공전현상
1. 개요
Locomotive wheelslip / Locomotive wheelslide
空轉現象
철도차량의 차륜이 선로 위에서 헛도는 현상. 휠의 견인 또는 제동토크는 휠 답면과 레일 상부의 점착력을 통해 견인/제동력이 되는데 견인/제동력이 점착력보다 클 경우 발생하는 현상이다. 그 특성 상, 동력차량에서 많이 발생한다.
2. 사례
32초부터, '''공전현상이 무엇인지 한눈에 보여준다.'''
전기기관차의 공전모습. 해당 영상의 기관차는 봄바르디어의 TRAXX이다,
제동시에 발생하는 활주현상.[1]
[2]
3분 22초, 4분 19초 부분.
무겁고 속도가 낮아 둔탱이로 잘 알려진 증기 기관차의 경우에도 발생할 수 있다. 맨 위의 애니메이션 짤방처럼 출발하기 직전 바퀴가 헛도는 묘사가 '''절대로 만화적 과장이 아닌 셈'''이다.[3]
3. 발생하면 어떤 영향이 있는가?
슬립 슬라이드 현상이 발생하게 되면 마찰력이 줄어들면서(최대정지 마찰력 > 운동 마찰력) 차륜이 헛돌게 되는데, 이럴 경우 휠 답면의 손상[4]이 발생한다. 이는 작게는 승차감의 저하[5]부터 윤축이나 대차 프레임의 피로 균열, 심하면 차륜이나 대차 프레임의 파손으로 인한 대형 사고까지 일으킬수 있다. 또한 유지 보수 입장에서는 차륜의 답면 테이퍼를 관리하기 위한 잦은 삭정, 잦은 삭정으로 인한 차륜 수명 감소, 또한 인접 차륜, 대차와의 직경차 관리를 위한 정상 차륜 삭정 및 축 교환[6]으로 유지보수 비용 증가 및 차량 운용율에도 악영향을 준다. 이래저래 반드시 잡아야할 현상.
4. 왜 발생하는가
차륜의 상태, 철로 표면의 상태, 경사도, 피견인차량(객차, 화차)의 중량 등 다양한 이유가 있지만 가장 기본적인 원인으로는 동력차량의 중량 당 추력비가 지나치게 높을 경우로 꼽고 있다. 예컨대 '''차량 출력이 강력하고 중량이 가벼울 경우''' 공전현상이 발생할 확률이 높아진다.
동력집중식의 경우 기관차 1량에 출력이 집중돼 있으나 중량은 120t 내외[7]으로 제한되기 때문에 기관출력에 의한 휠의 토크가 점착력을 넘어서는 경우가 많으나 동력 분산식의 경우 편성 총 출력에 비해 동륜[8] 총 중량이 커서 동력분산식의 경우는 많이 발생하지 않는다. 다만 비나 눈, 낙엽이나 스퀼소음 방지를 위한 레일 또는 플렌지 도유기에 의해 점착계수가 떨어진 경우에는 아무리 동력분산식이라도 답이 없다.
5. 슬립/슬라이드의 제어
이래 저래 돈 깨지는 소리가 들리는 슬립/슬라이드를 제어하기 위해 우선 점착력에 대해 이해할 필요가 있다. 점착력은 레일과 차륜간의 상호작용에 의해 발생하는 점착 계수에 따른 힘이다. 철도차량은 이 점착계수와 차량 중량에 의해 발생하는 점착력 이내에서 견인, 제동력을 발생시킨다. 이 점착력은 휠과 레일의 상대속도에 의해 발생하는데 이 상대속도가 0일때 최소였다가 상대속도가 점점 미세하게 차이나면서 최대치가, 그 이상이 되면 다시 급격하게 떨어진다. 이때 최대치가 발생하는 미소 슬립영역을 크리프영역이라 하며 차량의 속도(즉 휠의 속도)는 이 영역에서 정밀하게 제어될 필요가 있다.
즉, 슬립/슬라이드 발생시 차량의 견인/제동력을 차단해서 해당 차륜과 레일과의 상대속도를 0으로 만든 후 다시 크리프 영역으로 돌아가는 것이 기본이다.
5.1. 공전 제어
공전은 차량의 견인력에 의해 발생한다. 차량의 추진제어장치에서 속도 또는 견인전류를 감시하고 있다가 기준속도[9] 또는 기준 견인전류와의 차이가 설정치 이상이면 공전으로 인식한다. 견인전류 또한 공전의 기준이 되는것은 공전으로 인한 점착계수 감소로 해당 휠에 걸리는 부하가 급감 하면서 견인전류가 급감하기 때문이다. 이 때 해당 추진제어장치는 공전이 발생한 전동기 또는 대차의 견인력을 차단 후 미리 설정된 견인력 곡선에 따라 시간을 두고 천천히 견인전류를 상승시킨다. 이때 중요한 것이 견인전류를 상승시키는 시간. 이 상승시간이 너무 빠르면 다시 휠 슬립이 발생하며 너무 느리면 차량 견인을 위한 견인력이 쓸모없이 낭비되는 꼴이라 경험에 의해 최적 시간을 정하여 설정 해야 한다. 이때 동력 집중식 차량은 살사장치[10]를 통해 강제로 모래를 뿌리기도 한다.영상 동력분산식의 경우는 공전에 비교적 강하므로 살사장치가 없는 경우가 많다.
