진동 종류·원인·경감대책

왜 배우는가: 철도차량 진동은 승차감과 승객 건강, 주행안전성에 직접 영향을 주므로 실무에서 가장 먼저 관리하는 항목이다. 시험에서도 진동의 종류와 원인, 대책을 묶어 묻는 문제가 여러 차례 나왔으므로 원리와 대책을 함께 정리해야 한다.

출제 이력: 제137회 2교시 5번, 제131회 3교시 1번, 제122회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철도차량 진동은 주행 중 차륜과 레일 접촉에서 생기는 가진력으로 차체와 대차가 기준 위치를 중심으로 반복 운동하는 현상이다.

이 개념을 답안에 쓸 때는 진동의 발생원, 전달 경로, 차량에 미치는 영향, 저감 대책을 한 흐름으로 묶어야 한다. 아래 키워드를 정의와 함께 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 채울 수 있다.

• 가진력: 진동계에 외부에서 주기적으로 작용해 진동을 일으키는 힘이다.
• 고유진동수: 차체나 대차가 외력 없이 자유롭게 진동할 때 나타나는 고유한 주파수이다.
• 공진: 가진 주파수가 고유진동수와 같거나 가까울 때 진폭이 급격히 커지는 현상이다.
• 사행동: 윤축이 좌우로 흔들리며 주행 방향을 따라 반복하는 자려 진동이다.
• 승차감: 진동, 소음, 온도 등 승객이 느끼는 주행 쾌적성을 평가하는 개념이다.
• 현가장치: 차체와 대차 사이에서 충격을 흡수하고 진동을 줄이는 스프링과 댐퍼 장치이다.

2. 개념 풀이

철도차량 진동은 열차가 궤도 위를 주행할 때 차륜과 레일의 접촉 상태, 궤도와 차륜의 기하학적 불량, 차량 질량의 불균형 등이 원인이 되어 차체·대차·윤축이 평형 위치를 중심으로 반복 운동하는 현상이다. 진동을 일으키는 외력을 가진력이라 하며, 이 힘이 질량, 스프링, 감쇠 요소로 이루어진 진동계에 작용하여 응답이 나타난다. 응답의 크기는 가진 주파수와 시스템 특성에 따라 달라지므로 대책도 이 두 요소를 기준으로 세운다.

진동 원리는 고유진동수와 공진으로 설명한다. 차체와 대차는 질량과 스프링으로 이루어진 진동계이므로 외력이 없어도 고유한 주파수로 진동할 수 있다. 가진 주파수가 고유진동수에 가까워지면 작은 가진력에도 진폭이 크게 증폭되는데, 이를 공진이라고 한다. 공진은 가진 주파수가 고유진동수에 가까워질 때 진폭이 급격히 커지는 현상이다. 따라서 차량 설계에서는 예상되는 가진 주파수 범위를 먼저 구하고, 고유진동수가 그 범위를 피하도록 현가 특성을 정하는 것이 기본 원리이다.

차체 운동은 강체의 6자유도로 나누어 본다. 상하 운동(바운스), 좌우 운동(사이드), 전후 운동(서지), 피칭, 롤링, 요잉이 그것이다. 승차감에 가장 큰 영향을 주는 것은 상하와 좌우 방향의 진동가속도이며, 피칭과 롤링은 가감속 구간과 곡선 구간에서 두드러진다. 이 운동들은 차량의 질량 배분과 현가 강성, 감쇠 특성에 의해 결정된다.

진동은 발생 위치에 따라 세 부류로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 차륜과 레일 접촉면의 불량에서 생기는 궤도 기인 진동이다. 둘째는 차륜 편평, 회전체 불평형처럼 윤축과 차륜 자체에서 생기는 회전체 기인 진동이다. 셋째는 견인 전동기와 기어로 이루어진 구동계에서 토크 변동이 원인이 되어 생기는 비틀림 진동이다. 이 분류는 대책을 세울 때 어느 부위를 먼저 손볼지 정하는 기준이 된다.

사행동은 철도차량 고유의 진동이다. 차륜은 원통형이 아니라 원추형 답면을 가지므로 차축이 한쪽 레일로 치우치면 복원력이 작용해 원위치로 돌아가는 자기조향 기능이 생긴다. 그러나 이 복원력이 과하게 작용하면 윤축은 반대측 레일로 치우치고 다시 역방향 복원력을 받는 운동을 반복하게 된다. 이것이 1륜축의 기하학적 사행동이며, 파장 L은 다음 식으로 나타낸다.

$L = 2\\pi\\sqrt{\\frac{r \\cdot e}{\\lambda}}$

여기서 L은 사행동 파장(m), r은 차륜 반경(m), e는 좌우 차륜 간격의 1/2(m, 궤간의 1/2에 가깝다), λ는 답면구배(무차원)이다. 파장이 작을수록 진동이 격렬해지므로 차륜경이 작고 궤간이 좁으며 답면구배가 클수록 사행동이 심해진다.

승차감 평가는 진동 승차감, 곡선 통과 시 승차감, 가감속 시 승차감, 진자 차량 승차감의 네 가지로 나눈다. 가장 일반적인 진동 승차감은 상하, 좌우, 전후 진동가속도를 평가지표로 쓴다. 곡선 통과 승차감은 좌우 정상 가속도로, 진자 차량은 차체 롤링 각속도와 각가속도로 평가한다. 이 평가 체계는 ISO 2631-4에서 고정궤도 교통체계의 승객 승차감 지침으로 정리되어 있다.

3. 등장 배경과 필요성

철도 차량의 고속화가 진동 문제를 키운 직접 배경이다. 주행 속도가 높아지면 차륜과 레일 사이의 가진력이 커지고, 그 크기는 대체로 속도와 함께 증가한다. 특히 열차 속도가 지반의 레일리파 속도를 넘으면 지반 진동이 급격히 커지는 지반진동 붐 현상이 나타난다. 이 현상은 초음속 항공기가 만드는 소닉붐에 비유되며, 고속철도 노선의 진동 영향을 설계 단계에서 다뤄야 하는 이유가 된다.