KR102424806B1 - 점착계수 실시간 연산을 통한 wsp 최적 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 wsp 최적 제동력 제어방법 - Google Patents

점착계수 실시간 연산을 통한 wsp 최적 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 wsp 최적 제동력 제어방법 Download PDF

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Abstract

점착계수 실시간 연산을 통한 WSP 최적 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 WSP 최적 제동력 제어방법에서, 상기 제동력 제어시스템은 철도차량의 활주를 감지하여 덤프밸브를 피드백 제어하는 WSP 제어기를 포함하여 철도차량을 제동하며, 상기 WSP 제어기는, 서로간의 데이터 통신이 가능한, 마스터 WSP 제어부 및 복수의 WSP 제어부들을 포함한다. 이 경우, 상기 마스터 WSP 제어부 및 각각의 WSP 제어부는, 입력되는 정보를 바탕으로 차륜과 레일 사이의 점착계수를 실시간으로 연산하는 점착계수 연산부, 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산하는 제동력 연산부, 및 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 기준 감속도를 연산하는 기준 감속도 연산부를 포함한다.

Description

점착계수 실시간 연산을 통한 WSP 최적 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 WSP 최적 제동력 제어방법{WSP OPTIMAL BRAKING FORCE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING WSP OPTIMAL BRAKING FORCE USING THE SAME}
본 발명은 WSP 최적 제동력 제어시스템 및 이를 이용한 WSP 최적 제동력 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철도차량에 적용되는 공압 제동시스템에서, 저점착 또는 초저점착 상황에서 차륜과 레일간의 점착계수를 바탕으로 최적의 제동력을 연산하여, 제동 디스크를 제어함으로써, 제동거리를 단축하는 것은 물론 공기소모량을 최소화할 수 있는 WSP 최적 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 WSP 최적 제동력 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 철도차량에 적용되는 제동시스템(1)을 도시한 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 철도차량에서는 제동전자제어장치(ECU)(2)에 의해 제동제어장치(BOU)(4)가 제어되며, 차량 압축공기통(3)으로부터 전달된 공기에 의해 덤프밸브(dump valve)(7)가 제동 캘리퍼(6)를 동작시키되, 이 경우 WSP 제어기(8)에서 제동 디스크(5)의 속도 신호를 바탕으로 상기 덤프밸브(7)를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 WSP 제어기(8)의 경우, 철도차량의 활주상태를 감지하여 이를 방지하기 위한 피드백 제어를 수행하는데, 이러한 피드백 제어에서, 상기 WSP 제어기(8)는 각 차륜의 속도를 바탕으로 차륜의 활주가 검지되면 활주가 발생한 차륜에 대하여 제동압을 배기시켜 속도를 회복시키고, 이후 속도가 회복되면 다시 제동압의 정상적 공급이 가능하도록 제어를 수행한다.
즉, 상기 WSP 제어기(8)를 통한 제어에서는, 철도차량의 속도와 차륜의 속도를 비교하여 활주를 검지하는데, 실체 철도차량의 속도를 알 수 없으므로, 소위, 기준속도(reference speed)를 계산하여 철도차량의 속도로 간주하게 된다.
그러나, 점착계수의 감소로 활주가 발생하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 실체 철도차량의 속도보다 차륜의 속도가 감소하게 되며, 활주의 감소를 위한 제어를 수행하는 과정에서도, 상기 기준속도는 실제 철도차량의 속도와 차이가 발생하게 마련이어서, 차륜의 지속적인 활주의 발생을 방지하기는 어렵다.
또한, 종래의 상기 WSP 제어기(8)는 점착계수를 바탕으로 최적 제동압을 공급하는 것이 아니며, 차륜의 슬라이드 상황에 따른 덤프 밸브(7)를 제어하는 것으로, 지속적인 상기 덤프 밸브(7)의 동작을 유도하게 되어, 공기 소모량이 증가하는 문제가 있다.
대한민국 등록공보 제10-0799339호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 저점착 또는 초저점착 상황에서 차륜과 레일간의 점착계수를 바탕으로 최적의 제동력을 연산하여, 제동 디스크를 제어함으로써, 제동거리를 단축하는 것은 물론 공기소모량을 최소화할 수 있는 WSP 최적 제동력 제어 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 WSP 최적 제동력 제어시스템을 이용한 WSP 최적 제동력 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 제동력 제어시스템은 철도차량의 활주를 감지하여 덤프밸브를 피드백 제어하는 WSP 제어기를 포함하여 철도차량을 제동하며, 상기 WSP 제어기는, 서로간의 데이터 통신이 가능한, 마스터 WSP 제어부 및 복수의 WSP 제어부들을 포함한다. 이 경우, 상기 마스터 WSP 제어부 및 각각의 WSP 제어부는, 입력되는 정보를 바탕으로 차륜과 레일 사이의 점착계수를 실시간으로 연산하는 점착계수 연산부, 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산하는 제동력 연산부, 및 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 기준 감속도를 연산하는 기준 감속도 연산부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 입력되는 정보는, 차륜의 감속도(
Figure 112020062694272-pat00001
