소식
철도연삭 핵심장비 개발 현황
현재 철도 시스템은 가장 널리 사용되고 있으며, 능동 연삭 기술, 고속 수동 연삭 기술, 그리고 밀링 및 연삭 복합 연삭 기술이 비교적 큰 연삭 방식으로 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 다음은 세 가지 대표적인 철도 연삭 장비 개발 현황입니다.
1.3.1 레일 활성 연삭 키 장비
능동 연삭 기술은 현재 가장 널리 사용되고 있으며, 연삭 방식 중 시장 점유율이 가장 높습니다. 특히 자동차 모델 연삭에 많이 사용됩니다. 해외 연삭 자동차 제조업체는 주로 미국에 있습니다.하스코그리고견장회사와 스위스 SPENO 회사 등이 있습니다.국내 레일 연삭 기술은 늦게 시작되어 수십 년의 개발 끝에 현재 국내 연삭차 제조업체는 주로 Golden Eagle Heavy Construction Machinery Company Limited(Golden Eagle Heavy Industry), CNR Beijing Erqi Vehicle Company Limited(CNR Erqi), Zhuzhou CNR Times Electric Company Limited(Times Electric), China Railway Construction High-tech Equipment Company Limited 등입니다.Golden Eagle Heavy Industry(GEHI)와 CNR Erqi는 각각 HARSCO(미국)와 SPENO(스위스)의 기술을 도입하여 GMC-96X와 GMC-96B 연삭 차량을 독자적으로 개발했습니다(그림 1 및 그림 2 참조).TIME ELECTRIC이 독자적으로 개발한 GMC-48JS 연삭 차량은 2020년 3월에 운행 승인을 받았습니다[1].
무화과.1GMC-96X
무화과.2GMC-96B[2]
현재 일반적으로 사용되는 라인은 GMC-96X(Golden Eagle Heavy Industry), GMC-96B(China Railway Erqi), PGM-48(HARSCO, USA) 모델과 신형 GMC-48JS 모델(Times Electric)이며, 주요 작동 매개변수와 작동 요구 사항은 표 1에 나와 있습니다.데이터에 따르면 연삭차의 작동 속도는 약 3~24km/h이며 임계 작동 속도보다 낮으면 레일이 임계 작동 속도보다 낮은 지역에서 과도한 연삭을 일으킬 수 있으며 저속에서 레일의 국부 연삭 열이 레일을 태우기 쉽습니다[3]. 작동 속도가 너무 높으면 이상적인 제거 효율을 보장할 수 없습니다. 최대 작동 기울기 30‰에 맞게 설계된 연삭차는 대부분의 라인 연삭 유지 관리를 처리할 수 있습니다. 그러나 일부 장거리 노선(구배 30‰ 이상)의 경우, 특히 건설 중인 쓰촨-티베트 철도의 경우, 연삭차 운행 성능과 견인 문제의 조화가 중요한 과제 중 하나가 될 것입니다.
꼬리표1.전형적인 레일연삭열차의 운전 매개변수[2]
| 모델 | GMC-96X | GMC-96B | PGM-48 | GMC-48JS |
| 연삭석의 개수 | 각 측면에 48개 | 각 측면에 48개 | 각 측면에 24개 | 각 측면에 24개 |
| 분쇄 속도 | 3~24km/h | 시속 3~15km | 3~24km/h | 2~16km/h |
| 연마 모터 전력 | 22kW | 18.5kW | 22kW | 22kW |
| 연삭 각도 | -70°～+20° | -70°~+15° | -50°~+45° | -70°~+25° |
| 최소 활동 곡선 반경 | 180m | 250m | 180m | 180m |
| 경로의 최대 경사도 | 30‰ | |||
| 세로 트랙 연삭 정확도 | 300mm와 1000mm 범위에서 최대 진폭 값은 각각 0.03mm와 0.15mm입니다. | |||
| 연삭 후 레일의 표면 거칠기 | Ra가 10 μm 미만이어야 합니다. 연속적이거나 과도한 청색 방전이 없어야 합니다. | |||
1.3.2 고속 수동 레일 연삭을 위한 주요 장비
