최경진 | 차량연구본부 차량동력연구팀 책임연구원
권성태 | 차량연구본부 차량동력연구팀 선임연구원
이동형 | 차량연구본부 차량동력연구팀 주임연구원

1. 차량의 안전성

 일반적으로 국내 철도차량은 동력차와 객차, 화차로 분류되고 동력차의 경우도 디젤전기기관차, 동차, 전기차 ,전기동차 등으로 분류된다. 객화차의 차량형상은 여객과 화주로부터 과연 안전한가라는 질문에 대하여 편익적인 서비스의 질과는 달리 철도를 운영하는 주체가 항상 안전하다는 신뢰감과 대량수송하는 데 있어서 차량의 안전은 철도교통이 도로와 항공, 선박 등의 타교통수단과 비교 우위에 있음을 보장하는 것이다.
철도는 비교적 안전한 교통수단이라고 알려져 있지만 타교통과 비교할때 얼마나 안전한가에 대하여 정량적으로 표현하기는 매우 어렵다. 이러한 이유로 열차를 운전하는 기관사는 타교통수단에 비해 안전운행에 있어서 매우 중요한 위치에 있다는 것이 보편적으로 알려지지 않고 있으며, 출발역에서 종착역까지 안전하게 수송하는 역할과 책임에 대한 특별한 보장이 없다.
 철도는 여러 차량이 편성된 열차로 여객과 화물을 대량 수송하는 교통수단으로서, 편성된 전 차량이 모두 독립적으로 안전해야 한다. 이러한 이유로 열차는 대량수송에 비해 일정궤도를 철제바퀴를 회전시켜 운행하므로 비교적 안전하고 경제적 수송비용이 낮다는 일반적 인식에도 불구하고 타교통기관보다 기술적인 문제가 다양할 수밖에 없는 것이 단점이 된다.
철도차량의 안전성문제에 있어 생각해 볼 수 있는 문제들은 우선 철바퀴의 궤도 이탈의 문제, 장대한 열차를 안전하게 운행시키고 정확한 목표지점에 정지시키는 문제, 운행중 차량 주요구성품의 불량으로 인한 고장 발생문제, 사용년한에 의한 수명한도 이내에서 파손이나 탈선 의 발생 등에 관한 문제 등을 들 수 있다.
 고장발생의 경우는 직접원인과 간접원인으로 나눌 수 있는데 직접원인은 내구성과 신뢰성 등에 의한 사용수명 등 최적설계의 인자가 잘못되어 고장이 수명이전에 발생하는 원인에 해당하는 것이고, 간접원인은 차량설계가 적정하게 되었으나 다른 구성품의 고장에 의하여 주위조건이 위험한 상태를 유발하거나 시스템간 통합적 기술분석에 문제점이 있었는지를 파악할 필요가 원인에 해당하는 것이라고 정의할 수 있다.

2. 차량분야의 안전요소 기술

2.1 차량 최적설계

 차량설계는 운행속도와 설계속도의 정의에서 영업운행속도까지는 최소한 안전한 영역에 들도록하는 것이 중요하며 설계에 필요한 제반 인자를 이론적인 해석 등을 통하여 예측하거나, 이를 실험적인 연구를 통하여 검증하는 체계적인 기술축적이 필수적으로 요구되는 분야로서 R&D(Research & Development)를 얼마나 충실하게 실행하느냐가 기술수준의 척도가 된다.
 일반적인 설계방법은 기계적, 물리적 성질과 강도와 안전계수(Safety factor) 등을 계산적으로 고려하여 안전성을 확보하는 방법으로 외국제품을 복제하는 데는 충분하다고 할 수 있으나, 국내기술은 수요의 한계성 때문에 70년대 산업화 수준에 머물러 있는 상황이다.

<그림1> 차량의 전두부 최적설계 과정

 최근에는 G7 고속철도 기술개발사업, 전동차 표준화사업 등을 통해 최적설계에 목표를 두고 활발한 기술개발을 수행하고 있지만 신기술을 도입하거나 고안하여 개발할 경우는 국내 기술력과 실험장비 투자비 등에 있어서 독자적인 연구개발 노력만으로는 난해할 경우가 많고 외국기술을 도입할 경우도 기술자립을 위한 연구개발 투자가 동시에 이루어지지 않을 경우 기술축적은 한계점에서 머무르게 되는 문제가 있다.
 <그림 1>은 안전성을 높인 철도차량 전두부를 설계하기 위하여 단계적인 설계 및 연구과정을 나타낸 것으로 최적화기법을 도입한 이론적 해석과 <그림 2>와 같이 충분한 실험과 검증을 통하여 최종적인 안전도를 검증하고 판단하고자 하는 과정을 나타내고 있다.

