KR101584325B1 - 모노레일 차량용 공유압 제동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모노레일 차량용 공유압 제동 장치에 관한 것으로, 모노레일 차량의 차량제어감시장치로부터 제동요구신호가 입력되면 전기신호를 발생하는 제동제어장치와, 상기 제동제어장치에서 출력되는 전기신호를 공기신호로 변환하는 제동작동장치와, 상기 제동작동장치에서 출력되는 공기신호를 유압신호로 변환하는 공전변환장치와, 상기 공전변환장치에서 변환 출력된 유압신호에 의해 마찰제동을 수행하는 유압실린더로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 모노레일 차량의 제동을 유압제동을 통하여 수행하도록 함으로써 전체적으로 제동장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 모노레일 차량에 안정적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

모노레일 차량용 공유압 제동 장치 {Hydro-pneumatic brake system for monorail vehicle}

본 발명은 모노레일 차량용 공유압 제동 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 일반적인 철도차량에 사용되는 공기를 통한 제동시스템을 대신하여 모노레일 차량에 적합하도록 공압을 유압으로 변환하여 제동하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모노레일(monorail)은 단궤조(궤도가 하나)인 철도로서, 콘크리트나 철제 빔으로 이루어져 있는 한 개의 궤도거더 위를 고무타이어나 철륜이 달린 차량이 운행한다. 차량의 지지방식에 따라 궤도 위를 차량이 달리는 방식인 과좌식과 차량이 궤도에 매달려서 운행하는 방식인 현수식으로 나뉜다.

이 같은 모노레일은 건설비가 저렴하고 디자인이 미려하고 승객조망권이 우수하여 승객의 다양한 니즈를 충족할 수 있기 때문에 향후 도시의 미래 교통수단으로 각광 받을 것으로 예상된다.

한편, 모노레일은 수송규모가 도시철도와 버스의 중간 정도로서 중규모의 수송에 적합하며, 이러한 특성 때문에 대부분의 도시교통계획에서는 경전철로 분류되며, 대도시의 보조교통수단, 중소도시의 주요교통수단으로 쓰인다.

모노레일 차량은 주행시 정차 및 감속 등을 위한 제동 장치가 필요하지만, 철도차량의 제동시스템을 그대로 적용하고 있다.

이때, 철도차량에는 압축공기를 이용하여 제동력을 발생시키는 에어 브레이크 시스템이 장착되며, 상기 에어 브레이크 시스템은 유압을 이용한 제동장치에 비해 큰 제동력을 발휘하기 때문에 철도차량에 많이 사용된다. 이와 같은 철도차량용 에어 브레이크 시스템의 일 예로 공개특허 제10-2013-0024436호가 제안된 바 있다.

상기 공개특허에서 제안된 에어 브레이크 시스템은 철도차량용 에어 브레이크 시스템으로써, 공기압축기와, 상기 공기압축기에 연결되며 압축공기를 저장하고 주차제동시 제동제어부의 신호에 의해 저장된 압축공기를 배기하는 주공기통과, 상기 주공기통에 연결되어 압축공기를 전달하고 비상제동시 제동제어부의 신호에 의해 압축공기를 배기하여 주차제동이 체결되도록 하는 제1 밸브와, 상기 제1 밸브에 각각 연결되어 압축공기를 전달하고 상용제동시 제동제어부의 신호에 의해 압축공기를 배기하는 제2, 3 밸브와, 상기 제2, 3 밸브에 각각 연결되어 압축공기의 배기에 의해 제동하는 전륜 및 후륜 제동부로 이루어진다.

그런데 이상의 종래 일반적인 철도차량에 사용되는 공기를 통한 제동시스템은 공기압력에 따라 제어하게 되므로, 전체적인 부피가 크게 형성되며, 크기에 비하여 제동력이 약하기 때문에, 비교적 크기가 작은 모노레일 차량에 설치하기에는 무리가 따른다.

