KR100682514B1 - 철도차륜 균열시험장치 및 균열시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차륜의 균열시험장치 및 균열시험방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 균열시험장치는, 중공의 차륜시편이 고정되는 차륜시편측 구동부와; 중공의 레일시편이 고정되는 레일시편측 구동부와; 상기 차륜 및 레일시편측 구동부에 결착되어 각 시편을 취부하는 시편 고정지그와; 상기 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 구름 마찰에 의한 각 시편의 답면에 슬립이 형성되게 하는 수직하중 가압장치와; 상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 윤활유를 공급하는 윤활공급장치와; 상기 차륜시편과 레일시편에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등을 입출력하기 위한 콘트롤장치;로 구성되어 있다.

또한, 본 발명의 균열시험장치를 이용한 균열시험방법은, 실제 차륜 및 레일에서 차륜시편과 레일시편을 추출함과 아울러, 시편의 시험전 상태를 측정 및 검사하는 제 1 과정과; 상기 시편들을 균열시험장치의 차륜시편측 구동부와 레일시편측 구동부에 각각 결합시킨 후, 콘트롤장치를 통해 실험조건의 변수들을 입력시키는 제 2 과정과; 상기 입력된 실험조건에 의해 차륜시편과 레일시편에 수직하중이 작용되도록 균열시험장치를 구동시키는 제 3 과정과; 상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 물을 공급하는 제 4 과정과; 상기 레일시편측 구동부에 설치된 진동센서를 통해 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 진동을 감지하는 제 5 과정과; 상기 균열시험장치에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 데이터 처리장치에 저장하는 제 6 과정;을 포함하여 이루어져 있다.

따라서, 본 발명의 균열시험장치 및 균열시험방법에 의하면, 철도차량용 차륜 및 레일로부터 추출한 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 상호 구름마찰에 의해 각 시편에 균열이 발생되도록 하는 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일에 발생되는 박리나, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

균열시험장치, 차륜시편, 레일시편, 시편 고정지그, 수직하중, 균열

Description

철도차륜 균열시험장치 및 균열시험방법{Crack tester and test method of thereof for railway wheel}

도 1은 종래 철도차륜 마모시험장치를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 2는 종래 철도차륜 마모시험장치 중 차륜시편과 레일시편이 접촉되는 시편접촉부의 상세도.

도 3은 본 발명의 철도차륜 균열시험장치를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 차륜시편 및 레일시편과 상기 시편들이 취부되는 시편 고정부재의 사시도.

도 5는 본 발명의 균열시험장치를 통해 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 물을 공급키 위해 설치된 윤활공급장치의 설치 상태도.

도 6은 본 발명의 균열시험장치에 있어 시편접촉부의 작용상태도.

도 7은 본 발명의 균열시험장치에 의한 차륜시편과 레일시편의 균열시험과정을 나타낸 블록도.

도 8은 본 발명에 의한 균열시험을 통해 시편에 균열이 발생한 상태를 나타낸 상태도.

도 9는 본 발명에 의한 균열시험시 수직하중에 따른 시편의 잔류응력변화를 나타내 그래프.

도 10은 접촉하중과 수명과의 관계를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1a. 균열시험장치 50. 차륜시편측 구동부

51. 차륜시편 55. 차륜시편 고정부

57. 가이드 봉 58. 가동 프레임

60. 레일시편측 구동부 61. 레일시편

51a, 61a. 결합홈 52, 62. 시편 고정지그

52a, 62a. 결합돌기 66. 레일시편 고정부

70. 수직하중 가압장치 53, 63, 71. 구동모터

72. 나사이송축 80. 콘트롤장치

81. 수직하중 입출력부 82. 차륜시편 회전수 입출력부

83. 레일시편 회전수 입출력부 84. 차륜시편 토오크 입출력부

85. 자동/수동 전환스위치 90. 윤활공급장치

91. 수관 92. 유량조절밸브

95. 진동센서

S100. 시편추출 및 측정검사과정(제 1 과정)

S200. 시험조건 입력과정(제 2 과정)

S300. 시험장치 구동과정(제 3 과정)

S400. 윤활공급과정(제 4 과정)

S500. 시편진동 측정과정(제 5 과정)

S600. 결과데이터 저장과정(제 6 과정)

S700. 결과데이터 출력과정(제 7 과정)

S800. 시험장치 정지과정(제 8 과정)

본 발명은 철도차륜 균열시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량용 차륜 및 레일로부터 추출한 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 상호 구름마찰에 의해 각 시편에 균열이 발생되도록 하는 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일에서의 박리나, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석하여 차륜 및 레일의 수명을 예측할 수 있도록 한 철도차륜 균열시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 차륜 및 레일의 박리나 균열 등을 분석하기 위한 균열시험은 상기 차륜 및 레일의 마모특성 즉, 일정두께의 원판형태로 이루어진 차륜시편 및 레일시편을 구름접촉시켜 각 시편의 마모량 및 치수 등을 측정하여 상기 차륜의 답면 및 레일 접촉면의 마모특성을 분석하는 마모시험장치를 사용하게 되는데, 이러한 종래 철도차륜 마모시험장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 구동모터(10)와, 상기 구동모터(10)의 회전력을 차륜시편(22)측에 전달하는 동력전달부와, 상기 동력전달 부에 의해 전달된 회전력을 통해 구동될 수 있도록 원판형태의 차륜시편(22)이 결합되는 차륜시편 고정부(20)와, 상기 차륜시편 고정부(20)와 대향되게 설치됨과 아울러 상기 차륜시편(22)과 구름 접촉이 이루어질 수 있게 원통형의 레일시편(32)이 결합되는 레일시편 고정부(30)와, 상기 차륜시편(22)과 레일시편(32) 간에 구름 접촉이 이루어지도록 수직하중을 가해주는 하중작용부(40)로 구성되어 있다.

