KR101205966B1 - 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템에 관한 것으로; 철도차량용 차륜 시험편을 이송하는 이송지그와, 상기 철도차량용 차륜 시험편의 답면에 집중유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서와, 상기 손상검지용 센서에서 검출된 전위차 정보를 이용해 차륜 시험편의 답면 피로손상 영상을 검출하는 데이터분석수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량의 차륜답면에 발생하는 피로손상을 유도전류 전위차법을 이용하여 접촉식으로 정밀하게 검출 및 평가할 수 있다. 특히, 본 발명은 철도차량 차륜 시험을 위한 시험편의 피로손상정도를 정밀하게 파악할 수 있어 실제 차륜의 생산 및 적용시에 신뢰성을 갖는 자료로 활용할 수 있는 장점도 있다.

Description

철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템 {detecting system of wheel fatigue damage for railway vehicle }

본 발명은 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 차륜답면에 발생하는 피로손상을 유도전류 전위차법을 이용하여 접촉식으로 검출 및 평가할 수 있는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량을 구성하는 차륜(車輪)은 철도차량의 운행시 안전에 가장 중요한 부품으로 레일과의 연속적인 접촉하중을 받게 된다.

따라서, 연속적이고도 지속적인 접촉하중에 의한 차륜 답면의 손상은 운행 중의 충격하중을 발생시켜서 차륜이 설치되는 대차부품에 영향을 미치게 되며, 이는 차륜의 파손 및 탈선을 유발시켜 대형 인명피해를 일으킨다.

이와 같이 차륜에 발생하는 손상요인은 차륜과 레일의 접촉하중과 곡선부 주행시 횡하중에 의한 피로균열, 제동열에 의한 열크랙, 제동시 찰상, 이상 마모 등이 있으며, 이 중 차륜의 답면에 발생하는 균열이 가장 치명적일 수 있다.

따라서, 철도차량의 안전한 운행을 위하여는 차륜의 답면에 발생하는 균열을 감지하고 이에 대하여 유지 보수차원에서 차륜의 삭정 혹은 폐기 등의 조치를 취하여야 하는 이유로 차륜의 답면에 발생한 균열을 감지할 수 있는 장치가 필요한 실정이다.

물론, 이와 같은 점에 착안하여 본 출원인은 공개특허공보 제10-2009-0042621호에 기재된 기술을 제시한 바 있다. 이는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템에 관한 것으로, 철도차량의 차륜 주변의 자장(磁場) 정보를 획득하는 자장측정수단과, 상기 자장측정수단에서 획득된 자장 정보를 이용하여 차륜의 결함유무를 자기영상으로 독출하는 데이터수집수단으로 구성되어 비접촉방식으로 철도차량의 차륜 답면의 이상 유무를 모니터링 한다.

그런데, 상기 비접촉 자화 방식의 경우 자장정보의 충분한 획득이 좀더 정확한 차륜 답면에 대한 피로손상 정보를 추출하는 것이 어려워 차륜 개발단계에서 차륜 시험편에 대한 피로손상의 검출에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량의 차륜답면에 발생하는 피로손상을 유도전류 전위차법을 이용하여 접촉식으로 검출 및 평가할 수 있는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템을 제공하는데 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

철도차량용 차륜 시험편을 이송하는 이송지그와, 상기 철도차량용 차륜 시험편의 답면에 집중유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서와, 상기 손상검지용 센서에서 검출된 전위차 정보를 이용해 차륜 시험편의 답면 피로손상 영상을 검출하는 데이터분석수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템을 제공한다.

