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표제지

요약

목차

Ⅰ. 서론 11

1. 연구의 배경 및 목적 11

2. 관련 연구 현황 12

3. 연구 범위 및 방법 13

4. 논문의 구성 14

Ⅱ. 차륜, 레일 및 Tribology 15

1. 차륜 / 레일 인터페이스 15

1.1. 차륜과 레일 간의 점착력 15

2. Wheel-Rail 마모 16

2.1. Wheel Rail 접촉 메카니즘 16

2.2. Shakedown 16

2.3. 크리프 (Creepage) 18

3. Rail 및 Wheel 마모 형태 19

3.1. 마모의 특성 19

3.2. 마모의 종류 20

3.3. Rail 결함의 종류 21

3.4. 휠결함 28

4. 휠 마모 32

4.1. 구름접촉 피로(RCF : Rolling Contact Fatigue) 32

4.2. 찰상(Wheel Flat) 36

4.3. 차륜, 레일 및 Tribology 39

4.4. 레일 및 휠의 마모분류 42

Ⅲ. 휠-레일 마모 메커니즘 43

1. Wheel / Rail Interface 43

1.1. 개요 43

1.2. 사행동 43

1.3. 차륜과 레일 간 비선형 접촉 기하학 46

2. 휠과 레일의 접촉면 49

2.1. Contact Area A(휠 및 레일 중앙) 49

2.2. Contact Area B(트랙 내부모서리와 휠 플랜지 원호 부분 간의의 접촉) 50

3. 선로 특성에 따른 마모 52

3.1. 직선 마모 52

3.2. 곡선부에서의 마모 53

4. 마모 메커니즘 53

4.1. 긁힘 마모(Abrasive wear) 53

4.2. 점착 마모 54

4.3. 박리 마모 56

4.4. 플레팅 마모 56

4.5. 표면 피로 마모 57

4.6. 충격 마모 58

5. 휠 및 레일 마모에 관련된 파라미터 59

5.1. 마찰 계수의 영향 59

5.2. 점착 계수의 영향 59

6. 철도차량 차륜 마모 및 결함 관련 시험 연구 필요성 60

6.1.1. 차륜 제작 60

6.1.2. 차륜 마모 및 결함 영향 62

6.2. 차륜 마모 및 결함 시험 64

Ⅳ. 차륜 답면 찰상발생시험장치 시험 방법 및 결과 74

1. 시험 개요 74

2. 상사 법칙 76

2.1. 상사 법칙 정의 76

2.2. 기하학적 상사 76

2.3. 운동학적 상사 77

2.4. 역학적 상사 77

3. 시험장치의 구성 78

3.1. 구동축 기기 78

3.2. 종동축 기기 79

3.3. Power Unit (유압 유니트) 79

3.4. 차륜답면 찰상 시험기 사양 80

4. 시험기기 운영 프로그램 구성 80

4.1. 찰상 답면부 측정기기인 적외선 열화상 카메라 81

4.2. 찰상 답면부 측정기기인 디지털 광학현미경 82

5. 시험 장치구성 설계도면 83

5.1. 시험장치 구성 설계도 83

5.2. 시험 장치구성 전체도(G.A) 84

5.3. 시험장치 구성 주요 부품도 85

5.4. 시험기 구성 3D-설계도면 88

6. 시험방법 89

6.1. 시험 수순(Flow Chart) 89

6.2. 시험편 형상 90

6.3. 시험편(차륜/레일)의 물리 / 화학적 성분 91

6.4. 찰상 시험기 운용 및 시험조건 99

7. 시험결과 102

7.1. 시험기에 따른 활주선도 경향 102

7.2. 시험 답면의 표면 거칠기 경향 104

7.3. 찰상 시험답면의 온도변화의 관계 107

7.4. 시험기의 활주거동에 따른 활주선도 종합 110

Ⅴ. 결론 113

참고문헌 115

Abstract 120

표목차

Table 2.1. Friction Classes and Parameters 39

Table 2.2. Wear Classification for Wheels and Rail 42

Table 3.1. International Standard Contrast Table 61

Table 3.2. Wheel Turning Standard 64

Table 3.3. General Test Parameters 69

Table 4.1. Wheel tread surface scratch tester specifications 80

Table 4.2. U-Specimen Physical / Chemical Composition 91

Table 4.3. K-Specimen physical / chemical composition 92

Table 4.4. Chemical composition of test piece rail 92

Table 4.5. Mechanical properties of the specimen rail 92

Table 4.6. Wheel tread surface test condition table 100

Table 4.7. K-U Specimen sliding behavior data 103

Table 4.8. Test Piece DataLight microscope texture 105

Table 4.9. Temperature distribution of the Flat part of the test piece 109

Table 4.10. Comprehensive data of the test result of the test piece face part 110

