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기획특집/연재

곡선을 빠르게 주행하는「열차」에 알려지지 않은 진화

- 특급에서 신칸센까지 틸팅과 차체경사의 발전

          


  (서울:레일뉴스)최경수 편집위원 = 해안선, 산간 노선에서 부드럽게 차체를 기울여 주행하는 특급 차량이다. 산지(山地)와 연안 노선이 많은 일본 각지에서 낯익은 풍경지만 이 차체를 기울이는 기구(機構)는 변화무쌍한 지형상 곡선이 많은 선로에서 조금이라도 열차를 빨리 주행시키기 위해서 일본이 발전시킨 고속화 기술이다.


곡선구간 서행이 속달화의 걸림돌이 된다.


  전전화 등에서 가감속도나 최고속도를 향상시킴으로써 어느 정도의 속달화(速達化)는 실현할 수 있지만 현실적으로는 많은 구간에서 곡선구간의 서행이 속달화의 걸림돌이 된다. 그래서 신 교량과 터널을 이용하여 직선화 등을 개선하여 왔다. 그러나 거기에는 엄청난 비용과 노력이 필요하다.


  그래서 지상 개량비를 압축하여 속달화를 실현하기 위해 차량 측을 진화시켜온 방법이「틸팅(振子)」과「차체경사(車體傾斜)」이다. 엄밀히 말해서는「틸팅(振子)」도「차체경사(車體傾斜)」의 하나의 방법이지만 자연의 원심력(遠心力)을 활용하여 차체를 기울여「틸팅(振子)」과 액츄에이터(구동장치) 등에서 탄생시킨 동력(動力)을 이용하여 차체를 강제적으로 경사시키는 것을『차체경사(車體傾斜)』로 구별해서 다루기로 한다.


  자동차의 테스트 코스에서 노면을 기울이는 뱅크와 마찬가지로 철도에서 곡선 궤도에 기울기를 주는 것을 캔트라고 하지만 대차(臺車)에 대해서 차체만 기울이는 방안은 전복방지(顚覆防止)와 안전성 향상이라는 것보다 오히려 승차감 향상 때문이다.


  고속으로 곡선을 통과하면 캔트를 줄이면 좋지만 기기나 적재물을 상하(床下)가 아닌 바다 위에 탑재하여 중심(重心)이 높고 속도도 늦어 화물열차와 증기 기관차가 캔트의 심한 곡선 상에서 정지하면 횡풍(橫風) 등으로 곡선 내측으로 쓰러질 가능성도 있다. 한편, 전기기기나 엔진을 상하(床下)에 취부하는 전동차(電動車)이나 디젤엔진 차량은 중심(重心)이 낮아 곡선을 통과하는 데 유리하다.


  곡선을 고속으로 통과하면 곡선 외측에 원심력으로 승객은 불쾌하게 느낀다. 그 때문에 차체를 기울여 승객이 느끼는 바로 횡방향의 원심력 성분이 다소 바닥 쪽이 되어 원심력의 느낌이 약간 완화된다. 하지만 원심력 자체가 주는 것은 아니다.


  곡선부를 서행하기 위한 감속과 재가속이라고 하는 가감속도 승객에게는 불쾌감의 원인이 된다. 그래서 직선과 거의 같은 속도로 곡선부를 달릴 수 있으면 가감 속도감도 줄어들어 속달화가 된다. 그것을 노리고 차체를 기울이기 위한 방안이 여러 가지 연구되어 왔다.


  유압 및 공기압 등 동력을 강제적으로 차체를 기울인다는 기술개발은 국내외에서 여러 가지 시도되고 있으며, 일본 국내는 오다큐 전철(小田急 電鐵)의「유압 차체경사」와「"공기스프링 차체 경사(車體傾斜)」실험이 유명하지만 당시 기술로서는 안타깝게도 실용화(實用化)에는 이르지 못했다.