), 제동 압부력(P), 제동패드 마찰계수(ㅅ), 축중(N) 및 휠셋의 관성모멘트(I)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 점착계수 연산부에서 상기 점착계수(τ)는,
Figure 112020062694272-pat00002
식 (4)
상기 식 (4)로 연산하며, R은 휠셋의 반경이고, r은 유효 브레이킹 반경(radius of effective braking)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동력 연산부에서 연산되는 최적의 제동력은 최적의 제동 압부력(P)을 바탕으로, 제동력과 제동 압부력 사이의 관계식으로부터 연산되며,
Figure 112020062694272-pat00003
식 (8)
상기 제동 압부력(P)은 상기 식 (8)로 연산되며, g는 중력 가속도일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 감속도 연산부에서 상기 기준 감속도(
Figure 112020062694272-pat00004
)는,
Figure 112020062694272-pat00005
상기 식으로 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 철도차량의 전체에 속하는 각각의 차량에는, 상기 마스터 WSP 제어부와 상기 WSP 제어부들 중 어느 하나만 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 WSP 제어부는, 상기 기준 감속도 연산부를 통해 연산된 기준 감속도를 상기 마스터 WSP 제어부로 제공하는 송수신부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마스터 WSP 제어부는, 상기 WSP 제어부들로부터 제공된 각 차량의 유효 점착계수 및, 상기 마스터 WSP 제어부가 구비된 해당 차량의 유효 점착계수를 바탕으로, 상기 철도차량 전체에 대한 평균 점착계수를 연산하고, 상기 전체에 대한 평균 점착계수를 바탕으로 기준 감속도를 재설정하여 전체에 대한 감속도를 연산하는 기준감속도 재설정부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각 차량이 n개의 차축을 포함하는 경우, 상기 WSP 제어부들 각각, 및 상기 마스터 WSP 제어부는,
Figure 112020062694272-pat00006
식 (9)
Ni는 i번째 차축의 축중, τi는 i번째 차축의 점착계수이고, 상기 식 (9)를 바탕으로, n개의 차축 각각에서 연산되는 점착계수를 평균하여 각 차량의 유효 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00007
)를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 철도차량이 m개의 차량을 포함하는 경우,
Figure 112020062694272-pat00008
식 (10)
Figure 112020062694272-pat00009
는 각 차량의 유효 점착계수, Mj는 j번째 차량의 질량이고, 상기 식 (10)을 바탕으로, 철도차량의 전체에 대한 평균 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00010
)를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마스터 WSP 제어부는, 상기 기준 감속도 재설정부를 통해 재설정된 전체에 대한 감속도를 상기 WSP 제어부들 각각으로 제공하는 송수신부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 송수신부는, 상기 철도차량에 기 구비된 MVB 통신망, 또는 BCN(brake control network)를 통해 정보를 송수신할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 제동력 제어방법은 철도차량의 활주를 감지하여 덤프밸브를 피드백 제어하는 WSP 제어기를 포함하여 철도차량을 제동한다. 상기 제동력 제어방법에서, 입력되는 정보를 바탕으로 차륜과 레일 사이의 점착계수를 실시간으로 연산한다. 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산한다. 상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 기준 감속도를 연산한다.
일 실시예에서, 상기 점착계수를 연산하는 단계에서, 각 차량이 n개의 차축을 포함하는 경우, n개의 차축 각각에서 연산되는 점착계수를 평균하여 각 차량의 유효 점착계수를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동력 제어방법은, 각 차량의 유효 점착계수의 연산 결과가 마스터 WSP 제어부로 제공되는 단계, 상기 각 차량의 유효 점착계수를 바탕으로, 철도차량 전체에 대한 평균 점착계수를 연산하는 단계, 및 상기 전체에 대한 평균 점착계수를 바탕으로 전체에 대한 감속도를 연산하여 기준감속도를 재설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 저점착 나아가 초저점착 상황에서 철도차량의 효과적인 제동을 위해, WSP 제어기가 점착계수를 실시간으로 연산하고, 이렇게 연산된 점착계수를 바탕으로 최적의 제동력을 연산 및 제공함으로써, 제동거리를 단축하는 것은 물론 덤프 밸브의 공기 소모량을 최소화할 수 있다.
이 경우, 상기 점착계수의 연산을 위한 정보는 용이하게 취득할 수 있으므로, 점착계수의 실시간 연산이 용이하며, 이에 따른 최적 제동력 연산 역시 제안된 수식을 통해 효과적으로 용이하게 도출이 가능하다.
나아가, 상기 점착계수를 바탕으로 기준 감속도를 연산할 수 있으므로, 상기 WSP 제어기가 기준속도를 최대한 차량속도에 부합하도록 제어할 수 있어, 차륜의 찰상을 방지하고 보다 안전한 운행이 가능할 수 있다.
