1. 서론
장대레일은 초기부설 시 대기조건에 따른 레일온도가 존재하며, 이때의 레일온도는 레일의 축력(응력)을 발생시키지 않는다(중립온도). 그러나 열차의 운행, 기후 변화, 궤도상태 결함 등으로 인해 레일온도가 초기부설 시의 레일온도와 동일함에도 불구하고 축력이 발생하게 된다. 이를 중립온도의 변동이라 하며, 단순하게 레일온도만으로 중립온도를 추정하기는 상당히 어렵다. 이러한 중립온도 변동은 장대레일의 좌굴 및 파단의 위험성을 초기부설 시에 비해 급격하게 증가시킨다. 장대레일 좌굴 및 파단의 위험성은 곧 열차 탈선으로 직결되기 때문에 선로관리 측면에서 중립온도는 매우 중요한 요소이다.
현재 국내에서의 중립온도는 레일의 실제 축력 상태를 측정하기 보다는 레일온도만을 측정하는 재래식의 경험적인 방법에 의존하고 있으며, 이를 통해 레일을 유지⋅관리하는 재설정 작업까지 이어지고 있는 실정이다. 재설정은 장대레일 체결장치를 모두 풀어서 레일 밑에 롤러를 삽입시켜 자유 신축의 상태로 축력을 해방시키고 가열 등에 의하여 적온(適溫)으로 복원하여 재구속하는 레일 관리법으로 상당한 인력 및 시간이 소요된다. 이는 정확한 레일의 축력 상태를 모르는 상태에서 경험적인 방법에 의존한 재설정 작업은 레일 유지관리 작업에서 상당한 경제적 손실이 발생할 수 있다는 것을 의미한다.
국내 철도운영기관은 정확한 중립온도의 측정을 위해 연구용으로 준비파괴형 측정 장비인 VERSE(VErtical Rail Stiffness Equipment)를 도입하여 사용하고 있다. 그러나 VERSE를 이용한 중립온도 측정 시, 약 30m의 체결장치를 해제하고, 장비를 설치하여 하중을 인가하는 등 상당한 인력 및 시간이 필요함에 따라 단시간 내 여러 개소의 중립온도를 도출하기에는 한계가 있다. 이에 따라 국내에서는 신속하고 정확하게 축력을 측정할 수 있는 장비의 개발이 선로 관리 상 요구되고 있다.
국외에서는 많은 연구자들이 신속하고 정확하게 중립온도를 도출하기 위하여 비파괴방식의 다양한 원리를 적용하여 레일축력 장비를 개발하였거나 개발 중에 있다. 비파괴방식은 측정 대상인 레일에 손상을 주지 않기 때문에 운행 중 레일의 축력 측정을 위해 필수적인 요소이며, 초음파(Ultrasonic wave), 진동(Vibration), 자기(Magnetism) 방법 등이 대표적이다. 초음파를 이용한 레일의 응력 측정은 Szelazek(1998), Watson(1993), Allen & Sayers(1994)에 의해 제안되었으며, 초음파 속도에 따른 응력을 도출하는 방식으로 레일 온도 및 야금의 영향을 크게 받는다. 진동을 이용한 측정방법은 별도의 교정(calibration) 없이 레일의 응력 상태를 판단할 수 있으나, 변형률 게이지 측정 데이터와 비교 시 큰 차이가 있다(Richard, W.). 그리고 자기에 의한 방법은 강자성체(Ferromagnetic Material)에서 응력과 자기적 특성관계를 도출하여 레일의 응력을 측정하는 것으로, 자기이방성(Magnetic Anisotropy), 바크하우젠 잡음(Barkhausen Noise) 원리를 이용한 레일축력 측정 장비가 개발되었다(Buttle, et al., 2006; Wegner, 1997).
자기적 특성을 이용한 레일 응력 측정 방법은 측정 시간이 짧고, 정확도가 높아 현장 적용성이 우수한 것으로 나타났다(Hrebicek, 2007). 이에 따라 레일의 축력 측정 시 자기적 방법을 이용하는 것이 합리적이라고 판단되었으며, 자기적 방법 중 재료의 응력 상태(Current Axial Stress, CAS)를 정량적으로 측정할 수 있는 빌라리 효과(Villari Effect)에 대한 선행연구를 수행하였다. 빌라리 효과는 재료의 자화 상태에 따라 길이가 변화는 특성을 이용하여 응력을 인가하면 자기이력곡선(Hysteresis Loop)이 변하는 현상이다(Park et al., 2016). 본 논문에서는 레일 단면에서 추출한 시편에 대해 자화를 시킨 후, 자화력(H) 대비 자속밀도(B)의 분포인 자기이력곡선(Hysteresis loop)을 측정하였다. 자기이력곡선 분포를 통해 레일의 응력 상태 및 추후 개발하고자 하는 레일축력 측정 장비에서 측정할 자기 특성을 도출하였다.
