철도차량의 이해

1. 열차의 분류

견인 동력의 유무, 사용 에너지, 수송 대상, 동력의 개수 등(일반적으로 동력차, 객차, 화차)

 

(1) 견인동력의 유무 : 동력차와 기타
※ 동력차 : 원동기를 가지고 단독(동력차) 또는 자기 이외의 차량과 연결되어 운전되는 차량(제어차와 부수차)으로 기관차, 전동차, 내연동차 및 동력화차의 총칭

 

(2) 에너지 원에 따른 분류 : 전기차, 디젤차 등

(3) 수송대상에 따른 분류 : 여객차 및 화물차

 

(4) 동력집중식과 동력분산식
1) 동력집중식
- 기관차가 동력을 가지지 않은 여객차나 화물차를 견인

- 견인하는 여객차 및 화물차의 개수를 필요에 따라 융통성 있게 연결 및 분리하여 사용할 수 있어 사용 효율성이 높음
- 여객차 및 화물차의 구조를 간단히 할 수 있는 이점
- 원동기의 수가 적으므로 유지보수의 노력이 적게 든다.

2) 동력분산식
- 여러 대의 여객차 밑부분에 엔진을 장착하여 열차 견인에 필요한 동력을 분산하는 방식
- 견인력을 높일 수 있어서 가속 성능을 높이고, 축중을 분산시키며, 전체적으로 견인력을 높일 수 있다.

- 전기제동을 사용하는 경우에 마찰 제동력의 부족을 보완하기에 용이

 

※ 동력집중식과 동력분산식의 장단점 비교
o 동력분산식의 장점
- 동륜(동력이 연결된 차륜)의 수가 많기 때문에 가속 성능이 높음
- 축중이 가벼워 선로에 미치는 영향이 적음
- 동력원의 분할 병합이 용이하여 기동성이 높음
- 기관차가 없으므로 열차의 길이가 짧고, 일부가 고장 나도 운행이 가능
o 동력분산식의 단점
- 상하에 동력장치가 있어 진동 및 소음으로 인하여 승차감 저하
- 동력장치의 수가 증가하여 차량의 코스트가 높음
- 화물열차와 겸용인 기관차보다 운용효율이 낮음

 

 

2. 디젤차

일정 회전수 이하에서는 운전이 불가능하여, 엔진과 동륜 또는 동축 또는 차축과는 직결하여 시동이 불가능하다. 디젤엔진의 출력이 회전수에 비례하여 직선상으로 증가하는 반면에 통상의 사용회전수 범위 내에서 회전수에 관계없이 토크가 일정하기 때문에 엔진과 동륜/동축에 동력을 원활하게 전달하는 장치가 필요하다.

 

(1) 기계식(기어식, 치차식)
- 엔진 출력을 클러치, 기어변속기, 추진축, 감속기, 동륜 등 기계적 방법으로 구동
- 기어식 자동차와 유사, 변속레버로 조작하여 단계적 변속하므로 운전에 숙련이 필요
- 기동/변속 시에 쇼크가 크고, 총괄제어가 곤란하여, 중련운용이나 편성운전에 부적합
- 100 ~ 200 hp 정도의 소형 산업용 기관차 이외에는 거의 사용하지 않는다.

 

(2) 액체식
- 엔진 출력을 액체변속기, 역전기구, 감속기, 동륜 등 기계적 방법으로 구동
- 운전이 원활하고, 중련운전이 가능하고, 액체의 압력을 이용하므로 기동 시에 엔진에 무리가 없으며, 충분한 토크를 얻는 것이 가능하며, 연속 변속도 가능
- 동력 전달 효율은 기계식에 비해서 떨어진다.
- 전기식에 비해서 중량이 가볍고, 제작비 저렴하여 광범위하게 사용

 

(3) 전기식
- 디젤엔진의 회전력으로 발전기를 돌려서 직류 또는 교류 전기를 얻고, 발생 전력을 견인전동기에 공급하여 동륜을 구동
- 엔진, 방전기, 전동기 등 중량 고가의 장치를 탑재, 차량의 중량이 무겁고, 제작비가 비싸다.
- 2,000 hp 이상의 대형 엔진의 사용이 가능(액체식은 대형 액체변속기 제작이 곤란), 총괄 제어도 용이한 장점
- 미국 특히 많이 사용, 우리나라도 미국 EMD의 디젤엔진을 탑재한 전기식 다수 사용

