KR102530202B1 - 브레이크 제어 밸브 장치 - Google Patents

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벤 드루엣
마크 헤밍스
저스틴 피어
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크노르-브렘제 시스테메 퓌어 쉬에넨파쩨우게 게엠베하
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Abstract

비상 제동을 제공하도록 구성된 전공식 철도 차량 브레이크 시스템은, 비상 조절기 밸브 내로의 공기 흐름을 제어하는 비상 자석 밸브(19)를 포함하며, 이 조절기 밸브는 비상 백업 챔버를 구비한다. 비상 조절기는 공칭적으로 가변 하중 압력과 동일하고 차체 중량 백업보다는 낮지 않은 출력 압력을 제공한다. 자석 밸브(19)는 통전 시에 폐쇄되고, 비통전 시에, 비상 백업 챔버 내로 압력 인가가 허용된다. 브레이크 실린더 압력의 조절은, 비상 정지 중에 인가되는 브레이크 실린더 압력이 미리 정해진 레벨 이하로 떨어지지 않도록 비상 적용 중에 계속된다. 비상 브레이크 정지 중에 전력 손실이 발생하는 경우에, 공칭 비상 브레이크 압력은 상기 브레이크 실린더들에 인가된다.

Description

브레이크 제어 밸브 장치
본 발명은 철도 차량 브레이크 시스템을 위한 철도 차량용 전공식 브레이크 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 원격 해제 및 비상 제동 기능들에서 사용하기 위한 배기 밸브 장치에 관한 것이다.
EP1588913 및 GB2359599에 개시된 바와 같은 기지의 시스템에서, 가용 공압 제동력은, 그 현재 하중에 있어서 차량의 최대 감속을 지원하는 데 필요한 제동력이 이용 가능하고, 최대 공압식 비상 브레이크 정지를 제공하기 위해 브레이크 실린더들에 인가될 수 있도록 설정된다. 상용 제동(service braking) 중에, 인가되는 제동 압력(즉, 브레이크 실린더들 내의 압력)은 실제 브레이크 요구(예컨대, 선택된 제동 단계)와 다른 브레이크 서브시스템(예컨대, 전기역학적(electrodynamic) 브레이크 또는 트랙 브레이크)에 따라 가용 압력 미만의 레벨로 조절된다.
상기 시스템은 현장에서 입증되었지만, 브레이크 적용 중에 발생할 수 있는 브레이크-패드 마찰의 변화와, 임의의 대차(bogie)에 대한 브레이크 활성화로 인해 브레이크 시스템 사양에서 계산된 것과 상이한 제동력을 생성할 수 있는 기계적 요인으로 인한 문제가 있다. 이러한 기계적 영향은 열차의 언더브레이킹(under braking) 또는 오버브레이킹(over braking) 모두를 초래할 수 있다.
WO2011086029는 비통전 시 폐쇄되는 원리로 작동하는 솔레노이드(solenoid)를 포함하는 비상 브레이크를 구비하는 철도 차량의 브레이크 장치를 개시하며, 이 솔레노이드는 정상 작동 시에 전기가 공급되어 개방 위치에 유지된다. 아직 상용화되지 않은 그 시스템도 비슷한 문제들을 겪는다.
본 발명은, 브레이크 압력을 보다 정확하게 제어하여, 제한하는 것은 아니지만 특히 비상 제동 중에 언더브레이킹 또는 오버브레이킹 가능성을 줄인 브레이크시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 1의 특징부에 따른 브레이크 시스템이 제공된다.
본 발명의 바람직한 양태들은 종속항들에서 확인할 수 있다.
본 발명의 개념은 유리하게는 브레이크 적용 중에 발생할 수 있는 브레이크-패드 마찰의 변화와, 임의의 대차에 대한 브레이크 활성화로 인해 브레이크 시스템 사양에서 계산된 것과 상이한 제동력을 생성할 수 있는 임의의 기계적 요인과는 무관하게 주어진 제동 단계를 위한 예상 차량 감속률을 제공한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 예시적인 실시예를 보다 상세히 설명하겠다.
