점착철도

접착 철도는 열차를 움직이기 위해 접착 트랙션에 의존한다. 부착력 트랙션은 구동 휠과 강철 레일 사이의 마찰이다.^[1] "접착철도"라는 용어는 자동차에 부착된 케이블을 잡아당기는 고정 엔진이나 랙으로 피니언 메싱으로 움직이는 철도와 같이 다른 수단에 의해 움직이는 철도와 부착 철도를 구분할 필요가 있을 때만 사용된다.

휠과 레일 사이의 마찰은 휠-레일 인터페이스 또는 접촉 패치에 발생한다. 견인력, 제동력, 중심력은 모두 안정적인 주행에 기여한다. 그러나 주행 마찰은 연료 소비량을 증가시키고 피로(재료) 손상, 레일 헤드 및 휠 림의 마모, 트랙션 및 제동력으로부터의 레일 이동 등을 해결하는 데 필요한 유지보수를 증가시킴으로써 비용을 증가시킨다.

마찰계수의 변동

트랙션 또는 마찰은 레일 상단이 습하거나 성에가 끼거나 그리스, 오일 또는 딱딱하게 미끄러운 리닌 코팅으로 압축되는 분해 잎으로 오염되었을 때 감소한다. 잎 오염은 스크러버와 워터제트를 이용해 정비 열차의 '산다이트'(겔모래 혼합물)를 발라 제거할 수 있으며, 레일사이드 식생물을 장기간 관리하면 줄일 수 있다. 기관차와 전차/트램은 구동 휠이 미끄러지기 시작할 때 모래를 사용하여 트랙션을 향상시킨다.

부착 한계 효과

접착력은 마찰에 의해 발생하며, 미끄러지기 전에 휠에 의해 발생하는 최대 접선력으로 다음과 같이 나타난다.

F_max= 마찰 계수 ×바퀴의^[2] 중량

일반적으로 슬라이딩을 시작하는 데 필요한 힘은 슬라이딩을 계속하는 데 필요한 힘보다 크다. 전자는 정전기 마찰("정전"^[3]이라고도 함) 또는 "제한 마찰"과 관련된 반면 후자는 "슬라이딩 마찰"이라고도 하는 동적 마찰이다.

강철 강철의 경우, 마찰 계수는 실험실 조건에서 0.78까지 높을 수 있지만, 일반적으로 철도에서는 0.35와 0.5 사이인 반면,^[4] 극단적 조건에서는 0.05까지 낮아질 수 있다. 따라서 100톤급 기관차는 이상적인 조건 하에서(엔진에 의해 충분한 힘이 발생할 수 있다고 가정할 때) 350킬로와트톤의 견인력을 가질 수 있으며, 최악의 조건에서는 50킬로와트까지 떨어질 수 있다.

증기 기관차는 바퀴 림의 견인력이 변동하기 때문에(특히 2기통 또는 대부분의 4기통 엔진에서) 부착력 문제로 특히 심한 고통을 겪으며, 대형 기관차에서는 모든 바퀴가 구동되지 않는다. "접착 요인"은 피동 휠의 중량을 이론적 시동 추진력으로 나눈 값으로, 일반적으로 0.25의 일반적인 휠-레일 마찰 계수를 반영하여 4 또는 약간 더 높게 설계되었다. SR V Schools 클래스와 같은 일부 3기통 기관차는 바퀴 림의 견인력이 크게 변동하지 않기 때문에 4기 미만에서 유착 계수를 가지고 운행했지만 부착력 계수가 4기 미만인 기관차는 휠 슬립에 매우 취약할 것이다. 휠 슬립 가능성에 영향을 미치는 다른 요인으로는 휠 크기와 운전자의 조절기/스킬 감도가 있다.

전천후 접착

전천후 접착이라는 용어는 일반적으로 북미에서 사용되며, 모든 기상 조건에서 99%의 신뢰도로 트랙션 모드 중에 사용할 수 있는 접착력을 가리킨다.^[5]

토플링 조건

열차가 회전을 전후하여 진행할 수 있는 최대 속도는 선회 반지름, 장치 질량 중심 위치, 휠 게이지 및 트랙이 편차인지 통조림인지에 의해 제한된다.

