철도 차륜의 답면 마모에 미치는 답면제동의 영향

초록

바퀴 구름방식의 철도에서 철도차량은 차륜과 레일의 구름접촉으로 추진력을 전달하고, 차량을 멈추기 위해서는 전기제동, 디스크제동, 답면제동 등을 사용하여 바퀴의 구름을 억제하는 제동장치를 사용한다. 답면제동은 제륜자를 차륜의 반경 방향으로 밀착하여 제륜자와 차륜 답면 사이의 마찰을 이용하여 차량의 운동에너지를 마찰열로 변환하여 제동력을 얻는 방식이다. 마찰열에 의해 차륜의 온도가 상승하고 차륜 재료의 강도와 경도가 낮아져 내마모성이 나빠져 제륜자가 접촉하는 차륜 답면부가 오목하게 마모되는 경우가 자주 발생하고 있다. 따라서 철도차량 운영사는 답면제동에 의한 차륜의 온도상승을 일정값 이하가 되도록 제한하는 규격을 적용하고 있지만 허용할 수 있는 온도의 최대값에 대한 합리적 사유는 제시되지 않고 있다. 본 연구에서는 제륜자와 차륜의 다양한 하중 조건과 접촉 조건에서 답면제동 시 발생하는 차륜의 온도분포와 잔류응력을 유한요소법으로 해석하였다. 차륜의 원주를 따라 온도가 일정하다고 가정하고 차륜을 축대칭으로 모델링 하였으며 8 개의 절점을 갖는 축대칭 요소를 적용하였다. 소성 영역에서 차륜 재료는 소성 변형률에 선형적으로 경화된다고 가정하였다. 유한요소 해석으로 얻은 잔류응력과 온도 분포 결과를 온도에 따른 차륜 재료의 강도 특성과 비교하여 답면제동이 차륜의 답면 마모에 미치는 영향을 검토하였다.