커먼 레일 손상

레일은 철도 시스템에서 가장 중요한 베어링 부품 중 하나입니다. 열차의 견인 및 제동은 차륜과 레일 사이의 마찰에 의해 이루어집니다. 따라서 양호한 레일 상태는 열차의 안전하고 원활한 운행을 위한 필수 조건입니다. 그러나 레일 재료는 교번 접촉 응력으로 인해 마모 또는 피로 손상을 입는 경우가 많습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 레일 손상의 주요 유형은 피로 균열, 박리, 파형 마모, 압착 및 레일 측면 마모이며, 이러한 손상이 전체 레일 손상의 80% 이상을 차지합니다. 열차 주행 속도와 차축 하중의 증가로 레일 피로 및 마모 문제가 점점 더 심각해지고 있으며, 이로 인해 레일 연삭 기술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다.

1. 구름 접촉 피로 균열.구름 접촉 피로 균열은 그림 2에 나타낸 바와 같이 고속철도 레일의 가장 흔한 손상 형태 중 하나이다[1]. 일반적으로 균열은 완전히 아래로 확장되지 않고 호를 그리며 레일 표면까지 확장되어 그림 2에 나타낸 바와 같이 레일 벗겨짐 현상을 형성한다. 벗겨짐으로 인해 레일의 상단 표면이 눌리고 기차 바퀴가 지나갈 때 충격 응력이 형성되어 진동과 소음이 심화된다. 어떤 경우에는 벗겨짐 구덩이의 분기 균열이 레일 아래로 확장되어 레일 파손으로 이어져 중대한 안전 사고를 일으킬 수 있다[2].

2. 레일 주름 마모. 레일 주름 마모는 그림 3과 같이 특정 길이 방향 범위 내에서 레일 표면이 주기적으로 고르지 않게 마모되는 현상을 말합니다[3, 4]. 주름 마모는 열차의 진동과 소음을 증가시키고, 승차감에 영향을 미치며, 기관차 및 차량 부품의 피로 수명을 감소시킵니다. 주름 마모의 파장에 따라 단파장(파장 25~80mm)과 장파장(파장 100mm 이상) 주름으로 나뉩니다. 주름의 주요 원인에는 동적 이론과 비동적 이론이 있습니다. 동적 이론은 자려 진동, 공진 및 피드백 진동을 포함한 휠-레일 시스템 진동이 주름을 유발한다고 믿습니다[5]. 비동적 이론은 주름의 형성이 주로 레일 재료 및 제련 공정 등과 관련이 있으며 휠-레일 간 힘이 일정하더라도 레일은 불균일한 소성 흐름으로 인해 주름이 발생합니다[6,7].

3. 레일 압착.레일 압착은 레일 상부 재료가 소성 변형되고 레일 트레드가 납작해지는 현상으로, 그림 4와 같이 중장비 철도의 곡선 구간 레일에서 흔히 관찰됩니다[8]. 레일 압착은 레일 헤드의 형상을 변화시키고, 차륜-레일 접촉력을 변화시켜 주행 진동 및 소음을 ​​악화시킵니다. 또한, 레일 압착은 종종 박리 또는 피로 균열 손상을 동반합니다. 레일의 압착 손상 발생 여부를 판단하는 기준으로 안정성 한계가 자주 사용되며, 재료의 항복 한계를 높이면 이러한 유형의 손상을 방지하거나 지연시킬 수 있습니다.

4. 레일 측면 마모.레일 측면 마모는 그림 5에서 보듯이 소반경 곡선 레일의 주요 손상 형태입니다[9]. 중국 철도에서 소반경 곡선 레일의 98%는 과도한 측면 마모로 인해 폐기됩니다. 기관차와 차량이 곡선 구간에 진입하면 관성으로 인해 열차가 앞으로 나아가지만 궤도는 열차 차체를 회전시킵니다. 이 경우 바퀴가 레일에 충격을 가하고 심각한 측면 마모가 발생합니다. 특히 열차의 원심력과 구심력이 불균형할 때 내측 및 외측 레일의 하중이 편향되어 측면 마모가 크게 심화됩니다[10, 11]. 레일 측면 마모는 레일의 수명을 단축시키고 레일 프로파일의 변화로 인해 바퀴/레일 상호 작용이 악화되어 곡선을 통과하는 열차의 안정성에 영향을 미치는 것으로 널리 알려져 있습니다.

그림 1 피로균열.

그림 2 레일 벗겨짐.

그림 3 레일 주름 마모.

그림 4 레일 압착.

그림 5 레일 측면 마모.

참고문헌

1. K. Zhou. 레일 연삭 중 재료 제거 규칙 및 메커니즘에 관한 연구 [D]. 청두: 서남교통대학교 박사학위 논문, 2020.
2. X. Zhao, ZL Li. 탄소성 마찰 차륜-레일 구름 접촉의 3차원 유한요소 해석 [J]. 기계공학회 논문집, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen 외. 고속 및 중량 철도의 구름 접촉 피로와 마모 간의 실험적 연구 및 레일 재료 선정 [J]. 마모, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. 레일 파상: 특성, 원인 및 처리 방법 [J]. 기계공학회 논문집, F부: 철도 및 고속철도 저널, 1993, 207(1): 57-68.
5. Y. Gu. 고속철도 무도상 궤도의 레일 파상 메커니즘에 관한 연구 [D]. 베이징: 베이징 교통대학교 박사학위 논문, 2017.
6. X. Jin, X. Li, W. Li 외. 레일 주름 형성 과정 검토 [J]. 서남교통대학교 학술지, 2016, 51(2-3): 264-273.
7. S. Li, D. Liu, P. Liu 외. 레일 강재 U75V의 파형 형성 및 미세구조 변화 [J]. 대련교통대학교 학술지, 2019, 40(5): 66-71.
8. Z. Li, Z. Yan, S. Li. 고속 차량 분기 시스템의 동적 성능에 미치는 레일 주름의 영향 [J]. 중남대학교 과학기술저널, 2003, 25(1): 104-108.
9. W. Wang, H. Guo, X. Du 외. 중량물 철도 레일의 손상 메커니즘 및 예방에 관한 연구 [J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 35: 206-218.
10. Y. Zhou, S. Wang, T. Wang 외. 중량화물 철도 레일 헤드 체크와 마모 간의 관계에 대한 현장 및 실험실 연구 [J]. 마모, 2014, 315(1-2): 68-77.
11. I. Povilaitiene, I. Kamaitis, I. Podagelis. 궤도 곡선에서 레일 측면 마모에 대한 궤간 폭의 영향 [J]. 토목공학 및 관리 저널, 2006, 12(3): 255-260.
12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu 외. 차륜-레일 동적 상호작용을 기반으로 한 중량물 철도 곡선에서의 레일 측면 마모 감소 [J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(sup1): 440-454.