◆ 특집 ◆ 레일 방식 철도차량의 고속화 기술
전자기센서를 이용한 고속철도용 차륜재의 구름접촉피로 손상 모니터링
Damage Monitoring of Rolling Contact Fatigue in Wheel Specimen for High Speed Train Using Electro-Magnetic Sensor
권석진1,, 황지성1, 서정원1, 이진이2 Seok Jin Kwon1,, Ji Sung Hwang1, Jung Won Seo1, and Jin Yi Lee2
1 한국철도기술연구원 고속철도연구본부 (High-speed Railroad Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute) 2 조선대학교 IT-NDT 연구센타 (Chonsun University, IT-NDT Research Center)
Corresponding author: [email protected], Tel: 031-460-5249 Manuscript received: 2012.3.7 / Accepted: 2009.4.27
Upon investigation of the damaged wheels for high speed train it was determined that the damage was caused by rolling contact fatigue during operation of train. The major problems that railway vehicle system using wheel-rail has to face during operation of railway vehicle are rolling contact fatigue, cracks in wheels, cracks in rails and wheel-rail profile wear. If these deficiencies are not controlled at early stages the huge economical problems due to unexpected maintenance cost in railway vehicle can be happened. Also, If the accurate knowledge of contact conditions between wheel and rail can be evaluated, the damage of wheel can be prevented and the maintenance operation can save money. This paper presents the applicability of electro-magnetic technique to the detection and sizing of defects in wheel. Under the condition of continuous rolling contact fatigue the damage of wheel has continuously monitored using the applied sensor.
It was shown that the usefulness of the applied sensor was verified by twin disc test and the measured damaged sizes showed good agreement with the damaged sizes estimated by electro- magnetic technique.
Key Words: High Speed Train (고속철도), Rolling Contact Fatigue (구름접촉피로), Railway Monitoring (철도 모니터링), Electro-Magnetic Camera (전자기 카메라)
1. 서론
레일방식의 철도차량의 고속화가 빠르게 이루 어지면서 차륜과 레일의 경계영역에서 기본적이고 복잡한 문제인 피로와 마모의 평가 문제가 대두되 고 있다. 철도차량의 고속화와 고밀도로 인하여 차량의 운용조건이 점점 더 가혹해지면서 차륜과 레일은 각종 환경과 복잡한 하중 하에서 운용되고
있기 때문에 발생되고 있는 구름접촉피로(rolling contact fatigue, RCF) 손상에 대한 정량적인 예측과 안전성 평가기술이 필요하다. 차륜은 철도차량 주 행장치의 핵심부품으로서 이에 대한 손상은 차량 의 운영, 승객감소, 보수비용 등에 지대한 영향을 미친다. 차륜-레일 시스템에 대한 손상발생시의 발 생원인 및 대책, 유지보수기술에 대한 종합적인 기술력을 보유해야 한다.
이에 따라 구름접촉피로 손상에 대한 적절하고 적정한 유지보수가 이루어지지 않거나 예측 평가 기술이 뒷받침되어 주지 못한다면 차량 탈선과 같 은 대형사고 이어질 수 있다.
구름접촉피로는 많은 변수에 의해 영향을 받지 만 크게 기계적인 요소(Mechanical), 금속학적인 요 소(Metallurgical), 윤활적인 요소(Lubrication) 3 가지 로 분류할 수 있으며 기계적인 요소로서 하중효과, 휠 및 레일 단면형상 등이 있다. 금속학적인 요소 로서는 황 혹은 산소게재물의 영향 등을 들 수 있 으며 윤활적인 요소로서 윤활에 따른 마모 및 접 촉피로 변화 등을 들 수 있다.1-3 접촉피로손상에 대하여는 시험편 접촉시험기를 이용하여 손상원인 규명 및 여러 가지 조건이 피로수명에 미치는 영 향을 평가하고 있다. 차륜 표면에서는 높은 수직 하중과 전단하중이 작용하며 접촉력은 레일 선로, 국부적인 접촉압력에 의하여 변화한다. 이러한 접 촉은 통상적으로 구름접촉이지만 경계영역에서 국 부적으로 작은 미끄럼에 의하여 발생한다.4-8 그 미 끄럼의 크기는 접촉형상(contact patch geometry), 수 직하중, 횡압과 마찰계수에 따라 영향을 미친다.
