KR101666660B1 - 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도 레일의 수명을 증가시키기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 레일의 수명을 늘리기 위해 레일의 헤드 부위의 마모가 심한 구간에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시하여 내마모성을 향상시킨 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 해소할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 강도저하 부위에서 발생하는 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공된다.

Description

레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법{Rail surface modification apparatus for improving surface hardness and residual compressive stress, and reducing noise and vibrations and method for improving fatigue wear characteristics, and reducing noise and vibrations of rails using thereof}

본 발명은 철도 레일의 수명을 증가시키기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 레일의 수명을 늘리기 위해 레일의 헤드 부위의 마모가 심한 구간에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시하여 내마모성을 향상시킨 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 해소할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같이, 반복되는 철도차량의 통행으로 인해 피로손상 및 마모가 누적되는 부위에 초음파 나노표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM) 기법을 적용하여, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시켜 기존의 열처리된 레일을 대체하거나, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 및 열차의 반복적인 통행으로 인해 피로손상 및 마모가 누적되는 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용함으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 표면개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 관한 것이다.

종래, 철도교통은 화물 및 여객 분야에 있어서 육상 교통의 주요한 역할을 담당해 왔으며, 최근에는, 고속철도의 대중화에 따라 그 운행횟수의 증가와 함께 더욱 고속화가 진행되고 있고, 이에 따라, 철도 차량이 운행하기 위한 레일의 안전점검 및 유지보수에 대한 필요성이 점차 커지고 있다.

여기서, 상기한 바와 같은 철도 및 레일에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1244048호에 따르면, 철도 노반의 양측에 설치되는 파일구조물 및 주거더횡빔; 상기 주거더횡빔 중 어느 하나에 이동 가능하게 설치되는 장비거치대; 상기 장비거치대에 고정 설치되는 스크류구동부; 상기 스크류구동부에 의해 회전되는 스프라인기어; 상기 스크류구동부의 양측에 설치된 유압잭; 상기 유압잭과 일정거리 이격설치된 와이어윈치; 상기 스프라인기어의 일단에 장착된 이송스크류; 상기 이송스크류를 보호하고 상기 이송스크류가 뚫은 공간에 설치되어 자갈이 굴착된 지점에서 레일 받침목 역할을 하면서 종빔의 설치를 안내하는 종빔가이드; 및 상기 주거더횡빔과 상기 노반 또는 도상자갈 사이에 설치되어 상기 종빔가이드를 지지하고 안내하는 가이드레일을 포함하여, 인력이나 굴착기를 동원하여 노반이나 도상자갈을 굴착하지 않고 철로의 양측에서 이송스크류를 이용하여 굴착하는 것에 의해 열차운행을 중지시키거나 서행 등의 열차운행에 지장 없이 신속하게 철도 가교를 설치할 수 있는 철도 가교의 시공장치 및 시공방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

또한, 상기한 바와 같은 철도 및 레일에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0627699호에 따르면, 커팅 라인과 거의 일치되는 높이를 가지면서 선로중심에서 적어도 2.5m 되는 폭을 가지는 대체 자갈막이를 설치한 다음, 워터 젯(water jet) 절단장치의 노즐부가 커팅 라인에 일치되어 구동 풀리에 의하여 수평으로 이동되면서 자갈막이를 절단한 후, 자갈막이를 수직으로 절단하여 블록화한 다음, 새로운 자갈을 대체 자갈막이로 깔아 유도상과 유사하도록 하여 기존의 자갈이 대체 자갈막이 쪽으로 흘러내리지 않게 한 후, 자갈막이의 블록을 제거하고 유도상을 정리하도록 구성됨으로써, 밸러스트 클리너에 의한 청소작업이 육상의 도상과 기존 철도교량의 도상에서 연속적으로 이루어지도록 하여 밸러스트 클리너의 작업의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라, 기존 철도교량의 도상의 종횡 저항력을 향상시켜 열차가 안전하게 운행되도록 구성되는 기존 철도교량에 있어서 유도상 궤도의 도상 저항력 확보를 위한 시공방법 및 이를 위한 워터젯 절단장치에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

아울러, 상기한 바와 같은 철도 및 레일에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0593194호에 따르면, 상면 중앙 양단에 복수의 볼트홈이 형성되는 H형강과, 상기 H형강의 볼트홈에 각각 결합되는 복수의 체결 볼트와, 금속 재질의 사각 판 형상으로 형성되고 상기 체결 볼트가 관통하도록 대응되는 위치에 볼트홀이 형성되어 상기 H형상의 상면에 부착되는 베이스 패널로 이루어져 상기 H형강의 표면에 합성수지재가 도포되는 철도 침목에 있어서, 상기 H형강은, 측면 양단에 복수의 보강 리브가 돌출 형성되고, 상기 H형강의 각각의 보강 리브에 동일 높이에 복수의 관통홀이 형성되어 상기 관통홀을 따라 보강 철근이 삽입되며, 표면에 요철이 형성되는 것에 의해, H형강과 합성수지를 이용하여 침목을 제작함으로써 상대적으로 높은 강도를 제공함과 동시에, 합성수지에 의해 진동을 흡수하여 소음이 발생하는 것을 차단할 수 있도록 구성되는 합성 수지를 이용한 철도 침목에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

더욱이, 상기한 바와 같은 철도 및 레일에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 미국특허공보 US 5,209,792호에 따르면, C가 0.60 내지 0.85 중량%, Si가 0.1 내지 1.0 중량%, Mn이 0.5 내지 1.5 중량%, P가 0.035 중량% 이하, S가 0.040 중량% 이하, Al이 0.05 중량% 이하, 잔여부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고, 그 코너부 및 두측부의 경도가 HB 341 내지 405이며, 그 두정부의 경도가 이 코너부 및 두측부의 경도의 0.9 이하로 구성됨으로써, 고축중(高軸重) 철도 급곡선에 이용되는 내마모용 고강도, 내손상 레일에 있어서, 특히, 사용초기에 차량 바퀴와의 친숙성을 개선하고 두정부의 내손상성을 향상시킨 고강도, 내손상 레일에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 철도 및 레일의 시공을 위하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제가 있는 것이었다.

즉, 레일은 철도차량의 바퀴가 레일의 헤드 부분과 지속적으로 접촉하면서 발생하는 진동과 미끄럼에 의해 바퀴와 레일의 접촉부분에 마찰 및 마모가 발생하게 되며, 이러한 레일의 마모는 소재, 레일의 형상, 곡선부 반경, 선로구배, 열차속도, 선로의 보수상태 및 레일 도유상태 등에 의해 영향을 받는다.

또한, 고속철도가 등장하면서 1990년대 이후 열차의 속도는 점차 높아지고 운행 빈도도 늘어나고 있으나, 이러한 운행횟수 및 축중의 증가, 고속화 등은 철도 레일의 마모를 가속화시키고, 결과적으로 레일의 유지보수 및 교체시기가 더욱 빨라지게 됨으로 인해 레일의 유지보수 비용이 증가하게 되는 문제가 발생하게 된다.

이와 같이, 최근의 철도교통에 있어서, 레일은 마모와 함께 피로손상에 더욱 빨리 그리고 쉽게 노출되고 있으며, 이러한 현상은 철도 인프라의 생산성을 저하시키고, 레일의 마모는 속도저하를 가져오고 하중의 제한, 더욱 빈번한 유지보수 점검 및 비용증가 등을 야기 시킨다.

더 상세하게는, 높은 하중에 노출되는 철도 레일은 매 100 MGT 마다 5백만회 이상의 차륜-레일 접촉을 받으며, 이는, 기관차 및 적재화물차 22.5톤, 여객용차 11 ~ 17톤을 기준으로 할 때, 평균 20톤의 축중에 해당한다.

