Wear Characteristics of Wheel/Rail Material under Dry and Wet Conditions

◆ 특집 ◆ 철도차량 인터페이스부의 성능향상 기술

건식 및 수분조건에 따른 차륜/레일의 마모특성 평가

Wear Characteristics of Wheel/Rail Material under Dry and Wet Conditions

서정원^1,, 권석진¹, 전현규¹, 이동형¹ Jung Won Seo^1,, Suk Jin Kwon¹, Hyun Kyu Jun¹, and Dong Hyeong Lee¹

1 한국철도기술연구원 신교통연구본부 피로손상팀 (Fatigue and Fracture Research Team, Korea Railroad Research Institute)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-31-460-5210 Manuscript received: 2016.5.2. / Revised: 2016.6.14. / Accepted: 2016.6.20.

Rolling contact fatigue and wear on rails are inevitable in railway operations due to excessive wheel–rail contact stress. The wear is influenced by vehicle speed, contact pressure, environmental conditions, and many other factors. Speeding on a curved track causes many problems such as wear on the gauge of the rail and rolling contact fatigue. Managing environmental conditions can reduce problems on the wheel and rail interface. In this study, the wear characteristics of wheel and rail materials were investigated by twin-disc testing using various parameters. The results of the wear test indicated that the wear rate under dry conditions was larger than that under wet conditions. We found that contact fatigue damage occurred on the rail in dry conditions, however, the surface of the specimen under water remained smooth. Also, the friction coefficient in dry conditions was larger than in wet conditions.

KEYWORDS: Railway wheel (철도차량차륜), Rail (레일), Wear (마모), Twin-Disc test(마모시험기)

기호설명

P0 = Contact pressure (MPa) g = Slip ratio (%)

E = Elastic modulus (MPa) L = Contact width (mm)

Rr = Radius of rail specimen (mm) Rw = Radius of wheel specimen (mm) P = Vertical force (N)

µ = Friction coefficient

1. 서론

철도차량은 차륜과 레일의 구름접촉에 의해서 주행하므로 접촉면에서는 다양한 현상이 발생한다.

차륜과 레일의 접촉면은 미소한 점 접촉이 주로 발생함으로써, 접촉면에서는 커다란 접촉하중이 발생하고 속도에 따라서 견인력 및 제동력에 의한 하중이 추가되어서 마모 및 피로와 같은 현상이 필연적으로 발생한다. 최근 철도차량의 고속화 및 축중의 증가로 인하여 차륜과 레일의 구름접촉에 __________

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의한 접촉피로 및 마모가 증가하고 있다.^1-4 특히, 곡선반경이 작은 선로에서는 마모에 의한 레일의 유지보수비용이 증가하고 있다.

차륜/레일의 마모에 영향을 주는 요소로는 차 량과 선로조건, 차륜과 레일의 재료, 환경조건 등 다양하다. 차륜과 레일의 마찰과 마모에 대한 연 구는 다양하게 수행되어 왔다.^5-8 Deters 등⁹은 차륜 과 레일의 재료 종류에 따른 마찰계수 변화를 평 가하였고, Chen 등¹⁰은 차륜과 레일의 인터페이스 에서 수분 등이 마찰에 미치는 영향을 평가하였다.

Donzella 등^11,12 은 접촉피로와 마모의 상관관계를 해석 및 실험을 통하여 예측 모델을 제시하였다.

Wang 등^13,14 다른 종류의 차륜과 레일 소재를 이 용하여 마모특성을 평가하였다. 마모에 가장 큰 영향을 미치는 요소로는 차륜과 레일의 재질이 다.¹⁵ 그러나, 국내에서 사용되는 차륜과 레일 재질 에 대한 세부적인 마모에 대한 특성 평가가 미흡 한 실정이다.

본 논문에서는 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 차륜과 레일 소재를 이용하여 마모특성을 분 석하였다. 차륜/레일에 발생하는 마모특성을 평가 하기 위하여는 실제 차량을 이용하여 시험을 실시 하는 것이 가장 정확한 방법이나 이는 많은 비용 과 시간이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 시험 편 시험을 이용하여 차륜과 레일의 마모특성을 평 가하였다. 마모특성은 접촉면의 환경조건에 따라 서 특성이 달라지므로 수분이 없는 건조조건과 물 이 있는 수분조건에 따른 마모특성을 평가하였다.

