철도차량 속도향상의 기술적 제약요인

철도차량의 기술적인 측면에서 볼 때 이론적 속도 한계는 다음의 하드웨어적 요소에 의해 결정된다.

 

1. 역행성능

견인력이 열차저항(주행저항, 구배저항, 곡선저항 등)보다 크지 않으면 열차는 가속할 수 없다. 따라서 속도를 높이기 위해 차량의 출력을 증가시킬 수는 있으나 비용 증가뿐만 아니라, 물리적 측면에서 동력장치당 출력 및 기기 배치를 위한 공간상의 제약이 따른다. 한편 견인력의 증가도 차륜의 슬립 및 최대점착력에 의해 제약된다. 점착계수는 열차속도에 따라 점차 감소하는 특성을 갖으며, 열차저항은 속도에 따라 증가(공기저항은 속도의 제곱에 비례)한다. 결국 열차저항과 최대점착력이 균형을 이룰 때가 속도의 한계가 된다.

 

2. 제동성능

속도증가에 앞서 전제되어야 하는 것은 안전한 정지능력이다. 따라서 안전 측면에서 볼 때 제동거리는 짧게 하는 것이 좋으나, 차륜 플랜지에서 발생하는 제동력이 차륜과 레일 간의 최대점착력을 초과하면 슬립이 발생할 뿐만 아니라 차륜 답면을 손상시키므로 제동력을 증가시키는데 한계가 있다.

결국 차륜과 레일간 점착을 이용한 제동방식에 있어 점착 성능을 높이는 것이 제동성능 향상의 관건이 된다. 또한 제동성능은 신호시스템 구성의 기초가 된다. 따라서 속도향상을 위해서는 제동성능 향상과 함께 신호시스템 측면도 고려할 필요가 있다.

 

3. 주행안정성

철도차량의 윤축은 한쌍의 좌우 차륜으로 구성되며, 답면 구배로 인해 윤축 중심이 레일 중심에서 벗어나면 레일중심에서 멀어진 쪽의 차륜에서 윤축을 레일 중심으로 향하게 하는 복원력이 발생하고 주행속도가 증가하면서 이 힘의 반복 작용에 의해 대차의 횡방향 진동이 시작되는데, 속도가 더욱 증가되면 상당 댐핑력이 저하되어 주기적인 횡진동이 지속적으로 나타나게 된다. 이러한 운동은 차량의 진행운동과 합쳐져 정현파 형상으로 나타난다. 이 운동을 Hunting Motion이라고 부르며, 뱀이 기어가는 형태와 비슷하므로 사행동(Snake Motion)이라고도 한다. 사행동은 승차감의 저하는 물론 궤도를 파괴하여 탈선을 일으키기도 한다.

사행동이 발생할 때의 열차 속도를 사행동 임계속도라 하며, 차량이 안전하게 달릴 수 있는 이론적 한계속도가 된다.

이러한 사행동의 원인이 되는 윤중과 횡압의 변동은 차륜과 레일 간의 상호작용에 의해 발생하므로 속도 향상을 위해서는 적절한 캔트와 완화곡선의 설정 및 궤도틀림의 감소를 통해 궤도구조를 개선하고 차량의 제원을 적절하게 설정할 필요가 있다.

곡선통과 시 원심력에 의해 제한되는 곡선통과속도는 곡선반경에 의해 제한되나, 캔트, 캔트 부족량 및 완화곡선 길이 간의 관계를 적절하게 설정함으로써 주행 안정성과 승차감을 저하시키지 않는 범위에서 곡선통과속도를 높일 수 있다.

 

4. 집전성능

전기철도차량의 집전성능은 차량과 가선 간의 상호작용에 의해 결정된다. 팬터그래프와 가선은 하나의 진동계를 구성하며, 고속주행 시에 팬터그래프의 추종성이 떨어지면 스파크가 발생한다. 극단적인 경우 전력공급이 끊어질 수도 있다. 속도 향상을 위해서는 팬터그래프와 가선을 하나의 시스템으로 다루어야 하며, 안정된 집전을 보장하는 집전시스템이 요구된다.

 

5. 열차제어

선로상을 주행하는 차량들의 속도와 열차 간격을 제어해주는 것이 열차제어 시스템이다. 앞에서 설명한 바와 같이 제동성능 향상을 통해 속도 향상을 도모하는 경우, 제동성능과 열차제어 시스템을 일체로 하여 개선이 이루어져야 한다.

주행하는 열차의 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하므로, 충돌 시 그 피해 또한 속도의 제곱에 비례한다고 볼 수 있다. 결국 고속화를 위해서는 열차제어 시스템의 성능 향상이 병행되어야 한다.

이외에 소프트웨어 측면에서의 제한요인으로는 승차감, 소음 등 환경기준 및 관련 법규 등이 있다.