철도차량의 곡선통과 성능향상 방안

철도차량 곡선 통과 모습

 

1. 곡선통과성능

직선에서의 대차 사행동 방지책에 관한 대차 설계의 원칙은 축간거리를 늘리고, 차륜경을 크게 하며 답면 구배를 적게 하는 것이다. 또한 차체 하중을 측수(側受)로 부담하여, 대차의 선회 저항을 크게 하고 있다. 또한, 좌우동 댐퍼를 설치하는 것이다. 이것은 일반적으로 대차를 대형화하여 스프링하질량을 크게 할 뿐만 아니라, 곡선 통과 시에 횡압을 증가시켜 궤도에 대한 차축의 각도(어택앵글)를 크게 한다. 그 때문에 차륜축의 플랜지는 직립마모가 극심해지고, 레일의 측면마모를 촉진한다.

또 캔트(cant) 상당 이상의 속도로 곡선을 통과하면, 차량의 중심이 외측으로 이동하여 바깥쪽 레일의 하중이 증가하여 소위 궤도파괴도 촉진된다. 이들의 결과, 직선에 있어서도 승차감을 악화시키는 요인이 된다. 또 완화곡선에서는 궤도의 평면도의 변화가 커지면, 4차륜이 3점 지지로 되어 타오르기 탈선의 우려가 생긴다.

지하철과 같은 급곡선에서는 차륜의 답면구배가 부족하여, 답면구배에 의한 직경차만으로는 매끄러운 선회를 못하고 내궤측에 슬립이 발생하여 그것이 트리거(trigger)로 되어 레일 콜게이션(파상마모)으로 발전하는 경우가 많은 것으로 밝혀졌다.

곡선통과 시에는 원심력이 발생하여 외측궤에서 전복할 염려가 생긴다. 이것을 방지하기 위하여 레일에는 캔트가 마련되어 있다. 적정한 캔트량은 열차속도에 따라서 변한다.

그러나 캔트를 속도에 따라서 변경할 수는 없기 때문에 일정량의 캔트 밖에 설정할 수 없다. 따라서 적정캔트 이상의 속도로 주행할 때는 캔트부족이 생겨 승객에게 초과 원심력이 걸려 승차감을 악화시킨다.

곡선 내에서 통과 흔들림 등에 의하여 초과 원심력에 진동가속도가 추가되면 같은 정도의 진동가속도일지라도 직선에서보다도 승차감이 나빠진다.

선로에 대한 곡선통과 성능은 고속화하여도 바깥쪽 레일의 횡압이나 하중이 커지지 않아야 한다.. 또 승차감 면에서는 고속화하여도 초과원심력이 허용되는 범위 내에 수용된 상태에서 주행할 수 있어야 한다.

 

2. 축중 횡압 경감방안

윤중·횡압경감은 사행동 방지방안과 반대의 시책이 효과적이다. 그러나 현실적으로 이것을 양립시킬 필요가 있으며, 대차 설계자의 기술력이 그 역량을 발휘하는 분야이다. 사행동 발생 속도는 열차의 최고속도를 초과하고 있지 않으면 안 되지만,, 될 수 있는 대로 낮게 설계하여 대차의 중량을 경량화하여 치수(특히 길이)를 작게 하는 것이 중요하다. 즉 축거를 짧게 차축경을 적게 하는 설계인 것이다. 또한 축상지지장치도 가능한 한 전후방향에 유연한 지지를 하고 자동적으로 조향작용이 생기도록 한다.

액티브한 조향인 조향대차도 횡압경감에 효과적으로, 일본에서도 사용하기 시작하였으며, 유럽에서는 비교적 많이 보급되고 있다.

곡선을 캔트 이상의 속도로 통과할 때의 윤중경감방안은 차량의 중심고를 낮게 하는 것이다. 이 때문에 차체의 상면고를 내리거나 쿨러 등의 지붕 위 장비의 기기를 차체프레임 하부로 배치하고 있다.

 

3. 승차감 개선

곡선통과 시의 초과원심력은 종래 0.08g를 적용하여 캔트 부족량을 설정하여 왔으나, 최근에 와서 초과원심력의 정상가속도와 선로의 통과 흔들림에서 오는 진동가속도를 분리하여 승차감을 평가하도록 되어 반드시 0.08g가 한도라고는 한정하지 않게 되었다.

진동가속도가 적으면 0.08g이상의 큰 초과 원심력이 허용된다. 즉 곡선 내에 있는 건널목과 같은 구조물과 바라스트 부분과의 경계에서는 불연속으로 되기 쉽고 곡선이 매끄럽게 되지 않는 경우가 많다. 이것을 고칠 수 있으면 곡선의 통과속도를 높게 하여도 승차감을 손상하는 일은 적다. 그렇지만 고속화하는 경우에는 진자(pendulum)방식이나 차체경사방식의 채용이 필요하다. 수송수요가 적은 선구(線區)에서 고속신선을 건설할 수 없는 경우에는 고속화의 유력한 수단으로 한국, 일본, 유럽에서도 최근 급속히 보급일로에 있다.

 

4. 제어진자차량

진자방식은 자연의 힘, 즉 원심력을 이용하고 있기 때문에 안전하지만 완화곡선이 짧으면 진동이 발생하여 승차감 개선이 불충분하다. 그래서 틸팅열차는 선로 데이터를 미리 컴퓨터에 입력하여 두고 곡선의 바로 직전에서 진자의 제어를 하면 승차감이 개선된다. 이것을 제어식 진자방식이라 부르고 있다.

진자방식은 차량주행에는 안전하지만 차체가 좌우로 동요하기 때문에 차내를 걷고 있는 여객들에게는 불편한 점이 생긴다. 유럽의 진자차량의 제어는 거의가 선두차에 탑재한 자이로(gyro)에 의하고 있다. 선두차량에서는 다소의 늦음은 있으나, 완화곡선이 길면 문제가 없다. 제어 진자차량에 조향대차(操舵臺車)를 채용한다면 승차감뿐만 아니라 선로에 미치는 영향도 적게 할 수가 있으며, 거기에 차체경사방식을 채용한다면 외궤측의 윤중도 적게 할 수가 있다.