이때의 수분조건은 비와 눈 등에 의해 자연적으로 발생하는 물을 이용하였다.

2. 실험방법

2.1 재료 및 시험편

국내에서 사용하고 있는 차륜과 레일에 대한 재질을 기존선과 고속선으로 구분할 수 있으며 화 학성분 및 기계적 성질은 Tables 1 - 3과 같다. 고속 선에서 사용하는 차륜재료는 R7이고 레일재료는 UIC60로써 유럽에서 주로 사용하는 재질이다.

Table에서와 같이 기존선에서 사용하는 차륜재료 인 RSW와 레일재료인 KS60은 고속선에 사용하는 재료와 화학성분 및 기계적 성질이 다르다. 특히 고속선에 사용되는 재료의 항복강도 및 경도가 기 존선의 재료보다 높다.

기존선의 곡선반경이 고속선보다 작으므로 차 륜과 레일의 마모에 대한 손상이 많이 발생한다.

따라서, 마모시험에 사용된 재료는 기존선에서 사 용하고 있는 재료로써, 차륜은 RSW를 레일은 KS60을 이용하였다. 시험에 사용된 차륜과 레일의 화학성분을 비교하면 탄소량은 레일 재료가 차륜 재료보다 높다. 기계적 성질의 경우에는, 레일 재 료인 KS60이 차륜재료인 RSW보다 항복강도가 높 으나 연신율은 작다. 또한, 마모에 가장 큰 영향을 미치는 경도는 레일이 차륜보다 높다. Fig. 1은 마 모시험에 사용된 시험편 형상 및 치수를 나타내고 있다. 마모시험은 차륜과 레일의 시험편을 접촉시 Table 2 Chemical composition of rail steel

Steel C Si Mn P S Al N KS 60 0.63 - 0.75 0.15 - 0.30 0.70 - 1.10 0.030 0.025

UIC 60 0.65 - 0.82 0.13 - 0.60 0.65 - 1.25 0.030 0.008 - 0.030 0.004 0.009

Table 3 Mechanical property of specimen

Steel Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Elongation (%) Hardness (HV) Remark

RSW 508 908 21 280 Wheel

R7 547 879 22 290 Wheel

KS60 706 859 15 292 Rail

UIC60 772 943 12 310 Rail

키고 하중을 부가하여 시험을 실시한다. 철도차량 은 차륜의 두부와 레일의 두부가 접촉하면서 주행 하고, 차륜의 두부에는 열처리가 실시되어 있다.

따라서, 차륜 시험편은 차륜의 두부에서 채취하였 고, 레일의 경우에도 두부에서 채취하였다. 차륜 및 레일시험편의 치수 및 형상은 동일하며, 직경 은 60 mm이고 두께는 6 mm가 되도록 하였다.

2.2 시험조건

Fig. 2는 구름접촉피로시험 (Rolling Contact Fatigue Test)을 위한 Twin-Disc 시험기의 개략도를 보여주고 있다. 시험기는 회전 속도를 조절할 수 있도록 두개의 독립적인 모터로 구성되어있고, 유 압장치를 이용하여 하중을 부가하도록 하였다. 시 험기의 하중 변화와 토크 변화를 측정하기 위하여 로드셀과 토크 센서가 각각 부착되어 있다. 시험 기는 PC를 통하여 슬립율과 하중을 제어하도록 되 어 있으며, 환경조건에 대한 시험을 위하여 챔버 가 설치되어있다. 시험중 발생되는 데이터는 PC에 저장하도록 하였다. Fig. 3은 Twin-Disc 시험기 및 시험편이 시험기에 설치된 모습이다. Fig. 3(a)와 같 이 Twin-Disc 시험기는 크게 구동장치 및 챔버를 갖춘 본체와 시험기를 제어할 수 있는 컴퓨터로 구성되어 있다. Fig. 3(b)는 시험기에 시험편이 설치 되어 있는 모습니다. 차륜시험편이 위쪽, 레일시험 편은 아래쪽에 설치되어있다. 시험기는 장시간 가 동되고, 시험편에는 수직하중 및 토크가 작용하므 로 베어링에는 윤활이 되도록 하였다.