고속 수동 연삭차는 주로 독일 회사 VOSSLOH HSG 레일 연삭차에서 생산하며, 주로 연삭차와 보조차로 구성됩니다(그림 3). 연삭 작업에는 기관차 견인이 필요하며, 작동 속도는 최대 60~80km/h입니다. 전체 차량은 4개 그룹의 연삭 유닛으로 총 96개의 연삭석이 동시에 작동 상태에 있으며 약 6000rpm의 속도로 고속 회전합니다(그림 4 참조). 각 그룹의 연삭 유닛에는 2세트의 연삭 프레임이 장착되어 있어 연삭석의 작동 과정은 전체 그룹을 멈추지 않고 빠르고 연속적인 회전을 달성할 수 있습니다. 즉, 단일 연삭석으로 약 70km의 연속 연삭이 가능합니다[4](그림 5 참조). 연삭 과정 동안 연삭 스파크의 양, 연삭 휠 마모 및 연삭 압력을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 연삭 후 레일 프로파일을 테스트하여 연삭 효과를 확인합니다. 고속 연삭 차량은 연삭 휠에 구동 장치가 없기 때문에 연삭 열차의 저항에만 의존하여 레일 헤드 재료를 제거합니다.따라서 작업 속도는 연삭 차량의 작업 효과에 상당한 영향을 미칩니다.고속 연삭 차량이 역간 노선에서 연삭 작업을 수행할 때: 역을 출발하는 가속 단계에서 속도가 30km/h보다 높으면 연삭 프레임이 내려지고 연삭 작업이 시작됩니다.역에 진입하는 감속 단계에서 속도가 15km/h보다 낮으면 연삭 프레임이 올라가고 연삭 작업이 완료됩니다.따라서 연삭 차량의 가속 및 감속에 해당하는 영역에서는 차량 속도 감소로 인해 연삭 효과가 감소합니다.연삭 프레임을 들어 올려서 연삭할 수 없는 영역 중 일부는 다음 작업 중에 역의 턴아웃 연삭 차량으로 덮어야 합니다.
무화과.3HSG 고속 연삭차
무화과.4연삭 유닛
무화과.5연삭 프레임 구조
지난 10년 동안 많은 국내 기관들이 고속 연삭차 연구 개발에 전념해 왔습니다. 2021년 6월 18일, 남서교통대학교, 베이징-상하이 고속철도, 남서교통대학교 철도개발유한회사가 공동 개발한 국내 최초의 베이징-상하이 고속철도 지능형 고속철도 연삭 시제품 시험 시제품이 생산 라인에서 나와 그림 6과 같이 "제로 투 원으로"[5]라는 독창적인 혁신을 실현했습니다. 2021년 7월 22일, 중국철도건설고신기술장비유한회사가 독자적으로 연구 개발한 KGM-80II 레일 연삭차가 평가를 통과하고 시운전 승인을 받았습니다[6](그림 7 참조). 자체 개발한 고속철도 연삭차의 도입은 중국이 철도 시스템 장비의 완전한 자율성을 실현하는 데 매우 중요한 의미를 갖습니다.
무화과.6베이징-상하이 고속철도 지능형 고속 레일 연삭 시제품 시험차[5]
무화과.7KGM-80II. 레일 고속 연삭차[6]
1.3.3 레일 밀링 및 연삭 복합 연삭 주요 장비
현재, 레일 밀링 및 연삭 차량은 국내외 중량 철도 노선에서 널리 사용되고 있습니다.독일의 GMB사와 오스트리아의 LINSINGER사, MFL사 등이 해외 밀링 및 연삭 차량의 주요 제조업체입니다[4,7].그림 8은 LINSINGER사의 SF03 밀링 및 연삭 차량으로, 차량 전체 길이 25m, 차량 중량 120t, 3축 보기 2개를 장착하고, 자체 추진 속도는 최대 100km/h, 최대 운행 속도는 0.36~1.20km/h이며, 전체 차량에는 총 2세트의 밀링 디스크와 2세트의 연삭 휠이 장착되어 있습니다[7,8,9]. 국내 제조업체로는 주로 바오지의 China Railway Times Construction Machinery Co., Ltd.와 China Railway Construction High-Tech Equipment Co.가 있습니다.그림 9는 China Railway Construction High-Tech Equipment Corporation에서 생산한 XM-1800 밀링 및 연삭 차량을 보여줍니다.이 차량은 높은 운영 효율성, 유연한 연삭, 환경 보호 및 내부 레일 형상 트리밍 및 특수 레일 프로파일 연삭에서 스파크 스플래시가 적다는 장점이 있습니다[10].표 2는 SF03 밀링 및 연삭 차량과 XM-1800 밀링 및 연삭 차량의 주요 운영 성능 매개변수를 비교하는데, 이는 중국에서 개발된 XM-1800 밀링 및 연삭 차량이 재료 제거 효율과 작업 정밀도 측면에서 세계적인 선진 기술 수준에 도달했음을 보여줍니다.
