레일 그라인딩 전략
정기적인 레일 연삭은 레일 손상을 줄이거나 제거하고 수명을 연장시켜 철도 운송 시스템에서 효과적인 유지 보수 방법 중 하나로 널리 인정받고 있습니다. 레일 손상의 특성과 철도 운송 용량의 요구 사항을 고려하여 레일 연삭 기술 및 장비는 다단계적이고 다양하게 발전하고 있습니다. 레일 연삭의 주요 전략으로는 사전 연삭, 예방 연삭, 그리고 보수 연삭이 있습니다.
사전 분쇄레일의 열간압연 공정 중 고온으로 인해 레일 표면의 탄소 및 철 원소 산화가 심화됩니다. 탄소의 산화 속도가 철보다 클 경우, 펄라이트 내의 시멘타이트 일부가 페라이트로 변환되어 그림 1과 같이 탈탄층이 형성됩니다. 레일 표면의 탈탄층은 기판보다 경도, 강도 및 내마모성이 낮습니다[1]. 운행 중에는 균열이 주로 페라이트를 따라 전파되어 레일에 심각한 손상을 초래할 가능성이 높습니다[2]. 신규 노선 건설 시 건설 차량의 잦은 출발/정지는 레일 긁힘 등의 문제를 쉽게 발생시킵니다. 레일 긁힘은 초기에는 검사 담당자가 쉽게 발견하지 못하지만, 차륜과 레일 사이의 마찰열로 인해 긁힌 부위에 금속 조직 변화가 발생하여 운행 후 심각한 손상으로 빠르게 진행될 수 있습니다[3]. 따라서 신규 노선 건설 및 구간별 신규 레일 부설 시에는 시운전 후 개통 전에 사전 연삭 작업을 실시하여 표면의 약 0.2mm 두께의 탈탄층과 건설 과정으로 인한 손상을 제거해야 합니다. 이미 운영 중인 노선의 경우에는 총 중량 10톤을 통과시키기 전에 사전 연삭 작업을 완료해야 합니다.
그림 1.레일 헤드의 탈탄층.
골형, 박리, 측면 마모, 파단 등의 심각한 결함의 경우, 결함을 제거하고 동시에 레일 형상을 교정 및 복구하기 위해 더 깊은 연삭 깊이가 필요합니다. 이 경우 레일 재료 제거량과 연삭 깊이가 커지므로, 이러한 연삭 방식을 복구 연삭이라고 합니다. 레일 상단부의 설계 마모 허용 오차로 인해 복구 연삭 시 레일 교체 빈도가 증가하여 연삭 경제성이 떨어집니다.
중국은 철도 운송 노선의 보수 연삭 작업에 대해 다음과 같은 명확한 규정을 마련했습니다. (a) 보수 연삭은 레일 결함의 특성에 따라 적절한 연삭 장비와 작업 매개변수를 선택하여 레일 결함을 제거하고 레일 형상을 보수해야 합니다. (b) 일반 노선에서는 파형 연삭 깊이 또는 두꺼운 모서리 폭이 0.3mm를 초과하는 등의 결함이 발생할 경우 즉시 보수 연삭을 실시해야 합니다. (c) 고속철도 노선에서는 고속열차 진동, 횡방향 프레임의 횡가속도 경보, 구간의 조명 불량, 분기 레일의 비늘 모양 깊이가 0.5mm에 도달, 궤도 충격 반응 지수가 관리 기준치를 초과하거나 레일 결함이 보수 한계에 도달할 경우 즉시 레일 보수 및 연삭을 실시해야 합니다.
연삭기 수리.레일은 바퀴로부터 주기적인 하중을 받으며, "래칫 효과"로 인해 레일 표면에 구름 접촉 피로층(RCF)이 형성됩니다[4,5]. 구름 접촉 피로층에서는 레일 재료의 경도와 취성이 크게 증가하고, 미세 구조에서는 전위 밀도 증가와 미세 균열 발생이 나타납니다[5]. 미세 균열의 횡방향 및 종방향 전파는 레일의 박리 및 파손과 같은 손상을 유발할 수 있습니다[1]. 균열 발생 주기(핵 생성, 균열 발생 및 전파)에서 핵 생성 및 균열 발생 시간은 큰 비중을 차지합니다. 일반적으로 균열 전파 깊이가 0.2mm를 넘지 않을 때 연삭 작업을 수행하는데, 이는 그림 2에서와 같이 레일 균열의 전파를 차단하고 레일의 추가적인 손상을 방지하는 데 가장 적합한 시점입니다. 레일 표면의 구름 접촉 피로 메커니즘과 균열 전파 법칙에 기반하여, 레일 표면의 구름 접촉 피로층을 정기적으로 제거하는 예방적 연삭 전략을 제안한다. 예방적 연삭은 연삭 깊이가 작아 레일의 수명 연장에 더욱 효과적이며, 보수 연삭에 비해 연삭 비용 효율성이 높다.
중국철도공사는 철도 레일 예방연마 시행에 대한 명확한 요구사항을 제시했습니다. (a) 고속철도의 경우, 예방연마는 총중량 30~50톤마다 실시해야 하며, 연마 주기는 2년을 넘지 않아야 합니다. (b) 일반 속도선의 직선 구간 및 곡률 반경이 큰 곡선 구간(>1200m)의 경우, 일반적으로 총중량 100톤마다 1회 연마 작업을 실시하고, 곡률 반경이 작은 곡선 구간(
그림 2는 다양한 연삭 전략에 따른 레일 수명 변화 추이를 보여주며, 연삭이 레일 수명을 효과적으로 연장할 수 있음을 나타냅니다. 보고에 따르면, 무연삭, 보수 연삭, 예방 연삭 후 레일 표면 결함 발생 확률은 각각 15%, 8%, 4%입니다[6]. 이는 예방 연삭이 레일 결함 발생 확률을 줄이는 데 상당한 이점이 있음을 보여줍니다. 또한, 예방 연삭 시 제거되는 재료의 두께가 작아 보수 연삭에 비해 레일 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 급속한 경제 발전과 중국 철도 운송 용량의 시급한 수요라는 어려운 상황 속에서 예방 연삭을 도입하면 레일 교체 주기를 효과적으로 연장하고 연삭 경제성을 높일 수 있습니다. 예측 예방 연삭은 미래 레일 연삭 기술의 주류 발전 방향입니다.
그림 2. 구름 접촉 피로 균열의 전파 거동
그림 3. 연삭 전략과 레일 수명 간의 관계
[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu 등. 접촉 피로를 받는 레일의 내마모성 및 손상 메커니즘에 대한 탈탄 효과[J]. 마모, 2016, 364-365:130-143.
[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun 등. 건조-습윤 조건에서 레일 재료의 구름 접촉 피로에 대한 탈탄층의 영향[J]. 공학적 고장 분석, 2018, 91: 58-71.
[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. 중국 고속철도 레일의 초기 손상에 대한 연구. 철도공학, 2018, 58(1): 138-140.
[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. 레일의 구름 접촉 피로 균열 성장에 대한 마모의 영향[J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.
[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao 등. 구름-미끄럼 접촉 하중 하에서의 철도 펄라이트 휠의 미세구조 진화[J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.
[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. 레일 연삭이 레일 결함을 줄입니까[J]. 철도 트랙 및 구조, 2011, 107(2): 32-35.