참고문헌: 공개특허 제10-2013-0024436호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 일반적인 철도차량에 사용되는 공기를 통한 제동시스템은 그 크기가 크기 때문에 모노레일 차량에 적용하기가 용이하지 않아, 모노레일 차량에 적합한 공압을 유압으로 변환하여 제동하도록 하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

모노레일 차량의 차량제어감시장치로부터 제동요구신호가 입력되면 전기신호를 발생하는 제동제어장치와, 상기 제동제어장치에서 출력되는 전기신호를 공기신호로 변환하는 제동작동장치와, 상기 제동작동장치에서 출력되는 공기신호를 유압신호로 변환하는 공전변환장치와, 상기 공전변환장치에서 변환 출력된 유압신호에 의해 마찰제동을 수행하는 유압실린더로 구성되는 것을 특징으로 하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치를 제공한다.

이때, 상기 차량제어감시장치에서 출력하는 제동요구신호는 디지털 데이터 형태로 이루어지며, 상기 제동제어장치는 상기 차량제어감시장치로부터 입력되는 제동요구신호에 따라 아날로그 신호 형태의 전기신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제동제어장치는 상기 유압실린더를 이용한 마찰제동과 추진제어장치의 인버터 제어를 통한 전기제동을 혼합하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제동제어장치는 모노레일 차량에 설치되는 압력센서를 통해 검출되는 공기압력의 평균 및 차량의 중량을 구하며, 모노레일 차량의 열차제어감시장치로부터 수신되는 감속도 지령을 수신하여 모노레일 차량의 요구제동력을 계산하여 우선순위에 따라 제동을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 압력센서는 모노레일 차량의 공기스프링에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 모노레일 차량의 제동을 유압제동을 통하여 수행하도록 함으로써 전체적으로 제동장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 모노레일 차량에 안정적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 유압을 이용하는 마찰제동과 함께 전기제동도 함께 수행하는 혼합제동방식을 통해 모노레일 차량의 제동을 효율적으로 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모노레일 차량용 공유압 제동 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모노레일 차량용 공유압 제동 장치의 혼합제동 제어 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 모노레일 차량용 공유압 제동 장치의 저크 제어 블록선도이다.

본 발명에 따른 모노레일 차량용 공유압 제동 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 모노레일 차량용 공유압 제동 장치는 차량(MC)에 설치되어 모노레일 차량의 종합적인 감시 및 제어 기능을 수행하는 차량제어감시장치(CC)(100)로부터 제동요구신호가 입력되면 전기신호를 발생하는 제동제어장치(ECU)(200)와, 상기 제동제어장치(200)에서 출력되는 전기신호를 공기(air)신호로 변환하는 제동작동장치(BOU)(300)와, 상기 제동작동장치(300)에서 출력되는 공기신호를 유압신호로 변환하는 공전변환장치(400)와, 상기 공전변환장치(400)에서 변환 출력된 유압신호에 의해 구동되는 유압실린더(500)로 구성되어, 모노레일 차량의 제동이 체결된다.

한편, 상기 제동제어장치(200)는 추진제어장치(600)인 모터(견인전동기)를 작동시키는 인버터(610)와의 상호작용을 통하여 전기제동 및 마찰제동을 적절히 작용시킴으로써 원하는 차량에 필요한 제동작용을 하게 된다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 차량제어감시장치(CC)(100)는 모노레일 차량에 설치되어 모노레일 차량의 주행, 제동 등과 같이 모노레일 차량 시스템의 전체적인 감시 및 제어 기능을 수행하며 원격지의 관제센터와의 데이터 통신을 수행할 수 있다.

이와 같은 차량제어감시장치(CC)(100)는 각 차량(MC1,MC2)의 제동을 위해 각 차량(MC1,MC2)에 설치되는 제동제어장치(200)로 제동을 요구하는 제동요구신호를 전송한다. 이때, 상기 차량제어감시장치(CC)(100)에서 출력하는 제동요구신호는 디지털 데이터 형태로 이루어진다.