무화과.8SF03 밀링카
그림 9 XM-1800 밀링카[10]
표 2 SF03과 XM-1800 철도차량 운행성능 비교
| 모델 | SFO3 밀링카 | XM-1800 밀링카 |
| 숙제 깊이 | 레일 표면 0.3~1.5 mm；궤간 각도는 최대 5.0 mm | 레일 표면 0.3 ~ 1.5 mm； 게이지 각도는 가장 큰 5.0mm입니다. |
| 단면 프로파일 정확도 | ±0.2mm | ±0.2mm |
| 세로 방향 부드럽지 않은 정밀도 | ±0.1mm | ±0.02mm(주름진 마찰 10 |
| 레일 표면 거칠기 | 3~5㎛ | ≤6마이크로미터 |
1.3.4 주요 레일 연삭 장비 성능의 종합 비교
능동 연삭, 고속 수동 연삭, 밀링 및 복합 연삭 등 세 가지 대표적인 레일 연삭 장비의 성능을 비교한 표 3과 같습니다.능동 연삭 재료 제거, 연삭 경량 벨트 봉투 윤곽이 양호하고 작동 속도가 빠르며 현재 시장 점유율이 가장 높습니다.능동 연삭의 핵심은 연삭 레일 화상 문제를 해결하여 연삭 후 레일의 표면 품질을 개선하는 것입니다.연구에 따르면 연삭 매개변수[11,3,12]와 연삭 휠 구조[13]를 최적화하면 화상을 효과적으로 개선할 수 있으며, 고성능 능동 연삭 휠 개발이 미래 연구의 초점입니다.
고속 수동 연삭 작업 속도는 이론적으로 일반 승용차/트럭과 연계 운행이 가능하며, "선루프" 없이도 정상적인 노선 통행에 영향을 미치지 않습니다. 또한, 레일 예방 연삭 전략에 기반한 고속 수동 연삭은 레일의 수명 연장에 상당한 이점을 제공합니다. 따라서 고속 연삭은 미래 발전에 중요한 경쟁력을 가지고 있습니다. 고속, 고하중, 강한 진동 등 혹독한 조건에서도 고효율, 고품질 및 기타 운영 요건을 충족하는 연삭 휠은 우수한 기계적 특성(강도/인성)과 서비스 성능(절삭 성능, 내마모성 등)을 보장하는 것이 미래의 중요한 과제 중 하나입니다.
복합 연삭은 재료 제거 효율, 윤곽 마무리, 표면 품질 등에서 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 작업 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 향후 경제 발전에 따라 연삭 시간이 매우 단축되고 연삭 작업 효율에 대한 요구가 증가함에 따라, 향후 라인 용량과 연삭 시간의 조정이 주요 관심사가 될 것입니다. 동시에, 레일 형상 교정 정확도와 작업 효율을 보장하기 위해 가혹한 작업 조건을 견딜 수 있고 내마모성이 뛰어난 초경 절삭 공구를 개발하는 것 또한 미래 연구의 주요 목표 중 하나입니다.
