최근 수정 시각 : 2024-04-22 13:21:44

틸팅열차

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1. 개요2. 설명3. 틸팅열차의 분류
3.1. 기울임 판정 방식3.2. 기울임 기구적 방식3.3. 팬터그래프의 안정화
4. 대한민국의 틸팅열차 개발5. 각국의 틸팅열차
5.1. 한국5.2. 일본5.3. 유럽5.4. 북미5.5. 대만
6. 관련 문서
영국철도 390형[1] 한빛 200

1. 개요

철도차량의 한 종류이다.

모든 철도노선에는 직선구간 뿐 아니라 커브도 존재하기 마련이다. 그리고 급커브가 존재하기도 한다. 신나게 달리다가도 코너를 만나면 일단 감속을 해야 한다. 초창기 철도노선의 경우에는 증기 기관차의 속도가 높지 않았으니 커브가 별 상관 없었지만, 열차의 속도가 빨라진 오늘날에는 운행시간을 잡아먹는 원인이 되고 있다. 이 문제를 해결하는 방법에는 크게 두 가지가 있는데 선로를 개량하는 방법과 차량을 개량하는 방법이 그것이다. 틸팅열차는 이 중 후자에 해당한다.

2. 설명

선로를 개량하는 방법으로는 직선화된 노선을 새로 만들어 대체하는 방법도 있고, 곡선주로에서 부족한 캔트량을 보충해 주는, 즉 안쪽과 바깥쪽 궤도의 높이차를 크게 해 주는 방법도 있다. 어느 것을 택하든 공사비와 시간, 그리고 노선 운휴는 피할 수 없다. 이러할 필요가 없이 차체를 기울여서 부족한 캔트량을 보충할 수 있다면 이 문제는 더욱 단시간에, 그리고 저렴하게 이루어질 수 있다. 마치 오토바이가 곡선주로를 달릴 때 운전자가 몸을 살짝 기울이듯이 열차의 차체를 기울이는 것이다. 이렇게 하면 곡선통과속도의 허용치를 몇 퍼센트 가량 높일 수 있다[2]. 동계올림픽 종목 중 스피드 스케이팅과 쇼트트랙의 곡선 구간 활주 원리도 이와 비슷하며 이러한 원리를 바탕으로 개발된 것이 틸팅열차이다.

틸팅열차는 1930년대 미국에서 연구되었다가 제2차 세계 대전으로 잠시 맥이 끊기고, 1950년대 유럽 여러 나라에서 다시 연구되기 시작했지만 2020년대까지 살아 남은 기술 계보는 얼마 되지 않는다. 영국에서 연구했던 말로만 고속열차인 APT와 InterCity 125/225는 본격적인 도입을 포기하고 일부 특허를 이탈리아 피아트에 팔아치웠고, 피아트는 이 기술을 펜돌리노 개선에 잘 써먹었다. 알스톰으로 피아트 철도차량 부분이 인수되며 개발된 신형인 ETR 6X0(New Pendolino) 계열로 발전하였다. 펜돌리노는 영국, 핀란드, 체코, 중국, 스페인, 포르투갈, 슬로베니아 등 여러 나라에 팔려 나가서 그 동네 최상위 등급 열차로 뛰고 있다.

틸팅 열차 도입은 노반이나 지형 문제로 고속선을 신설하기 어려운 노선 혹은 인구밀도가 낮아서 운영상의 문제로 고속선 신설이 어려운 지역이나 국가들 위주로 이루어지고 있다. 그리고 펜돌리노 계열의 최고 속도는 국가마다 다르지만 250km/h로 고속철도에 해당한다.

기울어진다고 해도 무슨 쇼트트랙 선수 코너 돌듯 엎어지는 건 아니고, 1~10도 정도의 틸팅이 가해진다. 이 정도만 해도 속도의 손실을 확연하게 줄일 수 있고, 더 이상 기울일 경우에는 승차감이 떨어질 뿐 아니라 위험할 수도 있다.

가까운 곳에 있는 철도 강국인 일본 역시 산이 많아 철도 선형이 좋지 못한 것을 극복하고자 오래 전부터 틸팅열차에 대한 연구를 시작해왔으며, 이로 인하여 다양한 틸팅 열차들이 대거 등장하고 있다. 또한 기존 진자식과 달리 유압피스톤 방식의 틸팅 기술도 만들었으며, JR 시코쿠와 JR 홋카이도는 전철화된 철도노선이 별로 없는 탓에 디젤동차 주제에 틸팅 되는 놈들을 일찍이 뽑았다.[3] 민영화 이후로 JR은 본격적인 선형 개량을 꺼리는 대신 틸팅열차를 도입하고 있다.