여기서, 이러한 하중들이 모두 레일의 변형을 일으키지는 않는다 하더라도 대부분의 하중은 레일의 소성변형을 일으키는 원인이 되며, 즉, 매번 가해지는 레일의 변형은 표면층에 변화를 가져오고, 이는 차륜과 레일이 최적의 상태로 접촉하지 못하도록 하며, 이러한 변화는 레일의 변형 한계에 도달할 때까지 지속되고, 마침내 레일에 미세한 균열이 발생하게 된다.

더욱이, 선로의 곡선부에서는, 레일 헤드의 측면도 차륜과 접촉하여 마모 및 미끄럼 접촉피로(rolling contact fatigue)가 발생하고, 그 정도가 직선부보다 심하게 나타난다.

또한, 이러한 손상이 심해지면 열차가 안전하게 운행할 수 있도록 레일을 교체하여 하여야 하므로, 레일의 손상을 사전에 방지하기 위해 주기적인 점검 및 유지보수가 필요하나, 이러한 과정들은 결과적으로 비용증가를 초래하게 된다.

이에, 이러한 레일의 손상주기를 늘리기 위해 레일의 재료개선, 열처리, 표면처리 등의 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 예를 들면, 실제 선로에서 레일의 헤드 부위의 마모가 심한 구간에는 열처리 과정을 통하여 표면층이 강화되어 내마모성이 증가도록 열처리된 레일을 사용하고 있다.

더 상세하게는, 탄소강 레일은 그 자체로도 내마모성이 우수하나, 내마모성을 더욱 향상시키기 위해 레일의 헤드부에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시한 것을 열처리 레일이라 하며, 이러한 열처리 레일에는, 예를 들면, 급곡선부에 사용하기 위해 레일 헤드부 전체를 열처리한 열처리 레일과, 직선구간에서 이음매 부위의 마모, 박리방지를 목적으로 하여 레일 끝에서 약 100mm의 헤드 끝 부분만을 열처리한 열처리 레일이 있다.

그러나 상기한 바와 같이 열처리된 레일을 사용하더라도, 단지 레일의 교체시기가 조금 늘어나는 것일 뿐, 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것은 피할 수 없는 한계가 있는 것이었다.

따라서 상기한 바와 같이, 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 해소할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 기존의 열처리를 대신하여 레일의 강도 및 내마모성을 향상시키고 진동 및 소음을 저감하는 동시에, 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 레일부재에 대한 표면처리 장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 한국 등록특허공보 제10-1244048호 (2013.03.08.)

2. 한국 등록특허공보 제10-0627699호 (2006.09.18.)

3. 한국 등록특허공보 제10-0593194호 (2006.06.17.)

4. 미국특허공보 US 5,209,792호 (1993.05.11.)

5. "초음파 나노표면개질기술의 특성과 활용방안 연구", 편영식, 박정현, 조인호, 김창식, 서창민, 대한기계학회논문집 190 A권, 제33권 제3호, pp. 190~195, 2009.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 레일의 헤드부에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 단지 레일의 교체시기가 조금 늘어날 뿐 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 피할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시켜 기존의 열처리된 레일을 대체하거나, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 열차의 반복적인 통행으로 인해 피로손상 및 마모가 누적되는 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용함으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 표면개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 레일의 헤드 부위에 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되어 수명이 단축되는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 강도 및 내마모성을 향상시키고 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면개질장치에 있어서, 레일 위에 고정하기 위한 레일장착부; 및 상기 레일장착부의 상단에 설치되어 초음파 나노표면개질(UNSM)에 의해 상기 레일의 표면을 개질하기 위한 표면개질부를 포함하여 구성되고, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 피로누적이나 균열이 발생하여 강도가 저하되는 부분에 상기 레일장착부를 고정한 후, 상기 표면개질부를 통하여 초음파 나노표면개질(UNSM)을 수행하는 것에 의해 상기 레일의 표면을 개질하도록 구성됨으로써, 상기 레일의 표면개질 효과에 의해 강도 및 내마모성을 향상시키고 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부를 포함하는 강도 저하 부위에서 발생하는 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 표면개질장치가 제공된다.

여기서, 상기 레일장착부는, 전체적으로 테이블과 같은 형태로 형성되는 장착프레임; 및 상기 장착프레임의 양 다리 사에에 상기 레일을 위치시켜 상기 레일의 측면에 고정하기 위한 고정핀의 형태로 형성되는 고정부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면개질부는, 테이블 형태로 형성되어 상기 장착프레임의 상단에는 설치되는 지지프레임; 및 상기 레일의 헤드 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM)을 수행하기 위해 상기 지지프레임에 설치되는 초음파 나노표면개질(UNSM) 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 표면개질부는, 상기 레일장착부 상에서 상기 지지프레임을 통하여 상기 UNSM 수단의 위치를 상기 레일의 설치방향과 수직 방향으로 이동시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 표면개질부는, 상기 UNSM 수단의 위치를 이동시키기 위한 모터 및 제어수단을 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 UNSM 수단의 위치를 외부에서 자동 또는 수동으로 설정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레일 표면개질장치는, 상기 레일의 표면을 검사하여 마모 및 피로손상 누적에 따른 상기 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일의 마모나 피로누적 또는 균열발생을 포함하는 이상발생 부위 발견시 해당 위치에 상기 레일 표면개질장치를 설치하고 상기 UNSM 수단에 의해 상기 레일의 표면을 개질하여 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 상기 레일의 수명을 연장하는 동시에, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부를 포함하는 강도 저하 부위에서 발생하는 소음과 진동을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 레일 표면개질장치는, 상기 레일 위에 상기 레일 표면개질장치를 위치시키고, 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일의 마모나 피로누적 또는 균열발생을 포함하는 이상발생 부위 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 상기 UNSM 수단에 의해 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 효과적으로 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 간편하고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 레일 표면개질장치는, 상기 레일을 따라 상기 레일장착부를 이동시키기 위한 장치 이동수단; 및 상기 레일 표면의 상태를 감지하여 피로누적 위치나 균열발생을 탐색하기 위한 복수의 센서들을 포함하여 이루어지는 레일상태 감지수단을 더 포함하여 구성되고, 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일상태 감지수단에 의해 상기 레일의 마모위치나 피로누적 위치 및 균열발생 위치 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 표면개질을 수행하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 상기 레일의 유지보수 작업이 간편하고 용이해지는 동시에, 전체적인 선로의 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레일 표면개질장치는, 원격 위치에서도 조작이 가능하도록 하기 위해 외부 기기와 무선 또는 유선으로 통신 가능한 통신수단을 더 포함하여 구성되며, 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일상태 감지수단에 의해 상기 레일의 마모위치나 피로누적 위치 및 균열발생 위치 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 표면개질을 수행하는 작업이 원격 조작에 의해 수행 가능하도록 구성됨으로써, 작업자가 일일이 상기 레일을 따라 이동할 필요 없이 원격 위치에서 조작이 가능하므로 상기 레일의 유지보수 작업이 간편하고 용이해지고 전체적인 선로의 유지보수 비용을 절감할 수 있는 데 더하여, 상기 레일의 유지보수 작업중 발생할 수 있는 사고의 위험도 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 레일장착부는, 상기 표면개질부를 지지하기 위한 장착프레임; 상기 레일 표면개질장치를 상기 레일 상단부의 양 측면에 고정하고 이탈을 방지하기 위해 상기 장착프레임의 하단에 설치되는 장착부재; 상기 레일의 손상을 방지하기 위해 상기 장착부재의 내측에 상기 레일과 접하는 부위에 부착되는 손상방지부재; 상기 레일을 따라 상기 레일 표면개질장치를 이동시키기 위한 적어도 하나의 이동바퀴를 포함하여 상기 장착부재의 내측에 상기 레일의 상단면과 접하도록 설치되는 선로이동수단; 및 내부 또는 외부에 설치되는 별도의 구동수단으로부터 상기 레일 표면개질장치를 이동시키기 위한 동력을 전달하기 위해 상기 장착프레임에 연결되는 동력전달부재를 포함하여 구성됨으로써, 상기 레일 표면개질장치를 상기 레일의 상단에 장착하여 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 피로누적 및 균열발생 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 표면개질을 수행하는 것에 의해, 상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 효과적으로 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 보다 간편하고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 레일의 헤드 부위에 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되어 수명이 단축되는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도향상방법들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 있어서, 레일의 표면에 대한 검사를 수행하여 마모 및 피로손상 누적에 따른 상기 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고 보수작업이 필요한 부분을 찾아내는 레일표면 검사단계; 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일표면 검사단계의 검사 결과에 근거하여 보수가 필요한 것으로 판단된 부분에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용하여 표면개질을 행하는 레일표면 개질단계; 미리 정해진 기준에 근거하여 상기 레일표면 개질단계에 의해 개질된 상기 레일이 열차 운행에 적합한지를 판단하는 레일표면 판단단계; 및 상기 레일표면 판단단계의 판단 결과에 근거하여 강도가 부족한 경우 추가적인 표면개질을 수행하거나, 또는, 해당 레일의 교체를 행하는 유지보수단계를 포함하여 구성되고, 상기 레일표면 개질단계는, 상기에 기재된 레일 표면개질장치를 이용하여 상기 레일의 표면을 개질하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 간편하고 용이하게 이루어지는 것에 의해 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공된다.