꼬리표.33가지 종류의 대표적인 레일 연삭 장비의 비교
| 특징 | 활성 분쇄[2,14,15] | 고속 수동 연삭[16,15,14] | 밀링 컴파운드 분쇄[18,7,9] |
| 적용 모드 | 사전 샌딩, 예방 샌딩, 복구 샌딩 | 예방적 연삭 | 복원용 샌딩 |
| 작동 속도 | 3~24km/h | 시속 60~80km | 0.36~1.20km/h |
| 분쇄량 | 최대 단일 시간은 약 0.2mm입니다. | 최대 약 0.1mm ~ 최대 3회 | 게이지 각도에서 최대 5mm, 레일 상단에서 최대 3mm |
| 표면 거칠기(Ra) | 10μm 미만 | 9μm 미만 | 3~5㎛ |
| 텍스처를 연마하다 | 레일의 종방향에 거의 수직인 평행 연삭 흔적 | 얽힌 메쉬 질감은 레일에 대해 약 45° 각도로 배치됩니다. | 표면 마감이 높습니다 |
| "스카이라이트" 작업 | 요구된다 | 필요하지 않음 | 요구된다 |
| 실루엣 수리 | 실루엣이 잘 감싸져 있어요 | 실루엣은 수리할 수 없습니다 | 레일 프로파일을 정밀하게 수리할 수 있습니다 |
| 단점 중 일부 | 레일이 쉽게 타버립니다. 연삭 후 레일 표면에 흰색 층이 형성되기 쉬워 레일의 "사전 피로"가 발생합니다. | 레일 표면의 심각한 질병은 제거될 수 없으며 레일 프로파일은 수리될 수 없습니다. | 샤프트가 무겁고 작업속도가 낮습니다. |
- YANG Changjian, WANG Jianhong, ZHU Hongjun 등. 이중 전원 48 연삭 스톤 레일 연삭 T 개발 중국 기계 공학, 2019, 3(30): 356-371.
- 중국철도그룹 주식회사 공업전력부, 철도연삭 핸드북[M]. 베이징: 중국철도출판사 주식회사, 2020, 1-73.
- ZHOU Kun, DING Haohao, Steenbergen Michaël 외. 레일 연삭 매개변수에 따른 온도장 및 재료 반응[J]. 국제 열 및 물질 전달 저널, 2021, 175: 12366.
- FAN Wengang, LIU Yueming, LI Jianyong. 고속철도용 레일 연삭 기술의 개발 현황 및 전망[J]. 기계공학 저널, 2018, 54(22): 184-193.
- https://news.swjtu.edu.cn/shownews-22407.shtml/ [DB/OL]. [2021-08-13]
- http://www.crcce.com.cn/art/2021/7/27/art_5175_3372925.html/ [DB/OL]. [2021-08-15]
- 류진빈. 레일 밀링 열차 연삭 장비의 설계 및 연삭력 제어 연구[D]. 창사: 중남대학교, 2013.
- YU Niandong, ZHANG Meng. SF03-FFS 레일 밀링 및 연삭차의 응용[J]. 철도 기술 혁신, 1: 37-38.
- CHEN Huibo. Shuozhou-Huanghua 철도에 SF03-FFS 레일 밀링 및 연삭차 적용[J]. 중국 철도, 2013, (12): 85-88.
- http://www.crcce.com.cn/art/2018/1/30/art_5529_109.html/ [DB/OL]. [2021-08-16]
- ZHOU Kun, DING Haohao, Zhang Shuyue 외. 연삭숫돌의 스윙 각도를 고려한 레일 연삭 시 연삭력의 모델링 및 시뮬레이션[J]. Tribology International, 2019, 137: 274-288.
- ZHOU Kun, DINGHaohao, WANG Wenjian 외. 연삭 압력이 레일 재료의 제거 거동에 미치는 영향[J]. Tribology International, 2019, 134: 417-426.
- YUAN Yongjie, ZHANG Wulin, ZHANG Pengfei 외. 레일 연삭 시 사전 피로 완화 및 재료 제거 효율 향상을 위한 다공성 연삭 휠[J]. Tribology International, 2021, 154: 106692
- ZHOU Kun, WANG Wenjian, LIU Qiyue 외. 레일 연삭 메커니즘 연구 진행[J]. 중국 기계공학, 2019, 30(03): 284-294.
- ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Ruixiang 외. 다양한 전진 속도에서 레일 연삭 중 재료 제거 메커니즘에 대한 실험적 연구[J]. Tribology International, 2020, 143: 106040.
- FAN Wengang, LIU Yueming, LI Jianyong. 고속철도용 레일 연삭 기술의 개발 현황 및 전망[J]. 기계공학 저널, 2018, 54(22): 184-193.
- XU Xiaotang. 고속철도 연삭 메커니즘에 관한 연구[D]. 청두: 서남교통대학교, 2016.
- WILHELMKubin, DAVES Werner, STOCK 레일 유지 관리 공정으로서의 레일 밀링 분석: 시뮬레이션 및 실험[J]. Wear, 2019, 438-439: 203029.