캔트

왜 배우는가: 캔트는 곡선 선로의 안정성과 승차감을 결정하는 기본 설계 요소이다. 설계, 시공, 유지보수 전 과정에서 쓰이므로 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다. 기출에서도 정의, 필요성, 설정 방법, 과다·부족 영향이 반복해 출제되었다.

출제 이력: 제134회 2교시 2번, 제129회 1교시 4번, 제124회 2교시 4번, 제116회 3교시 3번, 제110회 2교시 5번, 제101회 2교시 3번, 제99회 4교시 4번, 제92회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

캔트는 곡선구간에서 바깥쪽 레일을 안쪽 레일보다 높게 두어 원심력에 대응하는 레일 높이 차이이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 캔트(Cant)
• 설정캔트
• 부족캔트
• 초과캔트
• 원심력
• 체감
• 완화곡선
• 승차감

캔트 문제는 필요성, 설정 방법, 과다·부족 시 영향을 함께 묻는다. 위 용어의 관계를 먼저 잡아 두어야 답안의 항목 순서가 흔들리지 않는다. 답안 첫 줄에는 정의 문장을 쓰고, 이어서 필요성과 설정 방법으로 넘어가는 순서가 자연스럽다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 캔트는 곡선에서 바깥쪽 레일을 살짝 들어 올린 것이다. 열차가 굽은 길을 돌 때 몸이 바깥으로 쏠리는 것을 줄이려고 바닥을 안쪽으로 기울여 두는 원리이다. 도로의 커브 구간 노면을 안쪽으로 경사지게 만드는 것과 같은 발상이다.

정식 정의는 「철도의 건설기준에 관한 규정」 제2조의 뜻을 따른다. 캔트는 차량이 곡선구간을 원활하게 운행하도록 안쪽 레일을 기준으로 바깥쪽 레일을 높게 부설하는 것을 말한다. 두 레일의 높이 차로 나타내며 단위는 mm이다.

설정캔트는 곡선 반경과 설계속도를 기준으로 실제 레일에 두는 캔트이다. 균형캔트는 특정 속도로 달릴 때 원심력과 중력의 합력이 레일면에 수직으로 작용하게 하는 이론상의 캔트이다. 부족캔트는 균형캔트가 설정캔트보다 큰 값을 말한다. 부족캔트는 설계속도보다 빠르게 달리는 열차에서 문제가 된다. 초과캔트는 설정캔트가 균형캔트보다 큰 값을 말하며, 설계속도보다 느리게 달리는 열차에서 문제가 된다.

설정캔트와 부족캔트는 제7조 제1항의 표에서 정한 값 이하로 하여야 한다. 초과캔트는 110mm 이하로 하여야 한다. 이는 열차의 실제 운행속도와 설계속도의 차이가 클 때 검토하는 값이다. 분기기 내의 곡선이나 측선 내의 곡선처럼 캔트를 두기 곤란한 곳은 운행 안전성을 확보한 경우에 한해 캔트를 두지 않을 수 있다.

완화곡선은 직선과 원곡선 사이에 두어 곡률과 캔트가 점차 변하도록 하는 곡선이다. 완화곡선의 형상은 3차 포물선으로 한다.

체감은 캔트를 직선에서 곡선으로 들어갈 때 점차 늘리고, 곡선에서 직선으로 나올 때 점차 줄이는 것을 말한다. 완화곡선이 있으면 체감은 완화곡선 전체 길이 안에서 이루어진다. 완화곡선이 없으면 체감은 최소 체감길이 이상의 구간에서 이루어진다. 체감을 급하게 하면 승객이 느끼는 횡방향 가속도가 짧은 시간에 크게 변해 승차감이 나빠진다. 체감을 지나치게 길게 잡으면 선형 연결 구간이 늘어 설계 제약이 커진다.

부족캔트가 크면 열차가 곡선 바깥쪽으로 밀려 외측 레일과 차륜 플랜지에 힘이 집중되고 승차감과 안전성이 떨어진다. 초과캔트가 크면 저속 열차가 곡선 안쪽으로 쏠리고, 정지한 열차는 안쪽 레일 쪽 하중이 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

차량이 곡선을 달리면 곡률 중심 방향으로 원심력이 작용한다. 원심력은 차량 질량과 속도의 제곱에 비례하고 곡선 반경에 반비례한다. 이 힘이 그대로 남으면 차량은 바깥쪽 레일 쪽으로 쏠리고, 차륜 플랜지가 외측 레일을 세게 누른다.

이를 식으로 나타내면 원심력은 F = mv^2/R 이다. 여기서 F는 원심력(N), m은 차량 질량(kg), v는 주행속도(m/s), R은 곡선 반경(m)이다.

차륜 플랜지가 외측 레일을 누르면 탈선 위험이 커지고, 차량이 바깥으로 기울어 전복 위험도 높아진다. 레일과 차륜의 마모와 소음도 함께 늘어난다. 캔트는 바깥쪽 레일을 높여 원심력과 중력의 합력을 레일면에 수직에 가깝게 맞추는 방법으로 이런 문제를 막는다.

캔트를 두는 필요성은 다음과 같다.

• 양쪽 레일이 하중을 고르게 분담하게 한다.
• 레일과 차륜의 마모 및 소음을 줄인다.
• 횡방향 힘을 상쇄하여 전복과 탈선 위험을 낮춘다.
• 승차감을 높이고 승객이 넘어지는 위험을 줄인다.

곡선 구간에는 곡선 반경과 선로 조건에 따라 열차의 최고속도를 제한한다. 캔트는 곡선을 안전하게 통과할 수 있는 속도 범위를 넓히는 수단이기도 하다.

고속화가 진행될수록 캔트의 필요성은 커진다. 속도가 높아지면 같은 반경에서도 필요한 캔트가 급격히 늘어난다. 그러나 캔트를 무한정 키울 수는 없다. 캔트가 크면 설치와 유지보수가 어렵고, 저속 열차나 정차 열차가 곡선 안쪽으로 쏠리는 문제가 생긴다. 그래서 설계속도 기준으로 설정캔트를 정하고, 실제 운행속도 기준으로 부족캔트와 초과캔트를 함께 검토한다.