열차의 제동
가. 열차제동장치에 요구되는 조건
주행중인 열차의 속도를 낮추거나 정차시키기 위한 기능을 하는 열차제동장치에 요구되는 주요사항은 다음과 같다.
(1) 제동작용은 열차 편성 전차량에 동시에 이루어져야 한다.
열차에 편성된 전.후부 차량의 제동과 완해작용이 시차가 발생하면 차량에 작용하는 힘의 불균형(unbalance)으로 인하여 심한 충격이 발생하게 되고 심하면 열차가 분리되거나 차량의 부상 탈선의 원인이 되므로 제동작용은 동시에 이루어지지 않으면 안된다.
(2) 위험이 있을 때는 기관차의 기관사나 객차의 직원이나 승객이 승차한 차량 어디서나 열차를 정지시킬 수 있어야 한다.
열차는 여러차량으로 편성되어 있어 편성차량이 길때는 후부차량에서 발생한 위험을 맨앞에 있는 기관사가 확인하기가 어렵게 된다. 따라서 위급한 경우에는 후부차량에 승차한 어느 누구라도 열차를 비상정차 시킬 수 있어야 한다. 따라서 객차나 화차에는 차장변 등 비상변이 설치되어 있다.
(3) 열차가 운행중에 분리가 됐을 때는 자동적으로 전 차량에 제동이 걸려 정차할 수 있어야 한다.
운행중인 열차가 분리되면 기관차가 연결되어 있지 않은 후부차량이 제어가 불가능한 상태가 되어서는 안된다. 따라서 열차가 분리되었을 때는 전차량에 제동이 걸려야 한다.
(4) 제동을 체결할 때 차륜과 레일사이에 활주(Skid)가 발생하지 않아야 한다. 제동작용은 차량이 갖고 있는 운동에너지를 차륜 또는 디스크와 브레이크 슈(Shoe) 사이에서 마찰을 이용한 열에너지로 변환시키는 작용이다. 제동력이 작으면 그만큼 제동거리는 길어지게 되고, 제동력이 너무 크면 차륜과 브레이크 슈의 마찰이 멈춰 차륜이 정지된체로 레일위를 끌려가는 활주가 일어나 마찰계수가 급격히 감소되어 제동거리는 길어질 뿐만 아니라, 차륜이 찰상되어 편마모가 되므로 제동력은 크되 점착력보다 커서는 안된다.
나. 열차제동의 분류
열차제동장치는 그 매개체에 따라 유체, 전기, 전자, 기계의 힘을 주로 이용하고 있으며 이를 다음과 같이 분류 된다.
ᄋ 유체: 공기제동, 유압제동, 증기제동, 진공제동
ᄋ 전기.전자: 발전제동, 전력회생제동, 와류제동
ᄋ 기계: 수용(Hand)제동
여기서는 열차제동의 주종을 이루는 공기제동과 전기제동에 대해 살펴보자.
(1) 공기제동
공기제동은 공기압축기에서 생성된 압축공기를 이용하는 제동장치로서 열차제동장치의 표준으로 가장 널리 사용하고 있는 제동장치이다. 공기제동은 작용원리에 따라 크게 직통제동과 관통제동으로 나뉘어 진다. 직통제동은 제동핸들 이동에 따라 주공기통(Main reservoir)에 저장된 압력공기가 직통관을 통하여 곧 바로 제동통으로 들어가 제동피스톤을 밀어 브레이크 슈가 차륜을 압착시켜 제동작용이 이루어지도록 하는 간단한 원리이다. 구조가 간단하고 제어가 용이한 이점이 있으나 차량이 연결된 위치에 따라 제동작용의 시차가 발생하고, 열차가 분리되었을 때 제동기능이 상실되는 문제점이 있다. 요즘은 전동차 등 일부차량에 전자직통제동을 사용하고 있으나 그렇더라도 반드시 관통공기제동을 부가하여 직통제동의 단점을 보완하고 있다.
다음 관통제동(자동제동)은 주공기통의 압력공기를 평상시 제동관(Brake Pipe) Line 을 통하여 별도로 마련된 보조공기통 또는 공급공기통에 채워 두었다가 의도적이던 의도적이 아니던 제동관의 압력공기를 대기로 배출시키면 배출된 만큼의 압력차에 의해 보조 또는 공급공기통의 압력공기가 제동통(Brake cylinder: BC)으로 유입되어 제동피스톤을 밀어 제동작용이 일어나도록 하는 원리이다. 철도차량에는 이러한 Fail Safe System이 채용되고 있다.