이 경우, 상기 WSP 제어기를 구성하는 마스터 WSP 제어부와 복수의 WSP 제어부들 사이에 데이터 송수신이 가능하여, 복수의 차축을 가지는 각 차량, 및 복수의 차량을 포함하는 철도차량 전체에 대하여 평균 점차계수를 연산할 수 있으며 이를 바탕으로 기준 감속도를 재설정할 수 있고, 이를 각 차량의 WSP 제어부와 공유함으로써, 상기 제어의 기준이 되는 기준속도를 실제 철도차량의 속도에 최대한 부합하도록 설정할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 철도차량용 공압기반 제동시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 철도차량에서 차륜의 활주(sliding)가 발생하는 경우 차량의 속도(Train_speed)와 차륜의 속도(MC_Vel_01 외)를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 WSP 최적 제동력 제어시스템에서 WSP 제어부들을 도시한 블록도이고, 도 3b는 도 3a의 마스터 WSP 제어부를 도시한 블록도이며, 도 3c는 도 3a의 제1 내지 제N-1 WSP 제어부 각각을 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3c의 제동력 제어시스템을 이용한 제동력 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 차륜과 레일 사이의 작용력을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 저점착 상황에서 실체 측정된 차량 감속도와, 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 차량 감속도의 비교 그래프이다.
도 7은 도 6의 저점착 상황에서, 종래기술로 제어한 제동압력과, 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 제어한 최적 제동압력의 비교 그래프이다.
도 8은 초저점착 상황에서 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 점착계수들의 예를 도시한 그래프이다.
도 9는 초저점착 상황에서 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 각 차축의 최적 제동압력의 예를 도시한 그래프이다.
도 10a는 초저점착 상황에서 철도차량 전체의 속도와 감속도를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이고, 도 10b는 초저점착 상황에서 철도차량 전체의 속도와 감속도를 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 WSP 최적 제동력 제어시스템에서 WSP 제어부들을 도시한 블록도이고, 도 3b는 도 3a의 마스터 WSP 제어부를 도시한 블록도이며, 도 3c는 도 3a의 제1 내지 제N-1 WSP 제어부 각각을 도시한 블록도이다.
우선, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 WSP 최적 제동력 제어시스템(이하, 제동력 제어시스템이라 함)에 대하여 간략히 설명한다.
우선, 본 실시예에서의 상기 제동력 제어시스템은, 도 1에 도시된 종래기술에 의한 제동시스템(1)에서, 상기 WSP 제어기(8)를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 포함하는 것으로, 도 3a에 도시되는 WSP 제어기(50)에서 상기 덤프밸브(7)를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 종래 철도차량에서와 동일하게, 본 실시예에서도, 상기 제동전자제어장치(ECU)(2)에 의해 상기 제동제어장치(BOU)(4)가 제어되며, 상기 차량 압축공기통(3)으로부터 전달된 공기에 의해 상기 덤프밸브(dump valve)(7)가 상기 제동 캘리퍼(6)를 동작시켜 제동을 수행하는 것으로, 이 과정에서, 상기 WSP 제어기(50)가 철도차량의 활주상태를 감지하여 이를 방지하기 위해 상기 덤프밸브(7)를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 실시예에서의 상기 제동력 제어시스템의 구성으로서, 도 1의 종래 기술의 제동시스템과 차별적인 구성인 상기 WSP 제어기(50)를 중심으로 상세히 설명한다.
보다 구체적으로, 도 3a를 참조하면, 상기 WSP 제어기(50)는 마스터 WSP 제어부(10) 및 복수의 제1 내지 제m-1 WSP 제어부들(20)을 포함한다.
일반적으로 철도차량은 복수의 차량(이하에서, 차량은 철도차량 전체를 구성하는 하나의 개별 차량을 의미함)들이 서로 연결되어 하나의 철도차량을 구성하며, 예를 들어, m개의 차량들이 하나의 철도차량 전체를 구성한다고 가정하면, 상기 m개의 차량들 중 어느 하나의 차량에는 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비되며, 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비되지 않는 나머지 m-1개의 차량들 각각에는 상기 WSP 제어부(20)가 구비된다.
이 경우, 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비되는 차량은 임의의 차량으로 선택될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다.
한편, 이하에서 상세히 설명하겠으나, 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부(20)에서는, 각각이 구비된 해당 차량에 대하여 점착계수 및 기준 감속도를 연산한다.
다만, 상기 마스터 WSP 제어부(10)에서는, 철도차량이 포함하는 모든 차량들 전체에 대한 평균 점착계수 및 이를 바탕으로 한 기준 감속도의 연산을 수행하며, 이러한 평균값의 연산은 모든 WSP 제어부(20)에서 수행될 필요는 없으므로, 평균값의 연산을 위한 정보를 상기 마스터 WSP 제어부(10)로 제공하여, 상기 마스터 WSP 제어부(10)에서 평균값을 연산하여 개별 WSP 제어부들(20)로 결과를 공유하는 것으로 충분하다.
이러한 특성을 고려하여, 도 3b를 참조하면, 상기 마스터 WSP 제어부(10)는 점착계수 연산부(11), 제동력 연산부(12), 기준 감속도 연산부(13), 송수신부(14) 및 기준 감속도 재설정부(15)를 포함한다.
이와 달리, 도 3c를 참조하면, 상기 WSP 제어부(20)는 점착계수 연산부(21), 제동력 연산부(22), 기준 감속도 연산부(23) 및 송수신부(24)를 포함한다.