2. 자기특성 측정
2.1 측정 원리
레일은 강철로 제작이 되었고, 강자성체의 자기이력 특성과 Joule 효과로 알려진 자기변형(magnetostriction) 특성이 있다. 본 연구에서는 우선적으로 레일에 응력이 가해지지 않은 상태의 레일 단면 내 위치별 자기 특성을 분석하고자 시편 가공 시 발생하는 응력을 최소화하기 위하여, 시편을 레일로부터 EDM(방전가공, Electric Discharge Machining)을 이용해 제작하였다. 인장 및 압축을 가하지 않은 상태에서 Fig. 2와 같은 순서에 의해 자기 특성을 측정하였다. 시편에 인가되는 자화력을 측정하기 위한 1차 코일의 전류는 분류(shunt) 저항(Rs)을 사용하여 전압 신호(Vs)로 변화시킨 후 디지타이저(digitizer)를 사용하여 디지털(digital) 신호로 변환하여 컴퓨터에서 계산하였다. 시편의 자속밀도는 Faraday의 전자기 유도법칙에 의하여 2차 코일에 유도된 기전력을 자속계(fluxmeter)로 전자적분을 한 후에 digital 신호로 변환시킨 후 컴퓨터로 가져와서 단면적과 코일 권선수를 나누어 계산하였다(Kang et al., 2015).
2.2 측정 시스템
자화력 및 자속밀도 측정을 위한 측정시스템은 Fig. 3과 같다. 시편을 자화시키고, 자기폐회로를 구성하기 위하여 Yoke부와 ‘2.1 측정 원리’에서 언급한 자화력을 발생시키고
측정하기 위한 전력증폭기 및 분류저항, 그리고 자속밀도를 측정하기 위한 자속계로 구성되어 있는 DC B-H loop tracer, 이를 제어하고 측정결과를 처리하여 출력하는 LabVIEW S/W로 구성된다.
2.3 시편 제작
자기 특성 측정을 위한 시편은 시편 Fig. 4의 (a)와 같이 레일 단면에서 위치별로 추출하였으며, (b)와 같은 크기(120L×10B×1T)로 제작하였다.
시편 제작 대상 레일은 50kgN으로 하였으며, 레일의 열처리 및 마모 유무에 따른 자기 특성 변화를 측정하기 위해 신레일(New rail), 열처리레일(New head-hardened rail), 마모레일(Worn rail)을 대상으로 하였다(Fig. 5(a)~(c)). 이 때 수집한 마모레일의 통과톤수는 약 490MGT로 직마모 형상을 나타내고 있다. 시편 제작을 위한 레일 절단 시 EDM을 적용하여 응력의 변화를 최소화하였다(Fig. 5(d)). 또한 레일에서 추출한 시편도 응력 변화를 최소화하기 위해 표면 연마와 같은 추가적인 작업은 하지 않았다.
3. 자기이력곡선과 응력의 상관관계 분석
3.1 자기이력곡선 도출
레일에서 추출한 시편을 Yoke에 고정하고, DC B-H Loop Tracer 및 LabVIEW S/W를 통해 레일 종류에 따른 자기이력곡선을 도출하였다. 세 종류의 레일에 대해서 각 레일 단면 별 10개의 위치에서 추출한 시편에 대해 각 1회씩 자기적 특성을 측정하였다. 각 레일의 단면 전체 및 두부, 복부, 저부의 자기이력곡선은 비교⋅분석을 용이성을 위해 분류하여 작성하였다.
