1. 서 론

최근 빠른 경제 성장과 함께 철도의 수송량이 증가하면서 열차의 안정성과 객차의 승차감을 향상시키기 위하여 레일(rail)은 중량화와 더불어 장대화 되고 있다^(1-3). 그러나 철도의 고속화, 여객과 화물 수송량의 증대는 궤도의 부담을 증가시키기에 국내 철도차량기준에서는 열차 운행 시 차륜에 의해 레일에 가해지는 최대 동적 차륜하중을 최대 축중 미만으로 제한하고 있다. 또한 일반철도 차량에 의해 궤도에 가해지는 종방향 하중은 최대 가속 또는 감속을 2.5 m/s2 미만으로 제한하고 있다. 철도 레일은 주위 환경과 열차운행 따른 열적거동과 열차 통과에 의한 복잡한 잔류 응력(residual stress) 패턴(pattern)을 가지고 있다. 잔류응력은 철도 파손 위험, 선로 안정성 및 레일의 수명 등 철도 안정성에 중대한 영향을 준다. 이러한 레일의 잔류응력 특성을 분석하기 위하여 XRD (X-ray diffraction), 초음파(ultrasonic), MBN(Magnetic Barkhausen Noise) 그리고 스트레인게이지(strain gauge) 측정법 등 다양한 연구가 진행 중에 있다.

최근 Batista 등에 의해 연구되고 있는 XRD 잔류응력 측정법은 X-ray의 파장을 변경하거나 두 개의 검출기를 사용하여 변형률과 잔류 응력을 알지 못해도 잔류응력을 측정할 수 있다⁽⁴⁾. 그러나 레일 내부로 침투할 수 있는 깊이가 표면에서 30 ㎛이내로 한정적이고, 모든 방향에 대한 탄성상수(crystal lattice)를 알 수 없어 측정이 불가한 단점을 가지고 있다⁽⁵⁾. 초음파 측정법은 응력으로 인한 초음파의 속도 변화를 이용한 것으로 파동 유형 및 전파 방향 등에 따라 레일의 응력을 측정한다. 그러나 초음파의 속도는 온도와 레일 매질의 미세 구조에 따라 달라지기에 평균 응력 측정과 특정 위치에 대한 측정이 어려운 단점을 가진다⁽⁶⁾. 세 번째 MBN 측정법은 자속밀도의 Barkhausen 효과를 이용한 것으로 응력에 따른 자속밀도의 변화를 측정하는 방법이다. MBN 신호 모양의 변화, 피크의 수와 값 및 여러 사이클에 걸친 RMS(Root Mean Square) 값으로 응력에 의한 자성 물질 구조 변화를 알 수 있다. 그러나 실제 레일에 적용하였을 때 열효과로 인해 레일 내부 매질의 도메인(domain) 벽에 영향을 주어 정확한 응력 측정이 어렵다⁽⁷⁾. 마지막으로 스트레인 게이지 측정법은 금속선이 응력에 따라 전기적 저항(electrical resistance)이 변화는 특성을 이용하기에 여러 측정법 중 가장 용이하게 응력을 측정할 수 있는 방법이다⁽⁸⁾. 그러나 레일의 변형 특성을 측정 하는데 사용될 수 있지만 아직 실제 운영노선에 적용한 연구사례는 많지 않으며⁽⁹⁾, 다양한 스트레인 게이지 위치 및 열차 속도 조건에서 측정한 연구는 저조하다.

전기 철도 레일 응력에 관련된 연구들은 실제 차량 운행에 따른 다양한 실험적 결론을 도출하는데 한계를 갖는다. 이에 따라 본 논문에서는 차륜 답면의 정비에 따른 스트레인 게이지 위치와 차륜 이동 속도별 레일의 변형률을 측정하고 특성을 분석하고자 한다. 효과적인 스트레인 게이지 설치 위치를 파악하기 위하여 레일 측면 상중하 부분에 대한 실험을 진행하였으며, 가장 안정적인 게이지 설치 위치를 도출 하였다. 이를 바탕으로 차륜상태 및 게이지 간격을 달리하여 2 km/h와 20 km/h에서의 레일의 변형률을 각각 측정하고 분석하였다.

2. 철도 레일 변형률 측정 조건 및 방법

전기 철도 레일은 차륜에 의하여 궤도에 가해지는 수직의 힘인 윤중과 차륜 플랜지와 레일의 접촉으로 횡압에 의해 응력(stress)을 받는다. 이러한 레일의 응력은 식(1)과 같이 계산 될 수 있다^(10,11).