도 1은 브레이크 밸브 장치의 개략적인 공압 회로도를 도시하고,
도 2는 원격 해제 밸브(17)와 관련 압력 제어기의 개략도를 도시한다.
공압 브레이크(비상 및 상용 브레이크 모두)의 감속 제어를 가능하게 하기 위해, 가용 제동력은 브레이크 적용 중에 브레이크 패드를 포함하는 브레이크 시스템의 기계적 구성요소에 의해 야기되는 제동력의 임의의 감소를 상쇄시키기 위해 증가될 수 있도록, 브레이크 계산으로부터 유도된 레벨보다 높은 레벨로 설정되어야 한다. 제어 알고리즘에 따라, 제동력의 감소는 열차 폭 또는 세그먼트 폭에 좌우될 수 있다. 이와 마찬가지로, 감속 제어는 브레이크 시스템의 기계적 구성요소에 의해 발생되는 임의의 오버브레이킹을 상쇄시키기 위해 제동력의 감소 그리고 이에 따라 적용되는 브레이크 압력의 감소를 필요로 할 수 있다.
도 1은 주(主) 브레이크 공급 압력(2)을 받아들이고 브레이크 실린더(3, 4)에 대한 공압 접속부를 제공하는 매니폴드(1)를 포함하는 브레이크 밸브 장치의 개략적인 공압 회로도를 보여준다. 매니폴드는 선택적인 외부 하중 가중(load weigh) 접속부(5)와 분배기 밸브(7)로부터의 공압 접속부를 더 제공한다. 표준 사용 시의 하중 가중 입력은 1개 또는 2개의 보조 변환기에 의해 측정된다.
공압 밸브 유닛(8)이, 브레이크 공급 압력(2)으로부터 유입 압력을 받아들이는 주 릴레이 조절기(9)를 수납한다. 주 릴레이 조절기(9)의 유출구는 아래에서 보다 상세히 설명하는 구조 모듈(14)을 통해 제어 밸브(12, 13)의 각각의 유입구(10, 11)에 연결된다.
주 릴레이 조절기(9)는, 차체 중량 백업 설정 레벨(tare back-up setting level)을 제공하는 비상 조절기(15)와 크러시 조절기(16)로부터의 압력에 의해 파일럿(pilot)된다. 조절기는 파일럿 압력 레벨을 제한한다. 이중 체크 밸브(18)와 비상 조절기의 출력이 주 릴레이 조절기(9)를 파일럿한다. 차체 중량 백업 설정은 가변 하중 제어 압력(VLCP; Variable Load Control Pressure)이 차체 중량 설정 미만인 경우에 비상 시에 이용 가능한 최소 압력이다. 크러시 조절기 설정 레벨은 VLCP 제어 밸브에 대해 이용 가능한 최대 압력이다. 비상 조절기(15)는 비상 브레이크 루프 솔레노이드(19)를 통해 주 공급 압력(2)과 주 릴레이 조절기(9)의 파일럿 입력에 접속된다.
크러시 조절기(16)는 주 브레이크 공급 압력(2)으로부터의 공압 입력을 받아들이고, 유출구는 유입구 및 배기 밸브 장치에 접속되며, 배기 밸브 장치는 주 릴레이 조절기(9)의 유출구에 접속되는 원격 해제 밸브(17)에 대한 실제 압력을 제어한다. 크러시 조절기는 이에 따라 원격 해제 밸브(17)를 통해 주 릴레이 조절기(9)에 접속된다. 선택적인 저 가중 접속부에는 원격 해제 밸브(17)의 유입구에 대한 경로가 마련된다. 이중 체크 밸브(18)가 원격 해제 밸브(17)와 주 릴레이 조절기(9) 사이의 경로에 마련되며, 이중 체크 밸브는 또한 간접 브레이크 입력(7)에 공압식으로 접속된다.
제어 밸브(12, 13) 각각은 유입구 및 개별 솔레노이드에 의해 제어되는 배기 멤브레인 밸브와, 배기 멤브레인 양측의 압력을 균등하게 하도록 구성되는 다른 솔레노이드를 포함한다. 제어 밸브(12, 13)의 유출구는 개별 브레이크 실린더에 접속된다. 멤브레인 밸브와 솔레노이드를 포함하는 링크 밸브가 개별 제어 밸브(12, 13)의 유출구들 사이의 공압식 연결을 제공한다.
