고속철도차량에 대한 디스크 제동력 패턴의 최적 설정에 관한 연구 - 김석원 (The Graduate School, Ajou University, 2007)
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.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2007.2
Keywords: Disc braking force pattern; High speed train; Wear mass; Optimization; Disc braking energy; Resistance to motion