복진

왜 배우는가: 복진은 장대레일 궤도의 축력과 이음매 관리를 좌우하는 기본 현상이다. 실무에서는 궤도 틀림과 탈선으로 이어질 수 있어 이동량 관리가 필요하다. 시험에서는 원인·영향·대책을 묶어 묻는 주제라 개념의 흐름을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제139회 1교시 10번, 제137회 1교시 2번, 제133회 3교시 6번, 제129회 1교시 9번, 제128회 1교시 3번, 제118회 1교시 9번, 제113회 3교시 3번, 제101회 1교시 4번, 제95회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

복진은 열차 통과와 온도 변화로 레일이 침목에 대해 궤도 종방향으로 이동하는 현상이다.

• 복진: 레일이 궤도 종방향으로 이동하는 현상
• 종방향 힘: 차륜이 레일에 진행 방향으로 주는 힘
• 레일 신축: 온도 변화에 따라 레일 길이가 늘고 줄어드는 현상
• 종저항: 레일의 종방향 이동에 맞서는 저항
• 도상저항력: 도상 자갈이 침목의 이동을 막는 힘
• 레일 앵커: 레일의 종방향 이동을 막는 체결 부품
• 장대레일: 이음매를 줄여 길게 용접한 레일
• 축력: 장대레일 내부에 생기는 축 방향 힘

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 열차가 지나갈 때마다 레일이 열차 진행 방향으로 조금씩 밀려가는 현상이다. 침목은 제자리에 있는데 레일만 움직이므로 이음매 간격이 한쪽은 벌어지고 다른 쪽은 좁아진다.

정식으로는 복진(Creep)을 레일과 침목 사이의 상대적인 종방향 변위로 정의한다. 열차의 구동과 제동에 따른 종방향 힘과 온도 변화에 따른 레일 신축이 원인이다. 핵심은 상대 변위다. 레일과 침목이 함께 움직이면 복진이라 하지 않는다.

복진과 궤도 틀림은 구별한다. 궤도 틀림은 궤간, 수평, 방향 등 궤도 형상이 기준에서 벗어난 상태를 말한다. 복진은 그 원인이 되는 레일 위치의 변화이며, 방치하면 궤도 틀림을 키운다.

복진의 이동 방향은 우세한 교통 방향과 일치하는 경향이 있다. 복선 구간에서는 각 선로가 한 방향으로만 열차가 달리므로 선로별로 이동 방향이 일정하게 나타난다. 복진은 고온기에 많이 나타나는 현장 관찰이 있다.

복진의 발생 기구는 대표적으로 세 가지 설로 설명한다.

• 파동설: 레일에 생긴 물결 모양의 파동을 차륜이 다지면서 레일이 진행 방향으로 밀린다.
• 충격설: 이음매를 지나는 차륜의 충격이 앞쪽 레일을 진행 방향으로 밀어낸다.
• 견인설: 구동륜의 후방 추력과 나머지 차륜의 전방 추력이 레일을 진행 방향으로 옮긴다.

복진이 진행되면 이음매 신축 여유가 한 방향으로 닫히고 반대쪽은 열린다. 레일 복부와 저부에는 침목 못이 긁은 자국이 남는다. 이 두 징후가 현장 확인의 기본이다. 힘의 구분과 방향에 따른 세부 원리는 4절에서 다룬다.

복진의 크기는 레일 한 지점의 이동량으로 잰다. 이를 위해 레일과 침목에 기준 표지를 설치하고, 일정 기간 뒤 표지 사이의 거리 변화로 이동량을 구한다. 이동량은 방향과 함께 누적 기록한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 궤도는 짧은 레일을 이음매로 이어 썼다. 이음매의 틈이 레일 신축을 흡수하여 온도에 따른 응력이 크게 쌓이지 않았다. 이음매 틈의 변화가 복진을 가장 쉽게 드러내는 신호였다.

열차 속도와 승차감 요구가 높아지면서 이음매를 줄인 장대레일이 도입되었다. 이음매가 줄면 보수 횟수가 줄고 승차감이 좋아진다. 그러나 연속 용접된 레일은 신축이 자유롭지 않아 온도 변화에 따라 내부에 축력이 생긴다.

레일은 온도가 1℃ 오르면 1m당 0.0118mm 늘어난다. 레일의 자유 신축량은 \Delta L=\alpha L\Delta T 로 구하며, \alpha는 선팽창계수, L은 레일 길이(m), \Delta T는 온도 변화(℃)이다. 길이 100m 레일이 30℃ 오르면 자유 신축량은 약 35.4mm이다. 장대레일에서는 이 신축이 억제되어 축력으로 바뀐다.

복진은 이 신축 차이와 열차의 구동·제동 힘이 겹쳐 누적되는 현상이다. 정차장 진입부처럼 출발과 제동이 잦은 구간에서 복진이 뚜렷하다. 출발 때는 차륜의 후방 추력이, 제동 때는 제동력이 레일을 밀기 때문이다.

복진이 쌓이면 이음매 간격이 틀어지고 이음매판과 볼트에 과도한 응력이 걸린다. 분기기와 교차부에서는 궤간과 방향이 틀어지며, 레일을 교체할 때 길이가 맞지 않는 문제가 생긴다. 열차의 속도와 중량이 커질수록 차륜이 레일에 주는 종방향 힘도 커진다.