여기서, 상기 레일표면 검사단계는, 센서를 이용하여 상기 레일의 헤드부 표면에 대하여 강도 및 마모 상태를 측정하는 것에 의해, 균열발생 여부와 미리 정해진 기준치 이상으로 마모가 진행되었거나 피로가 누적된 부분 및 미리 정해진 기준치 이하로 강도가 저하된 부분을 찾아내는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레일표면 개질단계는, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일표면 검사단계에서 균열, 마모, 피로누적 또는 강도저하가 발생된 부위에 상기 레일 표면개질장치를 위치시켜 초음파 나노표면개질(UNSM) 처리를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 레일표면 검사단계 및 상기 레일 표면개질단계는, 상기 레일 위에 상기 레일 표면개질장치를 위치시키고, 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일의 마모나 피로누적 또는 균열발생을 포함하는 이상 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 상기 UNSM 수단에 의해 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시키는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 효과적으로 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 간편하고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 열차가 통행하기 위한 선로의 점검 및 유지보수를 수행하기 위한 선로 점검 및 유지보수방법에 있어서, 선로를 구성하는 각각의 레일에 대한 이상 유무를 점점하는 선로점검단계; 및 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 선로점검단계의 점검 결과 이상이 발생된 부분의 레일에 대한 유지보수를 수행하는 선로유지보수단계를 포함하여 구성되고, 상기 선로점검단계 및 상기 선로유지보수단계는, 상기에 기재된 레일 표면개질장치를 이용하여 선로의 점검 및 유지보수를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선로 점검 및 유지보수방법이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시켜 기존의 열처리된 레일을 대체하거나, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공됨으로써, 레일의 헤드부에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 단지 레일의 교체시기가 조금 늘어날 뿐 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 피할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 열차의 반복적인 통행으로 인한 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 피로누적 및 손상 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용하여 레일의 표면을 개질하도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공됨으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 표면개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 레일 표면개질장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일 표면개질장치의 전체적인 구성 및 이를 이용하여 레일을 따라 이동하면서 선로의 유지보수를 수행하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 직선 구간과 급커브 구간에 대한 레일의 접촉응력(contact stress)을 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 형성되는 나노스킨(Nanoskin)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 나노스킨의 특징 및 효과를 표로 정리하여 각각 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 적용된 레일시편의 화학적 조성을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 9는 UNSM 처리된 레일시편과 처리되지 않은 레일시편을 각각 나타내는 도면이다.
도 10은 일반 레일시편과 열처리 레일시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후의 미세구조(microstructure)를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11은 일반 레일시편과 열처리 레일시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후의 미세구조(microstructure) 단면을 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 각 시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후에 각각 측정된 표면 경도(surface hardness), 표면 거칠기(surface roughness) 및 압축잔류응력(compressive residual stress)을 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 13은 각 시편의 용접부에 대하여 UNSM 처리 전과 후의 기계적 특성 변화를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 적용된 마찰시험(friction test)의 실험조건을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 수행된 마모시험의 결과로서 얻어진 각 레일시편의 마모량을 그래프로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 16은 각각의 레일시편에 대하여 측정된 마찰계수를 그래프로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 17은 일반 및 열처리 레일시편에 대한 UNSM 처리 전과 후의 마모 트랙 프로파일(wear track profile) 단면도를 각각 나타내는 도면이다.
도 18은 일반 및 열처리 레일시편에 대한 UNSM 처리 전과 후의 공초점 주사현미경(confocal microscopic) 이미지를 각각 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 레일의 헤드부에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 단지 레일의 교체시기가 조금 늘어날 뿐 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 피할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시켜 기존의 열처리된 레일을 대체하거나, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 열차의 반복적인 통행으로 인해 피로손상 및 마모가 누적되는 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용함으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 표면개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

또한, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 레일 표면개질장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치(10)는, 크게 나누어, 레일(11)의 측면을 통해 레일에 고정하기 위한 고정부재(12) 및 전체적으로 테이블과 같은 형태로 형성되는 장착프레임(13)을 포함하여 이루어지는 레일장착부(14)와, 레일장착부(14)의 상단에 지지프레임(15)을 통하여 좌우로 이동 가능하게 설치되고, 레일(11)의 표면을 타격하기 위한 초음파 나노표면개질(UNSM) 수단(16)을 포함하여 이루어지는 표면개질부(17)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 레일(11)은, 기존의 열처리 레일이나 일반 레일의 경우에도 모두 동일하게 적용 가능하다.

즉, 도 1 및 도 2에 나타낸 레일 표면개질장치(10)는, 예를 들면, 레일(11)의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 피로누적이나 균열 등이 발생하여 강도가 저하된 부분에 레일 표면개질장치(10)를 위치시키고, 레일(11)의 측면에 레일장착부(14)의 고정부재(12)를 통하여 고정한 후, 표면개질부(17)의 UNSM 수단(16)을 통하여 해당 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM)을 행함으로써, 누적피로를 회복하고 강도를 모재와 동등한 수준까지 증가시켜 내구성 및 수명을 증가시키도록 구성된다.

더 상세하게는, 상기한 레일장착부(14)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 테이블과 같은 형태로 형성되는 장착프레임(13)의 양 다리 사에에 레일(11)을 위치시킨 다음, 예를 들면, 고정핀 등과 같은 형태로 형성되는 고정부재(12)를 통하여 레일(11)의 측면에 고정되며, 상단에는 역시 테이블 형태로 형성되는 지지프레임(15)을 통하여 UNSM 수단(16)을 포함하는 표면개질부(17)가 설치된다.

