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[표지] 1

제출문 3

보고서 요약서 4

요약문 6

SUMMARY 8

Contents 10

목차 11

제1장 연구개발과제의 개요 18

제1절 연구개발 배경 및 필요성 18

1. 연구개발 배경 18

2. 연구개발 필요성 19

제2절 연구개발 목표 및 내용 20

1. 연구개발의 최종목표 20

2. 연구개발 내용 20

제2장 국내외 기술개발 현황 24

제1절 국내 장대레일 관리 현황 24

제2절 장대레일 응력 측정 기술개발 현황 27

1. 레일 절단을 통한 응력 측정 27

2. 하중-변위 관계를 이용한 응력 측정 27

3. 변형률 측정을 통한 응력 측정 28

4. 가속도 측정을 통한 응력 측정 33

5. 초음파 전달 특성을 이용한 응력 측정 34

6. XRD를 이용한 응력 측정 36

7. 자기 특성을 이용한 응력 측정 37

8. 장대레일 응력 측정 기술 현황 요약 39

제3절 라만 분광법 기술 현황 41

1. 라만 스펙트로스코피 원리 41

2. 레이저 분광 기술 현황 45

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 50

제1절 레이저 스펙트럼을 이용한 장대레일 응력 측정 50

1. 적정 레이저 스펙트럼 선정 50

2. 형광분광법을 통한 레일 용접부 응력 측정 51

제2절 장대레일 용접부 응력 특성 분석 53

1. 장대레일 용접부 응력 특성 분력 53

2. 레일 압축 시험을 통한 용접부 알파-알루미나의 기계적 특성 파악 54

3. 가열 실험을 통한 알파-알루미나의 열역학적 특성 파악 58

4. XRD를 이용한 레일 용접부 잔류응력 측정 및 조성분석 64

제3절 레이저 스펙트럼 장비 개발 70

1. 레이저 스펙트럼 장비 스펙 도출 70

2. 국내외 유사 장비 조사 71

3. 최종 장비 요구조건 74

4. 레이저 스펙트럼 장비 도입 76

5. 라만 레이저 스펙트럼을 이용한 신호 처리 기법 개발 77

제4절 레이저 프로브 프로토타입 개발 90

1. 실내 실험을 위한 레일 전용 레이저 프로브 프로토타입 제작 90

2. 현장 적용 시험을 위한 프로브 케이지 프로토타입 설계 92

제5절 레일 시험을 위한 테스트 베드 계획 수립 95

1. 수직 가력 시험의 한계 95

2. 수평 재하 시험 97

3. 자주식 축력 재하 시험 106

4. 테스트 베드 계획 119

제4장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 130

제1절 목표 달성도 130

1. 기술 혁신 사항 세부 내역 131

2. 특허 출원 실적 134

3. 논문 게재 실적 134

4. 학술발표 실적 135

제2절 관련 분야 기여도 136

제5장 연구개발 결과의 활용 계획 140

제1절 연구개발 결과의 활용 계획 140

제2절 연구개발 결과의 기대 효과 140

참고문헌 142

판권기 146

표목차 12

표 2-1-1. 장대레일 설정 온도 25

표 2-1-2. 레일 온도에 따른 열차 운행 기준 25

표 2-2-1. 온도 변화에 따른 장대레일의 방향별 응력과 변형률 30

표 2-2-2. 레일 중위온도 측정 장치 개발 현황 40

표 3-2-1. Compressive loading tests conducted to determine mechanical properties of alumina in the rail-weld samples 54

