[논문]철도차량의 차륜마모 저감

허현무; 이찬우

문제 정의

A형차량의 곡선주행성능 저하로 인한 문제점을 개선하기 위하여 주요 개선안을 검토하였다. 도표 2 는 개선안을 정리한 표로서 대차 1차현가계 구조변경, 차륜답면 형상 변경, 차축베어링 변경, 대차 구성품에 대한 개선안에 관한 사항이다.
곡선주행성능 저하로 인한 차량 운용상의 문제점을 안고 있는 철도차량에 대한 곡선주행성능 개선연구를 수행하였다. 개선안으로 대차 1차현가계 '구조개선, 차륜답면 형상 변경안이 적용되었으며, 이에 대한 결과는 다옴과 같다.
따라서, 본 연구는 곡선주행성능 저하 차량의 기존선로 주행시 발생하고 있는 여러 문제점을 개선시키기 위한 방안을 강구하기 위하여 수행되었다. 여러 개선방안 중 곡선주행 적응성 향상을 위한 횡 방향 현가계 개선 작업등이 이루어 졌으며, 이에 대한 성능입증을 위한 시험이 수행되었다.
여러 개선방안 중 곡선주행 적응성 향상을 위한 횡 방향 현가계 개선 작업등이 이루어 졌으며, 이에 대한 성능입증을 위한 시험이 수행되었다. 여기에 그 결과의 사례 일부를 소개하고자 한다.
위한 방안을 강구하기 위하여 수행되었다. 여러 개선방안 중 곡선주행 적응성 향상을 위한 횡 방향 현가계 개선 작업등이 이루어 졌으며, 이에 대한 성능입증을 위한 시험이 수행되었다. 여기에 그 결과의 사례 일부를 소개하고자 한다.