마모시험 및 접촉피로시험은 차륜과 레일시험 편을 접촉시켜 하중을 부가하고, 슬립율 (Slip Ratio)을 조정하였다. 슬립율은 레일 시험편과 차 륜 시험편의 회전속도 차이가 발생하도록 조정하

여 목표값을 설정한다. 차륜과 레일 시험편에 발 생한 접촉압력과 슬립율은 식(1)과 식(3)을 통하여 구하였다.¹⁶

1/ 2 0 0.418 PE( )

P = ⎡⎢⎣ LR ⎤⎥⎦ (1)

1 1 1

w r

R R= +R (2)

200( )

(%) ^{r r w w}

r r w w

R N R N

g R N R N

= −

+ (3) Fig. 1 Specimen configuration for wear test

Fig. 2 Schematic diagram of the twin-disc test machine

(a) Twin-Disc test machine

(b) Wheel and rail specimen Fig. 3 Twin-Disc test machine for wear test

이므로 본 실험에서의 마모시험은 충분한 마모가 발생 할 수 있도록 최종 싸이클을 200,000로 설정 하였다. 차륜과 레일의 상대속도를 모사하기 위하 여 차륜과 레일 시험편의 회전속도를 다르게 설정 하여야 한다. 차륜과 레일의 슬립율은 접촉조건에 따라서 변화한다. 슬립율이 작을 경우에는 접촉면 에서는 스틱과 슬립이 동시에 나타나고, 스틱과 슬립의 크기에 따라서 마모에 영향을 미친다. 따 라서 스틱과 슬립의 크기 변화를 배제하기 위하여 완전 슬립조건인 슬립율을 1.0%로 고정하였다. 차 륜과 레일의 마모는 접촉응력의 크기에 영향을 미 친다. 접촉응력은 일반적인 철도차량의 차륜과 레 일의 평균적인 접촉응력 (Contact Stress)의 크기인 1100 MPa로 고정하였고, 회전속도는 시험기의 용 량에 맞추어 500 rpm으로 하였다.¹⁷ 시험편의 마모 량을 측정하기 위하여 분해능이 0.00001g 인 전자 저울을 이용하였다. 마모량은 시험전과 시험후에 측정하여 차이를 구하였다.

3. 실험결과 및 토의

3.1 수분조건 및 싸이클에 따른 마모량 차륜과 레일의 반복적인 구름접촉에 의하여 마 모현상이 달라지며, 환경조건에 의해서 바뀌게 된 다. 수분조건 및 싸이클에 따른 KS 60레일의 마모 특성을 분석하였다. 국내에서는 비와 눈 등에 의 하여 자연적으로 물이 발생한다. 수분조건으로는 물을 이용하여 마모량 변화를 평가하였다.

싸이클에 따른 마모량의 특성은 하나의 시험편 을 일정 싸이클마다 시험기를 멈추고 무게를 측정 하여 평가하였다. 시험기를 멈추고 다시 시험을 실시할 때 초기 싸이클에서의 마찰계수는 “0”에서 부터 시작하여 증가한 후 기존의 마찰계수 값을 다시 회복한다. Fig. 4는 일정 싸이클마다 시험기를 멈추고 시험을 다시 실시 할 때 마찰계수의 변화 를 보여주고 있다. 그림에서와 같이 일정 싸이클 마다 시험을 다시 실시 할 때 초기 싸이클 이후에 마찰계수가 회복되는 것을 알 수 있다. 따라서, 싸 이클에 따른 마모량 측정 시에 마찰계수가 연속성 이 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5는 수분조건에서 싸이클에 따른 마찰계수

변화를 보여주고 있다. 싸이클이 증가함에 따라서 마찰계수가 증가하고 있으며, 7만 싸이클 까지는 마찰계수가 변동이 있으나, 싸이클이 반복되면서 Fig. 4 Friction coefficient variation according to cycles

under dry condition

0 50000 100000 150000 200000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Fric tion coef ficie nt

No. of cycles

Water

Fig. 5 Friction coefficient variation for water condition

0 50000 100000 150000 200000

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150

Water Cumu

lative wea r loss (g)

No. of cycles Rail specimen Wheel specimen

Fig. 6 Wear loss of specimen according to cycles for water condition

10만 싸이클 이후에는 마찰계수가 안정화되기 시 작하며, 그 값은 0.17 이다.

