기계관성 및 전기관성 적용에 따른 제동성능시험 결과분석
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Abstract
In this paper, we compared the performance of the mechanical inertia and electronic inertia used in the friction coefficient measurement process, as this is the main function of the braking performance tester. The comparative test was carried out 36 times under mechanical inertia and electronic inertia. Stop braking was performed at various braking speeds (120, 160, 200, 220 km/h), and at various contact force conditions (8, 18, 25 kN). We compared the instantaneous coefficient of the friction, the average coefficient of the friction, the braking force, and the braking distance with the mechanical inertia and the electronic inertia, by taking the average of the three tests we performed each for braking velocity and contact force. In addition, the friction coefficient ratio and the energy ratio were calculated. As a result, it was confirmed that the test using the electronic inertia compared to the test using the mechanical inertia appropriately reflects the bearing frictional force and the rotational resistance loss of the tester, and the kinetic energy is consumed as the braking energy without loss.
Keywords:
Brake performance tester, Electronic inertia, Mechanical Inertia, Coefficient of friction, Tangential force, Contact force키워드:
제동성능시험기, 전기관성, 기계관성, 마찰계수, 제동력, 접촉력1. 서론
제동장치의 성능에 대한 평가기술은 철도차량의 속도향상을 위한 기술개발과 함께 발전되어 왔다. 현재는 제동성능 평가기술이 제동부품에 대한 단품 성능시험에서부터 제동시스템 및 통합 실차 시운전 시험에 이르기까지 체계적으로 발전되어왔다.1,2
국내에서는 제동부품의 국산화 개발과 함께 시험평가 기술도 지속적으로 발전해 왔는데, 특히 마찰재의 성능시험 부분에서는 320 km/h급 실물 다이나모를 통한 시험평가 기술이 축적되어 있으며, 한국철도표준규격(Korean Railway Standards, KRS) 및 UIC (International Union of Railways)에는 마찰계수 및 마모량 등에 대한 성능시험 평가기준이 제시되어 있다.
본 논문에서는 제동성능시험을 수행하는 과정에서 차량의 관성량(디스크 당 하중량)을 모사하는 플라이휠의 관성값을 보상하여 시험을 수행하는 방법인 기계관성에 의한 제동시험과 전기관성에 의한 제동시험을 수행하여 그 결과를 분석하였다. 즉, 전기관성을 적용하여 36회 정지제동을 수행한 시험결과와 운동에너지가 동일하도록 제동초속도를 변경하여 36회 시험한 결과를 제동거리, 마찰계수, 제동에너지 측면에서 비교분석을 수행하였다.
2. 고속 제동성능시험기
2.1 제동성능시험기 개요
고속 제동성능시험기는 제동시스템의 주요 부품인 디스크 및 휠과 이에 대응되는 마찰재인 패드 및 제륜자에 대한 성능시험을 수행하는 시험장치로서 디스크/답면 제동 시 평균/순간마찰계수, 최고온도, 마모량 등에 대한 시험을 수행하는 장치이다.3,4
본 논문에서는 고정된 기계관성값에 제동초속도를 변경하여 운동에너지를 동일하게 설정하는 기계관성에 의한 제동시험과 매순간 전기관성을 부여하여 설정된 관성값을 유지하도록 하는 전기관성에 의한 제동시험을 각각 수행하여 이를 상호비교하였다. 시험에 사용된 고속 제동성능시험기는 구동모터부, 플라이휠부, 동력전달부, 시험부로 구성되어 있으며, 주요 제원은 Table 1에 나타내었고 시험기의 외형은 Fig. 1과 같다.
Main features of the brake dynamometer
High speed brake performance tester
본 논문에서는 전기관성을 적용한 경우의 제동특성과 기계관성을 적용한 경우의 제동특성을 비교하기위해 Fig. 2의 제동디스크와 패드를 이용하여 제동시험을 수행하였다. 디스크 제동시험은 디스크 및 마찰재(패드)에 대한 정지제동시험으로 안전성을 평가하기 위한 마찰재에 대한 평균마찰계수, 최고온도, 마모량을 평가하는 기본 성능시험이다. 성능비교 시험은 120, 160, 200, 220 km/h의 제동초속도에서 접촉력을 8, 18, 25 kN로 적용하여 기계관성 및 전기관성 부여조건에서 정지제동을 각각의 조건에서 3회씩 총 36회 수행하였다.
