[논문]도시철도용 전기기계식 제동장치의 특성시험

김민수; 오세찬; 권석진

doi:10.7736/kspe.2016.33.7.535

도시철도용 전기기계식 제동장치의 특성시험
Characteristic Test of the Electro Mechanical Brake Actuator for Urban Railway Vehicles 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.7, 2016년, pp.535 - 540

김민수 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부) , 오세찬 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부) , 권석진 (한국철도기술연구원 신교통연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The braking device in railway vehicles decelerates or stops the train by dissipating the thermal energy converted from kinetic energy into the air. Therefore, the brake system is crucial for safety. In this paper, we performed a study on an electromechanical brake actuator using an electrical motor as an alternative to pneumatic air cylinders to reduce the idle running time in braking, which subsequently increases braking distance, and to ensure reliable response characteristics. Especially, to analyze the response characteristics of the electromechanical brake actuator, we measure the delay time, response time and power consumption compared to the air cylinder. It is confirmed that the electromechanical brake actuator can reduce reaction time by 0.1 seconds (Braking Action) and 0.46 seconds (Brake Release) compared to the air cylinder.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

EWB는 EMB가 높은 제동력을 생성하기 위해 필요한 고전압 문제점을 해결하기 위해 연구되었다. 즉, EMB는 모터가 발생한 토크를 입력받아 제동력을 생성하는 방식이나, EWB는 캘리퍼 부분에 웻지 (Wedge)를 사용하여 디스크회전력을 제동력으로 활용함으로써 EMB보다 적은 소비전력으로 동일한 제동력을 확보할 수 있는 방법이다.
본 논문에서는 전기기계식 제동장치에 대한 연구동향을 분석하여 제동장치 연구에 대한 흐름을 분석하였으며, 철도차량의 비상제동거리에 영향을 미치는 제동거리를 감소시키기 위해 공압제어에 의해 제동장치를 동작시키는 방식이 아닌 제동ECU로부터 직접 전기신호를 전달받아 전기모터를 구동하여 제동을 체결하는 전기기계식 제동장치에 대한 연구를 수행하였다. 특히, 전기기계식 제동장치의 응답특성을 분석하기 위해 반응 시간, 응답 반복특성, 전력사용량 등을 측정하여 공압제동실린더 방식의 제동장치와 응답특성을 비교하였다.
본 논문에서는 차량의 비상제동거리에 영향을 미치는 공주거리를 감소시키고 활주방지장치의 성능을 향상시키기 위해 공압방식이 아닌 전기모터를 이용하는 전기기계식 제동장치에 대한 연구를 수행하였다. 특히, 전기기계식 제동장치의 특성을 분석하기 위해 제동 압부력, 반응시간, 응답 반복 특성, 전력사용량 등을 측정하여 공압제동실린더 방식의 제동장치와 성능특성을 비교하였다.

