제 1절 제동장치 일반 1.철도제동의 종류 가. 기계식 제동장치 ① 수용제동 - 인력, 정차중인 차량의 전동방지용으로 설치한 것 ② 공기제동 - 공기압력, 자동공기제동창치와 직통공기제동장치로 구분 나. 전기식 제동장치 ① 발전제동 : 직류직권전동기의 특성활용. 열차의 감속용으로만 사용 ② 회생제동 : 제동력을 전기화하여 전차선에 전기력을 반환 ③ 레일제동 : 레일과 차량간 반대극성의 자력 이용 ④ 와류제동 : 궤간에 별도 와류장치 설치 ⑤ 혼합제동 : 공기제동장치와 전기제동장치를 혼합하여 작용. 공주시간단축 제2절 제동 일반이론 1. 제동원력 진공제동 증기제동 자동공기제동기와 같이 원동력이 피스톤면에 작용하는 힘(제륜자를 누르는 힘)을 말한다. 가. 제동통 정미(유효)압력(Pe) 제동통으로부터 나온 압력으로 제동통 피스톤리턴스프링에서 발생되는 저항압력(0.35kgf/cm)과 제동 통 피스톤 로드와의 마찰압 력(0.05kgf/cm²)를 감한 압력 Pe = 2.57r - 0.4(상용제동) (r : 제동관감압량(kgf/cm²)) 나. 제동원력 (F) 제동통 정미압력과 제동통피스톤 단면적과의 곱으로 나타낸다. F = Pe x A = π/4 x D² x Pe 2. 제동사용율 제동기 설계상 최대 상용제동을 시행하는 것을 전제동이라 한다 이러한 전제동 에 대하여 제동력을 가감할수 있는 경우를 부분제동이라 한다. 제동사용율= 부분제동/전제동 부분제동력= 전제동력 × 제동사용율 3. 제동배율 기초제동장치를 거쳐 증폭된 압력의 비를 제동배율(제륜자 압력과 제동통 압력의비)이라 한다. 가. 제동배율 제동배율 E = 제동압력/제동원력 = 제륜자총압력/피스톤총압력 =피스톤행정거리/제륜자이동거리 ∴ 제동압력(제륜자P) = 제동원력(제동통P) × 제동배율 나. 제동배율의 크기 기관차 ① 26L (71호대형) 6.87 ② 26L (70, 72, 72, 75호대형) 5.75 전동차 ① SELD M차 : 3.66, 1위 : 3.2, 2~4위 : 2.13 ② HRDA(인버터제어) M차 : 4.47, T차 : 3.2 4. 제동율 열차중량에 대한 제륜자압력의 비를 말하며 중량에 대한 제동력의 산정에 중요한 제한 요인이다. 제동율= 제륜자압력/축중량×100(％) 가. 제동율의 영향인자 ※ 제륜자 형상 및 크기 (×) ① 제동통직경 ② 기초제동장치 제동배율 ③ 제동통압력 ④ 기초제동장치 효율 등 이때 ①② 항의 경우 설계상 일정하나, ③④항의 경우는 여러 가지 요인에 의하여 가변적이다. * 기초제동장치 구비조건 ① 힘의 전달에 대하여 최대의 효율을 가질것 ② 축중량에 대하여 차륜에 가하는 압력의 분포를 적당히 하여 차륜이 활주하지 않을 범위로 최대의 제동력을 발휘할 수 있을것 ③ 안전도가 높은것으로서 그 중량 및 형상이 작을것 ④ 제륜자 및 외륜의 마모에 관계없이 항상 일정한 제동력을 얻을수 있을것 ⑤ 보수 및 부품교환이 용이할것 나. 제동율의 크기 ① 축제동율 = 축당제륜자압력/열차축당중량 × 100 (%) ② 전차제동율 = 총제륜자압력/열차총중량 × 100 (%) 다. 제동율에 의한 열차 편성의 조건 ① 가능하면 여객, 화물용 견인차를 구분하여 배치 ② 차량의 혼합편성시 제동율의 중간치를 취하여 충격을 최소화한다. ③ 화물열차 또는 입환을 위한 동력차는 제동율을 저하시킨다. 