에너지 기반 마모모델을 이용한 압입축 접촉단부의 마모 해석

초록

철도 차량 차축 압입부 접촉 끝단에는 높은 접촉 압력과 및 미소 미끄럼(Micro-slip)에 의해 프레팅(Fretting) 현상이 발생하며 이로 인해 피로 강도가 현저히 저하된다. 철도 차량 차축은 안전에 관한 가장 중요한 부품 중 하나이므로 오래 전부터 차축의 강도 향상 및 신뢰성 향상에 관한 많은 연구가 진행되었고, 차축의 차륜 압입 부위의 프레팅 마모 또는 미세 균열 발생 현상에 대해 아직도 많은 연구가 진행 중이다. 프레팅 마모 현상은 접촉 압력 및 마찰계수, 미끄러짐 진폭 등 수십 가지의 인자에 영향을 받기 때문에 이를 정확하게 해석하기가 매우 어렵다. 프레팅 마모해석을 위한 대표적인 마모 모델로는 마모량은 마모 계수와 미끄럼 거리, 접촉압력에 비례한다는 Archard 모델이 있으며, 마모 계수는 접촉력과 슬라이딩 진폭에 따라 달라지므로 실험으로 구해야 하는 특징이 있다. 또 다른 마모 모델은 마모량의 경우 접촉 표면에 발생되는 에너지와 마모 계수에 비례한다는 에너지 기반 모델이며, 부분 미끄럼(Partial Slip)이 발생하는 프레팅 현상을 잘 해석할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 차축 압입부 프레팅 피로수명 해석의 전단계로, 유한요소해석과 수치해석을 이용하여 압입시험편의 프레팅 마모를 에너지 기반 마모모델을 적용하여 해석하였다. 해석결과는 Archard 모델을 이용한 해석결과와 회전굽힘 피로 압입시험편을 이용한 실험결과를 비교하여 압입축 프레팅 마모해석의 적용성을 검토하였다.