철도차륜의 안전성 검증 및분석 = Safety Verification and Analysis of Railway Wheels

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 국내 철도차량에 적용되는 차륜의 구조적 안전성을 정량적으로 분석하고 특히 웹홀(Web hole)의 유무 및 형상에 따른 차륜의 응력 거동과 피로 수명에 미치는 영향을 규명하는 데 목적을 두었다. 차륜은 철도차량의 주행 안전성과 직결되는 핵심 부품으로 반복되는 기계적 하중 과열 하중에 지속적으로 노출되며 특히 대표적인 고속철도, 전동차, 화차 등 각 차량의 특성과 운용조건에 따라 차륜에 작용하는 응력의 분포와 손상의 양상이 다르게 나타난다.
웹홀은 차륜의 디스크제동, 공진특성 개선, 현장 운용 편의성 등을 고려하여 설계에 도입되는 구조 요소이나 그 위치와 크기에 따라 응력 집중 현상을 유발할 수 있어 피로 균열 발생 가능성과 직결되는 요소로 작용한다. 그럼에도 불구하고 국내외 차륜 설계기준에서는 웹홀의 구조적 영향에 대한 명확한 기술적 기준이나 설계 가이드라인이 미비한 실정이다. 이에 따라 본 연구는 웹홀 이차륜의 구조안전성에 미치는 영향을 과학적으로 분석하고 향후 차륜설계 및 검사기준의 고도화를 위한 기초자료를 마련하고자 하였다.
본 연구는 국내에서 가장 많이 사용하거나 고도화된 차종인 고속차륜, 전동차용차륜, 화차용차륜을 대표적 연구대상으로 선정하였으며 각 차륜형상에 대해 유한요소해석(Finite element analysis)을 수행하고 열–기계 복합 하중을 고려하여 실제 운용 조건을 최대한 시뮬레이션 하였다. 웹홀의 유무, 크기, 위치 변화에 따른 응력분포를 비교분석한 결과 웹홀이 존재할 경우 차륜 웹(Web) 중앙부를 중심으로 응력 집중이 현저히 증가함을 확인하였다. 특히 제동 시 발생하는 열응력과 병합될 경우 웹홀 인근의 피로취약성이 두드러지게 나타났다.
분석 결과 웹홀의 지름이 커질수록 응력 집중계수는 비선형적으로 증가 하였으며 일정한 임계치를 초과할 경우림–웹 연결부에서 구조적 안정성이 급격히 저하되었다. 웹홀의 위치에 따른 응력 변화는 림 쪽보다는 웹 중심으로 위치할수록 전체적인 응력의 감소 경향이 나타났으나 홀의 배치각도와 차량 하중방향의 관계에 따라응력분포가변화함을 관찰하였다. 차종 별로는 KTX 차륜이 고속 및 고온환경에 의한 열응력의 영향이 가장 컸으며 전동차는 반복하중에 따른 피로, 화차는 저속 고하중 조건에서의 집중 응력이 주요 변수로 작용하였다.
또한 FEA 분석 결과 웹홀 주변은 응력 집중이 매우 강하게 발생하는 영역으로 피로특성에 미치는 영향이 극히 크다. 웹홀 가공 시 발생할 수 있는 절삭흠집, 모서리의 미세한 날카로움, 가공 잔류응력 등은 피로균열의 개시점을 형성할 가능성이 높으며 이러한 미세 결함이 존재할 경우 응력 집중 효과가 더욱 증폭되어 피로특성이 급격히 악화될 수 있음을 확인하였다. 따라서 웹홀을 가진 차륜의 제작, 운송, 취급과정에서는 홀 주변부 손상 방지와 미세 흠집관리가 필수적이며 제조 후표면 연마, 잔류응력 완화처리등의 필요성이 강조된다.
본 연구는 단순히 구조적 약점을 식별하는 것을 넘어 웹홀의 형상 최적화가 차륜 수명연장과 안전성 확보에 실질적인 기여를 할 수 있음을 실험적 수치적으로 입증하였다. 아울러 차륜의 설계에서 가능한 웹홀을 두지 않는 것이 차륜의 안전성을 높이는 것으로 입증되었다. 하지만 웹홀을 필요로하는 경우에는 단순한 홀의 삽입이 아닌 하중조건, 차륜재질, 주행 환경등을 통합적으로 고려한 정밀설계가 필요함을 제안하였다. 향후 웹홀이 적용된 차륜설계에서는 열응력과 기계적 하중의 복합작용을 반영한 구조해석이 필수적이며 표준화 된 설계 가이드 라인수립이 시급하다는 점도 함께 제시하였다.