전술한 바와 같이, 주 릴레이 조절기(9)의 유출구는 구조 모듈(14)에 연결된다. 구조 모듈(14)에는, 주 릴레이 조절기(9)와 개별 유입 멤브레인의 유입구 사이의 공압 경로(20, 21)에 개별 초크(choke)가 마련된다. 유입 멤브레인의 유출구는 구조 모듈(14)에 있는 개별 초크(22, 23)를 통해 배기 멤브레인에 공압식으로 연결된다. 배기 멤브레인은 구조 모듈을 통해 브레이크 실린더를 배기한다.
사용 시, 브레이크 적용 시간과 배기 시간은 초크 구멍의 크기에 의해 결정되고, 이로 인해 표준 또는 원하는 적용 및 해제 시간이 브레이크 실린더의 체적과 무관하게 달성될 수 있다. 이것은 예측 가능 브레이크 실린더 압력 제어와 차륜 슬라이드 방지 성능을 보장한다.
본 발명에서는, 비상 적용 중에 감속 제어 기능을 제공하기 위해 (마이크로컨트롤러에 의한) 브레이크 실린더 압력의 조정이 계속된다. 그러나, 브레이크 제어기는, 비상 정지 중에 인가되는 브레이크 실린더 압력이 최소 레벨 미만으로 떨어지지 않고, 비상 브레이크 정지 중에 전력 손실이 있는 경우에 공칭 비상 브레이크 압력, 즉 차량의 현재 하중에 대해 요구되는 비상 감속을 제공할 때에 브레이크 계산으로부터 결정된 압력이 브레이크 실린더에 인가되는 것을 보장해야만 한다.
더욱이, 브레이크 실린더 압력이 통상적으로 SIL2인 마이크로컨트롤러에 의해 조절되는 동안, 비상 제동을 위해 이상적으로 SIL3인 브레이크 밸브 장치가 비상 제동력의 최소 레벨을 제공하는 것을 보장하기 위해, 브레이크 실린더 압력은, 브레이크 실린더 압력이 공칭 비상 제동 압력의 미리 정해진 퍼센티지 미만으로 떨어졌는지 검출하는 전자기기 또는 전자 논리 디바이스(FPGA)에 의해 독립적으로 모니터링된다.
이와 마찬가지로, 이러한 모니터링 시스템은 또한 인가된 제동 압력이 미리 정해진 상한을 초과하지 않고, 이에 의해 오버브레이킹을 방지하는 것을 보장할 수 있다. 언더브레이킹 방지는 단지 비상 브레이크 적용 중에만 활성화되고; 그렇지 않으면 브레이크 해제 및 저(低) 제동 단계가 상용 브레이크 모드에서는 불가능할 것이다. 오버브레이킹 방지는 비상 브레이크 모드 및 상용 브레이크 모드 모두에서 활성화된다.
비상 브레이크 모드에서는, 브레이크 실린더 모니터링 전자기기 또는 논리 디바이스가 마이크로컨트롤러에 의한 브레이크 실린더 압력을 조절할 수 없고[이에 따라 헤드-엔드(head-end) 디바이스에 의한 제어도 불가능하며], 기지의 표준 비상 브레이크 적용과 유사한 방식으로 브레이크 실린더에 공칭 비상 압력 레벨을 인가한다.
상용 브레이크 작동 시, 브레이크 실린더 모니터링 전자기기 또는 논리 디바이스는 (과압 검출 시에) 브레이크 실린더 압력을 해제하도록 작동할 것이다. 이것은 아래에서 설명되는 해제 기능과 유사하다.