미 설명 부호 23, 33은 상기 차륜시편 고정부(20) 및 레일시편 고정부(30)에 차륜시편(22)과 레일시편(32)을 고정시키는 고정너트(23, 33)를 나타낸 것이다.

이 때, 상기 동력전달부는 상기 구동모터(10)의 회전축과 차륜시편 고정부(20)를 회동시키는 구동축을 연결시켜 상기 구동모터(10)의 회전력을 구동축에 전달하는 제 1 동력전달부재, 및 상기 제 1 동력전달부재를 통해 구동축으로 전달된 회전력을 상기 차륜시편 고정부(20)에 전달하는 제 2 동력전달부재와, 상기 제 1 동력전달부재를 통해 구동축으로 전달된 회전력을 상기 레일시편 고정부(30)에 전달하는 제 3 동력전달부재로 구성되되, 상기 제 1 동력전달부재는 상기 회전축 및 구동축의 일측단에 각각 설치된 풀리(11, 12)와 상기 풀리(11, 12)에 연결된 벨트(13)로 이루어져 있고, 상기 제 2 동력전달부재는 상기 구동축의 타측단 및 차륜시편 고정부(20)의 일측단에 상호 연접되도록 설치된 2차 구동기어(17)와 종동기어(21)로 이루어져 있으며, 상기 제 3 동력전달부재는 상기 구동축의 풀리(12) 후방측 및 레일시편 고정부(30)의 일측단에 상호 연접되도록 설치된 1차 구동기어(16)와 종동기어(31)로 이루어져 있다.

또한, 상기 하중작용부(40)는 상기 차륜시편 고정부(20) 외주면에 일체로 형 성된 작용레버(41)와, 하중작용레버(43) 조작시 가압되는 스프링(44)에 의해 가압부재(45)를 잡아당겨 상호 접촉된 차륜시편(22) 및 레일시편(32)에 수직하중이 작용되도록 상기 작용레버(41)와 대응되게 설치되는 하중가압장치(42)로 이루어져 있다. 미 설명 부호 46은 작용된 하중량을 표시하는 표시부(46)를 나타낸 것이다.

이와 같이 구성된 철도차륜 마모시험장치의 마모시험과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 철도차륜 마모시험장치(1)를 구동하기에 앞서, 차륜과 레일에서 일정두께의 원판형태로 차륜시편(22)과 레일시편(32)을 추출한 후, 상기 추출된 시편들(22, 32)의 각 무게를 측정한 다음, 이를 철도차륜 마모시험장치(1)의 차륜시편 고정부(20)와 레일시편 고정부(30)에 각각 결합시키는 등 상기 마모시험장치(1)에 차륜시편(22)과 레일시편(32)을 고정시킨다.

상기와 같이 고정된 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 마모시험을 위하여 스위치(미도시)를 온(on)시키면, 모터 구동에 의한 회전력이 상기 구동모터(10)의 회전축과 구동축을 연결하는 제 1 동력전달부재와, 상기 구동축과 차륜시편 고정부(20)를 연결하는 제 2 동력전달부재를 통해 상기 차륜시편(22)이 결합된 차륜시편 고정부(20)로 전달되어 상기 차륜시편(22)이 회전하게 된다.

또한, 상기 모터 구동에 의한 회전력이 상기 구동축과 레일시편 고정부(30)를 연결하는 제 3 동력전달부재를 통해 상기 레일시편(32)이 결합된 레일시편 고정부(30)로 전달되어 상기 레일시편(32) 역시 회전하게 된다.

상기와 같이 회전하는 차륜시편(22)과 레일시편(32)을 구름 접촉시키기 위하 여, 상기 차륜시편 고정부(20) 외주면에 일체로 형성된 작용레버(41)에 하중가압장치(42) 중 가압부재(45)를 대응시킨 후 상기 작용레버(41)를 가압하게 되면, 도 2에 도시한 바와 같이 상호 접촉된 차륜시편(22)과 레일시편(32)에 수직하중이 작용되면서 상기 차륜시편(22)과 레일시편(32) 간에 상호 대향되는 구름운동이 이루어지게 되고, 상기 구름운동에 의한 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 답면에 슬립(slip)이 발생하게 된다.