제안 방법

공압식 제어기는 제동 ECU로부터의 제동지령에따른 공기압축기 및 40리터 용량의 공기탱크의 공기압력을 제어하여 공압실린더를 제어하도록 제작하였다. 그리고 전기기계식 제동엑츄에이터 제어기는 제동 ECU로부터 다양한 제동지령(상용제동 1 - 7단, 비상제동) 및 제동해제 지령에 맞추어 전기기계식 제동엑츄에이터의 서보모터를 제어하도록 설계하였다.
즉, 철도 차량이 120 km/h 속도에서 비상제동 체결 후 정차 시까지 소요되는 30초 동안 제동체결을 1회 제동체결 과정으로 모사하였다. 공압식의 경우에는 제 동작용 시 필요한 공기를 압축하여 40리터의 공기 탱크를 충전시킬 때 사용되는 전력사용량을 측정하였고, 1회 충전으로 약 16회 제동을 체결할 수 있었다. 전기기계식 제동엑츄에이터는 비상제동에 필요한 30초 동안 전기기계식 제동엑츄에이터를 연속적으로 구동할 때 소모된 전력 사용량을 측정 하였다.
공압식 제어기는 제동 ECU로부터의 제동지령에따른 공기압축기 및 40리터 용량의 공기탱크의 공기압력을 제어하여 공압실린더를 제어하도록 제작하였다. 그리고 전기기계식 제동엑츄에이터 제어기는 제동 ECU로부터 다양한 제동지령(상용제동 1 - 7단, 비상제동) 및 제동해제 지령에 맞추어 전기기계식 제동엑츄에이터의 서보모터를 제어하도록 설계하였다. 또한, 마찰재간 간격, 모터 상태 등을 실시간 감시하여 이를 제동 ECU로 전송하도록 하였으며, 마찰면과 마찰재의 간격을 자동으로 조절하는 자동간극조정 기능 및 패드를 손쉽게 교체 가능하도록 하는 패드교체 모드를 내장하였다.
둘째로, 공압식 실린더와 전기기계식 엑츄에이터의 반복응답특성에 대한 비교시험을 수행하였다. 시험결과, 전기기계식 제동엑츄에이터를 3회 반복하는데 소요된 시간은 5.
그리고 전기기계식 제동엑츄에이터 제어기는 제동 ECU로부터 다양한 제동지령(상용제동 1 - 7단, 비상제동) 및 제동해제 지령에 맞추어 전기기계식 제동엑츄에이터의 서보모터를 제어하도록 설계하였다. 또한, 마찰재간 간격, 모터 상태 등을 실시간 감시하여 이를 제동 ECU로 전송하도록 하였으며, 마찰면과 마찰재의 간격을 자동으로 조절하는 자동간극조정 기능 및 패드를 손쉽게 교체 가능하도록 하는 패드교체 모드를 내장하였다. Fig.
비교시험은 상용전제동 (FSB: Full Service Brake)에 대응되는 제동명령을 공압식 및 전기기계식에 동일하게 지령하였을 때 각각의 반응시간을 측정하였다. 반응시간 측정 방법은 레이저 변위센서를 제동패드 홀더에 설치하여 제동명령 인가 시점부터 제동패드 홀더의 변위가 발생되는 지점까지의 반응시간을 계측하였다. 제동인가명령 및 제동해 제명령에 따른 패드홀더의 변위발생 시험을 10회씩 수행하여 평균값을 기록했으며, 이를 5회 반복 수행하여 Fig.
첫째로, 전기기계식 제동엑츄에이터와 공압식 제동실린더의 명령에 대한 반응시간을 비교하였다. 비교시험은 상용전제동 (FSB: Full Service Brake)에 대응되는 제동명령을 공압식 및 전기기계식에 동일하게 지령하였을 때 각각의 반응시간을 측정하였다. 반응시간 측정 방법은 레이저 변위센서를 제동패드 홀더에 설치하여 제동명령 인가 시점부터 제동패드 홀더의 변위가 발생되는 지점까지의 반응시간을 계측하였다.
셋째로, 공압식 제동실린더와 전기기계식 제동엑츄에이터의 전력사용량을 비교하였다. 즉, 철도 차량이 120 km/h 속도에서 비상제동 체결 후 정차 시까지 소요되는 30초 동안 제동체결을 1회 제동체결 과정으로 모사하였다.