틸팅된 상태에서 선로의 구조물에 치이면 안되므로, 틸팅열차는 대부분 위로 갈수록 약간 좁아지는 사다리꼴 형태의 모양을 하고 있는것이 보통이다.

선로의 캔트는 곡선에서 정차해있을때 너무 기울지 않도록 캔트량에는 상한이 부여되어 있다. 틸팅열차는 충분히 무게중심이 낮은 차량에 대해 캔트 부족분을 차체를 기울여서 추가적으로 얻어서 조금 더 빠른 속도로 돌 수 있는 것이다. 따라서 원심력 그 자체는 전혀 변화하지 않으므로, 틸팅열차가 안전하게 제 성능을 발휘하려면 궤도 강화가 필요하다. 그런데 적극적인 선형개량을 할 수 없을 정도로 재정이 열악한 회사라면 기존 선로 및 차량의 유지보수가 제대로 안되는 경우가 겹칠 수 있고, 이 상황에서 고속화는 안전성에 분명히 악영향을 줄 수 있다. 일례로 JR 홋카이도는 2011년 세이후잔 신호장에서 일어난 키하 283계 동차 슈퍼 오조라 탈선사고 이후, 2013년 발간된 운수안전위원회의 최종보고서를 따라 회사 정책을 바꿔 고속화를 포기했다. 이 보고서는 차륜의 이상마모로 인한 진동에 의해 감속기 잠금 핀이 탈락하여 발생한 사고로 진단하였다. 2014년 JR 홋카이도의 전 차량에서 틸팅 작동을 중지했고, 있던 틸팅 차량들도 개조를 통해 삭제하였다.

3. 틸팅열차의 분류

기술적으로 다양한 방법으로 차체를 기울일 수 있기 때문에, 다양한 방법이 고안되어 있다.

3.1. 기울임 판정 방식

차량을 기울이는 각도를 결정하는데는 크게 세가지 방법이 있다. 열차가 운행하는 노선 전체의 데이터를 미리 입력해 둔 후 노선의 굴곡이나 켄트에 맞춰서 열차가 기울어지게 만드는 능동 방식과, 사전 데이터 없이 운행 당시의 관성과 원심력에 그대로 순응하며 열차가 기울어지게 만드는 수동 방식이 있으며, 능동방식을 둘로 나눠 피드백과 피드포워드로 나눌 수 있다.

자연진자식의 경우 무게중심보다 회전중심을 높게 구조를 설계하여 자연스레 기울도록 한다. 간단하지만 효과는 제법 있는데, 기울기 시작해야 차체도 움직이는 지연도 있고, 약한 가속도에는 움직이지 않는등의 문제도 있다.

피드백 제어의 경우 전자식 센서등을 조합해 차량을 강제로 기울인다. 지연이 단점이나, 최신화된 설계의 경우 선두차의 센서 데이터를 뒤로 전달해서 지연을 없애는 방식등을 적절히 조합해서 구성한다.

피드포워드 제어의 경우 지상자나 차량 자체에 노선의 주행데이터를 미리 때려박아두고, 차량 속도등을 얻어서 차체에 횡가속도가 가해지기 전에 미리 차체를 기울이기 시작한다.

3.2. 기울임 기구적 방식

틸팅은 대부분 대차에서 이루어지며, 대차 바퀴부분(아래)-대차 틸팅부분(위)으로 나누어져 있다. 틸팅 방식은 크게 2가지 종류로 나뉘는데 별도의 동력 없이 그냥 중력의 힘으로 움직이는 자연 틸팅식과 유압식 실린더나, 전기모터과 같은 별도의 동력장치를 이용해 열차를 기울이는 제어틸팅식이 있다.
변종으로 차체경사제어라는 것도 존재하는데, 별도의 틸팅 액추에이터 없이 대차 에어스프링의 공기량을 조절해 차체를 기울이는 방식이다. 틸팅대차를 사용하는 것보다 구조가 훨씬 단순해서 유지보수에 유리하지만 틸팅각도가 1~2도 정도로 효과가 약하고, 계속 공기를 넣었다 뺐다 하다보니 압축공기 소비량이 많아 거의 전 차량에 공기압축기를 넣어야 해서 차내 소음이 커진다. 예시로 차체경사제어를 채택한 E353계 전동차는 12량 중 무려 11량에 공기압축기가 들어간다. 압축공기 소모가 너무 심해서 정작 제동장치의 작동에 쓸 공기가 부족해지는 문제도 있다.

일본은 신칸센 N700계 전동차를 시작으로 전통적인 틸팅열차들을 이 방식으로 대체하고 있지만, 디젤동차들은 제어 추가 자연진자식에 의지할 수 없는 상황이다.