Fig. 6은 싸이클에 따른 마모량 변화를 보여주

고 있다. 싸이클이 진행됨에 따라서 마모량이 선형 적으로 증가함을 볼수 있으며, 차륜 시험편의 마모 량 변화가 더 커짐을 알 수 있다. Fig. 7은 싸이클에 따른 마모율의 변화이다. 초기에는 마모율이 급격 히 증가하고 있으며 7만 싸이클 이후에 마모율이 일정하게 됨을 알 수 있다. 차륜시험편의 마모율 이 레일시험편보다 크게 발생함을 알 수 있다. 이 는 차륜시험편의 경도가 레일시험편보다 작기 때 문에 차륜 시험편의 마모가 더 크게 발생하였다.

Fig. 8은 싸이클에 따른 표면조도 변화를 보여 주고 있다. 차륜 시험편의 경우에는 싸이클이 진 행됨에 따라서 조도가 급격이 감소하여 일정한 값 을 유지하고 있으며, 레일 시험편의 경우에는 조 도변화가 초기와 거의 유사하다. 이는 차륜시험편 의 마모량이 크기 때문에 조도가 작게 변화한 것 으로 판단된다. Fig. 9는 윤활조건에서 차륜과 레일 시험편의 직경변화를 보여준다. 마모량이 작기 때 문에 직경 변화량이 미비함을 알 수 있다.

3.2 건식 및 수분조건에 따른 마모량

수분이 없는 상태인 건조조건과 수분조건에서 마모특성을 비교하였다. Fig. 10은 싸이클에 따른 두 가지 조건에서 마찰계수 변화를 보여준다. 건 조조건에서는 초기 싸이클에서는 마찰계수가 0.5 까지 커지고 있으나, 싸이클이 반복되면서 10만 싸이클 이후에는 마찰계수가 안정화 되기 시작하 며, 이때의 마찰계수 값은 0.38 이다. 수분조건에 서는 마찰계수가 0.17로써 차이가 크게 발생하고 있다. 따라서, 수분조건에서는 마찰계수가 작기 때 문에 마모량이 작게 발생할 수 있음을 알 수 있다.

0 50000 100000 150000 200000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Water

Wea r rat e(ug /cyc le)

No. of cycles

Rail specimen Wheel specimen

Fig. 7 Wear rate variation according to cycles for water condition

0 50000 100000 150000 200000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

No. of cycles

Roug hnes s(um)

Rail specimen Wheel specimen

Fig. 8 Surface roughness variation for water condition

0 50000 100000 150000 200000

-0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00

Water

Diam eter r educ tion(m m)

No. of cycles Rail specimen

Wheel specimen

Fig. 9 Diameter variation of specimen for water condition

0 50000 100000 150000 200000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Friction coefficient

No. of cycles

Dry Water

Fig. 10 Comparison of friction coefficient by dry and water condition

Fig. 11은 윤활조건에 따른 레일 시험편의 직경 감 소량을 보여주고 있다. 건조조건에서는 직경이 0.3 mm까지 변화하였으나, 윤활조건에서는 0.04 mm로 써 차이가 크게 발생한다.

Fig. 12는 건조조건과 수분조건에서의 마모량을 비교한 것이다. 두 가지 경우 모두 차륜시험편의 마모량이 레일시험편보다 크게 발생함을 알 수 있 다. 수분조건의 마모량은 건조조건보다 마모량이 크게 차이를 보이고 있다. 건조조건에서는 20만 싸이클에서 차륜의 경우가 0.8 g이고, 수분조건에 서는 0.1 g으로써 8배 이상 차이를 발생하고 있다.

Fig. 13은 두 가지 조건에서 마모율을 비교한 것이 다. 두 가지 조건에서 마모율의 차이가 크게 발생 함을 알 수 있다. 20만 싸이클에서 레일의 싸이클 마모율을 비교하면, 건조조건에서는 2.7 ug/cycle이 고, 수분조건에서는 0.3 ug/cycle로써 마모율이 9배 이상 차이를 보이고 있다.