토플링은 측면의 힘(중심 가속도)으로 인한 전복 모멘트가 내부 바퀴가 레일에서 벗어나기 시작할 정도로 충분할 때 발생한다. 이로 인해 접착력이 상실될 수 있으며, 열차의 속도가 느려져 넘어지지 않을 수 있다. 또는 관성으로 인해 열차가 계속 속도로 이동하여 차량이 완전히 전복될 수 있다.

1.5m, 통조림 없음, 무게 중심 높이 3m, 속도 30m/초(108km/시)의 휠 게이지의 경우 회전 반경은 360m이다. 80m/s의 현대 고속 열차의 경우, 넘어지는 한계는 약 2.5km가 될 것이다. 실제 턴의 최소 반경은 이보다 훨씬 크며, 고속에서 휠 플랜지와 레일 사이의 접촉은 양쪽 모두에 상당한 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 매우 빠른 속도의 경우 최소 접착 한도가 다시 적절해 보이며, 이는 약 13km의 회전 반경을 의미한다. 실제로 고속 주행에 사용되는 곡선 주로는 턴 한계가 7km에 가까워지도록 편경화 또는 통조림을 한다.

19세기 동안, 구동 휠을 결합하면 성능이 저하된다는 것이 널리 믿어져 고속 승객 서비스를 위한 엔진에서는 피했다. 단일 구동 휠셋으로 휠과 레일 사이의 헤르츠식 접촉 응력 때문에 수용 가능한 가장 큰 직경의 휠이 필요했다. 레일에 가해지는 스트레스로 인해 기관차의 중량이 제한되었고, 합리적인 부착 조건에서도 샌드박스가 필요했다.

방향 안정성 및 사냥 불안정성

바퀴가 플랜지에 의해 선로에 고정되어 있다고 생각할 수 있다. 그러나 일반적인 철도 휠의 면밀한 검사 결과, 트레드가 연소되었지만 플랜지는 연소되지 않은 것으로 드러났다. 플랜지는 레일과의 접촉이 거의 없고, 접촉이 거의 이루어지지 않을 때 대부분의 접촉이 미끄러진다. 선로 위의 플랜지를 문지르면 열로 인해 많은 양의 에너지가 소산되지만 소음이 포함되며, 지속되는 경우 과도한 휠 마모를 초래할 수 있다.

중심화는 실제로 바퀴의 형상을 통해 이루어진다. 바퀴 자국이 약간 가늘어지다. 열차가 선로 중앙에 있을 때, 레일과 접촉하는 바퀴의 영역은 양쪽 바퀴의 직경이 같은 원을 추적한다. 두 바퀴의 속도가 같아 열차는 일직선으로 움직인다.

그러나 휠셋이 한쪽으로 이동하면 접촉 영역의 직경이며, 따라서 달리는 표면에서 휠의 접선 속도가 다르고 휠셋이 중심을 향해 다시 방향을 돌리는 경향이 있다. 또한 기차가 제방이 없는 선회할 때 바퀴가 측면으로 약간씩 어긋나 바깥 바퀴의 트레드가 선형적으로 빨라지고 안쪽 바퀴 트레드가 느려져 기차가 코너를 돌게 된다. 일부 철도 시스템은 플랜지 접점을 줄이거나 제거하기 위해 캔트에만 의존하는 평평한 바퀴와 선로 프로파일을 사용한다.

열차가 선로에 어떻게 머무르는지 이해하면서, 빅토리아 시대의 기관차 기술자들이 왜 바퀴 세트를 결합하는 것을 싫어했는지가 명백해진다. 이 간단한 연결 동작은 각각 수직 축에 대해 자유로운 움직임을 가질 수 있는 휠셋을 통해서만 가능하다. 휠셋이 단단하게 결합되면 이 동작이 제한되므로 휠을 결합하면 슬라이딩이 발생하여 롤링 손실이 증가할 것으로 예상된다. 이 문제는 모든 결합 바퀴의 직경이 매우 밀접하게 일치하도록 함으로써 크게 완화되었다.

