[HEMU 특집 포스팅 10편] 차세대고속열차 HEMU-430X의 대차장치 및 차량간 연결기 살펴보기

안녕하세요.

오늘은 대차장치 및 제동장치에 대해 알아보려 합니다.

제동에 대해서는, 특히 이렇다 할만한 정보가 없어서 그냥 아주 개념적인 부분과 기초제동장치 정도만 이야기 할 수 있을것 같습니다.

그렇다고 공기제동의 기본원리와 회생제동의 원리만 놓고 주구장창 이야기를 하고 있을수는 없는 노릇이니까요.

너무 개념적인 부분이라, 신차에 대한 기술 특집 포스팅인데. 신기술쪽에 주안을 맞추어야 하니 말입니다.

철도차량의 대차는, 승차감을 결정하는 아주 중요한 구성장치 입니다.

자동차나 버스의 경우 바퀴가 차축의 구름을 전달시켜 주기 위한 것으로써의 역할이 더 크고 타이어가 신축성이 좋은 고무재질로 이루어져 있기에 그 외의 현가장치의 기능 보다도, 일단 차량의 원활한 주행을 위한 목적이 더 크고. 그 이후의 주행중의 충격을 조금이라도 덜어내기 위해 휠과 차체 프레임간에 충격 흡수용 서스펜션을 쓰곤하는데, (대체로 고급차량 일수록 서스펜션쪽이 잘 되어 있어 승차감이 좋죠.)

철도차량에서 선로를 구르기 위한 바퀴가 철로 되어 있고 철로 된 차륜과 차축 덩어리를 윤축이라고 부릅니다.

이게 철로된 선로 위를 구르기 때문에. 그냥 바퀴만 얹어놓고 달리면 승차감이 아주 최악이 됩니다.

그래서, 철도차량의 주행장치는 당장 굴러가기 위한 역할이 가장 크지만. 그 보다도 최대한 안정적인 승차감을 확보하기 위한 아주 중요한 목적을 띱니다.

이를 위해 기차의 바퀴인 대차에는 대체로 많고 많은 수의 충격 완화 및 흡수장치가 다양한 배치방식을 따라 장착되는데, 이 현수장치에 대한 이야기를 해 볼겁니다.

 

1. 대차장치 기본 제원 파악하기

일단,  부산국제철도물류전에 해무의 실차와 동력대차 실물이 전시되었는데.

저는 이번 물류전에 가질 못 했고, 제 대신 다녀오신 레일러 이한수 기자님께서 대차장치 촬영 사진을 제공해 주셨습니다.

이기자님 고맙습니다. ^^

올 여름 벡스코에서 열린 제 5회 국제철도 및 물류산업전에 공개되었던 HEMU-430X 대차에 대한 스펙표 입니다.

내용을 한번 옮겨 적어 봅시다.

대차 형식: 볼스터레스 대차

윤축간 거리: 2,600mm

최대 축중: 15 tons

차륜 직경: 860mm / 780mm

견인전동기 용량: 410kW

감속장치: 2단 감속 (Double reduction)

1차 현가장치: 링크 암 타입

2차 현가장치: 공기스프링

기초제동장치: 차륜디스크 제동장치

대차: 500km/h이상의 임계속도를 갖는 대차

유럽 규격 EN14363의 안전성 및 안정성을 만족하는 대차

유럽 규격 EN13749를 만족하는 대차프레임

일단 대차형식이 볼스터레스 대차 라는 말은.

딱 봐도 이 대차는 공기스프링 현수방식 볼스터리스 대차가 맞는데.

예전에 만들어놓은 사진을 우려먹어 보겠습니다.


[KORAIL 1000호대 저항제어방식 전동차의 볼스터 대차 (Bolster Bogie)]

먼저 볼스터 대차는 이렇게 생겼습니다.

대차와 차체 사이에. 가로 방향으로 길게 놓여 그 둘을 연결하는 강철 빔을 볼스터라고 하는데, 저 가로빔을 통해 차체와 대차를 연결한다는 말 입니다.

구형 무궁화 객차의 대차라던가. 구형 전동차의 대차들은 대부분 볼스터 방식을 사용하고 있습니다.

[VVVF 제어방식 전동차의 볼스터리스 대차(Bolsterless Bogie)]

이번에는 신형 전동차의 볼스터리스 대차입니다.

볼스터리스. 말 그대로 볼스터가 없다는 말 입니다. 차체-대차간에 빔이 없다는건데, 없으면 안 좋은거 아닌가? 하고 생각하실 수있는데.

그게 없는 대신 사진에 표시해둔 공기스프링(Air Spring) 으로 차체-대차간을 지지하는겁니다.

상식적으로 쇳덩어리 하나를 놓는것 보다, 그 사이에 저런 방식의 공기 쿠션을 얹어 놓는게 승차감 향상에 당연히 도움이 되겠죠.

윤축간 거리: 2,600mm

이건. HEMU 3편에서 제가 얘기했던 부분 이었습니다. 대차 내 두개의 윤축의 축 사이의 거리가 2.6m 라는 말 입니다.

줄여서 축거 라고도 표현하기도 합니다.

일반적으로 철도차량의 축거는. 전동차의 경우 2,100mm 가 표준입니다. (좁죠?)

