제동 사이클변화에 따른 차륜답면의 열균열 발생 관찰

1. 서론

철도차량의 고속화와 제동회수의 증가로 인하여 차륜에 제륜자가 접촉하는 답면 제동방식의 차륜에서 열균열의 발생이 증가하고 있다. 철도차량이 급구배를 주행할 경우에 가속을 방지하기 위한 제동을 하게 되는 경우와 내리막 경사를 주행할 경우에 차륜은 제륜자와의 제동시 마찰열에 의해 가열상태가 된다. 답면 제동시스템의 고장으로 인하여 제륜자가 차륜에 고착된 상태로 장시간 주행할 경우에도 차륜표면의 온도가 지속적으로 상승하게 된다. 차륜표면의 온도가 계속적으로 상승하게 되면 차륜재의 항복강도를 초과한 열응력이 발생하고 그 결과 차륜의 압축잔류응력이 인장잔류응력 상태로 변환되게 된다. 이와 같이 차륜이 인장잔류응력으로 변화되면 차륜표면에서 발생된 열균열이 차륜림부와 차륜판부로 진전하게 되고, 전파된 열균열을 기반으로 Fig. 1과 같이 차륜은 파괴에 취약하게 된다. 철도차륜의 파손에 미치는 영향인자에 대하여 많은 연구자들이 계속적으로 연구를 진행하였다.^1-5 Cameron과 Steven는 열차하중에 따라 차륜-레일의 접촉응력의 증가로 손상이 증가할 수 있으며 제동 다이나모시험에서 차륜의 온도가 상승되면 초기에 존재하였던 차륜의 잔류응력이 점점 감소된다고 하였다.⁶ Gordon과 Benjamin은 유한요소해석을 통하여 신제작 차륜과 제동 작용시 차륜의 잔류응력 변화를 연구하였으며 Rossmanith은 반복적인 제동의 영향에 따른 차륜의 파손모드를 해석하였다.^7,8 Seo 등은 FEM 해석모델을 이용하여 잔류응력 변화에 의한 피로강도를 평가하였다.⁹ Handa 등은 제동다이나모 시험기를 이용하여 차륜-레일과의 접촉력과 차륜-제륜자와의 제동력이 가해지면서 차륜답면에 열균열이 발생한다고 보고하였다.¹⁰ 최근 국내에서도 운행 중인 화물 열차에서 차륜 파손으로 인한 탈선사고가 발생한 경우가 있었다. 국토해양부 항공철도 사고조사 위원회 보고서에 의하면 Fig. 1과 같이 열피로 누적에 의해 차륜이 파손된다고 보고한 바 있다.¹¹ 상기 서술한바와 같이 기존 연구에서는 제륜자의 가압조건과 제동에너지에 대한 효과를 고려하지 않았다.

Fig. 1

Observation of SEM (ARAIB Report)

본 연구에서는 철도차륜의 열균열 발생 메커니즘을 분석하고자 실물 제동다이나모 시험기를 활용하였으며 제륜자의 양압조건과 제동사이클에 따른 누적 제동에너지를 고려하여 차륜표면의 열균열 발생 시험을 실시하였다.

2. 차륜의 잔류응력

철도차륜의 기계적 성능의 필수조건 중의 하나가 규격에서 정해진 바와 같이 압축잔류응력이다. 제작시 차륜에 압축잔류응력을 잔류시켜 균열의 발생과 진전이 이루지지 않도록 하여야 하며 차륜 원주방향의 압축잔류응력은 차륜의 수명에 대해 큰 공헌을 한다.

압축잔류응력에 인장잔류응력에의 반전현상은 차륜 판부의 편심량 개선을 통해 억제 할 수 있다는 것이 밝혀졌다.¹² 차륜 판부의 편심량을 증가시키면 차륜 판부의 열응력을 감소시킬 수 있다. 차륜 판부의 항복에 의한 소성변형을 억제한다 할 수 있으며, 냉각시 차륜 림부의 수축을 방해하지 않으므로 결과적으로 차륜 림부 잔류응력의 반전을 방지할 수 있다. 답면제동 차륜의 경우 정상적인 제동 조건하에서도 차륜답면부의 가열, 냉각이 동반된 열사이클에 의한 열균열의 발생은 불가피하다. 일반적으로 재료의 담금질이 높을수록 열균열이 발생하기 쉽기 때문에, 열균열 방지의 관점에서는 차륜의 탄소량이 낮은 것이 바람직하다. 과대한 답면브레이크가 작용하면 림부가 인장응력 상태가 되어 제동반복에 따라서 미세한 균열이 성장하여 마침내 파손 이르는 경우가 있다. 1970년대 미국의 화차 차륜은 과대한 브레이크 조건으로 인한 차륜 파손사고가 연간 수백 건 발생하였으며, 일본의 스미토모 금속에서는 HT (High Toughness) 차륜을 이러한 대책으로 개발하였다.