바퀴와 레일 사이의 완벽한 구르는 접촉으로, 이 사기 행각은 열차가 좌우로 흔들리는 것으로 나타난다. 실제로, 흔들림은 임계 속도 이하로 축축하게 되지만, 임계 속도보다 높은 열차의 전방 움직임으로 증폭된다. 이 측면의 흔들림은 사냥 진동으로 알려져 있다. 사냥 현상은 1920년대까지 원인을 완전히 파악하지 못하고 1960년대 후반이 되어서야 제거 조치가 취해지기는 했지만 19세기 말에 이르러서야 알려졌다. 최대 속도에 대한 제한은 원전이 아니라 동작의 불안정성에 직면하여 부과되었다.

두 레일의 테이퍼형 디딤판의 움직임에 대한 운동학적 설명은 사냥이 임계 속도를 충분히 예측할 수 있을 정도로 잘 묘사하기에는 부족하다. 관련 부대를 상대할 필요가 있다. 고려해야 할 두 가지 현상이 있다. 첫째는 가속도에 비례하는 힘을 발생시키는 휠셋과 차체의 관성이고, 둘째는 접촉 지점에서 휠과 트랙이 뒤틀려 탄성력을 발생시키는 것이다. 키네마틱 근사치는 접촉력에 의해 지배되는 경우에 해당한다.

연결 작용의 운동학적 분석은 횡방향 진동 파장의 추정치를 산출한다.^[6]

${\displaystyle \lambda ={2\pi }{\sqrt {\frrd}{2k}},}$

여기서 d는 휠 게이지, r은 공칭 휠 반지름, k는 트레드의 테이퍼다. 주어진 속도의 경우 파장이 길어지고 관성력이 낮아질수록 진동이 축축해질 가능성이 높다. 테이퍼 감소에 따라 파장이 증가하기 때문에 임계 속도를 증가시키려면 테이퍼를 감소시켜야 하는데, 이는 회전 반경이 크다는 것을 의미한다.

실제 작용력을 고려한 보다 완전한 분석은 바퀴의 임계 속도에 대해 다음과 같은 결과를 산출한다.^{[clarification needed]}

${\displaystyle V^{2}={\frac {Wrad^{2}}:{k\left(4C+md^{2}\오른쪽)}}},}$

여기서 W는 휠셋의 차축하중량이고, a는 휠과 레일의 마모량과 관련된 형상계수, C는 차축에 수직인 휠셋의 관성모멘트, m은 휠셋 질량이다.

임계 속도가 테이퍼에 반비례한다는 점에서 결과는 운동학적 결과와 일치한다. 이는 또한 회전 중량의 중량이 차량의 중량에 비해 최소화되어야 함을 의미한다. 휠 게이지는 분자와 분모에 모두 나타나서 임계 속도에 2차 효과만 있음을 암시한다.

차량 정지의 대응을 고려해야 하기 때문에 실제 상황은 훨씬 더 복잡하다. 바퀴의 요 움직임에 반대되는 구속 스프링 및 보그에 대한 유사한 구속장치를 사용하여 임계 속도를 더 높일 수 있다. 다만 불안정성을 겪지 않고 최고속도를 달성하려면 휠 테이퍼를 대폭 줄여야 한다. 예를 들어 신칸센 휠 트레드의 테이퍼는 고속에서의 안정성과 커브에서의 성능을 모두 위해 1:40(신칸센이 처음 주행했을 때)으로 축소되었다.^[7] 그렇기는 하지만, 1980년대 이후부터 신칸센 엔지니어들은 바퀴를 여러 호로 테이핑하여 1:16의 유효 테이퍼를 개발하여 휠이 더 날카로운 커브뿐만 아니라 고속에서도 효과적으로 작동할 수 있도록 하였다.^[7]

바퀴에 힘, 크리프

부착 철도로 이동하는 차량의 거동은 접촉하는 두 표면 사이에 발생하는 힘에 의해 결정된다. 이것은 피상적인 눈초리로 볼 때 사소한 것으로 보일 수 있지만 유용한 결과를 예측하는 데 필요한 깊이까지 연구하면 극히 복잡해진다.

