[논문]P4a 분배밸브를 사용하는 화물열차의 경험적 제동모델들의 비교

최돈범; 김민수; 이강미; 김영국

doi:10.5762/kais.2020.21.1.61

P4a 분배밸브를 사용하는 화물열차의 경험적 제동모델들의 비교
Comparisons of Empirical Braking Models for Freight Trains Using P4a Distribution Valve 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.1, 2020년, pp.61 - 69

최돈범 (한국철도기술연구원) , 김민수 (한국철도기술연구원) , 이강미 (한국철도기술연구원) , 김영국 (한국철도기술연구원)

초록
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본 논문은 국내 고속형 화물열차에 적용되는 P4a 분배밸브를 갖는 화물열차의 장대 편성시 제동특성에 관한 것이다. 제동신호가 열차의 끝단까지 연결된 제동관을 통해 공기압력으로 전달되는 화차의 제동은 열차 길이와 사용된 밸브 등에 따라 영향을 받기 때문에 실험적 방법으로 확인한다. 장대화물 열차의 제동 특성은 평상시 운영의 약 2배인 50량으로 구성한 화물열차의 비상제동과 상용제동의 시험을 이용하였다. 1, 10, 20, 30, 50번째 차량에서 제동 실린더 압력이 측정되었다. 열차의 길이가 길어질수록 후방의 차량은 제동이 늦게 체결되는 제동지연 현상을 확인하였으며 특히 비상제동시 차량간 충격이 클 것을 예상할 수 있었다. 제한된 시험의 결과를 보완하고 향후 제동거리 계산을 위해 열차를 구성하는 모든 차량에서의 제동 압력을 예측할 필요가 있다. 제동시 각 차량에서의 압력은 계산시간의 단축과 신뢰성 있는 정보를 제공하는 것으로 알려진 선형보간, 단계형, 지수함수형의 경험적 모델들을 이용하여 예측하였다. 경험적 모델들의 예측결과는 실측한 결과들과 비교하였으며 지수함수형 모델이 비교적 정확하게 예측하고 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 장대화물열차의 안전한 운용에 기여하고 화물열차의 제동거리 예측과 제동시 차량간 충격량 계산 등에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the braking characteristics of a heavy haul freight train with P4a distribution valves applied to domestic high-speed freight trains. A freight train was composed of 50 cars, which is twice the normal operation. A braking test was performed to confirm the characteristics of the braking of a heavy haul. The brake cylinder pressures were measured for emergency and service braking on the 1st, 10th, 20th, 30th, and 50th cars. Because the brake signal is transmitted to the pressure through the braking tube connected to the end of the train, the rear vehicle is braking later than the vehicle ahead. Therefore, it is necessary to predict the brake pressures in all cars in a train to supplement the results of the limited tests and calculate the braking distance. The pressure in each car was determined using empirical models of linear interpolation, stepwise, and exponential models, which provided reliable information. The predictive results of the empirical models were compared with the measured results, and the exponential model was predicted relatively accurately. These results are expected to contribute to the safe operation of heavy haul freight trains and can be used to predict the braking distance and calculate the level of impact between vehicles during braking.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams of braking system of locomotive and freight car of train
그림 Fig. 2. Freight car braking diagrams using P4a distribution valve
표 Table 1. Distribution valves and braking force control
그림 Fig. 4. Brake pressure test diagram configurations with 50 freight cars
그림 Fig. 3. Freight train brake test bench
그림 Fig. 5. Changes in pressures over time (emergency brake)
그림 Fig. 6. Changes in pressures over time (service brake)
그림 Fig. 7. Predicted pressures using linear interpolaton method (emergency brake)
그림 Fig. 8. Predicted pressures using linear interpolaton method (service brake)
그림 Fig. 9. Predicted pressures using 3 step model (emergency brake)
그림 Fig. 10. Predicted pressures using 3 step model (service brake)
그림 Fig. 11. Starting time of braking pressure rise according to the position
그림 Fig. 12. Brake pressure rising characteristic factor according to the position
그림 Fig. 13. Predicted pressures using exponential function model (emergency brake)
그림 Fig. 14. TPredicted pressures using exponential function model (service brake)
표 Table 2. Error analysis results of estimated brake pressure (emergency brake)
표 Table 3. Error analysis results of estimated brake pressure (service brake)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 고속화차에 적용되며, 적재 하중에 따라 비례적으로 제동압력을 제어하는 P4a 분배밸브를 사용하는 화차의 제동특성에 관해 검토하였다.

