KR100946232B1 - 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및그 방법 - Google Patents

수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량의 축상과 대차사이의 수직변위를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 윤중을 구하고, 차체 정상횡가속도를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡압을 구하여 탈선계수를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 윤중과 수직변위의 관계 특성, 횡압과 차체 정상횡가속도의 관계 특성을 이용하여 차량의 축상과 대차 사이의 수직변위 및 차체의 정상횡가속도의 측정만으로도 윤중과 횡압을 구하여 탈선계수를 구할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
철도차량, 탈선계수, 윤중, 횡압, 수직변위, 정상횡가속도

Description

수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법 {Apparatus and method for measuring derailment coefficient using vertical displacement and steady-state lateral acceleration}
본 발명은 철도차량의 축상과 대차사이의 수직변위를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 윤중을 구하고, 차체 정상횡가속도를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡압을 구하여 탈선계수를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 윤중과 수직변위의 관계 특성, 횡압과 차체 정상횡가속도의 관계 특성을 이용하여 차량의 축상과 대차 사이의 수직변위 및 차체의 정상횡가속도의 측정만으로도 윤중과 횡압을 구하여 탈선계수를 구할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 레일 위를 주행하는 열차의 속도가 증가함에 따라 철도차량의 주행안정성(Stability)과 안전성(Safety)의 확보가 더욱 요구되고 있다. 철도차량의 주행안정성이 나빠지면 승차감이 저하되어 승객에게는 안락감을 주지 못하고, 화물 에는 파손을 초래하게 된다. 철도차량의 주행안정성을 저해하는 가장 중요한 요인이 탈선이며, 열차가 탈선하면 대형사고로 이어져 막대한 인적 및 물적 손실을 가져온다. 특히, 탈선문제는 오래전부터 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔음에도 불구하고 열차탈선사고가 종종 일어나고 있다.
열차의 탈선은 차륜 플랜지가 레일에 접촉할 때 발생하는 횡방향의 힘이 커져 차륜이 레일을 이탈하는 현상을 뜻하는 것으로, 탈선 또는 주행안정성을 평가하는 기준은 횡압과 윤중의 비율인 탈선계수이다.
즉, 차량의 탈선안전성을 판단하는 탈선계수를 구하기 위해서는 횡압(Q), 윤중(P)이라 부르는 차륜과 레일 상에 일어나는 횡방향과 수직방향의 접촉력 계측이 필요한데, 철차륜이 철레일 위를 고속으로 전동하는 철도시스템에서는 이러한 힘을 측정하는 것이 많은 준비시간, 고도의 측정기술과 고도의 비용이 들기 때문에 쉽지 않고 특수계측장비들이 필요하므로 탈선계수측정을 생략하거나 자주 측정하지 못하고 있는 원인이 되는 것이다.
지금까지 윤중을 측정하는 방법에는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 차륜에 스트레인게이지를 부착하여 측정하는 간헐법과 연속법의 2가지 방법이 이용되어 왔다. 하지만, 간헐법은 차륜 1회전에 최대 4회의 측정치밖에 얻을 수 없었고, 연속법은 횡압에 대하여 연속된 출력을 얻을 수 있는 장점이 있지만 차륜에서 열변형과 노이즈에 의하여 감도가 떨어지고 영점이 이동하여 출력된 윤중의 음과 양이 반전되는 경우가 발생하는 결점을 가지고 있다.
약 20년전 탈선계수의 측정과 분석을 수작업으로 수행하였을 때에는 5명의 연구원으로 약 6개월이 소요되었고, 탈선계수 전용 측정장치인 시그널프로세서(DP7100)가 개발된 이후에는 분석시간이 1주일 정도로 현저히 짧아졌지만 탈선계수 측정용 윤축의 준비과정과 차량에 조립하기까지 보통 2개월 이상이 소요되고, 특히 이동하는 회전체인 차륜으로부터 미세신호를 전달하는데 고도의 기술을 필요로 한다.
