[논문]곡선 구간에서 철도 차량 휠의 마모 특성 해석

강주석

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.6.547

[국내논문] 곡선 구간에서 철도 차량 휠의 마모 특성 해석
A Wheel Wear Analysis of Railway Vehicle on a Curved Section 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.6, 2016년, pp.547 - 555

초록
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철도차량의 휠의 마모는 주로 곡선 주행 시 발생한다. 휠의 형상 변화는 차량 동적 안정성에 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서는 곡선 주행 시 휠 마모 특성 분석을 위해 곡선 반경 크기와 속도를 변경시키면서 휠 마모량을 계산하였다. 다물체 동역학 해석에 기초한 차량 동역학 해석결과로부터 마모인자를 계산하고 BRR(British Rail Research)에서 제시한 마모 모델을 이용하여 휠의 마모량을 계산하였다. 반경 300m에서의 마모량이 다른 반경과 비교하여 매우 큰 것으로 나타났다. 곡선 선로에 윤활유를 도유하는 경우 마모 특성 변화를 분석하기 위해 휠의 답면과 플랜지 부위의 마찰계수를 다르게 하여 휠 마모량을 계산하였다. 도유 시 휠 마모의 개선 효과를 여러 반경에서 계산하고 실제 도시철도구간에서 마모 개선 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wheel wear of a railway vehicle is mainly generated when maneuvering on a curved track. The change in the wheel profile affects the dynamic stability of the vehicle. In this analysis, the wheel wear volume was calculated while changing the velocity and radius of the curve to analyze the wear characteristics of a wheel at a curved section. The wear index was calculated from a vehicle dynamic analysis based on a multibody dynamics analysis and wear volume from a wear model by British Rail Research. The wear volume at a radius of 300 m is dominant compared with other radii. The wear volume was calculated by assigning different coefficients of friction to the tread and flange of the wheel to investigate the effect of lubrication on the wear characteristics. The effect of the improvement by lubrication is calculated by varying the radius of the track, and is assessed on an actual urban railway section.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들 방법에 의한 마모예측 값을 비교한 결과 유사한 결과를 보이고 있다.⁽⁶⁾ 본 연구에서는 BRR의 방법에 기초하여 휠 마모를 예측하고자 한다.
본 연구에서는 궤도의 선로 반경 크기와 속도의 변화에 따른 휠 마모의 차이를 분석하였다. 다물체 동역학 해석에 기초한 차량 동역학 해석결과로부터 마모인자를 계산하고 휠의 마모량을 계산하였다.
철도 차량 동역학 해석 방법은 여러 가지가 있으나 다물체 동역학 해석에 기초한 운동방정식이 정확하고 현실적인 차량 설계 파라미터를 적용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 다물체 동역학 해석 방법을 이용하여 철도차량 동역학 해석을 수행하였다.

제안 방법

궤도의 선로 반경 크기와 속도의 변화에 따른 휠 마모의 차이를 분석하였다. Table 2는 해석에 사용된 차량의 주요 스펙이다.
본 연구에서는 궤도의 선로 반경 크기와 속도의 변화에 따른 휠 마모의 차이를 분석하였다. 다물체 동역학 해석에 기초한 차량 동역학 해석결과로부터 마모인자를 계산하고 휠의 마모량을 계산하였다.
도유를 하는 경우 차량의 동특성에 대한 영향을 미치므로 도유를 하는 경우 동특성 변화를 확인하였다. Fig.
두 개의 대차 중 전방 대차의 휠에서 정상상태에서의 마모인자를 계산한 후 BRR 마모 모델로부터 마모량을 계산하였다. 반경과 속도에 따른 마모 특성 분석을 위해 반경 300m, 700m, 1100m, 1500m에 대해 시속 50km/h, 60km/h, 70km/h, 80km/h로 주행 시 마모 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 다물체 동역학 해석과 마모 모델을 이용하여 곡선 주행에 따른 휠의 마모 특성 변화를 분석하였다. 또한, 실질적인 휠 마모의 대응책으로 검토되는 플랜지 부위 그리스 도유의 효과를 고찰하기 위해 답면과 플랜지 부위의 마찰계수를 다르게 하여 마모 변화를 분석하였다.
두 개의 대차 중 전방 대차의 휠에서 정상상태에서의 마모인자를 계산한 후 BRR 마모 모델로부터 마모량을 계산하였다. 반경과 속도에 따른 마모 특성 분석을 위해 반경 300m, 700m, 1100m, 1500m에 대해 시속 50km/h, 60km/h, 70km/h, 80km/h로 주행 시 마모 해석을 수행하였다.
도시철도와 같이 곡선 구간이 다수인 경우 곡선 구간에서 주로 마모가 발생하며 특히, 휠의 중요 부위인 플랜지가 마모되므로 곡선 반경과 마모 특성 관계 분석은 마모 대책의 실용성 측면에서 중요한 결과를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 다물체 동역학 해석과 마모 모델을 이용하여 곡선 주행에 따른 휠의 마모 특성 변화를 분석하였다. 또한, 실질적인 휠 마모의 대응책으로 검토되는 플랜지 부위 그리스 도유의 효과를 고찰하기 위해 답면과 플랜지 부위의 마찰계수를 다르게 하여 마모 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 플랜지 도유의 효과를 회전 반경과 속도에 따라 분석한다. 플랜지 도유를 하는 경우 Fig.
전방 대차 중 전방 휠과 후방 휠의 좌우측 휠에서의 마모인자 계산값이다. 본 차량 모델의 동역학 해석 결과는 동일한 모델의 VI-Rail과 비교하여 결과를 검증하였다. VI-Rail은 다물체 동역학 해석프로그램인 ADAMS를 기반으로 만든 철도차량 전용 동역학 해석프로그램이다.
039 \(mm^3\) 으로 나타났다. 후방 휠은 전방 휠에 비해 매우 작은 마모량이 나타나므로 전방 휠에 대하여 추가 마모 분석을 수행하였다.