각종 영향인자와 많은 환경조건하에서의 차륜-레 일 방식의 구름접촉피로손상 특성을 지속적으로 모니터링하고 평가할 수 있는 연구가 진행된다면 상기에서 언급하였던 유지보수 비용절감 및 철도 차량의 주행 안전성에 보다 중요한 자료를 제공할 수 있으리라 사려된다.
본 연구에서는 twin disc 시험기를 이용하여 고 속철도용 차륜재과 레일재의 구름접촉시 손상발생 의 전후에 걸쳐 전주기의 피로와 마모에 대한 특 성을 비접촉 전자기 센서를 부착하여 그 센서의 적용가능성과 구름접촉 피로손상을 받는 차륜을 모니터링하는 방법에 대하여 연구하였다.
2. 전자기카메라
전자기카메라는 강자성체와 상자성체 재료에 내제된 결함의 자기장 변화를 정량적으로 검사하 고 평가할 수 있는 전자기적인 성질을 이용한 비 파괴 검사 기술 중 하나이다. 직류와 교류 등 다 양한 형태의 입력전류를 금속이나 유도체에 부여 하면 피대상체의 결함 주변에서 자기장의 흐트러 짐이 발생한다. 이러한 전자기장의 흐트러짐을 비 접촉식으로 취득하여 해석함으로써 결함의 검출하
거나 평가할 수 있다.9
전자기카메라는 검사대상체, 자원, 1 혹은 2 차 원 배열된 자기센서, 3 차원 형상의 자기렌즈, 아날 로그-디지털 변환기, 인터페이스, 컴퓨터로 구성된 다. 대상물이 강자성체인지 또는 상자성체인지에 따라, 전자석, 유도전류, 헬름홀츠코일 또는 지자 기를 자원으로 활용할 수 있고, 결함이 존재하는 대상체에 자기장을 인가하면 결함 주변에서 누설 자속이 발생하고 자기렌즈에 의해 집속되며, 배열 된 전자기센서에 의하여 전기신호로 변환된다. 또 한 누설자장 분포는 실시간으로 가시화되고, 해석 을 위한 정량적인 데이터를 제공하기 위하여 기록 된다.10
Fig. 1 Non contact sensor for RCF tester
Fig. 2 Electro-magnetic sensor
Fig. 1과 Fig. 2 는 본 연구에서 사용한 자원과 전자기센서의 개요도이다. 자원은 말굽형태의 실 리콘강판 코어에 1300 회의 코일이 감겨있으며(이 하, 전자석), 전자석 자극선단 사이에서는 선형 자화가 형성된다. 전자기센서는 32 개의 홀센서를 웨이퍼 상에서 0.52mm 간격으로 배열하였다. 전 자기센서를 이용하면 보다 고공간 분해능의 자기 영상을 센서간 lift-off 의 차이가 없이 취득할 수 있다. 전자기센서 S 의 배열방향을 y 축, 차륜의 회전 방향을 x 축, 시험편 표면의 수직방향을 z 축이라 할 때, 전자기센서의 배면에 전자석을 설
치하면, 자극 선단에서 x 방향으로 자속이 발생한 다. 이때, xy-평면상의 강자성체 시험편이 전자석 에 접근하면 시험편 표면에 자속이 집속된다. 시 험편에 결함이 존재한다면, 결함의 존재에 의하 여 누설자속이 발생하며, 결함의 길이방향이 자 화방향(x 방향)과 수직일 때 누설자속은 최대가 된다. 기존의 연구에 의하면, 스캔형 자기카메라 에서 ∂VH/∂x 분포는 결함 탐상과 평가의 결정적 인 수단이 된다. ∂VH/∂x 분포는 다음 식에 의하여 구할 수 있다.9
(1)
(2)
3. 시험방법 및 절차 3.1 측정방법
차륜-레일의 경계영역에서 발생하는 피로/마모 손상의 발생 및 진전 특성을 모니터링하기 위하여 twin disc 를 이용한 소형 시험기에 전자기 센서를 부착하여 시험을 실시하였다.