이와 같이, 탈선계수를 측정하는 데는 많은 시간과 비용 및 기술적인 측정상의 에러가 발생할 수 있기 때문에 더욱 힘이 들고, 측정에 한번이라도 사용된 시험 윤축은 정밀도 및 게이지 부착상태를 감안할 때 다음에 사용할 수 없기 때문에 지속적인 윤중과 횡압 측정에 애로사항이 있는 것이다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 간편하고 지속적으로 윤중과 횡압을 측정하기 위한 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 철도차량의 축상과 대차 사이의 수직 변위 및 차체 정상횡가속도만을 측정하여 윤중과 횡압을 측정할 수 있어 탈선계수를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 차량 운행 중 탈선계수를 실시간으로 측정할 수 있어 차량이 탈선하는 것을 예방하고, 탈선계수를 측정하기 위한 시간과 비용을 절약할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치는,
철도차량의 축상과 대차사이의 수직 변위를 측정하기 위한 변위측정센서와, 철도차량 차체의 정상횡가속도를 측정하기 위한 진동가속도계와, 상기 변위측정센서와 진동가속도계에서 측정된 신호를 입력받아 처리하는 입력신호 데이터처리부와, 상기 입력신호 데이터처리부에서 처리된 데이터를 해석하는 데이터 해석부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터 해석부에서 해석된 데이터를 출력하는 출력장치를 더 포 함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 해석부는, 입력신호 데이터처리부를 통해 처리된 데이터를 이용하여 철도차량의 차륜에 작용하는 윤중 및 횡압을 구하는 윤중/횡압 해석부와, 상기 윤중/횡압 해석부에서 구해진 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는 탈선계수 해석부로 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 윤중/횡압 해석부에서 차륜에 작용하는 윤중을 구하는 식은,
Figure 112008042210360-pat00001
,
Figure 112008042210360-pat00002
인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윤중/횡압 해석부에서 차륜에 작용하는 횡압을 구하는 식은,
Figure 112008042210360-pat00003
,
Figure 112008042210360-pat00004
인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정방법은,
철도차량의 탈선계수를 측정하기 위한 방법에 있어서, 철도차량의 축상과 대차사이의 수직 변위와, 철도차량 차체의 정상횡가속도를 이용하여 탈선계수를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탈선계수는, 철도차량의 축상과 대차 사이의 수직 변위를 측정하는 단계와, 철도차량 차체의 정상횡가속도를 측정하는 단계와, 측정된 수직 변위와 정상횡가속도를 이용하여 철도차량의 차륜에 작용하는 윤중 및 횡압을 구하는 단계와, 상기 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는 단계에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 윤중 및 횡압을 구하는 단계에서 윤중을 구하기 위한 윤중환산식은,
Figure 112008042210360-pat00005
,
Figure 112008042210360-pat00006
인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윤중 및 횡압을 구하는 단계에서 횡압을 구하기 위한 횡압환산식은,
Figure 112008042210360-pat00007
,
Figure 112008042210360-pat00008
인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 의하면 철도차량의 축상과 대차 사이의 수직거리 및 차체 정상횡가속도만을 측정하여 윤중과 횡압을 간단히 측정할 수 있어 탈선계수를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 탈선계수의 실시간 측정이 가능하여 주행중 차량이 탈선하는 것을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 탈선계수를 측정하기 위한 시간과 비용을 대폭 절약할 수 있는 효과를 추가로 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 흐름도를 나타낸 도면이며, 도 5는 실제 윤중과 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 윤중데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면이고, 도 6은 실제 횡압과 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 횡압데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면이며, 도 7은 실제 탈선계수와 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 탈선계수 데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
철도차량의 탈선은 차륜(16) 플랜지가 레일에 접촉할 때 발생하는 횡방향의 힘이 커져 차륜(16)이 레일을 이탈하는 현상으로, 이러한 탈선 또는 철도차량의 주행안정도를 평가하는 대표적인 기준이 탈선계수이다. 탈선계수는 차륜(16)에 의해 레일에 가해지는 수직력을 나타내는 윤중(Vertical track force, P)과, 차륜(16)에 의해 레일에 가해지는 횡압(Lateral track force, Q)의 비(Q/P)로 나타낼 수 있는데, 이러한 윤중과 횡압의 비, 즉 탈선계수가 0.8보다 작으면 탈선의 위험이 적은 것으로 판정한다.
따라서, 철도차량의 윤중과 횡압을 측정함으로써 탈선계수를 구할 수 있게 되는데, 윤중과 횡압은 각각 철도차량의 차륜(16)에 의해 레일에 작용하는 수직력과 횡압력을 뜻하므로 변위와 진동을 이용하여 구할 수 있게 된다.
