고속철도차량에 대한 디스크 제동력 패턴의 최적 설정에 관한 연구
A Study on the Optimization of Disc Braking Force Pattern for the High Speed Train
- 주제(키워드) Disc braking force pattern , High speed train , Wear mass , Optimization , Disc braking energy , Resistance to motion
- 주제(KDC) 557.49
- 주제(DDC) 625.26
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박태원
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
철도차량의 제동은 주행중인 열차를 주어진 거리 이내에서 안전하게 정지시키거나 원하는 속도로 감속시키는데 필요한 기능을 수행하는 무엇보다도 중요한 열차의 성능항목이다. 짧은 제동거리를 확보하기 위하여 지나치게 큰 제동력을 투입할 경우에는 감속도와 감속도변화율이 크게 되어 승차감을 저해하거나 차륜의 찰상을 초래할 수 있으며, 제동과정에서 제륜자 및 패드의 마모와 발생하는 열에 의하여 제동효율을 떨어뜨리거나 마찰재의 손상을 초래할 수도 있다. 따라서, 요구제동거리를 만족하기 위한 제동력 패턴의 결정하기 위하여는 철도차량에 채택된 모든 제동장치의 특성을 종합적으로 검토하여야 함은 물론이고 감속도, 감속도변화율, 찰상 발생 가능 여부 등 승객과 차량의 운행에 미치는 영향과 발생하는 제동에너지의 효율적인 이용 및 패드, 제륜자 등의 마찰재에 대한 마모량의 최소화 등 열차 운용 측면에서의 경제적인 면을 고려하여 이루어져야 한다. 본 논문에서는 철도차량에 사용되는 기계제동장치의 대부분을 차지하고 있는 디스크 제동장치의 패드 마모량을 최소로 하는 최적의 디스크 제동력 패턴의 설정을 목적으로 디스크 순간제동에너지의 분산이 최소가 되는 최적설계 방법을 제시하였으며, 제시한 방법에 따라 최적설계를 수행하여 최적화된 디스크 제동력 패턴을 구하였다. 최적화된 디스크 제동력 패턴과 기존의 디스크 제동력 패턴에 대한 패드 마모량과 패드 마모량 감소비, 제동과정에서의 디스크 제동에너지 분포 및 감속도 분포 등을 비교하여 제시한 최적설계 방법의 타당성 및 유용성을 검토하였다. 또한, 제시한 최적설계 방법에 따라 국내의 고속철도차량에서 요구하는 제동거리를 만족하는 최적화된 디스크 제동력 패턴을 제시하였다. 철도차량의 제동성능에 영향을 미치는 주요 인자 중의 하나인 주행저항식은 국내에서 개발한 한국형 고속열차의 시운전시험 결과를 통하여 유사차량에서 제시된 예측식의 상수항과 일차항의 계수를 고정하고 이차항의 계수만을 구하는 수정된 회귀분석 방법으로 구하였으며, 이에 대한 타당성과 정확성을 시운전 계측 결과와 비교하여 검토하였다. 또한, 시운전 과정에서 디스크에 작용하는 압부력과 마찰력을 측정하여 디스크와 패드 사이의 마찰계수를 산출하고, 다이나모 시험기를 이용한 마찰계수와의 비교를 통하여 실제 열차 운영 환경에 따른 영향을 검토하였다. 이를 바탕으로 공주시간과 공주거리를 제동장치의 특성에 반영하여 제동투입 시점부터 제동성능해석이 가능하고, 실제 열차가 운행되는 다양한 선로조건을 반영하여 제동성능을 해석할 수 있는 제동성능해석 프로그램을 개발하여 한국형 고속열차의 제동시험 사례와 비교하여 타당성과 정확성을 검토하였다. 본 논문에서 제시된 다양한 조건에서 측정한 타행운전 결과를 이용한 수정된 회귀분석 방법으로 주행저항식을 구하는 경우에는 적은 수의 측정 데이터 집합을 사용하여도 충분한 정도의 결과를 나타낼 수 있는 것으로 판단되며, 디스크와 패드 사이의 마찰계수 및 다양한 선로조건을 반영하여 제동성능을 해석할 수 있는 프로그램은 다양한 철도차량에 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한, 패드 마모량을 최소화하기 위한 디스크 제동력 패턴을 설정하는 하나의 방법으로 디스크 에너지 측면을 고려하여 에너지 분산을 최소화하는 최적화 방법론은 향후 디스크 제동장치의 제동력 패턴을 에너지 분포에 따른 패드 마모량과의 관계뿐만 아니라 제동과정에서의 디스크와 패드의 온도 상승, 압부력 등 다양한 요소에 의한 마모량과의 관계를 반영한 최적화된 제동력 패턴을 설정하는 연구의 방법론이 될 것으로 판단된다.