Fig. 3 은 신호처리의 개요도를 나타낸다. 전자 기센서의 출력 전압(VH)은 독립적인 32 개의 차동 증폭회로와 연결되어 각각 증폭된다. 전자기센서 와 1:1 대응할 수 있도록 하여 S/N 비를 높이고, 증폭된 자기장의 신호는 아날로그-디지털 변환기 (이하, ADC)에 의해 16bit 의 분해능의 디지털 신호 로 변환되어 컴퓨터로 전송된다. 수식(1)에 의해 디지털 신호는 ∂VH/∂x 처리되고, 결함의 존재를 나 타내는 ∂VH/∂x 지정 값보다 클 경우 결함 지시 신 호를 즉시 출력하거나 모니터를 통해 디스플레이 된다. 수식(2)에 의해 ∂VH/∂x|tatal 값은 결함의 정량 평가에 사용 된다.
본 연구에서는 INA126 상용 증폭기를 사용하 여 입력되는 결함신호를 60dB 로 증폭한다. ADC 는 National Instruments의 PCI-6259 를 사용하여 1MS/s 의 속도로 AD 변환을 수행하였다. ADC 의 분해능, 입력신호전압, 정밀도는 각각 16bit, ±10V, 1920uV 이다.
Fig. 3 Signal processing of sensor 3.2 시험기와 시험편
Fig. 4 는 실험에 사용된 구름접촉 시험편의 채 취 위치와 형상 및 크기를 나타낸다. 시험편은 고 속 차륜의 림 부분과 고속용 레일의 두부에서 환 봉 형태로 채취하였다. 시험편은 내경 25mm, 외경 50mm 폭 10mm 로 연마 가공하여 제작되며, 차륜 과 레일 시험편은 동일한 크기이다. 시험시 차륜 시험편과 레일 시험편의 접촉면의 형태를 동일하 게 하여 선접촉이 일어나도록 하였다.
Fig. 4 Size and geometry of specimens
Fig. 5는 구름접촉 피로시험장치의 개요도이다.
시험편의 회전방향을 x 방향, 시험기의 회전축 방 향을 y 방향, x-y 평면에 수직한 방향을 z 방향이라 할 때, x 축을 따라 이동 가능한 차륜 시험편과 x 축에 고정된 레일 시험편을 접촉시켜 시험을 수행 하였다. 고속철도차륜 접촉압력에 해당하는 하중 을 환산하여 500kgf 의 하중을 x 방향으로 가하면서 레일 시험편과 구름접촉이 되는 조건을 선정하였 다. 두 시험편은 시험편의 반경과 슬립율을 0.5%
로 유지하며 500rpm 으로 회전한다. 전자기센서는 회전하는 차륜 시험편의 상부에서 lift-off 가 0.5mm 이다. 전자기 센서와 전자석에는 정전류 160mA 와 250mA 를 각각 입력한다. 차동증폭 회로와 ADC(PCI-6259)의 증폭율과 변환속도는 각각 60dB, 1MS/s 이다. 실험은 무윤활 상태로 상온·대기 중에 서 공기를 연속적으로 시험편과 레일 사이에 직접
분사하여 마모입자를 제거하며 수행하였다. 구름 접촉 시험은 최종 회전수를 1.2×106 번으로 하고 1×105번 마다 구름 접촉면에 대해 자기카메라 영 상을 얻도록 하였다. 시험기는 적용하중, 토크, 슬 립율, 회전수 등의 데이터를 연속적으로 컴퓨터에 10sec 마다 저장한다.