5에 나타내었다. 압부력 측정은 한쪽 브레이크 패드 중심부에 장착된 로드셀값을 계측하여 기록하는 방법을 사용하였다.
전기기계식 제동엑츄에이터 시제품의 성능을 확인하기 위해 공압식 제동실린더와 비교시험을 수행하였다. 비교시험은 제동패드홀더의 변위를 이용한 제동인가/해제에 따른 반응시간, 반복 응답 특성, 전력사용량이며 NI Labview를 이용하여 데이터를 수집/분석하였다.
공압식의 경우에는 제 동작용 시 필요한 공기를 압축하여 40리터의 공기 탱크를 충전시킬 때 사용되는 전력사용량을 측정하였고, 1회 충전으로 약 16회 제동을 체결할 수 있었다. 전기기계식 제동엑츄에이터는 비상제동에 필요한 30초 동안 전기기계식 제동엑츄에이터를 연속적으로 구동할 때 소모된 전력 사용량을 측정 하였다. 단, 전기기계식 제동엑츄에이터의 경우에는 제작된 시제품에 포함된 전력변환장치, LCD 및 PLC 제어기의 사용전력량이 포함되어 있다.
3과 같다. 전기기계식 제동엑츄에이터는 표 1의 사양을 갖는 기존 공압실린더 및 제동캘리퍼 구조에서 공압실린더를 탈거한 후에 곧바로 장착 가능하도록 제작하였으며, 전기기계식 제동엑츄에이터, 제동캘리퍼, 제동압부력 측정부, 제어기 및 프레임부 구성된다.
반응시간 측정 방법은 레이저 변위센서를 제동패드 홀더에 설치하여 제동명령 인가 시점부터 제동패드 홀더의 변위가 발생되는 지점까지의 반응시간을 계측하였다. 제동인가명령 및 제동해 제명령에 따른 패드홀더의 변위발생 시험을 10회씩 수행하여 평균값을 기록했으며, 이를 5회 반복 수행하여 Fig. 6에 나타내었다.
셋째로, 공압식 제동실린더와 전기기계식 제동엑츄에이터의 전력사용량을 비교하였다. 즉, 철도 차량이 120 km/h 속도에서 비상제동 체결 후 정차 시까지 소요되는 30초 동안 제동체결을 1회 제동체결 과정으로 모사하였다. 공압식의 경우에는 제 동작용 시 필요한 공기를 압축하여 40리터의 공기 탱크를 충전시킬 때 사용되는 전력사용량을 측정하였고, 1회 충전으로 약 16회 제동을 체결할 수 있었다.
첫째로, 전기기계식 제동엑츄에이터와 공압식 제동실린더의 명령에 대한 반응시간을 비교하였다. 비교시험은 상용전제동 (FSB: Full Service Brake)에 대응되는 제동명령을 공압식 및 전기기계식에 동일하게 지령하였을 때 각각의 반응시간을 측정하였다.
본 논문에서는 전기기계식 제동장치에 대한 연구동향을 분석하여 제동장치 연구에 대한 흐름을 분석하였으며, 철도차량의 비상제동거리에 영향을 미치는 제동거리를 감소시키기 위해 공압제어에 의해 제동장치를 동작시키는 방식이 아닌 제동ECU로부터 직접 전기신호를 전달받아 전기모터를 구동하여 제동을 체결하는 전기기계식 제동장치에 대한 연구를 수행하였다. 특히, 전기기계식 제동장치의 응답특성을 분석하기 위해 반응 시간, 응답 반복특성, 전력사용량 등을 측정하여 공압제동실린더 방식의 제동장치와 응답특성을 비교하였다. 비교결과, 전기기계식 제동엑츄에이터의 반응시간은 공압식 제동실린더에 비해 제동인가명령은 0.
본 논문에서는 차량의 비상제동거리에 영향을 미치는 공주거리를 감소시키고 활주방지장치의 성능을 향상시키기 위해 공압방식이 아닌 전기모터를 이용하는 전기기계식 제동장치에 대한 연구를 수행하였다. 특히, 전기기계식 제동장치의 특성을 분석하기 위해 제동 압부력, 반응시간, 응답 반복 특성, 전력사용량 등을 측정하여 공압제동실린더 방식의 제동장치와 성능특성을 비교하였다.