대상 데이터

도유 시 플랜지 마모의 개선 효과를 실제 도시철도 구간에 적용하였다. 이 노선은 반경 300m가 전체 노선의 7.

이론/모형

본 논문에서는 점착력의 계산을 Polach⁽⁷⁾이 제안 한 방법을 이용하여 계산하였다.
본 연구에서는 Matlab을 이용하여 수치적분을 수행하였으며 수치적분 함수는 ode45 함수를 이용 하였다. 마모량은 Table 1을 이용하여 계산하였다.
3과 같이 플랜지에서 접촉을 한다. 플랜지 접촉점의 구속조건을 포함하는 경우 구속조건식이 자유도보다 많게 되므로 플랜지 접촉점에서의 수직력은 Hertz 접촉이론을 기초로 구한다. 플랜지에서의 수직력은 접촉점에서의 휠과 레일의 곡률과 재질 특성으로 다음과 같이 계산하였다.

성능/효과

15와 같이 300m 반경의 마모 발생량이 전체 마모량의 49%를 차지한다. 300m 반경만 도유시 300m 반경의 마모량이 97% 감소하므로 전체 플랜지 마모량은 약 48%를 감소시킬 수 있다. 즉, 반경 300m만 도유를 실시하여도 플랜지 마모에서는 효율적인 감소를 가져오리라 판단된다.
곡선 구간의 도유 효과를 검토하기 위해 답면의 마찰계수와 다르게 플랜지 부위는 그리스 도포 시마찰계수를 적용하여 해석한 결과 반경 300m에서는 마모량이 97% 감소하는 것으로 계산되었다. 또한, 차량 동특성에도 영향이 미소하여 곡선 구간 도유 효과가 확인되었다.
특히, 300m에서의 플랜지 마모량이 400m 이상의 반경과 비교하여 매우 큰 것으로 나타났다. 그러므로, 최근 검토되는 곡선 선로의 윤활유 도유는 반경 300m에서 가장 큰 효과를 보일 것으로 판단되었다.
곡선 구간의 도유 효과를 검토하기 위해 답면의 마찰계수와 다르게 플랜지 부위는 그리스 도포 시마찰계수를 적용하여 해석한 결과 반경 300m에서는 마모량이 97% 감소하는 것으로 계산되었다. 또한, 차량 동특성에도 영향이 미소하여 곡선 구간 도유 효과가 확인되었다.
후방 휠은 모두 답면 접촉을 한다. 본 논문의 수치해석 방법이 시간 증분 간격을 가변으로 하여 천이구간에서는 더 미세한 시간 증분으로 인해 국부적인 피크가 나타난 것으로 보인다.
선로반경과 속도를 변경하면서 마모량을 계산한 결과 플랜지 접촉을 하는 전방 우측 휠의 마모가 답면 마모를 하는 다른 휠에 비해 가장 큰 마모량이 발생하는 것으로 계산되었다. 특히, 300m에서의 플랜지 마모량이 400m 이상의 반경과 비교하여 매우 큰 것으로 나타났다.
반경 300m와 700m 사이의 회전 반경에 대한 분석은 논문 후반부에 추가하였다. 속도에 따라 마모량이 변하지만 곡선에 따른 변화량에 비해서는 크지 않은 것으로 나타났다.
도유 시 플랜지 마모의 개선 효과를 실제 도시철도 구간에 적용하였다. 이 노선은 반경 300m가 전체 노선의 7.9%를 차지하지만 반경 300m에만 도유 시 전체 플랜지 마모량의 48%가 감소되는 것으로 나타나 효율적인 감소 효과를 가져오리라 판단되었다.
Malvezzi 등⁽⁴⁾과 Ignesti 등⁽⁵⁾은 다물체 동역학 해석프로그램을 이용하여 휠 마모 예측을 위한 범용모델을 제안하였다. 최근 개발된 마모 예측 모델과 접촉 면적에서의 하중과 크리피지를 국부적으로 계산하는 방법과 전역적으로 하는 방법을 비교 시 계산 시간외에는 큰 차이 없는 것으로 나타났다.⁽⁶⁾
나머지 차량 동특성도 큰 차이가 없어 도유 시 차량의 운동에는 영향이 없을 것으로 판단되었다. 플랜지 도유는 마모에 매우 큰 효과를 보이는 것으로 확인되었지만 관리와 비용 문제로 많이 적용하는 것보다 효율적으로 적용하는 것이 좋다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존에 제시된 휠의 마모 예측과 재삭정 주기 등을 최적화하는 연구에는 어떤 것들이 있는가?	최근 차량 동역학 해석 기법의 발달과 더불어 휠의 마모 예측과 재삭정 주기 등을 최적화하는 연구가 다수 제시되었다. Pearce 등(1)은 일반적인 기계 마모모델이 아닌 시험을 통한 휠의 마모인자와 마모 예측 모델을 제안하였다. Braghin 등(2)과 Pombo 등(3)은 롤러 리그 시험에서 구한 휠 마모모델과 차량동역학 해석 모델을 이용하여 휠 마모특성 예측, 휠의 삭정 기간 분석이 이루어졌다. Malvezzi 등(4)과 Ignesti 등(5)은 다물체 동역학 해석프로그램을 이용하여 휠 마모 예측을 위한 범용모델을 제안하였다. 최근 개발된 마모 예측 모델과 접촉 면적에서의 하중과 크리피지를 국부적으로 계산하는 방법과 전역적으로 하는 방법을 비교 시 계산 시간외에는 큰 차이 없는 것으로 나타났다.
	휠-마모 예측 방법은 어떤 것들이 있는가?	휠-레일의 접촉에 의한 휠의 마모량의 예측은 일반적으로 실험에 의한 마모 측정량에 기초한다. 휠-마모 예측 방법은 BRR(British Rail Research)와 Royal Institute of Technology, University of Sheffield에 서 개발한 방법이 있다. 이들 방법에 의한 마모예측 값을 비교한 결과 유사한 결과를 보이고 있다.
	철도차량의 휠의 마모는 어떤 경우 발생하는가?	철도차량의 휠의 마모는 주로 곡선 주행 시 발생한다. 휠의 형상 변화는 차량 동적 안정성에 중요한 영향을 미친다.