표 3-2-2. Calibration results of the R1 and R2 mechanical coefficients 57

표 3-3-1. 국내외 유사 장비 비교 74

표 3-5-1. 재하하중에 따른 변형률 변화 – 1차 수평 재하 시험 100

표 3-5-2. 시험 순서 및 가력점 위치 104

표 3-5-3. 재하하중에 따른 변형률 변화 – 2차 수평 재하 시험 105

표 3-5-4. 재하하중에 따른 변형률 변화 – 자주식 재하 시험 1 108

표 3-5-5. 재하하중에 따른 변형률 변화 – 자주식 재하 시험 2 111

표 3-5-6. 재하하중에 따른 변형률 변화 – 자주식 재하 시험 3 114

표 4-1-1. 압축 하중 재하 시험 결과 132

표 4-1-2. 온도 하중 재하 시험 결과 133

그림목차 13

그림 1-1-1. 장대레일의 부동구간 및 가동구간 18

그림 1-1-2. 장대레일의 좌굴 19

그림 2-1-1. 장대레일의 응력 발생 체계 26

그림 2-1-2. 레일 제작시 잔류 응력 26

그림 2-2-1. 레일 절단을 통한 레일 응력 측정 27

그림 2-2-2. 하중-변위 관계를 이용한 VORTOK社의 VERSE 장비 28

그림 2-2-3. 호주 BMT WBM Rail Monitoring 레일 장기 유지관리 시스템 29

그림 2-2-4. 관통형 센서 VORTOK社의 Multi-Sensor 30

그림 2-2-5. Bi-directional 변형률을 이용한 레일 축응력 측정 센서 32

그림 2-2-6. Bi-directional 변형률을 이용한 레일 축응력 측정 센서 시험 결과 33

그림 2-2-7. 가속도 측정을 통한 레일 응력 측정 (미, Illinois) 34

그림 2-2-8. 레일 고유진동수를 이용한 레일 응력 측정 (일, RTRI) 34

그림 2-2-9. 초음파 전달 특성을 이용한 레일 중위온도 측정 장비 Rail-NT (미, UCSD) 35

그림 2-2-10. UCSD 레일 축력 측정 시험 테스트 베드 35

그림 2-2-11. Rail-NT 현장 계측 사진 및 계측 결과 36

그림 2-2-12. XRD 측정 개념 및 측정 장비 36

그림 2-2-13. 휴대용 XRD 응력 측정 장비 37

그림 2-2-14. Villari Effect 기본 개념 37

그림 2-2-15. Rail Stress Tester (RST) using Villari Effect 38

그림 2-2-16. 바크하우젠 노이즈를 이용한 레일 응력 측정 장비 Rail Scan (헝가리, Metal Elektro) 38

그림 2-2-17. 바크하우젠 노이즈를 이용한 레일 응력 측정 장비 Rail Scan (독일, Elektro-Thermit) 39

그림 2-3-1. Light-Matter interaction 41

그림 2-3-2. Light-matter interaction : Scattering & absorption 41

그림 2-3-3. Photoluminescence reaction : fluorescence and photophorescence 42

그림 2-3-4. Comparison between Raman and fluorescence spectrum 43

그림 2-3-5. Conventional raman spectrum signal 44

그림 2-3-6. Raman spectrum information 44

그림 2-3-7. Raman spectrum shift due to stress 45

그림 2-3-8. fluorescence spectrum shift due to crystal deformation 46

그림 2-3-9. Stress coefficients for R-line shifts in alumina 46

그림 3-1-1. 라만 및 형광 분광신호 비교 (좌) 라만 (우) 형광 50

그림 3-1-2. portable spectrometer (a) photo (b) schematic design 51

그림 3-1-3. Alumina samples in different crystalline structures. (a) Single crystal a-Al2O3... 52

그림 3-1-4. Comparison of the R1 and R2 peak locations 52

그림 3-2-1 α-Al₂O₃ 결정의 기계적, 열역학적, 화학적 특성 53

그림 3-2-2. Compressive loading test setup with the rail sample, portable fluorescence spectrometer system, and 3D motor stage 54

그림 3-2-3. Laboratory test setup 54

그림 3-2-4. Three-cycle compressive test using sample 1 (Test 1-4) 56

그림 3-2-5. Five-cycle compressive test using sample 2 (Test 2-4) 56

그림 3-2-6. Sample piezospectroscopic properties of R1 and R2 of three-cycle compressive test using sample 1 (Test 1-4) 57

그림 3-2-7. Sample piezospectroscopic properties of R1 and R2 of three-cycle compressive test using sample 2 (Test 2-4) 57

그림 3-2-8. Temperature test setups using pure alumina powder sample 59

그림 3-2-9. Temperature test setups using a full-scale rail-weld sample 59

그림 3-2-10. The fingerprint peaks of the alumina powder at different temperatures 60

그림 3-2-11. The fingerprint peaks of the rail-weld sample (weld 1) at location 1 at different temperatures 60

그림 3-2-12. The fingerprint peaks of the rail-weld sample (weld 1) at location 2 at different temperatures 61