그리고 객차의 경우 구형 무궁화 대차에 쓰이는 NT 21이나 프레스 대차 같은건 2,100mm.

94년 이후 장대형 객차부터 리미트객차 까지에 적용된 KT23 대차는 2,300mm.

한진형 새마을객차 및 경복호의 대차장치로 쓰이는 KT24 대차는 2,400mm.

간선형 전기동차(TEC), 경춘선 좌석급행 전동차(ITX-청춘) 은 2,500mm

대우형 새마을호객차의의 MAN 대차는 2,500mm . 현대형 ASEA 대차는(동력대차에 한함) 2,600mm.

그리고 KTX는 3,000mm 급 입니다.

대체로 축간거리는 고속화 및 직선 주행성능과 연관이 되어 있고. 주행시 전/후 차륜의 동특성에 영향을 미치는 요소가 되므로 대체로 고속화 차량일수록, 또 현가장치가 복잡해 질 수록 그 간격이 넓어집니다.

사실 KTX 쪽은. 동력대차에 대해 대형 견인전동기를 탑재할 공간을 마련하고 관절대차 쪽에는 연접대차임을 감안하면서 차축디스크 제동장치 + 차량간 연결시 갱웨이를 떠받치는 공간을 확보하기 위해 많이 길어진 편이구요.

해무는 2,600mm 라네요. 해외 고속형 차량 대차들의 수치와 거의 비슷합니다.

사실 3편에서 차륜경 추적하던 방법대로 해 나가면 구해낼 수 있었던 건데, 물류전에서 데이터가 공개 되었으니 그대로 받아 씁시다.

차륜경: 860mm

차륜의 지름을 말하는 것 인데, 860mm이면. 국내 여객용 철도차량 가운데에선 아주 표준적인 수칩니다.

1편에서 이야기 했죠. 고속화를 위한 방법중 하나가 차륜경을 확 키우는 데 있다고 얘기 드렸었는데,  차륜경을 키우면 차륜이 한번 회전할때, 선로면과 닿는 부분이 그만큼 늘어나므로 직선주행 성능이 향상됩니다.

하지만. 높이가 길어지는 만큼 고속주행시 선로로 부터의 횡압이 증가하거나 탈선계수가 약해져 주행하는데 악영향을 미칠 수 있게 됩니다.

그리고 이런건 대체로 V150 편성과 같은 F-1머신형 고속철도차량에나 어울리는 정도구요.

국내 전동차 및 여객용 철도차량의 표준이 860mm 입니다. KTX는 동력대차에 한해 920mm급 차륜을 채택하고 있는데, 해무의 차륜경은 860mm.

축중: 15ton

축중이라는 말은. 대차의 축에 걸리는 중량을 말합니다.

HEMU-430X의 한량의 부수차량당 2대의 대차가 얹혀지고 각 대차에는 두개씩의 차축이 들어가 있습니다.

차량의 중량 부담은 선로면을 지탱하는 각개의 차축에 걸리는데, 차축이 4개씩이니 차량의 중량을 4로 나눈 만큼의 축당 중량이 15 ton 이라는 말 입니다.

경부고속선 축중 한계가 17 ton 이고 KTX의 축중이 16.8~17ton 으로 묶입니다.

동력분산식 고속철도차량인 해무는 주요장치의 분산 탑재를 통해 차량 중량을 확실히 다이어트 해 냈고 전 동력차 및 부수차의 중량비를 거의 비슷하게 맞추어 축당중량을 15 ton 까지 낮췄습니다.

알기로 전에 본 자료에서 14~15ton 이라고 들은것 같은데, 아무래도 각 차량당 중량비의 평균치를 계산해 맞춘것 같습니다.

감속장치: 2단 감속.

사실은, 이것보다 더 전문적인 용어로서 구분이 되어야 하는데.

아무래도, 대중들에게 보다 알아듣기 쉬운 용어로 설명해야 하니 2단 감속이라고만 나타낸것 같습니다.

이것에 대해서는 아래에서 사진을 보여드리며 함께 이야기를 해보고자 합니다.

[차륜경과 고정축간 거리의 표시]

1차 현수장치 및 2차 현수장치

철도차량이 주행할때. 선로로 부터 가해지는 흔들림(충격) 의 종류에는 세가지가 있습니다.

(1). 주행방향과 나란한 방향으로 차체가 오뚜기 처럼 뒤뚱거리는 현상인 롤링(Rolling)

(2). 주행방향과 수직인 축을 놓을때, 차체가 좌/우로 흔들리는 현상인 요잉(Yawing)

(3). 주행방향에 대해 차체가 앞/뒤로 흔들리는 현상인 피칭(Pitching)

이 있는데, 철도차량이 주행할때, 피칭 현상은 거의 나타나지 않으므로 고려대상에서 거의 제외되곤 합니다.

아주 특수한 주행 환경 등에서 차가 통통 튀는 것에서나 고려를 하는데, 그러한 충격 요인에 대한것도 거의 롤링현상을 통해 억제하곤 합니다.

여하튼. 이런 종류의 충격 요소들에 대해 대차장치 내에서 충격을 완충 /흡수하여 차체로 전해지는 충격에너지를 최소화 하고 승객이 받는 영향을 가능한한 줄이기 위하여 사용되는 것이 철도차량의 현가장치 입니다.

