궤도파괴

왜 배우는가: 궤도파괴는 열차의 안전과 승차감을 좌우하는 궤도 열화 현상이다. 유지보수 주기와 투자 우선순위를 정하는 기준이 되므로 파괴요인, 파괴이론, 경감방안을 묻는 문항으로 여러 회차에 걸쳐 출제되어 왔다.

출제 이력: 제136회 1교시 1번, 제130회 1교시 10번, 제121회 1교시 4번, 제120회 4교시 3번, 제117회 3교시 1번, 제108회 1교시 3번, 제101회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

궤도파괴는 열차 하중과 환경 작용으로 궤도의 지지 기능과 기하 상태가 허용 한도를 벗어나는 현상이다.

답안 첫 줄에는 위 정의 문장을 그대로 쓴다. 이어서 파괴가 일어나는 원인과 그 결과인 궤도틀림을 항목으로 나누면 된다. 궤도파괴는 한 번에 생기지 않고 반복 하중이 쌓이면서 진행되는 누적 현상이므로, 답안에 누적이라는 말을 함께 쓰면 개념이 분명해진다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 궤도파괴(Track Degradation)
• 궤도틀림(Track Irregularity)
• 궤도계수(Track Modulus)
• 도상 침하(Ballast Settlement)
• 궤간 확대
• 도상저항력
• 윤중
• 궤도 내구성

궤도계수와 도상저항력은 궤도 구조의 강성과 횡방향 안정을 나타내므로, 파괴계수와 경감방안을 묻는 문항에서 함께 쓰인다. 키워드는 답안의 항목 제목과 맞춰 쓰면 채점자가 해당 내용을 바로 찾을 수 있다.

2. 개념 풀이

궤도는 열차가 달리는 길이다. 레일은 차륜의 하중을 직접 받고, 침목은 레일 간격을 유지하며, 도상은 하중을 넓게 나누어 노반에 전달한다. 이 구조가 반복 하중으로 약해지고 어긋나는 현상을 궤도파괴라 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 궤도파괴는 레일, 침목, 도상, 체결장치, 노반으로 이루어진 궤도가 열차 하중과 기상 작용을 받아 변형, 마모, 침하하고, 그 결과 궤간, 수준, 평면성 등 기하 상태와 지지 능력이 저하되는 현상이다.

궤도파괴의 핵심 용어는 세 가지로 정리한다.

궤도틀림은 궤도의 기하 상태가 기준에서 벗어난 상태를 말한다. 궤간, 수준, 평면성, 줄 틀림 등으로 나타나며 궤도파괴가 외형으로 드러난 결과다.

도상 침하는 열차 하중으로 도상 자갈이 다져지거나 부서지고 이동하여 침목 아래 지지면이 가라앉는 현상이다. 도상 침하가 생기면 침목의 지지가 고르지 않게 되어 궤도틀림이 빠르게 진행된다.

궤도계수는 레일이 받는 하중에 대한 처짐의 비율로, 궤도의 지지 강성을 나타내는 값이다. 윈클러 모델에서 다음 식으로 정의한다.

$u = P / (y×a)$

여기서 u는 궤도계수(N/mm²), P는 윤중(N), y는 레일 처짐(mm), a는 침목 간격(mm)이다. 궤도계수는 윤중을 레일 처짐과 침목 간격의 곱으로 나눈 값으로 정의한다. 국내 본선의 침목 간격은 보통 600mm 내외로 둔다.

궤도계수가 크면 처짐이 작아 궤도가 단단하고, 작으면 처짐이 커져 레일과 침목의 응력과 변위가 커진다. 궤도계수가 작을수록 같은 윤중에 레일 처짐이 커져 파괴가 빨라진다.

도상은 하중 분산 외에도 침목의 횡방향 이동을 막는 도상저항력을 낸다. 또 차량 진동을 흡수하여 승차감을 높인다. 무도상교량은 도상이 없어 레일 진동이 침목을 거쳐 강형에 직접 전달되므로 소음과 진동이 크다.

궤도파괴는 대체로 다음 순서로 진행한다.

• 체결 이완이나 도상 다짐 부족으로 지지가 불균일해진다.
• 반복 하중으로 도상 침하가 생기고 궤도계수가 낮아진다.
• 침목 지지가 고르지 않아 궤도틀림이 발생한다.
• 궤도틀림이 한도를 넘으면 차량 동요가 커지고 동적 윤중이 늘어 파괴가 가속된다.
• 방치하면 레일 변위와 탈선 위험이 커진다.

바퀴의 구름과 미끄럼으로 생긴 종방향 수평력은 레일을 밀어 궤도 이동(Track Creep)을 일으킨다. 도상 자갈이 침목을 단단히 잡아 주면 이 이동이 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

열차 속도와 축중이 커지면서 궤도가 받는 동적 윤중이 늘었다. 동적 윤중은 정적 윤중보다 크고, 이 증가분이 도상과 노반에 반복해서 가해진다. 반복 하중이 누적되면 도상 자갈이 부서지고 이동하여 도상 침하와 궤도틀림이 생긴다. 이 과정이 궤도파괴의 출발점이다.