이때, 상기 이송지그는 베이스부재의 상측에 구비되어 좌우이송수단에 의해 좌우측으로 이동가능하게 구비되며, 그 상측에는 차륜 시험편이 안착되는 고정홀더가 구비되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 좌우이송수단은 베이스부재에 고정되며 피니언이 회전축에 구비되는 모터와, 상기 이송지그에 구비되어 상기 피니언에 치합되는 피니언으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 모터는 데이터분석수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스부재의 일측에는 상기 손상검지용 센서를 상하 이동시켜 이송지그의 고정홀더에 안착된 차륜 시험편의 답면에 접촉시키기 위한 수직이송수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 수직이송수단은 피스톤의 단부에 상기 손상검지용 센서가 일체로 구비되는 공압실린더인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 수직이송수단은 데이터분석수단에 의해 제어되어 상기 손상검지용 센서를 상하로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 손상검지용 센서는 접촉면이 차륜 시험편의 답면에 밀착되도록 곡선형상으로 형성되는 하우징의 내부에 일정간격으로 구비되는 2개의 탐촉자 단자와, 교류전류를 투입하기 위한 유도선이 내장되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 데이터분석수단은 스위치 등의 각종 입력을 위한 조작부와, 상기 조작부로부터 조작신호가 입력되면 상기 손상검지용 센서를 통해 검출된 피로손상 정보를 분석하는 제어부와, 설정 데이터가 저장되어 있는 메모리부와, 상기 제어부에서 분석된 차륜 시험편의 답면 피로손상 정보를 표시하는 디스플레이부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 철도차량의 차륜답면에 발생하는 피로손상을 유도전류 전위차법을 이용하여 접촉식으로 정밀하게 검출 및 평가할 수 있다.

특히, 본 발명은 철도차량 차륜 시험을 위한 시험편의 피로손상정도를 정밀하게 파악할 수 있어 실제 차륜의 생산 및 적용시에 신뢰성을 갖는 자료로 활용할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 설치 구성도이다.
도 4는 본 발명의 이송지그의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 일측 단면도이다.
도 5는 본 발명의 손상검지용 센서를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 상세 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 설치 구성도이고, 도 4는 본 발명의 이송지그의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 일측 단면도이고, 도 5는 본 발명의 손상검지용 센서를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 5에 의하면, 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템은 차륜답면에 유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서(100)를 이용하여 차륜 답면(12)의 이상 유무를 감지하게 된다.

이와 같은 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템은 차륜과 동일한 형상으로 이루어지는 차륜 시험편(10)을 이용하여 그 차륜 시험편(10)의 답면(12)의 피로손상을 검출한다.

이때, 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템은 접촉방식인 유도전류 전위차법을 이용하기 위해 레일(20) 상면에 위치하는 차륜 시험편(10)의 답면(12)을 향해 유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서(100)를 구비하여 차륜 시험편(10) 답면(12)의 피로손상 상태를 검출한다.

유도전류 전위차법은 하나의 유도선(102)에 교류전류를 공급하면 유도선(102)의 주위에는 전류방향에 직각으로 자계(磁界)가 생기는 원리를 이용하는 것으로, 유도선(102)의 주위에 생기는 자계는 전류의 주파수와 동일하게 시간에 따라 변화하여 측정대상인 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 유도전류를 유도하고 기전력(EMF; electromotive force)을 발생시키게 되는데, 유도전류는 유도선(102)의 바로 밑에 다른 영역보다 큰 값으로 집중하여 흐른다.

이와 같이 유도되는 유도전류는 공급전원과 반대방향으로 흐르지만 공급전원과 동일한 표피효과(skin effect)를 갖는다. 이와 같이 집중된 유도전류는 차륜 시험편(10)의 답면(12)을 따라서 흐르며, 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 피로 손상에 따른 변화는 전류를 측정단자로 하여 전위차를 측정함으로써 차륜 답면(12)의 피로손상에 대한 정보를 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템은 철도차량용 차륜 시험편(10)을 이송하는 이송지그(110)와, 상기 철도차량용 차륜 시험편(10)의 답면(12)의 집중유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서(100)와, 상기 손상검지용 센서(100)에서 검출된 전위차 정보를 이용해 차륜 시험편(10)의 답면(12) 피로손상 영상을 독출하는 데이터분석수단(200)으로 구성된다.

이때, 상기 차륜 시험편(10)과 손상검지용 센서(100)의 접촉압력을 일정하게 유지함이 바람직하다.

또한, 차륜 시험편(10)과 손상검지용 센서(100)의 관계가 상하좌우로 상대적인 이동이 가능하게 이송지그(110)가 설치되며, 이와 같은 이송지그(110)는 데이터분석수단(200)의 자동 제어를 통한 위치제어를 함이 바람직하다.

그리고, 상기 손상검지용 센서(100)가 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 존재하는 결함을 정도 높게 검지하기 위하여 접촉압력을 일정하게 유지시킬 수 있도록 접촉압력의 조절은 수동 및 자동으로 제어함이 바람직하다.