기본적으로 현가장치는 1차 현가장치와 2차 현가장치로 나뉘는데.

1차 현가장치는 윤축을 지지하는 틀인 대차 프레임과 윤축간의 충격을 흡수하는 것을 의미합니다.

2차 현가장치는 대차 프레임과 차체간의 충격에 대한 서스펜션을 말합니다.

여기에 1차 현수장치는 링크암. 2차 현수장치는 공기스프링 이라고만 되어 있는데, 이것 말고도 현수장치는 몇개씩 더 있습니다.

아주 기본적인 것 들만 적어놓은것 같군요.

각각의 현가장치에 대해 그것들이 어떤 충격요소에 대응하는지는 아래에서 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

기초제동장치: 차륜 디스크 제동장치

라고 되어 있는데, 기초제동장치라 하면. HEMU-430X의 2대 제동장치 중 (공기<상용>제동, 회생제동) 공기제동을 체결할 시에 차축을 잡아주는데 사용되는 기본 제동장치를 말합니다.

 여기서도 하나가 빠져 있습니다.

자세한건 뒤에서 알아봅시다.

 대차: 500km/h 의 임계속도를 갖는 대차 

라고 되어 있는데, 이건 뭐 대차 성능이 이만큼을 보장한다는 말인거니 특별한 부가설명은 필요 없을것만 같군요.

그리고 하나를 더 짚고 갈텐데요.

2편에서 보여드렸던 프레스 자료 내용도 짚고 넘어갈겁니다.

먼저 동력대차 탭에서, 동력전달방식에 플렉시블 커플링 부분은 위의 감속장치 부분과 함께 묶어서 보면 됩니다.

객차 대차 탭에서 중요한건 세미 액티브 제어인데. 이것은 대차의 진동제어 장치에 준 능동형 현가장치를 집어 넣었다는 이야깁니다.

아래에서 사진과 함께 설명하는게 더 수월하므로 조금 넘기도록 하겠습니다.

그리고 제동장치 탭에

제어방식: 전기제어

제동방식: 전기+공기 블랜딩 제동

마찰제동(동력대차): 휠디스크

마찰제동(객차대차):3디스크/축 (Veltilation 방식). 이라고 되어 있습니다.

전기 + 공기 블랜딩 제동은 KTX-산천의 특장점중 하나였는데, 회생제동과 전기제동이 최적의 효율을 발휘할 수 있도록 컨트롤 한다는 얘깁니다.

산천과 개념은 동일하므로 별다른 설명은 생략합니다.

간단하게 설명 했으니, 이제 대차로 넘어가 봅시다.

2. 대차장치의 기본구조 및 현가장치의 특성 분석하기

①. 대차장치 기본 구조 파악-관절대차가 아닌, 2조의 보기대차. 

해무의 대차는 KTX-산천의 관절대차를 과감히 버리고 일반적인 철도차량에 쓰이는 방식의 대차를 채택했습니다.

이것을 놓고 관절대차가 가지는 특장점을 잃었다 라는 등의 이야기가 있는데.

과연 관절대가차 그렇게 찬양해 마땅할 정도로 대단한 기술력의 집약체라고 하는건지 저는 의문입니다.

솔직히 장점보다 단점이 더 많습니다.

장점부터 이야기 해 보자면. 일단 안정성으로는 최강입니다.

실 사고 사례에서 관절대차를 채용한 TGV 열차가 어떻게 사고로 인한 피해를 최소화 했는지 잘 알 수 있게 되었죠.

철도차량이 주행중 추돌 등의 경우에 의해 선두차 부터 탈선했을 경우에. 뒤에 딸린 차량들은 엄청난 질량대비 주행관성의 영향을 이겨내지 못하고 마구잡이로 부딫히고 꺾여 피해를 가중화 시키는 잭나이프 현상을 일으킵니다.

허나, 관절대차를 채용한 TGV는 사고시 이런 잭나이프 현상으로 부터 오는 피해를 최소화 할 수 있습니다.

차량간이 관절처럼 연결되다 보니 순차적으로 허리를 꺾으며, 충격력을 흡수해 마디마디 부분에 더 큰 손상을 주며 차량 전체에 충격이 퍼지는 것을 막습니다.

그리고 또 하나는 편성내에 소요될 수 있는 객차의 개수를 줄여 유지보수를 줄일 수 있단 것 정돕니다.

혹자는 관절대차를 채용하면 곡선부 주행이 더 부드럽다, 급곡선에 적합하다 라는 이야기를 하는데 별 상관 없습니다. 빠른 속도를 내기 위해선 선형을 최대한 곧게 펴고 곡선을 최대한 줄여 건설하는데. 뭐.. 구포경유 열차나 지금의 호남선 기존선 경유 열차의 경우를 배재하고 신선 주행을 전재로 한다면 굳이 급곡선 추종성을 따질 이유가 없단 것이죠.

그리고 안정성에 대해서 말이 많이 나오는데, 충돌시 더 안전하다는 것 보다 중요한건 사고를 아예 안 내는겁니다.

관절대차를 쓴다고 해서 사고시 인명피해를 제로로 할 수 있다 이런게 아니란거죠.

