Analysis of braking characteristics of electric multiple unit for train control system

열차제어시스템을 위한 전동차 제동특성 분석

Abstract

This paper presents a braking model that can be used to design the safety distance of a train control system and a train braking system to increase the volume of traffic. For the braking model, a train set (electric multiple unit composed 6 cars) was tested. The factors that can affect the braking characteristics include the friction coefficient, braking pressure, and regenerative braking. The braking pressure was classified into service and emergency braking and reflected the characteristics of the vehicle. The external force acting on the running railway car was tested in accordance with KS R 9217, and the running resistance of the train is presented in the form of a polynomial. The dynamic behavior of the train running on a straight flat line was simulated using UM 8.3. The results were validated with experimental data, and the results were reasonable. With the validated model, a stopping distance was determined according to the initial braking speed and compared with the deceleration braking model. In addition, a safety distance for the train control system could be changed according to the frictional coefficient limits. These results are expected to be useful for analyzing the dynamic behavior of trains, and for analyzing various railway environments and improving the braking performance.

본 논문은 수송량 증대를 위한 열차제어시스템의 안전거리 설계와 전동차 제동설계에 활용할 수 있는 제동모델을 제시한다. 제동모델을 위해 6량 1편성으로 운행되는 전동차의 제동특성을 시험하였다. 제동특성에 영향을 줄 수 있는 인자로는 마찰계수, 제동압력의 변화, 회생제동 등이 있으며 시험을 통해 확인하였다. 제동압력은 상용제동과 비상제동으로 구분하고 차량의 특성을 반영하였다. 주행하는 철도차량에 작용하는 외력은 주행저항을 측정 시험과 후처리 방법을 제시하고 있는 KS R 9217에 따라 시험을 수행하고 2차 다항식 형태로 해당 열차의 주행저항을 제시하였다. 차량의 재원, 마찰계수, 제동압력, 주행저항을 바탕으로 직선 평탄 선로를 주행하는 전동차의 동적 거동은 다물체 동역학 해석 소프트웨어를 이용하여 해석하였다. 해석결과는 상용제동과 비상제동에 대하여 시험결과와 비교 검증하였으며 상당히 합리적인 결과를 도출하였다. 검증된 모델은 제동초기 속도에 따른 정지거리를 분석하고 감속도 중심의 제동모델과 비교하였다. 또한, 운영기관의 마찰계수 한계치에 따라 열차제어시스템을 위한 안전거리는 변화할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 철도차량들을 연결하여 운행하는 열차의 동적 거동해석에 활용할 수 있을 뿐 아니라 차량 설계에서 제동에 영향을 미치는 다양한 선로환경 분석과 제동 성능향상의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 1. Train Control Concepts

Fig. 2. Braking Model in Train Control System

Fig. 4. Brake Blending Concept

Fig. 3. Electric Multiple Unit Braking System

Fig. 5. Running Resistance Test Results

Fig. 6. Brake Cylinder Pressure at Trailer Cars

Fig. 7. Brake Cylinder Pressure at Motor Cars

Fig. 8. Regenerative Braking Force at Motor Cars

Fig. 9. Emergency Braking Distance Comparison

Fig. 10. Service Braking Distance Comparison

Fig. 11. Stopping distance with initial velocity(Emergency Braking)

Fig. 12. Stopping distance differences with upper and lower limit friction coefficients

Table 1. Properties of Train

Table 2. Stopping distance with sim

Table 3. Brake Friction Coefficients