궤 도 틀 림(Track Irregularity)
전 영 석
Ⅰ. 머리말
궤도와 노반 등 철도시스템의 구성요소는 영업을 지속하면서 구성요소의 마모와 변형이 이루어진다. 특히 궤도보수는 열차의 안전성과 승차감에 결정적인 영향을 미친다. 궤도의 유지보수비는 철도경영에 있어서 상당한 비중을 차지한다. 궤도보수는 열차의 주행안전성과 승차감이 언제나 허용될 수 있도록 하여야 하며, 안전에 관한 보수는 예방적이어야 하고, 승차감에 관한 보수는 교정적이어야 하며, 충분한 안전여유를 보장하고 궤도품질의 돌이킬 수 없는 저하를 방지하도록 노력하여야 한다.
이러한 선로를 보수 관리하기 위해서는 궤도의 변형 상태를 정확하게 파악하여야 하며, 궤도 상태를 표시하는 궤도틀림은 가장 기본적인 궤간, 수평, 면, 줄(방향) 틀림 등 4종을 포함하여 평면성과 복합틀림 등 총 6종류로 분류할 수가 있다. 6종의 궤도틀림에 대하여 간단히 살펴보고자 한다.
Ⅱ. 궤도틀림(Track Irregularity)
1. 궤간틀림(Gauge Irregularity)
좌우레일의 간격틀림, 즉 궤간의 기본사이즈(표준궤 1,435mm)에 대한 틀림(변화량)으로 레일 두부(윗면)면에서부터 14mm 아래 지점에서 양쪽 레일 안쪽(내측)간의 가장 짧은 거리로 표시한다(철도건설규칙 제2조 6호). 레일 두부면에서 14mm로 한 이유는 차륜의 Frange가 최대로 발생한 경우를 고려하여 차륜과 레일의 접촉점 위치를 궤간 측정점으로 선정한 것이다. 즉, 궤간측정 기준을 레일두부 프로파일과 1/4(76도)의 기울기를 가진 직선과의 접점을 통과하는 면으로 정하였다. 궤간의 확대 틀림량을 (+), 축소 틀림량을 (-)로 표시한다. 일반적으로 궤간의 허용치는 본선과 측선 공히 +10, -2 즉, 1,433-1,445mm이다.
궤간틀림이 큰 경우에는 주행차량이 사행동을 일으키게 되며, 궤간이 크게 확대되었을 때는 차륜이 궤간내로 탈락하게 된다.
2. 수평틀림(Cross Level Irregularity)
좌우 레일 답면의 수평틀림(Cant차), 즉, 궤간의 기본치수에서의 좌우 레일의 높이 차를 말하며 고저차로 표시한다. 수평틀림은 차륜과 레일이 접촉하는 점의 좌우 접촉점 간(1,500mm)의 레일의 높이차로 하며, 곡선의 경우 기준 캔트값을 제외하고 구한다. 수평틀림 측정방법은 직선부는 좌측레일, 곡선부는 내측레일을 기준으로 하여 상대편레일이 높은 것을 (+), 낮은 것을 (-)로 나타낸다. 일반철도 수평틀림의 보수 기준은 본선 7mm, 측선 9mm 이내로 한다.
수평틀림은 차량의 좌우동을 일으키게 된다.
3. 면틀림(Longitudinal Level Irregularity)
한쪽 레일 상면의 길이방향 높이차(요철)를 말한다. 면틀림은 직선부는 좌측레일, 곡선부는 내측레일을 측정하며, 높이 솟은 틀림량을 (+), 낮게 처진 틀림량을 (-)로 표시한다. 실의 길이는 직선부 10m, 곡선부는 2m를 인장력 2kg정도로 당겨 실처짐 1mm를 보정한 틀림량으로 하며, 일반철도의 경우 면틀림의 보수기준은 <표 1>과 같다.
<표 1> 면틀림 보수 기준
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구분 |
본선 |
측선 |
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직선(레일 길이 10m) |
7mm |
9mm |
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곡선(레일 길이 2m) |
3mm |
4mm |
면틀림은 주행차륜의 Flange가 레일을 올라타서 탈선하는 원인이 된다
4. 줄틀림(Aligment Irregularity)
한쪽 레일측면 길이 방향의 요철면 즉, 한쪽 레일 좌우방향의 들고 남의 방향을 말한다. 줄틀림은 주행차량의 사행동을 일으키는 원인이 된다. 줄틀림의 측정벙법은 면틀림과 같이 일반적으로는 10m의 실을 레일 측면에서 잡아당겨 그 중앙부의 실과 레일 측면과의 수평거리를 측정한다. 측정위치는 직선부는 좌측레일, 곡선부는 외측레일을 측정하며, 궤간외방으로 틀림량을 (+), 궤간 내방으로 틀림량을 (-)로 한다. 일반철도의 경우 줄틀림의 보수 기준은 레일 길이 10m에 대하여 본선 7mm, 측선 9mm이다.