이 경우, 상기 점착계수 연산부(11, 21), 상기 제동력 연산부(12, 22) 및 상기 기준 감속도 연산부(13, 23)는 각각 해당 연산부들이 구비되는 각 차량에 대하여 연산을 수행하는 것을 제외하고는, 실질적으로 동일한 구성으로 동일한 기능을 수행하며, 이에 따라, 상기 각각의 구성들에 대하여 동시에 설명한다.
도 4는 도 3a 내지 도 3c의 제동력 제어시스템을 이용한 제동력 제어방법을 도시한 흐름도이다. 도 5는 차륜과 레일 사이의 작용력을 설명하기 위한 모식도이다.
나아가, 설명의 편의를 위해, 상기 제동력 제어시스템 및 상기 제동력 제어시스템을 이용한 제동력 제어방법에 대하여 도 3a 내지 도 4를 참조하여 동시에 설명한다.
우선, 상기 점착계수 연산부(11)에서는, 해당 차량의 점착계수를 연산하기 위해 필요한 정보를 입력받는다(단계 S10).
이 경우, 상기 입력되는 정보의 예로는, 차륜의 감속도(
Figure 112020062694272-pat00011
), 제동 압부력(P), 제동패드 마찰계수(ㅅ), 축중(N), 휠셋의 관성모멘트(I) 등일 수 있다.
그리하여, 상기 점착계수 연산부(11)에서는, 상기 입력되는 정보를 바탕으로, 해당 차량에서의 점착계수(τ, 차륜과 레일 사이의 점착계수)를 연산한다(단계 S20).
이 경우, 연산되는 점착계수는, 해당 차량의 특정 차축에서의 점착계수인 것으로, 해당 차량이 복수의 차축들을 포함한다면, 후술하겠으나 복수의 차축들 각각에서의 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 유효 점착계수의 연산이 가능하고, 이는 후술한다.
상기 점착계수의 연산을 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 차륜과 레일 사이의 작용력에 대한 모식도를 참조한다.
도 5를 참조하여, 상기 차륜과 레일 사이의 운동 방정식을 도출하면 하기 식 (1) 내지 식 (3)과 같다.
이 경우, 하기 식 (2)에서 숫자 '2'가 수식에 포함된 이유는, 하나의 차축에는 제동 캘리퍼가 2개가 포함되는 차륜 디스크인 경우를 가정하였기 때문이며, 상기 제동 캘리퍼가 3개가 포함된다면 하기 식 (2)에서 숫자 '2'는 '3'으로 수정되어야 한다.
Figure 112020062694272-pat00012
식 (1)
Figure 112020062694272-pat00013
식 (2)
Figure 112020062694272-pat00014
식 (3)
이 경우, N(=mg)은 휠셋의 수직방향 로드, I는 휠셋의 관성모멘트, R은 휠셋의 반경, r은 유효 브레이킹 반경(radius of effective braking), P는 제동 캘리퍼의 제동 압부력, ㅅ는 제동패드의 마찰계수, m은 휠셋에 작용하는 총 질량, F는 차륜(휠)과 레일 사이의 마찰력이다.
한편, 상기 WSP 제어부(10, 20)가 이상적으로 잘 동작하는 경우라면 활주가 발생하는 상황에서, 식 (1)을 통해 차량의 가속도(또는 감속도)를,
Figure 112020062694272-pat00015
상기 식으로부터 도출할 수 있다. 따라서, 점착계수(τ)를 실시간으로 연산할 수 있으면, 차량의 감속도를 실시간으로 계산할 수 있음을 예상할 수 있다.
즉, 상기 점착계수 연산부(11, 21)에서는, 상기 식 (2)로부터, 차륜의 감속도(
Figure 112020062694272-pat00016
) 및 제동 압부력(P)을 실시간으로 계측하여 정보를 입력받고, 추가 정보로서 미리 획득한 정보에 해당되는 제동패드 마찰계수(ㅅ), 축중(N) 및 휠셋의 관성모멘트(I)를 입력받게 되면(단계 S10), 실시간으로 하기 식 (4)와 같이 점착계수(τ)의 실시간 연산이 가능하게 된다(단계 S20).
Figure 112020062694272-pat00017
식 (4)
이 경우, 상기 차륜의 감속도(
Figure 112020062694272-pat00018
)는, 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부들(20)이 해당 차량의 각 축들의 속도를 속도센서를 통해 센싱함으로써 정보의 획득이 가능하다.
또한, 상기 제동 압부력(P)은 제동압력(PBC)의 함수로서, 통상적으로 모든 제동 캘리퍼 제작사는 제동압력에 따른 제동압부력의 관계를 소정의 식(Equation)으로 제공하고 있으므로, 상기 제동압부력(P)에 대한 정보 역시 용이하게 획득이 가능하다.
또한, 상기 제동패드 마찰계수(ㅅ)는, 제동패드와 디스크 사이의 다이나모 시험 결과를 통해 기 도출된 정보를 입력받을 수 있으며, 통상적으로 속도 및 온도의 함수에 해당된다.
나아가, 상기 축중(N)은 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부들(20)에 각 축별로 정보를 입력하여 제공할 수 있으며, 상기 휠셋의 관성모멘트(I) 역시 철도차량의 대차설계에서 반영되는 기본 정보인 것으로, 차량 제작사 등을 통해 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부들(20)에 해당 정보를 입력하여 제공할 수 있다.
이상과 같이, 상기 식 (4)를 통해 연산되는 상기 점착계수(τ)의 연산을 위한 정보들은 획득이 용이한 것으로, 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부들(20)에 입력될 수 있다.
이 후, 상기 제동력 연산부(12, 22)는 상기 연산된 점착계수(τ)를 바탕으로, 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산한다(단계 S30).
보다 구체적으로, 최적의 제동력의 연산에 앞서, 최적의 제동 압부력(P)의 연산을 수행하여야 하는데, 최적의 제동압부력(P)은 활주가 아니라 회전(rolling) 상태인 이상적인 경우의 식으로부터 결정될 수 있다.
즉, 이러한 이상적인 경우의 차륜의 가속도는 하기 식 (5)로 정의되며, 상기 식 (4)로부터 차륜의 가속도/감속도(
Figure 112020062694272-pat00019
)는 하기 식 (6)로 도출된다.
Figure 112020062694272-pat00020
식 (5)
Figure 112020062694272-pat00021
식 (6)
