철도차량 차륜과 레일의 최적화

차륜과 레일

 

차륜과 레일의 수명과 철도안전을 증가시키기 위해서는 차륜과 레일 인터페이스 문제에 대하여 설계단계에서부터 최적화가 필요하며, 이를 통한 차륜과 레일의 마모 제어, 수명 증대, 유지보수비용 및 교체비용을 최소화하는 것이다.

차륜과 레일 인터페이스 문제를 해결할 수 있는 신속하고 단순한 방법은 없지만, 접촉면에서 발생하는 각종 접촉응력을 제어하고 최소화하는 방법은 있다. 차륜과 레일이 접촉할 때 발생하는 여러 가지 설계변수들 사이의 이점들만을 시스템 측면에서 극대화시켜서 차륜과 레일의 손상을 최소화시키는 것이다.

차륜과 레일 인터페이스 최적화는 60개 이상의 관련 설계변수로 구성된 시스템 구성요소들의 철저한 분석과 검토를 통해서 구현된다.

궤도측면에서 보면 침목, 체결구, 레일 재질 및 기하학적 형상, 유지보수계획 및 윤활 여부 등이며, 차량측면에 있어서는 대차특성, 유지보수계획, 차륜 재질, 형상 및 삭정 주기 등이다. 또한 축중, 속도, 감가속성능 등과 같은 전체적인 사용환경 및 운행변수 역시 검토되어야 한다. 차륜과 레일 인터페이스 최적화는 한가지 설계변수를 개선하여 다른 부분의 성능이 저하되지 않도록 여러 가지 다양한 설계변수들의 개별영향도 고려하고, 개별변수를 변화시켜서 얻는 효과보다도 2∼3가지 변수를 동시에 변화시켜서 상승효과를 얻는 접근방법이다.

 

차륜과 레일 표면에서 크랙이 생성되어 표면하층으로 전파되는 피로크랙은 때에 따라 쉘이 되고, 이를 방치하면 차륜과 레일의 건전성을 손상시키게 된다. 차륜과 레일 인터페이스 최적화를 달성하기 위해서 접촉역학, 마찰력 제어, 차륜과 레일 재질, 차륜과 레일 동역학 등으로 크게 4개 분야로 구분해 볼 수 있다.

 

1. 접촉역학

접촉응력, 접촉기하학, 마모, 차륜과 레일 접촉면의 크리퍼지 사이의 관계 등의 접촉역학 분야는 철도분야에서는 비교적 새로운 분야이다. 차륜과 레일 인터페이스에서 발생하는 접촉응력을 제거할 수는 없지만, 차륜과 레일의 형상 변경, 접촉 패취의 위치 및 크기와 같은 접촉기하학을 개선함으로써 접촉응력, 크리퍼지, 소성유동, 마모 및 피로 등을 제어할 수 있다.

차륜과 레일 접촉력 변화에 따라 크리퍼지×크리이프하중의 크기가 변화하며, 크리퍼지×크리이프하중의 크기에 가혹마모, 천이마모, 정상마모로 구분된다. 가혹한 마모상태는 사용수명을 매우 크게 줄이지만, 불충분한 마모상태는 크랙을 생성 및 전파시켜 피로파괴에 도달하도록 한다. 최적마모율은 피로와 마모가 균형을 이루는 것이다. 최적마모율은 금속표면의 미세한 피로크랙 전파로 인해서 피로파괴가 초래하지 않도록 금속표면의 미세한 크랙이 사전에 제거되어 억제되는 마모상태를 말한다. 즉, 경제삭정개념(빈번한 가벼운 삭정의 조합)으로 차륜과 레일 삭정을 하면 일반적으로 이와 같은 최적조건을 얻을 수 있다. 모든 차륜과 레일 시스템은 각각의 고유한 최적마모율을 가지는 반면에 그 값들은 일정하지 않으며, 최적값은 재질의 경도, 평균접촉응력, 윤축조향성능, 마찰계수, 윤활의 효율성에 따라 변화한다.

 

2. 마찰력 제어

차륜과 레일 접촉면에서 마찰력 제어는 철도분야에서 가장 큰 도전이면서 가장 강력한 현실적인 수단이다. 마찰력은 마모, 접촉피로, 헌팅, 차륜소음, 찰상, 탈선에 있어 중요한 역할을 한다. 차륜과 레일 인터페이스에서 마찰력은 주로 접촉압력분포와 크리퍼지의 함수이지만, 가장 크게 영향을 주는 요소는 계면층 내에 존재하는 잔류윤활물질(차륜, 레일 마모입자), 환경오염물질(모래, 먼지 등), 습기 등의 혼합물이다. 계면층 내의 중간매개물질들의 양은 접촉위치 및 시간에 따라 크게 변화한다. 이와 같은 경우에 차륜과 레일 인터페이스에서의 마찰력을 제어하는 유일한 방법은 특정한 마찰력을 가진 마찰력조절제를 첨가하는 것이다.