줄틀림은 주행차량의 사행동을 일으키는 원인이 된다.
5. 평면성 틀림(Twist Irregularity)
캔트가 일정한 직선과 곡선구간을 따라 두 횡단면(두개 이상의 침목)에 위치한 궤도의 4지점(1대차 4개의 차륜)은 동일 평면에 위치하여야 한다.
평면성 틀림은 평면에 대한 궤도의 비틀림 상태를 나타내는 것으로 궤도상의 일정거리에 있는 2점간의 수평틀림의 대수차로 표시한다. 즉, 평면성 틀림은 단위 길이당 수평틀림의 변동으로 측정 길이는 운행차량의 최대 고정축거를 고려하여 궤도의 2점간의 간격 5m(고속철도의 경우는 3m)에 있어서 수평틀림의 변화량을 말한다.
평면성 틀림(국지적 틀림)은 다른 세 지점에 의하여 정해진 평면으로부터 한 점을 벗어나게 한다. 평면성 틀림은 좌우측 레일 궤도평면의 비틀림에 의하여 주행차량이 3점 지지 상태로 되어 주행안전성이 손상되어 주행차륜의 Flange가 레일을 올라타 탈선의 원인이 된다. 특히 저속(V <100km/h)과 중간 속도(100km/h < V <140km/h)에서는 평면성 틀림은 탈선의 가장 빈번한 원인으로 나타난다.
6. 복합틀림(Composite Irregularity)
복합틀림은 줄과 수평이 역위상으로 복합되어 있는 틀림을 말한다. 복합틀림을 구하는 산식은 복합틀림=｜줄틀림량-1.5×수평틀림량｜이다.
궤도틀림의 측정원리는 궤간과 수평틀림은 양측 레일의 상대값이므로 그 절대치를 측정하지만, 면(고저)과 줄(방향)틀림은 중앙종거법 즉, 상대값으로 측정한다.
궤도틀림은 실제 열차가 주행시의 상태에 따라 다르다. 주행시의 틀림을 동적틀림(Dynamic warp)이라 하고, 열차하중이 없는 상태의 측정틀림을 정적틀림(static warp)라 하는데, 열차가 없는 상태에서는 레일체결장치의 이완, 침목과 도상과의 간격등은 측정이 불가능하므로 실제와는 다른 상태로 나타난다. 그러나 대형 궤도검측차에 의하여 보다 정확한 동적틀림을 측정할 수 있으므로 이러한 검측장비를 확보해야하는 이유이다.
Ⅲ. 결론
이상 궤도틀림에 대한 궤간․수평․면․줄․평면성 틀림, 그리고 복합틀림에 대하여 살펴보았다.
이들 궤도틀림은 선로 위에 유도되어 주행하는 열차 및 철도차량의 주행 안전성과 승차감에 큰 영향을 미치게 된다. 궤도틀림이 열차에 미치는 영향으로 궤간틀림은 사행동과 선로 내측으로의 탈선, 수평틀림은 좌우동, 면틀림은 차륜 Flange가 레일을 올라타는 사고, 줄틀림은 사행동, 평면성틀림은 4개의 차륜이 3점 지지화되어 탈선사고를 일으키는 요인으로 작용한다는 것을 살펴보았다.
평소 이러한 궤도틀림이 발생하여 악화되지 않도록 물론 선로의 유지보수 관리도 중요하지만, 한편으로 철도차량을 설계하고 유지․보수․관리하고 운용하는 것 또한 이에 못지않게 중요하다. 운행하는 열차의 안전을 확보하기 위해서는 선로/차량 간의 시스템과 인터페이스를 충분히 이해하고 시스템적으로 접근하지 않으면 안 된다.
결론적으로 철도차량을 설계․제작하고 운용하는데 있어서 앞에서 기술한 궤도틀림과 같은 선로의 취약점을 충분히 이해하고 있어야, 궤도 위를 주행하는 철도차량의 안전성과 승차감을 저해하는 취약점을 극복할 수 있으리라 생각한다.
철도운송에 있어서 열차의 안전운행 확보는 각 분야가 안전을 확보할 수 있도록 최선을 다해 나가야하겠지만 어느 한 분야에 의존하는 것은 한계가 있다고 본다.
※ 참고문헌
1. V.A.Profillidis, "Railway Engineering -Second Edition" 서사범 역, BG북 갤러리, 2004.5
2. 宮本俊光 外1, “線路 -軌道の設計․管理”, 新日本印刷(株), 昭和 57.7
3. 이종득, “철도공학(Railway Engineering)”, 노해출판사, 2006.7
4. 서울산업대 철도전문대학원 철도시스템안전연구센터, “고속철도 궤도시스템” 유인물자료