1. 서론

철도는 가선, 차량, 궤도, 구조물 등 많은 설비로 구성되어 있는 시스템이다. 이 철도시스템의 다이나믹스(철도역학)에 관한 연구개발은 열차의 주행에 따라 발생하는 각 부분의 진동과 지진동 등의 외력을 받았을 때의 응답이라는 두 가지 과제를 주요 대상으로 하고 있다. 철도시스템의 진동은 소음 등의 배출원뿐만 아니라 안전성 및 각 요소의 노화에도 영향을 미친다. 또한, 가선/팬터그래프계, 차륜/레일계와 같이 두 개의 물체가 서로 접촉하면서 이동하는 철도 고유의 현상도 포함하여 이러한 차량의 주행에 불가결한 상호작용은 동시에 마모, 손상을 일으키는 요인이 되고 있다.

이상과 같이, 철도역학에 관한 현상에 대해, 철도종합연구소에서는 안전성, 신뢰성의 향상, 보수의 저감, 환경과의 조화를 키워드로 하는 실험, 계측방법의 개발, 현상의 해명과 해석수법의 개발을 추진해 왔다. 본 보고에서는 특히, 안전성, 신뢰성 향상과 보수의 저감에 관한 최근의 연구를 제시하고 그 개요와 앞으로의 대응에 관하여 정리하였다.

2. 가선/팬터그래프계

2.1. 팬터그래프 접촉력

팬터그래프와 가선의 상태를 평가하는 데 중요한 역할을 하는 것이 양자간에 작용하는 접촉이다. 이 접촉력을 측정하기 위해서 지금까지는 주로 팬터그래프에 가속도계 및 변형(뒤틀림)센서를 설치하는 방법을 실용화하여 적용해 왔다. 그러나, 이 방법은 팬터그래프의 부재에 구멍을 뚫거나, 케이블을 배선하는 등의 특수한 세공이 필요하고, 특히 최근 개발된 다분할판 방식의 팬터그래프에서는 실용적인 센서 및 배선의 장착이 곤란한 경우가 있다.

새롭게 라인센서 카메라로 촬영한 화상으로부터 화상처리에 의해 접촉력을 측정하는 방법을 개발하였다. 화상자료의 처리방법 등을 개선한 결과, 가진시험장치에서의 성능평가시험에 의해 다분할판 방식의 팬터그래프에서도 약 17Hz 이하의 접촉력 변동을 높은 정도로 측정할 수 있다는 것을 확인하였다.

한편, 접촉력 변동을 저감시키는 제어기술의 적용은 행거 사이의 간격 및 지지점 사이의 간격에 대응한 접촉력 변동을 저감하여 넓은 속도범위에서 양호한 집전성능을 얻을 수 있는 방법으로 기대된다.

2.2 트롤리선의 마모 예측

트롤리선의 수명연장에는 국부적인 마모의 진행을 예측하여 설비를 개선, 관리하는 것이 중요하다. 따라서, 팬터그래프 접촉력 및 이선(離線)아크를 지상측에서 측정하는 방법을 개발하여, 신칸센 영업소선에서 3년간의 측정자료로부터 트롤리선의 마모 예측모델을 구축하였다. 이 모델은 트롤리선의 마모량이 접촉력, 이선아크, 집전전류 3개의 마모요인의 함수에 의해 결정된다고 가정하여 실측치에 의한 각 요인의 영향도를 산정한 것이다. 실측치와의 비교에 의해 예측모델에 의한 마모량 추정결과는 이선이 많은 장소와 그렇지 않은 장소의 마모경향을 정확하게 표현하고 있다는 것을 확인하였다. 또한, 새롭게 개발한 지상측에서의 접촉력 측정법은 각 팬터그래프의 양력을 포함한 접촉력을 직접 측정 할 수 있는 이점이 있어, 이선아크 측정법은 아크광의 자외선을 검출하기 위해 밤낮에 관계없이 측정이 가능하다.

(그림) 트롤리선 마모예측을 위한 지상 관측

2.3. 팬터그래프의 이상 검출

종래선을 주로 대상으로, 트롤리선에 복수의 가속도계를 설치하고 그 신호를 처리하여 팬터그래프 인쇄판의 단부(段付)마모를 검출하는 방법의 개발을 추진하고 있다. 앞으로 보다 고속영역에서의 자료취득 등을 수행하여 현지 시험 가능한 이상검출시스템을 구축해 나갈 계획이다.