  곡선위치나 속도는 어느 정도인지, 방향과 길이와 반경은 어느 정도인지라고 하는 지점정보와 차체를 기울이는 최적각도(最適角度)와 방향(方向), 타이밍과 같은 정보를 바탕으로 순식간에 계산할 수 있는 제어장치 개발이 관건이 되지만 최근에는 계산능력과 백업기능, 가속도 센서와 신호회로의 노이즈 성(性) 등의 성능향상으로 안정되어 구축할 수 있다.


  1970년대에는 국철 591계 시험 전동차(試驗 電動車)가 시작(試作)되어 원심력에 의한 차체경사를 지향했다. 차체 중심을 낮추고, 원심력이 차체 하부 쪽으로 내려 외측으로 끌어냄으로써 차체가 안쪽으로 기울어지도록 대차와 차체 간에 "코로"의 역할을 하는 지지장치가 있다. 이것이「자연틸팅(自然振子」이라고 부르는 것이며, 원심력이 움직이면 그것을 이용해서 기울어지는 기본 원리에 근거하고 있다.


  상하(床下)가 상대적으로 차체 상부보다 커지도록 차체는 알루미늄 제(製)로 하여 강력히 경량화하고 있으며, 공기조화 기기는 지붕이 아니라 상하(床下)에 탑재하고 있다. 원래 상하(床下) 엔진이 무거운 디젤 레일카는 틸팅(振子) 구성 상 유리하다고 한다.


제어 틸팅식으로 개선


  그러나 자연 원심력을 이용하기 때문에 곡선에 진입하면서부터 기울어진다. 그 "틸팅지연"이 문제시 되어 개선하기 위하여 사전에 지점을 검지하고, 그 속도에 맞는 타이밍으로 차체를 곡선 바로 앞에서붜 기울어지기 시작하는 소형 공기 액츄에이터를 취부하여 "제어(制御) 틸팅식"으로 개선시켜 JR 시코쿠(四國)에서 실용화되었다.


  이 제어 틸팅식은 모든 JR과 제3 쎅터 철도에도 채용되는 대히트가 되었을 뿐만 아니라 일본과 같은 협궤 게이지의 호주의 퀸즐랜드 철도와 타이완(臺灣) 철도(鐵路)에도 도입되어 대폭적인 고속화를 실현한 일본의 자랑스런 국제적 철도기술이다.


  곡선이 적은 유럽(毆州)에서 개발된 볼스터레스 공기스프링이지만 이 곡선 외측을 팽창시켜 차체를 기울여지게 하는 간단한 차체경사 방식이 일본에서 개발되었다. 과거 일본에서는 미국의 버스용 공기스프링을 참고로 구 국철 철도기술연구소의 마쓰다이라 세이(松平精) 박사와 국내업체가 공기스프링 대차를 개발하였다.


  높이 조정변으로서 좌우 공기스프링의 높이를 일정하게 유지하여 승객과 탑재중량의 변화에 대해서도 공기압을 조정하여 항상 일정하도록 유지한다. 그 높이 조정기능을 한 쪽만 이용하여 공기만으로 쉽게 경사시킬 수 있어 공기스프링 차체경사의 개발로 유지보수가 비싼 틸팅 비임은 불필요하다.


  급곡선이 없는 차체경사는 불필요한 신칸센(新幹線)에서 다른 구간보다 곡선이 많은 도카이도 신칸센(東海道新幹線)에서는 속도를 향상시키기 위하여 이 시스템이 활용되고 있다.


  공기압으로 간단하게 차체를 경사시키는 방식은 신칸센처럼 곡선이 많지 않은 구간에는 맞는지, 기타 사례에서는 어떨까? 곡선이 많은 재래선 구간에 있어서 거듭되는 차체경사는 신칸센과 다른 곤란을 동반한다. 차체가 경량화되었다고 해도, 그래도 톤(ton) 단위는 결코 가볍지 않다.수동(手動)과 풋 펌프로 타이어에 공기를 넣기가 힘들게 차체 한 쪽을 잠시라도 들려면 대량의 압축공기가 단시간에 필요하다.
  그 압축공기는 사용한 부분은 바로 보충해야 한다. 대용량의 압축기를 각 차량에 탑재하여 필요한 공기량을 보충할 필요가 있다. 연속사용 내구성은 어떨까?