 

 

3. 전기차

 

(1) 직류차
- 전기회사 공급전류인 교류를 직류로 변환하는 정류기 등이 필요한 등 설비 구조 복잡
- 전압이 낮은 대신에 대전류가 흘러야 하고, 전압강하가 많게 되므로 변전설비의 설치간격을 짧게 해야 함
- 저전압 대전류를 감당하도록 직경이 큰 전선 및 이를 지지하기 위한 튼튼한 구조물 등 비용이 비싸지만, 차량측의 전기기기가 교류에 비하여 간단하고 가격도 저렴
- 주로 직류 600 ~ 3,000 V 사이, 우리나라 1,500 V
- 전차선에서 직류를 받아 직류전동기를 구동
- 주로 도시 내 구간(우리나라의 경우)

 

(2) 교류차
- 단상식(거의 사용되지 않음) : 정류기가 필요 없는 등 변전소의 설비나 전차선로의 구조가 직류식에 비하여 간단하므로 비용이 저렴하고, 전압강하가 적고, 전력손실이 적으므로 변전설비의 설치간격을 넓힐 수 있다. 차량의 전기장치가 복잡하게 되고, 유도장애가 일어나기 용이한 문제점 등
- 3상식(60Hz, 25kV) : 교류전기를 받아 차량 내에 탑재한 변압기에서 전압을 낮춘 후에 정류기에서 통해 직류로 변환하여 직류전동기를 돌려 주행하는 차량, 주로 도시 간 열차 및 수도권 KORAIL의 전동차

(3) 교직류 전기차
- 교류구간과 직류구간을 직통으로 운행이 가능하도록 전기기기를 갖추고, 직류와 교류구간이 바뀔 때마다 교직전환스위치를 통해 전동기를 구동하는 전기차
- 서울시 지하철 4호선, 남태령-선바위 구간 등

 

4. 여객차

원동기 및 총괄 제어장치를 가지지 않고 기관차에 의하여 견인되는 객차 및 원동기로 전동기(Motor)를 사용하는 전차식 전동차 및 제어차/부수차 및 원동기로 디젤엔진을 사용하는 디젤동차와 이에 연결된 제어차/부수차의 총칭

 

(1) 실내 구조와 설비
- 여유있는 공간, 승차감 좋은 좌석, 쾌적한 공기조화장치, 적절한 조명, 시야 확보가 좋은 창, 안전장치와 잘 연동시킨 출입문, 진동방지시설, 위생적이고 편리한 화장실 및 세면시설, 성능 좋은 방송시설 및 승객정보장치 등 기능을 충족하는 기기를 탑재하는 것을 의장이라 한다.

 

(2) 차체 구조
- 자중, 승객하중, 편성 시 전후로 걸릴 수 있는 압축력이나 인장력 등을 고려하는 구조
- 금속제의 골조와 외판으로 구성된 구조체로 구체라고 부른다.
- 강도, 강성, 외관, 의장 기능을 고려하기 위해서 설계 및 제작기술의 조화 필요

 

※ 모모코크 구조(monocoque construction) : 1912년 프랑스, 항공기 구조 형식
o 1943년 미국에서 구체의 구조로 채택
o 얇은 판을 골조로 보강하여, 경량화를 이루면서도 골조가 강도를 부담하는 구조
o 현대의 모든 철도차량의 구체 구조

 

(3) 경량화
- 선로에 걸리는 하중을 줄여 선로를 보호, 주행성능도 향상, 에너지 절약
- 속도향상, 쾌적성, 안전대책 등에 의해서 차량의 중량 증가
- 용접차도 이전의 리베트 차에 비해서 27 % 정도의 경량화
- 경량화 : 재료 대체(스테인리스 강 및 알루미늄, Composite 사용)
- 고가의 재료, 그러나, 작업공수 격감 및 작업시 환경영향 등을 고려하면서 대체
- 일반 철판의 경우에, 제작 말기에 구체 외부를 숕브라스트(shot blast : 대기오염 공정), 또한 도색이 필수
- 스테인리스 강판을 사용하는 경우에 도색의 필요 없으나, 강판을 골조에 용접한 곳이나 강판을 펴기 위하여 점용접(spot welding)한 부위의 표면처리 필요
- 알루미늄의 경우에 압출재 사용, 압출대의 최대 폭은 600 ~ 700 mm, 압출재의 생산에 대규모의 프레스 설비 필요(약 8,000 ton)
- 알루미늄의 경우, 원자재 그대로 사용 가능하고, 도색의 필요성 없음
- 강체 차체구조를 알루미늄으로 바꿀 경우 200 kg/m 정도 경량화 효과
- 복합재료(Composite)에 의한 구체 구조도 조만간 실용화 전망