그림목차

Fig 1.1. Wheel surface structure and characteristics 11

Fig 2.1. Rail Wheel Interaction 15

Fig 2.2. Rail Wheel Interaction 16

Fig 2.3. Shakedown Diagram 17

Fig 2.4. 차륜 답면의 점착과 미끄럼영역 19

Fig 2.5. 접촉면내의 미끄럼과 크리프힘 19

Fig 2.6. System Deterioration 22

Fig 2.7. Plastic Deformation 22

Fig 2.8. Rail Adhesive wear 23

Fig 2.9. Rail Wear 23

Fig 2.10. Rail Corrugation 24

Fig 2.11. Rail Corrugation 24

Fig 2.12. Head check/ Periodic Cracks 25

Fig 2.13. Shelling 26

Fig 2.14. Flaking과 Spalling 26

Fig 2.15. Squats Shelling 27

Fig 2.16. Squat Type Defects / Studs 27

Fig 2.17. Wheel Burn 28

Fig 2.18. Worn and unworn wheels with unworn rail 29

Fig 2.19. Polygonized Wheels 29

Fig 2.20. Wheel Spalling 30

Fig 2.21. Shelling From Martensite 31

Fig 2.22. Fish Scale Cracks 31

Fig 2.23. Wheel Flat Wheels 32

Fig 2.24. Wheel Hump 34

Fig 2.25. Crack Propagation Modes 35

Fig 2.26. Identifying and interpreting railway wheel defects 36

Fig 2.27. Wheel Flat 37

Fig 2.28. Friction and Wear Types 40

Fig 2.29. Mechanisms of Wears(Adhesive, Abrasive, Fatigue) 41

Fig 3.1. Axle hunting 45

Fig 3.2. Contact Points between Wheel and Rail 47

Fig 3.3. Contact point between wheel inclination angle 48

Fig 3.4. Profiles of Saemaeul, KS60, UIC 60, and KTX wheels 48

Fig 3.5. Contact Surface between Wheel and Rail 50

Fig 3.6. Single Contact Point 51

Fig 3.7. Two points Contact 51

Fig 3.8. Conformal Contact 52

Fig 3.9. scratch wear mechanism[plowing(A),cutting(B),crack(C), fatigue(D) 54

Fig 3.10. Figure Simulated blocks with fractal rough surfaces, exhibiting static frictional interactions 55

Fig 3.11. Formation and propagation of cracks in the surface fatigue mechanism 58

Fig 3.12. Wheel / Rail Collision due to Wheel Flat 62

Fig 3.13. Vibration Acceleration due to Wheel Flat 63

Fig 3.14. Roller Test Machine 66

Fig 3.15. Wear-specific Friction Work under Varying Pressure Conditions 67

Fig 3.16. The relationship Between Traction coefficient and Creep 67

Fig 3.17. Full Scale Wheel-Rail Tester 68

Fig 3.18. Rain Simulator 69

Fig 3.19. Lost Area Calculation 70

Fig 3.20. Pin & Disc Tester 70

Fig 3.21. COF & Lubricated & Load 71

Fig 3.22. Changes in microstructure due to lubrication 71

Fig 3.23. Wheel and Rail Roller Tester 72

Fig 3.24. Wear rate & Materials & Slip ratio 73

Fig 3.25. Wear rate and Slip ratio 73

Fig 4.1. Mechanical relationship between wheel and rail 75

Fig 4.2. Diagram of Wheel Tread Surface Scratch Tester 79

Fig 4.3. Runway diagram generation program of wheel tread surface test piece 81

Fig 4.4. Infrared thermal imaging camera 82

Fig 4.5. Digital light microscope 83

Fig 4.6. List of test equipment component parts 84

Fig 4.7. Design diagram of test equipment configuration (component composition) 84