<그림 2> 철도차량 전두부 충돌 실험

2.2 차량제작기술

 차량의 제작기술은 크게 나누면 차량조립기술과 주요구성품의 제작기술로 분류할 수 있는데, 차량제작에 있어서는 시스템 인터페이스와 통합기술을 실현하는 안전성을 목표로 하는데 반해, 주요부품 제작은 독립적이면서 차량에 조립할 경우를 예상하여 안전과 관련한 인자를 해결하는데 역점을 두고 있다. 그러나 차량조립과 부품의 안전요소에는 상호간에 신뢰성과 역학적관계에 있어 원인과 결과의 상호간섭현상이 존재하므로, 상대적인 기술요소에 대한 필연적인 이해와 연관성을 무시하면 안되는 것이다.
 차량제작에 관한 제작기술(구체용접, 조립, 배치, 스테인레스 및 알루미늄 차체 등)은 비교적 정적인 기술분야로서 그 기술이 선진국의 수준으로 향상되고 있지만, 정밀한 용접기술, 조립공차의 오차, 최적배치, 대차후레임의 구조설계 및 해석기술과 동적인 특성을 고려한 차량제작 기술, 핵심장치와의 인터페이스 및 통합기술의 접목에 있어서는 품질관리에 후진적요소가 남아 있으며, 주요소재 및 금형, 치그 등의 보이지 않는 기술력에도 많은 개발 노력이 필요하다고 할 수 있다.
 주요구성품의 제작기술은 중소형 기업의 기술력과 밀접한 관계가 있는데, 현재는 차량분야의 핵심기술을 가진 기업은 거의 없어 선진국의 차량용품을 복사하거나 기술을 도입할 경우 많이비용이 소요되며 설계비용만으로 국내제작이 이루어짐으로써 독자적인 기술력을 확보하기 어렵다. 또한 신모델과 신개발품이 국제시장에 진입할 경우는 반복적인 기술모방에 그치게 되어 많은 경우 투자와 기술개발이 국가적인 낭비요인으로 이어지게 된다.
 한편, 안전에 중요한 영향을 미치는 제작기술들은 기업의 생산성과 비용적 경쟁력에 많은 영향을 받지 않아야 하므로 높은 비용을 요구하는 안전성기술은 제작기술에만 기대하기 어려운 측면이 있다.

2.3 유지보수와 건전성 확보

 차량은 설계단계에서 안전과 수명이 충분하게 고려되는데, 유지보수 기술에 있어서는 이러한 설계목표를 어떻게 하면 충실하게 보전하고 내구수명에 도달할때까지 안전을 보장할 것인가가 최대목표가 된다. 수명이 다하면 폐차를 결정하거나 수명연장에 대한 안전성평가를 시행한 후 일정기간 연장사용하는 안전진단 기술이 필요하며, 차량의 수명과 주요시스템별 수명이 다른 조건에서 일정주기에 교환하거나 건전성을 확인하여 다음의 검사주기까지 안전을 보장할 수 있는 것인지가 핵심적인 기술의 초점이 된다.
 검사주기의 개념을 무엇으로 정의하고 시행할 것인가 하는 것은 정확하고 안전하게 설계하고 이를 만족하는 제작기술의 수준이 결정되면 쉽게 접근 할 수 있는 문제지만 국내의 설계기술과 제작기술의 낙후한 수준은 우리의 철도기술이 전반적으로 안고 있는 문제로서 선진외국 제품과의 수명차이 등을 고려하지 않으면 안된다. 또한 품질이 우수한 선진국의 제품이라도 국내에서 조립한 차량의 기술수준과 운행 선로상태, 계절적 온습도 등 환경요인에 따라 수명이 달라지거나 가혹한 조건이 수반되므로 국내기술의 통합적인 개념접근은 유지보수의 목표를 정하거나 기술수준에 의하여 제품의 품질수준을 내구성과 관련하여 정립하므로서 건전성을 확보하면서 경제적 유비보수비용과의 최적설계가 이루어야 할 것이다.
최근에는 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability, Safety)에 대한 관심이 높아져 국내의 철도차량 제작에서도 도입하고자 준비중에 있지만 아직은 연구의 초기단계로 차량부품과 관련한 데이터가 거의 없는 실정이고 적용연구의 비용적 측면도 무시할 수 없는 것이므로 안전에 중요한 요소부터 단계적으로 연구해 나가야 할 것이다.
 차량의 건전성은 각 부품이 갖는 수명주기과 교환기간의 적정성, 운용의 외부환경 등의 판단에 의하여 확보할 수 있는데, 현재까지는 차량의 목표를 20∼30년의 장수명에 두고 설계, 제작하고 유지·보수·관리하는 등 장기적으로 경제성과 건전성을 유익한 것으로 고려했다면, 미래의 철도차량 제작에 있어서는 유지·보수의 비용과 간편성에 개념을 두고 최적화 개념을 도입하므로서 검수효율(Maintenance Free)과 건전성 및 경제성을 동시에 유지하는 방향으로 인식의 전환이 필요하다.
 최근의 기술발전은 10∼20년의 안전한 수명을 유지하면서 자동차 등과 같이 새로운 차량의 주기적 순환, 질높은 실내장식, 서비스환경에서 편리한 철도 등을 갈망하는 승객들의 욕구에 맞춰 전장품 등의 급속한 발전이 이루어지고 있다.

