Mathematical Modeling-Based Analysis of Rotational Vibration Response in High-Speed Train Axles

철도차량의 차축은 차륜과 함께 차량의 중량을 지지하며, 구동 모터의 회전력이 차륜에 전달되어 주행이 가능하게 되고, 제동 디스크를 통해 감속 및 정지가 이루어지는 핵심 구조물이다. 차축에는 자중뿐 아니라 수직·수평 외력, 견인력, 제동력 등 다양한 동적 하중이 반복적으로 작용하며, 이에 따른 굽힘, 비틀림, 전단 응력이 누적되어 피로 파손의 위험이 존재한다. 본 연구에서는 고속철도 차량을 대상으로 차축 시스템의 동역학적 특성을 분석하였으며, 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 기반으로 고속 주행 조건인 300 km/h(1760 rpm)에서 축 궤도(shaft orbit) 거동을 해석하였다. 해석 모델은 Z축 방향으로 배치된 보 요소로 차축을 이상화하고, X-Y평면 내 횡방향 굽힘 진동만을 고려한 3차원 횡진동 보 모델로 구성하였다. 해석 결과, 내부 직경 변화에 따라 축 궤도 형상과 진동 변위가 달라지는 것을 확인하였다. 본 연구는 차축의 구조건전성 평가 및 피로 수명 예측을 위한 기초 데이터를 제공하며, 향후 실시간 상태 모니터링 기반 비파괴 진단 기법으로의 확장 가능성을 제시한다.