궤도 작용력

왜 배우는가: 궤도 작용력을 알아야 궤도가 열차 하중을 견디도록 설계하고, 좌굴과 탈선을 막도록 관리할 수 있다. 힘의 종류와 증감요인은 여러 회차에 걸쳐 출제되어 온 핵심 주제다.

출제 이력: 제123회 2교시 3번, 제116회 2교시 6번, 제115회 1교시 11번, 제99회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

궤도 작용력은 열차 운행과 온도 변화로 궤도 구성요소에 작용하는 힘과 그로 인한 응력의 총칭이다.

궤도 작용력은 레일, 침목, 도상, 노반이 받는 힘을 하나로 묶어 보는 개념이다. 힘의 방향과 원인을 나누어 보면 설계와 유지보수 판단이 쉬워진다.

핵심 키워드

• 수직력: 차륜이 레일을 아래로 누르는 힘이다.
• 횡압: 차륜이 레일을 궤도 직각 방향으로 미는 힘이다.
• 종압: 레일을 길이 방향으로 밀거나 당기는 힘이다.
• 온도 응력: 기온 변화로 레일이 신축하지 못해 생기는 응력이다.
• 윤중: 한 개 차륜이 레일에 전달하는 정적 하중이다.
• 축력: 장대레일 내부에 축 방향으로 걸리는 압축 또는 인장 힘이다.
• 궤도 좌굴: 축 압력이 궤도 저항을 넘을 때 궤도가 옆으로 휘는 현상이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 열차가 달릴 때 레일과 그 아래 구조가 받는 힘을 모두 모은 것이 궤도 작용력이다. 바퀴가 레일을 누르고, 곡선에서는 레일을 옆으로 밀며, 출발과 제동 때는 레일을 앞뒤로 끌거나 민다. 기온이 바뀌면 긴 레일이 늘거나 줄려고 하는데, 양끝이 묶여 있으면 그 움직임이 힘으로 바뀐다.

정식으로 정의하면, 궤도 작용력은 열차 하중, 열차 주행 특성, 온도 변화, 궤도 구조 조건에 의해 궤도 구성요소에 발생하는 힘과 그 힘으로 생기는 응력을 말한다. 이 힘은 작용 방향에 따라 수직력, 횡압, 종압으로 나눈다.

궤도 작용력은 방향에 따라 수직력, 횡압, 종압으로 나누어 설명한다.

수직력(Vertical Force)은 차량 중량이 차륜을 거쳐 레일에 전달되는 힘이다. 정적 상태의 윤중에 열차 속도, 차륜 답면의 편평 손상, 레일 표면 결함에 따른 동적 충격이 더해져 실제 값은 정적 값보다 커진다. 그래서 설계에서는 정적 하중에 동적 효과를 함께 고려한다.

횡압(Lateral Force)은 곡선 구간에서 차량의 원심 작용과 차축의 사행 운동으로 레일을 궤도 직각 방향으로 미는 힘이다. 곡선 반경이 작을수록, 속도가 높을수록 횡압이 커진다. 횡압이 과하면 레일이 밀려 궤도 틀림이 생기고 탈선으로 이어질 수 있다.

종압(Longitudinal Force)은 레일을 길이 방향으로 미는 힘이다. 견인력과 제동력, 차륜의 롤링과 미끄럼에서 생기는 수평 추력, 온도 변화가 그 원인이다. 종압이 반복되면 레일이 서서히 이동하는 궤도 크리프(Track Creep)가 생기고, 침목이 함께 밀리는 경우도 있다.

온도 응력은 레일이 온도 변화에 따라 자유롭게 신축하지 못하고 구속될 때 생기는 응력이다. 겨울에는 수축하려는 레일이 당겨져 인장 응력이, 여름에는 팽창하려는 레일이 눌려 압축 응력이 생긴다. 온도 응력은 연속용접 레일에서 특히 크게 나타난다.

축력은 장대레일 내부에 축 방향으로 걸리는 압축 또는 인장 힘으로, 온도 응력과 열차 제동·견인력이 합쳐져 나타난다. 장대레일 부동구간처럼 신축이 거의 없는 곳에서는 온도 변화가 신축이 아니라 축력의 변화로 나타난다.

궤도 좌굴은 축 압력이 궤도의 저항력을 넘을 때 레일이 횡방향으로 튀어나오며 휘는 현상이다. 이 저항은 도상횡저항력, 도상종저항력, 궤광강성의 총칭인 궤도 좌굴저항으로 정리된다.

도상횡저항력은 도상 자갈 속 궤광을 궤도 직각 방향으로 수평 이동시키려 할 때 침목과 도상 자갈 사이에 생기는 1m당 최대 저항력(kgf/m)이며, 침목이 2mm 이동할 때 측정한 값이다. 도상종저항력은 궤도 방향으로 같은 방식으로 측정하여 정의된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 철도는 열차 속도가 낮고 축하중이 작아서 레일과 침목이 받는 힘이 문제로 드러나지 않았다. 열차가 빨라지고 무거워지면서 차륜이 레일에 주는 동적 하중이 커졌고, 궤도가 이를 견디는지 따로 검토해야 하는 상황이 되었다.

궤도가 지지할 수 있는 최대 축하중은 열차 속도, 레일 중량, 침목 밀도, 도상의 종류와 양, 교량과 토공의 강도로 정해진다. 이 기준을 넘는 하중이 반복되면 궤도 부재가 파손될 수 있으므로 축하중 관리가 필수가 되었다.

연속용접 장대레일이 널리 쓰이면서 레일 이음매가 줄어 승차감과 유지보수 면에서 이점이 커졌다. 반면 레일이 길어질수록 온도 변화와 제동·견인력이 레일 내부에 축력으로 쌓여, 궤도 좌굴과 레일 파단의 위험이 함께 커졌다. 이 때문에 궤도 작용력 중 종방향 힘을 따로 관리하는 체계가 필요해졌다.