2006.09.01 00:31

파상마모(Corrugation)에 관한 토론방입니다.

송정석

파상마모(Corrugation)에 관한 토론주제들 입니다.

1. 파상마모란 ?
2. 파상(이상)마모의 종류
3. 파상(이상)마모 발생원인
5. 파상마모 발생시 문제점 및 대책(or 관리방안)
    - 유지관리측면
    - 경제적인측면
    - 환경적인측면
    - 장,단기 대책방안
6. 파상마모 억제대책
7. 파상마모 발생으로 인한 경험담(사례)
8. 국내,외 자료(용역보고서, 학계자료, 논문자료, 관리지침서 등)
9. 파상(이상)마모와 관련된 " 질문 & 답변 "
10. 기타

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김진영 2006.09.01 01:23

1. 개요color=red>
궤도의 도상이 과도하게 견고하거나 콘크리트 도상등 레일의 지승체가 견고하여 탄성력 부족시 레일 길이 방향으로 수cm 간격의 파형의 마모가 발생하는 파상마모는 레일 답면의 규칙적인 결함(일정한 주기 형성)으로 물결무늬 형상을 육안으로 확인할수 있으며, 이것은 차륜과 레일의 동적 하중(하중의 변동)을 발생시켜 궤도 재료를 열화하여 소음을 발생 시키는바, 파상마모 방지에 철저를 기하여야 한다.

2. 파상마모 발생 원인color=red>
가. 차량 요인color=blue>
1) 고성능 견인장치 이용과 전기견인(급격한 윤중변동으로 순간적 레일 응력 증가), 제동 및 시동력
2) 동일 특성을 동일 속도의 차량에 의한 균일한 수송 패턴(일정부분에 레일응력 지속으로 피로누적)
3) 양측 차륜의 전동 반경의 차가 큰 경우(순간적인 공전현상으로 레일 찰상현상)
4) Full Power 발진 및 차륜 타이어 파상마모
나. 선로 요인color=blue>
1) 시동시 레일 답면에 발생하는 결함과 전동 Scale
2) 습윤한 궤도(점착력 부족)와 부식 및 궤도 탄성의 변동(레일의 균등도 부족)
3) 지지력이 낮은 노반 및 레일 제조과정에 기인하는 고응력 및 내부응력

3. 파상마모의 분류color=red>
가. 중 하중 파상마모color=blue>
1) 높은 하중을 편성된 중 하중 열차가 일정하게 저속운행 되는 구간에서 발생한다.
2) 200~300mm 파장이 있으며 불연속적인 레일의 상면에서 진행(순간적, 국부적인 하부집중)하고 곡선 외궤에서 발생(캔트 또는 주행속도에 따라)한다.
3) 파상마모 발생개소 주위 침목이 흐트러지며[편심하중으로 정적하중에 동적하중이 작용하여(파상마모골에서) 윤중이 레일우각부에 접촉하여 차륜이 레일에 전방으로 미끄러지면서 접촉시 수직하중이 크게되어 레일두부에 편마모 발생], 저 축중과 용접기술 개발(경도차를 없앤다) 및 레일 삭정등을 통하여 발생을 저감한다.
나. 경 레일 파상마모color=blue>
1) 용접부에서 파급하여 500~1500mm 파장이 있다.
2) 비교적 가벼운 Rail(47kg/m)에서 발생하며, 저 축중과 고강성 레일 이용, 레일 삭정등으로 저감시킨다.
다. 탄성 침목 파상마모(60kg레일에서 거의 발생치 않으며 저부에서 변형이 측정되고 레일횡부에 의한 굴곡을 기초로 한다. 따라서 동적 및 정적 하중이 레일의 항복굴곡 응력을 초과하지 않도록 한다.color=blue>
1) 탄성 침목(지반진동 발생억제)이 부설된 지하철에서 (Paris, Baltimore 등) R≤400mm 이하 곡선내궤 구간에서 발생한다.⇒ 곡선주행시 외궤 전진하면서 미끄러짐. (침목위의 마모가 큰경우는 탄성침목 진동감쇄와 윤축의 공진이 같은 진동수 영역으로 수직력이 크다)
2) 50mm 의 파장을 보이며 파상마모 부분 외궤측에서는 미소 균열이 있다.(내궤레일 전방외측으로 진행 방향에 30°의 각도형성. 견인력에 의해 정착 미끄러짐이 외측으로 발생)
3) 차량 전향 성능을 개량하고 레일을 삭정하여 저감한다.
라. 접촉피로 파상마모color=blue>
차량의 전동접촉에 의한다.(레일표면에 미세 크랙이 나타나 갈라지며, 성장하는 속도이다. 미세 크랙은 길이방향으로 불규칙하게 드문드문 발생하고 골부는 진동을 발생하여 윤중이 큰 곳에서 파상마모 발생. 궤간이 넓은 경우는 곡선내궤레일(열차의 사행동), 레일두부 단면 반경이 큰 경우(R>300) 외궤레일(레일두부의 편평성)
1) 곡선부 윤활유 도포 구간에서 발생하며 레일 표면의 박편이 있다.
2) 건조한 기후에서는 서서히 발생하고 비, 눈에 의해 급격히 약화된다.
3) 차량의 전향 성능을 개량하고 레일을 삭정하여 저감조치 한다.(윤할유사용:레일표면에 전달되는 피로를 억제)
마. Rutting 파상마모(차바퀴 패임형)⇒윤축에 있는 2개 차륜의 견인력차와 미끄러짐(공조)color=blue>
1) 레일 상면에 넓게 빛나는 볼록부분과 희미하게 빛나는 오목부분이 있다.(노면철도에서 발생)
2) 주로 노면철도에서 발생하여 50mm 파장이 있으며 전향 성능을 개량하고 레일 삭정을 저감한다.
바. Roaring Rail(전동을 영역의 파상마모) ⇒마찰계수 증가를 위한 마찰증가제 도유color=blue>
1) 가벼운 축중의 차량이 주행하는 고속선구에서 발생한다.(마찰력 증가하는 윤활유 도포)
2) 직선, 완만한 곡선구간에서 나타나며 마찰력 조정이나 윤축의 평행을 확보하여 조치한다.(레일단면 재생 : 차륜이 한모양으로 마모되도록 차륜 정측정 변화)
레일두중면에서 마르펜사이트력이 1중기,2중기 나타나 열차효과와 함께 두꺼워져 한모에이르면 박락되어 빛이나는 산과 약간가도골에 의해 파상마모를 형성한다.(윤축의 불규칙 평행도)⇒접지압이 다르다.

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김진영 2006.09.01 01:29

드뎌 토론방이 활성화 되었네요 ^^
ㅊㅋㅊㅋ
복사해서 붙이다 보니 넘 지저분하게 올렸네요.
자료 더 찾아 좋은 내용있으면 올리겠습니다.

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송정석 2006.09.02 20:12

레일의 파상마모color=red>size=3>

1. 개요color=red>
레일은 차륜의 영향을 받아 절삭되어 변형하는데 이를 마모라 칭하며, 마모에는 2가지가 있다 곡선외체레일에 발생하는 측면마모와 레일답면의 마모가 있으며 이중 레일답면의 마모를 파상마모라 한다. 이 파상마모는 한번 발생하면 열차통과시에 소음을 발생시키고 진동은 체결장치를 완화(이완)하며 도상을 이완시키며 궤도틀림의 원인이 된다.

2. 파상마모 발생개소color=red>
가. 선로부설조건에 따른 것color=blue>
① 곡선부에 많이 발생, 특히 급곡선이라는 300~500m에 집중하여 발생
② 기울기구간에서는 상기울기, 하기울기 구간별로 발생
③ 정척구간등 레일이음매가 있는 구간
④ 외궤레일의 편마모가 있는 곡선구간
⑤ 도상이 견고한 개소
⑥ 무도상이나, 도상두께가 작은 개소
⑦ 분니구간, 연약노반
③ 열처리 레일에 발생
나. 운전조건에 따라color=blue>
① 역행구간
② 제동구간
③ 여객선, 화물선에 비해 전차전용선에 쉽게 발생
다. 차량조건에 따라color=blue>
무거운 차량보다 가벼운 차량쪽의 발생이 쉽다

3. 발생방지 및 억제방법color=red>
① 곡선정정을 시행하여 방향틀림을 최소화 한다
② 멀티플을 정기적으로 투입하여 고저틀림을 억제한다
③ 곡선 내궤만이라도 장대레일화 한다.
④ 레일갱환은 열처리 레일을 투입한다.
⑤ 곡선내궤용 마모방지 레일 도유기를 설치한다.

4. 대책방법color=red>
① 레일갱환에 의한 제거
② 레일 삭정에 의한 제거
③ 근본적 원인에 대하여 제거

5. 결론color=red>
차륜이 곡선부를 통과할 때 한측의 외궤차륜이 레일에 떨어지며 이 운동이 반복함으로서 서서히 누적된다. 이때 발생하는 마찰로 외궤레일은 마모된다. 내궤차륜은 방향변환하기 위하여 순간적인 공전을 일으키고 이것은 곡율의 크기에 의해 간격이 틀리게 되고 곡율이 큰 개소는 간격이 크게되고, 곡률이 작은 개소는 좁게되는 경향이 있다
또 제1차 발생지점은 레일이음매 단부에서 1.7m 떨어져 시작되고 단부 가까운 쪽은 간격이 크고, 먼쪽은 간격이 좁은 경향이 있다. 곡선반경에서 R=500m이상인 경우는 거의 나타나지 않으나 R=300~400m에서 발생이 쉽다. 곡선시종점에서는 시점보다 종점쪽이 파고가 크고, 곡률의 크기가 큰쪽이 높고, 고저틀림이 큰쪽이 높다.

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오세철 2006.09.07 09:50

위에 그림 보면서 공부하니까 무지 많은 도움이 되네요
감사합니다

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송정석 2006.09.10 14:16

1. 序論color=red>
파상마모 발생현상은 레일답면의 주기적(규칙적)인 결함이다. 이것은 보통 육안으로 식별이 가능한 것이며 차륜과 레일 사이의 높은 동적하중을 발생시켜 도상이나 그 외의 궤도재료를 노화시키고 소음을 발생시킨다.
이와 같은 파상마모 발생을 방지할 수 있다면 또는 발생키 어렵게 하는 가이드 라인이 있다면 상당한 비용절감을 가능케 할것이다.
파상마모는 단일의 원인, 단일의 해결법 또는 대책을 가진 단일의 현상이 아닌 것을 인식하여야 한다.

2. 레일의 파상마모color=red>
파상마모(corrugation)는 거의 규칙적으로 연속하는 레일답면의 빛나는 볼록부와 어두운 오목부에 의하여 특징되어지는데 피크의 간격은 거의 3～8cm이다 파상마모는 3～8cm의 초단파장, 8～30cm 단파장, 0.6～2.3m의 장파장을 포함한 개념이다.
파상마모는 레일의 모재보다 단단하게 0.02～0.4mm 깊이로 파상의 요철로 되어 빛나고 있으므로 이것을 구별할 수가 있다. 이 결함이 넓어짐에 따라 파상의 차는 점점 더 크게 된다.
Krettek에 의하면 파상마모 피크의 경도는 비커스 경도로 레일의 평균 경도가 290HV인것에 대하여 900HV였다. 기타의 수치는 260HV에서480HV이다. (일본의 보통레일의 경도는 240～260HV 이다.) 900HV에 이르는 높은 경도의 값은 냉간 가공만으로 단순 하게 설명할 수 없고 극단적인 열영향에 의하고 있다.
파상마모가 진행하면 차륜통과에 따른 충격에 대하여 차륜․궤도의 진동, 소음이 크게 되어 승객에 불쾌감을 준다. 차량보수에 의하여도 악영향을 줌과 동시에 궤도에서도 각부 재료의 마모, 이완이 촉진되어 보수량이 증대하는 외에 재료의 수명도 단축된다.

