KR101141118B1 - 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대차(bogie)를 장착한 상태에서 차체 하중도 다양하게 변경하면서 열차의 안전운행에 영향을 줄 수 있는 레일면의 상태, 차륜과 레일의 형상, 캔트(cant), 곡선반경 및 열차의 곡선 통과속도 등에 변화를 주면서 선로를 주행하는 열차의 주행안전성과 탈선 또는 전복위험도 등을 측정하고 평가하여 안전운행을 확보할 수 있는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터는, 각도 조절이 가능한 메인플레이트(main plate)가 상부에 구비되어 설치된 베이스프레임(base frame); 상기 메인플레이트 상부에 고정 설치되고, 휠 형상의 레일이 구비된 4개의 레일모듈(rail module); 상기 레일모듈의 레일을 구동시키기 위한 동력을 발생하는 구동모터; 상기 구동모터에서 발생한 동력을 상기 각 레일모듈의 레일에 전달하는 구동모듈(driving module); 상기 레일모듈 위에 설치되는 대차(bogie)를 포함하여 구성되는 것을 구성적 특징으로 한다.

Description

철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터{Small scaled derailment simulator}

본 발명은 철도 차량의 탈선 시뮬레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대차를 장착한 상태에서 차체 하중을 다양하게 변경할 뿐만 아니라 레일면의 상태, 캔트, 곡선반경 및 열차의 곡선을 통과하는 속도 등에 변화를 주면서 선로를 주행하는 열차의 주행안전성, 탈선 또는 전복위험도를 측정하고 평가하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터에 관한 것이다.

철도는 다른 교통수단에 비해 안전성이 뛰어나고 대량운송이 가능하며 환경친화적이다. 이러한 철도는 정해진 선로 위를 규정속도로 주행하기 때문에 매우 안전하다고 인식되고 있으나, 안전성에 관한 문제는 어느 교통수단을 막론하고 가장 기본이 되는 사항인데, 철도는 일단 사고가 발생하면 복구에 장시간이 소요될 뿐만 아니라 대형사고의 개연성이 높기 때문에 철도차량 운용에 사용되는 장비는 다양한 조건하에서 많은 시험을 거쳐 채택하게 되며, 이때 실제상황과 동일 유사한 조건하에서 시험해야 하지만 실제 그와 같은 조건을 갖추고 수많은 시험을 한다는 것은 거의 불가능한 일이라고 하겠다.

따라서 실제 상황에서 시험을 하지 않고, 동일 유사한 상황을 전개하여 시험하는 시뮬레이션 테스트를 하게 되는데, 일반적으로 시뮬레이션(simulation)이란, 실물을 사용한 시험을 하지 않더라도 모식화한 시스템이나 현상을 컴퓨터 등을 이용해 실제상황을 재연하는 것을 말하고, 이와 같은 시뮬레이션을 통해서 이론적인 해명을 할 수 있으며, 이러한 시뮬레이션을 수행하는 수단이나 프로그램을 시뮬레이터(simulator)라고 한다. 특히 철도 차량이나 항공기와 같은 경우에는 실물을 사용한 시험이 어렵기 때문에 시뮬레이션이 중요한데, 항공기의 경우에는 많은 상황을 재연할 수 있는 시뮬레이터가 다수 출현하여 사용되고 있으나, 지금까지 철도와 같은 궤도차량을 위한 시뮬레이터는 제시된 바가 없어서 시뮬레이터를 통한 정밀한 분석을 할 수 없었다.