Fig 4.8. Overall view of test equipment (G.A) 85

Fig 4.9. Load cell component diagram that detects bonding force 86

Fig 4.10. RPM & Torque sensor parts diagram 86

Fig 4.11. Torque Sliding Braket(trigonometry) 87

Fig 4.12. Rial-Housing Part Drawing 87

Fig 4.13. Scratch tester 3D solid figure 88

Fig 4.14. 3D Diagram of the rolling contact part 88

Fig 4.15. Test Flow chart 89

Fig 4.16. Wheel test piece shape 90

Fig 4.17. Rail test piece shape 91

Fig 4.18. Flat Tester Structure and Measuring Equipment 93

Fig 4.19. Detailed drawing of test piece composition 94

Fig 4.20. Composition of the test equipment Test part photo 95

Fig 4.21. Photo of Driving part of test equipment 95

Fig 4.22. Photo of the follower part of the test device configuration 96

Fig 4.23. Test Device Picture of Flat part 96

Fig 4.24. Photo of the inspection part of the test device 97

Fig 4.25. Configuration of test device Power Unit 97

Fig 4.26. Flat Test equipment control part 98

Fig 4.27. Test equipment Pc-Control part 98

Fig 4.28. Test device control circuit part 99

Fig 4.29. Test piece photo 1 101

Fig 4.30. Test piece photo 2 101

Fig 4.31. "K" wheel runway 102

Fig 4.32. "U" wheel runway 102

Fig 4.33. "K-Test piece" Light microscopic organization of the tread 104

Fig 4.34. "U-test piece" Light microscopic organization of the tread 104

Fig 4.35. "K-Test Piece" Ra-illuminance 105

Fig 4.36. "K-Test Piece" Ra-illuminance Distrib- 106

Fig 4.37. "U-Test Piece" Ra-illuminance 106

Fig 4.38. "K-Test Piece" Ra-illuminance Distrib- 107

Fig 4.39. "K-Test Piece" Scratch contact surface temperature 108

Fig 4.40. "U-Test Piece" Scratch contact surface temperature 109

Fig 4.41. "K-Test piece" Comprehensive test piece sliding behavior 111

Fig 4.42. "U-Test piece" Comprehensive test piece sliding behavior 111

초록보기

 철도 차륜은 차량의 중량인 윤중을 지지하면서 레일과 구름접촉 피로 하중상태로 운행되면서 주행하려는 구동력과 정지하려는 제동력을 상대 레일에 전달하고, 진행 차량의 곡선부에서는 차륜이 레일을 따라 안내하는 역할을 하면서 마찰과 충격으로 인하여 결함이 차륜에 발생하게 된다. 특히 답면 브레이크를 가진 차륜방식의 차량에서는 제동 시 발생하는 다량의 마찰열을 흡수 또는 방출하는 등 차륜은 차량에 있어서 기본적이며 다면적인 기능과 재료 특성이 요구되고 있다.

최근 열차의 고속 급, 가감속화에 따라 차륜과 레일에 결함이 발생할 확률이 높아지게 되는데 그에 따라 차륜이 레일을 활주하면서 발생하는 답면 찰상인 플랫 및 플랫 박리 현상이 발생 되는데, 주행 시 윤축의 운동과 차륜, 레일간의 접촉환경에서 어떤 활주를 일으키는지에 따라 차륜 답면 손상정도가 다르게 되는데, 차륜 손상의 대표적인 형태인 찰상을 원인으로 하는 회전피로에 의한 플랫이나 플랫 박리를 일으켜 차량 주행 시 소음과 진동으로 이어지게 된다.

본 연구를 통해서 차륜시험편 답면 찰상시험기를 이용하여 시험방법을 정립하고자 하였으며, 그 시험기를 통하여 차륜과 레일의 접촉역학 관점에서 그들의 구름 접촉에 의한 손상을 관찰하고 찰상이 발생하는 활주거동 특성에 의한 채용할 차륜재 기준을 설정하고 그에 따른 적정의 유지보수 계획에 대응할 수 있도록 하는 찰상 시험법과 그 시험기를 제시하였다.

그 결과 철도 차량 차륜답면에 발생하는 찰상의 영향을 분석하기 위하여 시험기를 시제작하였고, 찰상 발생시험에서 구름 마찰하는 차륜 시험편의 활주거동에 대한 그 특성을 재현할 수 있었고, 찰상 발생 정도에 따라 차륜 속도 차이가 발생하고, 탄성 접촉면의 온도분포와 광학현미경조도를 비교 분석 하면 차륜 재질의 균질면에서 그 균질성과 접촉면의 최고온도가 낮은 차륜시험편에 비해서 높은 차륜 시헌편 답면이 손상결함이 낮고, 광학현미경조직과 표면조도면에서 국부적으로 거칠기가큰 찰상 발생이 없는 시험편이 손상결함이 낮게 발생함을 발견하였다,

본 연구에서 균질의 차륜재 선정에 있어 주행하려는 열차의 속도가 증가함에 따라 주행 안전성(Stability)과 안전성(Safety)이 요구되는 활주에 좋은 영향을 가져올 수 있다고 본다.

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