1. 개요
空轉現象Locomotive wheelslip / Locomotive wheelslide
철도차량의 차륜이 선로 위에서 헛도는 현상. 휠의 견인 또는 제동토크는 휠 답면과 레일 상부의 점착력을 통해 견인/제동력이 되는데 견인/제동력이 점착력(마찰력)보다 클 경우 발생하는 현상이다. 한마디로 요약하면 열차에 TCS가 없어서 일어나는 현상이라 보면 된다.
2. 사례
공전현상이 무엇인지 한눈에 보여준다.
전기기관차의 공전모습. 해당 영상의 기관차는 봄바르디어의 TRAXX로, 유럽권의 전기기관차 다수는 출력에 비해서 축중이 높은 것도 아니고 영상 속 기관차처럼 Bo'Bo' 구조를 채택해서 바퀴 수가 많은 것도 아니기 때문에 공전현상이 생각보다 빈번하게 생기며, 비슷한 구조의 지멘스 오이로슈프린터와 그걸 기반으로 국산화하여 만든 한국철도의 8100, 8200호대 전기기관차 역시 동일한 문제를 안고 있다.
제동시에 발생하는 활주현상. ABS가 달리지 않은 자동차의 브레이킹록과 유사한 현상이다.
해당 영상의 기관차는 LNER A1/A3.
4분 19초 부분도 참고.
엔진 힘은 센데 바퀴가 헛돌면 맨 위 영상처럼 증기기관차의 바퀴에서도 불티가 나온다.
무겁고 속도가 낮아 둔탱이로 잘 알려진 증기 기관차의 경우에도 발생할 수 있다. 단순히 레일을 누르는 힘 만의 문제가 아니라 철길과 바퀴 사이 마찰력이 자동차에 비해 낮은 것도 원인. 맨 위의 애니메이션 짤방처럼 출발하기 직전 바퀴가 헛도는 묘사가 절대로 만화적 과장이 아닌 셈이다. 이 문제로 골머리를 앓았던 기관차가 테스트용 차량인 PRR S1이다.
3. 영향
슬립 슬라이드 현상이 발생하게 되면 마찰력이 줄어들면서(최대정지 마찰력 > 운동 마찰력) 차륜이 헛돌게 되는데, 이럴 경우 휠 답면이 손상된다[1]. 이는 작게는 승차감의 저하부터 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[2]으로 유지보수 비용 증가 및 차량 운용율에도 악영향을 준다. 이래저래 반드시 잡아야 할 현상.4. 원인
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 7500대 특대형 기관차 기준 중량은 120t 내외로 제한되기 때문에 기관출력에 의한 휠의 토크가 점착력을 넘어서는 경우가 많으나 동력 분산식의 경우 편성 총 출력에 비해 동륜[3] 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. 특히 우천이나 강설의 경우에는 서울의 수도권 지하철 지상 구간조차도 열차가 출발할 때의 승차감 저하에 관여하기도 한다. 바퀴가 헛돌면서 열차가 비정상적으로 흔들리는 게 승객들에게 그대로 느껴지게 되기 때문.
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 차량, 즉 휠의 속도)는 이 영역에서 정밀하게 제어될 필요가 있다.이에 따라 슬립/슬라이드 발생 시 차량의 견인/제동력을 차단해서 해당 차륜과 레일과의 상대속도를 0으로 만든 후 다시 크리프 영역으로 돌아가는 것이 기본이다.
5.1. 공전 제어(TCS)
공전은 차량의 견인력에 의해 발생한다. 차량의 추진제어장치에서 속도 또는 견인전류를 감시하고 있다가 기준속도[4] 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.이는 트랙션 컨트롤 시스템에 자세한 원리가 소개돼있다.
5.1.1. 살사 장치
이때 동력 집중식 차량은 점착계수 증대(마찰력 증가)를 위해 휠 답면과 레일사이에 건조 모래를 뿌리는 장치인 살사장치를 통해 강제로 모래를 뿌리기도 한다. 동력분산식의 경우는 공전에 비교적 강하므로 살사장치가 없는 경우가 많다.
이는 증기 기관차 시절부터 유래된 오랜 기술이다.[5] 영상을 보면 증기 기관차가 공전현상 때문에 건널목을 건너지 못하자, 철로에 마찰용 모래를 뿌림과 동시에 영상의 7분 10분즈음부터 살사장치를 작동시켜 공전현상 구간에서 벗어난 것을 볼 수 있다.