more초록/요약
The performance of the braking system of a high-speed train is very important to ensure safety of the train. To stop the train or to reduce the speed safely to the designated speed within required distance, it is necessary to blend braking forces of various brake systems installed in the train. If the braking force is applied excessively to secure short braking distance, it deteriorates the ride comfort due to high level of deceleration and jerk, and sometimes a wheel slide and a wheel flat occur because the applied braking force exceeds the allowable adhesive force. Therefore, in order to decide the braking force pattern that satisfies the required braking distance, not only the characteristics of all applied brake equipments have to be examined, but also the influences of the ride comfort of passenger and operational conditions of the rolling stock, such as deceleration, jerk and possibility of wheel flat occurrence, should be studied comprehensively. An economical management, such as effective use of generated braking energy and the minimum wear of friction materials(a pad and a brake shoe), should be considered synchronously as well. Optimization has been performed to search a disc braking force pattern that reduces the wear of pad in the disc braking system, which makes the majority of mechanical brake device utilized in a rolling stock, by miminizing the variance of the instantaneous disk baking energy during braking time, and comparisons between the conventional disc braking force pattern and the optimization results have been performed. The comaparison results show that the pad wear mass can be reduced about 10 % when the braking command magnitude is applied 50 %, and 4 ~ 6 % of the wear mass can be reduced when 70 % of the braking command magnitude is applied. The resistance to motion equation for the Korean High Speed Rail 350 km/h eXperiment(HSR-350x), developed by Korea’s own technology, has been developed by modified regression analysis to the acceleration data acquired from coasting tests in irregular conditions. The coefficients of the resistance to motion equation have been calculated by the formula presented for a similar train, and the second order coefficient of the eqation has been calculated from the resistane to motion and the train speed. The validation and accuracy of the the developed resistance to motion equation have been examined by comparing the data from test runs with simulation results using the obtained coefficients. The running resistances calculated by the modified regression method give more reasonable results than original regression method even though small number of measured data is used. The friction coefficient between the disc and pad has been calculated by measuring clamping forces on a disc and frictional forces applied on hangers during the test run of HSR-350x. Then the influences with real operation circumstances of the train have been investigated by comparing the valus obtained from the dynamometer data. A brake performance simulation program has been developed, which can simulate the performance considering the running resistance from the beginning of braking command and the various real track conditions such as track gradient, curvature, tunnel, etc. Accuracy has been examined by comparing the simulation results with the brake test results of HSR-350x. The developed simulation program is expected to be applied for various railway vehicles. The optimization method minimizing the variance of the instantaneous disc braking energy during braking has been suggested as one of the minimization method that establishes the disc brake force pattern to reduce the pad wear msss.
more목차
제1장 서론 = 1
1.1 연구 목적 = 1
1.2 국내·외 연구동향 = 6
1.3 연구 내용 = 11
제2장 철도차량의 제동시스템 = 14
2.1 제동시스템 구성 = 14
2.2 제동블랜딩제어 = 21
2.3 점착력 = 25
2.3.1 점착력의 특성 = 26
2.3.2 점착계수 = 28
2.3.3 점착력과 제동성능의 관계 = 32
2.3.4 활주방지장치 = 35
2.4 열차저항 = 38
2.4.1 출발저항 = 38
2.4.2 주행저항 = 39
2.4.3 구배저항 = 41
2.4.4 곡선저항 = 43
제3장 시운전시험을 통한 한국형 고속열차의 주행저항 및 디스크-패드 마찰계수 측정 = 45
3.1 시운전시험계측시스템 = 46
3.2 주행저항 측정 = 49
3.2.1 설계초기 주행저항 추정 = 50
3.2.2 타행시험 및 주행방향 가속도 계산 = 53
3.2.3 측정 결과 고찰 = 58
3.2.3.1 실제 주행저항 및 초기 추정치와의 비교 = 58
3.2.3.2 회귀분석 방법 보완 = 70
3.2.4 주행저항 측정 결과 = 84
3.3 디스크 제동장치의 마찰계수 측정 = 86
3.3.1 계측센서 및 마찰계수 계측방법 = 89
3.3.2 측정 결과 고찰 = 95
3.3.3 마찰계수 측정 결과 = 101
제4장 제동성능해석 및 검증 = 103
4.1 제동성능해석 = 104
4.1.1 제동시 진행방향 운동방정식 = 104
4.1.2 제동거리 = 106
4.1.3 제동성능해석 프로그램 = 111
4.2 제동성능해석 프로그램 검증 = 113
4.2.1 검증에 사용되는 입력 자료 = 113
4.2.1.1 구배저항 및 주행저항 데이터 = 114
4.2.1.2 마찰계수 및 견인 시스템의 동력 전달율 = 115
4.2.2 제동성능해석 프로그램 검증 = 117
4.2.2.1 검증을 위한 제동시험 사례 = 117
4.2.2.2 계측 결과 및 해석 결과 비교 = 120
4.3 제동성능해석 및 검증 결과 = 124
제5장 디스크 제동력 패턴 최적화 = 125
5.1 디스크 제동력 패턴 최적화 방법 = 126
5.1.1 제동속도에 따른 패드 마모량 = 126
5.1.2 디스크 제동력 패턴 최적화 방법 = 129
5.2 해석 대상 차량의 입력 정보 = 134
5.2.1 차량 편성 및 제동장치 = 134
5.2.2 주행저항 = 136
5.2.3 최적화 해석을 위한 제한조건 = 137
5.2.3.1 점착력 = 137
5.2.3.2 제동거리 = 138
5.2.3.3 디스크의 허용 최대 에너지 = 139
5.2.3.4 기계적인 최대 제동력 = 140
5.2.3.5 감속도 및 감속도변화율 = 141
5.3 디스크 제동력 패턴 최적화 = 143
5.3.1 모든 제동장치 정상인 경우 = 143
5.3.1.1 기존 디스크 제동력 패턴 = 143
5.3.1.2 최적 디스크 제동력 패턴 = 146
5.3.1.3 최적화 결과 검토 = 148
5.3.2 전기제동장치 1개 고장인 경우 = 157
5.3.2.1 기존 디스크 제동력 패턴 = 157
5.3.2.2 최적 디스크 제동력 패턴 = 159
5.3.2.3 최적화 결과 검토 = 160
5.4 최적화 결과 및 요구제동거리에 대한 디스크 제동력 패턴 제안 = 173
제6장 결론 = 177
참고 문헌 = 182
Abstract = 188