조금 줄일 수는 있어도 아예 사고를 막을 수 있는건 아니기 때문입니다.

당장 지난달 발생한 AVE 곡선부 탈선사고 사례만 보아도. 그렇습니다. 사상자만 80명이 넘었었죠..

단점은 일단 차체 규격에 지대한 한계를 가져오기 때문에 수송력에 문제가 따릅니다.

짧게 여러칸 연결해서 똑같이 맞추어도 되지 않냐! 고 하실 수 있는데. 차라리 객차 허리를 더 연장해서 늘리는게 낫지.

짧은 차량으로 량수만 늘려봐야 유지보수 개소도 늘어나고 출입문부, 복도부 등으로 필연적으로 희생되는 공간만 늘어납니다.

그리고 상식적으로 제작비용이 더 많이 들죠.

관절대차를 쓰면 차체 폭도. 차체 너비에도 제한이 따릅니다. KTX의 중간객차 차량길이가 고작 18,700mm인 이유는 관절대차 때문입니다.

객차의 길이를 늘릴 수가 없는 이유는. 일반 보기대차의 경우 대차와 대차 사이의 대차중심간 거리의 한계가 규정되는데, 관절대차에는 이 대차중심간 거리가 곧 차체 말단부의 길이가 되어 버립니다.

참고로 보기대차를 채용한 신칸센의 경우 차체의 기본 길이가 25m 입니다.

선두차의 경우 27.5m 까지도 길어지구요.

독일 ICE의 경우에도 객차 길이가 상당히들 긴데, ICE3의 객차 기본 길이가 26,400mm 입니다.

한술 더떠 2014년부터 IC, ICE1, ICE2를 대체해 운행을 시작할 Siemens와 DB의 야심작 ICx 고속열차의 경우.

철도차량의 차량 한계를 최대한으로 이용하여 객차 길이를 무려 28m까지 길게 만들 수 있도록 설계될 예정입니다.

이 덕분에 ICx는 14량만 편성해도 ICE1 16량편성 혹은 ICE2 16량 중련편성과 비슷한 길이를 가질 수 있는겁니다.

HEMU-430X가 선두차 길이 25,500mm. 중간차 23,500mm을 달성해

8량 편성만으로 KTX-산천 10량 편성과 거의 비슷한 길이를 확보할 수 있는건 대차 배열방식 덕분입니다.

우리나라 입장에선 TGV의 전유물이던 관절대차를 버리고. 우리 식으로 독립적인 보기대차 방식을 채택하여 나름의 성과를 충분히 거둔셈이 된겁니다.

[TC 차량의 무동력 대차]

대차는 이런 모양새로 생겼습니다.

사진은 TC차량의 후방대차로 12개의 보기대차 중 TC 차량내 두개 대차만이 무동력 대차입니다.

보시면, 차축이 밋밋한 것을 보실 수 있지요.  대차 프레임 아래쪽으로 견인전동기의 모습도 보이지 않습니다.

[M1~MC차량의 동력 대차]

이번엔 동력 대차입니다.

위에 비해 모양이 훨씬 복잡하게 보이는데. 일단 이 사진은 2012년 2월에 공장에서 찍은 사진으로서 대차 상단부를 덮는 지지 커버가 안 보이는 모습입니다.

윤축의 양 끝면에 보면 얼핏 구동장치와 견인전동기 외함의 모습이 보입니다.

그리고 차륜 답면이 위의 무동력대차와는 달리 반짝반짝 빛이 나죠? 차륜 디스크 제동장치를 채택해서 그렇습니다.

소제목에 관절대차가 아닌, 2조의 보기대차 라고 했는데요.

이제, 대차의 각부를 자세히 들여다 보겠습니다.

②. 축상 및 1차 현수장치-링크암, 더블 코일스프링, 수직오일댐퍼


[축상(Journal Box), 1차 현수장치(1st. Suspension)]

사진상 대신 이라고 쓰여있고 뭐라뭐라 숫자들이 만연한 모양의 물건이 축상 입니다.

저어널 박스라도 부르는 부분인데. 차축 베어링과 차축의 답면을 감싸는 보호장치 입니다.

동시에 저곳을 중심으로 연결된 두개의 굵은 선이 보이는데, 차축의 회전수를 검출하기 위해 설치된 센서들 입니다.

어떤 센서인지는 그 목적과 종류에 따라 여러가지가 있는데, 대체로 차축 속도발전기 센서이거나. 안티스키드를 위한 차축 개별 속도감지 센서로 사용되곤 합니다.

 본래 동력대차 윤축에는 접지동작을 위한 가동요선도 연결되는데, 여기에선 모습은 보이고 있지 않습니다.

1차 현수장치는 저기에 보이는 축상. 즉 차축이죠. 차축부와 대차 프레임 간의 충격 요소에 대한 서스펜션 입니다.

차축부를 잡아주는 축상과. 1차 현수장치의 작동 특성에 대해. 여기에선 코일스프링과 수직오일댐퍼, 그리고 링크암을 통해 지지하고 있습니다.

 물류전에 공개된 대차 제원표에는 링크암 하나만 나왔는데, 사진상 둥근 점선으로 표기한 세가지가 모두 1차 현가장치 들입니다.