결론적으로 본 연구는 웹홀이 차륜안전성에 미치는 구조적 영향을 정량적으로 규명함으로써 국내 철도차륜 설계의 신뢰성 제고와 차륜검수기준의 과학적 기반 마련에 기여하고자 하였다. 이는 향후 고속 및 중속차량의 차륜 개발과 설계 고도화, 그리고 피로손상 예방을 위한 유지관리 전략 수립에 있어 중요한 기술적 자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively evaluate the structural safety of railway wheels used in Korean rolling stock, with a particular focus on identifying the effects of the presence, size, and location of web holes on stress behavior and fatigue life. Railway wheels are critical components directly associated with the running safety of trains and are continuously subjected to repeated mechanical and thermal loads. Depending on train type—such as high-speed trains, EMUs, and freight wagons—the stress distribution and damage patterns applied to the wheels vary significantly.
Web holes are structural features incorporated into wheel designs to accommodate disc braking, improve resonance characteristics, and enhance operational convenience. However, depending on their geometric configuration, they may cause stress concentrations that can become initiation points for fatigue cracks. Despite such potential risks, domestic and international wheel design standards lack clear technical guidelines for assessing the structural implications of web holes. This study therefore investigates the mechanical influence of web holes and aims to establish foundational data for the advancement of wheel design and inspection standards.
Representative wheel types widely used in Korea—high-speed wheels, EMU wheels, and freight wagon wheels—were selected as the main research targets. Finite Element Analysis (FEA) was performed for each wheel geometry under combined thermo-mechanical loading conditions to simulate real operational environments. Comparative analysis of stress distributions revealed that the presence of a web hole significantly increases stress concentration around the central web region, particularly under braking conditions where thermal stresses are superimposed.
The results show that as the diameter of the web hole increases, the stress concentration factor rises nonlinearly, and beyond a critical threshold, structural stability around the rim-web transition deteriorates rapidly. When the web hole is positioned closer to the web center, a general reduction in overall stress was observed; however, the stress distribution varied depending on the angular orientation of the hole and the direction of applied loads. Among the wheel types analyzed, KTX wheels exhibited the strongest influence from thermal stress, EMU wheels were highly sensitive to cyclic loading, and freight wagon wheels showed pronounced stress concentrations under low-speed, high-load conditions. FEA results also demonstrated that the area surrounding the web hole is highly susceptible to fatigue damage due to severe stress concentration. Micro-defects induced during machining—such as cutting marks, sharp edges, or residual stresses—can act as crack initiation sites and significantly accelerate fatigue degradation. These findings highlight the necessity of stringent surface finishing, defect control, and residual stress mitigation during wheel manufacturing, handling, and maintenance processes.
Overall, the study confirms that the optimization of web hole geometry can meaningfully improve wheel durability and safety; however, wheel designs without web holes inherently provide superior structural integrity. The results emphasize the importance of integrating complex loading conditions, material properties, and
operational environments into precise design considerations and underscore the urgent need for standardized design guidelines incorporating thermo-mechanical effects.
In conclusion, this study provides a quantitative assessment of the structural influence of web holes on railway wheels, contributing to the enhancement of design reliability and inspection criteria for Korean rolling stock. The findings serve as valuable technical data for the development and improvement of wheels for high-speed and medium-speed trains, as well as for establishing effective maintenance strategies to prevent fatigue-related failures.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 필요성 및 목적 1
• 제 2 절 연구의 내용 및 방법 4
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행 연구 고찰 6
• 제 1 절 차륜의 개념과 발전 현황 6
• 제 2 절 차륜 사고 현황 분석 9
• 제 3 절 차륜 운용 설비 현황 12
• 제 4 절 차륜 웹홀 균열 사례 15
• 제 3 장 고속철도 차륜 시뮬레이션 결과 분석 20
• 제 1 절 유한요소 해석 방법론 20
• 제 2 절 웹홀이 없을 때의 등가응력과 주응력 분석 24
• 제 3 절 웹홀 크기가 차륜 균열에 미치는 영향 29
• 제 4 절 웹홀 위치가 차륜 균열에 미치는 영향 44
• 제 5 절 운행 조건별 임계 응력 분석 54
• 제 4 장 전동차 차륜 시물레이션 결과 분석 57
• 제 1 절 유한요소 해석 방법론 57
• 제 2 절 웹홀이 없을 때의 등가응력과 주응력 분석 60
• 제 3 절 웹홀 크기가 차륜 균열에 미치는 영향 64
• 제 4 절 웹홀 위치가 차륜 균열에 미치는 영향 81
• 제 5 절 운행 조건별 임계 응력 분석 92
• 제 5 장 화차 차륜 시물레이션 결과 분석 95
• 제 1 절 유한요소 해석 방법론 95
• 제 2 절 웹홀이 없을 때의 등가응력과 주응력 분석 98
• 제 3 절 웹홀 크기가 차륜 균열에 미치는 영향 102
• 제 4 절 웹홀 위치가 차륜 균열에 미치는 영향 117
• 제 5 절 운행 조건별 임계 응력 분석 126
• 제 6 장 차륜 운용설비조사 128
• 제 1 절 한국철도공사 차륜 운용 설비 현황 128
• 제 2 절 서울교통공사 차륜 운용 설비 현황 130
• 제 3 절 차량제작사 및 차륜 제작사 운용 설비 현황 132
• 제 7 장 결 론 135
• 참고문헌 138
• Abstract 143