제안 방법

수행하였다. 1차현가계는 코일스프링에서 '롤고무스프링 형식으로 변경하였으며, 이를 위하여 도표 3과 같이 롤고무를 취부하기 위한 축상스프링부에 대한 구조개선을 수행하였다. 또한 윤축의 조향 기능을 강화하기 위하여 축상스프링의 특성치를 변경하였다.
2경우의 개선안 적용시 개선차량의 곡선주행성능을 해석하였다. 해석결과 개선차량의 차륜횡압은 기존차량에 비하여 평균 35% 정도 저감될 것으로 예상되며, 이에 따른 차륜 마모지수 또한 기존 차량에 비하여 평균 50% 이상, 곡선반경에 따라선 최대 75% 정도까지 작게 나타나 차량개선으로 인한 곡선 주행성능이 우수할 것으로 예측되었다.
3절에서 검토한 개선안 중 본 연구에선 대차 1차 현가계 개선과 차륜답면 형상변경안에 대한 개선작업을 수행하였다. 1차현가계는 코일스프링에서 '롤고무스프링 형식으로 변경하였으며, 이를 위하여 도표 3과 같이 롤고무를 취부하기 위한 축상스프링부에 대한 구조개선을 수행하였다.
A형차량에서 발생하고 있는 주요 문제점 분석을 위하여 국내에서 운용중인 다른 철도차량에 비교하여 동특성 해석을 수행하였다. 그 결과, A형차량의 곡선주행 시 횡압은 국내 기존선로 운행을 통하여 곡선주행성능이 양호하다고 입증된 B형차량에 비하여 약 13~30%의 횡압상승을 초래하였다.
A형차량의 차륜마모도를 분석하기 위하여 국내에서 운용중인 철도차량과의 차륜마모 비교시험을 수행하였다. 운용구간은 기존선로 중 곡선이 상대적으로 많은 중앙선 청량리〜안동구간을 대상으로 하였으며, 시험차량은 A형차량과 국내 기존선로 운행을 통하여 곡선주행성능이 양호하다고 입증된 차량(이하 B형차량이라 함)으로 하였다.
개선 차량의 좌석에서의 승차감 수준을 파악하고자 승차감시험을 수행하였다. 시험구간은 경부선으로 하였으며, 측정위치는 각 차량 진행방향 후부대차 위 좌석으로 하였다.
개선차량의 진동수준을 파악하고자 진동가속도 시험을 수행하였다. 시험구간은 경부선 표준선 구간 (삼랑진〜사상간)에서 실시하였고, 시험조건은 80kmmh에서 140km/h까지 lOkmVh 단위로 주행속도를 변화시키면서 시험을 수행하였다.
시험 항목은 차량의 동적성능을 평가하기 위하여 차량 주요부의 진동가속도를 측정하였으며, 좌석에서의 승차감을 측정하였다. 곡선주행성능 개선을 검증하기 위하여 기존차량에 대한 개선차량의 차륜마모 비교시험을 수행하였다. 시험차량은 기존차와 개선차 각 1량으로 하여 각 시험항목에 대하여 비교 평가하였다.
곡선주행성능의 직접적인 현상으로 나타나는 차륜마모도 저감효과를 파악하기 위하여 차륜마모 비교시험을 수행하였다. 운용선로는 중앙선 청량리~안동구간으로 하였으며 기존차량과 개선차량 각 1 량올 동일편성하여 동일조건으로 운행하였다.
1차현가계는 코일스프링에서 '롤고무스프링 형식으로 변경하였으며, 이를 위하여 도표 3과 같이 롤고무를 취부하기 위한 축상스프링부에 대한 구조개선을 수행하였다. 또한 윤축의 조향 기능을 강화하기 위하여 축상스프링의 특성치를 변경하였다.
또한, 차륜답면은 원추형 답면형상의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 국내외에서 사용중인 1/20 원호형 heumann답면형상을 적용하였다. 이 답면형상은 직선주행안전성과 곡선주행성능을 동시에 중족시키기 위한 방안으로 제시된 형상으로 차륜 · 레일 접촉시 접촉면적을 증가시킴으로서 접촉 응력을 감소 시켜 차륜플랜지 마모를 저감시키는 장점이 있다.
기존차량에 대한 개선차량의 성능개선을 위하여 다음과 같은 시험을 수행하였다. 시험 항목은 차량의 동적성능을 평가하기 위하여 차량 주요부의 진동가속도를 측정하였으며, 좌석에서의 승차감을 측정하였다. 곡선주행성능 개선을 검증하기 위하여 기존차량에 대한 개선차량의 차륜마모 비교시험을 수행하였다.
개선차량의 진동수준을 파악하고자 진동가속도 시험을 수행하였다. 시험구간은 경부선 표준선 구간 (삼랑진〜사상간)에서 실시하였고, 시험조건은 80kmmh에서 140km/h까지 lOkmVh 단위로 주행속도를 변화시키면서 시험을 수행하였다. 진동가속도계 측정위치는 축상 좌우, 대차 좌우, 차체 좌우, 차체 상하로 하였고 시험 데이터 분석은 한국철도기술연구원에서 적용중인 진동가속도 평가기준에 의하였다.
개선 차량의 좌석에서의 승차감 수준을 파악하고자 승차감시험을 수행하였다. 시험구간은 경부선으로 하였으며, 측정위치는 각 차량 진행방향 후부대차 위 좌석으로 하였다. 측정기는 ISO 승차감 레벨 측정기로 하였으며, 승차감 평가기 준은 철도청, 한국철도기술연구원에서 적용중인 승차감 평가기 준을적용하였다.
곡선주행성능 개선을 검증하기 위하여 기존차량에 대한 개선차량의 차륜마모 비교시험을 수행하였다. 시험차량은 기존차와 개선차 각 1량으로 하여 각 시험항목에 대하여 비교 평가하였다.
운용구간은 기존선로 중 곡선이 상대적으로 많은 중앙선 청량리〜안동구간을 대상으로 하였으며, 시험차량은 A형차량과 국내 기존선로 운행을 통하여 곡선주행성능이 양호하다고 입증된 차량(이하 B형차량이라 함)으로 하였다. 운용조건은 동일 노선을 정기검수나 차량고장으로 인한 운행일 제한시한 올 제외하고 동일 노선에서 1일 1왕복하는 조건으로 수행되었다.
측정기는 Denmark Greenwood Eng.의 MINIPROF Wheel/Rail Profile 측정치를 사용하였고, 측정량은 차륜답면형상 변화와 플랜지두께를 측정하였다.

대상 데이터

'국내에서 운용중인 철도차량 중 곡선이 많은 기존선로 주행시 과도한 차륜마모나 대차 구성품 손상사례가 발생하고 있는 일부 철도차량(이하 A형차량이라 함)을 대상으로 개선 방안을 모색하였다. A 형차량에서 주요 발생하고 있는 문제점은 다음과 같다.
운용구간은 기존선로 중 곡선이 상대적으로 많은 중앙선 청량리〜안동구간을 대상으로 하였으며, 시험차량은 A형차량과 국내 기존선로 운행을 통하여 곡선주행성능이 양호하다고 입증된 차량(이하 B형차량이라 함)으로 하였다. 운용조건은 동일 노선을 정기검수나 차량고장으로 인한 운행일 제한시한 올 제외하고 동일 노선에서 1일 1왕복하는 조건으로 수행되었다.
수행하였다. 운용선로는 중앙선 청량리~안동구간으로 하였으며 기존차량과 개선차량 각 1 량올 동일편성하여 동일조건으로 운행하였다. 시험운용일은 실운용일 기준 3개월로 하였다.

이론/모형

시험구간은 경부선 표준선 구간 (삼랑진〜사상간)에서 실시하였고, 시험조건은 80kmmh에서 140km/h까지 lOkmVh 단위로 주행속도를 변화시키면서 시험을 수행하였다. 진동가속도계 측정위치는 축상 좌우, 대차 좌우, 차체 좌우, 차체 상하로 하였고 시험 데이터 분석은 한국철도기술연구원에서 적용중인 진동가속도 평가기준에 의하였다.
시험구간은 경부선으로 하였으며, 측정위치는 각 차량 진행방향 후부대차 위 좌석으로 하였다. 측정기는 ISO 승차감 레벨 측정기로 하였으며, 승차감 평가기 준은 철도청, 한국철도기술연구원에서 적용중인 승차감 평가기 준을적용하였다.