(유닛이 구동된다면) WSP가 비상 브레이크 적용 중에 작동 상태로 유지되기 때문에, 제어식 비상 브레이크가 활성화되는 동안에 WSP 작동이 발생할 수 있다. 비상 브레이크 정지 동안에 차륜-슬라이드를 제어하고 가용 접착을 최적화하기 위해, WSP 제어 활성화가 브레이크 실린더 압력이 제어식 비상 브레이크에 대해 규정된 최소 압력 레벨 미만으로 떨어지게 할 수 있다. 모니터링 전자기기가 마련되어, 저압이 검출된 경우에 즉각적인 기능 정지를 방지할 수 있다. 이러한 감압이 허용 가능하기 때문에, WSP 시스템에 의해 브레이크 실린더 압력의 제어가 모니터링 전자기기/논리 디바이스가 저압 트립(under-pressure trip)을 강제하는 것을 방지할 것이다. 모니터링 전자기기/논리 디바이스에 의해 이용되는 WSP 활성화는 밸브 활성화 시점에서 검출되고, 이에 따라 WSP 제어에 의한 압력의 임의의 변조(유지 또는 배기)가 저압 트립을 불가능하게 한다. WSP 작동 자체는 고(高)무결성(SIL3) 전자기기(또는 전자 논리 디바이스)에 의해 모니터링되어, WSP 제어에 의한 브레이크 실린더 압력의 장기적인 감소를 방지한다. 이들 전자기기의 작동은, 밸브가 저압을 유지하고 WSP 작동에 의해 연속적으로 구동될 수 없도록 보장하고, 이에 따라 모니터링 전자기기/논리 디바이스가 저압 조건에서 작동하는 것을 영구적으로 방지하지 않도록 보장한다.
도 2는 원격 해제 밸브(17)와 관련 압력 제어기의 개략도를 보여준다. 원격 해제 밸브는 다음의 포트 접속부를 갖는다: 포트 1 : 압력 제어기; 포트 2 : 릴레이 밸브 제어 챔버; 대기 접속되는 포트 3.
원격 해제 밸브(17), 즉 솔레노이드가 비통전되는 경우; 포트 2는 포트 3에 접속되고, 포트 1은 차단되며; 원격 해제 밸브가 통전되는 경우, 포트 1은 포트 2에 접속되고, 포트 3은 차단된다. 도 1의 릴레이 밸브(9)에 상응하는 공압식 릴레이 밸브는 1 : 1의 제어 입력 대 출력비를 갖는다.
밸브 장치는 아래의 기능을 제공하거나 가능하게 한다.
브레이크 제어 밸브에 대한 전력 공급이 손실된 경우, 상용 브레이크가 적용되었다면 해제되어야만 하고, 추가의 재적용이 방지되어야만 한다. 이것은, 원격 해제 밸브, 즉 솔레노이드 밸브(17)가 통전되어, 밸브 포트 2에서 밸브 포트 1로의 경로를 통해 제어 챔버를 VLCP 압력 제어기로 접속시킬 때에 이용 가능한 전력에 의해 상시 작동 조건에서 달성된다. 릴레이 밸브는 상용 브레이크가 제어하는 VLCP와 동일한 출력을 제공한다.
전력 손실이 있는 경우, 솔레노이드(17)는 비통전되고 작동이 중단되어, 밸브 포트 2에서 밸브 포트 3으로의 경로를 통해 제어 챔버 압력을 대기로 배기시킨다. 릴레이 밸브는 이제 출력 압력을 0으로 배기하고; 이제 임의의 브레이크 실린더 압력이 상용 브레이크 제어 멤브레인을 통해 다시 공급될 것인데, 그 이유는 공급 압력이 제거되는 경우에 제어 멤브레인들이 압력을 유지할 수 없기 때문이다. 따라서, 브레이크 해제가 달성되고, 유지 밸브의 멤브레인에 대한 공급 압력이 제거되어, 임의의 후속하는 상용 브레이크 적용을 방지한다.
제어식 비상 제동이 안전 엔빌로프(safety envelope)를 초과하는 경우, FPGA는 제어식 비상 제동을 중단하고, 공압에 의해서만 제어되는 하중 가중식 비상 브레이크를 적용한다. 이것은 상용 브레이크를 비활성화하고(즉, 유지 밸브 개방 및 배기 밸브 폐쇄), 제어 챔버 배기 자석 밸브(17)를 비통전시키는 것에 의해 달성된다. 이는 밸브 포트 2에서 밸브 포트 3으로의 경로를 통해 제어 챔버 압력을 대기로 배기한다. 그 압력은 비상 제동 기능을 가능하게 하도록 하중 가중 레벨의 증가된 값으로 설정될 수 있다. 증가된 값의 예시적인 값은 125 %이다.