2.4. 차량의 주요 시스템 통합기술

 차량을 구성하는 부품은 수량적으로 표현할 수 없을 정도로 많지만 중요한 핵심장치로 분류하면 추진, 차체, 대차, 제동, 견인 및 완충장치와 전기 및 제어장치로 구분할 수 있고, 최근에는 자동운전과 관련한 ATC/ATO관련 장치가 있다. 핵심장치간의 차량시스템 인터페이스 및 통합적 구성은 <그림 3>과 같다.

<그림 3> 철도차량의 주요구성품 인터페이스 및 통합기술 개념

3. 차량고장 발생과 안전성 향상

3.1 차량고장 원인

 차량고장의 직접적인 원인은 '차량설계 및 제작기술과 차량유지·보수 및 건전성'의 영역에서 직접적으로 발생하는 것과 상호 복합적인 결함에 의한 원인이 있으며, 간접적인 원인은 차량만이 아니라 선로상태와 운전속도, 신호상태 등의 원인과 중첩되어 고장이 발생하는 것으로 분류할 수 있다.  
 본장에서는 차량만의 직접적인 고장원인에 대하여 분석하였는데, 직접적인 영역은 <그림4> 와 같이 상호 밀접한 관계와 원인제공자의 위치에 있다.

   
<그림 4>   차량분야의 고장발생과 상호관계

 차량설계의 주요 고장인자인 설계강도, 수명예측에 대한 신뢰성, 주요재료의 물성치에 대한 연구자료 인용, 메인터넌스 주기 설정 등은 그 중에 어느 한가지라도 소홀함이 없이 설계인자에 고려되어져야 한다. 또한 기술자료가 충분하지 않을 때는 이론해석과 실험적인 검증, 선진 외국기술력의 연구 등이 수반되어야 하는데, 현재의 국내기술은 차량의 정적인 설계능력은 상당한 수준에 있으나, 동특성 및 열적 영향을 고려한 설계기법과 같은 독자적인 차량과 대차설계 등에서 난이도가 높은 영역은 아직 기술력이 확보되지 못한 것이 대부분이다. <그림 5>는 제동디스크의 마찰열에 의한 표면 균열 발생을 보여주고 있다.

<그림 5> 제동디스크의 열균열

 특히, 80년대 중반까지는 운행속도 120㎞/h급의 저속차량 시대의 기술력이 유지되었으나, 운행속도를 150㎞/h까지 속도 향상하면서 승차감 등 여객서비스 수준이 괄목하게 성장하였다. 그러나 실질적인 주행안전성을 목표로 하는 연구개발은 충분하게 이루어지지 않았고, 90년대에서도 고속철도시대에 대비하여 300㎞/h급의 K-TGV 차량도입과 더불어 핵심기술에 대한 연구개발과 기술이전이 추진되고 있지만, 기술이전의 이상적인 목표에서 현실적인 문제는 고급기술의 인력양성 및 활용과 장비의 현대화, 생산성 등에 대한 이전기술과 국내기술과의 접목에서 특별하게 안전성을 고려한 단계적, 전략적인 접근이 얼마 만큼 효율적이고 부가적 효과를 얻을 수 있는 것인가에 대해서는 부단한 노력과 연구개발 투자를 필요로 한다.

<그림 6> 전기동차 구동차륜 손상 사례

 <그림 6>은 전기동차의 구동차륜이 차륜답면 찰상과 심한 현상변형을 일으킨 사례로 구동륜점착력과 제동력에 대한 설계 및 초기 SKID에 대한 인지가 얼마나 중요한가를 알 수 있다.
 차량조립과 부품제작과 관련한 고장인자에는 차체의 부식, 대차 및 구조물의 용접부에 균열결함, 조립기술의 공차관리, 피로한도와 내구성을 고려하지 않은 재료선택 등 제작초기에 제작과 관련되는 결함과 장기간 사용후에 나타나는 피로적 결함이 있다.
 <그림 7>은 차륜의 재질결함으로 추정되는 파손사례의 사진으로 최근에는 거의 발생하고 있지는 않지만 차량운동이 가장 먼저 궤도와의 구름운동을 통해 접촉하는 차륜(바퀴)의 제작기술은 기본적인 품질을 확보해야 하는 매우 중요한 안전요소 기술임에도 불구하고 현재는 국내제작에 비용적 어려움으로 중국과 러시아 등에서 수입하고 있는 현실에 비추어 볼 때 이에 대한 주의와 대책이 더욱 필요하다.