3.1.1 신레일(New Rail)
3.1.2 열처리레일(New Head-hardened Rail)
Table 2
Magnetic Characteristic Value for the Head-hardened Rail
열처리레일에서 추출한 시편에 대한 자기이력곡선을 측정한 결과, 시편 NO. 1,3,4를 제외한 나머지 시편의 자기이력곡선이 유사하게 나타났다. 이를 통해 NO. 1,3,4의 시편이 상대적으로 큰 응력을 받고 있는 상태로 예상할 수 있으며, 이 결과는 레일 두부에 열처리를 하여 강도를 증가시키는 열처리레일의 특성이 나타난 것을 의미한다. 그리고 정량적으로는 Table 2에 제시된 바와 같이 NO. 1,3,4 시편이 타 시편에 비해 Bmax 평균값은 약 1~6%, Br 평균값은 약 25~56%, Hc 평균값은 약 40~106% 크게 나타났다.
3.1.3 마모레일(Worn Rail)
Table 3
Magnetic Characteristic Value for the Worn Rail
마모레일에서 추출한 시편에 대한 자기이력곡선을 측정한 결과, 신레일의 결과와 동일하게 시편 NO. 1을 제외한 나머지 시편의 자기이력곡선이 유사하게 나타났다. 이를 통해 NO. 1의 시편이 타 시편에 비해 상대적으로 큰 응력을 받고 있는 것으로 추측할 수 있으며, 자기이력곡선의 분포는 잔류자속밀도 및 보자력이 증가함에 따라 신레일 시편 NO. 1에 비해 더 넓게 나타남을 알 수 있다. 그리고 정량적으로는 Table 3에 제시된 바와 같이 시편 NO. 1이 타 시편에 비해 Bmax 값은 약 –2~6%, Br 값은 약 38~64%, Hc 값은 약 29~57% 크게 나타났다.
3.2 인장시험 분석
자기이력곡선으로만 레일의 응력 상태를 정량적으로 판단하기 어려워 자기이력 특성 측정 시편과 동일한 위치에서의 인장시편을 제작하였다. 인장시험을 위한 시편은 레일 단면 위치에서 중복성 및 중요성을 고려하여 자기 특성이 상대적으로 차이가 있는 두부면에서 3지점(NO.1,2,3), 자기 특성이 유사한 지점에서 3지점(NO.6,8,9)을 선정하였다.
인장시편은 Fig. 9와 같이 ASTM A370-16의 판형 인장시험 소형 시편(Subsize Specimen) 규격의 비율을 유지한 상태에서 자기이력 측정 시편과 동일한 폭(10mm)으로 하여 인장시험을 수행하였다(ASTM 2016). 자기특성 측정과 동일하게 인장시험도 신레일, 열처리레일, 마모레일을 대상으로 하였으며, 응력-변형률 선도를 작성하고, 항복 및 인장 응력, 연신율을 구하였다.
3.2.1 신레일(New Rail)
신레일에 대한 인장시험의 결과인 응력-변형률 선도는 Fig. 10과 같으며, 항복응력(Yield Stress) 및 인장응력(Tensile Stress), 연신율(Elongation)은 Table 4에 제시하였다.
Table 4
Mechanical Properties of the New Rail
| Specimen Number(NO.) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 6 | 8 | 9 | |
| Yield Stress(MPa) | 836 | 495 | 499 | 466 | 571 | 489 |
| Tensile Stress(MPa) | 900 | 790 | 825 | 810 | 829 | 847 |
| Elongation(%) | 13.5 | 12.2 | 11.8 | 16.4 | 17.2 | 18.5 |
신레일에 대한 인장시험 결과, 자기특성 측정 결과와 유사하게 NO. 1의 시험편이 타 시편에 비해 항복응력 및 인장응력이 차이가 있는 것으로 나타났으며, 그 차이는 각각 약 46~ 79%, 약 6~14% 크게 나타난다.
3.2.2 열처리레일(New Head-hardened Rail)
Table 5
Mechanical Properties of the Head-hardened Rail
| Specimen Number(NO.) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 6 | 8 | 9 | |
| Yield Stress(MPa) | 878 | 495 | 833 | 459 | 540 | 480 |
| Tensile Stress(MPa) | 1055 | 1010 | 1020 | 843 | 804 | 814 |
| Elongation(%) | 8.1 | 8.3 | 4.6 | 11.2 | 10.9 | 7.6 |
열처리레일에 대한 인장시험 결과, 항복응력은 자기 특성 측정 결과에서 자기이력곡선 형상이 다르게 나타난 NO. 1,3 시편에서 큰 것으로 측정되었다. NO. 1,3의 평균 항복응력은 856MPa로 타 시편에 비해 약 58~86% 크게 나타났다. 그러나 인장응력은 항복응력과 다르게 시편 NO. 2가 NO. 1,3과 유사한 값을 나타내는 것으로 측정되었다.