제어 챔버 다이어프램 유효 면적은 제어 챔버와 출력 압력 간의 1 : 1 비를 제공한다. 제어 챔버가 배기되지 않으면, 브레이크 실린더에 대한 출력 압력은 요구되는 하중 가중 레벨의 125 %이며, 즉 25 % 오버브레이킹될 것이다,
비상 브레이크 적용의 초기에, 제어식 비상 제동이 활성화될 것이고, 통전 시에 폐쇄되는 비상 자석 밸브는 작동이 중단되어, 비상 백업 챔버로의 압력의 인가를 가능하게 할 것이다. 압력 레벨은 비상 조절기에 의해 설정된다. 비상 조절기는 공칭적으로 가변 하중 압력 VLCP와 동일하고 차체 중량 백업 설정 이상의 출력 압력을 제공하도록 구성된다.
비상 백업 챔버 다이어프램 유효 면적은 비상 백업 챔버와 출력 압력 간의 0.8 : 1의 비를 제공하며, 상기 비의 0.8은 하중 가중 레벨의 증가된 값의 역수이다. 그러나, 그 유효 면적은 제어 챔버와는 1 : 1의 비를 갖는다. 제어식 비상 브레이크 작동 중에, 제어 챔버와 비상 백업 챔버의 압력은 동일하다. 따라서, 다이어프램 파일(pile)에 대한 추가의 하향력은 없다.
FPGA가 제어식 비상 제동을 중단하기로 결정하고 제어 챔버로부터 VLCP 압력을 배기하는 경우, 이제 비상 백업 챔버 다이어프램의 밑면에 대한 밸런싱력(balancing force)이 제거된다.
제어 챔버 배기 솔레노이드가 비통전될 때, VLCP 압력이 유지된다. 이는, 비상 백업 챔버 압력을 유지하는 비상 조절기를 위한 기준 압력이 공칭 하중 가중 레벨의 125 %가 되는 것을 보장한다.
제어 챔버 압력이 배기된 상태에 있어서, 비상 챔버 다이어프램으로부터 인가되는 힘은 이제 다이어프램 파일을 통해 활성화된다. 이 힘은 제어 다이어프램의 밑면에 작용하는 브레이크 실린더 압력에 의해 밸런싱된다. 비상 백업 챔버 다이어프램 대 브레이크 실린더 다이어프램 비가 0.8 : 1.0이므로, 이는 브레이크 실린더에서의 출력 압력 대 공칭 하중 가중값을 교정하며, 즉 1.25 × 0.8 = 1이 된다.
브레이크 제어 밸브 내에서 '드래킹 브레이크(dragging brake)'와 같은 결함이 검출되면, 적용된 상태라면 상용 브레이크 해제가 가능해지고, 추가의 재적용이 방지된다. 이러한 기능은 FPGA에 보내지는 외부 디지털 입력에 의해 달성된다. FPGA는 이러한 신호를 수신하는 경우에 비통전되는 솔레노이드(17)의 구동을 금지시킨다.
솔레노이드(17)가 비통전될 때, 제어 챔버가 배기된다. 릴레이 밸브는 이제 출력 압력을 0으로 배기하고; 이제 임의의 브레이크 실린더 압력이 상용 브레이크 제어 멤브레인을 통해 다시 공급될 것인데, 그 이유는 공급 압력이 제거되는 경우에 제어 멤브레인들이 압력을 유지할 수 없기 때문이다. 따라서, 브레이크 해제가 달성되고, 멤브레인에 대한 공급 압력이 제거되어, 임의의 후속하는 상용 브레이크 적용을 방지한다.
추가의 작동 모드로 인해, 직접 브레이크에 관한 결함이나 열차 내의 전력 공급 문제가 있는 차량이 구조 기관차나 복귀 열차에 의해 이동될 수 있다.