이하 본 발명을 구성하는 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.

철도차량용 차륜 시험편(10)을 이송하는 이송지그(110)는 베이스부재(120)에 구비되어 좌우이송수단(130)에 의해 좌우측으로 이동가능하게 구비되며, 그 상측에는 차륜 시험편(10)이 안착되는 고정홀더(112)가 구비된다.

이와 같은 이송지그(110)는 데이터분석수단(200)을 통한 좌우이송수단(130)의 제어에 따라 좌우로 이동되는 것으로, 이와 같은 이송지그(110)의 이동으로 차륜 시험편(10)의 답면(12)의 피로손상 여부를 면밀히 검출할 수 있다.

이때, 상기 좌우이송수단(130)은 베이스부재(120)에 고정되며 피니언(132)이 회전축에 구비되는 모터(134)와, 상기 이송지그(110)에 구비되어 상기 피니언(132)에 치합되는 랙(136)으로 이루어진다. 따라서 상기 이송지그(110)는 모터(134)의 구동으로 베이스부재(120)의 상측에서 좌우 양측으로 직선왕복 운동할 수 있다.

이때, 상기 모터(134)는 정밀한 위치제어가 가능하도록 엔코더가 구비되는 통상의 서보모터를 사용함으로써, 데이터분석수단(200)으로부터 제어신호를 인가받고 회전하는 회전축의 회전량을 엔코더에서 감지하여 이를 상기 데이터분석수단(200)으로 전송해주게 되어 피로손상 위치를 명확히 감지하게 된다. 물론, 상기 이송지그(110)를 이송하는 좌우이송수단(130)은 모터 방식이 아닌 유압 또는 공압을 선택적으로 이용하여 제어함도 가능하다.

한편, 상기 손상검지용 센서(100)는 접촉면(101a)이 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 밀착되도록 곡선형상으로 형성되는 하우징의 내부에 탐상정도를 높이기 위하여 2개의 탐촉자 단자(103,104)간의 간격을 5mm로 하고, 유도선(102)의 길이는 40mm로 한 것을 사용한다.

이때, 일 예로 상기 유도선(102)에 교류전류를 투입하면 탐촉자 단자(103,104)의 간격이 5mm인 경우 차륜 시험편(10)의 답면(12) 피로손상은 표면 손상깊이 2.0mm까지 결함검출이 가능하다.

그리고, 상기 베이스부재(120)의 일측에는 상기 손상검지용 센서(100)를 상하 이동시켜 이송지그(110)의 고정홀더(112)에 안착된 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 접촉시키기 위한 수직이송수단(140)이 구비된다.

이때, 상기 수직이송수단(140)은 피스톤(142a)의 단부에 상기 손상검지용 센서(100)가 일체로 구비되는 공압 실린더(142)로 구성된다. 따라서, 공기압을 조절해서 상기 손상검지용 센서(100)의 위치를 조정할 수 있으며, 상기 수직이송수단(140)은 데이터분석수단(200)의 제어에 따라 제어되어 상기 손상검지용 센서(100)를 상하로 이동시키게 된다. 물론, 상기 수직이송수단(140)은 공압이외에도 유압 또는 모터를 선택적으로 이용하여 제어함도 가능하다.

그리고, 상기 데이터분석수단(200)은 전원부(202)의 전원공급을 통해 구동되는 것으로, 스위치 등의 각종 입력을 위한 조작부(204)로부터 조작신호가 입력되면 초기화되어 시스템의 제어 및 감시를 수행하는 제어부(206)와, 설정 데이터가 저장되어 있는 메모리부(208)가 구비되어, 상기 손상검지용 센서(100)를 통해 검출된 차륜 시험편(10)의 답면(12)의 피로손상 정보를 분석한다. 이와 같은 차륜 시험편(10)의 답면(12) 피로손상 정보는 LCD 등의 디스플레이부(210)를 통해 표시된다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참고로 본 발명에 따른 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템의 작동 예를 상세히 설명한다.

철도차량용 차륜 시험편(10)을 베이스부재(120)의 상측에 구비되는 이송지그(110)의 고정홀더(112)에 안착시킨다.

