구매사양서
□ 구매 항목
ㅇ 휴대용 레일 마찰크립곡선 측정기 (Portable rail tribometer)
□ 활용 계획
(1) 과제와 관련한 활용계획
- 본 기기는 철도 현장의 선로 및 실험실 환경에서 휠-레일 접촉면의
“마찰-크립 곡선(friction-creep curve)” 특성을 정밀하게 측정하기
위한 “휴대용 레일 마찰크립곡선 측정기(tribometer)”임
- 표면상태, 윤활, 마찰조정제, 기상조건, 속도, 크리피지 등에 따라 시시
각각 변화하는 철도 특유의 동적 점착 거동을 실제 레일 현장에서 직
접적, 정량적으로 획득하여, 차량-궤도 상호작용 해석 모델의 정밀도
와 예측 신뢰도를 크게 높일 수 있음
- 휠-레일 간 접촉 시 발생하는 마모(wear), 구름접촉피로(RCF), 소음
및 진동(특히 스퀼 및 파상마모 연관 소음·진동) 발생 메커니즘을 분
석하고 저감하기 위한 핵심 기초 자료로 활용됨
- 기존 단순 고정식 마찰 측정기나 진자식 측정기는 마찰 계수의 단일
정적 값만 측정할 수 있으며, 본 기기는 현장 레일의 동적 비선형 마
찰 특성을 파악하는 데 필수적인 정밀 계측(센서) 기기임
Fig. 1: 휴대용 레일 마찰크립곡선 측정기 (Portable rail tribometer).
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Ref) I. Persson et al., Influence of non-dry condition creep curves in switch negotiation,
Vehicle System Dynamics, 2022.
Ref) E. Bernal et al., Prediction of rail surface damage in locomotive traction operations
using laboratory-field measured and calibrated data, Engineering Failure Analysis 135,
p106-165, 2022.
Fig. 2: 본 기기를 이용하여 ‘마찰-크립 곡선’ 계측한 국외 연구 사례.
(2) 연구 목적별 활용 계획 요약
| 연구 분야 | 세부 활용 목적 | 기대 성과 |
| 차량 동역학 | 실제 선로 조건별 마찰-크리프 곡선 DB 구축 | 국내 운행 노선별 맞춤형 열차 주행 안정성 해석 신뢰도 확보 |
| 점착 및 제동 제어 | 초저점착(Low Adhesion) 조건 모사 및 점착 제한 설계 | 기상 악화 시 제동거리 단축 알고리즘 고도화 및 열차 충돌 방지 안전 기술 확보 |
| 유지보수 (LCC 절감) | 휠-레일 프로파일 마모율 및 RCF 피로 수명 예측 | 레일 연마(Grinding) 및 교체 주기 최적화 모델 개발로 인프라 비용 절감 |
| 친환경/소음진동 | 곡선부 스퀼 소음(3~6 kHz) 메커니즘 해석 및 제어 | 도심지 밀착형 도시철도 및 트램의 고질적 곡선부 소음 민원 해결 기술 지원 |
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• 철도 휠-레일 상호작용 연구 분야에서 단순 정적 마찰 계수를 넘어
크리프 곡선 전체를 능동적으로 도출할 수 있는 물리적 계측 기기의
보유 유무는 원천 기술 개발 역량을 가르는 척도일 수 있음
본 기기는 실험실의 한계를 넘어 실제 철도 현장의 불확실한 경계 조 •
건을 정량화하고, 이를 시뮬레이션 기술과 긴밀하게 통합시켜 줄 '물
리-수치 융합 연구 플랫폼'의 핵심 하드웨어임. 국가 철도 안전 확보,
친환경 소음 저감, 궤도 LCC 절감이라는 다각적 연구 목표를 조기에
달성하기 위해 본 기기의 도입은 매우 시급하고 필수적임
(3) 과제종료 후 활용계획
• 내부 기관 활용: 철도연(KRRI) 내 차량 동역학, 궤도 공학 등 타 연
구실 소속 연구원들이 수행하는 휠-레일 인터페이스 관련 R&D 과
제에서 현장 마찰계수 측정이 필요할 경우, 기기 지원 및 측정 기술
교류를 수행하여 원내 연구 역량 강화에 기여
• 외부 기관 활용: 국내 철도 운영사 및 인프라 관리 기관이 선로의 마
찰 특성 평가나 특정 구간의 급격한 마모 및 소음 문제 해결을 요청
할 경우, 공동 연구 또는 기술 자문 형태로 본 기기를 활용할 수 있음
□ 구매 사양
[휴대용 레일 마찰크립곡선 측정기 (Portable rail tribometer)]
OnTrak HO Tribo의 주요 요구 사양은 다음과 같음.
적용 미끄러짐(creepage) 제어 범위: 0.1~15% Ÿ
Ÿ 접촉 응력 조절 범위: 0.4~2.4GPa(인가 하중 15~90N)
Ÿ 제동 각도(braking angle) 조절 범위: 1~150mRad
Ÿ 힘 교정(force calibration) 정밀도: < 1:2000 f.s.