Test brake disc and brake pad used for the test
일반적으로 제동특성평가에 사용되는 순간마찰계수(μa)는 식(1)과 같이 측정된 제동력(Ft)과 인가한 접촉력(Fb)의 비로 계산되고, 평균마찰계수(μm)는 식(2)와 같이 순간마찰계수를 s2 구간에서 적분하여 얻게 된다.5,6
| (1) |
| (2) |
여기에서 s2는 접촉력(Fb)이 목표값에 95% 도달한 시점부터 정지까지의 제동거리를 의미한다.
2.2 제동성능시험에서 전기관성 및 기계관성
제동시험기는 디스크 또는 휠이 담당하는 축하중을 관성질량으로 모사하여 마찰재의 제동성능(순간마찰계수, 평균마찰계수, 제동거리, 제동시간, 온도 등)을 평가하는 장치이다. 따라서 제동시험기는 시험코드에서 요구되는 관성질량값에 부합되도록 매 순간 계측되는 속도(vi)와 이동거리(s), 그리고 제동력(Ft)을 토대로 전기관성값(msima)을 모사하면서 제동시험을 수행하도록 한다.6
| (3) |
단, r은 제동유효반경을 의미하고, R은 휠반경을 의미한다.
또한, UIC에서는 실제 플라이휠의 관성질량값(Ir)과 시험코드에서 제시하는 관성질량값(I)이 일치하지 않을 경우에 제동초기 운동에너지가 서로 일치하도록 시험코드 상의 제동초속도를 변경하여 시험을 수행할 수 있도록 하고 있다. 이는 관성질량값의 변경이 아닌 속도를 보정하는 방식으로 보정된 속도(vk)는 속도변경인자(K)와의 곱으로 표현되는데 이는 식(4)와 같다.5,6
| (4) |
단, K는 속도변경인자로서 UIC에서는 0.95 ≤ K ≤ 1.05값의 범위에서 제동초속도를 변경하도록 제시하고 있다.
3. 제동성능시험 결과 및 분석
3.1 비교시험에 적용된 시험코드
기계관성과 전기관성의 비교시험에 적용된 시험코드는 ERRIB 126/RP 18 Comparison Tests Programme 1.1 / 2.1 및 UIC 541-3 E.1 Test program No. 5A에 기초하여 제동초속도 및 접촉력을 추출하였으며, 이를 정리하여 Table 2에 나타내었다.5,6
Test program (Vmax = 220 [km/h], mass per disc = 4 [ton])
비교시험의 공정성을 위해 마찰재(패드)와 디스크의 접촉면적이 95%이상이 될 때까지 정지제동을 반복 수행하는 베딩시험을 사전에 수행하였다. 즉, 베딩시험은 UIC에서 적용하는 시험코드의 베딩절차와 동일하게 수행되었는데, 이는 20-100°C의 초기온도 조건에 부합되면 120 km/h의 제동초속도에서 2 kN의 접촉력으로 정지제동을 반복 체결하는 시험이다.
베딩 이후 본시험은 36회의 정지제동시험으로 다양한 제동초속도 120, 160, 200, 220 km/h와 다양한 접촉력 조건 8, 18, 25 kN에서 수행되었으며, 시험순서는 Table 2의 Test Number순으로 진행되었다.