일반적으로 철도운영과 관계되는 마찰계수는 3가지 범주 즉, 저마찰계수 : fc≤0.2, 중간마찰계수 : 0.2≤fc≤0.4, 고마찰계수 fc≥0.4에 속하게 된다. 윤활하지 않은 경우에 레일 게이지 면과 차륜 플랜지 접촉 부분에서의 마찰 계수는 0.3∼0.6 사이가 되지만, 윤활유를 도포할 경우 게이지 면에서의 마찰계수는 0.15 이하로 줄일 수 있다. 반면에 레일두부상면에서는 점착력과 제동력을 확보하기 위해서 차륜 답면과 접촉하는 레일두부상면에서 0.2∼0.35 사이의 마찰계수를 유지하기 위해서 모래 등과 같은 마찰력 조절제를 사용하여 마찰력을 크게 증가시켜야 한다.

특히, 축거가 길고 현가장치가 매우 유연하지 않은 KTX 차량이 급곡선부를 주행함으로써 발생하는 차륜과 레일 인터페이스에서의 마찰력은 차륜 플랜지와 게이지 코너에서의 저마찰력에서부터 동력차의 차륜답면과 레일두부상면의 고마찰력까지 여러범위의 마찰력조건들을 만족시키기 위해서 허용가능한 마찰력을 관리 및 제어할 수 있어야 한다. 이를 위해서도 차륜, 레일 및 계면층에 존재하는 매개물질 등을 포함한 전체 시스템적인 측면에서 접근되어야 한다.

 

3. 차륜과 레일 재질

차륜과 레일의 금속학적 구조(미세구조, 화학적 조성 등)는 차륜과 레일 인터페이스 최적화 연구에 또 하나의 중요한 요소이며, 전반적인 차륜과 레일강의 강도, 연성, 파괴인성 등에 영향을 미치고 마모와 소성 유동 및 피로에 대한 내성에도 영향을 미친다. 접촉피로에 대한 저항, 미세파괴, 변형 및 마모는 경도와 파괴인성에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 그러나 이 두 가지 특성은 서로 반비례하므로 경도를 높이려면 파괴인성을 낮추어야 한다.

 

4. 차륜과 레일 동력학

차륜과 레일강의 품질 및 강도와 상관없이 레일과 차륜 형상이 적절히 조화를 이루지 못하거나 부적합하게 설계된 대차와 궤도는 여러가지 문제를 야기할 수 있다. 정지되어 있는 경우에 각 차륜은 차량하중을 균등하게 받는데 비해서, 운행중에는 대차의 현가장치가 차량하중을 고루 배분하여 동적 충격하중을 조절한다.

대차는 길이방향의 굽힘과 횡방향의 강성으로 인해서 대차는 윤축의 안정성을 유지하도록 되어 있다. 이상적으로 설계된 대차의 경우 차륜은 커브에서 자유롭게 움직여 플랜지 접촉을 최소화하지만, 일반적으로 대차는 일정한 공격각 없이는 곡선부를 통과할 수 없다. 특히, 잘못 조정된 대차는 곡선반경이 비교적 큰 곳에서도 플랜지 접촉이 발생하기 쉽다. 궁극적으로 조향성이 좋지 않으면 높은 횡압이 발생하고 과도한 차륜 및 레일의 마모를 야기할 수 있다. 그러나 차륜과 레일 동력학 수치해석 모델을 사용하여 설계하면 곡선 추종성을 최적화하고, 전반적인 승차감을 향상시킬 수 있는 대차와 철도 차량을 설계할 수 있다. 예를 들어 조향대차로 설계되면 윤축이 조향 모우멘트에 반응하여 레일과 같은 방향으로 접촉하도록 조절하여 공격각을 줄이게 된다. 결과적으로 조향대차는 차륜과 레일 사이의 크리퍼지를 줄이고 마모와 구름접촉피로를 최소화시킨다.

 

위의 4가지 방법들은 각각 부품의 수명을 늘리고 운행 효율을 증가시키는 것이다. 이들을 조합하면, 시스템의 전반적인 건전성과 시스템 안전성을 개선하는 차륜과 레일 인터페이스 최적화를 달성할 수 있다.