도시철도차량 차륜 답면손상 측정방법과 차륜 마모분석에 관한 연구 = Study on the Damage Measuring Method of Wheel tread and Wear Analysis of Wheel for Urban Train

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We tested a residual stress, tensile strength, jominy hardness of line#2 urban train to study about tread damage measuring method and wear analysis of tread breaking way train. Also we observed wheel tread surface through digital microscope(DG-3) for damage analysis, analyzed wheel cutting factor, a life of line#1,2 train, wheel diameter and flange wear amount.
This paper measured wheel residual stress according to contact position between wheel and rail using The TEC 4000 for new wheel and old wheel of line #2 GEC train applied to KS R 9221, and observed wheel tread surface through digital microscope(DG-3), and performed tensile test using MTS 800 fatigue test by sample applied to #4 of KS B 0801. In case of hardenability test, we measured hardness according to distance from quenching by sample applied to KS D 0206 using End Quench Unit(MET.SERVICE GM333 and Equitron(WILSON B-884)).
We analyzed wheel cutting factor, a life of line #1,2 train and wheel diameter and flange thickness change according to the distance covered.
Residual stress test result is that compressive residual stress(-774.1Mpa) which is existed the early days when wheel is manufactured changed to tensile residual stress(+101.1Mpa). The result of tread observation showed diffrent damage according to contact position between wheel and rail. The result of old wheel tensile test is 925.64Mpa which is slightly decreased than standard need value 903~1030Mpa, so it scarcely influenced. The result of hardenability test showed that old wheel(O-200, O-400, O-600) hardenability(58.5HRA~60.8HRA) is lower than new wheel(N-200, N-400, N-600) hardenability(58.5HRA~63.3HRA).
Consequently, we should effor to discover over heating wheel and it needs to again by cutting wheel which is an over heating wheel in advance and hardenability curve can be applied valuation index on wheel damage valuation because old wheel showed decrease and declination according to wheel depth direction.

국문 초록 (Abstract)

도시철도차량 답면제동방식(M-car)의 차륜에 대한 답면손상 측정방법과 차륜 마모분석에 관해 연구하기 위하여 2호선 도시철도차량 신재 차륜과 마모한도 차륜을 대상으로 X선 회절법을 이용한 잔류응력·인장 강도·조미니 경도 실험을 실시하였으며 차륜의 손상을 분석하기 위하여 답면의 표면을 디지털 현미경(DG-3)으로 관찰하였고, 차륜 삭정원인 및 수명분석, 차륜 직경 및 플랜지 마모량을 분석하여 차륜 유지보수 및 수명 향상에 도움이 되고자 한다.
본 논문에서는 KS R 9221 철도 차량용 차륜(RSW2)에 적용되는 2호선 GEC차량의 신제 차륜과 마모한도 차륜을 대상으로 X선 잔류응력 측정기(The TEC 4000)를 사용하여 레일과 차륜 답면의 접촉위치에 따른 잔류응력을 측정하였으며, 디지털 현미경(DG-3)으로 차륜 답면의 표면을 관찰하였으며, 마모한도 차륜 인장시험은 MTS 800 피로시험기를 이용하여 KS B 0801의 4호 규격에 따른 시험편으로 시험하였다. 경화능(조미니경도)시험은 경화능시험기(End Quench Unit(MET. SERVICE GM333))와 시편 고정장치(Equitron(WILSON B-884))를 이용하여 KS D 0206에 적용된 시험편으로 ？？칭 끝으로부터 거리에 따른 경도를 측정하였다.
차륜 삭정원인과 1·2호선 차륜 수명을 분석하고 주행거리에 따른 차륜 직경과 플랜지 두께 변화에 대해 분석을 하였다.
잔류응력 시험결과에서는 차륜 제작초기 열처리 영향으로 존재하였던 압축잔류응력(-774.1Mpa)이 마모한도 차륜에 가까울수록 인장잔류응력(101.1Mpa)으로 반전되었다. 디지털현미경(DG-3)으로 관찰한 차륜답면의 표면 관찰은 레일과의 접촉위치에 따라 각각 다른 손상을 보여주고 있었다. 마모한도차륜의 인장강도 시험결과는 925.64Mpa로 표준규격서 인장강도 요구치 930～1030Mpa에서 약간 감소하는 수치를 나타내어 인장강도는 그다지 변하되지 않음을 보여주고 있다. 경화능(조미니 경도)시험결과는 시험편 퀜칭 끝으로부터 거리를 달리하여 측정한 마모한도차륜(O-200, O-400, O-600)의 경도값(58.5HRA ～ 60.8HRA)이 신재차륜(N-200, N-400, N-600)의 경도값(60.5HRA ～ 63.3HRA)보다 낮음을 알 수 있었다.
따라서 이상가열 차륜은 조기 발견하도록 노력함과 이상가열을 받을 우려가 있는 차륜은 답면을 미리 삭정함으로써 과대한 인장잔류응력층을 제거하여 재사용하는 차륜관리방법이 필요하며 마모한도 차륜의 깊이방향에 따른 경화능 감소와 편차를 나타내었음에 따라 차륜재의 손상평가에 있어서 경화능 곡선은 평가지표로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 방법 및 내용 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. Wheel/Rail 접촉이론 4
• 2. 대차의 사행동 9
• 3. 운행중 차륜 답면에 발생하는 손상 11
• 4. 잔류응력(Residual Stress)의 개념 14
• 5. X선 회절(diffraction)법 16
• 6. 조미니 경도(Jominy Hardness)법 19
• Ⅲ. 실험 장치 및 실험 방법 20
• 1. X-Ray 회절장치를 이용한 잔류응력(Residual Stress) 측정 20
• 2. 차륜 답면의 표면 관찰 24
• 3. 인장 강도(Tenasile Strength) 측정 25
• 4. 조미니 경도(Jominy Hardness) 측정 29
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 32
• 1. 접촉위치 및 주행거리에 따른 잔류응력의 변화 32
• 2. 차륜 답면의 표면 관찰 결과 35
• 3. 인장 강도(Tensile Strength) 측정결과 39
• 4. 조미니 경도(Jominy Hardness) 측정결과 40
• Ⅴ. 차륜 마모 분석 46
• 1. 서울메트로 노선 구성 46
• 2. 2호선 차륜 관리 현황 47
• 3. 차륜 삭정 원인 분석 47
• 4. 1·2호선 차륜 수명 분석 52
• 5. 주행거리에 따른 차륜 직경 및 플랜지 두께 변화 53
• Ⅵ. 결론 56
• 참고문헌 58
• Abstract 60
• 감사의글 62