  가선 전력으로 얼마든지 컴프레서를 돌릴 수 있는 전동차는 유리하지만 주행용 엔진으로 압축기를 돌리는 디젤엔진 차량의 압축공기 확보가 쉽지 않아 공회전 정도의 낮은 회전에는 압축공기가 충분히 만들 수 없다. 그 때문에 엔진을 공회전하는 것은 자동차용 에어컨의 아이돌 업과 비슷하다.


  공기스프링 차체 경사의 시조(始祖)는 JR 홋카이도(北海道)의 키하 201계 통근용 디젤엔진 차량이며, 이러한 기술을 이용하여 만들어진 특급용 디젤카가 키하 261계이다. 소야 센(宗谷線)에 투입 이후는 왠지 컴프레서 능력을 떨어뜨려 각 구간의 투입이 이어지고 있다.


  최근 JR 시코쿠(四國)이 잇달아 신형 공기스프링 차체경사 차량을 투입하였다. 전화된 요산 센(予讚線)은 기존 "제어(制御)틸팅(振子)"에서 공기스프링 차체경사로 전환되어 다른 비 전철화  구간용 디젤 레일카 역시 "공기스프링 차체경사"를 도입하게 되었다.


구간에 맞는 조건


  그런데 가파르고 험한 산간(山間)에서 곡선이 연속인 도산 센(土讚線)[다도쓰(多度津) ― 구보카와(窪川) 간]에서 사용하는 데에는 문제가 있어 직선구간이 많은 고토쿠 센(高德線)[타카마츠(高松) ― 토쿠시마(德島) 간]에 사용한다고 발표하였다. 도찬 센용 차세대 특급차량에는 다시 팅팅차량을 투입한다고 한다. 디젤 레일카에는 차체경사용 압축공기가 부족한 미소인지? 구간에 따라 틸팅이 적합한 선과 공기스프링 차체경사라도 괜찮다는 조건으로 나뉜다는 해석이 옳은지도 모른다.


  먼저 슈퍼 아즈사 호의 교체가 완료된 중앙 동 선(中央 東線)에도 강체 차체로 지붕기기(屋上機器)도 있는 중후한 E 351계 제어틸팅에서 E 353계 공기스프링 차체경사로 시스템 체인지를 하였다. 직선 이미지의 중앙 선은 관동평야와 고후 분지(甲府平野) 외는 거의 곡선선형(曲線線形)인데 전동차(電動車)라는 타고난 조건 때문에 공기스프링 차체경사에서 충분하다고 이해할까?


  사양에는 편성가운 데 1량을 제외하고 압축기를 탑재한 장비이지만 소리가 조용해져서도 콤프레셔는 회전기기로써 성능열화(性能劣化)도 하고 보수도 어렵다. 차체경사 기기고장의 서행지연 등을 도심에 안 가기를 바랄 뿐이다.


  E 257계나 E 353계로 통일할 예정으로 알려졌다. 형식통일로 열차 다이어그램 혼란 시 차량운용이 편할 뿐만 아니라 차체경사에 의한 의지의 속달화도 실현 가능하면 이상적일 지도 모른다.


  고가(高價)로 보수(保守)도 귀찮은 틸팅이지만 경사각을 크게 지나친 차내 거주성이 악화되지 않는 범위에서 사용한다면 그 안전성과 안정성에서 공기스프링 차체경사식보다 큰 장점도 있다.채산성을 감안하면 시스템을 간략하고 통일화하는 것도 중요하지만 안전과 안정성을 감안하면 구간요건에 최적으로 부응하는 방식에 대한 확인이 철도 기술자에게는 필요하다.


    - 資料 : 東洋經濟新報社, 2018. 5. 19.

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