그리하여, 상기 식 (1), 식 (5) 및 식 (6)을 바탕으로 하기 식 (7)을 유도할 수 있으며, 상기 식 (7)로부터 최적 제동압부력(P)을 도출하면 식 (8)과 같다.
Figure 112020062694272-pat00022
식 (7)
Figure 112020062694272-pat00023
식 (8)
이상과 같이, 상기 최적 제동압부력(P)이 식 (8)로 연산되면, 앞서 설명한 바와 같이, 소정의 식으로 제공되는 제동압력에 따른 제동압부력의 관계를 바탕으로, 최적의 제동압력, 즉 최적의 제동력을 연산할 수 있다.
이상과 같이, 상기 제동력 연산부(12, 22)를 통해 최적의 제동력이 연산되면, 상기 마스터 WSP 제어부(10) 및 각각의 WSP 제어부(20)는 상기 연산된 최적의 제동력을 바탕으로 제동제어를 수행(단계 S40)하며, 이러한 제동제어에서는, 상기 덤프밸브(7)를 최적으로 제어하여 최대한 홀드모드(hold mode)를 오랫동안 유지함으로써, 공기 소모량을 최소화하면서 제동거리를 단축할 수 있다.
한편, 상기 기준 감속도 연산부(13, 23)에서는, 상기 점착계수의 연산 결과를 바탕으로, 해당 차량의 기준 감속도를 상기 식 (1)을 통해 도출할 수 있다(단계 S50).
다만, 통상적으로 하나의 차량에는 복수의 차축들이 구비되며, 해당 차량에 구비되는 한 개의 상기 마스터 WSP 제어부(10) 또는 각각의 상기 WSP 제어부(20)는 상기 복수의 차축들 전체를 제어하는 것으로, 상기 식 (1)에서와 같이 하나의 차축에 대하여 도출된 점착계수(τ)를 바탕으로 하나의 차량 전체에서 적용될 수 있는 유효 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00024
)를 도출하여야 한다.
즉, 각 차량이 n개의 차축을 포함한다고 가정하면, 상기 점착계수 연산부(11, 21)에서는, 각각의 차축에서 상기 식 (4)를 바탕으로 연산되었던 상기 점착계수(τ)를 하기 식 (9)에서와 같이 평균하여, 하나의 차량 전체의 점착계수인 유효 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00025
)를 연산한다.
나아가, 하기 식 (9)를 통해 도출된 상기 유효 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00026
)를 상기 식 (1)에 적용하여, 해당 차량에서의 기준 감속도를 연산할 수 있다.
Figure 112020062694272-pat00027
식 (9)
그러나, 일반적으로 하나의 철도차량은 복수의 차량들을 포함하게 마련이며, 상기 철도차량의 운행상태를 고려할 때, 복수의 차량들을 포함하는 철도차량의 감속도가 상기 식 (9)를 통해 도출되는 하나의 차량에서의 차량 감속도와는 다르다고 할 수 있다.
예를 들어, 철도차량이 운행하는 과정에서 미끄러운 상태가 심한 구간에 진입하는 경우, 전단에 위치한 차량의 경우 점착 계수가 상대적으로 낮지만, 후단에 위치한 차량의 경우 점착 계수가 상대적으로 높으므로, 하나의 차량에서 계산된 감속도가 철도차량 전체의 감속도를 대변하기는 어렵다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 마스터 WSP 제어부(10)는 기준 감속도 재설정부(15)를 포함하여, 기준 감속도를 재설정한다(단계 S60).
다만, 이러한 기준 감속도의 재설정은, 철도차량을 구성하는 복수의 차량들 각각에서 수행할 필요는 없으며, 복수의 차량들 중 어느 하나의 차량에만 수행하는 것으로 충분하며, 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 기준 감속도의 재설정을 수행하는 차량에 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비되고, 상기 기준 감속도의 재설정을 수행하지 않는 차량에 상기 WSP 제어부(20)가 구비되는 것으로 설명한다.
한편, 상기 기준 감속도의 재설정을 위해서는, 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비되는 해당 차량의 유효 점착계수의 연산 결과는 물론, 상기 WSP 제어부들(20)이 구비되는 여타의 모든 차량들 각각의 유효 점차계수의 연산 결과를 활용하여야 한다.
이에, 상기 WSP 제어부(20)들 각각은, 송수신부(24)를 포함하여, 각각의 WSP 제어부(20)에서 연산된 해당 차량의 유효 점착계수의 연산 결과를, 상기 마스터 WSP 제어부(10)로 제공하며, 상기 마스터 WSP 제어부(10)도 송수신부(14)를 포함하여, 상기 제공되는 각각의 차량의 유효 점착계수의 연산 결과를 제공받는다.
이 경우, 상기 마스터 WSP 제어부(10)가 구비된 차량에서의 유효 점착계수는 상기 마스터 WSP 제어부(10)에서 연산되므로, 별도의 데이터 송수신없이 그대로 기준 감속도 재설정에 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 기준 감속도 재설정부(15)에서는, 우선, 상기 송수신부(14)를 통해 제공되는 상기 WSP 제어부(20)가 구비되는 각 차량들의 유효 점착계수의 연산결과와, 상기 마스터 WSP 제어부(10)에서 연산된 해당 차량의 유효 점착계수의 연산결과를 바탕으로, 상기 점착계수 연산부(11)를 통해, 하기 식 (10)과 같이 철도차량의 전체에 대한 평균 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00028
)를 연산한다.
Figure 112020062694272-pat00029
식 (10)
이 경우,
Figure 112020062694272-pat00030
는 각 차량의 유효 점착계수, Mj는 j번째 차량의 질량이다.
이 후, 상기 식 (10)을 통해, 철도차량의 전체에 대한 평균 점착계수(
Figure 112020062694272-pat00031
)를 연산한 결과를 바탕으로, 상기 식 (1)의 점착계수와 감속도의 관계식을 이용하면, 결국 철도차량 전체에 대한 감속도를 연산할 수 있다.
이상과 같이, 상기 기준 감속도 재설정부(15)는 기준 감속도의 재설정을 통해, 철도차량 전체에 대한 감속도를 연산하며(단계 S60), 이렇게 연산된 감속도를 철도차량의 기준 속도의 계산에 활용할 수 있게 된다(단계 S70).