철도 차량이 곡선을 주행할 때 열차의 주행안전성, 탈선 또는 전복에 영향을 주는 인자를 살펴 보면, 차체의 자중에 의한 원심력, 차체와 대차 간의 작용력, 대차와 차륜 간의 작용력, 레일면의 상태, 차륜과 레일의 형상, 캔트, 곡선반경과 열차의 곡선 통과속도 등 많은 인자가 서로 종속적인 변수로 작용하기 때문에 이를 예측하고 검증하기 위해서는 각 변수를 현실적으로 구현 가능한 장비가 출현하여, 이를 통한 열차의 주행안전도, 탈선 및 전복 위험도를 측정하고 평가할 수 있는 시뮬레이터의 출현이 절실히 요구된다고 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 대차(bogie)를 장착한 상태에서 차체 하중을 다양하게 변경하면서 열차의 안전운행에 영향을 줄 수 있는 레일면의 상태, 차륜과 레일의 형상, 캔트(cant), 곡선반경 및 열차의 곡선 통과속도 등에 변화를 주면서 선로를 주행하는 열차의 주행안전성과 탈선 또는 전복위험도 등을 측정하고 평가하여 안전운행을 확보할 수 있는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 문제 해결을 위하여 본 발명에 따른 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터는, 각도 조절이 가능한 메인플레이트(main plate)가 상부에 구비되어 설치된 베이스프레임(base frame); 상기 메인플레이트 상부에 고정 설치되고, 휠 형상의 레일이 구비된 4개의 레일모듈(rail module); 상기 레일모듈의 레일을 구동시키기 위한 동력을 발생하는 구동모터; 상기 구동모터에서 발생한 동력을 상기 각 레일모듈의 레일에 전달하는 구동모듈(driving module); 상기 레일모듈 위에 설치되는 대차(bogie)를 포함하여 구성되는 것을 구성적 특징으로 한다.

바람직하게는, 레일모듈은, 메인플레이트 상부에 고정되고, 폭방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 조절플레이트(adjust plate); 일정 간격을 갖고 조절플레이트에 수직으로 고정 설치되는 2개의 필로우블럭(pillow block); 각 필로우블럭 상단에 설치되는 베어링; 베어링에 지지되어 회전하는 연결축; 필로우블럭 사이에 설치되고, 중심에 상기 연결축이 관통되어 회전 가능한 휠 형상의 레일을 구비하여 구성된다.

바람직하게는, 구동모듈은, 구동모터의 회전축에 2개가 설치되며, 각각 2개씩의 벨트가 걸릴 수 있는 제1풀리(pulley); 각 연결축의 단부(端部)에 설치되는 제2풀리; 상기 제1풀리와 제2풀리 사이에 체결되는 체인벨트을 구비하여 구성된다.

바람직하게는, 대차는, 프레임과, 각각 2개의 휠(wheel)을 연결한 2개의 차축을 구비하고 있으며, 프레임 상부에 웨이트(weight)을 얹어서 중량을 조절하도록 구성된다.

상기와 같은 구성적 특징을 갖는 본 발명에 따른 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터는, 시뮬레이터 상부에 대차를 장착하고 차체 하중을 다양하게 변경하면서 실제상황과 같은 상태에서 운행하여 열차의 안전운행에 영향을 줄 수 있는 변수인 레일면의 상태, 차륜과 레일의 형상, 캔트, 곡선반경 및 열차의 곡선 통과속도 등을 변화시켜 차체의 자중에 의한 원심력이나 차체와 대차 간의 작용력 또는 대차와 차륜 간의 작용력 등을 측정하고 평가함으로써, 열차의 탈선 또는 전복위험도 등 열차의 주행 안전성를 측정하고 평가하여 안전운행을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시뮬레이터의 구동부를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시뮬레이터의 레일모듈 및 리니어액츄에이터를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 시뮬레이터에 얹혀지는 대차를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 시뮬레이터에 안전프레임과 전동윈치를 설치한 사시도이다.

본 발명에 따른 철도 차량의 시뮬레이터는, 기본적으로 베이스프레임(10), 레일모듈(20), 구동모터(30), 구동모듈(40), 대차(50) 및 전체를 제어하기 위한 제어부(60)를 구비하여 구성되는데, 실제에서와 같이 레일은 고정되어 있고 레일 위를 달리는 열차의 차륜이 회전하는 것이 아니라 레일(25) 상부에 얹어진 휠(52)은 그대로 있으면서 시뮬레이터의 레일모듈에 구비된 휠 형상의 레일(25)을 회전시키면서, 열차의 안전운행에 영향을 줄 수 있는 레일면의 상태, 차륜과 레일의 형상, 캔트, 곡선반경 및 열차의 곡선 통과속도 등에 변화를 주면서 시험을 한다.