이때, 상기한 표면개질부(17)는, 도시되지는 않았으나, 레일장착부(14) 상에서 지지프레임(15)을 통하여 UNSM 수단(16)의 위치를 좌우로, 즉, 레일(11)의 설치방향과 수직 방향으로 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

여기서, 이를 위해, 필요에 따라서는, 모터 및 제어수단 등을 더 구비하여, UNSM 수단(16)의 위치를 레일 표면개질장치(10)의 외부에서 자동 또는 수동으로 설정할 수 있도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 표면개질부(17)의 UNSM 수단(16)은, 종래기술의 UNSM 장치를 이용하여 구성할 수 있으므로, 설명을 간략히 하기 위해, 여기서는, 종래기술과 동일 내지 유사한 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명에 따르면, 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 레일의 마모위치나 피로누적 위치 및 균열발생 발견시 해당 위치에 레일 표면개질장치(10)를 설치하고 레일의 표면을 개질하는 것에 의해 레일의 강도를 증가시킴으로써, 레일의 수명을 연장하는 동시에, 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같이 강도가 저하된 부위에서 발생하는 소음과 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일 표면개질장치(30)의 전체적인 구성 및 이를 이용하여 레일을 따라 이동하면서 선로의 유지보수를 수행하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.

더 상세하게는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일 표면개질장치(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 레일(11)의 표면을 타격하기 위한 초음파 나노표면개질(UNSM) 수단(31) 및 초음파 나노표면개질(UNSM) 수단(31)이 좌우로 이동 가능하도록 설치되는 지지프레임(32)을 포함하여 이루어지는 표면개질부(33)의 구성은 도 1 및 도 2에 나타낸 실시예와 같다.

그러나 도 3에 나타낸 레일 표면개질장치(30)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 레일장착부(14)와 달리, 표면개질부(33)를 지지하기 위한 장착프레임(34)과, 장착프레임(34)의 하단에 설치되어 레일(11) 상단부의 양 측면에 레일 표면개질장치(30)를 고정하고 이탈을 방지하기 위한 장착부재(35)와, 레일(11)의 손상을 방지하기 위해 장착부재(35)의 내측에 레일(11)과 접하는 부위에 부착되는 손상방지부재(36)와, 예를 들면, 적어도 하나의 이동바퀴를 포함하여 레일(11)을 따라 레일 표면개질장치(30)를 이동시키기 위한 선로이동수단(37) 및 내부 또는 외부에 설치되는 별도의 구동수단(도시되지 않음)으로부터 레일 표면개질장치(30)를 이동시키기 위한 동력을 전달하기 위해 장착프레임(34)에 연결되는 동력전달부재(38)를 포함하여 이루어지는 레일장착부(39)를 포함하여 구성됨으로써, 레일(11)의 상단에 장착되어 레일(11)을 따라 이동 가능하도록 구성되는 점이 다르다.

따라서 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 레일 표면개질장치(30)를 이용하면, 레일(11) 위에 상기한 레일 표면개질장치(30)를 위치시키고 레일(11)을 따라 이동하면서, 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 피로누적 및 균열발생 발견시와 같이, 강도 향상이 필요한 위치에서 즉각적으로 표면개질을 행함으로써, 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 효과적으로 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 보다 간편하고 용이하게 이루어질 수 있다.

아울러, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 1 내지 도 3에 나타내 본 발명의 실시예에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치(10)를 이용하여, 레일 연결부와 용접부위의 표면경도 및 압축잔류응력 향상을 통한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레일 연결부와 용접부위의 표면경도 및 압축잔류응력 향상을 통한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법은, 크게 나누어, 레일의 표면에 대한 검사를 수행하여 마모나 균열이 발생한 부위 및 피로누적이나 강도가 저하된 부위와 같이 보수작업이 필요한 부분을 찾아내는 레일표면 검사단계(S11)와, 레일표면 검사단계(S11)의 검사 결과에 근거하여 보수가 필요한 부분에 표면개질을 행하는 레일표면 개질단계(S12)와, 레일표면 개질단계(S12)에 의해 개질된 표면이 열차 운행에 적합한지를 판단하는 레일표면 판단단계(S13) 및 레일표면 판단단계(S13)의 판단 결과에 근거하여 강도가 부족한 경우 추가적인 표면개질을 수행하거나, 또는, 해당 레일의 교체를 행하는 유지보수단계(S14)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 레일표면 검사단계(S11)는, 센서 등을 통해 레일의 헤드부 표면에 대하여 강도 및 마모 상태를 측정하여, 균열발생 여부와 미리 정해진 기준치 이상으로 마모가 진행되었거나 피로가 누적된 부분 및 미리 정해진 기준치 이하로 강도가 저하된 부분을 찾아내는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기한 레일표면 개질단계(S12)는, 레일의 연결부와 용접부위 및 레일표면 검사단계(S11)에서 균열, 마모, 피로누적 또는 강도저하가 발생된 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 장치를 위치시켜 해당 위치에 초음파 나노표면개질(UNSM) 처리를 수행하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기한 초음파 나노표면개질(UNSM) 장치는, 기존의 UNSM 장치를 이용하여 수행될 수 있으나, 바람직하게는, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 레일의 유지보수를 위해 제작된 레일 표면개질장치(10)를 이용하여 수행될 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따라 수행되는 초음파 나노표면개질(UNSM)의 효과에 대하여 설명한다,

즉, 철도 교통에 있어서, 레일의 헤드는 열차가 지나갈 때 열차 바퀴와의 접촉에 의한 스틱슬립(stick-slip), 슬라이딩 마모(sliding wear), 구름접촉마모(rolling contact wear ; RCW) 및 구름접촉피로(rolling contact fatigue ; RCF)가 발생하며, 이는 레일의 재질(rail material), 형태(shape), 경사(geometric gradient) 및 열차 속도(train speed) 등와 같은 요인에 기인한다.

또한, 예를 들면, 곡선 구간에 있어서는, 직선 구간에 비해 레일 헤드의 측면에 가해지는 피로 및 마모가 훨씬 심하게 나타나게 된다.

더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 직선 구간과 급커브 구간에 대한 레일의 접촉응력(contact stress)을 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 5에 있어서, 도 5a는 직선 구간에 대한 레일의 접촉응력이고, 도 2b는 곡선 구간에 대한 레일의 접촉응력을 각각 나타내고 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 직선 구간과 곡선 구간에 대하여 레일의 피로누적 및 마모 상태가 각각 상이하게 나타나며, 따라서 레일의 유지관리 작업에 있어서는, 이와 같이 각각의 지점이나 구간마다 서로 다르게 나타내는 레일의 피로 및 마모 상태를 정확히 파악하여 레일의 상태에 따라 적절한 보수 및 교체를 행하는 것이 요구된다.

이를 위해, 본 발명은, 기존의 열처리 레일을 대체하는 새로운 방법으로서, 초음파 나노표면개질(UNSM)을 이용하여 레일의 표면을 강화시키고, 그에 따른 내마모성의 변화를 관찰하여 UNSM에 의한 레일의 강도개선 효과를 입증하였다.

더 상세하게는, UNSM 처리는, 1 내지 수십 mm 직경의 공구(tungsten carbide ball/cermet ball이나 구면 형상을 가지는 공구)가 초음파 장치(ultrasonic device)에 부착되고, 정적(static) 및 동적(dynamic) 힘이 결합되어, 상기한 볼이 초당 40,000회, mm²당 100,000번까지 시편(specimen)의 표면에 충격을 가하는 형태로 이루어진다(strike).

이러한 충격은 미세 냉간 단조(micro-cold-forging)로 간주될 수 있고, 표면층에 강소성 및 탄성 변형(severe plastic and elastic deformations)을 야기하여 깊은 압축잔류응력(compressive residual stress)과 나노결정구조(nanocrystalline structure)를 유도하며, 또한, 시편의 표면상에 무수한 불균일한 미세 딤플(micro-dimple)을 생성하여 표면의 특성을 개선한다.