이러한, 기본적인 개념들을 바탕으로 하여 윤중과 횡압을 보다 간단하게 측 정할 수 있는데, 이는 윤중 및 횡압의 신호성분에 영향을 미칠 것으로 판단되는 여러가지 신호성분들을 측정하여 종래의 차륜에 스트레인게이지를 부착하여 실제로 측정하는 방법을 통해 얻어진 실제 윤중 및 횡압과의 비교를 통해 알 수 있게 된다.
먼저, 윤중은 상하방향 신호성분들에 의해 영향을 받을 것이므로, 총 8가지의 상하방향 신호성분을 측정하여 스트레인게이지를 이용하여 실측된 실제 윤중과 비교하여 보았다. 즉, 윤중측정센서를 이용하여 좌측윤중과, 우측윤중을 측정하고, 진동측정센서를 이용하여 축상상하진동, 대차상하진동, 차체상하진동을 측정하였으며, 변위측정센서(20)를 이용하여 축상(14)과 대차(12)사이의 상하변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 상하변위를 측정하여 실측된 윤중과 비교해 본 결과, 축상(14)과 대차(12) 사이의 상하변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 상하변위가 실측된 윤중과 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
또한, 축상(14)과 대차(12) 사이의 상하변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 상하변위가 윤중에 얼마나 선형적으로 영향을 미치는 지를 분석한 결과, 차체(10)와 대차(12) 사이의 상하변위보다는 축상(14)과 대차(12) 사이의 상하변위가 윤중과 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
한편, 횡압은 좌우방향 신호성분들에 의해 영향을 받을 것이므로, 총 8가지의 좌우방향 신호성분을 측정하여 스트레인게이지를 이용하여 실측된 실제 횡압과 비교하여 보았다. 즉, 횡압측정센서를 이용하여 좌측차륜횡압과 우측차륜횡압을 측정하고, 진동측정센서를 이용하여 축상좌우진동, 대차좌우진동, 차체좌우진동을 측 정하였으며, 변위측정센서를 이용하여 축상(14)과 대차(12) 사이의 좌우변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 좌우변위를 측정하여 실측된 횡압과 비교해 본 결과, 축상(14)과 대차(12) 사이의 좌우변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 좌우변위, 그리고 차체좌우진동가속도의 정상횡가속도가 횡압과 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
또한, 축상(14)과 대차(12) 사이의 좌우변위와, 차체(10)와 대차(12) 사이의 좌우변위, 그리고 차체좌우진동가속도의 정상횡가속도가 횡압에 얼마나 선형적으로 영향을 미치는 지를 분석한 결과, 변위보다는 차체좌우진동가속도의 정상횡가속도가 횡압과 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
따라서, 축상(14)과 대차(12) 사이의 상하 즉 수직변위와, 정상횡가속도의 측정만으로 간단하게 탈선계수를 구할 수 있게 되어 철도차량의 주행안정성을 판단하기 위한 비용 및 시간을 대폭 절감할 수 있는 것이다.
이와 같은 내용을 바탕으로 한 본 발명은 차량의 윤중과 수직변위의 관계 특성, 횡압과 차체 정상횡가속도의 관계 특성을 이용하여 차량의 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위 및 차체(10)의 정상횡가속도의 측정만으로도 윤중과 횡압을 구하여 탈선계수를 구할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 우선 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치는 도 3에 나타낸 바와 같이, 크게 변위측정센서(20), 진동가속도계(30), 입력신호 데이터처리부(40), 데이터 해석부(50) 및 출력장치(60)를 포함하여 구성된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 변위측정센서(20)는 철도차량의 축상(14)과 대차(12) 사이에 설치되어 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직 변위를 측정하기 위한 것으로, 변위측정센서(20)로는 확산 반사형 비접촉 광학센서 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 진동가속도계(30)는 철도차량 차체(10)의 중앙 바닥에 설치되어 차체(10)의 정상횡가속도를 측정하기 위한 것으로, 진동가속도계(30)로는 K-Beam 타입 센서 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 입력신호 데이터처리부(40)는 변위측정센서(20) 및 진동가속도계(30)와 각각 연결 설치되어 측정된 신호, 즉 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직 변위와 차체(10)의 정상횡가속도를 입력받아 전기적인 신호로 변환하여 후술할 데이터 해석부(50)로 전달하는 역할을 한다.
