.97)+213.45, R2=0.971 Y=-148.58*exp(-x/355647.86)+153.84, R2=0.975 KR-1500MPa HR-1500MPa Amount of r ai l gr indi ng(um) Number of cycles

(a) 접촉압력 900MPa (b) 접촉압력 1200MPa (c) 접촉압력 1500MPa

(9)

접촉압력

구 분 900MPa 1200MPa 1500MPa

일반 모재부 레일 (KR) 4.5×105회 0.128mm - -3.0×105회 0.117mm 0.148mm 0.167mm 2.5×105회 - - 0.165mm 2.0×105회 0.100mm 0.130mm -1.5×105회 0.080mm 0.102mm 0.126mm 1.0×105회 0.035mm 0.070mm 0.090mm 0.5×105회 0.025mm 0.040mm 0.066mm 삭정량 (약 2천만톤= 1,176,470회) 0.141mm 0.184mm 0.212mm 열처리 레일 (HR) 4.5×105회 0.052mm - -3.0×105회 0.041mm 0.065mm 0.087mm 2.5×105회 - - 0.085mm 2.0×105회 0.025mm 0.060mm -1.5×105회 0.022mm 0.040mm 0.055mm 1.0×105회 0.015mm 0.032mm 0.040mm 0.5×105회 0.000mm 0.015mm 0.026mm 삭정량 (약 2천만톤= 1,176,470회) 0.068mm 0.082mm 0.148mm 표 3. 레일종별 접촉압력에 따른 레일연마량 분석 5. 결론 본 연구에서는 고속철도에서 발생하는 접촉압력을 실제 KTX차륜과 UIC60레일의 동일한 크기와 물성 치로 ABAQUS를 이용하여 모델링 한 후, 정적윤중과 300km/h에 대한 동적윤중에 대하여 차륜의 위치 별 접촉압력을 산정하고, 산정된 접촉압력을 구름접촉피로시험(RCF, Rolling Contact Fatigue Test)에 적용시켜 구름접촉피로 손상을 파악하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 고속철도 KTX 차륜과 UIC60레일의 접촉위치별 접촉압력의 변화를 확인한 결과, KTX정적윤중 85kN 일때 최대접촉압력은 약 1200MPa, KTX 300km/h에 대한 동적윤중 138kN일때, 약1500Mpa인 것으로 분석되었다. 구름접촉피로시험(RCF)를 통해 일반 모재부 레일과 열처리 레일의 표면상태와 균열발생여부 검토 결 과, 접촉압력 및 반복횟수의 증가에 따라 레일표면에서 소성변형 현상이 발생하였으며, 열처리 레일에 비해 표면 경도가 낮은 일반 모재부 레일에서 소성변형 현상이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 구름접촉피로시험(RCF)를 통해 일반 모재부 레일과 열처리 레일의 접촉압력에 따른 경도변화를 분석 한 결과, 접촉압력 및 반복횟수의 증가는 레일의 표면경도를 증가시키고, 심부대비 경도 분석결과 일반 모재부 레일에 비해 열처리 레일이 접촉압력 및 반복횟수의 증가에 따라 표면경도 변화가 작은 것으로 분석되었다. 고속철도 일반 모재부 레일과 열처리 레일의 연마를 1년 주기로 1회 실시할 경우, 일반 모재부 레일 의 적정 연마량은 0.2mm/2천만톤, 열처리 레일의 적정 연마량은 0.15mm/2천만톤이며, 일반 모재부 레 일과 열처리 레일이 함께 적용된 고속철도에서 효율적인 레일관리를 위해서는 0.2mm이상/2천만톤 으로 시행하는 것이 적절한 것으로 판단되었다.

(10)

감사의글 본 연구는 한국건설교통기술평가원의 “차세대고속철도(HEMU)기술개발사업”에 의해 수행되었으며, 관 련자분들에게 감사드립니다. 참고문헌 1. 최하영, 이동형, 유원희, 이종수, “차륜 및 차축의 변형을 고려한 차륜-레일 접촉해석”, 한국정밀공학 회지 Vol.27 No.8, 2010

2. Dr. Bernhaed Lichtberger, "Track Compendium", Eurail press, 2005.

3. 성기득, 양원호, 조명래, 허성필, 정기현, “철도차량용 휠과 레일의 접촉특성 연구”, 대한기계학회 추 계학술대회논문집, pp.268-273, 1988

4. M. Ishida. "Experimental study on the effect of preventive grinding on RCF defects of Shinkansen rails", IHHA’99 STS-conference, pp.511~516, 1999.

5. Stone D H & Moyar G J, "Wheel shelling and spalling 2nd interpretive review, in Rail Transportation", ASME, pp.19-31, 1989

6. 김만철 외 1인, “레일유지관리 효율화를 위한 경부고속선 레일연마기준(안)”, 한국철도학회 논문집, Vol.11 No.3, 2008