(2) 전기제동
전기제동은 달리는 열차가 갖고 있는 운동에너지를 이용하여 동륜에 장착된 견인전동기(Traction Moter)를 일시적으로 발전기로 변환시켜 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 원리이다. 여기서 발전된 전기에너지를 전열기로 방출시키는 것을 발전제동이라 하고 전기철도에서 전차선을 통해 전원측으로 다시보내어 재사용하는 것이 전력회생제동이다. 전기제동은 공기제동에 부가하여 병용해서 사용하며 감속을 목적으로 하고 있는 것이 특징이다.
다. 열차제동의 특징
관통제동을 사용하는 열차제동의 특성을 열거하면 다음과 같다.
(1) 제동거리가 길다.
열차제동은 관통공기제동의 특성에 의해 공주시간이 길고 따라서 공주거리를 포함한 제동거리도 길다. 뿐만 아니라 강철인 차륜과 레일의 마찰계수(점착계수)가 낮아 자동차에 비해 제동거리가 긴 것이 특징이다.
(2) 제동력은 점착력에 제한을 받는다.
제동력은 커야하나 최대제동력은 점착력보다 커서는 않되는 것이 한계이다. 즉 제동력의 한계치는 레일과 차륜간의 마찰계수와 차륜이 레일을 누르는 힘(점착중량)과의 상승적인 점착력보다 작거나 최소한 같아야 하는 한계를 지니고 있다.
(3) 제동거리는 제동초기 속도의 제곱에 비례한다.
열차의 제동거리는 공주거리와 실제동거리를 합한 거리이며 실제동거리는 제동력에 반비례하고 속도의 제곱에 비례하여 길어진다. 참고로 간이 산출식에서 의해 구한 열차의 비상제동거리는 100km/h시 여객열차 500m,화물열차 714m이며, 150km/h시에는 여객 1,125m, 화물 1,607m이다.
또한 경부고속철도의 경우 상용제동시 6,500~7,000m, 비상제동시 3,000~3,500m이다.
열차제동거리는 왜 길까?
열차의 제동거리는 자동차에 비해 훨씬 길다.
100km/h로 달리는 자동차의 제동거리는 약 100m인데 반해 열차의 제동거리는 약 500m가 되어 5배 가까이 된다.
그럼 왜 열차의 제동거리는 그렇게 길까,그 이유는 무엇일까? 이에 대한 해답을 찾아보자.
먼저, 제동시스템의 차이에서 찾아 볼수 있다.
자동차의 제동은 운전자가 제동을 잡기 위해 브레이크 페달을 밟게 되면 그 압력이 브레이크 오일(Brake Oil)에 전달되고 Brake Cylinder에 전달되어 Brake shoue가 곧바로 Disk 또는 Drum을 압착하여 차륜의 회전을 저지함으로써 제동작용이 이루어지게 된다. 이러한 제동시스템을 직통제동이라 한다.
그러나 열차는 이러한 직통제동을 사용할 수 가 없다.
왜냐하면 열차는 여러개의 차량을 연결하여 운행하고 있기때문에 자동차와 같은 직통제동을 사용할 경우에 운행중인 열차가 도중에서 분리가 된다면 제동작용에 직접작용하는 압력을 넣어줄 수 있는 방법이 없어 분리가 된 차량은 제어가 불가능하게 되어 대단히 위험하게 될 것이다. 뿐만 아니라 열차의 길이가 긴 경우 열차의 후미부근에서 위험한 상태가 발생하였을 때 열차의 최전부에 승차한 기관사가 이를 알지 못하는 경우 열차의 후미 쪽에 승차한 사람이 열차를 비상정차 시킬수 있어야 한다.
이를 요약하면
a. 운행중인 열차가 도중에서 분리가 되었을때 자동적으로 열차를 정차시킬수 있어야하고,
b.열차 후부 쪽에서 위험한 상태가 발생되면 그 차량에 승차하고 있는 열차승무원이나 승객이 열차를 비상정차 시킬수 있어야 하며,
c.가장 기본적으로 열차 앞부분에서 기관사가 임의대로 제동을 체결할 수 있어야 하며,이때 제동작용이 열차 전후에 동시에 작용되어야 한다.