베이스프레임(base frame, 10)은 그 상부에 시뮬레이터의 모든 구성요소를 설치하기 위한 프레임으로, 상부에 설치되는 판상(板狀) 부재인 메인플레이트(main plate, 11)는 경사를 조절할 수 있는 구성인데, 후술하는 리니어액츄에이터(16) 하부에 유압잭(hydraulic jack, 미도시)을 넣고 유압잭을 작동시켜 메인플레이트(11)의 일단부에 고정 설치된 리니어액츄에이터(16)를 들어올려서 메인플레이트(11)의 경사 각도를 조절할 수 있다.

레일모듈(rail module, 20)은 메인플레이트(11)의 상부에 고정 설치되어 레일 역할을 하게 되는데, 메인플레이트(11) 상부에 고정되어 폭방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 조절플레이트(adjust plate, 21)와, 일정 간격을 갖고 상기 조절플레이트(21)에 수직으로 고정 설치되는 2개의 필로우블럭(pillow block, 22)과, 상기 각 필로우블럭(22) 상단에 설치되는 베어링(23)과, 상기 베어링(23)에 지지되어 회전하는 연결축(24)과, 상기 필로우블럭(22) 사이에 설치되며 중심에 상기 연결축(24)이 관통되어 회전 가능한 휠 형상의 레일(25)을 기본적으로 구비하게 된다. 본 발명의 시뮬레이터는 이와 같은 레일모듈(20) 4개를 하나의 세트로 구비하게 된다. 첨부한 도면에서는 레일모듈 4개를 하나의 세트로 구비한 실시예만 도시하였으나, 휠 형상의 레일 2개를 하나의 연결축으로 연결하면 레일모듈 2개가 하나의 세트를 이루게 할 수도 있을 것이다.

구동모듈(driving module, 40)은 구동모터(30)에서 발생한 동력을 각 레일모듈의 레일(25)에 전달하여 레일을 회전시키는 구성인데, 구동모터의 회전축(31)에 일정 간격을 두고 2개가 설치되어 각각 2개씩의 벨트가 걸릴 수 있는 제1풀리(pulley, 41)와, 각 연결축(24)의 단부(端部)에 설치되는 제2풀리(42)와, 제1풀리(41)와 제2풀리(42) 사이에 체결되는 체인벨트(43)를 기본적으로 구비하게 된다. 상기 실시예는 회전축(31)에 직접 제1풀리(41)를 체결한 구성이지만, 구동모터(30)와 제1풀리(41) 사이의 회전축(31)에 커플링(coupling, 44)을 설치하고 커플링(44)의 일측에는 로크너트(45)를 체결하여 로크너트(45)에 제1풀리(41)를 체결할 수도 있다(도 2 참조).

대차(bogie, 50)는 레일모듈(20) 위에 얹혀져서 설치되는 구성인데, 프레임(51)과, 각각 2개의 휠(wheel, 52)을 연결한 2개의 차축(53)을 구비하고 있으며, 프레임(51) 상부에 차체의 중량에 해당하는 웨이트(weight, 54)을 얹어서 열차의 중량을 조절하면서 시험할 수 있도록 한다.

베이스프레임(10)의 상부에는 안전프레임(safety frame, 12)을 고정 설치하고, 안전프레임(12) 상단에는 대차(50)를 들어올릴 수 있는 전동윈치(winch, 14)를 설치하여, 시험하는 도중 위험 상황이 발생할 경우에 즉시 전동윈치(14)를 작동시켜 대차(50)를 들어올림으로써 안전사고를 예방할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 미설명부호 13은 안전프레임(12)의 측면에는 열고 닫을 수 있는 도어(door)인데, 이와 같은 도어를 설치하여 시험을 할 때 도어를 닫아 안전사고에 대비할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

구동모터(30)는 레일모듈의 레일(25)을 구동시켜 회전시키기 위한 동력을 발생하는 구성이며, 도시하지는 않았지만 각종 조건을 주면서 본 시뮬레이터를 조건에 맞게 작동하도록 자동으로 제어하는 제어부가 구비된다.