한편, 상기 제동제어장치(200)는 상기 차량제어감시장치(CC)(100)로부터 입력되는 제동요구신호에 따라 아날로그 신호 형태의 전기신호를 발생한다. 이와 같은 전기신호는 제동작동장치(300)를 통해 공기신호로 변환된다.

이와 같은 공기신호는 공전변환장치(400)에서 유압신호로 변환 출력되며, 유압실린더(500)를 작동시키게 된다. 이때, 유압실린더(500)는 차륜을 제어하는 브레이크 패드를 작동시켜 모노레일 차량의 차륜에 장착된 브레이크 드럼 등을 가압하거나 자륜 답면을 직접 가압 등 다양한 형태의 기계적 작동방식에 의해 제동을 하게 된다.

한편, 이와 같은 모노레일 차량의 제동제어는 상기 유압실린더(500)를 이용한 마찰제동과 함께 인버터 제어를 통한 전기제동을 이용하는 혼합제동기능을 수행할 수 있다.

혼합제동은 차량(MC1 및 MC2)을 1유니트로 하여 차량을 정지시킬 때 전기제동을 우선하여 작용하고, 전기제동이 부족하면 유압실린더(500)를 이용한 마찰제동을 작용시켜 차량을 정지시키는 제동이다.

이와 같은 혼합제동의 제동작용순위는 다양하게 설정할 수 있다.

예를 들어 제동초기에 MC1차량 및 MC2차량은 유압실린더(500)를 이용한 마찰제동할 수 있고, 유니트 요구제동력이 전기제동력에 비해 작은 경우에는 차량(MC1 및 MC2)은 전기제동을 수행할 수 있다.

또한, MC1차량의 요구제동력이 전기제동력에 비해 작고 전기제동력이 유니트 요구제동력에 비해 작으면 MC1차량은 전기제동을 수행하고, MC2차량은 전기제동과 마찰제동을 함께 수행할 수 있다.

그리고, 유니트의 전기제동력이 MC1차량의 요구제동력에 비해 작은 경우에는 MC1차량은 전기제동과 마찰제동을 함께 수행하고, MC2차량은 마찰제동을 수행할 수 있다.

또한, 전기제동력 실패시에는 MC1차량 및 MC2차량은 모두 마찰제동을 수행할 수 있다.

한편, 이상의 혼합제동을 수행하려면 제동감속도 파라미터, 응하중 파라미터, 및 저크한계파라미터 등을 고려하여야 한다.

도 2를 참고하면, 모노레일 차량의 혼합제동을 위해서 차량의 하부에 위치하는 대차의 공기스프링에 설치되어 있는 압력센서(700)를 통해 공기압력(P_c2i, P_c1i)이 검출되며, 검출된 공기압력(P_c2i, P_c1i)은 공전변환기(710)에 의해 전압신호로 변환되어 제동제어장치(200)로 입력된다.

이와 같은 공기압력(P_c2i, P_c1i) 신호는 한 차량에 4개가 설치되어 있으므로 공기압을 평균하여야 한다.(S100,S101)

이때, MC2차량의 공기압력 평균값(P_c2)과 MC1차량의 공기압력 평균값(P_c1)은 아래의 식(1) 및 식(2)를 통해 구해진다.

--------(1)

--------(2)

그리고, 공기스프링의 단면적에 차량의 질량을 곱하고 여기에 회전관성질량계수를 곱하여 아래와 같은 식(3) 및 식(4)를 통해 차량의 중량(V_c2, V_c1)을 계산한다.(S102,S103)

-------(3)

-------(4)

한편, 모노레일 차량의 종합적인 감시 및 제어를 담당하는 차량제어감시장치(100)로부터 제동제어장치(200)는 1 ~ 7 스텝별로 0.5km/h/s~3.5km/h/s의 감속도 지령(D_c2, D_c1)을 수신한다. 이와 같은 감속도 지령(D_c2, D_c1)에 따라 계산되는 구동차 및 부수차의 요구제동력(B_c2, B_c1)이 계산되며, 이와 같은 Newton의 제2법칙 F = ma에 의해 아래와 같은 식(5) 및 식(6)에 따라 계산된다.(S104,S105)