1차 현가장치의 현가 특성은 KTX – KTX-산천의 대차장치의 기본 구조를 답습했습니다.

①. 링크암(Link-Arm): 축상과 대차 사이드프레임 간에 관절 형태로 연결된 부분인데, 이 부분이 윤축의 상하 진동을 잡아주는 역할을 합니다.

국내엔 KTX 차량을 도입하며 알스톰의 TGV형 차량용 고유 대차가 기본적으로 링크암 방식으로 차축-프레임간의 충격을 흡수하는 역할로써 적용되었고.

EMU 차량으로는 2008년 도입된 간선형 전기동차(TEC)를 시초로 하여 적용되어 경춘선 좌석급행(ITX-청춘) 의 대차에도 적용 되었습니다.

②. 코일스프링(Coil Spring): 2중으로 구성된 코일스프링 입니다. 축상과 사이드프레임 상면간의 상하 충격을 흡수하는 역할을 하며, 대체로 저속주행용 철도차량 대차 (전동차)의 대차에는 저부분에 원추형 고무스프링이나 하이드로 고무스프링이 적용되는 경향이 있는데, 고속열차류에선 코일스프링을 더 많이 쓰는 편입니다.

아무래도 고속주행시 상하진동에 대한 완충에 저것이 더 효과가 있는가 봅니다..

③. 수직오일댐퍼(Vertical Oil Damper)-작용하는 원리는 코일스프링과 동일하며 점성이 높은 기름이 저 안에 들어 있습니다.

 상하로 압축되었다 팽창하며 상하 진동 (롤링) 현상을 억제합니다.

 참고로 오일댐퍼의 단면은 이렇게 생겼습니다.

[반대편의 축상부]

위와는 달리 차축에 센서는 붙어있진 않은데, 뱀가죽 같은 모양새로 연결된 은빛 끈이 접지선 입니다.

③. 세미액티브 서스펜션

[세미액티브 서스펜션으로 추정되는 대차내 횡댐퍼. 그리고 세미액티브 제어에 대한 의문점.]

1차 현수장치로 위의 것들 외에 사진에 붉은색 원으로 표기된것과 같은 부속이 하나 더 있습니다.

대차 사이드프레임과 대차 트랜솜 간에 설치되어 있는 것인데, 이런 방식으로 반대편에 하나가 더 설치되어 있습니다.

 이 횡댐퍼의 역할은. 사진상에서는 대차 트랜솜과 사이드프레임 간의 좌우 진동을 억제하기 위해 설치된 것인데.

서론에서 얘기했던 세미액티브 얘기를 여기서 조금 더 해 봅니다.

위에서 가볍게 언급하고 넘어갔던 부분인데. 자동차 팬 이신 분들에겐 세미액티브 서스펜션 이라는 용어가 익숙하실겁니다.

차를 별로 안좋아해서 모르는데, 벤츠나 BMW의 최상위 클래스 차량에는 이게 들어가는줄로 알고 있습니다.

알기로 마이바흐에도 들어갔던 기술로 알고 있구요.

본래. 철도차량의 오일댐퍼는 완충작용이 수동으로 이루어 집니다.

댐퍼의 고유 완충력 수치에 따라 충격이 전달될 때 마다 그에 상응하는 만큼을 흡수해 냅니다.

세미 액티브 서스펜션 이라는 말은. 준 능동형 현가장치 라는 뜻으로. 말 그대로 현가장치의 완충이 능동적으로 이루어 지는 장치 구성을 의미합니다.

위의 사진속에서 주행방향과 수직방향으로 차체와 대차 사이에 세미액티브 서스펜션이 놓이는 이유는.

저 부분에 위치한 오일댐퍼는, 대차를 중심으로 차체가 좌/우로 진동하는 것을 최대한 억제하기 위한 역할을 합니다.

우리가 기차를 탈때, 주로 역에서 분기기를 지날때에 차체가 좌/우로 오뚜기 마냥 뒤뚱뒤뚱 거리죠. 그런 현상을 잡아주는게 저 공간에 위치한 댐퍼입니다.

여기에 일반 수동 댐퍼를 쓰면 분명히 좌/우 흔들림은 억제되지만. 댐퍼의 댐핑계수가 고정되어 있기에 충격의 강도에 따라 차체를 흔들리는 반대편으로 덜 기울이거나. 더 기울이게 될 수 있습니다.

능동형 현가장치는. 저기에 특수한 서스펜션을 설치하고 그와 연동되는 횡 가속도 센서를 대차부에 장착합니다.

여기서의 횡 가속도 센서는 주행시 좌/우로 차체가 기우는 가속도의 크기를 측정하는데, 이건 대체로 전기기계식 틸팅열차에서 차체를 기울이기 위해 곡선 진입시 대차의 횡가속도 값을 읽어 들이는 용도로도 쓰입니다.

세미액티브 서스펜션은 이 횡가속도 값을 읽고 별도의 세미액티브 제어장치에서 이 운동력에 상응하는 만큼의 완충력을 지령하여 차체가 정확히 정 중앙으로 보정될 수 있도록 돕는 장치입니다.

참고로 풀 액티브 서스펜션 (액티브) 도 있는데, 이건 세미액티브 서스펜션에 비해 효과가 더 탁월합니다.