메인플레이트(11)의 일측단에는 레일모듈(20)을 폭방향으로 움직여 주기 위한 유압으로 작동하는 리니어액츄에이터(linear actuator, 16)와, 메인플레이트(11)가 움직일 때 슬라이딩을 안내하기 위한 LM가이드(Linear Motion guide, 17)를 구비함으로써, 실제상황에서 레일이 뒤틀리는 경우와 같은 시험을 할 수 있게 된다. 리니어액츄에이터(16)와 LM가이드(17)는 열차의 진행방향으로 보았을 때 앞뒤로 각각 설치되어, 이들이 각각 독립적으로 작동하도록 구성된다.

본 시뮬레이터의 레일에 캔트를 주기 위하여 리니어액츄에이터(16)의 하부에 유압잭을 넣고 유압잭을 작동시켜 메인플레이트(11)의 일측을 들어올리고, 메인플레이트(11)의 일측이 들어올려져 경사지게 되었을 때, 메인플레이트(11)를 고정시킬 수 있는 고정부재(15)를 메인플레이트(11)의 일측단에 고정 설치하여, 고정부재(15)와 메인플레이트(11)를 볼트로 고정시키게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

10 : 베이스프레임 11 : 메인플레이트
12 : 안전프레임 13 : 도어(door)
14 : 전동윈치(winch) 15 : 고정부재
16 : 리니어액츄에이터(linear actuator)
17 : LM가이드(LM guide)
20 : 레일모듈(rail module) 21 : 조절플레이트
22 : 필로우블럭(pillow block) 23 : 베어링
24 : 연결축 25 : 레일
30 : 구동모터 31 : 회전축
40 : 구동모듈(driving module) 41 : 제1풀리(pulley)
42 : 제2풀리 43 : 체인벨트
44 : 커플링(coupling) 45 : 로크너트(lock nut)
50 : 대차(bogie) 51 : 프레임
52 : 휠(wheel) 53 : 차축
54 : 웨이트(weight)

Claims (10)

1. 각도 조절이 가능한 메인플레이트(main plate)가 상부에 구비되어 설치된 베이스프레임(base frame);
   상기 메인플레이트 상부에 고정 설치되고, 휠 형상의 레일이 구비된 4개의 레일모듈(rail module);
   상기 레일모듈의 레일을 구동시키기 위한 동력을 발생하는 구동모터;
   상기 구동모터에서 발생한 동력을 상기 각 레일모듈의 레일에 전달하는 구동모듈(driving module);
   상기 레일모듈 위에 설치되는 대차(bogie);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 각 레일모듈은,
   상기 메인플레이트 상부에 고정되고, 폭방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 조절플레이트(adjust plate);
   일정 간격을 갖고 상기 조절플레이트에 수직으로 고정 설치되는 2개의 필로우블럭(pillow block);
   상기 각 필로우블럭 상단에 설치되는 베어링;
   상기 베어링에 지지되어 회전하는 연결축;
   상기 필로우블럭 사이에 설치되고, 중심에 상기 연결축이 관통되어 회전 가능한 휠 형상의 레일;
   을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 구동모듈은,
   구동모터의 회전축에 2개가 설치되며, 각각 2개씩의 벨트가 걸릴 수 있는 제1풀리(pulley);
   상기 각 연결축의 단부(端部)에 설치되는 제2풀리;
   상기 제1풀리와 제2풀리 사이에 체결되는 체인벨트;
   를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 회전축에는, 구동모터와 제1풀리 사이에 커플링(coupling)을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 대차는, 프레임과, 각각 2개의 휠(wheel)을 연결한 2개의 차축을 구비하고 있으며, 상기 프레임 상부에 웨이트(weight)을 얹어서 중량을 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 베이스프레임의 상부에는 안전프레임(safety frame)이 고정 설치되고, 상기 안전프레임 상단에는 상기 대차를 들어올릴 수 있는 전동윈치(winch)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 안전프레임의 측면에는 열고 닫을 수 있는 도어(door)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 베이스프레임의 일측 변에는, 상기 메인플레이트의 일측을 들어올려 경사지게 되었을 때, 그 경사에서 메인플레이트를 고정시킬 수 있는 고정부재가 더 부착 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 메인플레이트의 일측단에는 상기 레일모듈을 폭방향으로 움직여 주기 위한 리니어액츄에이터(linear actuator)와 LM가이드(LM guide)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 리니어액츄에이터와 LM가이드는 2개씩 설치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 소형 탈선 시뮬레이터.

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