차륜 및 차축의 변형을 고려한 차륜-레일 접촉해석

초록

철도는 안전성 및 쾌적성과 더불어 친환경적인 운행수단으로 여객과 화물을 대용량으로 수송할 수 있다. 현재 철도 차량의 속도가 지속적으로 증가함으로써 여객과 화물의 도착시간이 줄어들고 있다. 하지만 레일 위로 차륜이 이동하기 때문에 필연적으로 발생하는 마모와 균열은 차량 속도 증가와 하중의 증가에 따라 레일 및 차륜의 손상 및 탈선의 위험이 점점 증가하고 있다. 마모와 균열 발생 등은 접촉 형상과 접촉위치, 접촉 압력에 많은 영향을 받는다. 접촉부의 형상은 철도차량의 차륜과 레일의 기하학적 형상이 복잡하여 접촉 위치에 따라 달라진다. 또한 차축과 차륜의 변형에 의해서도 접촉점과 접촉압력이 변한다. 차륜과 레일의 접촉 응력 분포에 대하여 IRJ(Insulated Rail Joint)의 영향에 관한 연구[1], 차륜과 레일 접촉의 접촉 해석의 개선에 관한 연구[2] 등과 같이 많은 연구가 수행되었다. 대부분의 기존 연구에서는 축을 제외한 차륜과 레일의 접촉 혹은 차륜의 일부와 레일의 접촉 모델을 사용하여 접촉부의 형상과 접촉압력을 해석하였다. 그러나 차륜, 차축의 변형의 영향을 고려하지않아 차륜과 레일의 정확한 접촉을 해석하지 못하고 있다. 본 논문에서는 차륜, 레일, 그리고 차축의 탄성 변형[3]을 고려한 차륜과 레일 접촉부의 접촉형상과 압력 분포를 얻고자 하였다. Global-local 해석방법을 이용하여 차륜과 레일의 3차원 탄성 유한요소해석을 수행하였으며, 접촉 응력과 접촉형상을 Herzt 접촉 이론에 의한 결과와 비교하였다.