신칸센의 경우 대체로 일반차에는 세미액티브 서스펜션을, 그린샤 차량에는 풀액티브 서스펜션을 적용하여 더 정숙하고 안정적인 승차감을 보장하는데.

비용이 더 많이 들고 유지보수 개소도 늘어납니다.

아주 획기적인 장치인데, 대체로 신칸센차량에 아주 널리 쓰이는 이유는. 신칸센은 기본적으로 경량차체를 채용하여 차체가 가볍기도 하고, 차체폭 자체가 광폭이라 좌/우로 진동할 수 있는 여지가 타 고속철도차량에 비해 심합니다. (ICE계열이나 TGV 계열 차량들은 차체폭이 3.0m 미만인데, 신칸센은 3.36m까지 갈 정도로 크게 차이가 나죠.)

그래서 도입된것이 저것인데. 그래서, 신칸센을 타면 곡선을 지나던 분기기를 지나던 마치 구름위를 떠다니는 듯한 승차감을 느낄 수 있는겁니다.

우리나라 해무도 차체폭이 3,100mm으로 종전의 KTX-산천에 비해 대폭 늘었습니다.

이런 연유로 세미액티브 서스펜션을 도입한것 같은데. 안타깝게도 아직까지 세미액티브 서스펜션이 어디에 달려 있는지 확인하지 못 했습니다.

일단 부산 물류전에 전시된 대차에는 세미액티브 서스펜션이 없습니다.

일단, 세미액티브 댐퍼가 설치된다면. 그건 사진속의 둥근 원으로 표기한 부분의 횡댐퍼가 차지해야 하고. 댐퍼의 한쪽은 프레임에, 한쪽은 차체에 연결되어야 하는데.

어디를 봐도 흔적조차 없었습니다. 기대했던 세미 액티브 댐퍼의 모습을 찾기는 어려워서 조금 실망했습니다.

세미액티브 서스펜션을 구축하려면 기본적으로 세미액티브 제어용 댐퍼와. 시스템을 구성하기 위한 가속도계가 대차 프레임에 설치되어야 하고.

어딘가에 세미액티브 시스템을 제어하기 위한 제어장치도 설치되어 있어야 하는데. 아무리 살펴보아도 그것들과 비슷해 보이는 물건을 찾진 못했습니다.

세미액티브 서스펜션을 이용한 진동제어는 신칸센 차량이 아주 대표적인데

 세미액티브 제어를 위한 횡댐퍼는 이런 모양으로 생겼습니다.

그러나, 위 사진에 보이는 댐퍼는 대차 내 다른 부분에 쓰이는 수직오일 댐퍼와 같은 종류의 댐퍼입니다.

혹시, 기술력이 딸려서 한다고 해놓고 못한거 아냐? 라고 생각하실지 모르지만. 제 생각에는 일부 대차에만 적용된것이 아닐까 싶습니다.

2006년 즈음에, HSR350X 에서도 차량의 승차감 개선을 위해서 TM1형 동력객차내 전방 동력대차의 횡댐퍼를 세미액티브 제어방식 댐퍼로 교체하여 시험했던 적이 있었고.

확실한 승차감 개선 효과를 얻어낸 적이 있었습니다.

 양산차인 산천에 왜 적용이 안 되었는지는 코레일에게 물어보면 알려줄겁니다.

철도차량은 자동차와는 달리. 신 기술이 적용 되었다고 무작정 집어넣어 파는게 아니라, 해당 철도차량을 구입하는 주체에서 차량에 들어가는 각종 사양 및 지침을 지정하여 이렇게 만들어 달라고 제시하는 형태 였으니.. 옵션 사항으로 볼 수 있는 부분인데, 뺀 모양이더군요.

여하튼. 지금 가진 정보로는 세미액티브 제어에 대해서 이 이상을 알아내기는 어렵습니다.

④. 2차 현수장치-공기스프링, 요댐퍼, 수직오일댐퍼

[2차 현수장치 (Secondary Suspension)]

2차 현수장치 중 충격 흡수에 가장 기본이 되는건 중앙 상단에 있는 공기스프링(Air Spring) 입니다.

위에서도 가볍게 얘기했듯. 간단하게 에어쿠션 정도로 생각하시면 편할것 같습니다.

2중으로 설치된 요댐퍼가 특징적 입니다.

본래 요댐퍼는 한쪽 방면으로만 설치되어 작용토록 되어 있으나, HEMU-430X 에서는 양방향 진동을 모두 감쇄시킬 수 있는 구조로 설계되고 있습니다.

이런 방식으로 요댐퍼를 설치하여 기대할 수 있는 효과에 대해서는 국내에선 거의 처음 적용되다 시피 한 것이라 효과에 대해서는 알 수 없으나.

1990년대에, 프랑스 Alstom사 에서 TGV-Sud Est 를 기반으로 하여 TGV-A를 개발할 당시에, TGV-A 차량의 중간부 관절 대차에 요댐퍼를 양방향으로 설치했던 사례가 있었습니다.

(당시 회전댐퍼(Leteral Oil Damper)는 정상적으로 한개만 장착되었음)

그리고, 2007년 584.7km/h을 기록한 TGV V150 편성에서도. 댐퍼가 이중으로 설치 되었습니다. 그땐, 아예 동력제어차 전방 대차부터 대차를 양방향으로 설치 했었는데.