Fig. 5 Twin disc tester for RCF test 4. 시험결과 및 고찰
4.1 건조 조건하 구름접촉피로 모니터링 Fig. 6 은 건조(dry) 상태에서 슬립율이 0.5%일 때 실험이 진행됨에 따른 차륜 표면의 확대 사진 을 나타낸다.
Fig. 6 Rolling contact test of wheel under dry
Fig. 6(a)는 1×105번까지 시험한 시험편 표면의 영상을 나타낸다. 시험편의 표면 전체에서 길이가 0.33mm 정도인 균열이 발생하였고, 일부 부분에서
최대 0.42mm 의 균열을 발견할 수 있었다. 발생된 균열은 대부분 차륜 시험편의 회전 방향에 수직한 방향으로 발생하였다.
Fig. 6(b)는 3×105번 시험한 시험편 표면으로 대 부분에서 길이가 0.2mm 이하인 균열이 발생하였으 며, Fig. 6(c)는 5×105번까지 시험했을 때 시험편 표 면의 대부분에서 길이가 0.12mm 이하인 균열이 발 생하였다. 발생된 균열들은 크기가 고르고 넓게 발생하였으며, 그 크기가 점점 작아지고 있음을 알 수 있었다.
Fig. 6(d)는 7×105번까지 시험한 결과이다. 발생 된 균열이 더 이상 성장하지 못하고 마모에 의해 사라지는 현상을 관찰할 수 있었다. Fig. 6(e)는 1×106번까지 시험한 결과로써 시험편 전체 부분에 서 다시 미세한 균열이 발생하였다. 결함의 길이 는 0.1mm 정도였으며, 발생되었던 균열은 계속 성 장하여 그 길이가 0.25mm 까지 되는 것을 1.2×106 번까지 시험한 결과인 Fig. 6(f)에서 확인할 수 있 었다.
시험초기에는 높은 부하 하중에 의해 비교적 큰 결함이 발생하지만, 차륜과 레일 시험편의 슬 립율이 0.5% 으로써 실제로는 최고 슬립이 일어나 는 조건이기 때문에 두 시험편에 작용하는 마찰 계수 또한 크게 되어 많은 마모가 발생하게 된다.
그러므로 성장하는 균열의 크기보다 마모에 의해 서 상쇄되는 균열이 크거나 같기 때문에 더 이상 균열은 성장하지 않고 있음을 알 수 있다. 시험 횟수가 8×105번으로 늘어남에 따라 시험편의 표면 이 매끄러워지며 마모량은 줄어들고 다시 결함이 생겨남을 알 수 있었다.
그러나 일정 길이까지 균열이 성장한 후에는 마모에 의해서 더 이상 균열이 성장하지 않기 때 문에 접촉표면이 떨어져 나가는 쉘링(shelling)이 발생하지 않았다. 이는 마찰계수가 크기에 따라 마모의 영향을 받기때문이다. 따라서 균열의 성장 하는 깊이와 표면에서 마모가 되는 깊이가 계속적 으로 균형을 이루고 무윤활 조건이기 때문에 균열 이 계속적으로 진전하지 않는다.
Table 1과 Fig. 7 은 구름접촉시험 중 발생한 결 함 크기와 자기카메라의 검출에 의한 영상이미지 에서 결함 크기를 비교한 것이다. Fig. 7 에서 볼 수 있듯이 일부에서 결함 오차를 가지고 있지만 실제 결함크기와 계측된 결함크기가 일치하고 있음을 알 수 있다.
0 4 8 12 0
2 4
6 real length estimate length
Crack length(mm)
Crack no,
Fig. 7 Comparisons of defect size
Table 1 Comparisons between real and estimation defect size
Crack No.