3. 파상마모의 발생color=red>
파상마모는 주로 직선구간에 발생되지만 대반경의 곡선에서도 발생한다. 제동구간에서는 특유한 빛난 피크로 된다. 파상마모는 화물 그리고 객화 혼합의 수송을 행하는 고속선만이 아니고 지 하철, 도시내 선로 그리고 노면철도와 같은 단거리 수송선로에서도 발생한다.
문헌에서 파상마모의 기술은 Baldwin이 오하이오주의 신시내티시의 노면철도에 대하여 쓴 1895年으로 거슬러 올라간다. 1908年에는 Busse가 레일의 파상마모 국제 노면철도 및 지방철도 협회의회에서 설명하고 있다 1913年에는 Sellon이 영국의 버킹검과 에딘바라의 노면철도의 파상마모에 대하여 논문을 써서 그 현상의 특징을 기술하고, 1922년에는 Railway Gazett지가 런던 노면철도의 파상마모에 관한 기사를 발표하였다.
그 이후 제2차 세계대전 이후는 가속도적으로 국제적인 현으로 파상마모가 그 원인, 영향, 방지 및 처리에 관하여 광범위하게 기술문헌에 취급되어 있다.
1958년 국제철도 회의 총회에서 세계 각국에 있어서 레일의 파상마모에 대한 실태와 견해가 발표되었다. 그때 일본에서 발표한 파상마모의 특징을 보면, 파장은 3～8cm와 20～100cm의 것, 또 수평 마모량은 2～6mm의 것이 많다. 직선부가 많고 곡 선반경이 작을수록 발생 빈도는 감소하며, 또 좌우레일의 상대하는 파가 교차로 벗어나 있는 것이 많다. 자갈 도상에 대하여 콘크리트 도상의 발생빈도는 수배이며 자갈 도상에서는 토사 의 혼입률이 클수록 많다. 전차 구간이 많고, 터널내는 극히 많다. 역 진입을 위한 제동구간은 그 외 구간에 대하여 약 3배, 복선은 단선의 약 4배, 복선 가운데에서 상구배에서는 하 구배의 약 2배의 발생빈도이다.

4. 원인에 관한 가설color=red>
파상마모의 현상은 대단히 복잡 다양하며, 오래전부터 연구되어왔고 내부응력, 레일표면의 산화, 레일의 파동, 차륜 압력과 차량 및 차륜의 진동, 차량과 레일의 상호 진동 등의 설이 있 다. 그러나 단편적인 개개의 면만의 연구로는 그 모든 모양을 밝히기 어렵고, 차량․레일계의 전반적인 넓은 시야에서 종합적으로 모아 검토할 필요가 있다. 이러한 견지에서 독일 Birmann의 논문에는 참고할 점이 많다. 즉 차륜 및 차축의 굽힘, 비틀림 등에 의한 진동이 심하게 재기되어 차륜 · 레일 접촉부를 통하여 이것이 어느 접촉 압력하에서 레일에 전해진다. 여기서 양측 차륜의 직경에 차이가 있으면 윤축은 차축의 탄성에 의하여 비틀림 작용이 부가되어 격심한 미끄러짐이 수반되어서 주행거리를 맞추어야 한다. 이와같은 파동, 미끄러짐, 접촉 압력에 레일의 재질이 관계하여 파상마모가 한정적으로 발생한다고 한다. 이상적인 시뮬레이션 · 모델에 의한 실험을 포함한 실험실이나 시험궤도에 있어서 광범위한 연구에도 불구하고 파상마모 원인의 상세는 여전히 판명되지 않고 있다. 여기서는 각수인 의견의 몇 개만을 소개하는데 그친다. 파상마모에 있어서 주기적인 파상의 형상이 차륜의 파동, 특히 차륜 디스크의 진동에 의하는 것은 확실하다고 생각된다. 그러나 그 동기가 되는 요인의 상세는 분명하지 않다. 이와 같은 진동과 이것에 따른 공진을 상정하면 다소의 소성변형을 가짐에 이르는 상당한 응력이 차륜 · 레일간의 접촉점에 발생한다. 이 효과를 설명하기 위하여 영국 및 미국에서 요철 발생 소성화 충 격이라고 하는 술어가 만들어졌다. Johnson과 Gray는 주행시험장치로 시험을 행하여 윤중변동에 관계된 전단응력에 의하여 레일단면에 소성변형한 반점이 생기는 것을 주장하였다. 소성 변형에 대하여는 Crook, Johnson과 Merwin 및 Carson과 Johnson도 이것을 취급하고 있다. 차륜이 어느 정도의 요철을 가진 레일상을 달릴때에는 언제라도 정적 그리고 동적인 힘이 차량 궤 도계의 진동요소와 결부하여 파장에 대응한 진동수의 접촉 공진 진동을 증대시킨다. 접촉파장에는 주기적으로 변동하는 차륜 레일간의 접촉에 대하여 그 정도가 차륜의 약간의 상승에 서 충격에 이르기까지의 것이 포함되어 있다. 소성충격, 결국 단면의 변형을 가져오는 표면요철에 관계된 "접촉공진"에 대하여는 Nayak도 이것을 표시하고 있다. 이들의 차륜 · 레일계간의 가진원으로 되는 초기의 미세한 요철은 점점 크게 된다. 소성충격에 의하여 크게되는 레일의 요철에 있어서 (이것에 관계하는) 레일의 내부응력은 레일의 제조 및 처리 과정에 의하는 경우가 크다. Wemer는 모델에 따라 다음과 같이 해석하였다. 차륜이 접촉점에서 근접한 거의 같은 진동수를 가진 차륜, 림의 휨진동이 발생하여 이것이 차륜의 회전방향과 반대 방향으로 전파한다. 이 경우에 이들 2개의 진동수 차이는 회전속도에 비례한다. 이 두 개의 진동수 간섭이 크게 되어 속도에 비례한 진동수가 존재한다. 어떤 속도에서 차량의 고유진동과의 공진이 일어나는가도 모른다. 만일 궤도의 탄성에 관계하는 이 같은 진동이 흔히 일어나는 것으로 하면 상술의 소성변형 이 파상마모의 형을 취하여 발생하는 것으로 된다. Eisenmann에 의하면 파상마모는 주행연에 인접한 영역의 내부응력, 응력의 반전 그리고 주행연에 근접한 부분에 있어서 하중에 의한 응력의 중합의 현상에 관계하고 더욱이 Bauschinger효과에 의하여 상당한 소성변형이 생기기에 이른다. Bauschinger효과의 귀결은 다음과 같다. 항복영역에서 빠른 시간에 응력이 작용하면 역방향의 극히 작은 응력에서도 항복이 시작한다 항복영역의 양측에서 작용하는 길이 방향의 응력과 주행면의 아래 상하방면으로 작용하는 내부응력에 의하여 항복역은 마상마모의 피크에 상당하는 부풀음을 나타낸다.

5. 메카니즘에 의한 파상마모의 분류color=red>
파상마모의 메카니즘은 파장결정 메카니즘과 파상마모 주행 메카니즘의 두 요소로 구성되어 있다고 Grassie 박사는 주장 하고 있다 (그림 참조). 레일은 처음에 파상마모되어 있지 않 다. 그러나 그 형상에는 여러가지의 파장인 요철 성분이 포함 되어 있으며 불가피하게 현저하게 큰 부정이 존재한다. 이 초기의 요철은 차륜과 레일의 접촉점에 있어서 구동이나 크리프, 마찰 탄성이라고 하는 다른 요인과 결부하여 어떤 종류의 손상의 원인으로 되는 동적 하중을 일으켜 초기 파장이 변형한다. 충분한 수의 열차가 어느 지점을 같은 속도로 통과한다고 가정하며 동적하중이 변화하는 파장은 어떤 열차에서도 같게 된다. 이것이 특정의 파장을 결정하는 메카니즘이다. 같은 노면의 부정은 각각의 열차를 진동시키지만 어떤 열차에 따라 받은 손상은 그것에 이른 열차를 보다 크게 진동시켜 어떤 특정한 파장에 있어서 파상마모가 진행한다. 동적 하중은 차륜과 레일의 접촉에 수직 또는 평행으로 걸린다. 파상마모를 진행시키는 전형적인 메카니즘은 소성 유동과 마모이다. Grassie 박사는 2개의 메카니즘에 따라 6종류의 파상마모를 분류, 상정하 고 다음과 같은 용어를 이용하여 묘사하고 있다 이것은 Heavy Haul(중하중), Light Rail(경량레일), Booted Sleeper(탄성침목), Contact Fatique(접촉피로), Rutting(바퀴자국), Roaring Rail (시끄러운레일)이다. 각 파상마모의 특징은 다음과 같다.

(그림) 일반적인 파상마모의 메카니즘의 구조도

① Heavy Baul(윤중하중) 파상마모color=blue>
Heavy Haul은 15t 이상의 높은 하중의 차량으로 편성된 윤중 하중 열차가 저속 더욱이 일정한 속도로 시행하고 있는 구간 에서 발생하고 있다. 이것은 용접부나 이음매부, 기타의 불연속인 레일 상면의 부정에서 진행하며 곡선의 외축에서 비교적 발생하기 쉽다. 200~300mm라고 하는 전형적인 파장은 윤중 하중 열차의 저속도에 대하여 약 30Hz에 상당한다. 파상마모의 오목 부분이나 레일 상면의 버섯모양 부분에 큰 소성유동이 있다. 파상마모가 발생하고 있는 장소에서는 침목 주위의 도상이 흐트러져 있다.

② Light Rail(경량레일) 파상마모color=blue>
Light Rail은 윤중하중 철도에 발생하는 파상마모와 많은 유사점을 가진 파상마모로 용접부에서 파급하여 500~1500mm 사이의 파장을 갖고 있다. 700mm라고 하는 전형적인 파장은 대표적인 차량속도에 대하여 약30Hz의 勵振(여진) 진동수에 상당한다. 특히 47kg/m라고 하는 비교적 가벼운 레일에서 발생하고 있고 오래된 53kg/m 레일에서도 몇 개가 존재한다.

③ Booted Sleepers(탄성 침목) 파상마모color=blue>
도상에서 전해지는 지반진동을 감소시키기 위하여 탄성체를 붙인 침목을 이용한 궤도가 특히 지하철에 부설되어 왔다. Booted Sleepers는 그와 같은 몇 개의 선로에 있어서 반경 400m이하의 곡선구간의 내궤에 발생하고 있다. 다른 궤도구조가 인접하는 구간에서는 이 파상마모는 일어나지 않는다. 파상마모의 파장은 어떤 장소에 있어서도 약 50mm 정도이다. 제법 진행한 파상마모에는 전방 외측(곡선의 내측으로 향하여)으로의 소성유동이 있고 파상마모의 골은 진행방향에 대하여 약 30도의 각도를 가지고 있다 파상마모 부분의 외궤 내측에서는 일반적으로 미소 균열이 존재한다

④ 곡선부에 있어서 Contact Fatique(접촉피로)color=blue>
이 종류의 파상마모는 처음에 카나다 화물철도의 윤활제가 잘 도포되었던 곡선부에서 보여졌으면 파장은 150~450mm의 범위이고 같은 장소에서도 분산이 있다. 깊이는 전형적으로는 0.5mm이지만 2mm에 달하는 것도 있다. 파상마모 발생구간에서는 항상 레일표면이 박편으로 되어있다. 소성변형과 소성유동은 곡선의 내측으로 향하여 있지만 골 부분에서 가장 현저 하다. 파상마모는 주로 궤간이 넓은 경우에는 내궤에 발생하고, 궤간이 좁은 경우 또는 레일 상면의 형상이 비교적 평골한 경우, 결국 레일 상도부의 곡선반경이 약 300mm 이상인 경우에 외궤에 발생한다. 'Contact Fatique'는 건조한 기후하에서는 천천히 발생하지만 비 또는 눈에 의하여 급격하게 악화한다.

⑤ Rutting(바퀴 자국 도랑을 의미하는 단어)color=blue>
Rutting은 레일상면의 일면에 넓게 빛나는 볼록 부분과 희미하게 빛나는 마모한 오목 부분이 있다고 하는 특징을 갖고 있다. 'Rutting'은 노면철도에서 일반적으로 보여지는 파상마모이며 그 외에 RATP와 같은 지하철의 급곡선 내궤, 게다가 1 전동기 대차를 채용하고 있는 지하철에 있어서 광범위하게 발생하고 있다. 파리의 RATP에서 발생하고 있는 파상마모의 파장은 약 200mm, FAST에 있어서는 장소에 따라 150mm에서 450mm로 되어 있다. 또 속도가 늦은 노면철도의 궤도에 있어서는 파장이 일반적으로 50mm 정도이다.