디젤동차에는 공기 부족이 더 큰 문제가 된다. 전기제동을 사용하지 못해 공기제동을 많이 사용할 수 밖에 없기도 하고, 공기를 만드는 자체에도 에너지가 계속 들어간다. 전동차라면 팬터그래프로 에너지를 계속 끌어올 수 있지만 디젤동차라면 한계가 있다. 디젤동차+차체경사제어의 조합을 JR 시코쿠가 2600계 디젤동차를 통해 시도했지만 이 문제 때문에 결국 포기하고 전통적인 틸팅 디젤동차로 회귀하여 2700계 디젤동차를 양산했다.
추가로 디젤동차에는 한가지 더 문제점이 있는데, 추진축이 발생하는 토크로 인해 기울기가 편중되며, 전달계 조인트에도 부담이 가해진다.
  • 자연진자식
차체 경사의 회전중심을 무게중심보다 위로 설정해서 초과 원심력으로 자연스레 움직이는 방법.
비교적 심플하여 초기에 개발된 방식이나, 원심력이 일정 이상 발생하지 않으면 움직이지 않으므로 멀미등을 유발할 수 있어 한계도 있다. 기울임 각도도 일반적으로 최대 5도 수준이다.
  • 제어 추가 자연진자식
위의 자연진자식에 능동적인 경사장치를 추가한 것.
차체의 경사는 피드포워드 식으로, 지상자를 통해 선로부의 캔트 데이터를 받은 뒤 이를 주행중인 차량에 전달해서 속도를 이용하여 처리한다.
자연진자의 성능에 제어를 추가한것으로, 능동 방식들에 비해 에너지가 적게 들어서 비전화노선에서 이점이 있어 2019년에도 JR시코쿠 2700계가 발표되고, JR서일본과 JR도카이가 신차 투입을 고려하는 등, 여전히 현역으로 사용되는 기술이다.
  • 강제차체경사식
    • 유압 실린더식 강제차체경사식
능동적인 경사장치. 다만 대부분은 회전 중심을 무게중심과 같거나 높게 위치하는것은 같다.
위에 언급된 피드포워드 방식의 처리 외에, 선두차에서 검지하고 후속차량에도 정보를 전달해서 피드백 제어로 인한 딜레이를 줄이는 방법등이 고안되어 있다. 기울임 각도도 크게 가져가는게 보통으로, 펜돌리노의 경우 10도에 이른다. 이탈리아나 스웨덴에서 주로 사용된다.
  • 공기스프링 차체경사방식
일반적으로 장착되는 공기스프링을 이용해 기울이는 방식. 간이 차체경사로 불리기도 한다.
실용된 차량의 경우 경사각은 2도 정도로 매우 작지만, 추가적인 장치가 요구되지 않으므로 저렴해서 널리 쓰이고 있다.
일본 철도에서는 사철 및 신칸센에도 폭넓게 쓰이는 방식. 승차감의 저하도 적은 편이다.
  • 복합 차체경사방식 (제어추가 자연진자+공기스프링 강제차체경사식)
제어 추가 자연진자식 6도 + 공기스프링 차체경사방식 2도를 추가하여 8도라는 폭넓은 제어를 얻으려고 한 시도.
다만 JR홋카이도가 틸팅열차를 포기하면서, 양산에는 이르지 못했다.

3.3. 팬터그래프의 안정화

추가로, 전동화 차량이라면 팬터그래프가 같이 기울지 않도록, 와이어식, 대차직결식, 전동 능동경사식등으로 틸팅된 차량의 기울기를 무시하고 팬터그래프는 가선에 접촉할 수 있도록 구성을 하게 된다.

4. 대한민국의 틸팅열차 개발

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산악지형이 많아 철도 노선의 직선화에 큰 돈을 들여야 하는 한국에서도 틸팅 기술에 대한 기대는 꽤 큰 편이었고, 특히 중앙선, 영동선, 태백선 등의 산악지역 노선에 적극적으로 투입하여 표정속도를 향상시키려는 구상도 있었으며, 기술 개발 역시 2000년대 초반부터 진행하였다. 그 결과물이 프로젝트명 TTX, 한빛 200이라는 열차다.

하지만 한빛 200은 사실상 시제차량으로 끝이 났고 틸팅열차는 맥이 끊겼다. 틸팅열차가 필요할법한 선로는 고속선이 있거나 틸팅열차가 필요없을 정도의 준고속선 수준으로 선로개량이 이뤄졌기 때문이다. 한국은 일반선을 준고속선 수준으로 개량해 속도를 향상하는 정책을 취하여, 틸팅열차의 필요성이 떨어지게 되었다. 심지어 틸팅열차가 활성화된 영국도 고속철도 태동기에 영국병의 후유증으로 선로개량에 소극적이었던게 주 이유이다.