-------(5)

-------(6)

이때, 모노레일 차량의 제동력제어는 부수차 및 구동차를 1유니트로 하여 제어되어야 하므로 부수차 및 구동차의 합산 요구제동력(B_tot)을 아래의 식(7)에 따라 계산한다.(S106)

-------(7)

이와 같이 합산된 총 요구제동력(B_tot)은 혼합제동 우선순위에 의하여 전기제동이 먼저 작용하도록 추진제어장치(600)에 전기제동을 요구하게 된다.(S108)

한편, 추진제어장치(600)에 전기제동(S108)을 요구하기 전에 차량의 승차감을 확보하기 위하여 저크제한기능을 추가로 수행한다.(S107) 제동장치 설계기준에서 저크제한기준은 0.8이므로 일정한 시간지연을 갖고 최대감속도로 도달하게 하여야 한다. 즉 1.2125초의 시간지연을 갖도록 설계하는 것이다. 이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 스텝신호로 입력되는 제동요구신호(B_toti)를 램프신호(B_toto)로 바꾸기 위해 적분제어기를 추가하였다.

이때, 스텝신호로 입력되는 제동요구신호(B_toti) 이득게인을 적용하여 적분제어기에 투입하여 저크제한기준을 만족시킨다.

이와 같은 혼합제어에 대해 인버터의 전기회생작용에 대하여 임의의 값(전동차 7,8호선 데이터)을 적용하고, 공유압변환장치에 대한 수학적 모델링이 없이 공압제동력이 유압제동력으로 변환된다고 가정한 상태로 시뮬레이션을 수행하였다.

이에 전기제동요구신호는 PWM(Pulse Width Modulation)신호로 변환되어 인버터(610)를 이용한 모터(견인전동기) 제어를 추진하는 추진제어장치(600)로 전송되며 이는 0~120kN에 대하여 10~90%의 값을 가진다. 추진제어장치(600)에 설치되어 있는 견인전동기의 회생특성에 따라 전기제동을 최대한 수행한 후에 달성된 신호를 다시 제동제어장치(200)로 전송한다. 전기제동달성신호도 PWM신호로 변환되어 추진제어장치(600)로 전송되며 이는 0~120kN에 대하여 10~90%의 값을 가짐을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 차량제어감시장치(CC) 200: 제동제어장치(ECU)
300: 제동작동장치(BOU) 400: 공전변환장치
500: 유압실린더 600: 추진제어장치
610: 인버터 700: 압력센서
710: 공전변환기

Claims (5)

1. 모노레일 차량의 차량제어감시장치로부터 제동요구신호가 입력되면 전기신호를 발생하는 제동제어장치와, 상기 제동제어장치에서 출력되는 전기신호를 공기신호로 변환하는 제동작동장치와, 상기 제동작동장치에서 출력되는 공기신호를 유압신호로 변환하는 공전변환장치와, 상기 공전변환장치에서 변환 출력된 유압신호에 의해 마찰제동을 수행하는 유압실린더로 구성되되,
   상기 차량제어감시장치에서 출력하는 제동요구신호는 디지털 데이터 형태로 이루어지며, 상기 제동제어장치는 상기 차량제어감시장치로부터 입력되는 제동요구신호에 따라 아날로그 신호 형태의 전기신호를 발생하며,
   상기 제동제어장치는 모노레일 차량에 설치되는 압력센서를 통해 검출되는 공기압력의 평균 및 차량의 중량을 구하며, 모노레일 차량의 열차제어감시장치로부터 수신되는 감속도 지령을 수신하여 모노레일 차량의 요구제동력을 계산하여 우선순위에 따라 제동을 수행하는 것을 특징으로 하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제동제어장치는 상기 유압실린더를 이용한 마찰제동과 추진제어장치의 인버터 제어를 통한 전기제동을 혼합하여 수행하는 것을 특징으로 하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 압력센서는 모노레일 차량의 공기스프링에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 모노레일 차량용 공유압 제동 장치.
   

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