참고문헌 (11)

Pearce, T. G. and Sherratt, N. D., 1991, "Prediction of Wheel Profile Wear," Wear, Vol. 144, pp. 343-351.

상세보기
Braghin, F., Lewis, R., Dwyer-Joyce, R. S. and Bruni, R. S., 2006, "A Mathematical Model to Predict Railway Wheel Profile Evolution Due to Wear," Wear Vol. 261, pp. 1253-1264.

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Pombo, J., Ambrosio, J., Pereira, M., Lewis, R., Dwyer-Joyce, R., Ariaudo, C. and Kuka, N., 2010, "A study on Wear Evaluation of Railway Wheels Based on Multi-body Dynamics and Wear Computation," Multibody System Dynamics, Vol. 24, pp. 347-366.

상세보기
Malvezzi, M., Meli, E. and Rindi, A., 2012, "Development and Validation of a Wear Model for the Analysis of the Wheel Profile Evolution in Railway Vehicles," Vehicle System Dynamics, Vol. 50, No. 11, pp. 1707 -1734.

상세보기
Ignesti, M., Malvezzi, M., Marini, L., Meli, E. and Rindia, A., 2012, "Development of a Wear Model for the Prediction of Wheel and Rail Profile Evolution in Railway Systems," Wear, pp. 284-285 .
Pombo, J., Ambrosio, J., Pereira, M., Lewis, R., Dwyer-Joyce, R., Ariaudo, C. and Kuka, N., 2011, "Development of a Wear Prediction Tool for Steel Railway Wheels Using Three Alternative Wear Functions," Wear, Vol. 271, pp. 238-245.

상세보기
Polach, O., 1999, "A Fast Wheel-rail Forces Calculation Computer Code," Vehicle System Dynamics Suppl. Vol. 33, pp. 728-739.
Koo, J. S. and Oh, H. S., 2013, "Study of Influence of Wheel Unloading on Derailment Coefficient of Rolling Stock", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 2, pp. 177-185.

원문보기 상세보기
Simon, I., 2006, Handbook of Railway Vehicle Dynamics, CRC Press, New York.
Richard, C. D., 2003, CRC Handbook of Engineering Tables, CRC Press, New York.
Hong, D. K, Ahn, C. W, Han, G. J. and Gang, H. U, 2011, "Analysis of Curve Squeal Noise for Busan Metro Line 3", J. of the Korean Society for Precision Eng., Vol. 28, No. 4, pp. 427-435.

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