이와 같은 상태에서 데이터분석수단(200)의 조작부(204)를 조작하여 좌우이송수단(130)의 모터(134)를 제어하여 이송지그(110)를 좌우로 이동시킨다.

그리고, 이송지그(110)를 이동시킨 상태에서 수직이송수단(140)의 공압실린더(142)를 제어하여 피스톤(142a)을 전후진 시킴으로서 손상검지용 센서(100)를 차륜 시험편(10)의 답면(12) 방향으로 진행시켜 접촉시키게 된다.

그와 같이 손상검지용 센서(100)를 접촉시킨 상태에서 손상검지용 센서(100)의 유도선(102)에 일정 크기의 교류전류를 투입하면 차륜 시험편(10)의 답면(12)에 유도전류가 유도된다. 이와 같이 유도전류가 유도된 상태의 차륜 시험편(10)의 답면(12)에서 5mm간격으로 배치된 탐촉자 단자(103,104) 사이에서 전위차를 판별하게 되며 그 감지된 전위차는 상기 데이터분석수단(200)으로 수집되어 차륜 시험편(10) 답면(120의 피로손상 깊이를 2.0mm까지 검출이 가능하며, 이와 같이 분석된 피로손상 정보는 디스플레이부(210)로 표시된다.

이때, 접촉피로손상을 감지하는 손상검지용 센서(100)의 탐촉자 단자(103,104) 간격은 5mm로 제작하고, 유도선(102)의 길이는 40mm를 사용한 바, 구름접촉 회전수가 증가할수록 차륜의 표면에 발생하는 전위차의 변화가 각각 다르게 나타남을 알 수 있었으며 차륜 시험편(10)의 피로손상도, 즉 구름 접촉수가 증가할수록 전위차의 치수가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 유도 전위차법에 의하여 표면의 피로 손상도도 충분히 정량화될 수 있음을 의미한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

10: 차륜 시험편 100: 손상검지용 센서
102: 유도선 103,104: 탐촉자 단자
110: 이송지그 112: 고정홀더
120: 베이스부재 130: 좌우이송수단
140: 수직이송수단 200: 데이터분석수단
202: 전원부 204: 조작부
206: 제어부 208: 메모리부
210: 디스플레이부

Claims (9)

1. 철도차량용 차륜 시험편을 이송하는 이송지그와, 상기 철도차량용 차륜 시험편의 답면에 집중유도전류를 유도하여 전위차를 검지하는 손상검지용 센서와, 상기 손상검지용 센서에서 검출된 전위차 정보를 이용해 차륜 시험편의 답면 피로손상 영상을 검출하는 데이터분석수단으로 구성되되,
   상기 이송지그는 베이스부재의 상측에 구비되어 좌우이송수단에 의해 좌우측으로 이동가능하게 구비되며, 그 상측에는 차륜 시험편이 안착되는 고정홀더가 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 좌우이송수단은 베이스부재에 고정되며 피니언이 회전축에 구비되는 모터와, 상기 이송지그에 구비되어 상기 피니언에 치합되는 피니언으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 모터는 데이터분석수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 베이스부재의 일측에는 상기 손상검지용 센서를 상하 이동시켜 이송지그의 고정홀더에 안착된 차륜 시험편의 답면에 접촉시키기 위한 수직이송수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 수직이송수단은 피스톤의 단부에 상기 손상검지용 센서가 일체로 구비되는 공압실린더인 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 수직이송수단은 데이터분석수단에 의해 제어되어 상기 손상검지용 센서를 상하로 이동시키는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 손상검지용 센서는 접촉면이 차륜 시험편의 답면에 밀착되도록 곡선형상으로 형성되는 하우징의 내부에 일정간격으로 구비되는 2개의 탐촉자 단자와, 교류전류를 투입하기 위한 유도선이 내장되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 데이터분석수단은 입력을 위한 조작부와, 상기 조작부로부터 조작신호가 입력되면 상기 손상검지용 센서를 통해 검출된 피로손상 정보를 분석하는 제어부와, 설정 데이터가 저장되어 있는 메모리부와, 상기 제어부에서 분석된 차륜 시험편의 답면 피로손상 정보를 표시하는 디스플레이부로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 피로손상 검출 시스템.
   

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