⑥ Roaring Rails(시끄러운 레일, 전동음을 발생시키는 영역의 파장인 파상마모를 의미한다)color=blue>
Roaring Rails는 비교적 가벼운 축중의 차중이 주행하는 고속구간의 궤도에서 일반적으로 발생하고 있는 파상마모이다(비교적 가벼운 축중이라고 하는 것은 통상적으로 축중이 약 20t/, 윤중이 약 10t 이하의 것이다). 이 마모는 차륜 플랜지와 레일 내측이 접촉하지 않는 직선 구간이나 완만한 곡선구간에서 발생하는 일이 많다. 그 파장은 열차속도에 따라 큰 분산이 없고, 열차속도가 10~50m/s 범위의 구간에 약 25~80mm사이의 파장인 파상마모가 전형적이다.

6. 파상마모의 종류와 특징color=red>

※ P2공진 : 궤도지지 스프링 上에서 차량스프링 下질량의 고유진동

7. 파상마모의 대책color=red>

○:효과입증 △:효과기대

8. 결론 및 건의color=red>
레일파상마모의 발요인은 파상이 정해지는 구성요소와 이것이 금속학적으로 확정되어 성장되는 요소가 있어 이것이 상호관계가 되어 급속하게 성장하는 것으로서 열차운전, 궤도, 차량에 의하여 복합적으로 발생되므로 향후 이에 대한 시험연구 검토가 필요함

○ 레일연마차 추가 구매 확보 (단면재생 가능)
○ 레일연마 시행주기 및 기준 재검토
○ 레일 연마석 재질(경도) 보완
○ 궤도 동적 변위계측기 도입
○ STEDEF 방진재에 대한 적정 동탄성계수 검토보완
○ 곡선구간 레일 축응력 측정관리
○ 열차운행시 궤도동적틀림 (面, Toist) 계측
○ 곡선구간내 열차운행시 전향대차 운동특성 (접촉, 이격)
○ 열차 운행속도 변화(채감,가속) 및 적정 캔트관리
○ 레일지지침목 배치간격

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조성정 2006.09.13 17:11

가. 정의
파상마모란 레일 두정면이 일정한 간격으로 凹凸을 갖는 파상형태의 마모로, 소음 진동원의 발생원이 됨과 동시에 궤도구조부재의 열화를 촉진시킨다.

나. 발생 경향
파상마모의 형태 및 발생 빈도등 발생 경향은 대체로 다음과 같다.
1) 반경 400m 이하의 급곡선 내궤에 발생
2) 반경 800m 이하의 외궤에 발생
3) 직선에 발생하고 있는 파상마모의 파장은 30~60mm로 짧다.
4) 바라스트도상에 비해, 콘크리트도상이 발생 빈도가 높다.
5) 바라스트도상에서는 토사혼입율이 큰 곳이 발생빈도가 높다.
6) 전철구간이 많으며, 터널내는 아주 많다.
7) 정거장 진입을 위한 제동구간은, 다른 구간에 비해 약3배 정도로 발생빈도가 높다.
8) 복선은 단선의 약4배, 복선중 상구배는 하구배의 약2배 정도로 발생빈도가 높다.

다. 파상마모의 영향
1) 차량통과에 동반한 충격으로, 차량과 궤도에 소음 진동이 발생.
2) 차량보수에 악영향
3) 궤도 각부재의 마모와 이완이 촉진되어 보수량이 증대.
4) 재료 수명이 단축

라. 파상마모의 원인
1) 일반적인 학설
레일의 재질, 제조방법, 내부응력, 레일표면의 산화, 레일의 진동, 차륜압력과 차량 및 차축의 진동, 차량과 레일의 상호진동등이 복잡하게 관계한다.

2) 독일의 Fritz Birmann 박사
차륜 및 차축의 휨과 비틀림에 의한 진동이, 차륜과 레일의 접촉부를 통해 이것이 어떤 접촉압력으로 레일에 전달될 때, 양측 차륜의 직경에 차이가 있으면 윤축은 차축의 탄성에 의한 비틀림 작용이 부가되어 심하게 미끄러지면서 강제로 주행거리를 맞추게 되는데, 이와 같은 진동과 미끌림 및 접촉압력에 레일의 재질이 관계하여 파상마모가 한정적으로 발생한다.

3) 최근의 조사 보고
파상마모와 관련, 일본 JR노선에서 레일 요철진행에 대해 현장 조사한 바에 의하면, 곡선반경이 작을수록 요철 진행이 빠르며(그림-14), 또한, 궤도구조와 요철 진행 관계는 탄성바라스트궤도>유도상 PC침목 궤도>유도상 탄성침목궤도의 순으로 나타났다(그림-15). 이것으로, 곡선반경이 작으면 횡압이 커지고, 궤도스프링계수가 크면 윤중변동이 커져 파상마모를 형성하는 마찰진동을 일으키기 쉽기 때문에 요철진행이 빠르다는 것을 알수 있었다.

마. 파상마모의 제거 방법
현재까지는 파상마모된 레일 두정면을 연삭하여 제거하는 방법외에 다른 방법은 없는 실정이다.

바. 파상마모의 예방책
독일의 Fritz Birmann 박사는,
1) 차륜판의 진동을 감소시키는 차륜구조로 할 것.
2) 좌우 차륜직경의 차이를 가능한 작게 할 것.
3) 사행동을 저감시키고 flutter 진동의 진폭을 감소시키기 위해 궤간(차륜 후렌지와 레일간의 유간)을 축소할 것.
4) 레일 재질을 개량할 것. 등을 주장하고 있으며,
최근, 일본에서의 현장 시험에 의한 효과 분석에 의하면,
1) 급곡선 내궤에 도유하면 횡압저감효과와 그에 따른 파상마모 발생 억제효과가 있음이 확인되었으며,
2) 레일/차륜간의 마찰진동과 관계가 밀접한 Q/P의 저감을 위해, 캔트와 슬랙을 변화시킨 결과 이에 대한 효과는 미미하였으며,
3) 저스프링계수 궤도패드에 의한 동적윤중 경감시 파상마모의 발생을 억제할 수는 있으나, 특별한 효과는 확인되지 않았다.
따라서, 급곡선 내궤 파상마모 대책으로는 내궤측 레일두정면 도유가 효과적이나, 제동문제와 도유기 설치장소 및 기름의 종류등 검토할 과제가 남아 있는 실정이다.
그밖에, 프랑스에서는 레일의 탄성체결을 강력히 추천하고 있음.

사. 결론
레일의 파상마모에 의한 소음 진동은, 파상마모된 부분을 레일 연마 등으로 제거하거나 레일 도유 등으로 파상마모 발생을 억제하므로서, 저감시킬 수 있겠으나, 파상마모의 발생이 횡압과 윤중변동에 기인하는 점을 착안할 때, 궤도부재에 대해 다음과 같이 고려할 수 있음.
￭레일하중 증대
레일 질량의 증대는 일반적으로 소음 진동저감에 유리함.
￭레일 체결장치
저 스프링계수의 레일패드와 이에 적합한 탄성을 갖는 체결크립의 사용으로 레일 진동에 추수성이 있도록 함이 효과적임.
￭침목 개선
콘크리트 도상 매립식일 경우, 침목 구체의 형상이나 중량은 파상마모에 특별한 영향은 없겠으나, 방진상자에 의해 도상으로부터 침목을 격리시키는 방식일 경우에는 침목 부상을 방지하기 위해 침목 저부(방진상자 저부)에 과다한 공극이 없도록 정밀시공이 요망됨.
￭침목받침고무의 진동흡수방안
레일 진동에 효율적으로 대처하려면, 가능한 가진원으로부터 최단거리에서 진동을 흡수하는 방식이 효과적이나, 침목저면에 탄성재를 삽입하여 진동을 흡수하도록 할 경우에는 침목저면에서 도상면사이의 탄성재 및 방진상자간에 평탄한 밀착과 침목 측면의 방진상자간 이격거리가 정밀하게 확보되어야 침목의 상하운동이 탄성적일 수 있음. 따라서, 시공성을 고려한다면, 시공중 방진상자의 형상이 쉽게 변형되지 않을 정도의 소재를 사용하는 것이 효과적임.

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송정석 2006.09.13 21:36

조성정님
자료 감사합니다.
아울러, 포인트 100점 반영하여 드렸습니다.

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송재환 2006.09.18 08:21

파상마모는 도상이 강성인 콘크리트도사에서 발생하며, 이상소음의 원인이 됩니다.
원인이야 여러가지겠지만,문제해결방법이 중요하지요. 결론은 연마차가 유일한 해결책이지요.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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송정석 2006.09.19 21:11

레일연마차........
파상마모 제거에는 유일한 해결책이지만
Profile방식 연마차의 경우 도시철도와 같이 지하구간에서 연마작업시 분진 즉, 연마지석가루 및 쇳가루 등으로 인한 환경문제가 심각한 수준에 도달하고 있는 실정입니다.
이런 사유로 인하여 서울메트로의 경우 제3호 연마차를 밀링머신으로 계약
현재 제작중에 있습니다. ('07년도 도입예정)

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이장근 2006.09.20 14:49

글 길게 썼는데...... 열심히 썼는데 다 날라갔다.....TT
제가 알고 있는 UIC코드를 보면
위의 사진들은 모두가 쉐링의 범주에 든다고 보입니다
그리고 파상마모의 범주에 쉐링을 포함하는 것은 아니라고 봅니다
왜냐하면(UIC에서도 그랬지만) 마모현상과 표면결함, 쉐링은 서로 다른메카니즘을
가졌다는 것입니다.....
마모는 파상마모, 직마모, 편마모로 분류가 되고요
두부표면결함은 : 얇은조각, 긴홈, 선(line)
쉐링은 : 달리는면의 쉐링, 게이지코너 쉐링, 헤드체킹/균열/스케일링 3가지로 분류되어
있습니다.....
미국 AREA의 자료도 올려주시면 고맙겠습니다...
저의 짧은 소견으로 말씀드렸습니다....

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이장근 2006.09.20 15:01

또한, 송재환님의 파상마모에 대한 의견에 대하여 반박하고 싶습니다.
연마차가 유일한 해결방법이라고 하셨는데.... 연마차는 근본적인 해결방법이 아닙니다.
연마는 근본목적은 표면의 평탄성 유지 및 피로층의 제거에 있다고 할수 있습니다.
그런데 파상마모의 파고를 제거하기 위해서는 그리고 빨리 진전된다는 특징때문에
언제까지나 연마만 한다면 지하환경에 악영향을 초래할 뿐입니다....
뭔가 다른 대책을 강구하여야 할것 같습니다......

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송정석 2006.09.26 06:16

이장근님
자료 감사합니다.
아울러, 포인트 반영하여 드렸습니다.....

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송정석 2006.09.30 14:07

파상마모(corrugation)

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성호기 2006.11.10 13:08

안녕하세요. 레일의 파상마모에 대해 몇 자 올렸습니다(별도 파일).
좋은 토론방이라 생각합니다. 정보의 장 으로 널리 활용 되기를 바라겠습니다. 건강하십시요.

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이장근 2007.01.26 16:04

요즘 파상마모에 대한 주제 토론이 너무 뜸한것 같습니다. 해가 바뀌고 해서 다들 바빠서
그러시겠죠?!!!! 콘크리트도상의 궤도구조는 침목이든, 직결구조이든지 간에 자갈도상에서와
같은 탄성을 내기 위하여 설계하고 있습니다. 그래서 STEDEF 궤도에서 곡선구간의 도상과 RC침
목에 진동속도를 측정해보았습니다. 도상은 약 0.1mm/s, 침목은 12.8cm/s(kine)이 종, 횡, 수직방향의 진동이 유사한 속도로 발생하고 있었습니다. 그러나 이러한 값의 영향을 보았을때 방진재의 개선이 요구되는 것은 아닌지 한번쯤 생각해볼 문제라 생각합니다.
설계축중과 실제축중의 차이, 곡선부 속도저하, 편마모에따른 궤간확대 등에 따른 열차의
원활한 곡선통과를 위한 방안도 검토해보아야 할 것이라 생각됩니다.