아무래도 이런것들을 종합해 볼 때. 400km/h 이상의 속도로 초 고속 주행을 하려 할 때에, 대차장치의 불안정한 움직임을 확실하게 잡아주기 위한 대안책으로 채택한게 아닐까 싶습니다.
 [2차 현수장치-수직오일 댐퍼]

정 가운데 센터 피봇이라고 표기한 부분은 대차와 차체를 그냥 연결해 주고 상하 운동만을 전달하고 차체에 연결된 보기대차가 자유롭게 곡선반경에 따라 회전 작용을 할 수 있도록 돕는 물체입니다.

모양새가 특이해서 저기에도 뭔가가 있는가 싶었는데, 기존 철도차량과 별반 다를것은 없었습니다.

그리고. 대차 외부에선 보이지 않는 개소에 2차 현가장치는 또 설치되어 있습니다.

기본적으로 대차에 대한 지지작용은 공기스프링이 간접적으로 지지하지만, 2차 현가장치에 보편적으로 적용되는 2차 수직오일 댐퍼가 이와 같은 방식으로 대차장치 안쪽으로 숨어 있습니다.

설치위치는, 사이드프레임 안쪽면에 놓이는 방식으로 깔려 있었으며.
보시다 시피 2차 현수장치 두개가 센터피봇과 같은 방향으로 차체와 대차간을 지지합니다.

 이런 방식으로 설치되었다는건,대차의 상하진동을 억제하기 위함이라고 보면 적당하겠죠.

이제 하나를 더 봐야하는데, 바로 양단 선두차의 전방 대차입니다.

다른 대차들과 다릅니다. 그래서 보려는 것이구요.

⑤. TC 및 MC 차량 전방 대차.

그리고, 선두차의 대차는. 아마 물류전에서도 이 모습은 보신분이 거의 없다시피 할 것 같은데.

평상시에는 공력 커버에 의해 가려진 양쪽 선두차의 전방 대차에만 적용된 것이기 때문입니다.

사진으로 보시다 시피 대차의 모양새를 확인하기가 쉽지 않습니다.

보시다시피 커버가 감싸고 있어서 차륜만 간신히 내다보이죠..


선두차의 전방 대차에만 적용된 공력 커버입니다.

실험적으로 G7 이후로 약 10~15%의 공기저항 감소 효과가 있었다고 합니다.

의아한건 HSR350X에 적용되었던 저것이, 양산차량인 KTX-II(KTX-산천과 KTX-호남) 에서는 빠졌다는 것이죠.

여하튼 저것 때문에 전방 대차를 살펴보기가 쉽지가 않습니다.

하얗게 점등된 LED 램프만이 보입니다. 아마, 차륜 답면의 상태를 확인하기 위한 카메라와 함께 설치되어 있는 계측장치류와 함께 얹힌 조명인듯 싶고.

(그 옆에 보이는게 렌즈인듯)

조금 더 쪼그려 봤는데, 검측장치와 렌즈만이 선명하게 보이네요.


이걸 찍기 위해… 반대편 선로에 발을 걸치고 완전히 자갈밭에 드러 누워서..
(가.. 아니라 농담입니다. 카메라만 아래로 집어 넣어서 찍은겁니다. -_-)

여하튼 가까스로 전방 대차를 찍었습니다.

일단, 선두차 대차 이기 때문에 설치되어는 부분의 장치중 하나로 이런 네모난 박스가 있는데. 확대해 보니 도유기(Lubricator) 입니다.

주행중 곡선구간 진입시 차륜 답면에 기름을 도포하여 차륜 마모를 억제하고 스킬 송음을 줄이기 위해 모든 철도차량의 선두차(기관차) 에 필수적으로 설치되는 부품입니다.

다른부분은 기존의 대차와 다를바가 없는데, 뒤의 요댐퍼가 장착된 모양새가 좀 특이하군요.

[MC, TC차량 전방 대차의 2차 현수장치-요댐퍼(Yaw Damper)]

양쪽 선두차의 전방 대차에는 2차 현수장치와 그림과 같이 한 방향으로 2중 연결되어 있습니다.

양쪽 선두차의 대차만 이렇게 요댐퍼를 2중으로 설치 했다는건, 주행중 공기저항의 영향을 가장 많이 받는 차량이 선두차와, 팬터그래프가 설치된 차량입니다.

 아마. 초고속 주행시 기존보다 강화된 충격흡수 능력을 보장하기 위해 저렇게 배치를 한것 같은데요.

이런 모양새로 2차 현가장치를 배치하는건 독일 Siemens의 SF500형 대차의 구조와 매우 비슷합니다.

 [스페인 Class 103 (Velaro E)의 대차]

지멘스의 SF500 시리즈 대차를 얹고 있는 AVE Class 103의 대차입니다.

명칭은 SF 500이라는 시리즈의 대차인데. 지멘스의 고속열차 라인업인 벨라로 시리즈.

 ICE3, Velaro D (ICE Class 407), Velaro UK (Eurostar E320), Velaro E (AVE Class 103), Velaro CN (CRH380계열), Velaro Rus(Sapasn)

에는 모두 적용 되었습니다.