이와 같이 답면에 슬립이 발생된 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 무게를 측정하기 위하여 구동중인 마모시험장치(1)를 정지시킨 다음, 상기 차륜시편 고정부(20)와 레일시편 고정부(30)로부터 차륜시편(22) 및 레일시편(32)을 분리한 후, 분리된 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 무게를 다시 측정한 다음, 시험 전(前) 차륜시편(22)과 시험 후(後) 차륜시편(22)의 무게를 이용해 차륜시편(22)의 마모량을 계산하게 되고, 상기 레일시편(32) 역시 시험 전(前) 레일시편(32)과 시험 후(後) 레일시편(32)의 무게를 이용해 마모량을 계산하게 된다.

한편, 차륜 및 레일에서의 박리나 균열 등을 분석하기 위한 균열시험의 경우, 전술한 바와 같이 종래 철도차륜 마모시험장치(1)를 이용하여 이루어지게 되는데, 이러한 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 균열시험은 작용되는 수직하중에 의해 차륜시편(22)과 레일시편(32)이 상호 접촉됨과 동시에, 상호 대향되는 구름마찰을 통해 슬립(slip)이 발생되는 상기 차륜시편(22)과 레일시편(32)을 일정 회전수마다 시험을 중지한 후 각 시편(22, 32)의 균열 발생 유무를 반복적으로 확인하는 것으로 이루어지게 된다.

하지만, 상기한 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 균열시험은 전술한 바와 같이, 종래 마모시험장치(1)를 이용해 균열시험이 시행되기 때문에, 차륜시편(22)과 레일시편(32)에 작용되는 부가하중에 제약이 많이 따라 실제 철도차량용 차륜과 레일의 접촉부에 작용하는 하중과 등가의 응력분포 조건을 구현하기가 매우 어려운 커다란 문제점이 있었다.

그리고, 상기 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 균열시험을 위해 각 시편(22, 32)을 마모시험장치(1)의 차륜시편 고정부(20)와 레일시편 고정부(30)에 삽착시킨 후 고정너트(23, 33)를 체결하여 고정시켰으며, 회전축과의 압착으로 인해 상기 시편들(22, 32)을 탈거하기가 매우 어려운 문제점도 있었다.

또한, 상기 균열시험 중인 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 균열발생 유무를 확인하기 위해서는 일정 회전수마다 마모시험장치(1)를 정지시킨 후 각 시편(22, 32)의 균열 발생 유무를 확인하여야 하기 때문에, 이에 따른 시험시간이 지연되게 되는 문제점도 있었다.

더욱이, 상기 균열시험시 차륜시편(22)과 레일시편(32)에 주기적으로 물 주입이 이루어지는 윤활공급장치(미도시)가 자동화되어 있지 않고, 수동적으로 물을 공급하여야는 번거로움과 함께, 전술한 문제점들에 의한 상기 차륜시편(22)과 레일시편(32)의 균열시험결과를 신뢰할 수 없게 되는 등의 문제점 역시 발생되었다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은, 철도차량 용 차륜 및 레일로부터 추출한 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 상호 구름마찰에 의한 각 시편에 균열이 발생되도록 하는 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일에 발생되는 박리나, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기와 같이 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일의 박리, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석함으로써, 박리나 균열에 의한 실제 차륜 및 레일의 수명을 예측할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

그리고, 상기와 같이 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일의 박리, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석함으로써, 박리나 균열로부터 실제 차륜 및 레일에 대한 수명을 연장시킬 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 철도차륜 균열시험장치는, 중공의 차륜시편이 고정되는 차륜시편측 구동부와;

중공의 레일시편이 고정되는 레일시편측 구동부와;

상기 차륜 및 레일시편측 구동부에 결착되어 각 시편을 취부하는 시편 고정지그와;

상기 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 구름 마찰에 의한 각 시편의 답면에 슬립이 형성되게 하는 수직하중 가압장치와;

상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 윤활유를 공급하는 윤활공급장치 와;

