철도차량 제동성능 향상과 고속화

□ 고속화시 제동의 문제점

고속화에 따라 더 큰 견인력이 필요한 만큼 제동력도 증가시켜야 하며, 제동성능을 향상시키기 위해서는 점착계수 또는 윤중 W의 증가에 의해 점착력을 증가시켜야 한다. 그러나 각 선로에 따라 축중의 제한이 있으므로 W의 증가에는 한계가 있다. 따라서 점착계수 자체를 증가시키기 위한 여러가지 방법이 시도되어 왔으며, 공전과 활주를 검지하여 구동력과 제동력을 최대점착력 이내로 제어함으로써 점착력을 효과적으로 사용하려는 점착력 제어기술도 개발되어 왔다.

그럼에도 불구하고 점착계수는 속도에 따라 작아질 뿐만 아니라, 기후와 레일 표면 상태 등에 따라 그 차이가 심하므로 점착에 의존하는 기존 제동방식으로는 속도에 따른 안정된 제동력 확보가 곤란하고, 점착계수 증가에도 한계가 있다. 또한 현재 사용되고 있는 디스크 재질과 구조로는 더 이상 에너지 흡수율의 증가도 어려운 실정이다.

결국 기존 점착방식의 한계를 극복할 수 있는 새로운 제동방식이 필요하게 되었다. 독일 ICE/V에는 비상제동시 부족한 제동력을 Knorr Bremse AG사에서 개발한 와전류제동을 추가하여 해결하였으며, 360km/h의 최고영업속도를 목표로 개발했던 TGV-NG의 경우에도 최고운행속도가 300km/h인 기존 TGV의 제동방식으로는 목표제동거리 9000m와 3분 시격을 맞추는 것이 불가능하다고 판단하고 역시 Knorr Bremse AG사의 와전류제동을 채택하여 주행시험을 한 바 있다.

 

 

□ 제동성능 향상 방안

▷ 차륜/레일 간 점착력의 증대

점착계수를 증가시키기 위해서는 차륜과 레일간의 표면상태를 관리하여야 한다. 기존 신간선의 경우 차륜답면의 청정화를 위해 제동시 연마자를 분사하는 방법이 사용되고 있다. TGV의 경우는 일정속도 이하에서 답면제동이 작동함으로써 제동력의 분담과 함께 차륜답면을 청소하는 효과도 거두고 있다. 또한 차량에 살사장치가 있어 레일위에 모래를 뿌림으로써 점착력을 증대시키기도 한다.

이러한 제동 방식은 차륜답면에 붙어 있는 오염막을 제거하고 답면의 거칠어짐에 의해 레일면의 오염막도 파괴시켜 점착계수를 향상시킨다. 새로운 연마자 성분을 개발함으로써 경질입자를 답면에 부착시켜 차륜과 레일간 접촉면의 고체접촉면 증가에 의한 점착계수의 증대를 기할 수도 있다. 1983년 일본 583계 전동차의 경질연마자를 사용한 제동시험 결과, 평균 25%, 100 ~ 130 kph 영역에서 최대 45%의 점착계수 증대효과를 거둔 것으로 보고되었다.

그러나 이러한 증점착연마자의 사용은 차륜답면을 거칠게 하고 마모를 증가시키는 경향이 있으므로 답면에 이상마모가 발생하지 않도록 답면제륜자의 재질을 고려할 필요가 있다. 재륜자 재질에는 강철소결계, 합성계, 소결알미늄계 등이 있다. 효과적인 증점착연마자의 개발은 고속화를 위한 중요한 문제중의 하나라고 볼 수 있다.

 

▷ 점착력의 효율적 이용을 위한 고성능의 anti-slide control

차륜활주가 발생하면 점착계수가 급격히 저하되므로 제동거리가 증가할 뿐만 아니라, 차륜답면을 손상시켜 탈선의 원인이 되기도 한다.

점착력 제어란 점착력을 증가시키는 대신, anti-slide 기능을 통해 제동력을 최대점착력 이내로 제어하여 점착력을 최대로 이용하면서 차륜 또는 레일의 손상을 방지하는 기술을 말한다. 즉 제동 중 각 차륜의 속도를 비교하여 기준속도로부터 일정기준을 벗어나는 차륜에는 활주가 일어나는 것으로 간주하여 제동력을 일시적으로 감소시켜 재점착 제어를 행하는 제어방법이다.

신간선에는 제동을 차축마다 분산제어하는 방식이 사용되고 있다. 점착력제어에는 기계제동보다 신호처리가 용이하고 빠른 응답과 정밀한 제어가 가능한 전기제동이 유리하다. 이러한 재점착 제어 기술은 안정된 가감속도의 확보와 차륜과 레일의 손상을 최소화시킴으로써 열차속도 향상을 가능하게 해준다.

 

 

□ 비점착식 제동의 채택

비점착식 제동으로는 와전류제동이 있다. 차륜과 레일간의 점착에 의존하지 않으므로 이론상 제동력을 자유롭게 늘릴 수 있으나, 와전류에 의한 레일온도 상승의 문제점이 있어 제한을 받는다.

SNCF의 경우, 레일 온도상승 한계를 30°C 정도로 하고 있으며, TG를 가지고 여러가지 경우에 대해 시험을 실시한 결과, 최고 27°C까지 온도가 상승한 것으로 보고하고 있다.

신호장치에 미치는 영향은 계속된 연구에 의해 보완되어, DB와 SNCF에서도 큰 문제가 되지 않는 것으로 판단되었다.