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송정석 2007.02.01 23:55

성호기님, 이장근님 자료 감사합니다.
아울러 포인트 반영하여 드렸습니다.
앞으로도 많은 자료 및 유익한 자료 부탁드립니다.

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송정석 2007.03.06 14:32

■ 파상마모color=red>란 레일 두부 상면에 어떤 일정한 간격의 요철을 가지고 파상으로 마모하는 현상이다. 파상마모는 3~6cm의 단파장과 수 10cm의 장파장으로 대별되지만 양자의 외관, 발생, 성장은 다르다. 단파장 파상마모레일의 파형 상부는 빛나며 파형저부는 어두운 색을 나타내며 결도 거칠다. 장파장의 파상마모는 주로 파상의 굽힘 이다.

■ 파상마모는 휠/레일 접촉에 동적 자극을 제공하는 원인이 되며 이로 인해 레일 뿐 아니라 궤도구조와 차량에도 상당한 손상을 줄 수 있는 충격하중으로 나타난다.
파상마모의 깊이가 0.05인치(1.27cm)일 경우 충격하중은 휠/레일 동하중의 2배가 넘는 것으로 알려지고 있다. 동적 충격력의 생성과 더불어 파상마모는 소음과 진동도 일으키며 차량의 승객들에게 불쾌감을 유발하게 되는데 레일 삭정을 효과적으로 실시하면 파상마모의 성장과 재발을 막을 수 있으며 이로 인해 유발되는 휠/레일 동하중 및 소음.진동을 제거 할 수 있다.

■ 삭정에 의해 레일 파상마모를 제거 했을 경우에는 소음에 약 7dB이상 줄어드는 것으로 알려지고 있다. 미국 및 캐나다 철도기관들에 의해 조시된 바에 따르면 기존의 결함 제거용 삭정을 시행 했을 때 보다 “프로파일 삭정‘을 시행했을 때 파상마모의 재성장이 훨씬 느리게 진행된다는 것으로 알려지고 있다. 이렇게 파상마모의 성장을 억제하고 재성장을 방지함으로써 레일 수명이 연장된 것은 약 33%에 달하는데 파상마모의 깊이가 비교적 얕을 때(혹은 나타나기 전에) 프로파일 연마를 자주해 주게 되면 이미 상당히 진행된 파상마모를 제거하기 위해 절삭되는 금속의 양보다 훨씬 적다는 것이 사실로 알려지고 있다.

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전영석 2007.03.28 01:34

사진에 나타난 레일은 어디서 생산한 레일인지(성분과 강도 등) , 그리고 파상마모가 발생한 지점의 선로의 상태(곡률, 캔트 등) 는 어떤지?
파상마모가 발생하는 원인은 차륜의 답면 구배와 밀접한 관계가 있습니다. 그리고 인도산 레일의 경우 물리적 성질 등으로 파상마모의 흔적이 많이 나타나고 있구요.
파상마모의 파장이 긴 것과 짧은 것도 있는데 이는 열차의 운행속도와 관련이 있습니다. 일반적으로 열차의 속도가 높은 경우가 열차속도가 낮은 걍우보다 파장이 길게 나타납니다.

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전영석 2007.03.28 01:42

파상마모는 직선구간보다 곡선부와 완화곡선부에서 많이 나타납니다. 파상마모가 심한 경우에는 심한 진동으로 인하여 침목과 접한 도상자갈의 마멸이 급속히 진행되어 레일의 좌굴이 발생하기도합니다. 실제로 파상마모로 인한 도상자갈의 마멸로 좌굴이 발생, 상 하선 열차의 운행이 중단되기도 했지요. 파상마모로 인하여 소음이 높아지는 것은 당연한 일이고, 차량의 심한 진동으로 차량부품의 이완 내지 탈락되기도하지요.

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송창혁 2007.03.29 02:11

전 호남선에서 근무하는데 제가 있는 곳은 R=600정도의 곡선이 굉장히 많은 구간입니다. R=300~400구간에서 많이 발생한다고 하지만 제가 보기엔 R=600이상이라 하더라도 KTX와 같이 차량의 길이가 길고 가벼우며 빠른 속도의 열차가 운행하게 되면 저런 파상마모 현상이 쉽게 나타나는 것 같습니다. 실제 순회점검시 느끼는 것이 각 곡선마다 한쪽은 파상마모가 또 다른 쪽은 직마모 흔적이 드러나 있습니다. 제 개인적인 생각에는 KTX가 전용선이 아닌 국철구간을 운행하는 것은 역시 무리가 있는 것 같습니다.

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송정석 2007.04.01 12:56

전영석님, 송창혁님 감사합니다.
위 사진에 나타난 레일은 인천제철(현,INI스틸) 및 강원산업(지금은 INI스틸로 합병되었지만)
에서 생산된 레일입니다.
성분 및 강도는 현 규정과 비슷(동일?)합니다.
선로상태는 직결궤도의 경우 직선부이며, RC침목구간은 곡선부입니다.
파상마모가 빈번하게 발생되는 곡선반경은 400m에서 많이 발생되고 또한, 직선구간에서도 발생되고 있습니다.
파상마모 발생구간 궤도상태는 크게 이상이 없는데도 불구하고 발생되고 있습니다.
아울러 진영석님, 송창혁님 포인트 100점 반영하여 드렸습니다.

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조성정 2007.04.02 10:41

제10장. (미국 TCRP 보고서 자료)
레일 波狀磨耗의 制御 (Rail Corrugation Control)

10.1 槪要

레일 파상마모는 철도에서 경험하게 되는 가장 심각한 차륜/레일 소음문제를 유발하게 된다. 그러한 소음은 승객들을 자극하고, 고통스럽게 할 수 있으며 심지어 몸에 해를 끼칠 수도 있다. 파상마모로 인한 차륜/레일 접촉소음은 그 음색이 매우 독특한 특성을 가지고 있어서, 특히 바람이나 온도조건에 따라 몇 마일 떨어진 곳에서도 들릴수가 있으며 다른 소음과 구별해 낼 수 있을 정도이다.

파상마모 레일로부터 유발된 소음은 특히 심하고 집단 민원의 원인을 제공하기도 하지만, 이러한 소음은 레일을 삭정함으로써 비교적 쉽게 제어할 수 있다. 이러한 해결 방안을 적용하는데 있어서의 단지 어려움은 레일삭정 장비와 재료와 인력을 확보하는 것과 삭정 작업동안 트랙을 차단하는 일 뿐이다.

다음에 설명된 내용들은 파상마모와 그것의 해결방법들에 대해 각종 문헌과, 현장에서 일화처럼 전해지는 정보들과, 필자들의 경험을 토대로 한 것이다.
지난 10년~15년 동안 여러 가지 파상마모 과정에 대한 비교적 명확한 그림을 그리기 위해 많은 연구가 수행되었는데, 그 중 특히 관련이 있는 것이 최근의 “도시철도시스템에서의 파상마모 형성에 관한 조사(Survey of corrugation formation at rail transit system)"인데, 여기에서는 파상마모를 유발하는 트랙 파상마모들과 레일 파상마모의 형성에 관하여 종합적인 설명을 하고 있다(1).

Grassie와 Kalousek(2)는 철도부설 초기부터 존재해왔던 레일 파상마모에 대하여 여러 문헌들을 철저히 분석하여 제어 방법을 제시하고 있다. 1961년에 영국국영철도(British Rail)는 1904년도부터의 관련 문헌을 집대성하였으며, 이러한 파상마모에 대한 관심과 연구는 꾸준히 진행되고 있다.

10.2 波狀磨耗의 分流

레일 파상마모는 레일헤드 주행면의 마모나 소성변형에 의해 레일 종방향으로 주기적인 파형을 갖는 레일헤드 프로파일이라고 정의할 수 있다. 레일파상마모는 다음과 같은 세 가지의 기본적인 파장 형태로 나타난다.

1. 1-3인치(25-76mm)파장을 가진 “굉음레일(roaring rail)” 파상마모:
이러한 파상마모는 축하중이 작은 도시철도나 교외선 경전철에서 흔히 나타나는 형태이다. 단파장(short pitch)이란 용어와 굉음레일(roaring rail)은 같은 의미이다. 샌프란시스코 BART(Bay Area Rapid Transit)라인의 경우에는 이 굉음레일을 howling rail(잡음레일)이라고 부르기도 한다.

2. 6-18인치(150-450mm)파장의 중파장(intermediate wave)파상마모:
이러한 파상마모는 보통 축하중이 큰 화물라인에서 흔히 나타나며, 곡선구간의 내측레일에서 주로 발견된다.

3. 24인치 이상의 파장을 가진 장파장(long wave)파상마모:
이러한 파상마모는 고속 여객운송 라인에서 흔히 나타나지만, 그러나 저속라인에서도 종종 발견할 수 있다.

위의 분류는 가장 쉽게 관찰할 수 있는 파상마모의 파장에 따라서 현상학적으로 특징을 분류한 것으로 볼 수 있다.
Grassie와 Kalousek(3)은 레일 파상마모를 ⑴ 중량하중(heavy haul)형, ⑵ 경량레일(light rail)형, ⑶ 부트 침목(booted sleeper)형, ⑷ 접촉 피로(contact fatigue)형, ⑸ 바퀴패임자국(rutting)형 ⑹ 굉음레일(roaring rail)형의 여섯 가지 범주로 분류했다. 도표 10-1에는 다양한 분류 목록이 나타나 있다.

10.2.1 轟音레일 혹은 短波長波狀磨耗

굉음레일(roaring rail) 혹은 단파장 파상마모는 차량이 중속이나 고속으로 주행할 때 굉장히 심한 정도의 소음을 일으키며, 이는 종종 지역주민들의 집단민원의 주범이 되기도 한다. 평활한 레일표면에서 발생하는 소음의 레벨이 큰 것만이 단순히 문제가 되는 것이 아니라, 이러한 소음은 약 500㎐-800㎐ 사이의 주파수에 집중되어 있으며, 일반적인 구동소음보다 무시하고 넘기기가 어렵다는 것이다.
영국철도위원회(British Railways Board)의 수석엔지니어인 C.O. Frederick은 단파장 파상마모에 대한 가장 종합적인 검토서 중의 하나를 발표하였다. Frederick은 영국에서 고속 철도 운영에서 그 자신이 직접 다양한 관찰을 하였으며, 그러한 관찰 결과들을 연구자료 및 문헌에다가 의견을 제시하였다.

1. 파상마모는 마루 부분에 심한 소성 변형이 나타나며, 골 부분에서는 약한정도의 소성 변형만 약하게 발생한다.
2. 파상마모는 반드시 그 위치가 고정되어 있다. 마루와 골의 위치가 마모과정에서처럼 이동하지 않는다. 레일 전체에 걸쳐 재료의 손실이 발생하게 되는데, 이러한 재료 손실율은 마루에서 보다는 골에서 크게 나타나며 그 과정에서 파상마모가 발생하게 된다. 극히 작은 파형의 진폭의 경우에 있어서 파상마모의 깊이가 깊어지는 비율인 심화율(rate of deepening)은 현재의 깊이에 비례하게 된다(시간에 따른 지수율로 성장한다)

분류 파장-㎜ 원인 영향
1) 중량화물형 200-300 P2 공진 골부분의 소성 유동
2) 경량레일형 500-1500 P2 공진 소성 벤딩
3) 부트침목형 45-60 침목 공진 횡방향 진동으로 인한
(Stedef.LVT) (파리도시철도) 골 부분의 마모
51-57 차륜의 쏠림 공진 진동, 마루 부분의 소성 유동
(볼티모어지하철)
4) 접촉피로형 150-450 횡방향 P2 공진 구름 접촉 피로
5) 바퀴자국형 50(경량 레일) 차륜의 비틀림 공진 종방향의 미끌림 진동에
의한 골부분의 마모
200(파리도시철도) 마루부분의 수직방향 동하중
150-450(미국 FAST) P2 공진

6) 굉음레일형 25-80 원인 불명 종방향의 미끌림에 의한
골 부분의 마모
3. 두 개의 레일에 있어서 파상마모 파동은 트랙 아래 방향의 거리와는 무관한 것으로 나타나며, 완전하게 주기적인 패턴을 형성하지도 않는다(다른 곳에서는 두 레일 사이에 발생하는 파상마모의 상관관계가 지금까지 관찰되어왔었다.)
4. 파상마모는 처음에 콘크리트 침목이 있는 모서리 부분에서 나타나며, 레일이 연속해서 지지를 받는 포장 트랙에서는 전혀 나타나지 않는다. 또 파상마모가 어느 정도는 레일 지지의 기하학적 형상과 관계 있는 것으로 나타난다(지지부 탄성도 콘크리트 도상에 침목있는 트랙에 비해서 포장된 연속지지형 궤도가 다르다.)
5. 平爐法으로 생산한 강철은 산성 베쎄머法으로 생산한 강철보다 파상마모의 경향이 적다. 내마모이 증가하면 파상마모 형성 비율을 늦추는 데 도움이 되긴 하지만, 소성 항복에 대한 저항력이 낮은 강철은 파상마모를 형성하는 속도가 매우 느리며, 소성 항복에 대한 저항력이 높은 강철은 파상마모를 형성하는 속도가 아주 빠르다.
6. 트랙에 설치된 직후에 레일 평면을 연마하면 파상마모 형성을 상당히 늦출 수 있다. 파상마모는 이미 파상마모가 져 있는 레일을 연마한 직후에 빠르게 재형성되는데, 이는 잔류 파상마모 때문인 것으로 보인다. (잔류되어 있는 주기적인 가공경화 현상은 또 다른 인자가 될 수 있다.)