3. 차륜/레일계

3.1. 차륜과 레일의 마모

곡선반경 및 선구(線區)의 열차조건에 대응하여 차륜 플런지와 레일 케이지 코너의 마모 진행 및 형태변화를 예측하는 모델을 구축하였다. 이 예측모델은 차륜과 레일의 단단함, 차량의 곡선주행에 따른 차륜과 레일 사이의 접촉면 압력, 접선력, 미끄러짐 함수로서 접촉면의 마모량을 표현한 것으로 이러한 조건을 변화시킨 모형론에 의한 실내시험으로부터 각 요인의 영향도를 나타내는 마모계수를 구하였다. 또한, 구체적인 차륜과 레일의 마모 및 급곡선에서의 소음대책으로서 차량 위에서 마찰완화제를 살포하는 FRIMOS(마찰완화시스템)의 개발을 수행하였다. 이외에, 마찰완화재, 수계윤활제, 윤활유 도포에 의한 곡선내궤, 외궤윤활의 적정화에 관한 연구를 수행하고 있으며, 횡압 저감효과 및 연장성 등 재료 자신의 성능향상뿐만 아니라, 안전성 및 경제성과 같은 측면에서 최적의 윤활방법을 제안하려고 한다.

3.2. 레일의 손상

셀링(shelling), 마찰에 의한 균열, 측(側)마모와 같은 주요 레일손상의 발생과 진행을 해석에 의해 평가하기 위한 “레일손상 모델”을 구축하였다. 이 모델은 롤링접촉 피로에 의한 변형의 축적으로부터의 균열 발생을 예측하여 파괴역학론에 기초한 모델을 이용하여 균열의 진행을 해석한다. 구체적인 모델의 적용 예로서 현지조사 자료에 기초한 레일 손상의 탐사에 의해 균열이 확인된 경우 레일 파단에 이르기까지의 통과량을 예측하여 적절한 레일 교환시기와 손상주기를 정하는 방법을 제안하였다. 앞으로, 열처리 레일에 관해서도 기초실험을 실시하여 게이지코너(gauge corner) 균열의 진행 예측에도 활용할 수 있는 모델로 이용할 계획이다.

4. 차량/궤도/구조물계

4.1. 지진 시 주행 안전성

(1) 차량 탈선방지 대책

상시주행과 달리, 지진 시에는 차량의 차체 사이가 크게 변위된다. 따라서, 지진 시 주행 안전성 향상책의 하나로서 피스톤 속도가 통상적으로 사용범위를 넘은 경우에 감쇠력이 증가하는 지진 시 탈선방지 대책용 좌우동 댐퍼(지진대책 댐퍼)를 개발하였다. 이 댐퍼는 종래 댐퍼를 교환하는 것만으로 지진 시에 효과를 발휘하고, 상시 주행성능에는 전혀 영향을 미치지 않는다. 앞으로, 좌우동 스토퍼의 특성변경과 지진 대책 댐퍼를 조합시켜 보다 큰 지진 시 주행 안전성 향상 효과가 얻을 수 있는 대책의 개발을 추진한다.

(2) 탈선 후 차량 일탈방지 대책과 리스크 평가

차량과 구조물의 동적 상호작용 해석 프로그램 DIASTARS(Dynamic Interaction Analysis for Shinkansen Train and Railway Structures)를 개발하여 각종 고가교 및 교량, 연속된 구조물군 등의 진동과 지진 시 주행 안전성의 평가에 활용해 왔다. 이 DIASTARS를 개량, 기능을 향상시켜 대규모 지진에 의해 탈선된 후의 2차 피해경감을 목적으로 한 차량일탈방지 대책의 평가에도 대응하고 있다. 새로운 DIASTARS III에서는 슬라브 궤도뿐만 아니라 밸러스트 궤도상에서의 탈선 후 열차주행 해석도 가능하다. 이 해석 정도를 높이는 것은 탈선 후 차륜과 콘크리트벽과의 충격 및 파괴라는 현상을 분명히 밝힐 필요가 있다. 

따라서 부분 모형에 의한 콘크리트 부재 및 PC 침목의 차륜충돌 실험을 실시하여 유한요소 모델을 이용한 고속 충격 응답해석방법을 함께 개발하였다. 본 연구에 의해 차륜 플런지가 충돌하였을 때, 콘크리트 부재의 파괴모드를 밝혀내고, 탄소성 변형을 고려한 충격력을 높은 정도로 평가할 수 있게 되었다. 또한, 이러한 성과를 활용하여 구조물군 위를 주행하는 열차의 지진 시 주행 안전성에 관한 취성(fragility)곡선을 산출하여 차량 일탈방지대책의 효과를 밝혀내었다. 리스크 평가에 관해서는 대규모 지진에 의한 구조물의 부동변위의 영향도 고려하여 지진 피해발생율의 추정 정도 향상을 도모한다.