한편, 상기 마스터 WSP 제어부(10)의 상기 송수신부(14)는, 상기 재설정된 기준 감속도의 정보를 상기 각각의 WSP 제어부들(20)의 송수신부(24)로 제공하며, 이를 통해 각각의 WSP 제어부들(20)은 상기 재설정된 기준 감속도 정보를 공유하게 된다.
이 경우, 상기 송수신부(14, 24)는 별도의 통신망을 구비하여 통신을 수행할 수 있으며, 이와 달리, 상기 철도차량에 기 구비된 MVB 통신망, 또는 BCN(brake control network)를 통해 정보를 송수신할 수 있다.
이하에서는, 상기 설명한 본 실시예에 의한 제동력 제어 시스템 및 이를 이용한 제동력 제어방법을 통해 도출되는 결과들의 시뮬레이션 또는 실험 결과를 예시하여 설명한다.
도 6은 저점착 상황에서 실체 측정된 차량 감속도와, 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 차량 감속도의 비교 그래프이다.
도 6을 참조하면, 일반적인 저점착 상황에서, 본 실시예에서의 상기 식 (4)를 통해 도출되는 점착계수를 통해 유추되는 차량의 감속도가, 실제 측정된 차량의 감속도를 매우 잘 추종하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해, 본 실시예의 차량 감속도 연산 결과의 정확성이 매우 높음을 확인할 수 있다.
도 7은 도 6의 저점착 상황에서, 종래기술로 제어한 제동압력과, 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 제어한 최적 제동압력의 비교 그래프이다.
도 7을 참조하면, 도 6에서의 도출된 점착계수를 바탕으로, 상기 식 (8)을 통해 도출되는 최적의 제동압력과, 종래기술에 의해 도출되는 제동압력을 비교한 결과, 평균적인 제동압력은 서로 유사하다고 할 수 있으나, 본 실시예에 의해 도출된 최적의 제동압력이 그 변동폭이 매우 감소함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 제동을 수행하는 제동압력의 변동폭이 감소하게 되면, 결국 덤프 밸브(7) 중 완해밸브(RV)의 동작회수를 감소시키는 것으로, 공기 소모량 감소에 효과적임을 확인할 수 있다.
도 8은 초저점착 상황에서 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 점착계수들의 예를 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 초저점착(점착계수 0.02 내지 0.03) 상황에서, 철도차량이 포함하는 차축이 4개인 상황에서, 각각의 차축에서의 본 실시예의 상기 식 (4)를 통한 점착계수의 도출 결과를 도시한 것이다.
즉, 철도차량이 운행됨에 따라, 각각의 차축들이 순차적으로 초저점착 상황에 진입하게 되며, 각각의 차축들이 초저점착 상태에 위치함에 따라, 각각의 차축들에서 연산된 점착계수들(점착계수 1 내지 4)도 순차적으로 급격하게 감소하는 결과가 도출됨을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에서의 상기 점착계수의 도출 결과가, 매우 민감한 점착계수에 대하여도 상대적으로 정확하게 예측될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 초저점착 상황에서 본 실시예에 의한 제동력 제어시스템을 이용하여 연산된 각 차축의 최적 제동압력의 예를 도시한 그래프이다.
도 9는 상기 도 8에서의 초저점착 상황에서 도출된 각각의 점착계수들을 바탕으로, 상기 식 (8)을 통해 도출되는 최적의 제동압력(최적 제동압 1 내지 4)을 도시한 결과이다.
즉, 도 9를 참조하면, 종래의 일반적인 WSP 제어와 대비하여 최적의 제동압력의 감소를 줄일 수 있으며, 변동폭 역시 감소할 수 있어, 공기 소모량의 감소를 효과적으로 구현할 수 있음이 확인된다.
도 10a는 초저점착 상황에서 철도차량 전체의 속도와 감속도를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이고, 도 10b는 초저점착 상황에서 철도차량 전체의 속도와 감속도를 측정한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 초저점착 상황에서의 시뮬레이션한 결과의 속도와 감속도를, 본 실시예에서, 철도차량 전체의 평균 점착계수를 상기 식 (10)을 통해 도출하고, 이를 통해 철도차량의 속도와 가속도를 연산한 결과가 실제 시험결과와 매우 유사하게 추종하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시예를 통해 도출되는 철도차량의 속도와 가속도의 연산 결과가 매우 유용함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 저점착 나아가 초저점착 상황에서 철도차량의 효과적인 제동을 위해, WSP 제어기가 점착계수를 실시간으로 연산하고, 이렇게 연산된 점착계수를 바탕으로 최적의 제동력을 연산 및 제공함으로써, 제동거리를 단축하는 것은 물론 덤프 밸브의 공기 소모량을 최소화할 수 있다.
이 경우, 상기 점착계수의 연산을 위한 정보는 용이하게 취득할 수 있으므로, 점착계수의 실시간 연산이 용이하며, 이에 따른 최적 제동력 연산 역시 제안된 수식을 통해 효과적으로 용이하게 도출이 가능하다.
나아가, 상기 점착계수를 바탕으로 기준 감속도를 연산할 수 있으므로, 상기 WSP 제어기가 기준속도를 최대한 차량속도에 부합하도록 제어할 수 있어, 차륜의 찰상을 방지하고 보다 안전한 운행이 가능할 수 있다.
이 경우, 상기 WSP 제어기를 구성하는 마스터 WSP 제어부와 복수의 WSP 제어부들 사이에 데이터 송수신이 가능하여, 복수의 차축을 가지는 각 차량, 및 복수의 차량을 포함하는 철도차량 전체에 대하여 평균 점착계수를 연산할 수 있으며 이를 바탕으로 기준 감속도를 재설정할 수 있고, 이를 각 차량의 WSP 제어부와 공유함으로써, 상기 제어의 기준이 되는 기준속도를 실제 철도차량의 속도에 최대한 부합하도록 설정할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 마스터 WSP 제어부 20 : WSP 제어부
11, 21 : 점착계수 연산부 12, 22 : 제동력 연산부
13, 23 : 기준 감속도 연산부 14, 24 : 송수신부
15 : 기준 감속도 재설정부 50 : WSP 제어기

