전기철도 점착력

왜 배우는가: 전기철도 점착력은 차량이 레일 위에서 미끄러지지 않고 견인력과 제동력을 전달하는 근원이므로, 설계와 운전 안전의 기초가 된다. 점착계수와 점착 한계는 가속·제동 성능과 고속철도 운전 조건을 좌우하여 1교시 용어 문제와 3·4교시 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제115회 3교시 2번, 제97회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장은 다음과 같이 쓴다.

점착력은 구동륜과 레일 접촉면 사이의 마찰에 의해 차륜이 레일에 맞물려 견인력·제동력을 전달하는 힘이다.

핵심 키워드

• 점착력(adhesion force)
• 점착계수(adhesion coefficient, 점착력을 수직 하중으로 나눈 값)
• 정지 마찰과 동적 마찰
• 미끄럼(wheel slip)과 헛돌기(wheel spin)
• 축중(axle load)과 마찰계수
• 저점착(low adhesion)
• 휠 슬라이드 보호장치(WSP)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 기차가 레일 위에서 바퀴를 굴려 나아갈 수 있는 것은 바퀴와 레일이 서로 붙잡고 있기 때문이다. 이 붙잡는 힘이 점착력이다. 구동 바퀴가 레일을 밀어내는 힘보다 점착력이 크면 바퀴는 미끄러지지 않고 차량이 앞으로 나간다.

정식 정의는 다음과 같다. 점착철도(adhesion railway)는 구동륜과 강재 레일 사이의 마찰력인 점착 견인력에 의해 열차를 움직이는 철도다. 전기철도의 대부분이 이 방식이며, 치차식이나 케이블식과 구분할 때 이 용어를 쓴다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

점착력은 구동 바퀴와 레일 접촉면에서 생기는 마찰 기반의 최대 전달력이다. 마찰에 의해 생기므로 미끄러지기 전에 바퀴가 낼 수 있는 상한이 정해진다.

점착계수는 점착력을 차륜 수직 하중(휠 무게)으로 나눈 무차원 값이다. 이 값이 클수록 같은 하중에서 더 큰 견인력과 제동력을 쓸 수 있다.

정지 마찰과 동적 마찰은 미끄럼 시작 전과 미끄럼 진행 중의 마찰을 구분한다. 미끄럼을 시작하는 데 필요한 힘이 계속 미끄러지는 데 필요한 힘보다 크므로, 바퀴가 한 번 미끄러지면 점착력이 급격히 떨어진다.

최대 점착력의 기본식은 다음과 같다.

$F_{max} = \mu \times W$

여기서 F_{max}는 최대 점착력(N), \mu는 점착계수(무차원, 마찰계수), W는 구동 바퀴에 걸리는 수직 하중(N)이다. 같은 축중이라도 레일 상태에 따라 \mu가 크게 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

철도는 바퀴와 레일의 접촉 면적이 매우 작아 견인력을 바퀴 마찰에만 의존한다. 차량이 무거워지고 속도가 올라갈수록 필요한 견인력과 제동력이 커지는데, 점착력이 이를 감당하지 못하면 헛돌기와 활주가 일어난다. 그래서 점착 한계를 파악하고 관리하는 일이 철도 설계의 출발점이 되었다.

전기철도가 도입되면서 전동기의 토크를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있게 되었다. 제어 성능이 좋아질수록 점착 한계에 가까운 운전이 가능해졌지만, 그만큼 바퀴가 미끄러질 위험도 함께 커졌다. 따라서 점착력의 원리와 점착계수를 높이는 방법을 이해하는 것이 전기철도 운전과 설계에 필요하다.

또한 레일 표면 상태가 점착에 큰 영향을 준다. 레일이 젖거나 서리가 내리거나, 기름과 낙엽 분해물로 오염되면 마찰이 떨어져 견인력이 줄어든다. 이런 저점착 조건에서 차륜 활주 방지 장치와 모래 살포 같은 대응이 필요해졌고, 이는 점착 관리가 운전 안전 문제와 직접 이어진다는 뜻이다.

4. 구성요소·원리·절차

전기철도 점착력은 구동륜이 레일을 밀어 얻는 마찰 견인력이다. 차량이 가속하거나 제동할 때 레일과 차륜 접촉면에서 생기는 접선력의 한계가 곧 점착력이다. 점착력은 점착계수와 동륜 중량의 곱으로 나타낸다.

$F_{max} = \mu \times W$

F_{max}: 최대 점착력(N), \mu: 점착계수(무차원), W: 동륜 중량(N). 점착계수는 차륜과 레일 사이 마찰계수로 보며, 건조한 강재 접촉에서 일반 철도 조건은 관련 기준이 정한 범위로 알려져 있다. 극한 조건에서는 0.05 수준까지 낮아진다.

표의 구성요소는 구동 토크가 레일 접선력으로 바뀌는 경로다. 동륜 중량이 클수록 수직력이 커져 같은 \mu에서도 최대 점착력이 증가한다.

원리는 다음과 같다. 구동 토크가 동륜 접촉점에 접선력을 만들고, 이 힘이 정지마찰 한계 안에 있으면 바퀴는 구름 운동을 한다. 한계를 넘으면 바퀴가 미끄러져 공전하거나 활주한다. 정지마찰은 미끄럼 마찰보다 커서 출발 시 점착 여유가 가장 크다. 견인력은 점착 한계 \mu W를 넘을 수 없다.

절차는 다음과 같다.

• 운전 지령에 따라 구동 토크를 주전동기에서 발생시킨다.
• 토크가 동륜 접촉점에서 접선력으로 변환된다.
• 접선력과 \mu W를 비교하여 여유를 판단한다.
• 공전이 감지되면 토크를 줄이고 재점착을 시도한다.
• 제동 시에도 같은 한계로 활주 여부를 판단하여 제동력을 조절한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기철도 점착력은 법령이 정한 수치보다 설계·운전 기준과 시험 결과로 관리한다. 대표 기준값을 아래 표에 정리한다.

표의 값은 점착계수의 조건별 범위를 보여준다. 설계에서는 운전 조건에 따라 정상 범위의 하한을 기준으로 견인력을 정한다.

관련 법규로는 「철도의 건설 및 철도시설 유지관리에 관한 법률」과 「철도차량 기술기준」이 있다. 차량의 제동·견인 성능은 이 기준을 따른다. 점착 관련 세부 시험 방법은 철도 차량 제작사와 발주처의 기술 사양이 정한다.

점착 저하 요인은 레일 젖음, 낙엽 부패물, 서리, 그리스·기름 오염이다. 이들은 레일 두부의 마찰계수를 낮춘다. 모래 살포는 점착을 높이는 대표 수단이다.

6. 유형과 비교

점착력을 이용하는 방식은 차량의 구동·제동 방식과 궤도 조건에 따라 나뉜다. 전기철도에서 가장 많이 쓰는 방식은 점착식이다. 점착식 철도는 구동륜과 레일 사이의 마찰에 의존하므로 점착력의 한계가 곧 견인력과 제동력의 한계가 된다.