상기 차륜시편과 레일시편에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등을 입출력하기 위한 콘트롤장치;로 구성된 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 차륜시편과 레일시편의 구름 마찰에 의해 발생되는 진동을 측정하기 위해 상기 레일시편측 구동부 상단에 진동센서가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열시험장치에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 저장 및 출력하기 위한 데이터 처리장치가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 차륜시편과 레일시편의 중공홀에는 회전시 시편 고정지그 상에서의 유동을 방지하기 위한 결합홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시편 고정지그 외주면에는 차륜시편 및 레일시편의 결합홈과 대응 결합되는 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 윤활공급장치는 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 접촉부에 물을 공급하는 수관과, 상기 수관의 유량을 1초 간격으로 공급되도록 하는 유량조절밸브로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차륜시편측 구동부는 구동모터, 및 모터 회전력을 차륜시편측에 전달하는 동력전달부와, 차륜시편이 결합되는 차륜시편 고정부로 구성되되, 상기 동력전달부는 구동모터와 차륜시편 고정부가 직렬형태로 연결될 수 있도록 커플링으로 이루어져 있고, 상기 레일시편측 구동부는 레일시편측 구동부는 구동모터, 및 모터 회전력을 레일시편측에 전달하는 동력전달부와, 레일시편이 결합되는 레일시편 고정부로 구성되되, 상기 동력전달부는 구동모터와 레일시편 고정부가 병렬형태로 연결될 수 있도록 풀리 및 벨트로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 수직하중 가압장치는 구동모터, 및 모터 회전력을 나사이송축에 전달하는 동력전달부와, 상기 동력전달부로부터 전달된 모터 회전력을 통해 회전하면서 차륜시편측 구동부를 종방향으로 이송시킬 수 있도록 상기 차륜시편측 구동부가 설치되는 가동 프레임 상단에 연결된 나사이송축으로 구성되되, 상기 동력전달부는 모터 회전력을 나사이송축의 직선운동으로 변환시키는 워엄기어로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그 다음으로, 상기 콘트롤장치는 상기 차륜시편에 작용되는 수직하중을 입출력하는 수직하중 입출력부와; 상기 차륜시편의 회전수 증감을 입출력하는 차륜시편 회전수 입출력부와; 상기 레일시편의 회전수 증감을 입출력하는 레일시편 회전수 입출력부와; 상기 차륜시편의 토오크를 입출력하는 차륜시편 토오크 입출력부와; 상기 균열시험장치의 운전상태를 자동 또는 수동으로 전환하는 자동/수동 전환스위치;로 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 균열시험장치를 이용한 차륜시편 및 레일시편의 균열시험방법은, 실제 차륜 및 레일에서 차륜시편과 레일시편을 추출함과 아울러, 시편의 시험전 상태를 측정 및 검사하는 제 1 과정과;

상기 시편들을 균열시험장치의 차륜시편측 구동부와 레일시편측 구동부에 각 각 결합시킨 후, 콘트롤장치를 통해 실험조건의 변수들을 입력시키는 제 2 과정과;

상기 입력된 실험조건에 의해 차륜시편과 레일시편에 수직하중이 작용되도록 균열시험장치를 구동시키는 제 3 과정과;

상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 물을 공급하는 제 4 과정과;

상기 레일시편측 구동부에 설치된 진동센서를 통해 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 진동을 감지하는 제 5 과정과;

상기 균열시험장치에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 데이터 처리장치에 저장하는 제 6 과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 6 과정을 통해 데이터 처리장치에 저장된 결과값들을 모니터 상에 출력하는 제 7 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열시험을 일시 중지 후, 상기 제 7 과정에 의해 출력된 결과값들과 초기값과의 대비를 통해 시편의 균열발생 유무를 확인하되, 출력된 진동신호의 증가시 차륜시편과 레일시편에 균열이 발생한 것으로 판단하여 상기 균열시험장치를 정지시키는 제 8 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 1 과정에서 시험전 시편 측정 및 검사는 각 시편의 무게 및 치수, 잔류응력, 경도 등의 측정과, 각 시편의 조직사진을 찍어 현상하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 5 과정 중 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 균열여부를 현미경을 통해 관찰하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 철도차륜 균열시험장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 철도차륜 균열시험장치를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 차륜시편 및 레일시편과 상기 시편들이 취부되는 시편 고정부재의 사시도를 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명의 균열시험장치를 통해 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 물을 공급키 위해 설치된 윤활공급장치의 설치 상태도를 나타낸 것이다. 또한, 도 6은 본 발명의 균열시험장치에 있어 시편접촉부의 작용상태도.

본 발명의 철도차륜 균열시험장치(1a)는, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 중공의 차륜시편(51)이 고정되는 차륜시편측 구동부(50)와; 중공의 레일시편(61)이 고정되는 레일시편측 구동부(60)와; 상기 차륜 및 레일시편측 구동부(50, 60)에 결착되어 각 시편(51, 61)을 취부하는 시편 고정지그(52, 62)와; 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 수직하중을 작용하여 구름 마찰에 의한 각 시편(51, 61)의 답면에 슬립이 형성되게 하는 수직하중 가압장치(70)와; 상기 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 윤활유를 공급하는 윤활공급장치(90)와; 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등을 입출력하기 위한 콘트롤장치(80);로 구성되어 있다.

이 때, 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 구름 마찰에 의해 발생되는 진동을 측정하기 위해 상기 레일시편측 구동부(60) 상단에 진동센서(95)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균열시험장치(1a)에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 저장 및 출력하기 위한 데이터 처리장치(미도시)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기한 철도차륜 균열시험장치(1a) 구성의 상세한 설명에 앞서, 균열시험 대상물인 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기 차륜시편(51)은 실제 차륜에서 추출하여 직경 90mm, 두께 16mm의 중공 원판형태로 가공 형성하고, 표면경도는 KS R 9221 철도차량용 차륜의 규격에 부합되도록 열처리(표 1 참조) 하였다.

호칭기호	용 도 (최고속도 150km/h 이하)	열처리	경도 (HB)
RSW1	객화차	담금질, 뜨임	248∼285
RSW2	전기기관차 및 전기동차	담금질, 뜨임	269∼311
RSW3	디젤기관차 및 디젤동차	담금질, 뜨임	294∼341

표 1. 차륜의 열처리 및 경도

또한, 상기 차륜시편(51)과 구름 마찰되는 레일시편(61)은, 실제 레일에서 추출하여 직경 110mm, 두께 15mm의 중공 원판형태로 형성되되, 상기 차륜시편(51)과의 구름 마찰시 마모되어도 일정한 접촉응력이 유지되도록 레일시편(61) 외주면에 직경차가 있는 단부를 형성하였으며, 표면경도는 KS R 9106 보통 레일의 규격에 부합되도록 열처리(표 2 참조) 하였다.