아울러, Hall-Petch 관계(relationship)에 따르면, 표면층의 나노구조 개질(nanostructure modification)이 시편의 강도(strength)(경도(hardness)) 및 가소성(ductility)(단단함(toughness))을 모두 동시에 개선하는 것이 이미 잘 알려져 있다.

즉, 일반적으로, 베어링 등에 있어서, 회전 굽힘 피로(Rotary-Bending-Fatigue ; 이하, 'RBF'라고도 함) 및 구름 접촉 피로(Rolling contact Fatigue ; 이하, 'RCF'라고도 함)는 해당 부품의 수명을 결정하는 주된 요인이 되므로, 상기한 바와 같은 UNSM 기술을 일반적인 종래의 공업용 베어링강(engineering bearing steel)(일본 표준 SUJ2 및 SUJ3)에 적용하면, 피로 표면의 회복 및 개선이 가능하여 부품 수명을 연장할 수 있고, 그것에 의해 부품 교체 및 유지보수에 들어가는 비용을 절감할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 적용하여 나노스킨(nanoskin)을 형성함으로써, 해당 부품의의 표면을 개질하고 누적 피로를 회복하여 수명을 연장할 수 있다.

더 상세하게는, 도 6을 참조하면, 도 6은 UNSM으로 형성되는 나노스킨의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 나노스킨이란, 표면층은 나노급의 표면 거칠기와 텍스쳐링(texturing) 조직으로 구성되며, 피하층은 깊이 ~ 100㎛까지는 결정조직의 크기가 수십 나노에서 1㎛까지의 경사조직의 구조이고, 깊이 ~ 1,500㎛부터 표면층까지는 경도가 모재보다 상승하는 경사조직이며, 깊이 ~ 2,000㎛부터 표면층까지는 잔류응력이 커지는 경사조직으로, 표면층의 잔류응력의 값이 1 GPa 보다 큰 구조를 가지는 표피구조를 나노스킨이라 한다.

즉, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술은, 초음파 진동에너지를 응용하여 아주 큰 정적 및 동적 하중이 부가된 볼(ball)을 3 ~ 30GPa의 접촉응력으로 1초에 20,000번 이상 금속 표면에 타격(1,000 ~ 100,000회/mm² 정도)을 주어 많은 소성변형 및 탄성변형을 발생시키고, 이로 인해 표층부의 조직을 나노결정 조직으로 개질함과 동시에, 아주 크고 깊은 압축잔류응력 등을 부가하는 기술이다.

또한, 초음파 나노표면개질(UNSM) 장치의 구성은, 일반적으로, 진동자(20kHz 또는 40kHz), 부스터(booster), 혼(horn)으로 구성되고, 추가적으로, 혼의 선단에는 볼(ball)과 볼을 고정시켜주는 볼 팁(tip)이 마련되어 있다.

아울러, 도 7을 참조하면, 도 7은 나노스킨의 특징 및 효과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같은 초음파 나노표면개질이 재료의 기계적 특성에 미치는 효과는, 먼저, 표면층에 압축잔류응력을 형성시켜 구름접촉피로(RCF) 및 응력부식균열에 대한 내구성을 향상시키고, 표면에 직경 1 ~ 2 마이크미터 크기의 미세한 딤플을 형성시키며, 마찰계수를 감소시키고 마모율을 낮추며, 표면경도를 증가시켜 마모율을 낮추고 피로 한도를 높이며, 50 ~ 200나노미터 크기의 입도를 가지는 나노결정 구조를 표면층에 형성시키고, 인장강도, 경도, 피로수명 및 마모율 등을 향상시키는 효과가 있다.

여기서, 상기한 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술에 대한 보다 상세한 내용은, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 제시된 "초음파 나노표면개질기술의 특성과 활용방안 연구"(선행기술문헌 5 참조) 등과 같은 종래기술의 문헌을 참조하여 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 종래기술과 동일 내지 유사한 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

상기한 바와 같이, 초음파 나노표면개질 기술은, 초음파 진동에너지를 응용하여, 매우 큰 정적 및 동적 하중이 부가된 볼(ball)을 통하여 3 ~ 30 GPa의 접촉응력으로 1초에 20,000번 이상의 타격(1,000 ~ 100,000회/mm² 정도)을 금속 표면에 인가하는 것에 의해 많은 소성변형 및 탄성변형을 발생시키고, 그것에 의해, 금속 표면에 나노스킨(nanoskin)을 형성하여 표층부의 조직을 나노결정 조직으로 개질함과 동시에, 매우 크고 깊은 압축잔류응력 등을 부가하는 기술이다.

또한, 초음파 나노표면개질(UNSM)을 수행하기 위한 초음파 나노표면개질 장치의 구성은, 일반적으로, 진동자(20kHz 또는 40kHz), 부스터(booster) 및 혼(horn)으로 구성되고, 추가적으로 혼의 선단에는 볼(ball)과 볼을 고정시켜주는 볼 팁(tip)이 구비되어 있다.

따라서 초음파 나노표면개질이 재료의 기계적 특성에 미치는 효과는, 먼저, 표면층에 압축잔류응력을 형성시켜 구름접촉피로(RCF) 및 응력부식균열에 대한 내구성을 향상시키고, 표면에 직경 1 ~ 2㎛ 크기의 미세한 딤플을 형성시키며, 마찰계수를 감소시키고 마모율을 낮추는 효과가 있고, 표면경도를 증가시켜서 마모율을 낮추고 피로한도를 높이는 효과가 있으며, 50 ~ 200nm 크기의 입도를 가지는 나노결정 구조를 표면층에 형성시키고, 인장강도, 경도, 피로수명 및 마모율 등을 향상시키는 효과를 가진다.

이에, 본 발명은, 상기한 바와 같이 초음파 나노표면개질 장치를 이용하여 레일의 표면을 강화시켜 표면 물성 변화 및 내마모 특성을 분석하고, 이를 기존의 열처리 레일과 비교함으로써, 레일의 내구성을 향상시키는 새로운 방법을 제시하였다.

여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 레일은 철도운송에 사용될 목적으로 제작된 60kg 급의 레일 일부를 샘플링하였고, 레일시편은 열처리되지 않은 보통 레일과 열처리가 실시된 열처리 레일의 두 종류를 사용하였다.

이때, 각 레일의 헤드 부분을 와이어 커팅(wire cutting)으로 절단하였고, 절단된 헤드 부분을 선반에서 원통형으로 가공한 후 원반형 시편으로 절단 및 연삭하여 분석용 시편을 제작하였다.

즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 본 발명의 실시예에 적용된 레일시편의 화학적 조성과 기계적 특성 및 UNSM 처리를 위한 파라미터를 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

여기서, 도 8에 있어서, 도 8a는 본 발명의 실시예에 적용된 레일시편의 화학적 조성이고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 적용된 레일시편의 기계적 특성이며, 도 5c는 본 발명의 실시예에 적용된 레일시편에 수행된 UNSM 처리의 파라미터를 각각 나타내고 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 50mm의 직경과 8mm의 두께를 가지는 두 개의 서로 다른(열처리 및 비열처리) 레일시편이 사용되었으며, 일부 시편에는 도 8c에 나타낸 바와 같은 파라미터에 의한 UNSM 처리를 실시하였다.

즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 UNSM 처리된 레일시편과 처리되지 않은 레일시편을 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 9에 있어서, 도 9a는 UNSM 처리되지 않은 레일시편이고, 도 9b는 UNSM 처리된 레일시편을 각각 나타내고 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 원반형으로 준비된 레일시편의 표면을 미세한 경질의 팁으로 표면개질하여 UNSM 처리된 부위는 균일하게 형성된 딤플(dimple)과 표면 거칠기(surface roughness)의 감소로 인해 약간 어두운 형상으로 나타남을 확인할 수 있으며, 이는, 원반형 시편의 표면개질 이후에 발생한 표면조도 및 미세형상의 차이 때문에 나타나는 현상이다.