3.2 기계관성 적용 시험결과
Table 1의 시험코드에 따라 기계관성을 적용하여 제동시험을 수행하여 계측된 순간마찰계수를 속도별로 분류하여 Fig. 3에 그래프로 나타내었다. 예를 들어 Fig. 3(a)는 제동초속도가 120 km/h인 경우에 서로 다른 접촉력으로 시험한 9회 시험을 모두 나타내었는데, 이는 접촉력이 8, 18, 25 kN일 경우에 각각 3회씩 수행된 정지제동시험의 순간마찰계수 그래프이다. 여기에서 정지까지의 제동시간이 60-70초 사이에 있는 3개의 그래프는 접촉력이 8 kN일 때의 순간마찰계수 그래프이고, 30-40초 구간에 분포하는 3개의 그래프는 접촉력이 18 kN일 경우의 순간마찰계수 그래프이며, 20-30초 구간에 분포하는 3개의 그래프는 접촉력이 25 kN일 경우의 순간마찰계수 그래프이다. 접촉력이 낮을수록 제동거리 및 제동시간이 길어지고, 접촉력이 높을수록 제동거리 및 제동시간이 짧아지는 것을 알 수 있다. 또한, 순간마찰계수는 마찰재의 표면조건 및 캘리퍼의 접촉조건 등에 따라 일정범위 내에서 변화함을 알 수 있다.
Instantaneous coefficient of friction at various initial braking speed when mechanical inertia is applied
또한 120 km/h의 제동초속도인 경우, 시험코드의 플라이휠 관성량과 디스크당 하중이 갖는 운동에너지를 맞추기 위해 속도변경 인자를 곱하여 변경된 제동초속도는 116.2 km/h로 계산되었으며, 이는 기계관성을 적용 시 제동초속도가 120 km/h에서 116.2 km/h로 변경되어 적용됨을 의미한다.
3.3 전기관성 적용 시험결과
전기관성을 적용하여 Table 1의 시험코드에 따라 제동시험을 수행하였으며, 시험과정에서 측정된 순간마찰계수를 속도별로 분류하여 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)에서 정지까지의 제동시간이 60-70초 사이에 있는 그래프들은 접촉력이 8 kN일 때의 순간마찰 계수이고, 30-40초 구간에 분포하는 그래프들은 접촉력이 18 kN일 경우의 순간마찰계수이며, 20-30초 구간에 분포하는 그래프들은 접촉력이 25 kN일 경우의 순간마찰계수이다.
Instantaneous coefficient of friction at various initial braking speed when electronic inertia is applied
3.4 시험결과 비교
기계관성을 적용하여 수행된 시험결과와 전기관성을 적용하여 얻은 시험결과를 제동초속도 및 접촉력 별로 상호 비교를 수행하였다. 비교에 사용된 항목은 평균마찰계수, 제동거리, 제동력, 제동에너지이다.
(1) 평균마찰계수에 대한 비교로서 제동초속도 및 접촉력별로 평균마찰계수의 평균을 계산하여 그 값을 Fig. 5에 나타내었다. 또한, 기계관성 적용의 마찰계수값과 전기관성 적용의 마찰계수 값의 비를 함께 표시하였다. 비율이 1인 경우는 두 값이 동일한 경우이고, 1보다 큰 값을 갖는 경우는 기계관성 적용의 마찰계수가 전기관성 적용의 경우보다 더 높음을 의미한다.6
Average coefficient of friction at various initial braking speeds and contact forces
비교결과, 전반적으로 기계관성을 적용한 경우에 마찰계수값이 더 높게 측정됨을 알 수 있다. 이러한 원인은 전기관성을 적용한 제동시험의 경우에는 베어링의 마찰력, 회전저항 등이 반영되어 마찰계수가 계산되지만 기계관성을 적용한 경우에는 이러한 저항력을 고려하지 않고 운동에너지가 맞도록 제동초속도만 변경하여 시험한 결과로 판단된다.
(2) 제동거리에 대한 비교를 Fig. 6에 나타내었다. 제동거리 또한 전기관성을 적용한 경우가 기계관성의 경우보다 더 높게 나타났다. 이는 제동거리와 마찰계수 간의 상관관계에서 찾을 수 있는데, 낮은 마찰계수에서는 당연히 제동거리가 길어지게 된다.
Brake distance s2 at various initial braking speeds and contact forces
(3) 제동력을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 제동력은 제동시험기에 설치된 로드셀로부터 측정되어 제동유효반경에서의 제동력으로 환산되며, 제동거리 s2 구간 동안의 값을 평균하여 계산하였다.