레일종류	경도 (HB)
50kg 레일	248∼285
50kgN 레일	269∼311
60kg 레일	294∼341

표 2. 레일의 경도

또한, 상기와 같이 제작된 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 중공홀에는 도 4에 도시한 바와 같이 상호 접촉에 의한 구름 마찰 회전시, 시편 고정지그(52, 62) 상에서 유동이 방지되도록 하기 위한 키홈 형태의 결합홈(51a, 61a)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)이 취부되는 시편 고정지그(52, 62)의 경우, 직경차가 있는 중공의 원통체로 형성되어 있으며, 상기 시편 고정지그(52, 62) 외주면에는 도 4에 도시한 바와 같이, 차륜시편(51) 및 레일시편(61)의 결합홈(51a, 61a)과 대응 결합될 수 있도록 키 형태의 결합돌기(52a, 62a)가 형성되어 있다.

이상과 같이 구성된 각 시편(51, 61) 중 차륜시편(51)과 함께 시편 고정지그(52)가 결착되는 차륜시편측 구동부(50)는 도 3에 도시한 바와 같이, 구동모터(53), 및 모터 회전력을 차륜시편(51)측에 전달하는 동력전달부와, 차륜시편(51)이 결합되는 차륜시편 고정부(55)로 구성되어 있으며, 상기와 같이 구성된 차륜시편측 구동부(50)의 경우, 커플링(54) 전동으로 이루어진 동력전달부를 통해 구동모터(53)와 차륜시편 고정부(55)가 직렬형태로 연결되어 있다. 미 설명 부호 56는 상기 차륜시편 고정부(55)에 차륜시편(51)이 고정되도록 하는 고정너트(56)를 나타낸 것이다.

또한, 상기 차륜시편측 구동부(50)는 하나 이상으로 구성된 가이드 봉(57)의 안내에 따라 승강운동이 이루어지는 가동 프레임(58) 내에 고정되어 있다.

그리고, 상기 레일시편(61)과 함께 시편 고정지그(62)가 결착되는 레일시편 측 구동부(60)는 도 3에 도시한 바와 같이, 구동모터(63), 및 모터 회전력을 레일시편(61)측에 전달하는 동력전달부와, 레일시편(61)이 결합되는 레일시편 고정부(66)로 구성되어 있으며, 상기와 같이 구성된 레일시편측 구동부(60)의 경우, 풀리(64, 64a) 및 벨트(65) 전동으로 이루어진 동력전달부를 통해 구동모터(63)와 레일시편 고정부(66)가 병렬형태로 연결되어 있다. 미 설명 부호 67은 상기 레일시편 고정부(66)에 레일시편(61)이 고정되도록 하는 고정너트(67)를 나타낸 것이다.

또한, 상기 수직하중 가압장치(70)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 수직하중 작용시 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 접촉에 의한 구름 마찰이 발생하게 되면서 각 시편(51, 61)의 답면에 슬립이 형성되도록 하는 하중가압장치로서, 구동모터(71), 및 모터 회전력을 나사이송축(72)에 전달하는 동력전달부와, 상기 동력전달부로부터 전달된 모터 회전력을 통해 회전하면서 차륜시편측 구동부(50)를 종방향으로 이송시킬 수 있도록 상기 차륜시편측 구동부(50)가 설치된 가동 프레임(58) 상단에 연결된 나사이송축(72)으로 구성되어 있다.

이 때, 상기 동력전달부는 모터 회전력을 나사이송축(72)의 직선운동으로 변환시키는 워엄기어(미도시)전동으로 이루어져 있으며, 상기 나사이송축(72)은 볼스크류 타입으로 이루어져 있다.

그리고, 상기 윤활공급장치(90)는 도 5에 도시한 바와 같이, 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 접촉부에 물을 공급하는 수관(91)과, 상기 수관(91)의 유량을 1초 간격으로 공급되도록 하는 유량조절밸브(92)로 이루어져 있는데, 이 때 유량조절밸브(92)에 의해 공급되는 물의 유량은 1초에 1방울씩 공급되 며, 실험조건에 따라 물의 유량을 증가시킬 수도 있다.

또한, 상기 콘트롤장치(80)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등을 입출력하기 위한 장치로서, 상기 차륜시편(51)에 작용되는 수직하중을 입출력하는 수직하중 입출력부(81)와, 상기 차륜시편(51)의 회전수 증감을 입출력하는 차륜시편 회전수 입출력부(82)와, 상기 레일시편(61)의 회전수 증감을 입출력하는 레일시편 회전수 입출력부(83)와, 상기 차륜시편(51)의 토오크를 입출력하는 차륜시편 토오크 입출력부(84)와, 상기 균열시험장치(1a)의 운전상태를 자동 또는 수동으로 전환하는 자동/수동 전환스위치(85)로 구성되어 있다.