성능/효과

동특성 해석을 수행하였다. 그 결과, A형차량의 곡선주행 시 횡압은 국내 기존선로 운행을 통하여 곡선주행성능이 양호하다고 입증된 B형차량에 비하여 약 13~30%의 횡압상승을 초래하였다. 또한, 횡압에 의한 차륜마모를 차륜과 레일 사이의 접촉면에서의 단위 회전거리당 행하여진 일로 표시하는 마모지수로 표현할 때, 이 마모지수 역시 A형차량이 B형차량에 비하여 약 3-46% 크게 나타남을 알 수 있다.
따라서, A형대차 적용차량은 곡선추종성 측면에서 가장 취약한 현가계로 구성되었음을 알 수 있으며, 조향성능을 좌우하는 횡방향 지지력이 구조적으로 매우 커서 차량운행시 플랜지 직립마모로 인한 차량 안전운행에 문제유발 원인이 되고, 차륜원형 재생시 삭정량증가로 인한 차륜수명이 타 대차 적용 차량에 비해 현저하게 저하될 것으로 예측할 수 있다.
또한, 횡압에 의한 차륜마모를 차륜과 레일 사이의 접촉면에서의 단위 회전거리당 행하여진 일로 표시하는 마모지수로 표현할 때, 이 마모지수 역시 A형차량이 B형차량에 비하여 약 3-46% 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서, A형차량의 곡선주행성능이 타 차량에 비하여 현저히 저하하고 있음을 나타내고 있는 결과라 할 수 있으며, 이는 A형차량의 대차구조가 1차, 2차현가계가 모두 코일스프링으로 되어 있고, 차체하중을 센터플레이트 습동부에 의해 지지되는 구조에 기인한 것으로서 곡선추종성 측면에서 구조적인 문제점을 안고 있음을 나타낸다. 이에 대한 반증으로 A형차량의 대차중심간 거리는 B 형차량과 동일하고, 단지 1, 2차 현가장치가 고무스프링으로 되어 있는 B형차량은 A형차량의 차륜마모에 비해 약 25%정도의 플랜지마모 수준을 보이고 있다.
또한, 개선차량의 차륜마모는 기존차량의 11% 수준으로 현저하게 감소되어 곡선주행성능이 크게 개선되었음을 보이고 있다.
분석결과 도표6과 같이 차륜플랜지 마모량은 시험기간이 실운용 3개월에도 불구하고 기존차의 플랜지마모 평균은 1.22mm임을 보여 시험구간 선형특성의 취약함과 기존차량의 곡선주행성능 저하를 재차 보여주는 결과라 할 수 있다. 이에 비하여 개선차량의 플랜지마모는 평균 0.
7% 수준으로 기존차량에 비하여 현저한 마모저감 효과를 보이고 있다. 이는 차륜마모 저감을 단언하기엔 다소 이른 감이 있으나 짧은 시험기간에도 불구하고 전절에서 해석한 바 이상의 차륜마모 저감을 보이고 있어, 본 연구에서 적용한 개선안의 효과가 적합하다고 할 수 있다.
2경우의 개선안 적용시 개선차량의 곡선주행성능을 해석하였다. 해석결과 개선차량의 차륜횡압은 기존차량에 비하여 평균 35% 정도 저감될 것으로 예상되며, 이에 따른 차륜 마모지수 또한 기존 차량에 비하여 평균 50% 이상, 곡선반경에 따라선 최대 75% 정도까지 작게 나타나 차량개선으로 인한 곡선 주행성능이 우수할 것으로 예측되었다.

후속연구

따라서, 본 연구에서 대상으로 한 A형차량은 곢선주행성능 개선으로 인한 차륜수명 연장, 대차 구성품 손상 예방 둥의 효과가 예상되어 차량운용상 겪고 있는 여러 문제점 해결에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 본 연구결과는 향후 차량개발시 국내 선로특성에 적합한 차량모델 예측, 유지보수 측면에서의 문제점 검토 둥에 적절히 활용될 것으로 기대된다.
또한, 본 연구결과는 향후 차량개발시 국내 선로특성에 적합한 차량모델 예측, 유지보수 측면에서의 문제점 검토 둥에 적절히 활용될 것으로 기대된다.
도표 2 는 개선안을 정리한 표로서 대차 1차현가계 구조변경, 차륜답면 형상 변경, 차축베어링 변경, 대차 구성품에 대한 개선안에 관한 사항이다. 여기서 검토된 개선안은 현실적으로 적용 가능한 방안으로서 차륜횡압 감소, 차륜마모 저감, 대차구성품 손상 예방, 그리고 정비효율 향상에 기여할 것으로 기대된다.

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