데이터처리

전기기계식 제동엑츄에이터 시제품의 성능을 확인하기 위해 공압식 제동실린더와 비교시험을 수행하였다. 비교시험은 제동패드홀더의 변위를 이용한 제동인가/해제에 따른 반응시간, 반복 응답 특성, 전력사용량이며 NI Labview를 이용하여 데이터를 수집/분석하였다.

성능/효과

특히, 전기기계식 제동장치의 응답특성을 분석하기 위해 반응 시간, 응답 반복특성, 전력사용량 등을 측정하여 공압제동실린더 방식의 제동장치와 응답특성을 비교하였다. 비교결과, 전기기계식 제동엑츄에이터의 반응시간은 공압식 제동실린더에 비해 제동인가명령은 0.1초, 제동해제 명령은 0.46초 빠른 반응시간이 측정되었으며, 제동체결-제동해제를 3회 반복하는데 소요된 시간은 5.6초로 공압식 제동실린더 (8.6초)에 비해 약 35% 빠른 반복응답특성을 나타내었다. 이러한 반응속도 및 반복응답 특성의 향상은 공주시간 단축으로 인한 제동거리 단축 및 보다 효율적인 활주방지장치의 구현을 가능하게 할 수 있으며, 열차 편성 내 공압관련 부품의 탈 거로 인해 제동장치를 소형화/경량화 할 수 있음을 의미한다.
둘째로, 공압식 실린더와 전기기계식 엑츄에이터의 반복응답특성에 대한 비교시험을 수행하였다. 시험결과, 전기기계식 제동엑츄에이터를 3회 반복하는데 소요된 시간은 5.6초로 공압식 제동실린더 방식의 8.6초에 비해 약 35% 빠른 반복응답특성을 보여주었다.
전기기계식 제동엑츄에이터 시제품 중량을 측정한 결과 14.2 kg였으며, 이는 단순히 기존 공압식 제동실린더(약 21.5 kg)에 비해 33% 정도 경량화되었음을 알 수 있다. 실제 철도차량에 전기기계식 제동장치가 장착될 경우에는 부가적인 공압 장비(공기압축기, 건조기, 공기탱크, 공압관, 각종 밸브류 등)의 탈거로 인해 보다 경량화 및 소형화가 가능할 것이다.
11초가 반응시간으로 소요되었다. 즉, 전기기계식 제동엑츄에이터는 공압식 제동실린더에 비해 제동인가 명령은 0.1초, 제동해제 명령은 0.46초 빠른 반응시간이 측정되었다.
측정 데이터를 분석한 결과, 공압식 제동실린더의 경우에는 제동인가명령 인가 후 평균 0.17초에 반응하였으며, 제동해제명령 인가 후 평균 0.57초에 동작하였다. 전기기계식 제동엑츄에이터의 경우에는 제동인가명령은 평균 0.

후속연구

추후 전원차단이나 열차분리 등의 고장에 대한 대처방안에 대한 연구 및 실험실 수준의 성능비교가 아닌 다이나모메타 및 실차 시험을 통한 응답 특성 및 신뢰성 비교연구가 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차에서 제동의 역할은 무엇인가?	열차가 목적지까지 안전하게 도착하도록 속도를 감속시키거나 운행과정에서 차량의 속도를 제어하기 위한 기능을 담당하는 것이 제동이다. 이러한 제동은 열차를 정지하기 위해 정상적인 속도 제어로 열차를 감속시키는 상용제동과 돌발적인 상황에서 신속하게 열차를 정지시키는 비상제동으로 구분된다.
	열차의 제동은 어떻게 구분되는가?	열차가 목적지까지 안전하게 도착하도록 속도를 감속시키거나 운행과정에서 차량의 속도를 제어하기 위한 기능을 담당하는 것이 제동이다. 이러한 제동은 열차를 정지하기 위해 정상적인 속도 제어로 열차를 감속시키는 상용제동과 돌발적인 상황에서 신속하게 열차를 정지시키는 비상제동으로 구분된다.1
	고응답성을 갖는 전기기계식 제동장치를 철도차량에 적용하는 연구가 수행되는 이유는 무엇인가?	제동초속도가 100 km/h일 때 열차는 1초에 약 27.8 m를 주행하며, 제동초속도가 150 km/h일 때는 1초에 약 41.7 m를 주행하게 된다. 따라서 공주시간을 단축시키기 위한 빠른 응답특성 및 높은 신뢰도를 갖는 제동장치개발을 통해 비상제동거리를 단축시킬 필요가 있다. 이를 위해 공압식 제동장치에서 벗어나 고응답성을 갖는 전기기계식 제동장치를 철도차량에 적용하는 연구가 수행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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