그 외에 파상마모 파장은 열차 속도와는 무관한 것으로 관찰되었으며, 기계적 공진주파수 고정 메카니즘(mechanical resonance fixing mechanism)보다는 파장 고정 메카니즘(wave-length fixing mechanism)이 더 작용하는 것을 나타낸다. 파장에 대한 기하학적 고정 메카니즘은 점착 미끌림(stick-slip)이나 전동 미끌림(roll-slip)작용에 의한 레일 파상마모 이론을 뒷받침한다. 마모는 소성 변형이라기 보다는 주요한 파상마모 작용인 것으로 생각된다.
단파장 파상마모 현상 및 처리 민감도에 대한 Frederick의 관찰 결과는 다른 사람들의 지지를 받고 있는 것으로 보인다. 다음은 단파장 파상마모에 영향을 줄 수 있는 여러 가지 매개 변수에 대한 논의 내용이다.

10.2.1.1 레일 支持部彈性과의 關係

단파장 파상마모는 대개 레일지지부의 탄성이 비교적 큰 트랙과 레일연마가 주기적으로 시행되지 않은 경우에 발생한다. 이러한 예는 팬드롤 플레이트와 랜디스 탄성패드들을 사용했던 TTC Scarborough Line(스카보로 라인)에서 발생한 파상마모에서 볼 수 있다. 최근에 실시된 도시철도시스템 파상마모 조사에 따르면 트랙의 파상마모 비율이 40-50%정도에 달하는 여러 가지 트랙 중류 중의 한가지로 탄성직결체결 트랙이 포함되는 것으로 조사되었다. 확인된 바는 아니지만, 지지부의 탄성이 직결형 궤도의 파상마모에 대한 원인이 되는 주요 매개변수인 것으로 보여진다.

미국 도시철도 시스템에 설치된 탄성 직결체결장치들 중에서 오래 전에 설계된 제품들은 비교적 탄성이 큰 경향이 있다. 신설 BART(샌프란시스코) 연장라인 및 WMATA(워싱턴지하철), L.A.지하철과 같은 신형 도시철도시스템의 트랙에서는 일반적으로 탄성이 낮은 체결장치를 채택하고 있다. 실제로 직결체결장치 설계의 경향도 새로운 도시철도를 건설할 때마다 더욱 소프트한 직결체결장치를 점진적으로 사용하는 방향으로 가고 있다. 소프트한 트랙 지지부 탄성의 영향은 현재까지 시행된 파상마모에 대한 연구들에 아직 반영되지 않았다. Daniels는 트랙 탄성이 레일 파상마모의 형성에 미치는 영향을 평가할 필요성이 있음을 지적하고 있다(6).

Daniels는 미국 FAST라인에서 중량 화물 시험을 실시하는 동안 레일 지지부의 계수가 자갈도상-침목 구조의 곡선트랙에 뚜렷한 결정적인 영향이 미치지 않았음을 지적하고 있다(7). 자료가 충분하지 않아 분명한 결론을 내릴 수는 없지만, 직결도상에서 레일 파상마모가 실질적으로 발생하는 곳에서는 비교적 탄성이 큰 체결장치가 설치되어 있었다. 일부 저자들은 탄성이 큰 트랙 지지부가 비연속적인 트랙 지지부와 관련이 있는 “pinned-pinned” 공진현상을 더욱 강화시키는 것으로 생각하는데, 지지부의 탄성을 낮춰주면 이러한 상호작용을 줄이는데 도움이 될 것으로 보여진다(8).
레일/침목 수직 反공진과 차륜 2차 벤딩 및 비틀림 진동 모드들이 동시에 발생하는 현상을 피하기 위해 침목세이버(tie-saver)패드의 탄성을 줄인 것이 파리지하철 라인의 380m반경 곡선부 “부트침목형” 파상마모를 줄이거나 제거하는데 효과적이었다. 이것은 아마도 레일 지지부 탄성을 줄여서 레일 파상마모 억제 효과를 가장 실감나게 입증한 사례일 것이다. 볼티모어 지하철에서 트윈블록 침목 파상마모에 대한 연구에서는 침목세이버 패드의 탄성을 50% 정도까지 낮춰도 곡선 트랙에 있는 파상마모를 억제하기에 충분할 것이라고 제안한다(9). 하지만 Grassie 등이 연구한 바에 따르면, 영국철도에서 침목패드 탄성을 줄였던 것은 위에서 설명한 사례와는 달리 그다지 도움이 되지 않을 것이라고 지적하고 있다(10).

콘크리트 침목 트랙에서 나타나는 파상마모의 파장은 6인치에서 12인치 사이이다. 이에 비해 목침목 및 자갈 트랙에 나타나는 파상마모의 파장은 12인치에서 24인치가 주류를 이룬다. 컴퓨터 모델링을 통해 콘크리트 침목 트랙에 가해지는 접촉 패치 힘을 만약 8,000,000 lb/in.탄성의 패드 대신 비교적 소프트한 1,000,000 lb/in.탄성의 패드를 사용한다면 200㎐의 범위에서 크게 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다(11).

10.2.1.2 휠/레일 動的作用力

(다른 레일 표면 결함들과 마찬가지로) 파상마모는 동적인 휠/레일 상호작용을 발생시키게 되는데, 그 작용력은 결함의 크기 및 열차의 속도에 크게 영향을 받을 것이다. 레일 파상마모의 주기적인 성질은 그림 10-1에 나타난 바와 같이 점점 증가하는 휠/레일 동력을 발생시킨다. 이 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 힘은 아주 빠른 속도로 최대치까지 커지며, 대개 50 milliseconds 이내에 이루어진다(이 시간은 시속 64km로 주행하는 열차에 있어서 1m 미만에 해당하는 것이다).

수직면에서 나타나는 이러한 동적 작용력에 대한 해석결과, 휠/레일 접촉력을 파상마모 깊이와 주파수의 함수(다시 말해 열차의 속도와 파상마모 파장의 함수)로 설명하고 있는 그림 10-2와 같이 나타난다. 도시철도에 있어서 속도와 파장(1-3인치)의 결합은 150㎐ 이상의 파상마모 주파수를 발생시킨다(그림 10-3 참조). 이러한 결과가 0.005인치(=0.13mm)의 파상마모 깊이에서는 커다란 동적 작용을 하지 않는 것으로 나타나지만, 파상마모의 깊이가 그 이상 깊어지면 이러한 고주파에서 큰 동적 하중레벨을 발생시키게 된다.

10.2.1 점착미끌림(stick-slip) 磨耗 메카니즘

Grassie와 Kalousek는 파상마모의 꼭대기부위에서의 큰 접촉력이 발생하는 것과 낮은 접촉력에 의해 골부분에서 미끌림이 발생하는 것이 굉음레일 파상마모의 원인이 된다고 지적하고 있다. 파상마모 메카니즘으로서의 점착미끌림(stick-slip)마모거동은 Grassie 등이 실시한 단파장 파상마모에 대한 수학적, 실험적 연구 결과에 의해서도 지지를 받고있다(12). 공진조건은 포함시킬 필요도 없이, 대략 500㎐가 넘는 광역 주파수대에 걸친 휠/레일 접촉력과 레일단면 사이의 서로 다른 위상 관계로 인해 서서히 미끄러지는 크리프(creep)현상이 발생하는 것으로 예견된다. 접촉력이 파상마모 골부분에서 제일 작기 때문에 길이방향(또한 측방향) 미끌림을 허용하게 되고 이로 인해 마모가 발생하게 된다. 이러한 결과들은 단파장 파상마모 트랙에서 관찰된 마모 패턴들과 일치한다. 이 저자들은 나아가 레일 패드 공진은 단파장 파상마모의 원인이 아니며 레일 패드의 탄성을 줄였다고 해서 파상마모 비율이 크게 줄어드는 것은 아니라고 지적한다. 이들의 결론은 볼티모어 지하철에서 트윈블록 침목과 관련있는 파상마모를 줄이기 위해 패드 탄성을 줄일 것을 권유했었던 Daniels의 결론과 서로 다르다(13).

그림 10-1 시간 vs 휠/레일 접촉력
그림 10-2 파상마모 진폭 및 주파수 vs 휠/레일 접촉력
그림 10-3 열차 속도 및 파상마모 파장이 파상마모 주파수에 미치는 영향

Kalousek과 Johnson은 벤쿠버 Skytrain에서 “전동미끌림(roll-slip)” 거동을 확인했으며(14), 더욱 나아가 넓은 접촉대역에 의해, 트레드 원추각이 큰 경우, 또한 트레드 마모로 인해 휠/레일 적합성(conformity)이 큰 경우에 스핀-크리프(spin- creep)와 레일 파상마모 사이의 상호관계가 가능해진다는 것을 확인하였다(15). 휠/레일 적합성이 크면 분명히 약 800㎐에서 고주파 국부진동이 발생하여 레일의 회전 및 竝進운동이 발생되고 단파장 파상마모가 생길 것이다. 이러한 현상들은 작은 양의 횡방향 미끌림에 의해 악화된다(16). 하지만 샌프란시스코 BART라인에서는 실질적인 단파장 파상마모가 원통형 휠이 주행하는 직선 트랙에서 발생하는데, 이는 휠 트레드의 원추각이 파상마모 발생에 필수적인 요소는 아니라는 것을 나타낸다.

어떠한 구름동작에서도 접촉 패치의 제한적인 사이즈로 인해 크리프가 발생하게 된다. 크리프는 전동미끌림 거동이 원인이며, 크리프가 증가하면서 마찰이 감소하기 때문에 일어나게 된다. 전동미끌림 거동은 1차적으로 접촉 패치의 크기와 같은 기하학적 특성에 의해 결정되는데, 이는 Frederick에 의해 언급된바와 같이 단파장 파상마모는 흔히 열차주행속도에 의해 비교적 영향을 덜 받는 파장을 가지고 있기 때문이다. 만약 파상마모의 파장이 열차주행속도와 직접적으로 비례한다면, 기계적 공진이 파상마모를 일으키는 유일한 원인이라고 예상해도 좋을 것이다. 물론, 속도의 함수로서 파장을 일정하게 보는 것이 반드시 규칙이라는 것은 아니다.