또한, 도 10을 참조하면, 도 10은 일반 레일시편과 열처리 레일시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후의 미세구조(microstructure)를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

여기서, 도 10에 있어서, 도 10a 및 도 10b는 일반 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고, 도 10c 및 도 10d는 열처리 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고 있다.

도 10에 나타낸 바와 같이, UNSM 처리된 레일시편 표면에 현저한 미세구조의 개선(microstructural alteration)이 나타남을 확인할 수 있으며, 즉, 미처리된 표면에서는 스크래치(scratch)나 흠(groove)이 존재하는 불규칙한 구조를 나타내나, UNSM 처리 후에는 모두 사라진 것을 확인할 수았다.

아울러, 도 11을 참조하면, 도 11은 일반 레일시편과 열처리 레일시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후의 미세구조(microstructure) 단면을 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

여기서, 도 11에 있어서, 도 11a 및 도 11b는 일반 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고, 도 11c 및 도 11d는 열처리 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 대략 80 및 40㎛의 두께를 가지는 일반 및 열처리 시편의 최상층에서 개질된 표면층이 나타나는 것을 각각 확인할 수 있다.

즉, 강소성변형(severe plastic deformation ; SPD)에 의해 변형된 층은 거친 입자(coarse grains)를 나노입자 사이즈(nano-grain size)로 개질하기 위한 벌크공정(bulk process)에 적용되는 매우 큰 소성 변형(plastic strain)에 있어서 비변형 층보다 높은 기계적 특성을 가지며, SPD 기술은 제조물(workpiece)에 고밀도의 전위(dislocation)를 부여하는데 효과적이고, 이러한 전위는 그 후 나노입자 사이즈 구조를 형성하기 위해 재배열(rearrange) 되며, SPD 기술에 의해 처리된 거의 모든 재질은 우수한 기계적 특성을 나타낸다.

계속해서, 도 12를 참조하면, 도 12는 각 시편에 대하여 UNSM 처리를 실시하기 전과 후에 각각 측정된 표면 경도(surface hardness), 표면 거칠기(surface roughness) 및 압축잔류응력(compressive residual stress)을 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

도 12에 나타낸 바와 같이, UNSM 처리 후 표면 경도는 열처리 레일이 5.1%, 일반 레일은 6.6% 증가하였고, 표면 거칠기는 열처리 레일과 일반 레일 모두 8.8 및 7.1% 감소하였으며, 압축잔류응력 역시 UNSM 처리 후 2 ~ 3배 정도 증가하였음을 확인할 수 있다.

또한, 일반 레일의 표면경도는 열처리 레일보다 낮으므로 레일의 기계적 특성을 향상시키기 위해서 열처리를 하는데, UNSM 처리 후의 일반 레일의 표면 경도는 열처리 레일과 거의 동일해지는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 표면층에 각각 인가된 압축잔류응력은 일반 레일은 -607.8이고 열처리 레일은 -571.8MPa인 것으로 나타났으며, 이와 같이 표층부의 압축잔류응력이 증가하면 강도 및 내마모성 등 기계적 특성이 향상될 수 있다.

아울러, 도 13을 참조하면, 도 13은 각 시편의 용접부에 대하여 UNSM 처리 전과 후의 기계적 특성 변화를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 레일의 용접 부위에 대하여도 UNSM 처리 후에 표면 거칠기 및 경도와 같은 기계적 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같은 각각의 레일 시편을 이용하여 마모(wear) 및 구름접촉피로(RCF) 시험을 수행한 결과에 대하여 설명한다.

먼저, 도 14를 참조하면, 도 14는 본 발명의 실시예에 적용된 마찰시험(friction test)의 실험조건을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.

즉, 본 실시예에 있어서, 레일 시편에 대한 마모시험은 ASTM G99 시험기준에 맞추어 실시하였으며, 더 상세하게는, 1개의 세라믹 볼이 존재하는 볼 온 디스크(ball-on-disc) 마찰 및 RCF 시험장치를 이용하여 별도의 윤활제 없이 실시되었고, 마모시험 조건은, 도 10에 나타낸 바와 같이, 실온(room temperature) 및 45%의 상대습도(relative humidity ; RH) 조건하에서 하중(접촉응력 ; contact stress), 회전속도(rotation speed) 및 시험시간(time) 등을 변경하면서 마모량을 비교하였으며, 질화실리콘(Si3N4) 볼이 카운터면(counter surface)으로 사용되었고, 각각의 시편에 대한 시험은 데이터 산란(data scattering)으로 인해 최소 두 번 이상 수행되었다.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 수행된 마모시험 결과에 대하여 설명하면, UNSM 처리와 미처리된 일반 및 열처리 레일시편에 대하여 3가지의 서로 다른 조건하에서 1시간 동안 마모시험이 수행되었고, 전자저울(precision balance)(acculab ALC-310.3)을 이용하여 ±0.0001g의 정밀도로 무게변화를 측정하여 마모시험 전과 후의 각 시편의 마모량(wear amount)을 측정하였다.

더 상세하게는, 도 15를 참조하면, 도 15는 상기한 바와 같이 하여 수행된 마모시험의 결과로서 얻어진 각 시편의 마모량을 그래프로 정리하여 나타내는 도면이다.

여기서, 도 15에 있어서, 도 15a는 접촉응력(contact stress)에 대한 마모량이고, 도 15b는 회전속도(rotating speed)에 따른 마모량이며, 도 15c는 슬라이딩 시간(sliding time)에 따른 마모량을 각각 나타내고 있다.

따라서 도 15에 나타낸 결과로부터, 먼저, 도 15a를 참조하면, 1.5, 2.0, 2.5 GPa의 조건에서 UNSM 처리 후 일반 및 열처리 레일의 마모량이 각각 3.3 및 13.8%, 14.0 및 2.7%, 5.3 및 8.7% 개선된 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는, UNSM 처리된 일반 레일의 마모량이 열처리 레일과 유사하게 개선될 수 있음을 의미한다.

또한, 도 15b를 참조하면, 도 15b는 UNSM 처리와 미처리된 일반 및 열처리 레일시편에 대하여 3가지의 다른 조건(500, 750, 1000 rpm) 하에서 1시간 동안 마모시험을 진행하여 각 시편의 마모량을 측정한 결과를 나타내는 도면으로, 500, 750, 1000 rpm의 조건에서 UNSM 처리된 일반 및 열처리 레일시편의 마모량이 각각 14 및 2.7%, 8.2 및 12.8%, 32.9 및 30.6% 개선된 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과로부터도, UNSM 처리된 일반 레일의 마모량이 열처리 레일과 유사하게 개선될 수 있음을 알 수 있다.

아울러, 도 15c를 참조하면, 도 15c는 USNM 처리와 미처리된 일반 및 열처리 레일시편에 대하여 2.0 Gpa의 조건하에서 3가지의 다른 시간(15, 30, 60 min) 동안 마모시험을 진행하여 각 시편의 마모량을 측정한 결과를 나타내는 도면으로, 15, 30, 60 min의 슬라이딩 시간에 대하여 UNSM 처리된 일반 및 열처리 레일시편의 마모량이 각각 20.8 및 15.8%, 6.3 및 3.3%, 14.0 및 2.7% 개선된 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과 또한, UNSM 처리된 일반 레일의 마모량이 열처리 레일과 유사하게 개선될 수 있음을 나타낸다.

