철도차량 진동 및 방지대책

□ 차량 진동의 종류

차체 운동에는 3축 방향(x, y, z)의 병렬운동과 3축 돌기의 회전운동이 있다.

1. 병렬운동 - 상하동(上下動), 좌우동(左右動), 전후동(前後動)

2. 회전운동 - 전후축 돌기의 회전 : 롤링(Rolling), 좌우축 돌기의 회전 : 피칭(pitching), 상하축 돌기의 회전 : 요잉(yawing)

 

철도차량의 운동방향과 종류

 

 

□ 차량 진동의 발생요인

차량의 진동은 궤도에서 받는 외란(外亂)으로서의 진동이나 충격(衝擊)이 주요원인이지만, 사행동(蛇行動)과 같은 차량의 기본 특성에서 발생하는 진동이나 충격도 영향이 크다.

 

1. 선로에 의한 진동과 충격

① 레일면의 불연속(不連續) : 레일의 이음매, 분기기(分機器), 파상마모(波狀磨耗) 등

② 궤도틀림 : 면틀림(上下方向) 줄틀림(左右方向), 레일의 좌우 높이틀림, 궤간틀림 등

③ 궤도곡율변화 : 곡율틀림, 캔트의 과부족, 완화곡선, 분기곡선 등이 있다.

 

2. 차량의 특성에 의한 진동

① 차륜 또는 대차의 사행동(蛇行動) : 자려진동(自勵振動)이다.

② 차량탑재 기기에 의한 진동 : 디젤기관이나 공기압축기 등이다.

③ 연결 시 및 기동·브레이크시의 충격

④ 차체의 휨에 의한 진동 : 주로 상하의 휨이나 비틀림

 

 

□ 차체지지 및 연결방식의 구성

2개의 레일 위를 주행하는 차량은 좌우의 차륜을 1개의 차축에 압입한 일체윤축(一體輪軸)을 사용하여 스프링을 거쳐서 차체를 지지하고 있다. 곡선을 통과하기 위해 차륜답면에는 기울기(구배)가 있어 사행동의 원인이 된다. 차량중량이 증가하면 윤중이 증가하기 때문에 복수(複數)의 윤축을 장착한 대차를 쓰는 경우가 많다. 레일의 각종 틀림에 의한 진동이나 충격을 흡수하기 위하여 윤축과 대차, 대차와 차체 사이에는 스프링을 삽입하고 있으나, 이들의 각부의 휨이 차량자체의 각 방향의 운동을 허용하는 것이 된다.

차량의 가속이나 감속은 차륜과 레일 간의 점착력(粘着力)을 이용하여 차량 간은 연결기로 연결하고 있기 때문에 힘(力)의 변화나 힘의 전달 위치의 차(差)가 진동이나 충격의 원인이 된다.

 

 

□ 차량 상하(수직)진동 방지

1. 상하진동 대책

레일면의 불연속(不連續)이나 고저틀림이 차량의 상하진동이나 충격의 주요 원인이 된다. 레일의 정비 기준에는 일정한 한도를 마련하고 있으나, 한도 내에서 발생하는 진동이나 충격을 흡수하거나 완충하기 위하여, 윤축에 장착한 1차 스프링계와 대차에 장착한 2차 스프링계가 있다. 스프링에는 코일 스프링이나 판(板)스프링, 또는 공기스프링이 쓰이며, 방진(防振)고무나 오일댐퍼가 병용되는 경우가 많다. 차체의 경량화에 의해, 굽힘강성이 저하하여 상하(上下)진동을 발생할 경우가 있으며, 차체의 구조설계에 모노코크 구조를 채용하고 또 궤도와의 공진점(共振点)을 피하도록 하고 있다.

 

2. 피칭 대책

주로 힘의 작용 위치와 전달 위치의 고저차(高低差)가 대차 피칭이나 차체 피칭을 발생하는 경우가 많기 때문에 힘의 전달 위치를 레일에 근접시키는 연구를 하고 있다. 또 차륜이나 브레이크 디스크의 회전 언밸런스가 피칭의 원인이 되기 때문에 회전운동 밸런스를 조정하고 있다.

 

 

□ 차량 좌우(횡)진동 방지

레일의 줄틀림이 주요 원인이지만 차량 자체의 사행동도 큰 요인으로 되어있다. 레일의 줄틀림이나 레일고저틀림도 일정한 한도 내로 보수하고 있으나, 한도 내의 틀림에서도 진동이 있고 차량 자체의 진동대책과 종합하여 여러 가지 대책을 강구하고 있다. 또 최근 액티브(active)제어도 시작되고 있다.

 

1. 좌우(횡)진동대책

좌우진동대책은 사행동방지가 주요 원인이다.. 축거(軸距)를 길게 하거나, 답면구배를 완만하게 하는 등의 기본설계 외에 측수지지나 오일댐퍼를 써서 사행동 방지를 꾀하고 있다. 레일의 틀림에 대하여는 축상의 좌우지지에 고무 등을 써서 강성(剛性)을 적절히 선정하고, 또 2차 스프링계에서는 스윙 볼스터나 공기스프링의 횡강성(橫剛性)의 선정으로 좌우동요를 완충하고 있다.

 

2. 롤링대책(Rolling)

롤링의 센터가 레일 면에서 높은 곳에 있는 상심(上心) 롤링은 승차감이 나쁘다. 대책으로서 대차에 앤티롤링장치, 연결한 차체 간에 침목(枕木)방향에 오일댐퍼를 마련한 차간(車間)댐퍼장치를 사용하는 예가 많다.

 

3. 요잉대책(yawing)

차간(車間)댐퍼는 요잉방지가 주목적이지만 요잉에는 현저한 효과는 없고, 최근에는 차간에 오일댐퍼를 레일방향에 장착한 차간요댐퍼장치가 효과를 올리고 있다. 유럽에서는 현재도 사용되고 있는 연결장치의 차단(車端)댐퍼는 이 효과를 갖고 있다.

 

 

□ 차량 전후진동 방지

대차의 피칭은 전후 진동으로 되며 전후진동이나 충격의 대부분은 연결기나 가감속도의 변동에 의하여 발생하고 있다. 연결기에는 불완충 영역(不緩衝領域)이 있으나 최근에는 완충기를 2중으로 하여 불감대(不感帶)가 없는 연결기가 사용되고 있다. 가감속도의 변동은 특히 브레이크 체결 시에 많이 발생하고 있다. 저크(Jerk) 제어를 채용하고 있는 차량도 있다.

 

 

□ 승차감 관리

철도차량의 승차감을 관리하기 위하여 항상 차량 진동을 감시하고 선로의 정비를 하고 있다. 차량자체의 관리는 아직 충분하지는 못하다.

 

 

□ 차량운동시뮬레이션

차량운동은 승차감이나 주행 안정성에 중요한 요소라 하겠다. 최적치(最適値)의 선정에는 차량시험대가 쓰여지고, 대부분 컴퓨터 시뮬레이션이 시행되고 있다. 운동시뮬레이션은 철도차량 전용 동특성 해석 프로그램인 영국의 VAMPIRE, 독일의 SIMPACK, 미국의 NUCARS 및 ADAMS-Rail 등이 있다.