구조물의 내진진단 및 주행성 평가를 위해서는 상시 미동측정에 의한 구조물의 등가 고유 주기추정법의 연구도 실시하였다. 비접촉 진동 측정시스템 U도플러 및 미동계를 이용한 지표면, 교각, 교항의 상시 미동을 동시에 계측할 수 있는 채널 동기시스템을 개발함과 동시에 ERA(Eigensystem Realization Algorithm)에 의한 모드 분해와 1차모드에 최적화한 필드처리, 가정모드 형과의 MAC(Modal Assurance Criteria)에 의한 계측자료로부터 탄성 고유주기를 기계적으로 높은 정도로 추정할 수 있는 방법을 개발하였다. 또한 장출식 및 조정항식 라멘 고가교와 벽식 교각의 다수 측정결과에 기초하여 탄성 고유주기로부터 등가 고유주기를 추정하는 신뢰성 높은 환산식을 도출하여 제안하였다. 상시 미동측정에 의한 탄성 고유주기의 추정에 의해 구조물의 건전도를 신속하게 진단하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 성과에 의해 지반특성을 포함한 연속된 구조물군의 등가 고유주기를 높은 효율로 파악하는 것이 가능케 되어 구형 고가교 등의 지진 시 주행안전성 평가를 높은 정도로 수행할 수 있다.

(3) 발라스트 궤도의 변형 거동

지진 시 주행안전성을 평가하는 데 중요한 구조물 경계부의 유도상 궤도의 변형거동을 밝히기 위해 도상횡(道床橫) 저항력, 지진동, 구조물 제원 등이 유도상 궤도의 지진 시 변형거동에 미치는 영향에 관하여 검토를 추진하고 있다. 지금까지는 실물 대유도상 궤도의 가진실험, 연속하는 RC 라멘 고가교 상의 도상횡 저항력의 저감 특성을 고려한 좌굴(座屈)해석에 의해 잔류 변위를 포함한 실험결과의 타당한 평가가 가능 것을 확인하였다.

4.2. 상시 주행안전성(구조물의 부재 진동, 암반사면의 안전성)

열차의 고속화에 따른 구조물 음 및 지반진동의 현재화를 배경으로 RC 고가교의 중간 슬라브 및 장출 슬라브, 방음벽 등 각 부재의 진동특성을 해명하는 방법을 개발하였다. 이 방법을 적용하면, 대상 부재에 가속도계를 어레이 배치하여 해머링(hammering) 또는 주행열차를 가진원으로 하여 부재의 고유진동수 및 진동모드를 계측하는 것이 가능하다. 또한, 부재진동이 해석 가능한 유한요소 모델도 구축하여 속도향상 시의 안전성을 간편하게 평가할 수 있도록 특정 노선의 표준 RC 고가교를 대상으로 각 부재의 고유진동수와 열차속도에 대응한 충격계수를 참조할 수 있도록 표를 작성하였다. 이외에 교각의 휨 측정, 구조물의 진동측정에 의한 건전도 진단 등에 활용하고 있는 비접촉 진동측정 시스템 U도플러를 이용하여 철도 연선의 암반사면의 안정성을 평가하는 방법의 개발도 수행하고 있다.

4.3. 발라스트 궤도의 노화

발라스트 궤도의 소성침하는 열차 하중의 변동이 침목을 매개로 도상에 전파하는 것에 의해 촉진된다. 따라서, 현지 측정 및 실내실험을 수행하여 침목의 변형, 진동을 해석하고, 도상의 진동저감에 효과적인 침목 구조를 제안하였다. 또한, 3차원 입상체 모델에 의한 “발라스트 궤도 노화 모델”을 구축하고, 열차 통과 시의 발라스트의 병진, 회전거동을 밝혀내었지만, 종래의 개별요소 모델에는 실용적인 해석시간에서 고주파의 진동전파 현상을 재현하는 것이 곤란하였다. 이 점을 고찰하여, 2011년부터 개시된 장래 지향 과제 “철도 시뮬레이터의 구축”에서는 그 주요한 핵심 시스템으로서 유한요소법, 개별요소법을 이용한 “차륜~노반 사이의 대규모 병렬계산 모델”의 구축을 추진하고 있다. 실제로 측정이 곤란한 속도 300km/h에서 차륜이 레일 위를 주행할 때 발생하는 수kHz의 고주파 윤중변동이 레일~궤도 패드~침목~도상~노반으로 전파되어 도상 내부의 눈에 보이지 않는 발라스트가 어떻게 응답하는가를 해석에 의해 밝히는 것이 목적이다. 그 연구에서는 이론해석, 실험에 따른 “제3의 과학방법”으로 주목 받고 있는 HPC(high performance computing) 기술을 도입하여, 고도의 시뮬레이션에 의해 노화현상 그 자체를 추적하는 것을 목적으로 하고 있다.

5. 마무리

이상과 같이 서술한 연구 이외에도, 팬터그래프 공력음 저감방법의 개발 및 구조물 음, 지반진동의 해명 등 환경과의 조화를 목표로 한 연구개발을 추진하고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 단지 열차주행을 모의하는 것뿐만 아니라, 영업선에서 수년에 걸쳐 서서히 진행되는 현상을 계산에 의해 단시간에 재현하는 것이 가능하다. 따라서, HPC를 활용한 트롤리선, 차륜, 레일의 마모, 손상 및 발라스트 궤도의 침하 등 장기 노화 현상의 해명을 위해 재현, 예측하는 시뮬레이터의 개발이 앞으로의 중요한 연구과제가 될 것이다.