경부선과 호남선은 경부고속선과 호남고속선이 장거리 여객 수요를 상당수 대체했고, 영동선과 태백선 경유 장거리 여객 수요를 흡수할 경강선 원주-강릉 구간이 개통되며 고속화 필요성이 떨어지는 화물열차 선로 역할로 축소된 상태다. 중앙선과 장항선, 전라선은 직선화 및 고속화 개량을 완료하였거나 진행중에 있다. 구체적인 단계는 아니라 할 수 있지만 제3차 국가철도망 구축계획으로 가면 경전선과 충북선 개량이 검토 중이며 동해선이 남북으로 이어지고 춘천속초선, 서해선 개통, 그리고 경강선 완전 개통이 이뤄진다. 이러한 개량 사업 이후 남는 것이라고 해봐야 경북선과 영동선, 태백선 정도에 불과한데, 이들은 화물 중심 노선, 로컬선, 부분 관광수요 위주 노선인지라 틸팅열차를 도입해야 할 정도의 고정 여객 수요가 나오지 않는다. 거기다 태백선은 경강선이 수요를 상당수 가져갔고, 영동선도 영남권에서 강릉 가는 수요는 동해선이 가져갈 가능성이 높아서 이들 노선이 설 자리는 더욱 좁아지고 있다.

5. 각국의 틸팅열차

5.1. 한국

5.2. 일본

일본국유철도 민영화 이후 JR그룹 각사는 틸팅열차를 적극적으로 도입해 운용 중이다.

일본에서 틸팅열차를 적극적으로 투입하는 것은 JR 각사에서 재래선의 선형 개량에 대한 의욕이 극히 떨어지기 때문이다. JR은 민영기업이기에 돈이 많이 들고 비용회수에 몇십년이 걸리는 선형 개량에 소극적이고, 고속열차 기술이 표준궤를 중심으로 발달해있어 협궤인 재래선을 개량하더라도 속도 향상 효과가 얼마나 될지 장담할 수 없다. 정말로 개량이 필요하다고 생각될 정도로 중요한 노선이라면 정부와 지자체 돈을 들여서 고속선, 즉 신칸센( 정비신칸센)으로 대체하는 경향이 있기는 한데, 이것도 이해관계자가 너무 많은 문제가 있어 한국의 선형 개량이나 준고속선 건설에 비하면 진행속도가 상당히 느리고 소극적이다. 호쿠리쿠 신칸센, 니시큐슈 신칸센에서 그 어려움을 알 수 있다.

신칸센도 도카이도 신칸센 같은 경우 1964년에 완공되어 고속화에는 불리한 R이 좁은 커브가 많기 때문에 적극적으로 틸팅을 적용중이다. 도카이도 신칸센에는 50곳 이상 있는 R=2500m의 커브가 틸팅기능이 없을때는 255km/h로 제한이 설정되어 있었으나, 틸팅 적용 후 N700계로 270km/h, N700A에서 275km/h로 통과할 수 있어 도카이도 신칸센 전체를 증속하는데 도움이 되었다.

5.3. 유럽

유럽의 경우 국가별로 다양하다. 평야가 넓고 직선 구간을 달리는 프랑스의 TGV는 시험차 한번 투입해본 외에는 양산 투입 역사가 없으나, 산악지대가 많은 이탈리아, 스웨덴, 스페인의 경우 투입 실적이 있다.

5.4. 북미

5.5. 대만

한국처럼 장거리 일반열차에 대한 수요가 많지만 협궤여서 선로 최고속도를 올리는게 어렵기 때문에 틸팅열차를 적극 도입했다.

6. 관련 문서



[1] 잘 보면 곡선 선로보다 열차의 차체가 살짝 더 안쪽으로 기울여진 모습을 볼 수 있다. [2] 최소곡선반경, 차량의 무게중심, 캔트량 등에 따라 다르나 대략 5~20% 정도의 향상이 가능하다 [3] 디젤열차는 전기열차에 비해 틸팅기술을 적용하기 어렵다. 디젤열차에 틸팅이 가능해진 건 틸팅 개발 이후 거의 20년 지난 뒤였다. 기술적인 이유는 하술 [4] 1973년 초도 생산 [A] 차체경사제어식 [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [21] 세계최초의 능동식 틸팅열차 [22] Advanced Passenger Train Experimental [23] Advenced Passenger Train Prototype [24] 웨스트 코스트 본선용으로 계획된 차량이나 자금부족으로 취소됨. 그 기술은 피아트에 팔려 상기한 펜돌리노 개발에 이용되었다.

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