이 때, 상기 수직하중 입출력부(81), 및 상기 차륜시편 회전수 입출력부(82), 상기 레일시편 회전수 입출력부(83), 상기 차륜시편 토오크 입출력부(84)에는 하중 및 회전수, 토오크 등을 입력하기 위한 입력버튼과 출력을 위한 표시패널이 구비되어 있다.

한편, 본 발명의 균열시험장치(1a)를 이용한 차륜시편(51) 및 레일시편(61)의 균열시험방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 균열시험장치에 의한 차륜시편과 레일시편의 균열시험과정을 나타낸 블록도이고, 도 8은 본 발명에 의한 균열시험을 통해 시편에 균열이 발생한 상태를 나타낸 상태도이며, 도 9는 본 발명에 의한 균열시험시 수직하중에 따른 시편의 잔류응력변화를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 10은 접촉하중과 수명과의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 균열시험장치(1a)를 이용한 차륜시편(51) 및 레일시편(61)의 균열시험방법은, 도 7에 도시한 바와 같이, 실제 차륜 및 레일에서 차륜시편(51)과 레일시편(61)을 추출함과 아울러, 시편(51, 61)의 시험전 상태를 측정 및 검사하는 제 1 과정(S100)과; 상기 시편들(51, 61)을 균열시험장치(1a)의 차륜시편측 구동부(50)와 레일시편측 구동부(60)에 각각 결합시킨 후, 콘트롤장치(80)를 통해 실험조건의 변수들을 입력시키는 제 2 과정(S200)과; 상기 입력된 실험조건에 의해 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 수직하중이 작용되도록 균열시험장치(1a)를 구동시키는 제 3 과정(S300)과; 상기 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 물을 공급하는 제 4 과정(S400)과; 상기 레일시편측 구동부(60)에 설치된 진동센서(95)를 통해 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 진동을 감지하는 제 5 과정(S500)과; 상기 균열시험장치(1a)에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 데이터 처리장치에 저장하는 제 6 과정(S600);을 포함하여 이루어져 있다.

이 때, 상기 제 6 과정(S600)을 통해 데이터 처리장치에 저장된 결과값들을 모니터(미도시) 상에 출력하는 제 7 과정(S700);을 더 포함한다.

또한, 상기 균열시험을 일시 중지 후, 상기 제 7 과정(S700)에 의해 출력된 결과값들과 초기값과의 대비를 통해 시편의 균열발생 유무를 확인하되, 출력된 진동신호의 증가시 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 균열이 발생한 것으로 판단하여 상기 균열시험장치(1a)를 정지시키는 제 8 과정(S800);을 더 포함한다.

그리고, 상기 제 1 과정(S100)에서 시험전 시편 측정 및 검사는 각 시편(51, 61)의 무게 및 치수, 잔류응력, 경도 등의 측정과, 각 시편(51, 61)의 조직사진을 찍어 현상하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 5 과정(S500) 중 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열여부를 현미경(미도시)을 통해 관찰하는 것을 특징으로 한다.

이러한 균열시험의 제 2 과정(S200) 중 콘트롤장치(80)를 통해 입력되는 실험조건은, ①차륜시편(51)의 회전수 설정, ②차륜시편(51)의 회전수와 근사치로 레일시편(61)의 회전수 설정, ③차륜시편측 구동부(50) 하강을 통해 레일시편(61)과 차륜시편(51)을 접촉시킴과 아울러 구름마찰에 의한 답면에 슬립이 발생하도록 수직하중 설정, ④제어하고자하는 토오크의 목표치를 설정하게 되는데, 특히 상기 실험조건 중 토오크 목표치 설정시, 설정된 토오크 값이 발생되도록 차륜시편(51)의 회전수는 고정되고, 레일시편(61)은 차륜시편(51)과의 구름 마찰에 의한 설정된 토오크에 부합되도록 그 회전수가 조절되게 된다.

상기한 균열시험장치(1a)를 통해 실시되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열시험을 실시예로 설명하면 다음과 같다.

실시예

먼저, 실제 차륜과 레일에서 균열시험에 필요한 차륜시편(51)과 레일시편(61)을 추출하여 상기 차륜시편(51)은 직경 90mm, 두께 16mm의 중공 원판형태로 가공하고, 상기 레일시편(61)은 직경 110mm, 두께 15mm의 중공 원판형태로 형성하되 상기 차륜시편(51)과의 구름 마찰시 마모되어도 일정한 접촉응력이 유지되도록 레일시편(61) 외주면에 직경차에 의한 단부가 형성되도록 가공한 후, KS R 9221 철도차량용 차륜 규격 및 KS R 9106 보통 레일 규격에 부합되는 표면경도를 갖을 수 있도록 열처리하여 차륜시편(51) 및 레일시편(61)을 제작한다.