Real size (length, width)
Estimation Size
(length, width)
Volume (∂VH/∂x|tatal)
① 2.08, 3.01 2.8, 2.6 0.5765
② 3.12, 2.75 3.4, 2.6 1.5355
③ 0.78, 0.51 0.5, 1.0 0.0908
④ 1.04, 1.89 2.5, 1.2 0.3751
⑤ 3.64, 5.35 2.9, 5.1 1.6971
⑥ 1.04, 0.57 1.1, 0.4 0.1437
⑦ 1.56, 1.24 1.8, 0.6 0.3915
⑧ 4.16, 6.31 4.5, 5.7 2.3237
⑨ 0.52, 1.04 1.4, 0.7 0.0789
⑩ ※ 1.1, 0.7 ※
⑪ 3.12, 3.17 3.1, 3 2.3441
Fig. 8은 균열이 포함된 차륜 시험편의 실제 사 진과 500rpm 에서의 자기영상을 각각 나타낸다. 자 기영상의 점선 부분은 차륜 시험편의 위치를 나타 낸다. ∂VH/∆t 는 시간에 대한 미분치이다. 선형적 회전 속도에서 ∆t 는 선형적이므로 ∆x 로 치환하여 사용된다. 수식 (1)에 의해 일정값 이상의 ∂VH/∂x 값을 통해 검사자가 설정해 놓은 지시값 이상일 때 유용한 데이터를 제공할 것으로 판단된다. 또 한 수식 (2)를 이용한 추정된 결함의 길이 평가와 체적 평가값을 Table 1 에 나타낸다. 500rpm 속도에 서도 결함을 탐지할 수 있으며, 균열 ③은 균열
⑥과 함께 가장 작은 결함이며, 길이가 1mm, 폭은 0.4mm 이하 이다. 또한 균열 ⑤과 ⑧번은 차륜의
회전방향에 대하여 수직한 형태의 정방형 결함이 연속적으로 떨어져 나간 형태를 나타낸다. 이로 인하여 자기카메라의 자화시 균열 내부에서 자기 장의 상쇄로 인하여 누설 자기장의 분포가 교번하 고 있음을 알 수 있다.
Fig. 8 Damage monitoring by electro-magnetic sensor 차륜 시험편의 선단부분에서 균열이 성장하여 표면이 떨어져 나가는 초기 쉘링 현상인 ①, ②,
④, ⑪균열도 탐상할 수 있었다. 또한 실제로 육안 으로는 확인할 수 없는 시험편 표면의 자기장 변 화(⑦과 ⑧사이부분, ⑧과 ⑪사이 부분)들도 확인 할 수 있었다. 이것은 제안된 자기카메라 기술이 결함이 발생하기 이전의 단계에서 손상거동을 파 악할 수 있는 수단을 제공할 수 있다는 것을 보여 주고 있으며 자기카메라에 의하여 1mm 이상의 구 름접촉 피로손상 결함을 충분히 검지할 수 있음을 보여준다.
균열이 육안으로 관찰되기 이전 단계에서부터, 균열이 발생하고 성장하며, 마모로 인하여 생성되 었던 균열이 소멸되거나 탈락하는 과정 등의 경년 열화 등을 탐지할 수 있음을 보인 연구 결과로써, 향후 실험 조건의 개선에 의하여 피로균열과 경년 열화에 대한 연구도 수행할 수 있음을 보여준다.
4.2 결함존재시 구름접촉피로 모니터링 자기카메라에 의한 차륜-레일 소형시편의 마모
상태 모니터링을 위하여 회전속도 500 rpm, 접촉하 중 500 kgf, -0.5%의 slip 율로 dry 시험조건에서 마 모 모니터링시험을 실시하였다. 시편 표면에 Table 2와 같은 인공결함을 삽입하여 총 100 만 cycle 시 험을 실시하면서 cycle 당 차륜-레일 시편의 마모상 태를 모니터링하였다.