Kalousek은 모든 휠이나 모든 트랙 요소들이 점착미끌림 진동과 파상마모에 의해 영향을 받는 것은 아니라고 지적한다. 더구나 점착미끌림 진동을 발생시키기 위해서는 “포화된(saturated)” 크리프 상태가 필요하며, 그리고 단지 각 20번째에서 50번째까지의 휠 세트가 정확하게 얼라인먼트가 되지 않거나 혹은 기하학적 형상을 지속적으로 유지하기 어려워도 파상마모를 유발할 수 있다. 또한 Kalousek은 트랙이나 열차에 대한 부적절한 유지보수로 인해 편심으로 마모된 휠 세트나 얼라인먼트가 맞지 않는 휠 세트는 점착미끌림 현상을 촉발시키는 경향이 있다: “새로운 휠이나 전삭가공한 휠이 있는 휠 세트가 얼라인먼트가 잘 맞는 트랙에 설치되었고 직선 트랙에서 운행된다면 점착미끌림 진동은 발생하지 않을 것이다.”(17)

10.2.1.4 레일鋼

Grassie과 Kalousek은 평로에서 생산한 레일강보다 산성 베쎄머 법으로 생산한 레일강에 단파장 파상마모가 더 심하게 발생하며, 산소취부 전로법으로 생산한 레일강은 중간정도라고 설명한다 (이것은 Frederick이 언급한 내용을 되풀이하는 말에 지나지 않을지 모른다.) 흥미롭게도, 레일 경도는 적어도 직선 트랙에서는 단파장 파상마모 발생비율에 영향을 주지 않는 것으로 나타난다. 하지만 Daniels의 보고에 따르면, 곡선트랙에 부설된 경화 레일이나 합급강 레일들의 파상마모 발생률은 위에 언급한 탄소강 레일들에 발생하는 비율의 대략 절반 정도된다(18).

10.2.1.5 레일 支持部의 間隔

탄성지지 침목의 경우에 있어서는 침목 간격의 중간부분 보다는 침목에 가까워질수록 파상마모가 심하게 나타나며, 파상마모의 진폭은 침목간격의 일정한 주기의 파장에서 변조되는 것으로 나타난다(19). 이러한 영향은 350㎐와 800㎐의 주파수에서 레일에 발생하는 이른바 PP(pinned-pinned) 공진과 관련이 있는 것으로 보여진다. 트랙의 지지가 비연속적인 경우에는 레일의 동작을 억제하는 경향을 나타내며, 따라서 그러한 PP공진을 발생시키게 된다. 레일 진동과 관련된 파장은 지지부 간격의 2배이며, 체결구에서 단순하게 지지되는 레일을 고려하여, 핀으로 양쪽이 고정되었다는 의미로 소위 "pinned-pinned"라고 부르게 된 것이다. 이론적인 연구 결과들도 파상마모의 진폭을 변조하는 과정에서 이러한 형태의 진동이 발생한다고 설명하고 있다(20).

레일의 수직방향 움직임에 대한 PP공진 주파수는 체결구 간격이 30인치(760mm)에서 36인치(915mm)로 배치되어 있다면, 빔벤딩 모델을 근거로 하여 회전관성(rotary inertia)과 횡전단(transverse shear)을 계산하면, PP공진 주파수가 500㎐에서 750㎐ 사이에 있다는 걸 알 수 있다. 이것은 많은 도시철도에서 관찰한 파상마모의 주파수 범위와 정확하게 일치한다. 체결구의 간격을 24인치(610mm)로 조정하면, PP방식의 주파수는 약 1,000㎐로 상승할 것이다. 이는 주행속도 70mph(110km/h) 열차에 대해 접촉 패치 길이의 두 배 혹은 1¼인치(32mm)의 파장을 일으킬 만큼의 높은 주파수이다. 증명된 것은 아니지만, 접촉 패치 길이의 두 배가 안 되는 파상마모 파형은 접촉 패치에 의해 평활해 지는 것으로 예상할 수 있다. 하지만 파장이 1인치(25mm) 혹은 1¼인치(32mm)가 안 되는 파상마모는 나타나질 않는다. 이런 종류의 파상마모 발생은 점착미끌림을 발생시키는 기하학적인 원인에 대한 개념과 서로 배치된다는 것에 주목해야 하며, 파상마모를 지지부의 과도한 간격 탓으로 돌리기 전에 상당히 많은 연구를 할 필요가 있다.
몇 가지 모델을 통하여 레일 지지부 계수와 침목 간격이 감소한 직선 트랙, 예를 들어 “굉음레일(roaring rail)”,에서 마모유발형 파상마모에 대한 파상마모율이 감소한다는 것을 예측할 수 있다. 다시 말해서, 고정적인 動因들은 레일/침목 및 PP 反공진 주파수인 것으로 나타난다. 침목 패드의 탄성을 770MN/m에서 280MN/m 줄여서 침목 및 레일의 400㎐짜리 反공진을 낮췄으며, 9㎝의 파장으로 예상된 레일 파상마모를 효과적으로 제거했다. 하지만 PP 모드는 그대로 남았으며, 약 3㎝의 파장에서 예견된 파상마모를 발생시킨다. 침목 간격을 600㎜에서 400㎜로 줄이고 가까워진 침목 간격을 보상하기 위해 패드의 탄성을 줄이면, 파상마모 파장이 1.7㎝로 줄어들어서 접촉패치 사이즈(혹은 필터)에 의해 충분히 억제 될 수 있는 것으로 예견된 주파수에서, PP모드 反공진이 1,200㎐에서 2,000㎐로 상승한다. 이를 입증할 만한 현장 자료는 아직 없다(21).

10.2.2 바퀴자국型波狀磨耗

Grassie가 확인한 파상마모들 중 다섯 번째로 언급된 바퀴자국형 파상마모(rutting corrugation)는 윤축의 수직동적 접촉력(windup)과 비틀림공진(torsional resonance)에 의해 발생한다. Grassie와 Kalousek은 바퀴자국형 파상마모는 곡선구간 및 제동구간, 종착역 등에서 발생할 수 있으며, 특히 1대차의 윤축이 한 개의 구동모터에 커플링 연결되어서 윤축 회전에 제한을 받는 경우에 발생한다. 바퀴자국형 파상마모를 억제하기 위한 방법에는 외측레일의 게이지코너에 도유를 하는 방법과, 경화레일을 사용하는 방법과, 마찰완화제를 사용하는 방법, 단일모터 대차의 사용을 피하는 방법이 있다(22).

파상마모를 발생시키는 비틀림 공진에 대한 흥미있는 연구를 통해서, 두 개의 파상마모 파장이 발생할 수 있으며, 그 중의 하나는 정확히 나머지 하나의 두 배라는 것을 알아냈다(23). 이러한 현상은 콜로라도주, 푸에블로시에 있는 교통시험소 (Transportation Test Center)에서 수집한 FAST 시험자료에 나타나있다(24). 그 메카니즘에는 틀림없이 전진방향과 후진방향의 주기적인 미끌림이 포함되며, 또한 주로 곡선구간에 해당된다.

10.2.3 부트枕木型波狀磨耗

이 형태의 파상마모는 레일과 탄성 콘크리트 침목 사이의 공진 조건과 관련이 있는데, 고탄성의 침목패드를 사용하면 제어된다. 레일/침목 공진과, 윤축벤딩 모드와, 차륜의 비틀림 공진 사이의 우연한 일치가 그 원인일 가능성이 크며, 그로 인해 약 250㎐에서 400㎐에 이르는 파상마모 주파수가 발생하며, 아마도 이것은 휠/레일 소음의 중요한 범위 안에 있는 주파수일 것이다(25). 이와 유사하게 레일과 콘크리트 침목 사이의 관계가 볼티모어 지하철에서 조사되었다(26). 이런 종류의 파상마모는 트윈블록 침목 시스템에서만 독특하게 나타나는게 확실하다. 파리 도시철도(RAPT)에서는 침목 패드의 탄성을 (상당한 정도로) 감소시켜 이런 형태의 파상마모를 제거했으며(27), Daniels은 볼티모어지하철에 대해서도 이와 비슷한 형태의 조정을 할 것을 제안했다.
진동저감의 대책으로서 트윈블록 침목 시스템이 일반화되어 있으므로 이러한 부트침목형 파상마모는 특히 중요하다. 이러한 트윈블록 침목이 설치된 곳으로는 아틀란타도시철도(MARTA), 볼티모어지하철(MTA), 포틀랜드도시철도(Tri-Met), 유로터널, 파리지하철 등 여러 곳이 있다. 트윈블록 침목 시스템이 진동을 차단하는 능력이 있기는 하지만, 이러한 진동 차단의 잇점을 파상마모가 모두 없애고 있다. 트윈블록 침목의 개념 자체가 반드시 파상마모를 전파하는 게 아니고, 그 책임은 예를 들어 레일패드의 탄성과 같은 어떠한 매개변수들에 있을 것이다.

10.2.4 彈性 휠 및 레일 波狀磨耗

일곱 번째 카테고리의 레일 파상마모가 존재할 수도 있다. 직선 트랙의 파상마모는 탄성 휠을 사용하는 많은 경전철 시스템에서 나타나고 있다. 이러한 사례들은 포틀란드의 Tri-Met, 피츠버그의 PA Transit, 새크라멘토의 RTD Metro, 로스엔젤레스 Blue Line의 자갈-침목 및 직결 트랙 구간, 산타클라라 경전철 등등에서 볼 수 있다. 클리블랜드 RTA에서는 탄성 휠을 사용하는 경전철 열차들의 정거장 정차구간에서 잔물결 모양의 파상마모가 발생한 것으로 보고되었다. 하지만 탄성 휠을 사용하지 않는 고축중 열차의 경우에는 그러한 파상마모가 발견되지 않았다(조사 설문지 반송). 그러한 파상마모의 특성은 직선 트랙의 단파장 파상마모의 특성과 유사하며, 실제로 휠 탄성과는 관련이 없는 원인들에 의해 발생되는 것으로 보여진다.

포틀란드 Tri-Met에서 레일 연마를 한 후 몇 주일 후에 레일 헤드에서 주기적인 패턴이 관찰되었는데, 이 패턴은 습한 날에 열차가 통과한 후에 레일헤드 상면에서의 습기 변화에 의해 드러나게 되었다(28). 이러한 패턴이 발생하는 원인은 아직 모른다. 포틀란드 Tri-Met에 운행중인 열차는 Bochum 54 탄성 휠을 사용한다. 이러한 주기적 패턴은 휠 트레드의 주기적 움직임의 표시로서 나타나는 것이며, 시간이 오래 경과하게 되면 파상마모로 발전하게 된다.

탄성 휠들을 사용하는 경전철 시스템에서 발생하는 파상마모는 매입식(embeded) 트랙과 자갈-침목(ballast-and-tie) 트랙에서 모두 나타난다. 증거를 하나 들자면, 특히 민감한 매입식 트랙 종류에는 우레탄을 매입한 트랙(포틀랜드 Tri-Met, 캘거리)이 포함되는데, 이는 아주 높은 레일 지지 계수가 연성 강철 거더 레일과 결합해서 파상마모를 발생시키는 요인이 될 수 있음을 암시한다. 보고서에 몇 가지가 섞여 있기는 하지만, 산타클라라에 있는 콘크리트 매입 트랙에서도 파상마모가 관찰된다. 로스엔젤레스 Blue Line에서 적용된 탄성 매입 트랙에서는 파상마모가 나타나지 않는다. 많은 경전철 시스템에서 레일 연마를 자주 실시하지 않을 경우에는 파상마모 성장의 주요한 원인이 될 수 있다. 또한, 이러한 현상에 대해 조사하는 것은 탄성 휠이 레일 파상마모에 미치는 실제적인 영향을 확인하기 위해 반드시 필요하다.

10.3 레일 波狀磨耗의 處理

레일 파상마모를 제어하기 위해 많은 처리 방법이 제안되었지만, 파상마모 생성 메카니즘의 종류에 따라 처리 방법이 다르다.
벤쿠버 Skytrain에서는 단파장 파상마모를 다음의 방법으로 억제하였다(29).

1. 대차 축의 얼라인먼트를 정비한다.
2. 휠 트레드의 바퀴자국 패임을 피하기 위해 트랙의 다른 부분으로 마모 대역을 이동시키고 접촉 패치 폭을 줄이기 위한 프로파일 연마를 한다. 접촉 패치의 폭을 줄이면 휠의 미끌림 동작을 줄여주는 것으로 생각된다. 레일 헤드에서 접촉 위치를 바꾸어주는 것은 차륜 마모의 집중화를 피하고 골고루 마모가 되도록 해주는 방법이며, 또한 휠/레일 적합성을 증가시켜 결국 미끌림을 증가시키게 되는 휠 표면의 오목화 현상을 피하기 위한 것이다.
3. 마찰완화제를 사용하여 정적 마찰계수보다 동적 마찰계수가 크도록 해 준다.