따라서 상기한 바와 같은 결과로부터, 일반레일에 초음파 나노표면개질(UNSM)을 수행하는 것에 의해 기존의 열처리 레일보다 더욱 우수한 표면 내구성 및 내마모성을 확보 가능할 것으로 기대할 수 있다.

더욱이, 상기한 바와 같은 다양한 조건에서의 마모시험 결과로부터, 주로 접촉면적에 의존하는 마모량이 접촉응력(contact stress), 회전속도(rotating speed) 및 슬라이딩 시간(sliding time)의 증가에 따라 증가되는 것임을 확인할 수 있으며, 레일의 이상 발생에 주된 원인이 되는 것으로 여겨지는 접촉응력에 대한 마모를 줄이기 위하여는 레일과 열차 바퀴의 피로수명을 최대화하기 위해 접촉면(contact interface)에서의 응력을 최소화하는 것이 바람직하다.

또한, 회전속도의 증가에 따라 접촉면에서의 상대 선형속도(relative linear speed)가 증가하여 더 많은 마찰열(friction heat)이 발생하고, 열처리 레일의 마찰계수(friction coefficient)와 경도(harness)가 일반 레일보다 높으나, 일반 레일은 열처리 레일보다 높은 압축잔류응력(compressive residual stress)을 가진다.

즉, 열처리는 마모에 대한 저항성을 증가시키나 마찰계수를 증가시키고, 일반적으로 마찰과 마모 사이에는 직접적인 관계는 없으나, 열처리 과정에 있어서, 소재를 고온에 노출시키는 것은 마찰 특성을 악화시킬 수 있는 결정성장(grain growth)으로 작용하므로, 따라서 열처리 레일에 대하여 얻어지는 높은 마찰계수는 마찰계수를 증가시키나 마모는 감소시키는 결정성장 메커니즘과 연관될 수 있다.

계속해서, 마찰계수의 평균(mean) 및 표준편차(standard deviation)에 근거하여 채터링 특성(chattering characteristics)에 대하여 설명한다.

선로에서 발생하는 소음은 주로 열차 바퀴와 레일 표면의 단차(unevenness)로 인한 진동(vibration)으로부터 야기되며, 롤링 노이즈(rolling noise)를 생성하는 파장범위의 단차를 이른바 음향 거칠기(acoustic roughness)라 하고, 주거지역의 선로 주변에서 소음을 제어하기 위하여는 레일과 바퀴 사이에서 발생하는 진동을 감소해야만 한다.

즉, 롤링(rolling)과 슬라이딩(sliding)이 이루어지는 레일과 바퀴 사이에서는 마찰계수의 평균 및 표준편차를 감소하는 것에 의해 진동 또는 채터링(chattering)이 저레벨로 변조될 수 있으며, 이를 위해, 레일 표면은, 진동 또는 채터링 감소를 위해 불규칙한 표면을 제거하도록 그라인딩 기계(grinding machine)를 이용하여 평탄화된다.

그러나 열차 바퀴와 레일의 반복적인 접촉에 의해 표면에 지속적인 손상(damage)이 누적되고, 그로 인해, 바퀴와 레일 사이의 마찰계수가 증가하여 결과적으로 채터링을 야기하는 진동이 더욱 심해지게 되므로, 이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여, UNSM 처리에 의해 마찰계수의 평균 및 표준편차를 감소시키도록 하였다.

더 상세하게는, 도 16을 참조하면, 도 16은 각각의 레일시편에 대하여 측정된 마찰계수를 그래프로 정리하여 나타낸 도면이다.

여기서, 도 16에 있어서, 구름 접촉 방법(rolling contact method)을 사용하여 측정된 각 시편의 마찰계수 값을 나타내고 있다.

도 16에 나타낸 바와 같이, UNSM 처리된 일반 및 열처리 레일시편의 마찰계수의 평균값과 표준편차는 18.2 및 6.7% 감소하였으며, UNSM 처리된 시편의 표준편차는 미처리된 시편에 비해 더 낮게 나타났음을 확인할 수 있으며, 따라서 도 15에 나타낸 바와 같은 결과로부터, UNSM 처리는 선로의 채터링을 제어하기 위한 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

다음으로, 도 17을 참조하면, 도 17은 일반 및 열처리 레일시편에 대한 UNSM 처리 전과 후의 마모 트랙 프로파일(wear track profile) 단면도를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 17에 있어서, 도 17a 및 도 17b는 일반 레일시편의 UNSM 처리 전과 후이고, 도 17c 및 도 17d는 열처리 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고 있다.

또한, 도 17에 있어서, UNSM 처리된 시편은 모두 경도 증가에 기여하는 더 좁고(narrower) 더 얕은(shallower) 마모 트랙을 나타내고 있으며, UNSM 처리에 의해 표면 거칠기(surface roughness)는 감소하고 압축잔류응력(compressive residual stress)이 인가되었음을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 18을 참조하면, 도 18은 일반 및 열처리 레일시편에 대한 UNSM 처리 전과 후의 공초점 주사현미경(confocal microscopic) 이미지를 각각 나타내는 도면이다.

여기서, 도 18에 있어서, 도 18a 및 도 18b는 일반 레일시편의 UNSM 처리 전과 후이고, 도 18c 및 도 18d는 열처리 레일시편의 UNSM 처리 전과 후를 각각 나타내고 있다.

도 18에 나타낸 바와 같은 결과로부터, 건조 조건(dry condition)에서 슬라이딩 후 미처리 시편은 모두 현저한 손상으로 심하게 마모되었으나, 반면, UNSM 처리된 시편은 경도 증가와 표면 거칠기 감소 및 유효표면층(effective surface layer)의 존재로 인해 미처리된 시편에 비하여 상대적으로 경미한 손상만이 나타났음을 확인할 수 있다.

또한, 도 17 및 도 18에 나타낸 바와 같은 결과로부터, 각 시편의 마모 트랙 내에서 표면 거칠기가 서로 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는, UNSM 처리된 시편 모두에서 마찰계수의 감소가 표면 평탄화에도 기여하는 것이라 할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 접촉응력, 속도 및 시간에 대한 마모 저항성을 평가하기 위해 일반 레일과 열처리 레일 시편을 각각 이용하여 초음파 나노표면개질 전후의 표면물성 변화를 검증하였으며, 그 결과, UNSM 처리에 의해 일반 레일시편의 경도가 증가하였고, 기존의 열처리 레일과 동등한 수준으로 개선되었음을 확인하였으며, 또한, UNSM 처리 후 각 레일시편의 내마모성이 증가하였고, 일반 레일시편의 내마모성이 기존의 열처리 레일과 동일 내지 더 우수하게 개선되었으며, 이러한 경향은 마모시험의 회전속도가 증가할수록 더욱 뚜렷하게 나타남을 확인하였다.