5.2. 활주제어
활주제어는 해당 윤축의 활주 뿐만 아니라 기준 속도 정보와 활주제어의 동작 정보를 가지고 차축 고착을 감시하기도 한다. 활주를 감지하여 활주 제어를 수행했음에도 활주상황이 해소 되지 않으면 차축 고착 고장을 띄우는 식. 또한 공전제어보다 더 중요한 제어이기도 한데 공전이 발생하여 차량이 안가는 경우는 안가면 그만이지만 활주제어가 안되면 차량이 못서기 때문. 아예 못서는 건 아니지만 안그래도 긴 제동거리가 더 길어지는 일이 발생하기 때문이다. 철도차량에서 제동이 차지하는 중요성을 생각해 보면 있어서는 안될일.
5.2.1. 동력차의 경우
활주는 차량의 제동력에 의해 발생한다. 제동은 전기제동과 공기제동 두가지로 나뉘며 전기제동의 경우는 견인때와 동일하게 동작한다. 이때도 제동력 상승 시간이 중요한데 이것 또한 경험에 의한 설정 말고는 답이 없다.
5.2.2. 피견인차량의 경우
객차나 화차등 끌려가는 부수 차량에는 공전이 발생하지 않는다. 동력이 없기 때문. 따라서 동력차와 달리 견인/제동전류에 의한 활주제어는 불가능 하며 각 윤축에 설치된 속도센서를 통해 받은 속도 정보만을 가지고 활주를 제어한다. 이때 제동장치는 제어를 위한 해당대차와 기준속도 측정을 위한 인접대차의 속도 정보를 받아오며 이 평균 속도를 기준속도로 하여 각 윤축의 속도가 기준속도 이하이면 덤프밸브[11]를 동작시켜 제동력을 0으로 제어한다. 앞서 설명한 취약 상황에서 전동차가 지상구간 주행중 제동시에 하부에서 픽픽 하는 소리가 어떻게든 서볼라고 제동장치의 덤프밸브가 동작하는 소리다. 배기후 그냥 내버려 두는 건 아니고 다시 충기하는데 이때도 시간 설정을 조절하여 재 활주를 방지한다.
6. 한국 철도
8100, 8200호대 전기기관차의 공전현상이 유명한데, 전술했다시피 출력은 강력한 반면 중량이 가볍기 때문이다.[12] 덕분에 강력한 최대출력에도 불구하고 빈약한 견인력(330kN) 덕분에 상대적으로 무거운 화물열차 견인은 꿈도 못꾸고 여객용으로 운용되고 있다. 오히려 최대출력은 낮지만 차량중량이 무거운 8000호대 전기기관차[13]가 훨씬 강력한 견인력(426kN)을 보유했으며 화물철도에서 요긴하게 사용중이다. 이후 화물견인에 특화된 8500호대 전기기관차[14]를 도입하면서 8000호대의 자리를 물려받는 중.
7. 기타
보통 사람들이 생각하는 최대출력이 높은 차량 = 곧 무거운 화물을 끌 수 있는 차량이라는 공식을 박살내는 자연현상. 출력과 중량이 적절하게 조화를 이루어야 최적의 성능을 뽑아낼 수 있다.
그 특성 상, 동력분산식 차량보다는 동력집중식 차량에서 발생할 확률이 높다.
8. 관련 문서
[1] ABS가 달리지 않은 자동차의 브레이킹록과 유사한 현상이다.[2] 해당 영상의 기관차는 LNER A1/A3.[3] 이 문제로 골머리를 앓았던 기관차가 테스트용 차량인 PRR S1이다.[4] 슬립의 경우 답면과 레일간의 마찰열로 인한 답면부의 열 손상으로 인한 박리, 슬라이드의 경우 답면이 일자로 파이는 답면 찰상이 대표적이다.[5] 가장 쉽게 느낄수 있는게 지하철 타면서 주행 속도에 따라 일정하게 변하는 쿵쿵쿵쿵...하는 소리. 지상, 고속주행 구간이 많은 코레일 차량에서 자주 일어나는 것 같다.(...)[6] 1C2M등 하나의 인버터로 여러 축을 구동하는 경우 인버터 주파수로 설정된 제어 속도와 실제 휠 속도의 차이로 인한 인버터 고장이 우려되어 한개 대차에 휠 반경 차이는 4mm이내로 관리된다.[7] 7500대 특대형 기관차 기준.[8] 견인/제동력을 발생시키는 차륜.[9] 기준속도는 차량에 따라 다르다. 객차 대차와 같이 무동력 차량의 휠 속도도 될수 있고 해당 동력차의 구동륜 속도의 평균치일 수도 있다.[10] 점착계수 증대를 위해 휠 답면과 레일사이에 건조 모래를 뿌리는 장치.[11] 자동차에 달리는 ABS와 유사하다. 각 제동통에 공급 되는 공압을 강제로 배기시키는 밸브이다. 보통 제동장치에서 나온 최종 출력이 제동통으로 들어가기 직전에 설치된다.[12] 무려 7천 마력급 기관차임에도 중량이 채 90톤도 안 된다!!! 거기다 B-B 구성의 4축 배치도 한몫했다.[13] 5,300마력/132톤, 6축[14] 8,800마력/132톤, 6축, 견인력 450kN.