3.2.3 마모레일(Worn Rail)
Table 6
Mechanical Properties of the Worn Rail
| Specimen Number(NO.) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 6 | 8 | 9 | |
| Yield Stress(MPa) | 748 | 505 | 528 | 444 | 524 | 465 |
| Tensile Stress(MPa) | 1000 | 796 | 810 | 798 | 796 | 820 |
| Elongation(%) | 10.7 | 11.2 | 18.0 | 17.0 | 16.1 | 18.5 |
마모레일에 대한 인장시험 결과는 신레일의 인장 시험 결과와 비슷한 경향으로 나타나며, 자기특성 측정 결과와 유사하게 NO. 1의 시편이 타 시편에 비해 항복응력 및 인장응력이 크게 측정되었다. 여기서 항복응력은 약 42~68%, 인장응력은 약 22~26% 크게 도출되었다.
3.3 자기특성과 응력의 상관관계
자기특성 측정 결과와 인장시험에 의한 항복 및 인장 응력을 비교한 결과, 레일에서 추출한 시편 중 레일 두부 위치에 해당하는 몇몇 시편의 자기특성이 타 시편과 차이가 있는 것으로 측정되었으며, 이 시편들의 항복 및 인장 응력도 크게 도출되는 경향을 보였다. 이에 따라 자기특성(Bmax, Br, Hc)과 인장시험 결과(항복응력, 인장응력)의 비교를 위해 Figs. 13 ~ 15와 같은 선도를 작성하고 상관관계가 있는지 여부를 검토하였다.
Figs. 13 ~ 15를 검토한 결과, 레일에서 추출한 시편에 대한 자기특성 측정 결과 중 잔류자속밀도(Br), 보자력(Hc)과 항복응력, 인장응력의 변동이 유사성을 갖는 것으로 판단되어, 상관분석(Correlation Analysis)을 수행하였다. 상관분석은 자기특성 측정 결과와 인장시험 결과에서 도출된 모든 인자를 대상으로 하였으며, 피어슨 상관계수를 이용하였다.
상관분석 결과는 Table 7과 같으며, 잔류자속밀도, 보자력이 항복응력 및 인장응력과의 상관계수(r)가 0.791∼0.902로 높은 상관관계가 있음을 나타내고, 상관관계가 0.01 수준(양측)에서 유의한 것으로 도출되었다. 이를 통해 자기적
Table 7
Correlation Analysis(N=18)
| Specimen Number(NO.) | ||||
|---|---|---|---|---|
| Bmax | Br | Hc | ||
| Yield Stress | r | 0.186 | 0.881 | 0.843 |
| p-value | 0.459 | 0.000 | 0.000 | |
| Tensile Stress | r | -0.063 | 0.791 | 0.902 |
| p-value | 0.804 | 0.000 | 0.000 | |
방법에 의한 레일 종방향 응력 측정에서 활용할 수 있는 자기 특성은 잔류자속밀도 또는 보자력으로 결정할 수 있다.
4. 결론
본 논문은 자기적 방법을 이용한 레일 종방향 응력 측정을 위한 기초연구로써 레일에서 추출한 시편을 이용해 자기이력곡선을 작성하였다. 그리고 자기특성과 인장시험 결과에 대한 비교⋅분석을 수행하였으며, 결론은 다음과 같다.
레일에서 추출한 시편의 자기이력곡선 측정 결과, 측정 대상 레일인 신레일, 열처리레일, 마모레일의 두부 상면에서 추출한 시편의 자기이력곡선 형태가 타 위치의 시편과 차이가 있다. 이 중 열처리레일의 경우는 두부 측면에서 추출한 시편도 타 레일의 두부 상면 추출 시편과 유사한 자기이력곡선이 나타난다.
자기이력곡선 형태와 인장시험 결과의 관계를 통해 잔류자속밀도 및 보자력이 시편의 기계적 성질인 항복 및 인장 응력의 크기에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 상관분석을 통해 그 관계를 정량적으로 평가하였다.
레일 축력 측정 장비 개발을 위하여 자기 특성과 웅력의 관계식을 도출할 필요가 있으며, 이러한 관계식 도출을 위해 시편에 일정한 간격으로 힘을 가하고 그 시점에서의 자기 특성을 측정하는 과정이 추가적으로 필요하다.
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