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레일 그라인딩 전략
2024년 10월 28일
정기적인 레일 연삭은 레일 손상을 줄이거나 제거하고 사용 수명을 연장하는 데 효과적이며, 철도 교통 시스템의 효과적인 유지 보수 방법 중 하나로 널리 인정받고 있습니다. 레일 손상의 거동을 기반으로 철도 수송 용량의 요구와 결합하여 레일 연삭 기술과 장비는 다층적이고 다각적으로 발전하고 있습니다. 레일 연삭의 주요 전략에는 사전 연삭, 예방 연삭, 그리고 보수 연삭이 있습니다.
사전 분쇄. 레일의 열간 압연 공정 중 고온은 레일 표면의 탄소 및 철 원소의 산화를 심화시킵니다. 탄소의 산화 속도가 철의 산화 속도보다 크면 펄라이트의 시멘타이트 중 일부가 페라이트로 변태하여 그림 1과 같이 탈탄층이 형성됩니다. 레일의 탈탄층의 경도, 강도 및 내마모성은 기판보다 낮습니다[1]. 서비스 중에 균열은 주로 페라이트를 따라 전파되어 레일에 심각한 손상을 일으킬 가능성이 더 큽니다[2]. 신규 노선 건설 중 건설 차량의 잦은 출발/정지로 인해 레일 긁힘 및 기타 문제가 쉽게 발생할 수 있습니다. 레일 긁힘은 초기 단계에서 검사 인력이 쉽게 감지하지 못하지만 바퀴와 레일 사이의 마찰열로 인해 레일의 긁힌 부분에서 금속 조직 변형이 발생하여 나중에 심각한 손상으로 빠르게 발전할 수 있습니다[3]. 따라서 신규 노선 건설 및 구간별 신규 레일 부설 시, 시운전 후 가동 개시 전에 표면의 약 0.2mm 탈탄층과 시공 과정에서 발생한 손상을 제거하기 위해 예비 연삭을 실시해야 합니다. 이미 가동 중인 노선의 경우, 총 10Mt의 중량을 통과하기 전에 예비 연삭을 완료해야 합니다.
그림 1.레일두께의 탈탄층.
예방적 분쇄주름, 박리, 측면 마모, 압착과 같은 심각한 결함의 경우, 결함을 제거하고 동시에 레일 형상을 교정 및 수리하기 위해 더 큰 연삭 깊이를 사용해야 합니다. 이 시점에서 제거되는 레일 소재의 양과 연삭 깊이가 커지며, 이러한 연삭 전략을 보수 연삭이라고 합니다. 레일 상단의 설계 마모 허용 오차로 인해 보수 연삭 중 레일 교체 빈도가 증가하여 연삭 효율이 저하됩니다.
중국은 철도 교통 노선의 수리 연삭 작업에 대해 명확한 규정을 제정했습니다. (a) 수리 연삭은 레일 결함의 특성에 따라 적절한 연삭 장비와 작업 매개변수를 선택하고 레일 결함을 제거하며 레일 프로파일을 수리해야 합니다. (b) 일반 노선에서 파동 연삭 깊이 또는 굵은 가장자리 너비가 0.3mm를 초과하는 결함에 대해 적시에 수리 연삭을 조직해야 합니다. (c) 고속철도 노선에서 고속열차 흔들림, 횡프레임의 횡가속도 경보, 구간 내 광띠 불량, 분기 레일의 비늘 깊이가 0.5mm에 도달, 궤도 충격 응답 지수가 관리값을 초과하거나 레일 결함이 복구 한계에 도달한 경우 레일을 적시에 수리하고 연삭해야 합니다.
연삭 수리레일은 차륜으로부터 주기적인 하중을 받으며, "래칫 효과"로 인해 레일 표면에 구름 접촉 피로층(RCF)이 형성됩니다[4,5]. 구름 접촉 피로층에서 레일 재료의 경도와 취성이 크게 증가하고, 미세조직은 전위 밀도와 미세균열 발생이 증가합니다[5]. 미세균열의 횡방향 및 종방향 전파는 레일의 박리 및 레일 파손과 같은 손상을 유발할 수 있습니다[1]. 균열 발생 주기(핵생성, 발생, 전파)에서 핵생성과 발생 시간이 큰 비중을 차지합니다. 연삭은 일반적으로 균열 전파 깊이가 0.2mm를 초과하지 않을 때 수행되는데, 이는 그림 2와 같이 레일 균열의 전파를 차단하고 레일의 추가 열화를 방지하기에 가장 적합한 시점입니다. 레일 표면의 구름 접촉 피로 메커니즘과 균열 전파 법칙을 바탕으로, 레일 표면의 구름 접촉 피로층을 정기적으로 제거하는 예방 연삭 전략을 제안합니다. 예방 연삭은 연삭 깊이가 얕아 레일의 수명 연장에 더 효과적이며, 보수 연삭에 비해 연삭 효율이 더 좋습니다.
중국철도공사는 철도 레일의 예방적 연삭을 시행하기 위한 명확한 요건을 제시했습니다. (a) 고속철도의 경우, 예방적 연삭은 총 중량 30~50Mt마다 실시해야 하며, 연삭 간격은 2년을 넘지 않아야 합니다. (b) 일반 속도 노선의 직선 및 대반경 곡선 구간(>1200m)의 경우, 일반적으로 총 중량 100Mt에 대해 연삭 공정을 한 번 실시합니다. 소반경 구간( 
그림 2는 다양한 연삭 전략에 따른 레일의 수명 변화 법칙을 나타낸 것으로, 연삭을 통해 레일의 수명을 효과적으로 연장할 수 있음을 보여준다. 보고서에 따르면 비연삭, 수리 연삭, 예방 연삭 후 레일 표면에 결함이 발생할 확률은 각각 15%, 8%, 4%로[6], 예방 연삭이 레일 결함 발생 확률을 크게 낮추는 데 유리함을 보여준다. 또한, 예방 연삭재는 제거 두께가 얇아 수리 연삭에 비해 레일의 수명을 크게 연장할 수 있다. 급속한 경제 발전과 중국 철도 교통의 수송 능력에 대한 긴급한 수요라는 심각한 상황에서 예방 연삭을 도입하면 레일 교체 주기를 효과적으로 연장하고 연삭 경제성을 높일 수 있다. 예측 예방 연삭은 미래 레일 연삭 기술의 주류 개발 방향이다.
그림 2.구름 접촉 피로균열의 전파 거동
그림 3.연삭 전략과 레일 수명의 관계
[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu, et al. 접촉 피로를 받는 레일의 마모 저항 및 손상 메커니즘에 대한 탈탄의 영향[J]. 마모, 2016, 364-365:130-143.
[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun, et al. 건습 조건에서 레일 재료의 구름 접촉 피로에 대한 탈탄층의 영향[J]. 공학적 파괴 분석, 2018, 91: 58-71.
[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. 중국 고속철도 레일의 조기 손상에 관한 연구. 철도공학, 2018, 58(1): 138-140.
[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. 레일의 롤링 접촉 피로 균열 성장에 대한 마모의 영향[J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.
[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao 외. 롤링-슬라이딩 접촉 하중 하의 철도 펄라이트 휠의 미세구조 진화[J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.
[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. 레일 연삭이 레일 결함을 줄이는가[J]. 철도 트랙 및 구조, 2011, 107(2): 32-35.