휠 답면 프로파일과 레일 기울기를 고려한 휠/레일 접촉응력 해석 = Wheel/rail Contact Stress Analysis Considering Wheel Tread Profile and Rail Inclination

국문 초록 (Abstract)

차륜이 레일 위를 굴러 주행하는 바퀴 구름식 철도에서 차륜과 레일의 접촉영역은 타원 형상으로 장반경과 단반경이 각각 7, 5.5 mm 정도로 매우 작고, 이 접촉영역에 작용하는 접촉 압력은 1,000 MPa 이상으로 매우 크다. 접촉 압력은 차륜 답면 프로파일 형상, 레일의 설치 기울기, 차륜의 횡방향 위치 등에 따라 크기가 달라진다. 본연구에서는 국내 도시철도 차륜에 사용되는 대표적인 원추형 답면, 원호형 답면, 외국의 원호형 답면과 KRS 60 레일이 접촉하는 경우 주요 인자가 접촉응력에 미치는 영향을 유한요소법으로 분석하였다. 기울기 1/20과 1/40인 레일에 대해 차륜을 횡방향으로 이동시키면서 차륜과 레일의 접촉 위치와 접촉응력의 변화를 분석하였다. 차륜, 차축, 레일 모두를 고려한 유한요소 전체 모델과 차륜과 레일만 고려한 간이 모델을 개발하여 간이 모델과 Hertz 해의 유용성을 확인하였다. 국내 원호형 답면의 접촉응력이 원추형 답면과 외국의 원호형 답면의 접촉응력의 3배까지 증가 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In a rolling-wheel railway system, in which wheels roll on rails, the contact area between the wheel and the rail is very small, forming an elliptical shape with major and minor radii of approximately 7 mm and 5.5 mm, respectively. The contact pressure exerted on this area is extremely high, exceeding 1,000 MPa. This contact pressure varies depending on factors such as the wheel tread profile, the rail installation inclination, and the lateral position of the wheel. In this study, the effects of key factors on contact stress were investigated using the finite element method for representative conical treads, arc-shaped treads, foreign arc treads, and KRS 60 rails commonly used in domestic urban railways. Changes in contact position and contact stress between the wheel and rail were analyzed as wheels moved laterally on rails installed with inclinations of 1/20 and 1/40. A finite element full model, incorporating the wheel, axle, and rail, and a simplified model, considering only the wheel and rail, were developed. The simplified model’s usefulness and its agreement with Hertz’s solution were validated.The study revealed that the contact stress of the domestic arcshaped tread increased by up to three times compared to the conical and foreign arc-shaped treads.