KR100317559B1 - 철도차량의 모의관성부하장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도차량의 추진제어장치를 시험하기 위한 모의관성부하장치에 관한 것으로,
본 발명의 목적은 철도차량의 추진제어장치를 시험하기 위한 모의관성부하장치를 축소제작하여 제작비와 시험비를 절감함과 동시에 전동차 구동제어를 연구하기 위한 데이타값을 정확하게 얻을 수 있음은 물론 전동차의 견인전동기를 제어하는 인버터의 정확한 성능을 시험할 수 있는 철도차량의 모의관성부하장치를 제공함에 있으며,
상기한 목적은 진동 및 소음에 대응하기 위한 프레임부와, 싱글 디스크 플랙스로 양체결용 볼트에 의해 탄성체를 삽입하여 진동 및 편심에 대응하도록 된 커플링부와, 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 축소설계한 플라이휠과, 상기 플라이휠의 기본하중 및 최대동하중을 만족하도록 설계된 베어링부와, 축의 회전수(rpm) 및 토크(torque)를 실시간으로 디지털 처리하는 토크메타부(Torque meter Part)와, 상기 플라이휠(Flywheel)을 정지시키는 역할을 하는 브레이크부(Break Part)로 이루어지며, 추진제어장치의 견인특성시험 및 기타 여러 시험을 수행하도록 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 각 구성부위가 설계되는 철도차량의 모의관성부하장치를 구체적인 수단으로 구비하므로서 달성된다.
Description
본 발명은 철도차량의 추진제어장치를 시험하기 위한 모의관성부하장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동차 구동제어를 연구하기 위한 데이타값을 정확하게 구하며, 전동차의 견인전동기를 제어하는 인버터의 성능에 대한 시험을 수행하기 위해 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 각 구성부위를 설계한 모의관성부하장치에 관한 것이다.
일반적으로 전동차의 안전성에 있어서 가장 중요한 장치인 추진제어장치의 성능을 현차시험이전에 차량의 운행환경을 가상설정하여 시험하는 설비로는, 모의 관성부하설비가 사용되고 있는바,
이는 전동차의 핵심부품인 인버터 및 견인전동기를 시험하기 위해 필요한 것으로써, 전원설비, 피시험체, 관성부하설비로 구성된다.
이때, 철도차량 추진제어장치의 조합시험을 위해 사용하고 있는 관성부하설비는 차량무게에 해당하는 관성을 플라이휠(Flywheel)로 연결하여 가속 및 감속시험을 하는 것인데,
이는 견인전동기를 제어하는 인버터 성능특성 확인과 전동차의 기동부터 정지상태까지 발생되는 모든 기계적 또는 전기적인 데이터값을 구하기 위한 것이었다.
하지만, 종래 관성부하설비는 견인전동기-커플링(Coupling)-기어(Gear)-플라이휠(Flywheel)의 순서로 기계적인 연결관계를 갖으며, 차량무게에 해당하는 관성을 플라이휠에 연결하는 구조를 갖는 것으로서, 그 유지보수를 위해 과다한 비용이 소모됨은 물론 시험시에도 많은 시험비용이 소모되는 문제점과 함께 단시간에 걸친 운전만 가능한 것이었으며, 특히 관성부하설비 자체제작비가 몇 십 억원에 이를 정도로 막대한 비용투자를 요하게 됨에 따라 이러한 설비를 실제로 제작하는데는 큰 어려움이 따르는 것이었다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래 철도차량의 관성부하설비가 갖는 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로,
본 발명의 목적은 철도차량의 추진제어장치를 시험하기 위한 모의관성부하장치를 축소제작하여 제작비와 시험비를 절감함과 동시에 전동차 구동제어를 연구하기 위한 데이타값을 정확하게 얻을 수 있음은 물론 전동차의 견인전동기를 제어하는 인버터의 정확한 성능을 시험할 수 있는 철도차량의 모의관성부하장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 수행하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;
구동모터가 설치고정되며 진동 및 소음에 대응하기 위한 프레임부와, 양체결용 볼트에 의해 체결되며 탄성체가 연결부위로 삽입되어 진동 및 편심에 대응토록 구성되는 커플링부와, 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 축소설계한 플라이휠부와, 상기 플라이휠의 기본하중 및 최대동하중을 만족하도록설계된 베어링부와, 축의 회전수(rpm) 및 토크(torque)를 실시간으로 디지털 처리하는 토크메타부(Torque meter Part)와, 상기 플라이휠(Flywheel)을 정지시키는 역할을 하는 브레이크부(Break Part)로 이루어지는 모의관성부하장치를 구비하므로서 달성된다.
