도시철도 전동차 제동실린더 성능 향상방안 연구 = A study on the improvement method of brake cylinder efficiency of urban railway electric multiple unit

국문 초록 (Abstract)

도시철도 전동차는 승객수송에 있어 이용의 편리성, 신속성, 안전성을 최우선으로 고려하고 있으며 이용자들의 안전성과 편의성의 제공은 필수조건이다.
국내 도시철도 전동차는 자동운전시스템 기반의 운행과 이용 승객에게 쾌적한 환경제공 및 안전성 확보를 위해 승강장 스크린도어(PSD)가 설치되어 있다.
열차가 정지위치를 벗어나 정차할 경우 정차위치 재조정 취급으로 열차지연, 승객 승하차 불편 초래 등의 불안전한 위험요소를 제공하게 된다. 도시철도 전동차는 회생제동과 공기제동을 혼합(블렌딩 제동)하여 제동 작용을 수행하다가 공기제동으로 전환되어 정지하게 된다.
전동차 정위치 정차에는 날씨, 터널내의 습도, 슬립/슬라이드 등의 외부적 환경요인과 차륜경의 오차, 제동압력의 편차, 각 장치별 전송주기 및 응답시간, 제동제어장치 및 제동실린더장치의 동작성 등 다양한 내부적인 요소들이 제동성능에 영향을 미친다.
도시철도 전동차의 자동운전 중에 발생한 정지점 부근에서의 빈번한 속도초과에 따른 비상제동 체결과 과주(Over Run) 정차 발생에 따른 승차감 저하, 고객민원 발생, 운행 효율 저하 및 정위치 정차 실패 등의 원인을 밝히고 그 개선방법에 대하여 연구하였다.
분석 결과 혼합제동 과정에서 정상적인 열차에서는 감속도 변화가 크지 않고 속도 추종 또한 양호한 반면에, 속도초과에 의한 비상제동 체결 또는 과주 정차가 빈번한 열차에서는 정지점 추종을 위해 ATO 제동지령에 대한 요구제동력 부족에 따른 감속도 부족으로 필요 감속을 위해 공기제동 80％~100％의 제동명령을 출력하는 것을 확인하였다. 따라서 혼합제동 과정에서 감속도에 큰 영향을 미치는 차축 디스크용 제동실린더장치(BCU)의 제동출력을 정지점 정차가 양호한 열차와 불량인 열차를 비교 시험한 결과 정지점 정차가 불량한 열차의 디스크 표면온도가 낮은 제동실린더에서 허용범위보다 낮은 제동력이 발생됨을 확인하였다. 불량 실린더장치를 분해한 결과 제동력을 전달하는 Force sleeve와 Clutch의 마찰면에 마모가 진행되어 제동이 전달되는 시점에 제동출력이 저하됨을 확인하였다.
Force sleeve와 Clutch의 Piston Service 및 Adjusting Screw를 Friction Type(마찰클러치방식)에서 Serration Type(이빨클러치방식)으로 형상을 개선하여 제동력 출력성능 시험 후 영업 운행열차 1개 편성에 적용하여 안전한 운행 여부를 1년여 동안 관찰한 결과 그 신뢰성이 확보되었다고 판단하였다.
국내에서는 이러한 방법에 대한 연구 및 실제적인 적용사례가 아직까지 보고되지 않은 상황이므로 제안된 방법이 국내 도시철도 전동차 운영기관에서 발생하는 유사한 문제의 해결에 효과적으로 사용 될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅳ
• 그림목차 ⅴ
• 기 호 표 ⅷ
• 약 어 표 ⅹ
• 요 약 ⅺ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 내용 및 구성 3
• Ⅱ. 전동차 자동열차제어시스템 5
• 1. 차량시스템 5
• 2. 자동열차제어시스템 7
• 2.1 열차 속도프로파일(Speed Profile) 설정 9
• 3. 열차의 정지점 제어 16
• 3.1 운행거리 결정 17
• 3.2 실제 속도의 결정 19
• 3.3 거리의 동기화 19
• 3.4 속도명령의 계산 22
• Ⅲ. 전동차 제동시스템 24
• 1. 전동차 제동시스템 24
• 1.1 차량의 요구제동력 특성 26
• 1.2 블렌딩 제동 32
• 2. 차축 디스크용 제동장치 33
• 2.1 디스크용 제동실린더 구조 33
• 2.2 제동실린더 동작원리 35
• Ⅳ. 비상제동, 과주(Over Run) 발생현황 및 분석 39
• 1. 비상제동 및 과주 정차 현황 41
• 1.1 속도초과에 따른 비상제동 체결 현황 41
• 1.2 과주(Over Run) 정차 현황 44
• 1.3 비상제동(EB) 체결과 과주(Over Run) 정차 현황 비교 46
• 2. 비상제동 체결 및 과주(Over Run) 정차 분석 47
• 2.1 운행 데이터(운행기록) 패턴 분석 49
• 2.2 혼합제동(Cross-Blending) 분석 54
• 2.3 환경적 요인 분석 57
• 2.4 감속도 불량요인 분석 59
• 3. 소결론 67
• Ⅴ. 제동실린더 불량 원인 분석 및 개선 적용 68
• 1. 제동실린더 출력저하 원인 분석 및 부품 개선 68
• 1.1 출력저하 원인 분석 68
• 1.2 부품 개선 70
• 2. 개선품 현차 적용 및 결과 73
• Ⅵ. 결론 75
• 참고문헌 78
• ABSTRACT 79
• 감사의 글 82