5.2. 활주제어(ABS)
활주제어는 해당 윤축의 활주뿐만 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. 이러한 제어는 ABS를 통해 이루어진다.또한 활주제어는 공전제어보다 더 중요한 제어이기도 한데 공전이 발생하여 차량이 안 가는 경우는 안 가면 그만이지만
5.2.1. 동력차의 경우
활주는 차량의 제동력에 의해 발생한다. 제동은 전기제동과 공기제동 두 가지로 나뉘며 전기제동의 경우는 견인 때와 동일하게 동작한다. 이때도 제동력 상승 시간이 중요한데 이것 또한 경험에 의한 설정 말고는 답이 없다. 늘려보고 괜찮으면 줄이고 줄였다가 활주제어가 안 돼서 제동 전류가 난리를 치면 다시 늘리고... 하는 식이다.5.2.2. 피견인차량의 경우
객차나 화차 등 끌려가는 부수 차량에는 동력이 없으므로 공전이 발생하지 않는다. 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[6]를 동작시켜 제동력을 0으로 제어한다. 앞서 설명한 취약 상황에서 전동차가 지상구간 주행중 제동시에 하부에서 픽픽하는 소리가 어떻게든 멈춰 보려고 제동장치의 덤프밸브가 동작하는 소리다. 배기 후 그냥 내버려 두는 건 아니고 다시 충기하는데 이때도 시간 설정을 조절하여 재 활주를 방지한다.6. 한국 철도
8100, 8200호대 전기기관차의 공전현상이 유명한데, 무려 7천 마력급 기관차임에도 중량이 채 90톤도 안 되어서 출력 대비 엄청나게 가벼운 중량을 자랑하기 때문에 공전현상이 자주 발생한다. 거기다 B-B 구성의 4축 배치도 한몫했다. 덕분에 강력한 최대출력에도 불구하고 빈약한 견인력(330kN) 덕분에 상대적으로 무거운 화물열차 견인은 꿈도 못꾸고 여객용으로 운용되고 있다. 오히려 최대출력은 낮지만 차량중량이 무거운 8000호대 전기기관차[7]가 훨씬 강력한 견인력(426kN)을 보유했으며 화물철도에서 요긴하게 사용중이다. 이후 화물견인에 특화된 8500호대 전기기관차[8]를 도입하면서 8000호대의 자리를 물려받는 중이다.7. 기타
보통 사람들이 생각하는 최대 출력이 높은 차량 = 곧 무거운 화물을 끌 수 있는 차량이라는 공식을 박살내는 자연현상이라 할 수 있다. 출력과 중량특성 상 동력분산식 차량보다는 동력집중식 차량에서 발생할 확률이 높다. 물론 눈이나 비가 오면 동력분산식 차량도 얄짤없다.[9]
8. 관련 문서
[1] 슬립 발생 시 답면과 레일 간의 마찰열로 답면에 열 손상이 발생하여 박리 현상이 나타나고, 슬라이드가 발생한 경우 답면이 일자로 파이는 답면 찰상이 나타나는 경우가 대부분이다.[2] 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.[3] 견인/제동력을 발생시키는 차륜.[4] 기준속도는 차량에 따라 다르다. 객차 대차와 같이 무동력 차량의 휠 속도도 될 수 있고 해당 동력차의 구동륜 속도의 평균치일 수도 있다.[5] 증기 기관차의 사진을 보면 화통(보일러)의 가운데에 낙타 등처럼 생긴 물건이 있는 것이 보이는데, 이것이 모래를 담아두는 통(+증기 저장용 압축기)다. 단, 압축기만 보이는 기관차가 있는가하면(이 경우 오늘날의 기관차처럼 차량 측면에 장착되기도 한다.) LNER A4처럼 고속열차용 기관차의 경우 고속주행용 외장 커버를 장착해서 보이지 않는 경우도 있다.[6] 자동차에 달리는 ABS와 유사하다. 각 제동통에 공급 되는 공압을 강제로 배기시키는 밸브이다. 보통 제동장치에서 나온 최종 출력이 제동통으로 들어가기 직전에 설치된다.[7] 5,300마력/132톤, 6축[8] 8,800마력/132톤, 6축, 견인력 450kN.[9] 비나 눈이 올때 지상구간 전철을 타면 구동음이 어설프고 이상하게 들리는데 바로 공전현상 때문이다.