철도차량의 진동

철도차량의 진동

 

제1절 철도차량의 진동종별

철도차량은 차체, 대차. 윤축의 3부분으로 구성되어 있다. 차체는 대차의 후레임과  축 스프링에 의해 차축 위에 현가되어 있다. 스프링 위에 있는 중량은 스프링 아래 있는 중량에 대하여 상하운동을 한다.
또 레일과 후렌지 간에도 유간이 존재함으로 차축의 주위에서도 회전운동이 발생되고 있다.
그밖에 차량은 차체 자체 탄성과 차륜 답면의 테이퍼 그리고 주행 중 차량중심선과 선로중심선의 불일치 등으로 인해 발생되는 사행동 등 주행 중 철도차량은 6개의 자유도를 가진 지동계가 된다.
이중 3개는 선로에 대한 스프링 아래 중량의 상대운동이고 나머지 3개는 스프링아래 중량에 대한 스프링 위 중량의 상대운동이다.

 

1. 선로에 대한 스프링 하(아래)중량의 상대운동에 의한 것.
  ① 좌우진동  ②전후진동  ③사행동(yawing)

 

2. 스프링 아래 중량에 대한 스프링 위 중량의 성대운동에 의한 것.
 ①상하진동 ②핏칭(pitching)진동 ③로우링(rolling) 이것을 그림에서 살펴보면

 

․ X-X축 방향의 운동 :진후진동
․ Y-Y축 방향의 운동 : 좌우진동
․ Z-Z축방향의 운동 : 상하진동
․ X-X축을 기준한 회전운동 : 로우링 진동
․ Y-Y축을 기준한 회전운동 : 핏칭진동(상하)
․ Z-Z축을 기준한 회전운동 : 사행동

 

                                                           [진동분포도]

 

 

차량에 고유한 인자를 원인으로 하는 전후진동은 핏칭 진동을, 좌우 진동은 로오링 진동을 동반하여 발생한다.
철도차량의 진동 중 10사이클 이상의 고주파를 가진 것을 진동(振動)이라하고 5사이클 이하의 주파수를 가진 것을 동요(動搖)라고 하여 편의상 구분사용하고 있다.
철도차량의 탈선위험도 및 승차감을 논하는 경우의 진동은 차체의 재료가 탄성체로 되어 있는 관계로 발생되는 5싸이클 이하의 동요가 추가된다.

 

3. 철도차량에 진동을 일으키는 주요원인
  1) 선로구조에 의한 것. (침목, 전철기, 레일, 이음매 등)
  2) 레일체결구의 탄성에 의한 것.
  3) 좌우 레일간의 유간 불일치에 의한 것.
  4) 레일마모(요철)의한 것
  5) 곡선부 통과 시 원심력에 의한 것.
  6) 레일과 후란지 사이의 유간에 의한 것.
  7) 풍압 및 공기의 흐름에 의한 것.
  8) 대차스프링 제체에 의한 것.
  9) 대차스프링의 탄성력 차이에서 발생하는 것.
 10) 차륜 답면의 찰상에 의한 것.
 11) 차륜과 궤도의 유간에 의한 것.
 12) 주행 시 차량 무게중김의 편의에 의한 것.
 13) 차체의 탄성력에 의한 것.
 14) 동력이 분산되어 있는 경우 전후 동력차간의 동력 불균형에 의한 것.
 15) 중련 운전 시  전후차량간의 조동 불균형에 의한 것.
등이 있으나 실제로 철도차량의 주행 중 발생하는 개별 차량진동은 위의 각종 요인의 총칭에 의해 발생되고 있다.
한편 열차진동은 열차에 연결된 개별차량의 진동주기와 동력차의 견인력 불균형 주기가 병합되어 일어나는 공진현상이라 할 수 있다.

 

제2절 철도차량의 진동을 감소시키는 방법
주행 중 발생하는 차량의 진동을 감소시키기 위해서는 다음 사항을 고려하여야 한다.

 가. 궤도의 유간을 정확히 하고 특히 레일연결부에 상하, 좌우의 어긋남이 없어야 한다.
 나. 각 차륜간의 부담중량을 균등히 한다.
 다. 차륜 답면의 테이퍼를 최소화 한다.
 라. 차축의 전후, 좌우간의 유동을 적게 한다.
 마. 좌우차륜의 직경을 동일하게 한다.
 바. 차륜의 플랜지와 레일간의 간격을 가급적 최소화 한다.
 사. 대차의 스프링을 공기담퍼나 오일담퍼로 대체한다.
 아  대차의 상판 높이를 가급적 낮게 한다.