그리고, 상기 데이터 해석부(50)는 입력신호 데이터처리부(40)와 연결 설치되어 전달된 측정신호 데이터를 해석하는 역할을 하는 것으로, 다시 말하면 변위측정센서(20) 및 진동가속도계(30)에서 측정된 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직 변위와 차체(10)의 정상횡가속도를 이용하여 윤중과 횡압을 구하고, 다시 이를 이용하여 탈선계수를 구하는 역할을 하는 것이다.
상기 데이터 해석부(50)는 다시 윤중/횡압 해석부(52)와, 탈선계수 해석부(54)로 구성되는데, 상기 윤중/횡압 해석부(52)는 입력신호 데이터처리부(40)를 통해 처리된 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직 변위와 차체(10)의 정상횡가속도 데이터를 이용하여 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 윤중 및 횡압을 구하기 위한 것이고, 상기 탈선계수 해석부(54)는 윤중/횡압 해석부(52)에서 구해진 윤중 및 횡압 을 이용하여 탈선계수를 구하는 역할을 하는 것이다.
이때, 상기 윤중/횡압 해석부(52)에서 구해지는 윤중 및 횡압은 각각 윤중환산식과 횡압환산식에 의해 계산되는데, 윤중환산식은 변위측정센서(20)에서 측정된 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위를 이용한 것이고, 횡압환산식은 진동가속도계(30)에서 측정된 차체(10)의 정상횡가속도를 이용한 것이다.
보다 상세히 설명하면, 우선 윤중환산식은
Figure 112008042210360-pat00009
식을 기본으로 한 것으로, 측정된 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위에 축스프링 강성을 곱하고 정적윤중을 더해주면 주행중인 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 윤중, 즉 동적윤중을 실시간으로 구할 수 있다.
이를 식으로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있는데,
Figure 112008042210360-pat00010
(1)
Figure 112008042210360-pat00011
(2)
이때,
Figure 112008042210360-pat00012
: 좌측 차륜에 작용하는 윤중,
Figure 112008042210360-pat00013
: 우측 차륜에 작용하는 윤중,
Figure 112008042210360-pat00014
(MN/m): 축스프링 강성,
Figure 112008042210360-pat00015
(mm): 축상과 대차간 수직변위,
Figure 112008042210360-pat00016
(ton): 정적상태에서 좌측 차륜에 작용하는 하중,
Figure 112008042210360-pat00017
(ton): 정적상태에서 우측 차륜에 작용하는 하중을 나타낸다.
상기 식 (1)과 (2)에서 보듯이, 축스프링 강성과 축상(14)과 대차(12)간 수 직변위의 곱에서 부호가 서로 다르게 나타남을 알 수 있는데, 이는 변위측정센서(20)를 좌측에만 설치하였기 때문에 우측 차륜의 축상(14)과 대차(12)간 수직변위의 방향이 반대로 나타나기 때문이다.
따라서, 철도차량이 곡선을 주행할 때의 동적 윤중은 차축(14)과 대차(12)의 스프링상수와 정적하중을 파악하고, 차축(14)과 대차(12) 사이의 수직변위를 측정하여 윤중환산식에 대입함으로써 구할 수 있는 것이다.
Figure 112008042210360-pat00018
위의 표1 은 레일의 곡선반경이 각각 501R(우측), 1002L(좌측), 1497R(우측), 1600L(좌측)인 곳에서 스트레인게이지를 이용하여 좌측차륜 및 우측차륜에서 실측한 윤중과, 전술한 윤중환산식 (1),(2)를 이용하여 환산된 윤중을 비교한 것이다. 위의 표1에서 볼 수 있는 바와 같이, 다양한 구간에서 비교해 본 결과, 모든 구간에서 신뢰도가 95% 이상으로 나타남을 알 수 있었다.
다음으로, 횡압환산식은
Figure 112008042210360-pat00019
식을 기본으로 한 것으로, 측정된 정상횡가속도 데이터에 외측궤도에 대한 커브계수를 고려하여 질량(차체하중)을 곱해주면 주행중인 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 횡압을 실시간으로 구할 수 있다.