가설 설정

화차의 제동신호 전달은 기관차부터 차량의 끝단까지 연결된 제동관(brake pipe)을 이용한다. 기관차의 압축기에서 생성된 압축공기는 배관을 통해각 차량에 공급된다. 기관사가 제동을 체결하면 제동배관의 압력이 감소하게 되고 이를 감지한 차량부터 제동이 시작된다.
충기 단계는 기관차의 제동밸브(brakevalve)를 충기 위치로 하면 압축기(compressor)에서 제 동관을 통해 압축공기가 차량들로 공급되며 P4a 분배밸브를 거쳐 보조공기통(auxiliary reservoir)의 압력이 상승한다. 보조공기통의 압력은 변동하중 밸브와 연결되며 제동을 체결할 수 있는 준비 상태가 된다. 제동 단계에서 기관차의 제동밸브를 제동위치로 하면 제동관 압력이 감소하게 되고 분배밸브를 통해 보조공기통의 압력이 부하 감지 밸브의 부하에 비례한 제동압력이 제동실린더로 공급된다.
Grebenyuk는 식(3)와 같이 길이에 따라 지연, 압력상승, 최대압력의 세 단계로 나누는 방법을 제안하였다. 이때 압력 상승에 소요되는 시간은 일정하다고 가정하였으며 압력 상승은 지수함수적인 관계에 있다고 가정하였다[17-19].
기관사가 제동을 체결하면 제동배관의 압력이 감소하게 되고 이를 감지한 차량부터 제동이 시작된다. 제동관의 압력은 기관차부터 순차적으로 감소하며 결과적으로 열차 전체가 제동이 체결된다. 제동신호가 순차적으로 전달되기 때문에 열차의 길이와 적용된 밸브류에 따라 차량간 제동 지연시간이 있으며 열차 전체가 제동이 체결되기 까지는 수 초가 소요될 수 있다[3-5].
최대 압력에 도달하는 시간은 각 차량별로 차이가 있지만 첫 번째 차량에서는 비상제동에 비해 약 3배 정도 늦게 상승하였다. 차량들간 제동압력은 크기다 다르고 압력상승이 시작되는 시간 차이는 작을 것으로 예상된다. 제동시 차량간 충격은 비상제동에 비해 작을 것으로 예상되지만 비상제동은 시작 시간의 차이가, 상용제동에서는 제동압력의 크기가 주요 영향 요소일 것으로 예상된다.

제안 방법

경험적 방법은 선형보간형, 단계형, 지수함수형으로 구분할 수 있으며, 제한된 측정한 결과를 모든 차량으로 확장하는 방식이다. 특정 제동시스템에 적용할 수 있다는 한계를 갖지만 계산시간이 짧고 높은 신뢰도의 정보를 제공하는 장점이 있다.
기관차에서는 제동관, 제동실린더에서의 압력을 측정하고 화차에서는 1, 10, 20, 30, 50번째 차량에서 제동 실린더의 압력을 측정하였다.
본 연구에서는 P4a 분배밸브를 사용하는 제동시스템이 적용된 화차들을 50량으로 편성한 열차에 대하여 측정한 제동실린더의 압력을 이용하고 경험적 제동모델들을 적용하여 비교하였다. P4a 분배밸브를 사용하는 제동시스템을 합리적으로 예측하는 경험적 모델은 향후 많은 시간과 비용이 소요되는 실차 시험을 대체하고 향후 제동거리 예측 및 연결기 충격량 계산의 입력 자료로 활용하고자 한다.
본 연구에서는 실차 시험을 통해 확보한 제동 압력의 변화를 바탕으로 경험적 방법을 통해 차량에서의 압력변화를 예측하고 시험결과와 비교하였다.
시험에서는 Fig. 4에서와 같이 일반적인 조성의 2배인 50량의 화물차량들을 열차로 구성하고, 정차한 상태에서 비상제동과 상용제동의 시험을 수행하였다.

대상 데이터

제동특성 분석을 위하여 P4a 밸브가 사용된 화차 50 량으로 구성된 열차 시험[4,8]을 이용하였다.
평상시 편성의 2배로 구성한 50량 화물열차를 정차상태에서 비상제동과 상용제동이 작동되었으며 제동실린더의 압력은 1, 10, 20, 30, 50번째 차량에서 시간에 따라 측정되었다. 대표적 차량 위치에서 측정한 결과를 경험적 제동모델들을 이용하여 모든 차량으로 확장 예측하고 시험을 통한 결과와 비교하였다.

