고속철도차량 차륜 웹부의 손상 평가를 위한 유한요소해석

초록

철도차량은 친환경적이고 대량의 승객 및 화물을 수송하는 교통수단으로써 안전이 가장 중요한 요소 중에 하나이다. 철도차량의 고유한 특성은 차륜과 레일의 구름접촉에 의하여 차량이 운행되며, 차륜이 레일을 벗어나는 탈선이 대표적인 사고의 원인 중에 하나이다. 철도 차량 탈선의 원인 중의 하나로써 대차의 중요 구성품인 차륜, 차축, 현가장치 및 대차프레임 등의 피로손상 및 파손이다. 철도차량은 장기간 운행되므로 대차프레임의 구성품에는 반복적인 피로하중이 작용하므로 이로부터 균열이 발생하고 진전하여 최종적으로 파단에 이르게 된다. 따라서, 반복적인 피로하중이 작용하는 부품은 주기적으로 육안 검사 및 비파괴 검사를 통하여 손상 및 균열 등을 모니터링한다. 대차에 구성품 중에서 가장 손상이 발생하기 쉬운 부품은 차륜이다. 차륜은 레일과의 반복적인 구름접촉에 의하여 마모 및 구름접촉피로손상이 필연적으로 발생한다. 따라서 차륜에서 대부분의 손상 부위는 차륜과 레일의 구름접촉이 발생하는 접촉면이다. 그러나, 레일과 접촉면 이외에도 차륜의 웹부에서 균열이 발생하여 차륜이 파단되는 사례가 발생한다. 본 논문에서는 고속철도용 차륜의 웹부에서 발생하는 균열에 대한 성장 특성을 평가하기 위하여 유한요소해석을 실시하였다. 차륜 웹부의 균열진전해석을 수행하기 위하여, XFEM 을 이용한 유한요소해석 모델 및 평가방법을 제시하였다. 균열진전해석은 차륜의 형식승인을 위한 피로시험 조건을 하중 및 경계조건을 사용하였다.