철도차량 탈선원인

왜 배우는가: 탈선은 한 번 발생하면 인명 피해와 차량·선로 손상, 운행 중단을 동시에 일으키므로 원인을 체계적으로 파악해야 한다. 원인을 차량, 궤도, 운전 세 분야로 나누어 이해하면 방지대책을 빠짐없이 구성할 수 있다. 이 개념은 탈선계수, 횡압, 윤중 같은 후속 개념의 출발점이다.

출제 이력: 제113회 4교시 6번, 제112회 1교시 12번, 제94회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철도차량 탈선원인은 차량·궤도·운전 요인이 단독 또는 복합으로 작용하여 차륜이 궤도를 이탈하게 하는 조건이다.

탈선원인은 차륜이 레일에서 벗어나도록 힘의 균형을 깨뜨리는 요인을 가리킨다. 답안의 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 차량, 궤도, 운전 세 분야로 나누어 설명하는 것이 일반적인 구성이다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 탈선: 철도 차량의 차륜이 궤도를 이탈하는 현상이다.
• 탈선원인: 탈선을 일으키는 차량, 궤도, 운전 측 요인의 총칭이다.
• 윤중: 차륜이 레일을 누르는 수직력으로, 차량 중량에서 생긴다.
• 횡압: 차륜이 레일을 옆으로 미는 수평력이다.
• 탈선계수: 횡압을 윤중으로 나눈 값으로, 탈선 안전성을 판정하는 지표이다.
• 윤중감소: 차륜에 걸리는 수직력이 줄어드는 현상이다.
• 플랜지 타오름: 플랜지가 레일 두부 위로 올라서는 탈선 형태이다.
• 차륜·레일 접촉: 차륜 답면과 플랜지가 레일과 맞닿는 조건이다.

2. 개념 풀이

탈선은 철도 차량의 차륜이 궤도를 이탈하는 현상이다. 탈선원인은 이 현상을 일으키는 유발 요소를 가리키며, 과속과 기계적 결함 등이 단독 또는 복합으로 작용하여 탈선이 발생한다. 원인은 차량 분야의 파손과 마모, 궤도 분야의 기하 틀림, 운전 분야의 열차 취급으로 나누어 볼 수 있으며, 이 구분이 답안의 골격이 된다.

원리를 보면 다음과 같다. 차륜은 레일 위에서 윤중으로 레일을 누르고 횡압으로 레일을 옆으로 민다. 완만한 곡선에서는 차륜 답면의 원추형상이 만드는 조향 작용으로 차륜이 레일 중심을 따라 움직이므로 플랜지가 레일에 닿지 않는다. 그러나 반경 약 500m 보다 급한 곡선에서는 플랜지가 레일에 접촉하며, 이때 차륜을 안내하는 힘은 플랜지가 받는 윤중에 의존한다. 윤중이 줄면 이 안내력도 함께 약해진다.

플랜지가 레일을 타고 올라서는 조건은 횡압과 윤중의 비가 한계를 넘는 것이다. 이 비를 탈선계수라 하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$탈선계수 = Y ÷ Q$

여기서 Y는 횡압(N), Q는 윤중(N)이다. 탈선계수가 커지면 플랜지가 레일 위로 올라설 가능성이 커진다. 윤중감소가 일어나면 분모인 Q가 작아지므로 같은 횡압에서도 탈선계수가 커진다. 국내에서 탈선계수의 허용 한계는 관련 기준이 정한 값 이하로 관리한다. 탈선계수가 한계를 넘으면 플랜지가 레일 위로 올라서며 탈선이 일어난다.

차륜 답면 형상이 설계 형상에서 벗어나면 조향 작용이 줄어 플랜지 접촉이 앞당겨지고, 이는 탈선계수 증가로 이어진다. 탈선의 형태는 원인이 작용하는 방식에 따라 다음과 같이 나뉜다.

• 승상탈선(타오름 탈선): 마찰계수가 크고 횡압이 윤중에 비해 클 때 플랜지가 레일 위에 올라탄다.
• 활상탈선(미끄러져 오르는 탈선): 마찰계수가 작은 상태에서 횡압에 의해 차륜이 레일 위로 미끄러져 오른다.
• 날아오르는 탈선: 충격으로 수직력이 줄거나 횡압이 늘어 차륜이 레일 위로 떠오르거나 레일을 뛰어넘는다.
• 낙궤탈선: 궤도 뒤틀림으로 궤간이 불안정해져 차륜이 양측 궤도 안쪽으로 떨어진다.

이 네 형태는 탈선이 일어나는 역학 경로를 설명한다. 원인 분야별 구분과 함께 쓰면 원인이 어떤 경로로 탈선에 이르는지 한 번에 보여줄 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

열차의 속도와 축중이 높아지고 운행 간격이 촘촘해지면서 차륜과 레일이 받는 힘의 여유가 줄었다. 이에 따라 탈선은 열차 안전을 위협하는 대표적 사고 유형으로 관리 대상이 되었다. 해외 철도 사고 통계에서는 1996년부터 2017년까지 열차 사고의 약 18%(1996~2017년 해외 통계)가 탈선이었으며, 건널목 사고를 제외하면 가장 많은 유형이다.

원인 빈도도 탈선 관리의 기준이 된다. 2018년 연구에서 빈도가 높은 원인은 파단된 레일과 용접부, 궤도 틀림, 베어링 고장, 차륜 고장 순으로 나타났다. 대부분의 탈선이 레일 문제에서 비롯되므로 레일 보수와 궤도 틀림 검측은 효과적인 예방 전략 중 하나로 꼽힌다.

속도 조건에 따라 원인의 비중도 달라진다. 25mph 이하의 저속에서는 인적 오류가 흔하지만 그 이상에서는 드물고, 기계적 문제는 고속 구간에서 두드러진다. 따라서 탈선 방지는 속도 구간별로 원인을 달리 보고 대책을 세울 필요가 있다.

차량 측에서는 차륜 플랜지 마모나 답면 형상 변화가 윤중감소와 횡압 증가를 함께 일으켜 탈선계수를 키운다. 운전 측에서는 급격한 견인력이나 제동력이 열차 연결기에 충격을 주는 슬랙 액션이 탈선을 유발할 수 있다. 이처럼 세 분야의 요인은 서로 다른 메커니즘으로 탈선에 이르므로 분야별로 구분해 이해해야 한다.