데이터처리

각 차량에서 실측한 압력변화와 경험적 모델들을 이용한 추정 압력간의 정확도 확인을 위하여 식 (5)의 편차 제곱의 평균을 이용하여 오차를 측정하였다.
선형적 모델은 적용하기 간단하고 필요한 측정 정보가 적지만 각 차량에서 발생하는 제동시작 시간의 차이를 모사하기 어려우며, 단계적 모델에서는 압력상승 시간이 일정하다고 가정하였기 때문에 상용제동에서 차이를 보였다. 경험적 모델들을 이용한 예측 결과는 시험 결과와 편차 제곱의 평균을 이용하여 비교하였다. 비상제동에서는 열차의 전반부 차량에서는 단계적 모델이, 후반부 차량들에서는 지수함수 모델이 오차가 적었다.
평상시 편성의 2배로 구성한 50량 화물열차를 정차상태에서 비상제동과 상용제동이 작동되었으며 제동실린더의 압력은 1, 10, 20, 30, 50번째 차량에서 시간에 따라 측정되었다. 대표적 차량 위치에서 측정한 결과를 경험적 제동모델들을 이용하여 모든 차량으로 확장 예측하고 시험을 통한 결과와 비교하였다.
제동거리와 차량간 충격 예측을 위해 모든 차량에서의제동특성을 알아야 한다. 시험 결과를 이용하는 대표적인 3가지 경험적 제동모델(선형보간, 단계적, 지수함수)을이용하여 모든 차량으로 확장 예측하였다.
제동압력이 상승하기 시작하는 시간과 제동특성 변수를 분석하기 위하여 시험결과를 이용하여 특성을 분석하였다. 회귀분석을 통한 차량의 위치에 따른 비상제동과 상용제동의 제동지연시간, 특성변수를 Fig.

성능/효과

비상제동에서는 열차의 전반부 차량에서는 단계적 모델이, 후반부 차량들에서는 지수함수 모델이 오차가 적었다. P4a 분배밸브를 사용하는 제동 예측을 위해서는 지수함수 모델이 가장 적절할 것으로 예상된다.
선형 보간모델은 첫번째 차량과 마지막 차량의 측정한 압력을 선형적으로 이용하기 때문에 첫번째와 마지막차량의 오차는 작았지만 중간 차량에서 오차가 다른 모델에 비해 상대적으로 컸다. 단계적 모델과 지수함수 모델은 차량의 위치에 따라 오차가 달랐지만 비상과 상용제동의 모두의 경우에서 전체적으로 지수함수형 모델이 비교적 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다.
경험적 모델들을 이용한 예측 결과는 시험 결과와 편차 제곱의 평균을 이용하여 비교하였다. 비상제동에서는 열차의 전반부 차량에서는 단계적 모델이, 후반부 차량들에서는 지수함수 모델이 오차가 적었다. P4a 분배밸브를 사용하는 제동 예측을 위해서는 지수함수 모델이 가장 적절할 것으로 예상된다.
시험 결과 분석을 통해 비상제동은 차량간 압력상승패턴은 유사하지만 제동 시작 시간에서 뚜렷한 차이를 보였으며 상용제동은 압력상승이 후방 차량으로 갈수록 압력 상승이 늦어지고 후방부의 차량은 거의 유사한 압력 상승 특성을 보였다. 따라서 제동시 차량간 충격은 비상제동에서 가장 취약할 것으로 판단된다.
차량들간 제동압력은 크기다 다르고 압력상승이 시작되는 시간 차이는 작을 것으로 예상된다. 제동시 차량간 충격은 비상제동에 비해 작을 것으로 예상되지만 비상제동은 시작 시간의 차이가, 상용제동에서는 제동압력의 크기가 주요 영향 요소일 것으로 예상된다.

후속연구

본 연구에서는 P4a 분배밸브를 사용하는 제동시스템이 적용된 화차들을 50량으로 편성한 열차에 대하여 측정한 제동실린더의 압력을 이용하고 경험적 제동모델들을 적용하여 비교하였다. P4a 분배밸브를 사용하는 제동시스템을 합리적으로 예측하는 경험적 모델은 향후 많은 시간과 비용이 소요되는 실차 시험을 대체하고 향후 제동거리 예측 및 연결기 충격량 계산의 입력 자료로 활용하고자 한다.
또한 차량간 압력상승 양상은 마지막 차량을 제외하고 비슷한 압력 상승의 양상을 나타내었다. 마지막 차량에서의 압력양상은 [10]의 결과와 유사하며 [11]에서는 압력 천이과정으로 분배밸브의 내부 마찰과 히스테리시스 특성[12]으로 보았으나 이에 대한 상세한 영향과 특성 분석은 향후 보완되어야 할 것으로 보인다.
본 연구의 결과는 장대화물열차의 운용 및 대륙철도연결시의 제동시스템의 분석 등에 활용될 수 있으며 편성제동 성능시험기의 설계와 화물열차의 제동거리 예측 등에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

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저자의 다른 논문 :

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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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