이를 식으로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있는데,
Figure 112008042210360-pat00020
(3)
Figure 112008042210360-pat00021
(4)
이때,
Figure 112008042210360-pat00022
(ton): 좌측 차륜에 작용하는 횡압,
Figure 112008042210360-pat00023
(ton): 우측 차륜에 작용하는 횡압,
Figure 112008042210360-pat00024
(ton): 좌측 차륜에 걸리는 차량하중,
Figure 112008042210360-pat00025
(ton): 우측 차륜에 걸리는 차량하중,
Figure 112008042210360-pat00026
: 측정된 정상횡가속도,
Figure 112008042210360-pat00027
: 곡선부를 통과할 때 정상횡가속도의 보정계수,
Figure 112008042210360-pat00028
를 나타낸다.
여기서, 보정계수
Figure 112008042210360-pat00029
는 철도차량이 곡선부를 지날 때, 외측궤도 부분에서 걸리는 횡압이 내측궤도 보다 크게 나타나는 것을 반영하기 위한 것으로, 다양한 곡선구간에서 횡압을 실측해 본 결과, 곡선구간의 외측 차륜에 걸리는 횡압이 내측 차륜에 걸리는 횡압보다 평균 약 1.703배 크게 나타남을 알 수 있었다.
따라서, 곡선구간의 외측 차륜에 해당하는 좌측 차륜 또는 우측 차륜의 횡압을 구할 때는 상기 보정계수(
Figure 112008042210360-pat00030
)로 0.7을 사용하고, 곡선구간의 내측 차륜에 해당하는 좌측차륜 또는 우측 차륜의 횡압을 구할 때는 보정계수(
Figure 112008042210360-pat00031
)로 0을 사용한다.
Figure 112008042210360-pat00032
위의 표2는 레일의 곡선반경이 각각 501R(우측), 1002L(좌측), 1497R(우측), 1600L(좌측)인 곳에서 스트레인게이지를 이용하여 좌측차륜 및 우측차륜에서 실측한 횡압과, 전술한 횡압환산식 (3),(4)를 이용하여 환산된 횡압을 비교한 것이다. 위의 표2에서 볼 수 있는 바와 같이, 다양한 구간에서 실측된 횡압과 환산된 횡압을 비교해 본 결과, 대부분의 구간에서 신뢰도가 90% 이상으로 나타남을 알 수 있다.
한편, 곡선 구간에서 내측 차륜에 해당하는 레일의 곡선반경이 501R인 구간의 좌측 차륜과, 곡선반경이 1601L인 구간의 우측 차륜에서 신뢰도가 90% 이하로 나왔으나, 탈선에 영향을 주는 횡압은 외측 차륜에 작용하는 횡압이므로 주행 안전성 판단에는 큰 영향을 미치지 않는다.
다음, 상기 탈선계수 해석부(54)는 윤중/횡압 해석부(52)에서 윤중환산식 및 횡압환산식에 의해 각각 구해진 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는 역할을 하는 것으로, 탈선계수는 전술한 바와 같이 윤중(P)과 횡압(Q)의 비, 즉 횡압/윤중(Q/P)로 정의되므로 간단히 구할 수 있게 된다.
상기 표1 및 표2에 나타낸 데이터를 바탕으로 하여 탈선계수 해석부(54)에서 계산된 탈선계수와, 실측된 윤중 및 환산에 의해 구해진 탈선계수(곡선구간의 외측 차륜에 작용하는 탈선계수)를 비교하여 아래 표3에 나타내보면 다음과 같다.
Figure 112008042210360-pat00033
상기 표3에서 보듯이, 모든 구간에서 탈선계수의 신뢰도가 95%를 넘는 것으로 나타나고 있으므로, 전술한 윤중환산식과 횡압환산식에 의해 구해진 윤중 및 횡압을 이용하여 구한 탈선계수의 신뢰성을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 방법으로 정확한 탈선계수를 구할 수 있는 것이다.
다음, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치를 이용하여 탈선계수를 측정하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탈선계수 측정방법은 윤중과 횡압의 비를 탈선계수로 판정하는 기본 틀은 유지하면서, 윤중과 횡압을 보다 간단한 구성으로 용이하게 측정할 수 있도록 한 것으로, 윤중과 횡압에 관련된 물리적인 량인 변위와 진동들을 여러 채널 측정하여 상관관계를 검토 분석함으로써 진동과 변위들이 윤중과 횡압에 기여하는 정도를 파악하고 종래의 차륜에 스트레인게이지를 부착하여 실제로 측정하는 방법을 통해 얻어진 실제 윤중 및 횡압과의 비교를 통해 진동과 변위의 거동만으로 탈선 가능성을 예측할 수 있는 탈선계수를 측정할 수 있도록 한 것이다.
