알아두면 쓸데있는 열차 제동장치 상식

우리가 일상에서 만나는 철도차량은 수많은 장치와 기술이 결합해 완성된 복합체라고 볼 수 있습니다. 철도차량을 구성하는 수많은 장치와 부품 중 어느 하나만 빠져도 열차가 제대로 움직이지 않기에, 철도차량 제작에는 고도의 기술력과 노하우가 필요합니다. 

그런 철도차량의 장치 중 가장 중요한 것이 무엇이냐고 묻는다면, 아마 많은 사람이 '제동장치'라고 대답할 것입니다. 빠르게 움직이는 열차의 속도를 줄이거나 멈추는 제동장치는 과연 어떻게 작동하는 걸까요? 오늘 현대로템 블로그에서 평소 궁금했던 제동장치 상식을 확인해 보세요.

14세기에 시작된 제동장치의 역사

증기기관차가 처음 등장한 것은 19세기 초의 일이지만, 최초의 제동장치는 광산이 성황을 이루던 14세기경 유럽의 광산 지대에서 시작되었다고 합니다. 당시 광산에서 운용하던 궤도차량에 처음 사용된 제동장치는 증기기관차의 개발과 함께 증기제동장치로 발전했습니다. 

하지만 증기의 특성상 냉각에 따른 수축 현상 등으로 지금과 같은 긴 열차에는 사용할 수 없었죠. 이후 1844년에 스프링 작용을 활용한 직통 진공식 제동장치가 개발되었고, 공기압을 활용하는 현대식 공기제동장치의 시작은 1867년 개발된 직통식 공기제동장치와 1872년의 관통식 공기제동장치로 볼 수 있습니다. 

열차를 멈추는 제동장치의 원리와 종류 

철도차량에서 제동장치는 열차의 속도를 줄이거나 멈추는 역할을 합니다. 열차의 승객 하중을 고려하여 제동력을 계산하고 회생제동을 통해 고속영역에서의 제동을 수행하는 것입니다. 여기서 회생제동은 전동차의 운동에너지를 전기에너지로 바꿔서 전원으로 되돌려 제동하는 방법을 말하는데요. 철도차량 제동 시에 회생제동과 마찰제동(공기제동)을 함께 사용하고 있습니다. 

저속영역에 접어들면 전체 제동력에서 회생제동을 제외한 나머지 힘에 공기제동이 가해집니다. 이러한 기능은 마찰을 통해 운동에너지를 열에너지로 바꾸는 과정이며 자동차의 제동원리와도 같습니다.

제동장치는 제동방식에 따라 크게 마찰제동과 비 마찰제동으로 구분됩니다. 마찰제동은 스프링력, 공압, 유압, 자기력 등을 마찰시켜 열에너지로 변환하는 제동방식이며, 비 마찰제동은 회전력과 자기력 등을 열에너지 그리고 가선으로 회귀(회생제동)시키는 등의 제동방식입니다.

현재 국내외의 모든 철도차량은 제동장치로 마찰제동(공기제동, 전공제동)과 비 마찰제동(회생제동)을 함께 사용하고 있습니다. 여기서 철도차량의 제동은 고속영역에서 비 마찰제동을 사용하고 저속영역에서는 마찰제동을 사용했는데, 최근 현대로템이 영속도 제어기술을 개발하면서 고속영역부터 저속영역까지 모두 비 마찰제동을 사용할 수 있게 되었습니다. 자연스럽게 마찰제동에 사용되는 제동패드 및 제동디스크 등의 수명이 늘어나 운영 및 유지보수 비용이 많이 줄어들 것으로 기대됩니다.

철도차량에 제동장치가 필수적인 이유

그런데 이런 제동장치가 없다면 철도차량에 무슨 일이 일어날까요? 제동장치가 없는 차량은 속도를 줄이거나 멈추게 하기 위해 많은 시간을 필요로 합니다. 추진을 하지 않으면 열차가 가진 저항력으로 언젠가 멈추겠지만 원하는 장소와 시간에 열차를 세울 수는 없죠. 지금과 같이 안전하고 정확한 열차 운행을 위해서는 제동장치가 반드시 필요합니다. 