 

 

5. 화물차

 

(1) 유개화차(有蓋貨車)
- 통상 상자형 강구조로 지붕이 있는 화차
- 비바람에 노출되어서는 곤란한 화물의 수송용

 

(2) 무개화차(無蓋貨車)
- 비바람에 노출되어도 지장이 없는 화물
- 특히 길거나 부피가 큰 화물
- 화물의 종류에 따라 다양한 형태

 

(3) 특수용도 화차
- 호퍼(Hopper) 화차 : 분말형태의 화물, Tank 화차 : 화물 종류에 따라
- 컨테이너 화차, 자동차 전용 화차, 냉동(장)화차 등

 

6. 차량한계(Rolling Stock Gauge, Car Gage, Vehicle Gage)

- 차량단면형상의 최대 치수
- 열차가 직선궤도에서 똑바로 선 위치에 정지할 때를 기준
- 철도차량이 안전하게 주행하기 위해서 건축물이나 지상시설이 어떠한 경우에도 철도차량과 접촉하지 않게 하기 위한 목적
- 차량한계는 노선의 등급과 무관하게 일정
- 곡선부에서의 편기는 건축한계와 마찬가지로 확대(50,000/R mm)
- 철도운영기관에서 건설 및 운영의 경제성 등을 고려하여 결정
(차량한계/건축한계가 다른 국가나 지역 간의 열차 교환은 면밀한 검토 필요)

 

7. 제동시스템

 

(1) 답면제동장치

(2) 디스크제동장치

- 5 ~ 8 kgf/cm2의 압력
- 차륜의 답면 형상과 무관
- 마찰면을 크게 할 수 있다. (열발산, 열응력 등에 유리)
- 제동부하가 많은 철도차량에 많이 시용된다.

 

(3) 전기제동

- 견인전동기를 제동 시에 발전기로 변환
- 생성된 전기를 저항기에 보내 열로 방출 : 발전제동
- 생선된 전기를 전차선을 통해 지상 변전소 또는 다른 차량에 전달 : 회생제동

 

※ 마찰계수 : 속도 및 주위 환경(습도, 온도, 이물질 등)에 따라 변한다.

 

 

8. 탈선

- 타오르기 탈선 : 차륜 플랜지가 레일을 타오르거나 미끄러져 올라가면서 탈선, 곡선부
- 튀어오르기 탈선 : 차륜 플랜지가 레일에 충돌하는 힘으로 차륜이 튀어오르면서 탈선, 주로 고속주행 시

 

 

9. 점착 및 점착계수

- 주행과 제동 : 차륜답면과 레일접촉면과의 마찰력 ---> 점착 or 점착력
- 구동력 > 점착력 : ① 제동시 활주(skid) ② 기동시 또는 가속시 공전(slip)
- 점착계수(μ)는 변한다(물, 기름, 먼지, 녹, 또한 속도).
- 살사법 : 점착계수를 일시적으로 증가시키지만 접촉면을 손상시키는 결점

 

 

10. 견인력

- 동륜을 회전시켜 차륜과 레일 사이의 마찰력에 의해서 추진력을 얻고, 이 추진력을 견인력이라 한다.
- 축 수를 증가시키면 차량의 무게를 전체적으로 높일 수 있다.
- 차량의 중량을 증가시키면 견인력을 증가시킬 수 있다.

 

 

11. 열차의 속도

- 최고운전속도 : 영업운전 시의 최고속도
- 균형속도 : 견인력과 열차저항이 같아지는 속도로 더 이상 속도를 증가시킬 수 없다.
- 평균속도 : 일정한 속도로 주행하였다고 가정한 속도(거리/주행 소요시간)
- 표정속도 : 도중에 정차하는 시간을 포함한 평균속도(거리/도착에 필요한 시간)

- 표정속도의 향상이 중요
- 정차시분의 단축 및 정차 역의 수를 줄임
- 통근열차의 경우 가속도, 감속도를 높여야 함