Claims (15)

  1. 철도차량의 활주를 감지하여 덤프밸브를 피드백 제어하는 WSP 제어기를 포함하여 철도차량을 제동하는 제동력 제어시스템에서,
    상기 WSP 제어기는, 서로간의 데이터 통신이 가능한, 마스터 WSP 제어부 및 복수의 WSP 제어부들을 포함하고,
    상기 마스터 WSP 제어부 및 각각의 WSP 제어부는,
    입력되는 정보를 바탕으로 차륜과 레일 사이의 점착계수를 실시간으로 연산하는 점착계수 연산부;
    상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산하는 제동력 연산부; 및
    상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 기준 감속도를 연산하는 기준 감속도 연산부를 포함하고,
    상기 입력되는 정보는, 차륜의 감속도(
    Figure 112022022575942-pat00055
    ), 제동 압부력(P), 제동패드 마찰계수(μ), 축중(N) 및 휠셋의 관성모멘트(I)이며,
    상기 점착계수 연산부에서 상기 점착계수(τ)는,
    Figure 112022022575942-pat00056
    식 (4)
    상기 식 (4)로 연산하며, R은 휠셋의 반경이고, r은 유효 브레이킹 반경(radius of effective braking)인 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제동력 연산부에서 연산되는 최적의 제동력은 최적의 제동 압부력(P)을 바탕으로, 제동력과 제동 압부력 사이의 관계식으로부터 연산되며,

