차륜 찰상

왜 배우는가: 차륜 찰상은 제동 조건과 점착 조건이 맞물려 생기는 대표적인 차륜 결함이어서, 차륜 손상의 원인과 대책을 묻는 답안의 출발점이 된다. 원인과 메커니즘을 점착력과 제동력의 관계로 설명하는 능력은 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 모두 요구되므로 반복하여 익혀야 한다.

출제 이력: 제139회 1교시 7번, 제127회 1교시 13번, 제109회 1교시 3번, 제104회 1교시 2번, 제89회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

차륜 찰상은 제동 중 차륜이 회전하지 못하고 레일 위를 미끄러지면서 답면 일부가 편평하게 마모된 결함이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 다음 줄에 발생 원인과 고장 영향을 잇는 것이 기본 구성이다. 차륜 찰상은 차륜과 레일 사이의 점착 조건이 제동 조건을 감당하지 못할 때 생기므로, 정의에 나오는 용어를 먼저 정확히 알아 두어야 한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 차륜 찰상: 차륜 답면의 일부가 평평하게 깎여 나간 결함이며, 영문으로는 Flat spot이라고 부른다.
• 활주: 차륜이 레일 위에서 회전하지 않거나 회전 속도가 차량 속도보다 낮아진 상태로 미끄러지는 현상이다.
• 점착력: 차륜과 레일 사이에서 차량의 견인력과 제동력을 전달하는 마찰력이며, 전달할 수 있는 최댓값이 한계가 된다.
• 점착계수: 점착력을 차륜에 걸리는 윤중으로 나눈 무차원 값으로, 레일 상태에 따라 크게 달라진다.
• 제동력: 차량의 운동 에너지를 줄이기 위해 차륜과 레일의 접촉면에서 발생시키는 힘이다.
• 답면: 차륜이 레일과 접촉하며 구름 운동을 하는 차륜 바깥 둘레의 면이다.
• 편평부: 차륜 찰상으로 답면에 생긴 평평한 부분이며, 레일을 지날 때마다 충격을 일으킨다.

2. 개념 풀이

차륜 찰상은 제동 또는 활주 중 차륜과 레일이 미끄럼 접촉하면서 차륜 답면의 일부가 편평하게 변형·마모된 결함이다. 발생 원리는 차륜과 레일 사이의 점착 한계에서 출발하므로, 제동력과 점착력의 크기 관계를 먼저 이해해야 한다.

차륜이 레일 위에서 구름 운동을 유지하려면 제동력이 점착력 안에 머물러야 한다. 제동장치가 차륜에 가하는 제동 토크가 커져 제동력이 점착력을 넘으면 차륜은 레일에 대해 미끄러지기 시작하며, 이 현상이 활주이다. 차륜 찰상의 원인은 제동력이 점착력을 넘어 차륜이 활주하는 것이다.

점착력은 차륜과 레일 사이에서 전달할 수 있는 최대 마찰력이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$F=μW$

여기서 F는 최대 점착력(kN), μ는 점착계수(무차원), W는 차륜에 걸리는 윤중(kN)이다. 점착계수는 레일이 건조한지 젖었는지, 낙엽·유분·서리 같은 오염이 있는지에 따라 달라진다. 건조한 레일에서 점착계수는 0.2~0.3 범위로 알려져 있고, 젖은 레일이나 낙엽이 깔린 레일에서는 이 값이 더 낮아진다. 같은 제동력이라도 점착계수가 낮아지면 활주 한계에 빨리 도달하므로 찰상이 쉽게 생긴다.

활주가 심해져 차륜이 완전히 멈추면 차량은 여전히 달리고 있는데 차륜만 레일 위에서 끌려가는 상태가 된다. 이때 상대적으로 연한 차륜 강이 단단한 레일 강과 마찰하면서 답면의 일부가 깎여 나가고, 그 자리가 편평부로 남는다. 미끄럼 접촉면에는 마찰열과 국부 압력이 집중된다. 급격한 가열로 답면 표층에 열충격이 작용하면 재료의 기계적 성질이 변하고, 표면이 떨어져 나가는 박락으로 이어진다.

편평부는 레일을 지날 때마다 충격을 일으키므로 충격 하중과 소음·진동이 함께 커진다. 이 충격이 반복되면 차륜과 궤도 모두에 손상이 누적되므로, 찰상은 차륜 자체의 결함이면서 궤도에도 영향을 주는 결함이다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 점착계수: 차륜과 레일 사이의 마찰 능력을 나타내는 무차원 값이며, 레일 상태에 따라 낮아진다.
• 활주: 제동 중 차륜의 회전 속도가 차량 속도보다 낮아져 레일 위를 미끄러지는 현상이며, 차륜 찰상의 직접 원인이다.
• 열충격: 급격한 온도 변화로 재료 표층에 생기는 열응력이며, 답면 박락의 원인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

차륜 손상의 가장 흔한 원인은 급제동, 급경사 구간의 제동, 중량 화물을 싣고 하는 제동이다. 이런 제동에서는 차륜 답면에 가해지는 제동 에너지가 커서 제동력이 점착력을 넘어설 가능성이 높아진다. 여기에 낙엽, 결빙, 우천으로 레일 점착계수가 떨어지는 조건이 겹치면 활주가 쉽게 일어나므로, 찰상은 계절과 구간의 조건에 따라 나타난다.

찰상이 생긴 차륜은 회전할 때마다 레일과 충격을 주고받으며, 충격이 반복되면 차륜과 레일 모두에 피로와 손상이 누적된다. 편평부가 커지면 궤도를 손상시키고 탈선으로 이어질 수 있다. 1971년 미국 일리노이주 Salem에서 일어난 탈선은 조치되지 않은 찰상 차륜이 궤도를 손상시키고 탈선을 일으킨 사례로 알려져 있다.