차륜답면에 제륜자를 가하여 제동하면 마찰면에 열이 발생한다. Fig. 2에서, 열전달과 열응력 해석을 수행한 차륜의 FEM 결과와 같이 정상적으로 작동하는 제동은 차륜의 성능에 악영향은 없지만, 하구배에서의 억속 제동과 제동 장치의 고장으로 불량 완해가 발생하면 차륜림부 전체가 가열 팽창한다.¹³ 이에 따라 림부가 차륜 판부를 외주 방향으로 당겨서 판부에 반경방향의 인장응력이 발생한다. 이러한 메커니즘이 반복되면서 열균열이 발생된다. Fig. 3은 X-Ray Diffraction 방법으로 제조시 차륜과 과제동시의 차륜에 대한 잔류응력의 변화를 보여준다.¹³

Fig. 2

Residual stress in brake application13 (Adapted from Ref. 13 on the basis of Open Access)

Fig. 3

Variation of residual stress for new wheel and over braked wheel

3. 차륜의 열균열 발생 시험

3.1 제동 누적사이클에 의한 열균열 발생시험

철도 차륜의 열균열 발생시험은 Fig. 4와 같은 실물 제동 다이나모 시험기를 이용하여 국내에서 운영중인 차륜으로서 UT 검사에서 결함이 검출되지 않은 신제작 차륜(ψ860 mm)과 브레이크슈를 대상으로 시험하였으며 시험차륜 개수는 3개이다. Table 1에 시험차륜의 기계적 성질을 나타낸다. 제륜자의 제동압력은 2800 kN 양압 조건, 관성중량은 83.3 kN/wheel을 부가하였고, 차륜온도 60°C 이하에서 시험하였으며 차륜표면에서 10 mm떨어진 림부에 열전대를 설치하여 차륜온도를 측정하였다.

Fig. 4

Brake dynamometer tester

Table 1

Mechanical properties of wheel

제동시험에 대한 조건을 Table 2에 나타낸다. 1차 시험에서는 KRS 기준을 준용, 시험조건을 구성하여 시험을 실시하였으며 제동회수 100 Cycles에 따른 차륜 표면의 상태를 관찰하였다. Fig. 4에서 보여준 바와 같이 100 Cycles 제동시험을 실시한 결과, 차륜 표면에 열반점을 동반한 미세한 균열이 나타나고 있었다.

Table 2

Test conditions

차륜 열균열 발생 1차 시험에서는 제동 초속도별로 제동시험을 실시하였으며 100회 제동시험을 수행하였다. Table 2에서 보여준 바와 같이 차륜에 누적된 제동에너지는 177 MJ이며 최대 온도는 100 km/h에서 136°C를 나타내었다. Fig. 5에 제동 사이클별 차륜답면의 표면을 이동식 광학현미경으로 촬영한 사진을 보여준다. 100 Cycle 후에 찰상으로 인한 미세한 흠집이 발생하고 있으며 열반점이 차륜 표면에 발생하고 있었다. 20-30 mm의 열반점이 차륜표면에 생성되고 있었으며 제륜자와의 마찰열에 의해 국부적으로 가열된 흔적이 관찰되었다. 이러한 열반점이 발생하는 이유에 대하여 많은 연구자들이 연구논문을 통하여 보고하였으며 Dollbear는 제륜자와 차륜의 실접촉면적이 불균일하여 국부적으로 표면이 가열되기 때문이라고 보고하였다.