도 1은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치의 구성도
도 2는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 프레임부를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 브레이크부의 구성도
도 4는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 구동모터의 브라켓 구성도
도 5는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치의 플라이휠 구성도
도 6a,b는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 적용되는 커플링의 구성도
도 7은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치를 구성하는 베어링부의 저널 구성도
<도면주요부위에 대한 부호의 설명>
1 : 모의관성부하장치 2 : 프레임부 3 : 커플링부
4 : 토크메타부 5 : 베어링부 6 : 브레이크부
7 : 플라이 휠 21 : 구동모터 31,31',31' : 커플링
61 : 브라켓고정구
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 프레임부를 나타낸 구성도이며, 도 3은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 브레이크부의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 있어, 구동모터의 브라켓 구성도이며, 도 5는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치의 플라이휠 구성도이고, 도 6a,b는 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치에 적용되는 커플링의 구성도이며, 도 7은 본 발명의 철도차량 모의관성부하장치를 구성하는 베어링부의 저널 구성도로서 그 구성상태를 살펴보면;
본 발명에 따른 모의관성부하장치(1)에 의한 전동차 구동용 인버터의 실험은 용량이 크기 때문에 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 시험장치의 크기를 축소시켜 제작하였다.
본 발명의 모의관성부하장치(1) 본체는 크게 프레임부((2)Frame Part), 커플링부((3)Coupling Part), 토크메타부((4)Torque meter Part), 베어링부((5)BearingPart), 브레이크부((6)Break Part) 및 플라이휠((7)Flywheel)로 구성된다.
여기서, 상기 프레임부(1)는 충분한 강성과 진동에 의한 편심 및 소음에 대응하기 위해 도 2에 도시된 바와같이 구성되는 것인데, 이와같은 프레임부의 상단 일측으로는 도 4에 도시된 바와같이 구동모터(21)가 플렌지결합방식에 의해 고정설치되는 것이고,
상기 토크메타부(4)는 동력을 측정하는 목적이외에 축의 토크를 계측을 위한 비틀림동력계로 구성되는 것으로서 209kg-m, 5,000rpm이상으로 제작되며, 이러한 토크메타(Torque meter)에 관련되는 인디케이터(indicator)는 축의 회전수(rpm) 및 토크(torque)를 동시로 디지털로 확인가능토록 구성되는 것인데,
이와같은 토크메타부(4)는 도 1에 도시된 바와같이 커플링부(3)의 커플링(31)에 의해 전술한 구동모터축과 축연결되는 것이며 토크(Torque)측정범위는 200kgfm이다.
이때, 상기 커플링부(3)는 도 1 내지 도 6의 a,b,c에서와 같이 각 구성부위를 축연결하는 수단으로서, 이는 싱글 디스크 플랙스(single disk flex)로 양체결용 볼트에 탄성체(고무재(rubber)를 적용함이 바람직함.)를 삽입하여 진동 및 편심에 대응하도록하여 축 연결의 불균형을 흡수하는 역할을 담당하며, 각 부위로 적용되는 커플링은 플랙시블 디스크 타입(flexible disc type)으로서 도 6에서와 같이 3개(31,31')의 형태가 적용,설치되는 것이다.
또한, 상기 브레이크부(6)는 후술하는 플라이휠((7)Flywheel)을 정지시키는 역할을 하는 것으로서, 이는 에어브레이크가 적용되며 도 3에 도시된 바와같이 별도의 브라켓고정구(61)에 의해 전술한 프레임상으로 결합고정되는 것이고, 상기 베어링부(5)는 도 1 내지 도 7에 도시된 바와같이 후술하게 될 플라이휠(7)의 기본하중과 최대동하중(6000rpm)을 만족하게 설계된 것으로 플라이휠(7) 축의 일측으로 설치되는 것이다.
한편, 상기 플라이휠(7)은 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 이를 시험장치를 적합토록 설계한 것으로서, 최대회전수 5,000rpm까지 견디는 강성을 부여하여 회전수, 정하중, 동하중에 충분히 견디도록 설계 제작한 것인데,
우선, 본 발명에 따른 플라이휠(7)을 설계하기 위해 전동기 1대의 등가관성을 구해야하는 것으로, 차량이 5M5T의 만차운전을 하고 있는 경우 539[ton]의 중량을 갖는바, 이 경우 구동전동기는 20대가 병렬 운전하고 있고, 구동축의 차륜이 860[mm]이므로 전동기 축의 관성에너지는 구동차륜에 대한 에너지에 의하여 구해진다.