상기와 같은 비교를 통해 살펴본 결과, 상하방향, 즉 수직방향 신호성분들에 의해 영향을 받는 윤중은 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위와 상관관계가 있고, 좌우방향 신호성분들에 의해 영향을 받는 횡압은 차체(10) 좌우진동가속도의 정상횡가속도와 상관관계가 있었다.
따라서, 철도차량의 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직 변위와, 철도차량 차체(10)의 정상횡가속도를 측정하고, 이를 이용하여 간단히 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 윤중과 횡압을 구함으로써 탈선계수를 구할 수 있는 것이다.
상기와 같이 탈선계수를 구하는 과정을 보다 상세히 설명하면, 우선, 주행중인 철도차량의 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위를 측정하게 되는데, 이는 철도차량의 축상(14)과 대차(12) 사이에 설치되는 변위측정센서(20)에 의해 이루어진다.
다음, 주행중인 차체(10)의 정상횡가속도를 측정하는데, 상기 정상횡가속도는 철도차량 차체(10)의 중앙 바닥면에 설치되는 진동가속도계(30)에 의해 측정된다.
그 후, 측정된 주행중인 철도차량에 작용하는 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위와 차체(10)의 정상횡가속도를 이용하여 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 윤중과 횡압을 구하게 되는데, 상기 윤중과 횡압은 각각 변위측정센서(20)에서 측정된 축상(14)과 대차(12) 사이의 수직변위를 이용한 윤중환산식과 진동가속도계(30)에서 측정된 차체(10)의 정상횡가속도를 이용한 횡압환산식에 의해 계산되어 진다.
이때, 상기 윤중환산식과 횡압환산식은 전술한 바와 동일하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
다음, 윤중환산식과 횡압환산식에 의해 구해진 주행중인 철도차량의 차륜(16)에 작용하는 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는데, 이때, 탈선계수는 윤중과 횡압의 비로 정의되므로 횡압을 윤중으로 나누어 간단하게 구할 수 있는 것이다.
따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 의하면 차량에서 변위와 진동가속도를 측정, 윤중과 횡압으로 환산하여 탈선계수를 판정할 수 있으므로 변위와 진동가속도의 측정만으로 차량의 주행안정도를 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 탈선계수의 실시간 측정이 가능하므로 차량의 주행안정성을 상시 모니터링하여 확인할 수 있는 등의 장점이 있는 것이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 철도차량의 축상과 대차사이의 수직변위를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 윤중을 구하고, 차체 정상횡가속도를 측정함으로써 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡압을 구하여 탈선계수를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 윤중과 수직변위의 관계 특성, 횡압과 차체 정상횡가속도의 관계 특성을 이용하여 차량의 축상과 대차 사이의 수직변위 및 차체의 정상횡가속도의 측정만으로도 윤중과 횡압을 구하여 탈선계수를 구할 수 있는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 탈선계수를 측정하는 방법 중 간헐법을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 탈선계수를 측정하는 방법 중 연속법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 흐름도를 나타낸 도면.
도 5는 실제 윤중과 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 윤중데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면.
도 6은 실제 횡압과 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 횡압데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면.
도 7은 실제 탈선계수와 본 발명에 따른 탈선계수 측정장치에 의해 변환된 탈선계수 데이터를 비교한 그래프를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 차체 12 : 대차
14 : 축상 16 : 차륜
20 : 변위측정센서 30 : 진동가속도계
40 : 입력신호 데이터처리부 50 : 데이터 해석부
52 : 윤중/횡압 해석부 54 : 탈선계수 해석부
60 : 출력장치

Claims (9)

  1. 철도차량의 축상과 대차사이의 수직 변위를 측정하기 위한 변위측정센서와,
    철도차량 차체의 정상횡가속도를 측정하기 위한 진동가속도계와,
    상기 변위측정센서와 진동가속도계에서 측정된 신호를 입력받아 처리하는 입력신호 데이터처리부와,
    상기 입력신호 데이터처리부에서 처리된 데이터를 해석하는 데이터 해석부 로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 해석부에서 해석된 데이터를 출력하는 출력장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 해석부는,
    입력신호 데이터처리부를 통해 처리된 데이터를 이용하여 철도차량의 차륜에 작용하는 윤중 및 횡압을 구하는 윤중/횡압 해석부와,
    상기 윤중/횡압 해석부에서 구해진 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는 탈선계수 해석부로 구성된 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 윤중/횡압 해석부에서 차륜에 작용하는 윤중을 구하는 식은,
    Figure 112008042210360-pat00034
    ,
    Figure 112008042210360-pat00035
    인 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치.