벤쿠버 Skytrain 시스템에서는 조종이 가능한 대차(steerable truck)와 작은 직경의 휠을 사용한다. 그러나 이러한 방법들은 재래의 중량철도 및 경량철도 시스템에 적용해야 한다. 벤쿠버 사례의 주요 요점들 중 한가지는 레일 파상마모를 제어하기 위해서는 처리 방법 및 절차를 조합하여 사용하는 게 필요하다는 것이다.

10.3.1 레일 削正

일반적으로 레일 삭정은 레일 파상마모 및 휠/레일 소음을 가장 효과적으로 줄일 수 있는 방법이다. 다른 방법들은, 그 방법을 시행했을 때 파상마모의 발생을 줄이거나 예방할 수 있다는 것을 확실하게 보장할 수 없다. 현대식 도시철도 시스템에 있어서는 레일삭정 프로그램이 활발하게 운용되고 있다.

파리 도시철도(RAPT)의 경우는 정기적으로 트랙의 파상마모 부분을 삭정해서 지면 진동을 억제함으로써(30), 결과적으로 철로변과 차내 소음을 낮추고 있다. 토론토 교통당국과 시카고 CTA도 정기적으로 블록식 연마차를 이용해서 휠/레일 소음 및 레일 파상마모를 제어하고 있다. 샌프란시스코 BART는 팬드롤-잭슨사에서 제조한 회전식 연마차를 이용해서 정기적인 레일 삭정을 실시하고 있다. 워싱턴 WMATA는 로람사가 제작한 24-석 회전식 연마차를 사용해서 직선 및 곡선트랙을 연 1회 혹은 파상마모의 깊이가 0.010인치(=0.25mm)가 되는 시기에 삭정을 실시한다. 최근, L.A. 카운티 도시철도 당국도 페어몬트탬퍼사가 제조한 회전식 연마차를 구입하여 사용하면서 철로변 소음을 상당히 줄이는 성과를 거두었다. 레일 삭정장비는 소음 억제 프로그램에 필수적인 장비로 점차 인식이 제고되고 있다.

10.3.1.1 豫防削正

레일 부설 후 최초로 실시하게 되는 레일 삭정은 동적 접촉력을 낮게 유지해주고 파상마모가 나타나는 시간을 지연시켜 주므로 굉장히 중요한 작업이다. 영국철도(British Rail)의 연구기간동안 예방적 레일연마를 실시하여 레일 파상마모가 발생할 때까지의 시간을 5년 가량 늦출 수 있었다(31). 프랑스 SNCF는 레일을 부설한 직후 레일헤드의 표면탈탄층(decarbonized surface layer)을 제거하기 위해 예방삭정을 실시하여 레일헤드 표면으로부터 0.3mm를 깍아낸다(32). 그러한 방법을 통해 헤드첵 및 피로균열을 줄이고, 주행조건 및 용접부 성능을 개선하고, 에너지소비를 줄이고, 승차감을 향상시킬 수 있다.

10.3.1.2 프로파일 削正

접촉 패치의 크기를 최적화하여 우수한 승차품질 특성을 제공하기 위한 프로파일 삭정은 접촉 대역의 가장자리를 분명하게 하고 레일헤드 단면의 곡률반경의 변화로 인한 조도를 줄이기 위해 필요하다.

10.3.1.3 레일 削正週期

주기적으로 마무리 연마를 해주게 되면 파상마모의 발생을 억제한다. Frederick이 지적한 바와 같이, 파상마모 성장률들은 대부분 기하급수적이라는 특징이 있다. 파상마모가 “눈에 보일” 정도가 되도록 너무 긴 시간동안 레일 삭정을 하지 않으면 막상 삭정을 할 시점에는 파상마모가 너무 커져버릴 수가 있다. 따라서 파상마모의 전개가 지수곡선의 시작점 근처에 있을 때 삭정을 실시하는 것이 바람직하다. 초기에 파상마모를 삭정하게 되면 원래의 가공경화 주행면이 유지되게 되고, 또한 레일연마에 의해 발생된 열이 레일헤드의 내부 응력을 감소시키기 때문에 파상마모의 전개를 늦추게 된다.
최적의 삭정 주기를 결정할 수 있다. 파상마모의 성장이 시간에 대한 지수함수라고 가정하고, 그러한 파상마모들이 삭정을 통해 완전히 제거된다고 가정하면, 최적의 삭정주기, 혹은 파상마모 시간 정수(corrugation time constant)는 파상마모의 진폭이 170% 까지 성장하는데 걸리는 시간이다. 이 기간보다 긴 주기로 삭정을 할 경우 파상마모를 완전히 제거하기 위해서는 훨씬 더 많은 양의 금속을 제거해야 하고, 이 기간보다 짧은 주기로 삭정을 할 경우에는 너무 자주 삭정을 하게 됨으로 인해 금속제거량도 많아질 뿐 아니라 불필요하게 많은 비용이 소요될 것이다.
파상마모 성장률은 트랙의 여러 구간을 모니터링 함으로써 결정할 수 있다. 파상마모 성장률은 정해진 주기에 걸쳐 육안으로 보이는 성장률을 측정함으로써 결정해야 한다. 파상마모의 성장률이 지수함수라고 가정하면, 파상마모의 진폭 a는 다음과 같이 결정된다.

a = a0 exp(t/τ)

여기서 a0는 초기의 조도이며, τ는 파상마모 성장 시간 상수이다. 이 시간은 또한 최적의 연마 간격이기도 하다. 진폭 a1과 a2가 두 개의 개별 시간 t1과 t2에서 측정된다면 파상마모 시간 상수 τ은 다음과 같다.

t = (t2 - t1)/ln(a2/a1)

적절한 주기로 계속적으로 삭정을 해 주면 파상마모가 육안으로 보이기 전에 예방할 수 있다. 만약 파상마모가 육안으로 보일 때까지 삭정을 미루고 있다면 이는 비생산적인 일이 될 수 있다.

10.3.1.4 削正 깊이

최적 연마 주기를 기준 할 때의 패스당 금속 제거량은 매우 작고 종전의 수정삭정에서의 금속 제거량보다도 훨씬 작으며, 삭정량은 삭정 후에 잔류 조도에 좌우된다. 차륜이 완전히 평탄하다고 가정했을 때, 레일 파상마모는 부드러운 숫돌을 사용하는 경우에 비해 거친 숫돌을 사용하는 경우에 더 빨리 발생한다. 만약 삭정 직후레일의 초기 조도의 진폭을 a0 라고 하면, 최적 금속 제거량은 2.7×a0가 된다. a0에 대한 합리적인 예측치는 파동수가 인치당 3.7 라디안에서 중심을 갖는 ⅓ 옥타브 밴드에 대해 300 마이크로 인치(0.008mm)에서 1,000 마이크로 인치(0.025mm) 사이에 있다. 이는 열차속도 80km/h에서의 500㎐, 혹은 1.7인치(43mm)의 파장에 상당하는 것이다. 낮은 값은 블록식 연마를 한 레일에서 얻은 값이고, 높은 값은 MBTA 레일에서 얻은 값이다(34). 낮은 값에 해당하는 쪽은 파장이 거의 1인치 이하이므로 연마지석에 의해 레일헤드에 연마패턴을 만들어야 하는 경우를 제외하고는 수직축 회전식연마(vertical axis rotary stone grinder)가 아마도 적합할 것이다. 이 자료에 의하면 연마 패스당 최적 금속 삭정량은 약 1,000마이크로 인치(=0.025mm)일 것이다. 0.025mm 깊이부터 파상마모로서 중요하게 고려되기 시작하는 파상마모이므로, 연마 패스당 삭정량이 0.025mm라는 것은 적정한 삭정량인 것으로 보인다.

다시 한번 말하지만, 최소 연마주기는 파상마모 성장-시간 상수(corrugation growth time constant)와 같다. 만약 최적의 연마주기가 1년이라면, 30년 동안 제거된 총 금속삭정량은 레일의 정상적인 마모량에 삭정에 의한 절삭량 약 0.75㎜를 더하면 될 것이다. 이것은 그다지 큰 양이 아니다. 이와 반면에 삭정주기가 5년일 경우, 초기조도의 최대 값을 0.008mm로 가정하고 매년 지수적인 성장-시간 상수로 성장하는 것을 가정하면, 매 5년마다 삭정해야 하는 깊이는 0.4mm정도가 될 것이다. 이 경우 30년간에 걸쳐서 제거되는 총 삭정량은 2.4mm가 될 것이다. 이것도 여전히 많은 양은 아니지만, 계산 결과를 통해서 최적의 연마 간격을 이용하는 것이 얼마나 유리한 것인지 알 수 있다. 30년이라는 긴 기간 동안에 걸쳐서, 5년 주기로 삭정을 시행할 경우에는 파상마모에 의한 소음이 상당히 발생하겠지만, 1년 주기로 삭정을 하는 경우에는 파상마모 소음이 나타나지 않을 것이다. 짧은 주기로 자주 삭정을 해주면, 소음을 줄이는 것 뿐 아니라 금속 제거량도 최소화할 수 있다.

5년 주기로 삭정을 하게 되면 결함과 파상마모를 제거하기 위해 여러차례 패스를 해야 하며, 후속으로 레일헤드 프로파일 가공을 위해 프로파일연마를 해야 한다. 만약 1년 주기로 삭정을 하게 되면, 리프로파일링 없이 레일헤드를 살짝만 가공하기 위해 여러 개의 연마지석이 달린 연마차를 이용하여 단 한차례의 연마만 해도 아마 가능할 것이다.

위와 같은 방법으로 최적의 연마 주기 및 연마 패스당 최적 금속 삭정량을 규정하는 것이 적절하냐 하는 문제에 대한 데이터는 아직 구하지 못하였으며, 이 분야에 대한 연구가 필요할 실정이다. 실제에 있어서는 0.025mm 깊이 이상으로 삭정을 할 필요가 있을 수도 있는데, 사용하는 삭정장비에 따라서, 그리고 소음발생 및 금속제거의 경제적 가치를 고려해서 결정될 것이다.

파상마모의 높이가 0.008인치(0.2㎜)로 높은 경우에는 이미 파상마모의 피크에 말텐사이트 경화층이 형성되었을 것이므로 이러한 경화층을 제거하기 위해서는 여러 차례의 패스를 해야 한다. 레일 삭정을 통한 최대 효과를 보기 위해서는, 파상마모의 골부분과 마루부분의 경도 편차를 없애기 위해 파상마모 높이보다 약 0.002인치(0.05㎜)정도를 더 깍아주어야 한다. 이와 정 반대로 Daniels이 FAST에서 실시한 연구에 따르면, 곡선트랙에서 파상마모가 급속하게 재발하는 것을 방지하기 위해서는 육안으로 보이는 파상마모만 제거하고 그 이상의 과잉삭정을 하지 말도록 권고하고 있다. 이는 0.005인치(0.13mm)의 비교적 작은 양만큼 과잉삭정을 했을 때 파상마모가 급속히 재발하는 데 근거한 것이다. 이에 관해 제시된 설명은 아직 없지만, 그 결과는 현재 화물라인에 적용되고 있다. Tri-Met는 레일헤드 프로파일가공을 못하는 블록식 연마기를 사용하여 파상마모를 제거했다가 비교적 단시간 내에 파상마모가 재발한 경험을 가지고 있다. 이 블록식 연마기는 레일헤드에 불필요한 조도를 남기게 되므로 파상마모의 급속한 재발을 유도하게 된다.
연구를 통해 얻어진 자료에 의하면, 일단 파상마모가 발생하면 주기적으로 레일내부 응력을 제어하기 전에는 파상마모 제거 및 수반 작업에 드는 인건비, 장비비용, 레일교체를 위한 비용이 매우 높을 것이라는 것이다.