설계속도는 350km/h 급인데, 주행시 487km/h 까지의 속도대역 에서도 아주 안정적인 승차감을 보장하는 것으로 정평이 난 명작중의 명작이죠.

보시다시피 위의 HEMU-430X의 선두차 전방 대차와 형태가 매우 유사합니다.

특히 요댐퍼가 2중으로 설치된 것이 아주 닮아 있죠.

그리고,


이건 InnoTrans 2012에 전시되었던, 중국의 500km/h 급 고속열차 Very High Speed Train (명칭이 이렇더군요)

 2차 현가장치 배치 상태가 우리나라 HEMU-430X 의 전방 대차와 유사합니다.

사실은. 중국쪽에선 이걸 개발했다기 보단. 07년에 중국이 독일 Siemens로 부터 Velaro CN 형 고속열차를 무려 300편성이나 구입했습니다.

그 때, 양산차의 조립 제작은 중국 현지 공장에서 조달 할 수 있도록 라이센스 제작 방식으로 진행되었기에 지멘스의 최첨단 고속철도차량 기술력이 중국쪽에 이전 되었습니다.

아마. 중국쪽에선 SF500형 대차를 기반으로 하여 카피를 떠서 만든것 같군요.

여하튼 중국쪽 500km/h 급 고속열차의 요댐퍼도 이렇게 2단으로 붙어 있습니다.

 . 기초 제동장치-차축디스크, 차륜디스크 제동장치

다음은 제동장치 쪽 입니다.

[TC 차량 대차의 차축 디스크 제동장치]

TC차량 대차에는 사진과 같은 차축디스크(Axle Disk) 제동장치가 설치되어 있습니다.

대차 제원표에 나와 있던 부분이 여기까지 였죠.

축당 3매의 환기식(Ventilated) 디스크가 장착되어 있습니다.

[차축디스크 제동장치의 제동 캘리퍼]

[동력대차의 차륜디스크 제동장치]

다음은 동력대차의 차륜디스크(Wheel Disk) 인데, HSR350X 에서 동력대차부에 실험적으로 적용되고 (4매의 윤축중 2개에 할당되는 부분만이 적용됨)

해무에서는 모든 동력대차에 차륜디스크 제동장치가 적용 되었습니다.

사진상에 차륜 답면이 매끈매끈하고 구멍이 뚫려있는데, 제동을 잡을때 사진상 링크암의 아래쪽에 붙어있는 제동캘리퍼를 이용해 저걸 잡아 속도를 줄이는 겁니다.

일단, 산천에 비해 견인전동기 외함이나 동력전달장치의 부피가 줄어. 그들 사이 공간에 제동캘리퍼를 넣을 수 있는 공간이 생겼고.

전 동력대차에 이걸 써먹을 수 있게 된것 입니다.

3. 차량간 연결장치

그리고. 말 나온김에 이번편에서 같이 보고갔으면 싶은 부분들이 있어서 이야기 하고 넘어가려 합니다.

연결장치 부분인데요. 사진과 함께 간단하게 보고 넘어가겠습니다.


[차량간의 반영구 연결장치]

근래 EMU 차량들의 추세에도 이어 차량간에는 반영구 연결기를 채택했습니다.

보시다 시피 연결기가 볼트로 단단하게 체결되고 그 아래로는 케이블 접속단이 놓여 차량간의 연결부가 아주 튼튼하게 옭아매어 질 수 밖에 없는 구조로 되어 있습니다.

사진상 뒤쪽에 유격이 보이는 부분에는 완충기가 들어가 있어서 그런겁니다.

이 연결기 제조사는 국내 개발이 아니라, 독일의 유명 철도차량 전장품 및 부품 제작업체인 Voith 에서 담당했다고 합니다.

이제 전방 연결기를 살펴봅니다.

다음은 전방 연결기 입니다.

이런걸 보기는 쉽지 않은데, 공장에서 마침 입환하다가 그냥 열어두어서 연결기가 그대로 노출되어 있네요.

연결기가 녹슨것에 대한 얘기가 많은데.. 제짝이 아닌걸 구내 입환을 위해 입환기와 호환되는 AAR 타입 연결기를 그냥 갖다 붙여놓은것 같습니다.

아마. 제짝의 복합용 연결기가 따로 있을것 같은데. 시제차량이라 중련운행을 할 일은 절대 없겠지만 서도 양산차에서 고려될 수 있는 부분이기에 중련 대응 커플러와 전방 커버까지 심혈을 기울여 준비를 해 놓은 모양입니다.

연결기 커버 부분 일체를 제작해 공급했습니다.

슝크사 마크도 보이네요.

산천과 호남고속철도차량의 코부분도 모두 Voith 사에서 공급했습니다.

연결기 뒤쪽에는 역시나 충격흡수를 위한 가스완충장치와. 충돌시 연결기 헤드를 부러뜨려 충격력을 최소화 하는 쉐어 오프(Share Off) 기능도 들어간 것 처럼 보입니다.

두개의 주 공기관이 보이네요. 기괴한 모양으로 꺾여서 내측에 고정되어 있습니다.

전방연결기 연결시 상하 운동에 대응하기 위해 설치된 것으로 보이는 스프링도 보이네요.

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