제동장치는 승객에 안전과 밀접한 관련이 있기에 기본적으로 ‘페일 세이프(Fail safe, 기기나 장치가 오작동을 일으킨 경우 피해가 확대되거나 영향을 미치지 않는 구조)’ 구조로 이루어집니다. 차량이 전원공급 불량이나 화재, 탈선 등 비정상적인 환경에 놓일 조짐이 보이면 비상제동을 하며, 위험 요소가 해소될 때까지 열차는 출발할 수 없습니다. 현대로템은 최근 ‘SIL(Safety Integrity Level, 안전무결성수준)’ 인증을 통해 보다 안전한 제동장치를 설계 및 적용하고 있습니다.

혹시 지하철이나 기차를 이용하다가 강렬하게 타는 냄새를 맡고 ‘어디 문제가 생겼나?’하고 걱정한 경험이 있으신가요? 사실 이 냄새의 원인이 제동장치에 있습니다. 제동장치의 경우 열차가 원하는 위치와 시간에 멈춰야 한다는 요구 조건이 존재하고, 이를 위해 전체 제동력의 대부분을 회생제동이 담당해야 합니다. 하지만 이 과정에서 공기제동이 많이 사용될 경우 마찰로 인해 과열되어 타는 냄새와 열기가 발생하는 것입니다. 지하철에서 종종 맡게 되는 타는 냄새의 원인이 바로 제동장치에 있던 것이죠. 제동장치는 열차의 정시운행은 물론, 고객의 쾌적한 탑승 경험에도 큰 영향을 미치고 있습니다.

현대로템의 영속도 전기제동 기술

▲ 마찰제동에 사용되는 답면제동장치와 디스크제동장치

이처럼 철도차량에서 중요한 역할을 하는 제동장치이지만 19세기 이후 크게 변화한 모습을 보여주지는 못했습니다. 여전히 전동차가 정차할 때에는 제동패드를 압착해 열차를 멈추는 공기제동을 사용하고, 감속도가 일정하지 않아 정확한 위치에 정차하지 않는 경우도 많았죠. 제동패드와 디스크/차륜이 마찰하며 일으키는 소음과 제동패드 마모로 인한 터널 내 미세먼지도 승객의 인상을 찌푸리게 했습니다.  

하지만 최근 현대로템이 공개한 ‘영속도(Zero Speed) 회생제동’ 기술이 상용화되면 이러한 단점이 상쇄될 것으로 보입니다. 이 영속도 회생제동 기술은 현대로템이 국내 최초로 개발한 것으로, 정차 시점까지 회생제동이 가능해 열차의 감속도를 일정하게 유지합니다. 그렇게 되면 정위치 정차 비율이 100%까지 올라가 승차감을 개선하고 정차 시의 소음까지 완벽하게 차단할 수 있게 됩니다. 제동패드 사용률이 낮아짐에 따라 미세먼지를 줄이고 에너지 효율과 유지보수 비용을 낮출 수 있는 것 역시 영속도 회생제동 기술의 장점입니다.

또한 현대로템은 고속영역과 저속영역 모두 초기 제동 시 회생제동의 데드타임(낭비 시간)을 없애고 공기제동을 최소화하는 기술도 영속도 제어기술과 함께 정착시키는 중입니다. 이번에 현대로템이 납품한 서울메트로 2호선 신규 열차 214량에 영속도 회생제동 기술이 처음 적용된다고 하니, 더욱 새로워진 열차의 쾌적함을 직접 확인해 보아도 좋겠습니다. 

▲ 영속도 회생제동 기술이 처음 적용되는 서울메트로 2호선 열차

오늘 현대로템 공식 블로그에서는 공기처럼 당연하게 여겨졌던 제동장치에 대한 정보를 소개해 드렸습니다. 최근 4차 산업혁명 시대가 대두되며 철도차량의 주요 장치에 고객과 운영/유지보수 등 다양한 측면에서 향상된 기술력이 반영되는 추세입니다. 현대로템은 철도차량 제작사로서 운행 중 발생할 수 있는 위험요소를 방지하기 위해 모니터링 기술과 분석 기술 그리고 신기술 도입에 따른 운영/유지보수 기술을 꾸준히 연구하고 있습니다. 앞으로도 현대로템이 선보일 고객 지향적 기술에 많은 관심 부탁드립니다!