첫 번째 오류는 바퀴가 둥글다는 가정이다. 주차된 자동차의 타이어를 한번 보면 이것이 사실이 아니라는 것을 즉시 알 수 있을 것이다: 도로와 접촉하는 지역이 눈에 띄게 평평해져서 바퀴와 도로는 접촉 지역에 걸쳐 서로 부합한다. 만약 그렇지 않다면, 하중이 회선 접촉을 통해 전달되는 접촉 응력은 무한할 것이다. 레일이나 철로 바퀴는 공압 타이어나 타맥보다 훨씬 더 딱딱하지만 접촉 부위에서 같은 왜곡이 일어난다. 일반적으로 접촉 면적은 가로 15mm의 타원형이다.^[8]

바퀴와 레일의 왜곡은 작고 국소적이지만 그로 인해 발생하는 힘이 크다. 무게로 인한 왜곡뿐 아니라 제동 및 가속력이 가해질 때와 차량이 측면 힘을 받을 때 양쪽 휠과 레일이 왜곡된다. 이러한 접선력은 그들이 처음 접촉하는 지역에 왜곡을 야기하고, 그 다음에 미끄러지는 지역에 변형을 일으킨다. 결과적으로 트랙션 중에는 휠이 롤링 접촉에서 예상하는 만큼 전진하지 않지만 제동 중에는 휠이 더 전진한다. 탄성 왜곡과 국부 미끄러짐이 혼합된 것을 "creep"이라고 한다(일정한 하중 하에서 물질의 크리프와 혼동되지 않음). 이 맥락에서 크리프의^[9] 정의는 다음과 같다.

${\displaystyle {\mbox{prolling devices}={\frac {({\mbox{databox}-{\mbox{rolling devices})}{{\mbox{rolling devices}}}}}},}$

휠셋과 완전한 철도 차량의 역학을 분석함에 있어 접촉력은 크리프에 선형적으로 의존하는 것으로 취급될 수 있다(Joost Jacques Kalker의 선형 이론, 작은 크립 페이지에 유효함) 또는 마찰 접촉 역학으로부터 보다 진보된 이론을 사용할 수 있다.

방향 안정성, 추진력 및 제동을 초래하는 힘은 모두 크리프에 의해 추적될 수 있다. 단일 휠셋에 존재하며, 한때 우려되었던 것처럼 총체적인 미끄러짐 없이 휠셋 결합에 의해 도입된 약간의 동역학적 비호환성을 수용할 것이다.

턴 반경이 충분히 크면(고속 승객 서비스에 대해 예상해야 함) 연결된 2개 또는 3개의 휠셋이 문제를 일으키면 안 된다. 그러나 10개의 구동 휠(주력 바퀴 5개)은 보통 무거운 화물 기관차와 연관되어 있다.

기차를 움직이게 하는 것

접착 철도는 열차를 출발시키기 위해 마찰과 중량의 조합에 의존한다. 가장 무거운 열차는 가장 높은 마찰력과 가장 무거운 기관차가 필요하다. 마찰력은 크게 달라질 수 있지만, 모래가 도움이 된 것은 초기 철도에서 알려져 있으며, 현대적인 견인 제어장치를 갖춘 기관차에서도 오늘날에도 사용되고 있다. 가장 무거운 열차를 출발시키려면, 기관차는 노선과 선로 자체에 있는 다리들에 의해 용인될 수 있는 만큼 무거워야 한다. 기관차의 중량은 출발력이 형성될 때 무게 전달이 없는 상태에서 구동되는 바퀴에 의해 균등하게 공유되어야 한다. 바퀴는 각 바퀴와 레일 상단 사이에 약 1 cm의² 매우 작은 접촉 부위에서 일정한 구동력으로 회전해야 한다. 레일 상단은 기름이나 비와 같은 사람이 만들거나 날씨와 관련된 오염이 없어야 한다. 마찰력 강화 모래 또는 그에 상응하는 모래가 필요하다. 구동 휠은 기관차가 움직이는 속도보다 더 빠르게 회전해야 하며(일명 크리프 제어)최대 마찰 계수를 생성해야 하며, 차축마다 다른 조건이 나타나기 때문에 차축은 자체 컨트롤러와 독립적으로 구동해야 한다. 최대 가용 마찰은 휠이 미끄러지거나 회전할 때 발생한다. 오염이 불가피할 경우 마찰이 오염과 함께 낮아지지만, 그러한 조건에서 얻을 수 있는 최대 획득 가능 값은 크리프 값보다 크므로 휠을 더 크리프로 구동해야 한다.[11] 컨트롤러는 트랙을 따라 다른 마찰 조건에 반응해야 한다.

