본 연구는 차륜과 레일의 접촉하중을 산정하여 실제 통과톤수를 예측하고, 레일연마 후 레일표면품질 관리의 효과를 정량적으로 평가하기 위한 지표를 제시하기 위하여 실시하였다.
철도 차륜과 레일은 반복적인 구름접촉 및 마찰로 인해 레일 표면에 요철이 생기거나 마모, 표면박리, 미세균열, 압좌, 파단 등의 각종 결함이 발생한다. 이러한 결함들을 예방하고 보수하기 위한 방법으로 레일 연마를 실시하고 있으나 유지보수 예산과 연마에 대한 인식 부족으로 레일 교체기준에 해당하는 통과톤수 이하에서 레일이 절손되는 현상이 발생하고 있다. 또한 현행 레일 연마를 통한 레일유지관리는 열차의 속도나 축중 등 다양한 변수가 있음에도 불구하고 단순히 레일표면의 요철 제거량으로만 관리되고 있어 레일연마를 통해 레일표면의 품질이 적정한 수준으로 향상되었는지에 대한 평가가 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 첫째, 기존 연구동향과 문헌 자료 등을 조사하여 레일연마의 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 평가항목을 선정하였다. 둘째, 차륜-레일 상호작용력 이론식을 이용하여 연속적인 요철 데이터를 통해 열차 주행시 윤중과는 별도로 발생되는 충격하중인 차륜-레일 상호작용력(Dynamic wheel-rail force)을 산정하여 실제 통과톤수를 예측해보았다.
본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 요철량만으로 레일연마의 효과를 평가하는 방법에서 벗어나 레일품질을 정량적으로 평가할 수 있도록 하중기반 차륜-레일 상호작용력과 5가지 평가항목(요철측정결과의 최대치, 자승평균치, 차륜-레일 접촉 기울기, 레일표면요철 품질지수(QI), 및 레일 수직 진동가속도)을 선정하였다. 둘째, 본 연구에서 제안한 레일표면품질관리 방법을 이용하여 상대적으로 레일 표면 상태가 불량한 레일 용접부와 레일이음매부를 선정하여 레일 밀링을 실시하고 레일표면의 연속적인 요철량을 측정하여 레일 표면품질을 6가지 레일품질관리평가항목을 바탕으로 분석함으로써 레일표면품질관리 효과를 정량적으로 분석하였다. 그 결과 레일 용접부의 경우는 레일표면요철의 형상 및 QI 개선효과가 최대 85% 수준으로 나타났으며 차륜-레일 상호작용력과 레일의 진동가속도는 각각 85%와 94%로 크게 감소하는 것으로 분석되었다. 또한, 동일한 요철이라 하더라도 열차 속도증가(40km/h→80km/h)에 따라 레일밀링 여부와 무관하게 더 큰 동적 차륜-레일 상호작용력 및 레일 수직 진동가속도가 발생되는 것으로 분석되어 궤도부담력 측면에서 열차속도가 높을수록 레일표면요철관리가 중요한 것으로 분석되었다.
이러한 결과에 따라 하중기반의 레일표면 품질관리 기법에 관한 연구에서 제시하는 결론 및 제언은 다음과 같다. 첫째, 본 연구에서 제시한 하중기반의 레일품질관리평가 기법은 레일의 품질을 정량적으로 관리할 뿐만 아니라 레일 연마 및 밀링의 효과를 정량적으로 분석하고 그 효과를 평가할 수 있는 기법으로써 요철로 인해 발생되는 추가적인 충격하중(차륜-레일 상호작용력)을 산출하고 이를 바탕으로 레일에 가해지는 실제 하중을 산정함으로써 실제 하중을 바탕으로 한 Actual 통과톤수를 예측할 수 있다. 둘째, 향후 다양한 현장측정결과를 바탕으로 레일 요철에 의해 발생되는 추가적인 충격하중(차륜-레일 상호작용력)과 5가지 평가항목의 적정성을 검증함으로써 효과적인 레일유지관리를 위해 활용될 수 있을 것으로 판단된다.