    (이때,
    Figure 112008042210360-pat00036
    : 좌측 차륜에 작용하는 윤중,
    Figure 112008042210360-pat00037
    : 우측 차륜에 작용하는 윤중,
    Figure 112008042210360-pat00038
    : 축스프링 강성,
    Figure 112008042210360-pat00039
    : 축상과 대차간 수직변위,
    Figure 112008042210360-pat00040
    : 정적상태에서 좌측 차륜에 작용하는 하중,
    Figure 112008042210360-pat00041
    : 정적상태에서 우측 차륜에 작용하는 하중.)
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 윤중/횡압 해석부에서 차륜에 작용하는 횡압을 구하는 식은,
    Figure 112008042210360-pat00042
    , 인 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정장치.
    (이때,
    Figure 112008042210360-pat00044
    : 좌측 차륜에 작용하는 횡압,
    Figure 112008042210360-pat00045
    : 우측 차륜에 작용하는 횡압,
    Figure 112008042210360-pat00046
    : 좌측 차륜에 걸리는 차량하중,
    Figure 112008042210360-pat00047
    : 우측 차륜에 걸리는 차량하중,
    Figure 112008042210360-pat00048
    : 측정된 정상횡가속도,
    Figure 112008042210360-pat00049
    : 곡선부를 통과할 때 정상횡가속도의 보정계수,
    Figure 112008042210360-pat00050
    .)
  6. 철도차량의 탈선계수를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    철도차량의 축상과 대차사이의 수직 변위와, 철도차량 차체의 정상횡가속도를 이용하여 탈선계수를 측정하는 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탈선계수는,
    철도차량의 축상과 대차 사이의 수직 변위를 측정하는 단계와,
    철도차량 차체의 정상횡가속도를 측정하는 단계와,
    측정된 수직 변위와 정상횡가속도를 이용하여 철도차량의 차륜에 작용하는 윤중 및 횡압을 구하는 단계와,
    상기 윤중 및 횡압을 이용하여 탈선계수를 구하는 단계에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 윤중 및 횡압을 구하는 단계에서 윤중을 구하기 위한 윤중환산식은,
    Figure 112009077676411-pat00051
    ,
    Figure 112009077676411-pat00052
    인 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정방법.
    (이때,
    Figure 112009077676411-pat00053
    : 좌측 차륜에 작용하는 윤중,
    Figure 112009077676411-pat00054
    : 우측 차륜에 작용하는 윤중,
    Figure 112009077676411-pat00055
    : 축스프링 강성,
    Figure 112009077676411-pat00056
    : 축상과 대차간 수직변위,
    Figure 112009077676411-pat00057
    : 정적상태에서 좌측 차륜에 작용하는 하중,
    Figure 112009077676411-pat00058
    : 정적상태에서 우측 차륜에 작용하는 하중.)
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 윤중 및 횡압을 구하는 단계에서 횡압을 구하기 위한 횡압환산식은,
    Figure 112009077676411-pat00059
    ,
    Figure 112009077676411-pat00060
    인 것을 특징으로 하는 수직변위와 정상횡가속도를 이용한 탈선계수 측정방법.
    (이때,
    Figure 112009077676411-pat00061
    : 좌측 차륜에 작용하는 횡압,
    Figure 112009077676411-pat00062
    : 우측 차륜에 작용하는 횡압,
    Figure 112009077676411-pat00063
    : 좌측 차륜에 걸리는 차량하중,
    Figure 112009077676411-pat00064
    : 우측 차륜에 걸리는 차량하중,
    Figure 112009077676411-pat00065
    : 측정된 정상횡가속도,
    Figure 112009077676411-pat00066
    : 곡선부를 통과할 때 정상횡가속도의 보정계수,
    Figure 112009077676411-pat00067
    .)
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