주행안전성·주행안정성

왜 배우는가: 철도차량의 주행 성능은 안전과 안정이라는 두 축으로 평가되며, 두 개념을 혼동하면 탈선 문제와 진동 문제의 원인과 대책을 잘못 짚게 된다. 차량 개발과 대차 설계 검증에서도 두 지표를 각각 측정하므로 실무에서 구분해 이해해야 한다. 시험에서는 구분 설명과 대책 문항으로 반복해서 묻는 개념이다.

출제 이력: 제137회 1교시 11번, 제131회 3교시 2번, 제127회 1교시 12번, 제97회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

주행안전성은 차륜과 레일 사이의 힘 관계로 탈선 없이 주행하는 성능이다.

주행안전성의 대표 현상은 탈선이고, 주행안정성의 대표 현상은 사행동이다. 두 개념은 같은 차량동역학계를 다루지만 판단 기준과 대책이 다르다.

핵심 키워드: 주행안전성(Running Safety), 주행안정성(Running Stability), 탈선계수, 윤중 감소율, 횡압, 사행동, 임계속도, 답면 구배

2. 개념 풀이

주행안전성은 차량이 선로 위를 탈선 없이 달리도록 차륜과 레일 사이에 작용하는 힘의 관계를 보장하는 성능이다. 주행안정성은 차량이 고속으로 달릴 때 대차와 차체의 진동이 발산하지 않고 평형 상태를 유지하는 성능이다. 두 성능은 모두 차량동역학의 범주에 속하지만, 한쪽은 탈선이라는 힘의 한계를, 다른 쪽은 진동이 시간에 따라 변하는 거동을 다룬다는 점에서 분석 대상이 다르다.

주행안전성의 원리는 차륜 플랜지가 레일에 올라타려는 횡방향 힘과 차륜을 레일에 눌러 주는 수직력의 균형에 있다. 윤축에 작용하는 횡압을 Q, 수직하중인 윤중을 P라 하면 탈선계수는 Q/P로 정의된다. 이 값이 커질수록 플랜지가 레일을 타고 오를 가능성이 높아지므로, 탈선계수는 주행안전성을 판단하는 가장 중요한 지표이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\text{탈선계수} = \frac{Q}{P}$

식의 Q는 횡압[N], P는 윤중[N]이다. 곡선 구간에서는 원심력과 차륜이 레일을 따라 비스듬히 미끄러지는 현상 때문에 횡압이 커지고, 이때 탈선계수가 특히 문제 된다. 일반적으로 탈선계수는 관련 기준이 정한 한계값 이하로 관리한다. 한편 한쪽 차륜의 윤중이 줄어드는 윤중 감소도 탈선의 조건이 된다. 차륜이 레일을 타고 오르면 그쪽 윤중이 줄어들고, 같은 횡압에서도 탈선계수가 커진다. 이 때문에 윤중 감소율을 탈선계수와 함께 본다.

주행안정성의 원리는 사행동(hunting)에 있다. 주행안정성은 고속에서 사행동 같은 진동이 발산하지 않는 성능이다. 사행동은 윤축이 레일 위에서 좌우로 흔들리면서 대차가 고속에서 자려진동을 일으키는 현상이다. 차륜 답면의 구배는 윤축을 궤도 중심으로 되돌리는 복원 효과를 주지만, 속도가 높아지면 관성력과 크리프력이 이 복원력을 넘어서 진동이 커진다. 이 속도 경계를 임계속도라 하며, 운행 속도가 임계속도를 넘으면 진동은 감쇠되지 않고 발산한다.

사행동이 발생하면 축과 대차 프레임에 큰 횡력이 반복 작용하여 탈선과 피로 손상으로 이어질 수 있다. 그래서 주행안정성은 운행 속도를 임계속도보다 충분히 낮게 두거나, 임계속도를 설계 속도 이상으로 높이는 방향으로 확보한다. 이를 위한 수단은 크게 두 가지이다. 하나는 대차 구조 측면으로, 윤축과 대차 프레임의 결합 강성과 축거를 조정하는 것이다. 다른 하나는 현가 측면으로, 1차 현가장치의 강성과 댐퍼의 감쇠력을 조정해 진동 에너지를 흡수하는 것이다. 감쇠력이 부족하면 자려진동이 누적되고, 강성이 과도하면 차륜이 레일을 따라 원활하게 조향하지 못한다. 따라서 두 요소는 상반되는 조건을 함께 만족시켜야 한다.

두 성능의 문제 발생 조건도 다르다. 주행안전성 문제는 주로 곡선 구간과 저속에서 탈선 형태로 나타나고, 주행안정성 문제는 주로 고속 직선 구간에서 진동 형태로 나타난다. 다만 곡선 구간에서도 고속 주행이면 두 문제가 함께 나타날 수 있으므로, 둘은 독립된 현상이 아니라 같은 차량동역학계의 다른 측면으로 이해해야 한다.

주행안전성은 차량 단독이 아니라 차량과 궤도의 상호작용계로 본다. 차륜 답면 형상과 레일 두부 형상의 조합, 곡선 통과 속도, 차체 기울어짐에 따른 축중 이동이 영향을 준다. 무게중심 높이와 현가 배치가 윤중 감소의 크기를 좌우하므로 차량 설계와 궤도 조건을 함께 검토한다.