매끄러운 철도바퀴가 미끄러지지 않는 비밀

철도바퀴는 미끄러운 철길을 어떻게 잘 달릴까?

Ingram Tribology

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커브길을 달리는 신기한 ‘윤축’

견인 전동기나 엔진 크랭크축의 회전력을 받아 회전운동을 하여 차량을 선로 위로 전·후진시키는 것이 윤축의 역할이다. 

윤축은 좌우 한 쌍의 차륜 답면으로 구성된다. 차륜 답면은 그림처럼 테이퍼 모양으로 레일 위를 구르게 된다. 주행할 때 차량이 한쪽으로 쏠릴 경우 경사진 테이퍼로 인한 복원력이 작용, 차량을 똑바로 운행할 수 있게 한다. 

 

철도차량 윤측

그림에서 윤축이 좌측으로 쏠리는 경우 좌측 차륜은 우측 차륜보다 직경이 큰 부분(D1〉D2)으로 레일과 접촉하면서 회전하게 된다. 윤축은 일체로 되어 있어 같은 회전수로 회전하는 좌측 차륜 쪽이 우측 차륜보다 더 많은 거리를 달려 앞으로 나가려 한다. 상대적으로 우측 차륜 쪽은 우측으로 끌어당기는 힘이 발생, 윤축을 원 위치로 되돌아오게 한다. 우측으로 쏠리는 경우는 그 반대 현상이 나타난다. 

열차가 미끄러지지 않는 비결  

차량이 레일 위를 주행하는 동안 속도를 증가하거나 감속할 수 있는 것은 차륜이 레일 위에서 미끄러지지 않는 힘, 즉 차륜 답면과 레일 접촉과의 마찰력 때문인데 이것을 ‘점착력’ 이라 한다. 구동력이나 제동력이 점착력보다 큰 경우 가속할 때는 공전하고 제동할 때는 활주를 한다. 

점착의 조건

그림처럼 동력을 가진 바퀴가 레일 면을 미끄러지지 않고 구동력이나 제동력을 전달하려면 F≤μW의 조건이 필요하다. 

F≥μW인 경우에는 비 오는 날과 눈길에서 자동차를 출발할 때 바퀴가 헛돌거나 브레이크를 잡아도 미끄러지는 현상이 된다. 열차는 마찰이 일어나는 차륜과 레일이 모두 금속이기 때문에 자동차에 비해 마찰계수가 훨씬 작은 악조건 속에서 어떻게 점착을 최대한 유효하게 이용하여 가속과 감속 및 제동을 반복 할 수 있을 것인가 하는 것이 문제가 된다.  

철도기술연구원

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