10.3.1.5 斷面 프로파일

Vancouver Skytrain에서의 경험을 하나의 지침으로 삼아보면, 연마 단면은 접촉 패치가 필수적으로 타원형이나 원형인 것이어야 한다. 다시 말하면, 차륜과 레일 사이의 불필요한 적합성(conformity)을 줄여서 원추형 차륜의 회전-미끌림(spin-slip)이 일어나는 경향을 줄여주기 위해 적응패치의 종방향 길이와 횡방향 길이가 비슷해야 한다. Smith와 Kalousek은 접촉 패치의 한 측면에서 다른 측면까지의 회전 반경 차이가 휠 지름의 0.5%(일반적으로는 0.4mm)를 초과해서는 안 된다는 점을 제시하고 있다. 이는 휠 타이어와 레일의 원추 형상 및 횡방향 반경을 제한하게 된다. 횡방향 접촉 패치의 크기를 작게 하면 접촉 패치 필터링 효과의 감소로 인해 고주파 소음이 약간 증가할 수 있는데, 하지만 이와 같은 고주파 대역의 소음이 약간 증가하는 것은 파상마모 및 “굉음레일(roaring rail)”을 억제하는 것에 비하면 사소한 것에 지나지 않는다. 또한 Smith와 Kalousek은 접촉 패치가 넓어지면 소음이 커지는 현상이 발생할 수 있으며, 이것은 접촉 패치의 강성을 높이는 원인이라고 주장하고 있는데, 이러한 주장은 Remington에 의해 제시된 이론과 상반되는 것이다.
접촉 패치의 횡방향 면적을 줄이면 원추형 휠 뿐 아니라 원통형 휠의 전동-미끌림(roll-slip) 거동을 제어하는데도 바람직한 방법이다. 만약 휠과 레일 사이에 상당한 적합성이 존재한다면, 마모로 인해 휠 단면이 오목하게 파이는 현상이 발생하고 이는 승차감을 떨어뜨릴 뿐 아니라 접촉 패치의 외측 가장자리에 불필요한 클립현상이 있을 수 있는데, 이는 접촉 패치 구역의 중심부와 비교하여 접촉구역의 외측 가장자리에서의 휠 지름이 더 크기 때문이다. 이런 종류의 클립을 Heathcote 슬립이라 한다. 이 경우에 클립 곡선 기울기에 대한 마이너스 마찰로 인해 전동-미끌림 거동이 일어날 수 있다. 접촉 패치 횡방향 길이의 감소와 그로 인한 휠/레일 적합성 때문에 접촉 패치의 측방향 가장자리의 클립이 감소할 것이다.

10.3.1.6 接觸 패치 位置의 變化

벤쿠버 LRT 시스템의 레일은 레일 헤드의 접촉 패치 위치가 변화하도록 연마하였는데, 이로 인해 넓은 답면에 걸쳐서 타이어의 마모가 분산되므로 바퀴자국이 형성되는 것을 줄였으며, 이로 인해 레일과 타이어 사이의 적합성이 감소하였고, 결국 회전-미끌림(spin-slip) 파상마모를 줄였다. 이러한 접근 방법은 휠 직경이 작은 조종형 트럭들에서는 일반적으로 채택되었으나, 중량 전철 및 경전철 시스템에서는 대표적 가공방법이 될 수 없을 것이다.

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송정석 2007.04.02 18:12

조성정님 자료 감사합니다.
아울러, 포인트 100점 반영하여 드렸습니다.

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송정석 2007.04.19 23:30

저의 관내 파상마모된 사진이 있어 올려 드립니다..
크로싱부에 파상마모로 인해
위 사진과 같이 훼손이 되었습니다..
참고하세요/
* 본 자료는 최승국 회원님께서 제공하신 자료입니다.

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김평곤 2007.05.23 21:02

좋은 자료 정말 감사합니다.
저도 파상마모에 대해 새로운 것을 많이 배운것 같습니다
최승국 회원님 좋은 자료 감사합니다.

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김종진 2008.01.11 23:50

철도 입사 한지 얼마 안돼서 무슨 소리인지 잘모르겠군요,

하지만 여기서 많은걸 배우고 갑니다.

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이기현 2008.01.29 12:49

선로 위를 달릴줄만 알았는데 여러가지 배우네요...(기관사거든요^^:)
보선기사공부를 위해 가입했는데 자료가 정말 방대하네요.
보선쪽은 기초가 전혀 없어서 참 난감...
도움이 많이 될것 같아요...감사

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신정상 2008.04.17 20:34

파상마모에 대한 대책

스프링 하질량과 궤도 스프링의 공진으로 인한 P2힘이 지배적이므로 스프링 하 질량을 줄이고, 궤도의 스프링계수를 낮추어 이것에 의하여 파상마모의 유인으로 되는 레일 두부 상면의 요철을 적게하는 것이 중요하다. 파장의 확정 과정에 관하여 탄성 침목형과 바퀴 자국 패임형은 마모 건조이고, 공진 주파수에 관계되어 있다는 점에서는 같지만, 공진이 횡 방향인가 길이 방향인가로 다르게 된다. 레일 삭정은 사후의 대책일 뿐만 아니라 파상 마모의유인으로 되는 레일두부 상면의 요철을 제거한다고 하는 점에서 사전의 대책으로서도 유효하다. 게다가, 이것은 피로 균열을 제거하고 단면 재생에 따라 은축의 안내 특성을 회복한다.
레일강의 선택시에 소성 휨형에 대하여는 고강도, 높은 항복 응력이 필요하며, 윤하중 변동형에 대하여는 적절한 항복 및 인장 강도가 필요하게 된다. 곡선 피로형과 바퀴 자국 패임형, 그리고 탄성 침목형에 대하여도 대개 HH레일이 유효하다. 굉음형에 대하여 PP공진이 관계하여 있다고 하면, 무거운 레일을 이용하고지지 간격을 좁히는 것이 유효하다고 생각된다. 레일 패드를 부드럽게 하는 것은 탄성 침목형의 시험에서 유효하며, P2힘을 낮추는 것에도 유효하다.
곡선의 파상마모는 어느 것도 대차의 안내에 관계한다. 이것은 대개 회전 스프링 계수를 낮추는 만큼 개량되며, 조타 링을 설치하면 더욱 좋다. 후자에 관하여는 대차의 바퀴자국 패임형이라 하는 특수한 차량에 관한 것은 이들을 개량하지 아니하고 이용하여서는 아니 된다

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권순천 2008.05.02 12:21

글과 사진으로 공부하니 좋은 교육의 장이 되는것 같습니다.....

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송정석 2008.05.08 23:42

신정상님 자료 감사합니다.
아울러, 포인트 100점 반영하여 드렸습니다.

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곽종선 2008.05.17 12:34

이제 철도 공부를 하는 신입생한테는 넘 어려운 문제내용 ㅜㅜ
이제 선로랑 철도 기본적인거 배우고있는데 흑

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김남영 2008.12.09 23:45

좋은자료 감솨합니다.

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김종권 2009.01.22 04:55

좋은자료 감사합니다.

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이계전 2009.03.09 13:36

정말 좋은 말씀 자료를 보고갑니다

고정형인 선로과 이동형인 열차간에 일어나는 메카니즘의 해법을 여러 문헌과 경험을 한눈에 보는것 같습니다
오랜시간 전에는 한가이 도시외곽에 있던것이 삶에 중간에 깊숙히 차지하면서 예전에는 생각지 못했던 환경과 미래를 철도에서 보게 되었습니다. 전 저만의 생각인지 모르지만 우리가 프로라면 우리끼리만의 언어가 아닌 평범한 단어의 선택이 우선이라고 봅니다. 우선 이홈피가 더 확대되어야 한다고 봅니다.
이홈피가 정말 세상사람들에게 원하는 곳이 되어야 합니다 . 용어의 정의서부터 그림첨부는 기본으로요
예를 들면 일반인들은 삭정이라면 무엇을 생각할까요
그런곳에 운영자분께서 후한점수를 주시면.....

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김기년 2009.06.12 08:50

좋은 자료 감사해요~~^^

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김윤태 2010.11.12 08:52

파상 마모를 현장에서 관리 하기 위해서는

각 현장 마다 레일과 차량에 따라 적절한 탄성이 요구됨 ( 차후에 차량과 레일에 따라 탄성치 에 대한 연구가 필요함)
- 제일 좋은 것은 설계시 하지만 나중에라도 수치가 나오면 유지 보수시에 조절이 필요함

레일 프로파일 연마의 주기적인 필요성

-1년 주기가 적절 한듯 보이지만 현장의 조건(습도, 도상 등 현장의 특성에 따라 달라질 수 있음)

곡선 구간인 경우 R=400 이하인 경우 내측 R=800인 경우 외측의 발생 이라는 것 보다는

일반적으로 외측과 내측의 발생의 경우에 속도와 중량의 관계이기 때문에 차 후에 곡선 반경과 동적 하중에 대한 데이타를 만들어 최적의 속도를 유지 해야 할듯함

콘크리트 도상에서 보다 잘 발생
- 각각의 위치에 탄성패드 및 탄성 수치를 수치화한 맵이 필요함

차량의 가 감 속 구간에 대한 이해 필요
-차량의 가감 속 또한 맵이 필요함

지금은 파상 마모의 발견에 초점을 마추고 발견 즉시 레일 프로파일 연마 하는 것이 최선 인듯 하지만 차 후 에 이러한 맵들이 구축이 된다면 탄성 수치의 적절 함을 찾고 최적의 운행 속도를 찾는 다면 레일의 생명은 앞으로 더 길어 질 것이라 예상됨.

하지만 지금의 자료는 동력이 휠에 적용되는 시스템에서만 나와 있는 것이 아쉬움 차후에 림레일이나 자기 부상등과 같이 동력 전달이 다른 시스템에 대한 연구도 있어야 될듯함

-다른 분들의 생각은 어떠신지합니다.혹은 현장에서 이러한 대비책을 어떻게 새우고 계신지도 궁금합니다.

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신현섭 2012.06.30 14:45

많은 공부 하고 갑니다.

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이정술 2012.12.06 15:13

파상마모에 대해서 많이 배웠습니다

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이정수 2013.01.20 13:47

좋은자료 감사합니다. 건강하세요.

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김태문 2013.03.26 19:04

좋은정보감사합니다.복받으세요^^

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최용석 2013.04.02 09:19

좋은자료 감사합니다.
많은 공부하고 갑니다.

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김윤태 2013.05.02 06:58

- 파상마모가 레일과 휠의 인터페이스 부족이라고 한다면 어느 지점에서 휠과 레일이 비접착 되는 부분이 있을 거라 생각이 되어지며 그 부분이 용접부가 아닐까하고 조심스레 생각해 봅니다.
이유인즉 : 레일 용접 후에 삭정을 하고 있지만 일반적으로 핸드 그라인드를 이용한 삭정으로 이루어 지고 있으며 그라인드 한 후 허용치도 상당히 러프하게 잡혀있다고 생각 되기 때문입니다.

향 후 레일용접 부의 삭정을 대형 머신을 이용하여 좀더 정확히 삭정 하면 어떨까 하고 또 조심히 생각 해 봅니다.

그리고 곡선 부의 경우에는 차량의 고정 축거로 인한 이유가 1차적이며 설계의 문제가 2차적인 듯 합니다.

그리고 앞서 올려주신 크로싱 사진의 경우에는 미연에 후로우를 제거 하지 못한 관리의 책임이 크다고 보여 집니다.

이런 저런 외국자료와 연마에 관한 기초 지식으로 공부하고 있지만 좀더 정확한 결론을 내기에는 아직 부족 하다고 생각 됩니다.

하지만 앞서 말씀 드린데로 연마 그것도 지금 다른 기관에서 하고 있는 두부삭정이 아닌 프로파일 연마를 추천드립니다.

파상마모는 쉽게 설명 드리자면기본적으로 고속으로 회전하는 휠이 레일을 때려서 그것도 연속적으로 때려서 레일에 그 형상이 남아 이러한 형상이 앞서 여러분들이 말씀하신데로 승차감 및 유지보수에 안좋은 영향을 미치는 것을 의미한다고 생각됩니다. 이렇게 생각 해보면 어떻게 어디서 어떤 방법으로 잡을 수 있을지 생각 되지 않을까 합니다.

다들 어떻게 생각하시는지 궁금합니다.

감사합니다.

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