그림 3-2-13. Thermal test results of the powder sample 62

그림 3-2-14. Thermal test results of the rail-weld sample (weld 1) at location 1 62

그림 3-2-15. Thermal test results of the rail-weld sample (weld 1) at location 2 63

그림 3-2-16. Thermal coefficients of alumina in the pure powder sample 63

그림 3-2-17. Thermal coefficients of alumina in the rail-weld sample (weld 1) at location 1 64

그림 3-2-18. Thermal coefficients of alumina in the rail-weld sample (weld 1) at location 2 64

그림 3-2-19. 레일 용접부 시편의 XRD 분석을 위한 Wire Cutting 과정 65

그림 3-2-20. 레일 용접부 시편의 XRD 분석을 위한 시편 및 시편 위치 65

그림 3-2-21. 레일 용접부의 위치별 FESEM 조직 이미지 66

그림 3-2-22. Bare Sample (모재) 및 Position별 용접부의 EDS 결과 67

그림 3-2-23. XRD 분석을 위한 Rigaku 사의 Ultrama-IV 장비 68

그림 3-2-24. 레일 용접부의 2차 XRD 분석 및 Peak Fitting 결과[그림없음] 69

그림 3-3-1. 국외 유사 장비 조사 73

그림 3-3-2. 레이저 스펙트럼 도입 장비 (예시) 76

그림 3-3-3. 라만 레이저 스펙트럼을 이용한 신호 처리 기법 개요 78

그림 3-4-1. 상용화된 기본 라만 프로브 90

그림 3-4-2. 편광 실험을 위한 광학프로브 91

그림 3-4-3. 라인 렌즈를 통과한 빛의 형태 92

그림 3-4-4. 라인 레이저 콜리메이터와 파라볼릭 미러를 활용한 실험셋업 및 라인 레이저 콜리메이터 93

그림 3-4-5. Micro lens array 93

그림 3-4-6. Schematic design of Micro-array type probe 94

그림 3-5-1. 수직 가력 시험 전경 95

그림 3-5-2. 수직 가력 시험 결과 (일부) 96

그림 3-5-3. 유압잭을 이용한 수평 가력 시험 장치 97

그림 3-5-4. 유압잭을 이용한 수평 가력 시험 장치 도면 98

그림 3-5-5. 레일 strain gauge 배치도 99

그림 3-5-6. 유압잭을 이용한 1차 수평 재하 시험 결과 그래프 102

그림 3-5-7. 모터스테이지를 활용한 볼트 가압 위치 변경 103

그림 3-5-8. 강봉을 이용한 레일 수평 재하 시험 전경 106

그림 3-5-9. 강봉을 이용한 레일 수평 재하 장치 도면 107

그림 3-5-10. 강봉을 이용한 자주식 재하 시험 (1) 결과 그래프 109

그림 3-5-11. 강봉을 이용한 자주식 재하 시험 (2) 결과 그래프 113

그림 3-5-12. 강봉을 이용한 자주식 재하 시험 (3) 결과 그래프 116

그림 3-5-13. 강봉을 이용한 자주식 재하 시험 분석 118

그림 3-5-14. UCSD 테스트 베드 개념도 119

그림 3-5-15. 고정단 콘크리트 블록의 상세도와 철근망 제작 120

그림 3-5-16. 이동단 콘크리트 블록 철근망과 상세도 120

그림 3-5-17. 레일의 전단 연결을 위한 채널판 121

그림 3-5-18. UCSD 테스트 베드 건설 사진 121

그림 3-5-19. 레일 용접 및 체결 122

그림 3-5-20. 레일 가열 시스템 122

그림 3-5-21. 센서 설치도 123

그림 3-5-22. UCSD 테스트 베드 및 열화상 카메라 124

그림 3-5-23. 테스트 베드 구축 계획 개념도 125

그림 3-5-24. 테스트 베드 압축 하중 재하시 도면 125

그림 3-5-25. 테스트 베드 인장 하중 재하시 도면 126

그림 4-1-1. 압축 하중 재하 시험 132

그림 4-1-2. 온도 하중 재하 시험 133

그림 4-1-3. 테스트 베드 구축 계획 개념도 133

그림 4-1-4. 테스트 베드 압축 하중 재하시 도면 134

그림 4-1-5. 테스트 베드 인장 하중 재하시 도면 134

그림 4-1-6. 해외 게재 논문 표지 135

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