여기서, Jm: 전동기 회전축으로 환산한 등가관성 [Nm2]
: 전동기의 회전각속도 [rad/s]
M: 열차의 총중량 (539,000[kg])
υ: 열차의 속도 = 차륜의 주변속도 [m/s]
n: 구동전동기의 수(20[대])
또한, 전동기 축의 회전 각속도와 차륜의 주변속도와의 관계는,
N : 전동기 축의 감속 기어비
이므로 위의 두 수학식의 관계에서 전동기축의 관성이 산출된다.
따라서, 본 발명에 따른 부하장치의 전동기에 직결되어야 할 관성체(플라이 휠)가 수학식의 관성을 가지면 전동기는 전동차를 견인할 때와 같은 등가인 시스템이 된다.
또한, 1대의 전동기축으로 환산된 등가의 관성체를 설계하기 위하여 우선 회전하는 형태의 관성체가 가지는 에너지를 구해야 하는데,
회전축으로부터 x[m] 떨어진 질량 m[kg]의 질점이 회전반경 r(m)에서[rad/sec]로 축의 주변을 회전하고 있다면, 이때 질점의 속도 υ= rㆍ[m/sed] 이므로, 이 질점이 갖는 운동에너지는
이다.
단, J = mr2[gm2/rad2]인데, 이 J를 질점 m의 이 축에 대한 관성 moment이다.
이때, 현실적으로 물체는 연속적이므로 회전반경 r [m/rad]점의 밀도를 ρ [kg/m3]이라면,
또한, 상기 roll의 질량을 m(kg)이라 하면,
한편, 등가 관성체 적용에 있어, 질량 1000[kg]으로 직경 1(m)의 ROLL을 제작하였을 경우의 관성 moment는 J = 1/2 × 1000kg ×(0.5)2 = 125[kgm2/rad2]이고, 수학식 6에서 L을 결정하면,
이므로,
수식을 대입하면 약 160 [mm]로 결정된다.
이에, 상기와 같은 수학식을 통해 검출된 값을 기초로하여 형성된플라이휠(7)은 도 5에 도시된 바와같이 베어링에 의해 프레임부(2)로 고정설치되며, 커플링(3')에 의한 축결합을 통해 구동모터(21)의 동력을 전달받게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 도시철도차량 모의관성부하장치(1)는 도 1에서와 같이 구동모터((21)Motor)와, 커플링(coupling)과, 토크메터((4)Torque meter)와 플라이휠((7)Flywheel)과 브레이크(6)Break) 순서로 연결되는 것이며, 부하장치(1)의 구동제어를 위한 제어부가 별도로 설치되는 것으로서, 이는 본원에서 출원한 시험용 전원설비와 연결되어 견인전동기를 제어하는 인버터의 성능 확인과 전동차의 출발부터 정지까지 일어날 수 있는 모든 상황들에 대해 실제와 가장 근접하게 기계적 또는 전기적 데이터값을 구할 수 있는 것이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 철도차량의 모의관성부하장치는 기존의 관성부하설비들이 전동차의 실제 만차중량을 기준으로 설계되어 많은 제작비와 시험비가 소요된 것과는 달리, 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 시험장치의 크기를 축소하므로서, 시험장치 제작비와 시험에 소요되는 비용을 절감한 효과와 함께 전동차 구동제어와 인버터성능의 정확한 데이타값을 획득할 수 있는 장점을 갖는 것이다.
Claims (1)
- 구동모터가 고정설치되며 진동 및 소음에 대응하기 위한 프레임부와, 양체결용 볼트에 의해 체결되며 탄성체가 연결부위로 삽입되어 진동 및 편심에 대응토록 구성되는 커플링부와, 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 축소설계한 플라이휠과, 상기 플라이휠의 기본하중 및 최대동하중을 만족하도록 설계된 베어링부와, 축의 회전수(rpm) 및 토크(torque)를 실시간으로 디지털 처리하는 토크메타부(Torque meter Part)와, 상기 플라이휠(Flywheel)을 정지시키는 역할을 하는 브레이크부(Break Part)로 이루어지며, 추진제어장치의 견인특성시험 및 기타 여러 시험을 수행하도록 전동차의 관성을 전동기축으로 환산한 등가관성을 산출하여 각 구성부위가 설계됨을 특징으로 하는 철도차량의 모의관성부하장치.
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