Ÿ 힘 분해능(force resolution): < 1:10000
마찰계수(mu) 측정 분해능: < 0.5% Ÿ
Ÿ 최대 측정 구간(measuring stroke): 30cm
Ÿ 배터리 운용 시간: 연속 12시간 이상
Ÿ 기기 총 중량: 7~8kg
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□ 참고 사항
가. 기기 필요성
(1) 마찰 특성 계측 관련한 비교 자료
본 기기(Portable rail tribometer)는 휠-레일 접촉부의 동적 마찰 특성
을 현장에서 정량적으로 계측하기 위한 전용 측정기이다. 고려할 수 있는
단순 수동형 마찰계수 측정기 및 대형 실차 기반 측정 시스템과의 성능
및 활용성 비교는 다음 표와 같다.
| 구분 | 구매 예정 기기 (portable rail tribometer, OnTrak HO Tribo) | 수동형 마찰 측정기 (예: 진자형 또는 푸시형) | 대형 실차 기반 마찰 측정 시스템 |
| 측정 원리 | 롤러 구동을 통한 실제 휠-레일 접촉 모사 | 단순 접촉 또는 슬라이딩 마찰 측정 | 영업 열차 또는 특수 검측차 주행 기반 측정 |
| 미끄러짐 제어 | 0.1~15% 구간의 정밀 가변 제어 가능 | 고정 슬립 또는 제어 불가 | 제한적 제어 |
| 접촉 응력 제어 | 0.4~2.4GPa 가변 제어 가능 | 단순 수직 하중에 의존 | 장착 차 축중에 고정됨 |
| 장비 휴대성 및 현장성 | 중량 7~8kg, 자력 부착식으로 우수함 | 경량이나 레일 두부 곡률(top of rail) 반영 한계 | 현장 측정 시 열차 다이아 간섭 발생 |
| 데이터 신뢰성 | 자동화 시퀀스를 통한 인적 오류 배제 | 작업자의 숙련도 및 미는 힘에 크게 의존 | 연속 측정에 유리하나 국부 분석에 한계 |
나. 경제적 및 운영적 측면의 필요성
(1) 실차 시험(Instrumented Train Test) 대비 압도적인 비용 절감
Ÿ 기관차 및 계측 차량을 직접 선로 상에 구동하여 마찰-점착 곡선을 획득
하는 시험은 막대한 예산(차량 대차료, 계측기 설치비 등)이 소요될 뿐만
아니라, 상업 열차의 운행 시간표를 방해하여 막대한 사회적 비용을 유발
한다.
Ÿ 반면, 본 장비는 소수의 인원으로 단시간 내에 특정 선로의 곡선부, 구배
지 등 타겟 지점을 정밀 측정할 수 있어 현장 연구 비용을 최소 90% 이
상 절감할 수 있는 높은 투자 대비 효과를 제공한다.
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(2) 실험실 테스트(트윈디스크 시험기)와 실제 현장 간의 가교 역할
Ÿ 실험실용 Twin-Disc 장비는 제어 환경이 우수하나 시험편 가공 과정에
서 실제 선로에 형성된 미세 경계층(Third-body layer)이 파괴된다는 한
계가 있다.
Ÿ 본 기기는 실제 운영 중인 선로에서 형성된 날것 그대로의 경계 막을 훼
손하지 않고 현장에서 직접 측정할 수 있어, 실험실적 연구 모델의 '현실
대표성' 문제를 해결할 수 있다.
다. 원내외 보유 여부 및 중복성
(1) 우리 연구원
• 해당 용도 및 목적의 유사 기기 없음
• 차륜/레일 슬립제어장치(시작품), 고속 레일-차륜 접촉시험기가 있으
나 실험실 내에서 트윈-디스크 방식의 마모/점착력 등을 모사 시험하
기 위한 목적으로 본 ‘휴대용 레일 마찰크립곡선 측정기’와 용도가 다
름
(2) 외부기관 보유 및 활용 검토
• NFEC 및 ZEUS 시스템 상에서도 유사 기기 검색되지 않음
• 국내에서 도입 및 활용 사례 검색되지 않음
라. 종합 의견
Ÿ 본 휴대용 마찰크립곡선 측정기(OnTrak HO Tribo)는 전 세계 철도 인
프라 마찰 관리 및 다물체 시뮬레이션 데이터 검증 연구에서 “사실상의
표준 측정기”로 평가받고 있으며, 현장 측정 신뢰도가 이미 수많은 철도
학계와 산업 현장에서 광범위하게 검증된 기기임
Ÿ 차량 전용 점착 시험 열차를 직접 대여해 실차 구동 시험을 수행하는 고
비용을 차단하고, 오직 측정기 고유의 속도 및 기하학적 형상 편차만 후
처리로 보정하면 고성능 다물체 동역학 해석용 입력 데이터베이스를 완
성하기에 현재로서는 가장 이상적인 기기임
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