<그림 7> 재질결함 추정 차륜파손 사례

 차량의 유지보수와 건전성에 따른 고장인자는 비교적 복합적인 요소가 많고, 부품별로 기본적인 수명이 피로와 관련된다. 특히 열적인 부하가 많이 발생하는 베어링과 저어널부 등에서 적정 온도관리를 소홀히 할 경우 발견되는 현상을 예방하기 위한 기술이 필요하며, 부품의 수명적 교환과 더불어 윤활 및 냉각기술과 마모에 도달한 부품의 관리(베어링 및 윤활제 특성, 제동마찰재 및 사이드베아라, 판타그래프의 마모판 등), 차륜의 답면마모 형상(정상마모, 답면손상 등)이 실시간으로 보전·관리되어야 하고, 수명에 도래한 시기에 많이 발생하는 내구성 재료의 피로균열(대차의 후레임 용접부), 환경적 인자에 의한 급격한 부식도 등에 대해서도 주기적인 진단기술이 필요한 차량안전에 매우 중요한 부분이다.

<그림 8> 대차후레임의 결함 피로균열

<그림 9> 대차후레임의 노후 피로균열

<그림 10> 원인별 고장발생 비율

<그림 11> 베어링 축상의 열파손 사례

 전기적인 영향에서 절연성의 지속적인 확보와 소손, 단락, 전장품의 기능저하 등 소홀할 수 없는 부품도 매우 많다. 특히 최근에는 IC회로 및 전자기판에 대한 진동 및 내구성에 대하여 수명에 미치는 영향에 대한 관심과 주의를 요하고 있으나, 실질적인 교환주기나 사용목표관리 등이 문제의 해답을 가지고 있지 않은 실정이다.

3.2 차량의 안전성 향상

 차량의 안전성을 향상시키기 위한 방법에는 단기적 접근과 장기적 접근이 있는데, 단기적인 접근은 고장원인에서 찾을 수 있다. 고장예방을 위한 제반기술의 접근은 차량의 설계목표와 열차의 영업적인 운용목표를 일치시키며 불일치한 결함인자를 제거하기 위해서는 설계부족, 제작결함, 유지·보수의 불합리 등의 고장발생에 따른 정밀한 원인분석과 대책을 마련, 이를 최소화함으로써 차량 안전성을 확보하는 것이라고 할 수 있다.  

<표 1 > 원인별 고장발생건수

원인별	재질불량/노후	재작결함	검수불량	취급부주의	기타
건수	75	39	8	4	37

 <표 1>은 99년도 1∼9월의 차량고장을 원인별로 분석한 것으로서 재질불량/노후(설계 및 수명)와 제작관련 원인발생율이 70%에 달하고 있음을 알 수 있다.  

 다만, 실제적인 상황은 복합적인 고장에 의하여 원인이 불명확한 경우가 많고, 차량고장 원인에 대한 조사가 책임소재와 관련하여 이루어지면서 분야별 정확한 원인접근을 회피하기 때문에 기술적인 접근방식으로 바꾸고 이를 설계와 제작, 유지·보수에 유용한 자료로 활용하도록 발전시키는 것이 필요하다. 경우에 따라서 설계기술이 완벽하지 못한 요소에 대한 원인규명은 분석적 한계를 감수할 수 밖에 없고 장기간의 연구가 필요한 경우도 있다.
 따라서, 현재 운용되고 있는 차량에 대하여 전반적이고 주기적인 안전진단이 필요하며 진단기술과 핵심요소기술에 대한 기초연구와 분야마다 국내기술의 수준을 분석할 필요가 있는데, 이는 국내의 기술수준에 따라 선진국의 기술을 도입하거나 새로운 기술개발의 창출을 강구해야 연구개발 투자의 지표가 될 것이기 때문이다.
 또한, 철도차량의 안전성(safety)은 속도향상이나 새로운 차량의 개발기술에 있어 제일 중요한 인자이고 설계, 제작, 유지·보수 기술분야에서 필수적으로 검토되고 확인되어야 할 요소이다. 안전성을 고려하지 않고 비용적 측면이 우선하면 안전도는 상대적으로 낮아지게 되어 차량고장이나 열차사고 발생으로 인한 손실비용은 모든 절감비용을 초과할 수 있음을 간과해서는 안된다.