 

제3절 사행동(Snake motion)
윤축(wheel set)의 좌우 끝에는 한 쌍의 차륜이 고정되어 있다. 차륜답면(Wheel tread)은 테이퍼 형상을 가지고 있고 레일 위를 회전 한다. 주행할 때 차체가 한쪽으로 쏠릴 경우에는 경사진 테이퍼로 인해 발생된 복원력이 작용해 차량이 똑바로 주행한다.
차륜 답면이 테이퍼형상으로 되어 있는 것은 주행의 안전성이라는 측면에서 보면 아주 좋으나 차륜의 좌우 직경차 때문에 윤축이 한쪽으로 쏠렸다가 반대쪽으로 쏠리는 현상을 일으킨다. 즉  뱀처럼 꾸불꾸불 전진하는 사행동(蛇行動 Snake motion)을 발생한다.
낫은 속도에서는 차체가 심하게 흔들리는 1차 사행동(차체 사행동)이 발행하다가 속도가 증가되면 이 사행동은 없어지고 대차가 심하게 진동하는 2차 사행동(대차 사행동)이 발생한다. 이 2차 사행동은 속도가 증가하더라도 없어지지 않는다.

 

                                                    [차륜답면 및 플랜지의 형상]

 

속도가 더욱 증가하면 운동학적 주파수(kinematic frequency)가 대차 횡진동 고유진동수와 일치하면 대차가 심하게 진동하는 3차 사행동(차축 사행동)이 발생한다.

 

1. 1축 사행동
  가. 1조의 wheel set 의 사행동
  나. 파장은 궤간과 차륜경에 비례, 답면 구배에 반비례
  다. 움직임은 좌우진동과 좌우의 차륜이 번갈아 전후하는 진동
  라. 파장은 약 14m(속도가 높아지면 진동수도 높아진다.)

 

2. 대차 사행동 
  가. 2축 고정한 대차에서 발생하는 사행동
  나. 윤축의 1축의 파장에 비례
  다. 축거에 비례, 궤간에 반비례
  라, 파장은 30m

 

대차에서 사행동 발생 시에는 플랜지 접촉까지 일어나서 승차감, 소음, 차륜과 레일의 마모 궤도 하중과 궤도의 변형, 탈선 위험성 등 많은 문제점이 제기된다.

 

제4절 횡압에 의한 사행동
1. 차륜이 레일에 직각으로 작용하는 힘
  가. 윤중(wheel load P) : 수직방향의 힘(차량의 하중, 상하 진동 등)
  나. 횡압(Lateral force Q) 좌우방향의 힘( 곡선 통과 중이나 좌우 진동 등)

 

2. 탈선계수(Derailment  coeffcient)

      Q
D = ----
      P

탈선계수가 크면 클수록 탈선의 가능성이 커진다.

 

3. 사행동의 좌우 진동에 의한 옆방향의 힘
  가. 곡선통과 시 발생하는 횡압은 캔트(Cant)가 횡압(Q)의 일부를 윤중(P)으로 저감시키나,
     속도가 높고 캔트가 부족일 때는 초과 원심력이 차륜을 외측으로 밀어붙여서 횡압증가로
     사행동이 발생한다.
  나. 곡선통과 시 차륜은 레일의 안내에 따라 선회하지만 윤축은 직진하고자 하기 때문에
      공격각도가 생겨 플렌지가 레일에 횡 접촉하여 횡압을 발생시킨다.

 

                               [차륜플랜지와 레일의 접촉에서 작용하는 힘]

 

                
4. 차륜의 플랜지 마모
사행동 발생을 줄이기 위한 방지책의 하나로 대차의 선회 저항을 크게 하면 이로 인하여 플랜지가 레일의 접촉으로 차륜의 플랜지 마모가 심하게 된다.