Tangential force at various initial braking speeds and contact forces
Fig. 8에는 제동에너지를 비교하여 그 결과를 나타내었는데, 기계관성을 적용한 시험과 전기관성을 적용한 시험에서의 제동에너지는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 운동에너지를 맞추기 위해 증가된 관성값만큼 제동초속도를 낮추어 제동시험이 수행되었기 때문으로 보인다. 비교에 사용된 제동에너지는 제동거리 s2와 평균 제동력의 곱으로 계산하였고 이를 휠반경에서의 제동에너지로 환산하였다.
Braking energy at various initial braking speeds and contact forces
평균마찰계수는 식(5)와 같이 접촉력과 제동거리를 통해서도 계산이 가능하며, 이 값은 매 순간 계측된 접촉력과 제동력의 비로 계산되는 순간마찰계수로부터 계산되는 평균마찰계수의 적정성 확인에 사용된다.5,6
| (5) |
단, Fbm은 s2 구간에서의 평균 접촉력을, KMw는 시험기가 갖는 평균마찰모멘트를, Mw는 속도별 마찰모멘트를, v2는 접촉력(Fb)이 목표값의 95%에 도달한 시점의 속도를 각각 의미한다.
Fig. 9에는 기계관성에서 계산된 마찰계수 비율(μmF/μm)과 전기관성에서 계산된 마찰계수 비율을 나타내었다. 이 비율은 1에 가까울수록 제동시험기의 베어링 마찰력 및 회전저항 등이 적절히 잘 반영되었음을 의미한다.5,6
Average coefficient of friction ratio between μm and μmF
Fig. 10에는 운동에너지와 제동에너지의 비율을 계산하여 도시하였다. 이 비율 역시 1에 가까울수록 운동에너지가 손실없이 그대로 제동에너지로 소모되었음을 의미한다.6
Energy ratio between kinetic energy and braking energy
4. 결론
본 논문에서는 제동성능시험기의 주요 기능인 마찰계수 측정 과정에서 사용되는 기계관성 및 전기관성에 대한 성능을 비교하였다. 비교시험은 기계관성 및 전기관성 부여조건에서 각각 36회씩 정지제동을 통해 성능을 비교하였다. 정지제동은 다양한 제동초속도(120, 160, 200, 220 km/h)와 다양한 접촉력 조건(8, 18, 25 kN)에서 수행되었다. 평균마찰계수는 순간마찰계수를 제동거리 s2구간에 대한 적분으로 계산되는데 이는 마찰재의 표면조건 및 캘리퍼의 접촉조건 등에 따라 일정정도 변동폭을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 순간마찰계수, 평균마찰계수, 제동력, 제동거리를 제동초속도 및 접촉력별로 시험을 3회 수행하여 평균값을 사용하였으며, 이를 기계관성을 적용하였을 경우와 전기관성을 적용하였을 경우를 제동력, 평균마찰계수 그리고 에너지 측면에서 서로를 비교하였다. 그 결과, 기계관성을 적용한 시험에 비해 전기관성을 적용한 시험이 시험기의 베어링 마찰력 및 회전저항 등의 손실이 적절히 반영되어 있으며, 운동에너지가 제동에너지로 소모되고 있음을 확인하였다.
NOMENCLATURE
| Fb : | Instantaneous contact force |
| Ft : | Instantaneous tangential force |
| s2 : | Braking distance from the time when Fb is 95% |
| μa : | Instantaneous coefficient of friction |
| μm : | Average coefficient of friction |
| μmF : | Average coefficient of friction calculated from Fbm & s2 |
| msima : | Instantaneous simulated mass |
| vk : | Corrected speed |
Acknowledgments
본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 지원으로 수행되었습니다.
REFERENCES
-
Garg, V. K., “Dynamics of Railway Vehicle Systems,” Academic Press, 1984.
[https://doi.org/10.1016/B978-0-12-275950-5.50016-X]
- Winther, J., “Dynamometer Handbook of Basic Theory Applications,” Eaton Corporation, 1975.
- Kim, M.-S., “Dynamometer Tests of Brake Shoes under Wet Conditions for the High Speed Trains,” International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Vol. 5, No. 2, pp. 143-150, 2011.
- Kim, M.-S., “Development of the Braking Performance Evaluation Technology for High-Speed Brake Dynamometer,” International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Vol. 6, No. 1, pp. 122-129, 2012.
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