철도차량의 주행 안전에 관련된 기술 검토

초록

철도의 개발 초기에 나타난 첫 번째 중요한 문제는 철도차량을 궤도를 따라 잘 안내하고, 차륜 플랜지의 과도한 마모를 줄이는 것이었다. 이 두 가지 문제에 대한 해결책은 19세기 초반에 이르러 원추형 차륜을 도입하고, 차륜 플랜지와 레일 두부 측면 사이에 간격을 둠으로써 달성되었다. 이는 최초의 도시 간 대중 철도인 맨체스터-리버풀 증기기관차를 제작한 George Stephenson 이래로 초기 철도차량 제작자들의 직감과 경험에 의한 결과였다.[1] 그러나 이 당시 철도차량 설계자들은 원추형 프로파일을 가진 차륜으로 인하여 철도차량이 주행 중 횡 방향의 저주파수 운동이 나타나는 것을 이미 알고 있었는데, 이는 현재 동적 진동(Kinematic Oscillation)이라고 알려져 있는 것이다. 컴퓨터를 이용한 수치해석방법으로 여러 자유도를 가지는 기계적 시스템의 운동방정식의 해를 얻는 것이 가능하기 전에는, 철도차량의 동력학적 특성은 주로 이론적인 방식으로 이루어졌으며, 철도차량의 주행안정성과 주행안전에 초점이 맞춰졌다. 이 시점에서 차륜의 사행동(Hunting) 운동에 대한 W. Klingel의 연구와 차륜이 레일을 타고 오름에 의해 탈선위험이 발생하는 동적 상태를 규명하기 위한 J. Nadal의 연구는 주목해야 할 것이다. 이 연구의 결과는 백년이 넘게 경과했음에도 불구하고 철도차량-궤도 시스템의 모델링과 동력학적 시뮬레이션 분야에서 매우 큰 발자취를 남기고 있으며, 여전히 빈번하게 사용되고 있다. 본고는 주행안전과 관련된 철도차량-궤도 상호작용에 의해 발생되는 동력학적인 문제들에 대해 검토한 것이다. 주행안전 평가에 사용되는 기준은 주로 유럽에서 사용되고 있는 표준에 근거해서 언급되었다. 철도차량 탈선메커니즘과 그에 따른 주행안전 기준 및 이와 관련된 동력학적인 현상도 논의되었다."