5. 제륜자 압력 제륜자가 차륜답면을 누르는 압력을 제륜자 압력이라 한다. 가. 제동배율에 의한 산식 P (제륜자압력) = πD²/4 × P‘ × n × E × η (kg) 〔P:제륜자압력(kg), P':정미제동통압력(kg/cm²), D:제동통직경(cm), n:제동통수, E:제동배율, :제동효율〕 제3절 제동이론 1. 감압량에 따른 제동통압력의 형성 가. 보일의 법칙 공기압력과 체적과의 관계를 정리한 법칙으로서 공기제동장치의 공기압 이동 상태를 제동장치의 체적과 비교하여 기초이론을 적용하는 법칙이다. P₁V₁ = P₂V₂ ( P : 최초의 압력, P₂: 최후의 압력 V₁: 최초의 체적, V₂: 최후의 압력 ) 나. 기관차 제동통압력 Cp = 2.5r (kg/cm²) 〔 r : 제동관 감압량(kg/cm²), Cp : 제동통압력(kg/cm²) 〕 다. 객화차 제동통압력 Cp = 3.25r - 1 (kg/cm²) 2. 최소유효제동통압력 최소유효제동통압력은 제동통에 공급된 공기압력이 제동통내의 리턴스프링압력(0.35kg/cm²), 제동피 스톤의 마찰력(0.05kg/cm²)의 합보다 커야 한다. 즉, (유효제동통압력 > 리턴스프링압력 + 제동피스톤의 마찰력)이므로, 유효제동통압력 > 0.4kg/cm² 3. 최소유효감압량 제동관 감압에 따라 최소유효제동통압력이 형성될수 있는 감압량을 최소유효감압량 으로 본다. 1) 기관차의 경우 2.5r > 0.4 kg/cm² ∴ r > 0.16 kg/cm² 2) 객화차의 경우 3.25r -1 > 0.4 kg/cm² ∴ r > 0.43 kg/cm² 4. 최대유효감압량 - 보조공기통과 제동통의 압력이 균형을 이루는 제동관 감압량 1) 기관차의 경우 ① 제동관압력 5kg/cm²인 경우 5 - r = 2.5r ★∴ r = 1.43kg/cm² ② 제동관압력 6kg/cm²인 경우 6 - r = 2.5r ★∴ r = 1.71kg/cm² 2) 객화차의 경우 ① 제동관압력 5kg/cm²인 경우 5 - r = 3.25r - 1 ★∴ r = 1.41kg/cm² ② 제동관압력 6kg/cm²인 경우 6 - r = 3.25r - 1 ★∴ r = 1.65kg/cm² 5. 피스톤행정 변화 및 감압량의 한계 가. 피스톤의 행정이 변하는 이유 ① 제륜자의 마모 ② 하중의 변화 ③ 제동통 압력의 대소 ④ 제동초속도 나. 피스톤 행정이 늘어나면 공주시간이 커지고, 제동력이 작아지게 된다. 다. 감압량의 한계 제동효과를 얻기 위해서는 제동통 압력은 최소 0.40kg/cm² 이상이어야 한다. 제4절 제동력 제동작용에 의하여 진행하고 있는 열차의 속도를 낮추는 힘을 제동력이라 한다. 제동력은 제륜자압력과 마찰계수값의 곱으로 표시된다. 즉, 제동력 B = P ？ f (P : 제륜자압력, f : 마찰계수) 〔 B : 제동력(kg), P : 제륜자전압력(kg), f : 마찰계수 〕 1. 제륜자 압력 p= πD²/4 × P‘ × n × E × η (kg) p= πD²/4 × P‘ × n × E × η × r/R(kg) <디스크제동> (P : 제륜자압력(kg), P' : 정미제동통압력(kg/cm², D : 제동통직경(cm),n : 제동통수 , E:제동배율, η : 제동효율, r : 디스크반경, R : 차륜반경) 2. 