이러한 조건을 충족시킬수 있는 제동이 바로 열차에 채택하고 있는 관통제동시스템이다.
관통제동시스템이란 평소에 콤퓨레샤에서 압축된 압력공기를 제동관(brake pipe)을 통하여 각 차량에 보내게 된다. 이 압력공기를 일정한 공기통(보조공기통 또는 공급공기통)에 미리 저장해 놓았다가 제동을 체결할 필요가 있을때에는 제동관 내의 압력공기를 대기로 배출시키고 배출시킨 압력의 차이만큼 보조 또는 공급공기통의 압력공기를 제동통으로 보내 그 압력에 의해 제동통(brake cylinder) 피스톤을 밀어 제동작용을 일으키게 하는 시스템이다.
정리하면 자동차 제동은 제동페달을 밟는 즉시 제동작용이 이루어 지게되나, 열차제동은 제동을 체결하기 위해 제동레바를 취급하면 그 위치에 따라 먼저 제동관내의 압력공기가 대기로 빠지게 되고 그 빠진 압력만큼 보조 또는 공급공기통의 압력공기가 제동통으로 유입되어 제동작용이 이루어지는 관계로 공주시간과 공주거리가 길어지는 제동시스템의 차이로 인하여 열차제동거리가 자동차의 제동거리보다 훨씬 길어지게 되는 것이다.
두번째로, 차륜과 궤조와의 점착력의 제한을 받기때문이다.
열차는 철재의 레일과 철재의 차륜이 상호 접촉하여 운동한다.표면이 매끄러운 강철과 강철이 접촉함에 따라 마찰계수가 일반적으로 적은편이다.
궤조(Rail)와 차륜(Wheel)간의 마찰계수와 동륜이 궤조를 누르는 힘과의 상승적을 점착력이라 한다.
제동력이 이 점착력을 초과하는 경우에는 차륜이 궤조위를 미끄러지는 활주(Skid)가 발생한다. 차륜의 활주가 발생되면 마찰계수는 급격히 감소하게 되며, 그 결과 제동거리는 길어지게 된다.
따라서 열차제동거리가 가장 짧게 되는 최대 제동력은 점착력보다 커서는 않된다.
다시말하면,열차의 최대 제동력은 점착력에 제한을 받게되며,이 점착력은 마찰계수가 큰 변수로 작용한다.
레일과 차륜간의 마찰계수는 열차의 속도,레일면의 상태(기름기,습기,서리,비 또는 강설,쌓인 먼지 낙엽 등)에 따라 변화한다.
세번째로, 차륜과 제륜자간의 마찰계수의 제한을 받기 때문이다.
제동통내에 유입된 압력공기가 피스톤(Piston)을 밀어 내면서 발생되는 압력은 제륜자가 차륜답면을 눌러 마찰력에 의해 제동작용이 일어난다. 이 마찰력은 철재의 차륜과 제륜자 상호간에 발생하게 된다. 즉 차륜과 제륜자간의 마찰계수가 주요한 변수로 작용하게 되며,여기서도 제륜자가 차륜을 누르는 힘은 마찰력보다 커서는 안된다. 만일 마찰력보다 크게되면 차륜은 회전이 정지되어 결국 차륜의 활주가 일어나기 때문이다.
열차의 제동은 큰 운동에너지를 열에너지로 바꾸는 것이며 큰 운동에너지를 짧은 시간에 무리하게 정지시키려고 하면 차륜을 지탱하고 있는 레일에 무리가 생겨 레일이 견디지 못하고 휘거나 곡선인 경우 레일의 전도가 일어나게 되어 너무 큰 제동력을 가지는 것도 열차의 안전상 문제가 발생하게 된다.
열차의 제동거리가 길어지는 것은 열차제동,즉 관통제동에 의한 공주거리가 길어지고, 제륜자와 차륜간의 마찰력의 제한,차륜과 레일간의 점착력에 의한 제한,열차안전을 확보하기 위한 기술적인 문제 등에 기인하여 발생하는 것이다.