 

제5절 헌팅(사행동)현상
헌팅(hunting)이란 철도차량의 주행이 불안전하게 되어서 차륜의 좌우측 플랜지가 교대로 레일에  접촉하게 되는 현상을 말한다. 특정한 주행속도 범위에서 철도차량의 횡진동이 심하게 나타나는 현상을 의미 한다.
헌팅은 비교적 낮은 속도에서 차체가 심하게 흔들리는 1차 헌팅(또는 차체 헌팅)이 발생하다가 속도가 증가하면 대차가 심하게 지동하는 2차 헌팅(또는 대차 헌팅)이 발생되며 이는 속도가 더욱 증가하더라도 없어지지 않는다.
1차 및 2차 헌팅의 구분은 엄격한 것이 아니고 다분히 관계적인 것이어서 실제로는 이러한 구분이 애매하거나 또는 여러 개의 비슷한 주파수의 헌팅이 모두 겹쳐(coupled) 나타나기도 한다.
속도가 더욱 증가하여 운동역학적 주파수 (kinematic frequency)가 대차횡진동의 고유 진동수와 일치하면 대차가 심하게 진동하는 3차 헌팅이 발생된다.
2차 헌팅은 대차가 진동하면 다시 차축의 운동에 영향을 미치고 차축의 운동은 다시 크리이프  힘을 발생시키므로 가진력과 진동이 선로 별개인 공진현상으로 파악하는 것은 정확하지 않다.
이는 철차 주행 에너지 중 일부가 크리이프 메커니즘에 의해서 대차의 횡진동 에너지로 변환되는 일종의 자려진동(self-excited vibration)으로서 2차 헌팅은 진동계가 불안정해진상태를 의미하며 레일이 완벽한 직선일지라도 발생한다.
더욱 고속에서는 대차 헌팅이 업어지고 3차 헌팅 즉 차축 헌팅이 발생되는 것을 예측할 수 있으나, 이러한 속도는 현실적인 범위를 넘는 것으로서 실질적으로는 2차 헌팅은 속도를 더 증가시키더라도 사라지지 않는다.
대차헌팅이 발생하면 플랜지 접촉까지 일어나서 승차감, 소음, 차륜과 궤도의 마모, 궤도하중과 궤도 변형, 탈선위험성 등 많은 문제점이 발생되므로 대차를 설계할 때 임계속도(2차헌팅이 발생되는 주행속도)가 정상주행속도 보다 어느 마진 이상 높도록 해주어야 한다.
또 2차 헌팅은 강철 레일 위를 주행하는 강찰 바퀴식 철차에서는 항상 발생되는 현상이기도 하다.

 

제6절 Creep  현상
레일과 차륜 사이의 접촉면에는 하중과 마찰력이 존재한다. 만약, 차륜에 작용하는 힘이 커지게 되면 미끄럼이 발생할 것이고, 미끄럼이 전체로 확대 될 경우에는 완전한 미끄럼 현상이 차륜과 레일의 접촉면 전체에서 일어나게 된다.
여기서, 차륜과 레일간의 접촉상태에서 완전한 접촉과 미끄러짐이 종간단계에 해당되는 상대운동의 속도를 크리프(creep) 속도라 하며, 이러한 크리프 속도를 발생시키는 접선방향의 힘을 크리프의 힘(creep force)이라 한다.
차륜은 수직하중 N과 횡 하중 F를 받으면서 회전 한다. 차륜과 레일 모두가 강체(剛體)일 경우 F＞μN이면 차륜의 속도는 전동속도(rolling velocity)가 되며, 접촉면에서 건마찰(乾 摩擦)이 일어나게 된다.
레일과 차륜이 탄성체(彈性體)라면 아주 작기는 하지만 접촉면이 형성되고 이 접촉면에 N에 의해 수직응력이 F에 의해 전단응력과 전단 변형율이 발생한다.
또, 차륜회전에 따른 차륜과 레일의 한 지점의 응력은 접촉이전에는 영(zero)이었다가 접촉이 시작되면서 증가하나 접촉이 끝나면 다시 영(zero)이 된다.
이 경우 F<μN  일지라도 접촉접에서 발생하는 차륜과 레일의 strain rate(변형율의 신간에 대한 변화율) 차이에 의해서 차륜의 횡 방향 속도가 발생되며, 이것을 크리이프 속도(creep veiocity)라 한다. 크리이프 속도를 차륜 주행속도로 나누어 준 값을 크리퍼지(creepage)라 한다.
힘 F의 반력이 차륜과 레일의 접촉면에 작용한다. 이 힘이 크리이프를 발생시킨다고 할 수 있으며, 이를 크리이프 힘(creep force)이라 한다.   [참고문헌 : 기관사운전이론]