제동력과 점착력 가. 제동력 B = P？f = πD²/4 × P‘ × n × E × η × f (f : 마찰계수) 나. 제동력과 점착력 활주하지 않을 조건의 가장 큰 제동력 (제동력 ≤ 점착력) P/W≤μ/f 제5절 제동거리의 산출 운동에너지를 열에너지로 변환하는 사이에 주행한 거리를 제동거리라 하고 소요된 시간을 제동시간 (공주시간+실제동거리) 이라 한다. 실제동거리는 제동이 유효하게 작용 후 정지할 때 까지 주행거리 를 말하며 속도의 자승에 비례한다. 전제동거리는 공주거리와 실제동거리를 합한 것이며 제동초속도의 영향을 받는다. 1. 공주거리 가. 공주거리의 한계 제동변을 제동위치로 이동하여 제동이 작동하기까지의 주행거리를 공주거리, 소요시간을 공주시간이 라 한다. 철도차량의 공주거리는 제동취급 시점부터 제동력이 예정제동율의 75%를 달성 할 때까지 진행한 거리를 공주거리로 산정한다. (속도정수사정기준규정 적용) 이때까지 경과한 시간을 공주시간이라 한다 나. 공주거리의 발생사유 ① 제동취급 후 공기배관을 따라 공기의 이동으로 제동통압력이 형성되기 위하여 소요되는 시간동안 진행한 거리 ※ 공기의 이동소요시간 제동관 압력은 초당 150 ～ 200m 진행하므로, 1m 진행시 약 0.05sec 소요 ② 기초제동장치의 동작 시간동안 진행한 거리 ③ 제륜자가 DIA에 접촉한 후 적정압력으로 제동통압력이 상승하기 위하여 소요되는 시간동안 진행한 거리 ※ 공주시간은 제동장치의 종류, 제동취급방법, 열차의 편성, 연결량수 등에 따라 다르다. 다. 공주거리의 계산 ① 공주시간 공주시간은 최초 제동취급 후 예정제동율의 75%를 달성하는데 소요되는 시간을 말한다. a. 제동취급 후 최전부차량(기관차)에 제동이 체결되기 시작하는데 소요 되는 시간 : 약 0.9sec (보통제동기) b. 최전부차량으로부터 최후부차량까지 제동관 압력공기의 이동에 소요되는 시간 : 제동축수 n, 축간거리 약 5m로 할 때 약 0.025n sec c. 차량당 제동시점부터 완료시까지 소요되는 시간 : 약 3sec ② 공주거리 공주거리(S₁) = v× t₁ (m/s？s) = V/3.6 ×t₁(km/h？s) 〔 단, 평탄선구일 때, S₁: 공주거리, t₁: 공주시간 〕 2. 실제동거리 실제동거리(S₂)는 전 제동거리에서 공주거리를 제한 값을 말한다. 가. 운동 에너지식에 의한 방법 지금 주행중인 열차에 제동을 체결하려면 Fdm(kg)의 평균감속력(제동력과 열차저항의 합)으로서 감속 되어 거리 S₂(m)를 진행후 열차가 정지하였다면 이때의 제동 및 열차저항이 한 일의 양은 FdmS₂(kg？m)로 된다. S₂ = 3.937WV²/Fdm W값에 대한 관성중량을 계산하면(일반열차 6％, 전동열차 9％의 중량을 가산) S₂ = 3.937WV²/Fdm (1 + 0.06) = ★ 4.17WV²/Fdm --- 일반열차 S' = 3.937WV²/Fdm (1 + 0.09) = ★ 4.29WV²/Fdm --- 전기차, 전동열차 즉 실제동거리는 열차의 중량에 비례하고 감속력에 반비례하며 제동초속도의 자승에 비례한다. 