레일의 표면결함에 따른 구름접촉피로시험

초록

레일 표면에서 발생하는 접촉피로손상인 Squat, Head check 등은 중요한 문제로 대두되고 있다(1,2,3). Squats은 직선구간 및 반경이 큰 곡선구간에서 발생한다고 알려져 있으며 Head checks의 경우에는 곡선부의 High rail에서 반복적인 Plastic strain에 의해 주로 발생한다. Squats은 직선구간 및 반경이 큰 곡선구간에서 발생하며며 레일 표면의 WEL(White etching layer) 또는 Dent에서부터 발생하거나, 기관차 등의 동력차의 견인력(Traction)에서 라쳇팅에 의해 발생하다고 알려져 있으며 균열을 포함한 Dark spot을 동반한다. 균열은 레일의 두부로 진전하며 처음에는 표면에서 얕은 각도로 진전한 후 깊이가 3 - 5 mm정도에 도달할 때 아래쪽으로 진전하여 최종적으로는 파단에 이른다(4,5,6). 레일 표면에서 발생하는 손상 중의 하나로써 UIC의 결함코드(2)에서 설명하고 있는 Ballast imprint에 의한 Bruising로써 그림 1과 같다. 이러한 손상은 자갈도상에의 자갈이 차량 통과시에 차륜과 레일의 접촉면에 위치하면서 발생하며, 주로 겨울철에 많이 발생한다. Bruising에 의한 손상의 형태가 날카롭게 되어있을 경우에는 노치효과를 발생시켜 균열의 원인이 될 수 있으며 파단에 이를 수도 있다. 이러한 손상이 발생하면 큰 충격하중이 발생하여 레일 및 차량에 안전에 영향을 주며, 적절한 시기에 제거하지 않으면 레일의 파단시켜 대형 사고를 유발한다. 본 논문에서는 Ballast imprint가 head check형태의 균열 발생을 일으키는 원인인지를 시험편 접촉피로시험과 유한요소해석을 이용하여 조사하였다.