제어 챔버 자석 밸브가 비통전될 때, 제어 챔버가 배기된다. 릴레이 밸브는 이제 출력 압력을 0으로 배기할 것이고; 이제 임의의 브레이크 실린더 압력이 상용 브레이크 제어 멤브레인을 통해 다시 공급되어, 브레이크 해제가 달성될 것이다.
제1 간접 브레이크 압력 적용이 이제 이중 체크 밸브(18)를 스위칭하여 자석 밸브를 통해(포트 2에서 포트 3으로) 배기하는 경로를 폐쇄하고, 간접 브레이크 입력 포트를 제어 챔버에 접속시킬 것이다.
그러한 작동 모드에서, 브레이크 해제를 달성하기 위해, 비상 제동 루프(EBL)(19)가 하이(high)여야만 한다. EBL이 로우(low)로 떨어지면, 브레이크 실린더에 형성되는 출력은 2개의 챔버, 즉 제어 챔버나 비상 백업 챔버 중 어느 것이 최대 힘을 제공하는지에 좌우될 것이다.

Claims (6)

  1. 비상 제동을 제공하도록 구성된 철도 차량용 전공식(electropneumatic) 브레이크 시스템으로서,
    제동력을 인가하기 위한 브레이크 실린더들을 구비하고, 상기 브레이크 시스템은 비상 조절기 밸브(15) 내로의 공기 흐름을 제어하는 비상 자석 밸브(19)를 포함하며, 상기 비상 조절기 밸브는 비상 백업 챔버를 구비하고, 상기 비상 조절기 밸브(15)는 공칭적으로 가변 하중 압력과 동일하고 차체 중량 백업 설정(tare back-up setting)보다 낮지 않은 출력 압력을 제공하도록 구성되고, 상기 비상 자석 밸브(19)는 제 1 전자 제어 유닛에 의해 제어되며, 상기 제 1 전자 제어 유닛은 브레이크 실린더 압력을 조절할 수 있고, 상기 비상 자석 밸브는 통전 시에 폐쇄되는 전공식 브레이크 시스템에 있어서,
    상기 비상 자석 밸브가 비통전될 때, 압력이 비상 백업 챔버 내로 인가되게 허용되고, 상기 제 1 전자 제어 유닛에 의한 브레이크 실린더 압력의 조절은 비상 정지 중에 인가된 브레이크 실린더 압력이 미리 정해진 레벨 미만으로 떨어지지 않도록 비상 적용 중에 계속되며, 비상 브레이크 정지 중에 전력 손실이 있는 경우, 공칭 비상 브레이크 압력이 브레이크 실린더들에 인가되는 것을 특징으로 하는 전공식 레일 브레이크 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 브레이크 실린더 압력이 제 1 전자 제어 유닛에 의해 조절되고 있는 동안, 미리 정해진 레벨의 비상 제동력을 제공하기 위해 제 2 전자 제어 유닛을 포함하며, 상기 브레이크 실린더 압력은, 상기 브레이크 실린더 압력이 공칭 비상 브레이크 압력의 미리 정해진 크기 또는 백분율 미만으로 떨어지는지를 감지하도록 구성된 제 2 전자 제어 유닛에 의해 독립적으로 모니터링되는 것인, 전공식 레일 브레이크 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전자 제어 유닛은 인가되는 브레이크 압력이 미리 정해진 상한을 초과하지 않는 것을 보장하도록 구성되는 것인, 전공식 레일 브레이크 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    언더브레이킹(under braking)에 대한 방지는 비상 브레이크 적용 중에만 활성화되는 것인, 전공식 레일 브레이크 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오버브레이킹(over braking)에 대한 방지는 비상 및 상용 브레이크 모드 모두에서 활성화되는 것인, 전공식 레일 브레이크 시스템.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    비상 제동 중, 상기 제 2 전자 제어 유닛은 상기 제 1 전자 제어 유닛에 의한 브레이크 실린더 압력 조절을 비활성화하고 공칭 비상 압력 레벨을 상기 브레이크 실린더들에 인가하는 것인, 전공식 레일 브레이크 시스템.
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