아울러, 상기한 바와 같은 UNSM 처리의 효과는, 열차운행 횟수가 증가하고 고속화가 되어가는 최근의 철도교통 환경에서 안전을 확보하고 선로의 유지보수 비용을 절감하기 위해서 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법을 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 예를 들면, 레일 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부 등과 같은 피로누적 및 손상 부위에, 초음파 나노표면개질(UNSM) 기술을 이용하여 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시킴으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시켜 기존의 열처리된 레일을 대체하거나, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공됨으로써, 레일의 헤드부에 담금질, 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 단지 레일의 교체시기가 조금 늘어날 뿐 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되는 것을 피할 수 없는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 열차의 반복적인 통행으로 인한 마모 및 피로손상 누적에 따른 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고, 피로누적 및 손상 부위에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용하여 레일의 표면을 개질하도록 구성되는 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법이 제공됨으로써, 레일의 표면을 강화시키고 내마모성을 향상시키는 것에 의해 레일의 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감할 수 있는 동시에, 레일의 표면개질 효과에 의해 진동 및 소음을 저감할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 레일 표면경도와 압축잔류응력 향상 및 소음진동 저감을 위한 레일 표면개질장치 및 이를 이용한 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 레일 표면개질장치 11. 레일
12. 고정부재 13. 장착프레임
14. 레일장착부 15. 지지프레임
16. 초음파 나노표면개질 수단 17. 표면개질부
30. 레일 표면개질장치 31. 초음파 나노표면개질 수단
32. 지지프레임 33. 표면개질부
34. 장착프레임 35. 장착부재
36. 손상방지부재 37. 선로이동수단
38. 동력전달부재 39. 레일장착부

Claims (15)

1. 레일의 헤드 부위에 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되어 수명이 단축되는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도 향상방법들의 문제점을 해결하기 위해, 열처리 레일 및 일반 레일을 포함하는 기존 레일의 강도 및 내마모성을 향상시키고 수명을 증가시킬 수 있도록 구성되는 레일 표면개질장치에 있어서,
   테이블의 형태로 형성되는 장착프레임, 상기 레일 표면개질장치를 상기 레일 상단부의 양 측면에 고정하고 이탈을 방지하기 위해 상기 장착프레임의 하단에 설치되는 장착부재, 상기 레일의 손상을 방지하기 위해 상기 장착부재의 내측에 상기 레일과 접하는 부위에 부착되는 손상방지부재, 상기 레일을 따라 상기 레일 표면개질장치를 이동시키기 위한 적어도 하나의 이동바퀴를 포함하여 상기 장착부재의 내측에 상기 레일의 상단면과 접하도록 설치되는 선로이동수단; 및 내부 또는 외부에 설치되는 별도의 구동수단으로부터 상기 레일 표면개질장치를 이동시키기 위한 동력을 전달하기 위해 상기 장착프레임에 연결되는 동력전달부재를 포함하여 이루어지는 레일장착부;
   테이블 형태로 형성되어 상기 장착프레임의 상단에 설치되는 지지프레임, 상기 레일의 헤드 부위에 초음파 나노표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification ; UNSM)을 수행하여 상기 레일의 표면을 개질하기 위해 상기 지지프레임에 설치되는 초음파 나노표면개질(UNSM) 수단, 상기 UNSM 수단의 위치를 자동 또는 수동으로 이동시키기 위한 모터 및 제어수단을 포함하여, 상기 레일장착부 상에서 상기 지지프레임을 통하여 상기 UNSM 수단의 위치를 상기 레일의 설치방향과 수직 방향으로 이동시킬 수 있도록 이루어지는 표면개질부;
   상기 레일을 따라 상기 레일장착부를 이동시키기 위한 장치 이동수단;
   상기 레일 표면의 상태를 감지하여 피로누적 위치나 균열발생을 탐색하기 위한 복수의 센서들을 포함하여 이루어지는 레일상태 감지수단; 및
   원격 위치에서도 조작이 가능하도록 하기 위해 외부 기기와 무선 또는 유선으로 통신 가능한 통신수단을 포함하여 구성되고,
   상기 레일 표면개질장치를 상기 레일의 상단에 장착하여 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일상태 감지수단에 의해 상기 레일의 마모위치나 피로누적 위치 및 균열발생 위치 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 상기 표면개질부를 통해 초음파 나노표면개질(UNSM)을 수행하여 상기 레일의 표면을 개질하는 작업이 원격 조작에 의해 수행 가능하도록 구성됨으로써,
   상기 레일의 강도 및 내마모성을 향상시키고 수명을 증가시켜 전체적인 선로의 유지보수 및 교체비용을 절감하며, 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부를 포함하는 강도 저하 부위에서 발생하는 진동 및 소음을 저감할 수 있는 동시에, 작업자가 일일이 상기 레일을 따라 이동할 필요 없이 원격 위치에서 조작이 가능하여 상기 레일의 유지보수 작업이 간편하고 용이해지며, 상기 레일의 유지보수 작업중 발생할 수 있는 사고의 위험도 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 표면개질장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 레일의 헤드 부위에 열처리를 실시한 열처리 레일을 사용하더라도 반복적인 열차운행으로 인해 레일에 마모 및 피로손상이 누적되어 수명이 단축되는 한계가 있었던 종래기술의 열처리 레일 및 레일 강도향상방법들의 문제점을 해결할 수 있도록 구성되는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법에 있어서,
    레일의 표면에 대한 검사를 수행하여 마모 및 피로손상 누적에 따른 상기 레일의 표면 물성변화 및 내마모 특성을 분석하고 보수작업이 필요한 부분을 찾아내는 레일표면 검사단계;
    상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일표면 검사단계의 검사 결과에 근거하여 보수가 필요한 것으로 판단된 부분에 초음파 나노표면개질(UNSM) 기법을 적용하여 표면개질을 행하는 레일표면 개질단계;
    미리 정해진 기준에 근거하여 상기 레일표면 개질단계에 의해 개질된 상기 레일이 열차 운행에 적합한지를 판단하는 레일표면 판단단계; 및
    상기 레일표면 판단단계의 판단 결과에 근거하여 강도가 부족한 경우 추가적인 표면개질을 수행하거나, 또는, 해당 레일의 교체를 행하는 유지보수단계를 포함하여 구성되고,
    상기 레일표면 개질단계는,
    청구항 1항에 기재된 레일 표면개질장치를 이용하여 상기 레일의 표면을 개질하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 간편하고 용이하게 이루어지는 것에 의해 유지보수 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 레일표면 검사단계는,
    센서를 이용하여 상기 레일의 헤드부 표면에 대하여 강도 및 마모 상태를 측정하는 것에 의해, 균열발생 여부와 미리 정해진 기준치 이상으로 마모가 진행되었거나 피로가 누적된 부분 및 미리 정해진 기준치 이하로 강도가 저하된 부분을 찾아내는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법.
    
13. 제 12항에 있어서,
    상기 레일표면 개질단계는,
    상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일표면 검사단계에서 균열, 마모, 피로누적 또는 강도저하가 발생된 부위에 상기 레일 표면개질장치를 위치시켜 초음파 나노표면개질(UNSM) 처리를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 레일표면 검사단계 및 상기 레일 표면개질단계는,
    상기 레일 위에 상기 레일 표면개질장치를 위치시키고, 상기 레일을 따라 이동하면서 상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 레일의 마모나 피로누적 또는 균열발생을 포함하는 이상 발견시 해당 위치에서 즉각적으로 상기 UNSM 수단에 의해 표면을 개질하는 것에 의해 누적피로를 회복하고 표면을 강화시키는 처리가 수행되도록 구성됨으로써,
    상기 레일의 수명을 연장하고, 소음과 진동을 효과적으로 저감하는 데 더하여, 전체적인 선로의 유지보수 작업이 간편하고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레일 피로마모특성 향상 및 소음진동 저감방법.
    
15. 열차가 통행하기 위한 선로의 점검 및 유지보수를 수행하기 위한 선로 점검 및 유지보수방법에 있어서,
    선로를 구성하는 각각의 레일에 대한 이상 유무를 점점하는 선로점검단계; 및
    상기 레일의 연결부, 용접부위, 곡선부 및 교차부, 또는, 상기 선로점검단계의 점검 결과 이상이 발생된 부분의 레일에 대한 유지보수를 수행하는 선로유지보수단계를 포함하여 구성되고,
    상기 선로점검단계 및 상기 선로유지보수단계는,
    청구항 1항에 기재된 레일 표면개질장치를 이용하여 선로의 점검 및 유지보수를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선로 점검 및 유지보수방법.
    

Images