증기 기관차 설계자들에게는 몇 가지 출발 요건 – "작동하지 않은 샌딩 시스템, 조작이 불편한 제어장치, 사방에 기름을 뿜어내는 윤활유, 레일을 적신 배수구 등"이라는 과제가 있었다."^[12] 다른 사람들은 디젤과 전기 기관차의 현대적인 전기 송신을 기다려야 했다.

레일의 마찰력과 휠 슬립의 양은 열차가 속도를 낼수록 꾸준히 떨어진다.

구동 휠은 자유롭게 굴리지 않고 해당 기관차 속도보다 빠르게 회전한다. 그 둘 사이의 차이는 "슬립 속도"라고 알려져 있다. "슬립"은 "차량 속도"와 비교되는 "슬립 속도"이다. 바퀴가 레일을 따라 자유롭게 굴러갈 때 접촉 패치는 이른바 "스틱" 상태에 있다. 휠이 구동되거나 제동되는 경우, "스틱" 조건의 접점 비율이 작아지고 점차적으로 증가하는 비율이 "슬립 조건"이라고 알려진 상태에 있다. 이렇게 "스틱" 면적이 감소하고 "슬립" 면적이 증가하는 것은 전체 면적이 "슬립"^[13]될 때까지 휠 림의 힘이 증가함에 따라 지탱할 수 있는 트랙션 또는 제동 토크의 점진적인 증가를 지지한다. "슬립" 영역은 트랙션을 제공한다. "올스틱" 노토크에서 "올슬립" 상태로 전환되는 동안 휠은 슬립이 점진적으로 증가했으며, 이는 크리프와 크리프로도 알려져 있다. 고점착 기관차는 무거운 열차를 천천히 출발시키고 끌 때 최대한의 힘을 주기 위해 바퀴 크리프를 제어한다.

미끄러짐은 바퀴가 가지고 있는 추가 속도고, 기어오르기는 미끄러짐 레벨을 기관차 속도로 나눈 것이다. 이 매개변수는 측정되고 크리프 제어기로 들어가는 매개변수다.^[14]

${\displaystyle {\mbox{property}={\frac {({\mbox{wheel speed}-{\mbox{peed speed}})}{{\mbox{peed speed}}}}}},}$

샌딩

유착철도에서는 대부분의 기관차가 모래 격납용기를 갖게 될 것이다. 적절하게 건조된 모래를 레일 위로 떨어뜨려 미끄러운 조건에서 트랙션을 개선할 수 있다. 모래는 주로 타워, 크레인, 사일로 또는 열차를 통해 압축 공기를 사용하여 도포된다.^[15][16] 엔진이 미끄러질 때, 특히 무거운 열차를 시동할 때, 구동 휠의 앞쪽에 가해지는 모래는 열차가 "들어오도록" 하거나 엔진 운전자가 의도한 동작을 시작하는 데 큰 도움이 된다.

그러나 샌딩은 부정적인 효과도 있다. 찌그러진 모래로 구성된 '모래필름'을 바퀴가 접촉하는 선로 위의 필름에 압축해 발생시킬 수 있다. 경량 접착제 역할을 하며 적용된 모래를 트랙 위에 유지시키는 트랙의 수분과 함께, 바퀴는 찌그러진 모래를 더 단단한 모래 층으로 "바꿔"준다. 모래는 기관차의 첫 번째 바퀴에 적용되기 때문에 다음 바퀴는 최소한 부분적으로 그리고 제한된 시간 동안 모래 층(모래필름) 위에서 달릴 수 있다. 이는 이동 중에 전기 기관차가 선로와의 접촉을 상실하여 기관차가 쿠플러를 통해 전자기 간섭과 전류를 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다. 정지 상태에서 기관차가 주차되어 있을 때, 기관차가 선로에서 전기적으로 격리되어 있기 때문에 선로 회로가 빈 선로를 감지할 수 있다.^[17]

참고 항목

각주

원천