나. 운동식에 의한 방법 S = vt (m/s？s)에서 v (평균속도) = v₂+v₁/ 2 a (가속도) = v₂-v₁/ t ⇒ t = v₂-v₁/ ？ 이므로, S =vt =v₂+v₁/ 2 × v₂-v₁/ ？ = v₂²-v₁²/2？ 및 값을 철도실용단위로 환산하면, S₂ = (V/3.6)²/2×(A/3.6) = ★V²/7.2A 3. 전제동거리의 산출 전제동거리(S) = 공주거리(S₁) + 실제동거리(S₂) S = Vt/3.6+4.17WV²/Fdm (m) (일반열차) ★ S' = Vt/3.6+4.29V²/Fdm (m) (전동열차) ※ 위 식에서 W값은 Fdm값에 따라 계산방법을 달리할 수 있다. 4. 제동거리 약산식 가. 여객열차의 간이식 ( 실은차, 빈차) 현재 ★ S = V²/20 (m) ex) 140km/h =>980m 적용속도 범위 : 60-140 km/h 나. 화물열차의 간이식 (실은차, 빈차) 현재 ★ S =V²/14 (m) ex) 70lm/h =>350m 다. 전기동차의 간이식 (실은차 , 빈차) ★ 제동거리 S3 = Vt/3.6+V²/7.2A (m) --------------------(7-34) 제6절 전기제동 1. 발전제동 가. 발전제동의 의의 - 발전제동은 전기제동의 일종으로 현재 우리나라에서 전기제동 방식 중 가장 널 리 쓰이고 있는 제동방식이다. 전기제동은 이외에도 전력회생제동, 전자제동, 와류제동 등의 방식이 있다 나. 발전제동의 이점 ① 제륜자 제동으로 발생되는 차륜마모 및 이완현상이 없다. 단, 부수차 객차 화차 등에는 공기제동 설치를 요한다 ② 공주시간이 단축된다. ⑤ 연속 하구배에서 속도제어가 용이하다 ⑥ 제륜자 마모의 감소 및 열차 평균속도가 향상된다. 열차가 가진 운동에너지는 속도의 제곱에 비례한다. 다. 발전제동의 결점 ① 전기제동의 고장 또는 저속도에서 제동력이 극소하므로 타 공기제동장치의 병설을 요한다. ② 저항제어를 하므로 별도의 저항기가 필요하다. ※필요가 없다(×) ③ 주전동기의 부하율이 높기 때문에 주전동기의 용량을 증대할 필요가 있다. ④ 전기회로가 복잡하다. 마. 발전제동의 필요조건 ① 팬터그라프 또는 발전기 회로를 일시 차단하고 주전동기와 저항기(방전용)를 폐회로로 만든다. ② 자극에는 잔류자기를 가져야 한다. 발전기 일 때와 전동기 일 때는 전기자 전류의 방향이 반대이다. ③ 각 발전기의 부하는 평형이어야 한다. 바. 발전제동력 - 유효한 힘은 역행시에 손실된 철손 및 기계손이 제동시에는 +가 되어 견인력과 제동력을 동일한 조건에서 비교하면 10~20%크다 ★★사. 발전제동의 유효범위 역행시와 같이 제동시의 전류와 발전기로써의 회전수와 기동력과의 관계로서 이루어지는 곡선을 제동특선곡선이라 하고 발전제동력은 주전동기의 전압 전류 속도구조상에서 한도로 되는 것이 정격상의 한도이고 발전기로서 사용범위는 정해지게 되며 이와 같이 ① 과전류 ② 과전압 ③ 과고속 ④ 과저속 이라는 4가지 제한을 한다. 이러한 제한외 부분에 대하여는 발전제동 이외에 공기제동 등의 방식을 사용할 필요가 있다. 좀 더 자세한 공부를 원하시는 분은 한국철도공사교육원에서 시행하는 철도 기관사 면허취득응시도 한 방법이라 사료됩니다. 고맙습니다.