그리고, 상기와 같이 제작된 차륜시편(51) 및 레일시편(61)의 무게, 치수, 잔류응력, 경도 등을 측정함과 아울러, 상기 시편들에 대한 조직사진을 찍어 현상하는 검사과정(S100)을 거친 후, 측정이 완료된 각 시편(51, 61)을 시편 고정지그(52, 62)에 취부시킨 다음, 상기 차륜시편(51) 및 레일시편(61)이 취부된 시편 고정지그(52, 62)들을 차륜시편측 구동부(50)와 레일시편측 구동부(60)에 각각 결착시킨 후, 상기 균열시험장치(1a)의 콘트롤장치(80)를 통해 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열시험을 위한 각 조건의 변수들을 입력(S200)시키게 되는데, 이 때 균열시험에 대한 실험조건은 ①차륜시편(51)의 회전수 설정, ②차륜시편(51)의 회전수와 근사치로 레일시편(61)의 회전수 설정, ③차륜시편측 구동부(50) 하강을 통해 레일시편(61)과 차륜시편(51)을 접촉시킴과 아울러 구름마찰에 의한 답면에 슬립이 발생하도록 수직하중 설정, ④제어하고자하는 토오크의 목표치를 설정하게 된다.

이 때, 상기 실험조건 중 토오크 목표치를 설정할 경우, 설정된 토오크 값이 발생되도록 차륜시편(51)의 회전수는 고정되고, 레일시편(61)은 차륜시편(51)과의 구름 마찰에 의한 설정된 토오크에 부합되도록 그 회전수가 조절되게 된다.

이와 같이 콘트롤장치(80)를 통해 입력된 실험조건에 의해 차륜시편(51)과 레일시편(61)이 회전함과 동시에, 상기 회전되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 수직하중이 작용되도록 균열시험장치(1a)를 구동(S300)시키게 되는데, 이 때 상기 수직하중 작용시 상호 접촉된 차륜시편(51)과 레일시편(61)간의 구름 마찰에 의해 상기 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 답면에 슬립이 발생하게 되고, 상기 슬립 현상에 의한 잔류응력 및 열응력을 통해 차륜시편(51)과 레일시편(61) 상에 균열(크랙)이 발생하게 된다.

특히 상기 슬립 현상이 발생되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열이 빨리 진행되는 것을 방지하기 위하여, 상기 구름 마찰에 의한 차륜시편(51)과 레일시편(61) 상에 윤활공급장치(90)에 의한 물을 1초에 1방울씩 공급(S400)함과 아울러, 상기 레일시편측 구동부(60) 상단에 설치된 진동센서(95)를 통해 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 구름 마찰시 발생되는 진동을 감지(S500)한다. 이 때, 구름 마찰에 의한 과대 진동 발생시 균열시험을 중지하게 된다.

그리고, 상기와 같이 진동센서(95)를 통해 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 진동을 감지하는 대신, 현미경을 통해 상기 구름 마찰되는 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열여부를 관찰할 수도 있다.

이와 같이 상기 진동센서(95)를 통해 감지된 각 시편(51, 61)의 진동과 함께, 상기 균열시험장치(1a)에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등의 데이터들을 데이터 처리장치에 저장(S600)시킴과 아울러, 상기 데이터 처리장치에 저장된 결과값들을 모니터 상에 출력(S700)하게 된다.

그리고, 시험의 일시 중지 후 상기 데이터 처리장치의 모니터를 통해 출력된 결과값들과 초기값의 대비를 통해 시편의 균열발생 유무를 확인하되, 출력된 진동신호가 계속적으로 증가할 경우, 차륜시편(51)과 레일시편(61)에 균열이 발생한 것으로 판단하여 상기 균열시험장치(1a)를 정지(S800)시킨다.

상기와 같이 균열시험이 종료된 차륜시편(51) 또는 레일시편(61)에는 도 8과 같은 균열현상이 발생하게 되고, 작용된 수직하중에 따른 시편 내 잔류응력 변화는 도 9와 같다.

그리고, 이상과 같은 차륜시편(51)과 레일시편(61)의 균열시험을 여러차례 실행한 후 그 결과의 평균 데이터 값을 이용해 도 10과 같은 실제 차륜과 레일 상에서 발생되는 균열상태를 정확히 예측할 수 있게 된다.

상술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

본 발명의 철도차륜 균열시험장치 및 균열시험방법은, 철도차량용 차륜 및 레일로부터 추출한 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 상호 구름마찰에 의한 각 시편에 균열이 발생되도록 하는 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일에 발생되는 박리나, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일의 박리, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석함으로써, 박리나 균열에 의한 실제 차륜 및 레일의 수명을 예측할 수 있는 효과도 있다.

그리고, 상기와 같이 균열시험을 통해 실제 차륜 및 레일의 박리, 균열과 같은 손상의 원인을 정확히 분석함으로써, 박리나 균열로부터 실제 차륜 및 레일에 대한 수명을 연장시킬 수 있는 효과도 있다.

