철도차량 사행동 방지와 곡선통과 성능

 

1. 사행동

좌우의 차륜으로 결합되어 일체로 되어 있는 철도차량의 윤축에서는 곡선통과를 원활하게 하기 위하여 답면에 구배가 있다. 좌우 차륜의 회전속도는 같기 때문에 좌우의 차륜에 직경 차가 생기도록 만들어져 있다. 이 차륜을 직선의 레일 상에서 굴리면 좌우의 직경차 때문에 윤축이 일정한 파장으로 좌우에 정현파(사인파 : sine wave)를 그리며 사행을 하면서 나간다. 이것이 사행동이다.

사행동의 종류에는 윤축사행동과 대차사행동으로 분류할 수 있는데 차륜답면구배가 작고, 좌우레일간 거리와 차륜반경이 크면 사행동파장은 커진다.

 

(1) 윤축사행동

1조의 윤축의 사행동을 1축 사행동이라 하고, 파장(波長)은 궤간과 차륜경에 비례하고, 답면구배(기울기)에 반비례한다. 사행동의 움직임은 좌우 진동과 무게중심 주위에 좌우의 차륜이 번갈아 전후 진동으로 된다. 사행동 파장은 전동차에서 약 14m로 일정하나 속도가 높아지면 이들의 진동수는 높아진다.

윤축은 대차나 차체의 전후·좌우에 휨(deflection)이나 공극을 갖고 고정되어 있다. 휨이나 공극의 스프링 정수와 윤축의 질량과 선회의 관성 모멘트의 값에 따라 차가 있으나 일정 속도 이상에서 사행동은 불안정해져 안정한계속도에 달한다. 따라서 차량의 운전속도는 안정한계속도를 피하지 않으면 안된다. 안정한계속도를 높이려면 사행동 파장을 길게 하여, 윤축을 고정하고 있는 스프링 정수와 윤축의 질량과 선회모멘트에 의해 결정되는 좌우와 선회의 고유진동수를 크게 하면 된다.

 

사행동

 

(2) 대차 사행동

2축을 고정한 대차의 경우도 같은 현상이 생겨 대차사행동이라고 한다. 그 파장은 대차를 구성하는 윤축의 1축 파장에 비례하고, 축거에 비례하고, 궤간에 반비례한다. 재래선 전차의 경우 대차사행동 파장은 약 30m이다. 대차의 사행동도 일정한 속도 이상에서 불안정해지고, 안정한계속도는 대차사행동 파장과 대차와 차체 간의 지지계(支持系)의 스프링 정수와 대차의 질량 및 선회의 관성 모멘트로 결정되는 좌우와 선회의 고유진동수에 의해 결정된다.

 

 

2. 곡선통과성능

곡선통과 시 차륜이 레일에 주는 횡압을 작게 하고,, 차량이 곡선을 부드럽게 선회하기 위해서 곡선 외측차륜이 내측차륜보다 레일 길이만큼 충분히 진행하여 윤축의 선회각이 0이 되어 차륜이 곡선접선방향으로 향한 것이 좋다. 따라서 곡선을 부드럽게 선회하기 위해서는 답면을 크게 하여 차륜반경과 레일길이 비가 같도록 하고, 또한 윤축과 대차가 곡선을 선회하기 쉽게 윤축과 대차, 대차와 차체 간의 결합을 약하게 하는 것이 좋다.

 

(1) 사행동 방지책

사행동이 발생하면 승차감을 저하시켜 불안정영역에 들어가면 탈선의 위험성이 생기기 때문에, 1축 사행동이나 대차사행동의 안전한계속도는 운전 최고속도보다 높게 되도록 설계되고 있다.

사행동 방지를 목적으로 사행동 파장을 크게 하기 위해서는 기본적으로는

① 차륜경을 크게 한다.

② 축거를 크게 한다.

③ 차륜답면 구배를 적게 한다.

④ 축상의 전후 좌우의 지지강성을 크게 한다.

⑤ 대차의 선회(旋回) 저항을 크게 한다.

 

(2) 곡선통과 성능의 상반성

사행동과 곡선통과 성능은 서로 상반된 성능을 요구하고 있다. 기존선에서는 곡선반경이 작아 사행동을 중시하였지만 열차가 고속화가 됨에 따라 곡선반경도 커지고 기술이 발전하면서 곡선도 부드럽게 선회하고 횡압도 작게 하여 마모도 줄이고, 쾌적한 승차감을 제공하고 있다.