Table 2 Artificial defect sizes Specimen
No. Defect type Defect size(mm) Length Width Depth
① 3 2 1
② 3 1 1
③ 3 0.6 1
④ 2 (diameter) 1
Fig. 9는 시험 cycle 에 따라 자기카메라를 이용 하여 마모진행 사항을 시험한 결과를 나타낸 것이 다. 초기 상태부터 100 만 cycle 에 이르기까지 인 공결함 삽입에 대한 마모진전 상태를 보여주고 있 다. 초기에 시편에 존재하였던 결함이 cycle 점점 증가함에 따라 축소되고 마모되면서 없어지는 현 상을 볼 수 있다.
Table 3 은 100 만 cycle 시험 후의 마모시험 결 과이다. 차륜시편보다 레일시편의 마모량이 적게 나타남을 알 수 있다. 일반적으로 발생한 표면결 함은 차륜-레일의 구름접촉피로에 의하여 결함이 진전되지만 인공결함을 삽입한 마모 모니터링 시 험에서는 결함이 진전되지 않고 cycle 에 따라 결 함의 크기가 감소되면서 마모되어 없어지는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상에는 접촉압력과 경계영역에서의 마찰계수가 크게 좌우된다. 결함 이 발생하여 진전하게 하는 일정량의 구동력이 필 요하게 되는 데 본 실험에서는 마모 모니터링에 연구 초점이 맞추어져 있어 필요한 구동력으로 실 험조건을 가미하지 않았다. 또한, 결함진전 요소에 서 결함의 형상도 중요한 요소이다. 본 연구에서 의 인공결함은 표면에 방전가공으로 삽입한 것으 로 전체 결함 형상(volume)은 사각형 형태로서 실 제 반타원형의 결함이라 볼 수 없다.
Fig. 9에서 볼 수 있는 바와 같이 전자기카메라 에 의하여 차륜-레일 경계영역에서의 피로손상 모 니터링을 cycle 에 따라 실시할 수 있으며 이러한 결과는 향후 레일방식의 철도차량에 있어 피로손 상과 마모 영향인자 또는 메커니즘 규명에 있어 유용한 시험 장치로서 활용될 수 있다.
Fig. 9 Damage monitoring with defects Table 3 Wear rate of wheel and rail specimens
Wheel Rail Dia.(mm) Weight(g) Dia.(mm) Weight(g) Before 49.99 112.690 49.99 112.685
After 49.76 111.567 49.98 112.564
5. 결론
본 연구에서는 구름접촉피로에 의한 차륜-레일 경계영역에서 발생하는 결함을 진전까지 전주기를 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하여 평가하였 다. 평가시스템에 사용된 센서는 웨이퍼상에 선형 으로 배열된 고공간 분해능의 전자기센서와 말굽 형태의 소형 전자석을 이용한 자기카메라를 적용 하였다. 실제 고속철도 차륜과 레일에서 시험편을 채취하고, 소형 구름접촉시험기에서 고속철도 차 륜에 부여되는 하중과 비슷한 실험환경을 설정하 여 구름접촉 부위의 자기적인 특성 변화를 측정하 였다. 자기카메라를 이용하여 피로 결함의 발생, 진전을 탐지한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 500rpm의 속도에서 폭 0.5mm, 길이 1mm 이 상의 정방형 결함을 탐상하고, 지시할 수 있었다.
또한, 결함의 형태를 판별할 수 있고, 크기도 추정 할 수 있었다.
(2) 본 연구 평가시스템으로 차륜-레일 경계영 역에서의 피로 손상을 발생부터 진전까지 계속적 으로 모니터링 할 수 있는 가능성을 확인하였기 때문에 향후 피로의 손상메커니즘 및 결함발생 패 턴을 상세히 분석할 수 있고 고속화에 대비한 차 륜-레일의 설계와 유지보수 자료로서 활용될 수 있다.
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