0 50000 100000 150000 200000

0 1 2 3 4

Wea r rat e(ug

No. of cycles

Fig. 13 Comparison of wear rate by dry and water condition

3.3 표면상태 및 경도변화

Fig. 14는 건조조건에서 레일 시험편의 싸이클 에 따른 표면상태를 보여주고 있다. 2만 싸이클까 지는 표면이 마모에 의해 매끄러운 상태를 유지하 고 있으며, 6만 싸이클부터는 표면에서 작은 양의 피팅이 발생하기 시작한다. 그 이후의 싸이클에서 는 피팅이 점점 커지는 현상을 볼 수 있다. Fig. 15 는 레일에서 발생한 마모 및 표면손상을 보여주고 있다. 실제 레일의 경우에는 동력차 및 객차 등의 다양한 차종이 주행하므로 하중조건 및 슬립율이 연속적으로 변화한다. 따라서 시험편 시험에서 발 생한 표면손상에 대한 싸이클과 실제 레일의 수명 을 직접적으로 비교하기는 어렵다. 그러나, 레일에 발생한 표면손상은 시험편의 표면상태와 유사함을 알 수 있다. Fig. 16은 수분조건에서 레일시험편의 표면상태이다. 싸이클이 증가함에 따라서 표면상 태의 변화가 거의 없이 매끄러운 상태를 유지하고 있으며, 이는 건조조건과 대조적이다.

Fig. 17은 시험 후 두 가지 조건에서의 레일시 험편의 표면으로부터 경도분포를 비교한 것이다.

초기 경도는 320 HV로써 동일 하지만 시험 후 표 면에서 경도차이가 크게 발생 함을 알 수 있다.

건조조건에서는 마찰계수 값이 0.38로써 크기 때 문에 원주방향으로 소성변형이 크게 발생한다. 따 라서 표면의 경도가 크게 변화 함을 알 수 있다.

표면으로부터 깊이 800 um에서는 마찰력의 영향이 없기 때문에 초기 경도와 유사한 값을 가지고 있 지만, 표면에서는 500 HV로써 크게 증가하고 있다.

이는 마찰계수가 크기 때문에 표면에서 접촉응력 이 가장 크게 발생하기 때문이다. 수분 조건에서 는 표면에서의 경도 값은 초기 값과 유사하고 표

0 50000 100000 150000 200000

-0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20

Rail specimen Diam

eter r educ tion(m

No. of cycles

Dry Water

Fig. 11 Comparison of diameter reduction by dry and water condition

0 50000 100000 150000 200000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

Wheel (Dry) Rail (Dry) Wheel (Water) Rail (Water)

No. of cycles

Cumu lative wea r loss (g)

Fig. 12 Comparison of wear loss by dry and water condition

(a) 20,000 cycles

(b) 100,000 cycles

(c) 200,000 cycles

Fig. 14 Rail specimen surface for dry condition

Fig. 15 Wear and surface damage for rail

(a) 20,000 cycles

(b) 100,000 cycles

(c) 200,000 cycles

Fig. 16 Rail specimen surface for water condition

300 350 400 450 500 550

800 600 400 200 0

Depth from surfa ce(um )

Micro Hardness(HV)

Dry Water

Fig. 17 Micro hardness variation by dry and water condition

4. 결론

국내에서 사용하고 있는 차륜과 레일 소재에 대한 환경조건과 싸이클에 따른 마모 특성을 평가 하였으며 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 수분조건에서의 마찰계수는 싸이클이 증가 함에 따라서 증가였으며 10만 싸이클 이후에 안정 화 되어 0.17을 나타내었다.

(2)건조조건에서의 마찰계수는 초기에는 0.5이 었으나 10만 싸이클 이후에 안정화 되면서 0.38을 나타내었다.

(3)수분조건과 건조조건에서 마모량은 두 가지 경우 모두 차륜시험편이 레일시험편의 마모량보다 크게 발생하였다. 20만싸이클에서의 마모량은 건조 조건이 윤활조건보다 약 8배 크게 발생하였다.

(4)건조조건에서는 레일 시험편 표면에서 손상 이 발생하였고, 수분조건에서는 표면이 매끄러운 상태를 유지하였다.

(5)건조조건에서는 마찰계수가 크기 때문에 표 면경도가 500 HV까지 증가하였고 수분조건에서는 표면보다 깊이 200 um에서 최대 경도가 발생하였 다.

후 기

본 연구는 한국철도기술연구원의 주요사업으로 지원되어 수행되었습니다.

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