여기서, σ는 응력이고, E는 탄성계수, δ는 변형된 길이 그리고 l은 원래 길이이다. 또한 변형률은 δ/l로 계산이 가능하기에 단위가 없는 특성을 가진다. 본 논문의 실험에 사용된 스트레인 게이지의 특성인 전기저항의 변화량과 변형률의 관계를 나타내는 게이지 팩터(gauge factor) 공식은 식(2)와 같다⁽¹²⁾.

여기서, K는 게이지 펙터, ΔR은 전기저항의 변화, RG는 게이지 전기저항, 그리고 ε는 변형률이다. 즉, 레일의 구조적인 변화량을 전기저항의 변화량으로 변환하여 간접적으로 측정하는 원리를 사용한다. 이러한 스트레인 게이지를 사용하여 본 논문에서는 레일의 변형률을 차륜 답면 정비 전과 후의 조건에서 속도 변화 및 측정위치 등 다양한 조건에서 측정하고자 하였다.

열차 운행에 따른 레일의 변형률 측정 실험은 대전철도차량정비단 내의 간이 레일에서 진행 하였다. 그림 1에 스트레인 게이지의 설치 위치와 차륜의 이동방향을 보여주고 있다. 철도 레일의 옆면에 4개의 스트레인 게이지를 설치한 뒤, 차량을 왕복 이동시켜 차량의 하중에 따른 레일의 변형률을 측정하였다.

차륜 이동에 의한 레일의 변형 측정은 그림 2와 같이 레일 하단부에 Vishay Intertech.사의 125 LW-350 스트레인 게이지를 부착하고 P3 스트레인 리코더(recorder)를 사용하여 변형률을 측정하였다. 실험에 사용된 스트레인 게이지의 사양을 표 1에 기술하였다.

앞서 언급한바와 같이 철도차량의 운행에 따른 레일의 변형률을 다양한 조건에서 분석하기 위해서 본 논문에서는 레일 단면 상중하, 짧은 거리별 그리고 긴 거리별 등 3가지 조건에 따른 레일의 변형률을 측정하였다. 아래에 상기 3가지 측정 조건을 자세히 기술 하였다.

첫 번째 측정조건은 철도 레일 옆면의 상중하 위치에 따른 각각의 변형률을 측정하는 것이다. 열차 운행에 따른 차륜하중 및 상태 등이 레일의 변형률에 가장 많은 영향을 주는 지점을 파악하기 위하여 그림 3과 같이 4개의 스트레인 게이지를 설치하였다.

두 번째 측정조건에서는 레일 가로방향의 변형을 분석하기 위하여 레일 하단면에 스트레인 게이지 간격을 10 cm, 20 cm 및 30 cm로 설정하여 변형률을 측정하였다. 그림 4는 레일 하단면 짧은 거리에 따른 변형률 측정 사진이다. 상기와 같이 스트레인 게이지 간 거리를 둔 이유는 차륜이 레일 위를 이동할 때 측정지점 1에서부터 4까지의 레일의 변형이 발생하는 시작점을 파악하기 위함이었다.

마지막 세 번째 측정조건에서는 두 번째 측정조건과 유사하나 스트레인 게이지 간 거리를 늘려 변형률을 측정하였다. 그림 5에 레일 하단면에 스트레인 게이지 간 간격을 30 cm, 50 cm 그리고 100 cm로 설정한 사진을 보여주고 있다. 상기 3가지 측정 조건 모두 열차의 속도를 2 km/h와 20 km/h로 각각 나누어 차륜 정비 전과 후에 따른 레일의 변형을 측정하고 분석하였다.

3. 철도 레일 변형률 측정 결과

4. 결 론

본 논문에서는 차륜 답면 정비에 따른 레일의 변형률 특성을 분석하기 위하여, 스트레인게이지를 레일 단면 상중하, 짧은 거리 그리고 긴 거리 등 3가지 조건으로 설치하여 차륜 이동에 따른 레일의 변형을 측정하였다. 첫 번째 측정조건에서 레일 변형률의 크기는 레일 상단부에서 가장 크게 나타났으며, 두 번째로 하단부 그리고 중단부 순으로 나타났다. 스트레인 게이지를 짧은 거리와 긴 거리 간격으로 설치하여 레일 변형을 측정 한 결과 차륜 답면 정비 전과 대비 정비 후에서 거의 모든 레일 변형이 평균 약 6% 감소되는 특성을 보였다. 이러한 결과는 차륜의 정비 상태에 따라 고속이동 시 레일에 가해지는 변형을 줄일 수 있으며 이로 인해 철도운영의 안정성을 보다 확보 할 수 있으리라 판단된다. 또한 향후 레일 응력의 실시간 모니터링(real-time monitoring)을 통해 레일의 상태를 점검 할 수 있으며, 유지보수 시 사용자에게 점검 우선순위를 제공하는데 도움이 되리라 사료된다.