Fig. 5

Observation and states of wheel tread states for brake cycles

2차 시험에서는 UIC 기준을 준용, 시험조건을 가혹하게 하여 200 Brake Stop 시험을 실시하였다. 120 km/h의 일정 속도하에서 관성중량과, 제동력을 Table 2의 조건을 참조하여 실시하였다. 제동에너지는 471 MJ이며 최대 온도는 120 km/h에서 160°C를 나타내었다. 2차 시험은 1차 시험의 Brake Stop의 100 Cycles 실시 후 차륜에 대하여 계속적으로 제동시험을 실시하였다. 제동회수 125 Cycles후에 차륜표면에 나타난 현상을 Fig. 5에 보여준다. 림부(차륜플랜지 반대쪽) 가까이에서 미세한 균열(Fine Crack)들이 군집하여 발생하였으며 Hot Spot 현상이 100 Cycles의 제동시험에 비하여 다량 발생하고 있었다. Fig. 5에서 광학 현미경 관찰사진에서 미세한 흠집이 다층으로 발생하고 있음을 볼 수 있으며 Hot Spot이 발생한 영역을 확대한 관찰사진에서는 2 mm의 열피로 균열이 발생하고 있음을 관찰할 수 있었다. Fig. 6은 제동시험 후 열반점 발생과 발생된 열균열(길이 2 mm, 깊이 0.2 mm)과 균열이 진전된 관찰 사진을 보여준다. Fig. 7은 200회 제동 후 열균열이 합체되고 진전되는 관찰 사진이다. 이와 같이 제동회수가 반복될수록 제동열에너지가 가중됨에 따라 차륜표면에 미세한 열피로 균열이 발생하고 균열이 합체 진전되고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 6

Observation for wheel tread after brake stops

Fig. 7

Crack conjunction and growth for wheel tread after 200 brake stops

3.2 제동시 온도변화 측정

제동시 열균열의 발생과 차륜 표면온도의 관계를 고찰하기 위하여 Fig. 8과 같이 제동시험시 차륜의 표면온도를 적외선 온도센서(CALEX TL- TI14)와 적외선 열화상 카메라(FlLR SC7500)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 8

Temperature measurement of wheel tread using IR sensor and infra-red camera

Fig. 9에서와 같이 제동시험시 차륜에서 열밴드가 나타나고 있으며 120 km/h에서 차륜표면의 최대 온도는 102°C를 나타내고 있다. 이와 동시에 차륜표면에서 3 mm 떨어진 위치에서 열전대로 측정한 차륜의 최대 온도는 157°C를 나타내었다. Fig. 10은 120 km/h 제동초속도에서 연속하여 제동시 차륜 림부쪽의 최대 온도를 나타낸 것이며 최대온도 135°C를 나타내고 있다.

Fig. 9

Temperature at wheel tread (120 km/h)

Fig. 10

Temperature at wheel rim (120 km/h)

Fig. 11은 적외선카메라에 의한 차륜표면과 차륜 림부의 온도 분포를 열화상 이미지로 나타낸 것으로 제동시 차륜표면은 제륜자의 마찰에 의하여 마찰면에서 표면 온도가 상승하게 되고 서서히 바깥부인 림부쪽으로 열유동이 이루어지면서 온도가 상승하게 된다. 이러한 제동시 최대 온도가 누적되면서 차륜 림부에는 열변색이 발생한다.

Fig. 11

Thermal image using IR camera (120 km/h)

향후의 연구로서 본 연구의 제동시험결과를 기반으로 균열진 전시뮬레이션에 의한 차륜 열균열의 진전한계와 균열진전의 저항성에 대하여 연구를 수행할 것이다.

4. 결론

철도차륜을 대상으로 실물 제동다이나모 시험기를 이용하여 열균열 발생시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 제동에너지와 제동시 마찰온도가 계속 축적될수록 차륜 표면에서는 열반점이 발생하였으며 200 Cycles 제동회수와 1.38 GJ 누적 제동에너지 조건하에서 림부에 가까운 바깥부에서 2 mm의 열균열이 발생하고 있었다.

(2) 제동회수가 증가될수록 차륜표면에서의 열반점이 다량 발생하였으며 광학현미경의 관찰결과 열반점내에서 미세한 열피로 균열이 발생하고 있었다. 제동사이클이 누적될수록 미세한 열균열이 진전 합체되면서 보다 큰 균열로 발전하고 있었다.

(3) 120 km/h 제동초속도에서 연속 제동시 차륜 표면의 최대 온도는 157°C를 나타내고 차륜 림부의 최대온도는 135°C를 나타내었다. 제동시 제륜자의 마찰에 의하여 차륜표면 온도가 상승하게 되고 서서히 바깥부인 림부쪽으로 열유동이 이루어지면서 온도가 상승한다. 이에 대한 영향으로 림부에 가까운 차륜표면에 미세한 열균열이 발생하였다.

Acknowledgments

본 연구는 한국철도기술연구원의 주요연구사업 과제(PK1703A)로 지원되어 수행되었습니다. 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

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