    Figure 112022022575942-pat00034
    식 (8)

    상기 제동 압부력(P)은 상기 식 (8)로 연산되며, g는 중력 가속도인 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기준 감속도 연산부에서 상기 기준 감속도(
    Figure 112020062694272-pat00035
    )는,

    Figure 112020062694272-pat00036


    상기 식으로 연산하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 철도차량의 전체에 속하는 각각의 차량에는, 상기 마스터 WSP 제어부와 상기 WSP 제어부들 중 어느 하나만 구비되는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 WSP 제어부는,
    상기 기준 감속도 연산부를 통해 연산된 기준 감속도를 상기 마스터 WSP 제어부로 제공하는 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 마스터 WSP 제어부는,
    상기 WSP 제어부들로부터 제공된 각 차량의 유효 점착계수 및, 상기 마스터 WSP 제어부가 구비된 해당 차량의 유효 점착계수를 바탕으로, 상기 철도차량 전체에 대한 평균 점착계수를 연산하고,
    상기 전체에 대한 평균 점착계수를 바탕으로 기준 감속도를 재설정하여 전체에 대한 감속도를 연산하는 기준감속도 재설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  9. 제8항에 있어서, 각 차량이 n개의 차축을 포함하는 경우,
    상기 WSP 제어부들 각각, 및 상기 마스터 WSP 제어부는,

    Figure 112020062694272-pat00037
    식 (9)

    Ni는 i번째 차축의 축중, τi는 i번째 차축의 점착계수이고, 상기 식 (9)를 바탕으로, n개의 차축 각각에서 연산되는 점착계수를 평균하여 각 차량의 유효 점착계수(
    Figure 112020062694272-pat00038
    )를 연산하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 철도차량이 m개의 차량을 포함하는 경우,

    Figure 112020062694272-pat00039
    식 (10)

    Figure 112020062694272-pat00040
    는 각 차량의 유효 점착계수, Mj는 j번째 차량의 질량이고, 상기 식 (10)을 바탕으로, 철도차량의 전체에 대한 평균 점착계수(
    Figure 112020062694272-pat00041
    )를 연산하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 마스터 WSP 제어부는,
    상기 기준 감속도 재설정부를 통해 재설정된 전체에 대한 감속도를 상기 WSP 제어부들 각각으로 제공하는 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  12. 제7항 또는 제11항에 있어서, 상기 송수신부는,
    상기 철도차량에 기 구비된 MVB 통신망, 또는 BCN(brake control network)를 통해 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어시스템.
  13. 제1항의 제동력 제어시스템을 이용한 제동력 제어방법에서,
    입력되는 정보를 바탕으로 차륜과 레일 사이의 점착계수를 실시간으로 연산하는 단계;
    상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 점착계수에서 발생시킬 수 있는 최적의 제동력을 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 점착계수를 바탕으로 해당 차량의 기준 감속도를 연산하는 단계를 포함하는 제동력 제어방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 점착계수를 연산하는 단계에서,
    각 차량이 n개의 차축을 포함하는 경우, n개의 차축 각각에서 연산되는 점착계수를 평균하여 각 차량의 유효 점착계수를 연산하는 것을 특징으로 하는 제동력 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    각 차량의 유효 점착계수의 연산 결과가 마스터 WSP 제어부로 제공되는 단계;
    상기 각 차량의 유효 점착계수를 바탕으로, 철도차량 전체에 대한 평균 점착계수를 연산하는 단계; 및
    상기 전체에 대한 평균 점착계수를 바탕으로 전체에 대한 감속도를 연산하여 기준감속도를 재설정하는 단계를 더 포함하는 제동력 제어방법.
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