이와 더불어, 본 발명의 균열시험장치의 경우, 구름 마찰이 이루어지도록 상호 접촉된 차륜시편과 레일시편에 작용하는 수직하중과 등가의 응력분포 조건을 구현함과 동시에, 윤활제 공급, 시험결과 데이터 저장 및 출력, 시험기 제어 등을 자동화함으로써, 종래 수동화된 범용의 시험장치에 비해 균열시험의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

Claims (14)

1. 중공의 차륜시편이 고정되는 차륜시편측 구동부와;

   중공의 레일시편이 고정되는 레일시편측 구동부와;

   상기 차륜 및 레일시편측 구동부에 결착되어 각 시편을 취부하는 시편 고정지그와;

   상기 차륜시편과 레일시편에 수직하중을 작용하여 구름 마찰에 의한 각 시편의 답면에 슬립이 형성되게 하는 수직하중 가압장치와;

   상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 윤활유를 공급하는 윤활공급장치와;

   상기 차륜시편과 레일시편의 구름 마찰에 의해 발생되는 진동을 측정하기 위해 상기 레일시편측 구동부 상단에 구비되는 진동센서와;

   상기 차륜시편과 레일시편에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수 등을 입출력하기 위한 콘트롤장치;로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 균열시험장치에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 저장 및 출력하기 위한 데이터 처리장치가 더 구비된 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 차륜시편과 레일시편의 중공홀에는 회전시 시편 고정지그 상에서의 유동을 방지하기 위한 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 시편 고정지그 외주면에는 차륜시편 및 레일시편의 결합홈과 대응 결합되는 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 윤활공급장치는 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 접촉부에 물을 공급하는 수관과, 상기 수관의 유량을 1초 간격으로 공급되도록 하는 유량조절밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 차륜시편측 구동부는 구동모터, 및 모터 회전력을 차륜시편측에 전달하는 동력전달부와, 차륜시편이 결합되는 차륜시편 고정부로 구성되되, 상기 동력전달부는 구동모터와 차륜시편 고정부가 직렬형태로 연결될 수 있도록 커플링으로 이루어져 있고,

   상기 레일시편측 구동부는 레일시편측 구동부는 구동모터, 및 모터 회전력을 레일시편측에 전달하는 동력전달부와, 레일시편이 결합되는 레일시편 고정부로 구 성되되, 상기 동력전달부는 구동모터와 레일시편 고정부가 병렬형태로 연결될 수 있도록 풀리 및 벨트로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 수직하중 가압장치는 구동모터, 및 모터 회전력을 나사이송축에 전달하는 동력전달부와, 상기 동력전달부로부터 전달된 모터 회전력을 통해 회전하면서 차륜시편측 구동부를 종방향으로 이송시킬 수 있도록 상기 차륜시편측 구동부가 설치되는 가동 프레임 상단에 연결된 나사이송축으로 구성되되, 상기 동력전달부는 모터 회전력을 나사이송축의 직선운동으로 변환시키는 워엄기어로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 콘트롤장치는 상기 차륜시편에 작용되는 수직하중을 입출력하는 수직하중 입출력부와;

   상기 차륜시편의 회전수 증감을 입출력하는 차륜시편 회전수 입출력부와;

   상기 레일시편의 회전수 증감을 입출력하는 레일시편 회전수 입출력부와;

   상기 차륜시편의 토오크를 입출력하는 차륜시편 토오크 입출력부와;

   상기 균열시험장치의 운전상태를 자동 또는 수동으로 전환하는 자동/수동 전환스위치;로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차륜 균열시험장치.
10. 실제 차륜 및 레일에서 차륜시편과 레일시편을 추출함과 아울러, 시편의 시험전 상태를 측정 및 검사하는 제 1 과정과;

    상기 시편들을 균열시험장치의 차륜시편측 구동부와 레일시편측 구동부에 각각 결합시킨 후, 콘트롤장치를 통해 실험조건의 변수들을 입력시키는 제 2 과정과;

    상기 입력된 실험조건에 의해 차륜시편과 레일시편에 수직하중이 작용되도록 균열시험장치를 구동시키는 제 3 과정과;

    상기 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편에 물을 공급하는 제 4 과정과;

    상기 레일시편측 구동부에 설치된 진동센서를 통해 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 진동을 감지하는 제 5 과정과;

    상기 균열시험장치에 작용되는 하중 및 회전속도, 토오크, 회전수, 진동신호 등의 데이터들을 데이터 처리장치에 저장하는 제 6 과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차륜의 균열시험방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 6 과정을 통해 데이터 처리장치에 저장된 결과값들을 모니터 상에 출력하는 제 7 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차륜의 균열시험방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 균열시험을 일시 중지 후, 상기 제 7 과정에 의해 출력된 결과값들과 초기값과의 대비를 통해 시편의 균열발생 유무를 확인하되, 출력된 진동신호의 증가시 차륜시편과 레일시편에 균열이 발생한 것으로 판단하여 상기 균열시험장치를 정지시키는 제 8 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차륜의 균열시험방법.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 과정에서 시험전 시편 측정 및 검사는 각 시편의 무게 및 치수, 잔류응력, 경도 등의 측정과, 각 시편의 조직사진을 찍어 현상하는 것을 특징으로 하는 철도차륜의 균열시험방법.
14. 제 10 항에 있어서, 제 5 과정 중 구름 마찰되는 차륜시편과 레일시편의 균열여부를 현미경을 통해 관찰하는 것을 특징으로 하는 철도차륜의 균열시험방법.

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