KR101306311B1 - 유압식 틸팅 부하 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 틸팅열차의 틸팅장치에 인가되는 부하특성을 유압실린더를 이용하여 검증할 수 있는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템에 관한 것으로; 틸팅 대차가 틸팅각을 구현하기 위해서 필요한 동력을 유압에 의해서 제공하는 유압 실린더와, 상기 틸팅 대차의 틸팅각도 변화와 유압실린더 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하는 감지수단과, 상기 감지수단을 통해 감지되는 틸팅각도 변화를 이용해 상기 유압 실린더의 구동을 제어하고 상기 유압실린더의 구동압력을 이용해 부하특성을 분석하고 상기 유압실린더의 선형 길이 변화를 이용해 선형적인 변위량을 분석하는 감시제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유압실린더를 이용해 틸팅 대차를 구동하고 그에 따른 틸팅 대차의 틸팅각도 변화를 이용한 피드백 제어를 하고 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하고 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 상호 선형적인 상관관계 및 부하특성을 분석할 수 있는 장점이 있다.

Description

유압식 틸팅 부하 측정 시스템 { Measurement system for hydraulic tilting load }

본 발명은 유압식 틸팅 부하 측정 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 틸팅열차의 틸팅장치에 인가되는 부하특성을 유압실린더를 이용하여 검증할 수 있는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량의 곡선부 주행시에는 객실 내에 승차하고 있던 승객들이 원심력 작용에 의해 곡선부의 외측방향으로 쏠림이 발생하게 되어 이에 대한 승객의 불편함을 겪게 되는 문제점이 있는데, 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 철도차량의 곡선부 주행시 승객의 쏠림이 방지되도록 하기 위해 철도차량의 외측을 강제적으로 높여주는 틸팅구동 시스템이 개발되었고, 이러한 틸팅구동 시스템이 적용된 철도차량의 틸팅시에 부하특성을 검증하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 그 일 예로 등록특허 제10-0604421가 제시된 바 있다.

이와 같은 종래 틸팅구동 시스템은 전기식 모터의 구동에 의해서 차량의 틸팅프로세스를 달성하는 방식을 채용하고 있다.

도 1은 이와 같은 종래 틸팅구동 시스템의 일 예를 도시한 도면으로 이에 의하면 선두차와 후부차의 대차 프레임에 설치된 대차검지기(BS : Bogie Sensor)(10)는 바퀴 축 방향의 횡가속도를 측정하고, 그 측정된 횡가속도 신호는 사전틸팅제어장치(TTP : Train Tilting Processor)(20)에 의해 필터링되고 평가되며, 차체틸팅구동장치(CA : Carbody Actuator)(30)의 틸팅 명령신호로 사용된다.

그리고, 각 차체틸팅구동장치(CA)(30)는 명령된 위치로 차체를 기울이며, 실제 동작된 위치는 차체틸팅전자장치(CTE : Carbody Tilting Electronic)(40)로 전송되어 측정된 실제 위치 값과 명령된 틸팅각의 차이는 모터제어기(41)에 의해 분석되어 동적으로 보상된다.

따라서, 시스템의 시동시 차체틸팅전자장치(CTE)(40)는 차체틸팅구동장치(CA)(30) 및 판토그라프 틸팅구동장치(PA : Pantograph Actuator)(60)의 위치감지기(31)(61)의 정보를 점검하여, 위치정보를 해당 모터제어기(41)에 전송한다. 초기화 이후, 각각의 모터제어기(41)는 고유위치변환값에 따라 자체적으로 동작되며, 이 고유위치변환값은 비교 및 모니터링에 추가적으로 사용된다.

그런데, 이와 같은 전기 엑츄에이터 방식에 의한 틸팅 구동 장치는 대차검지기(BS)(10)의 입력각과 틸팅구동에 의해서 발생하는 차체의 실제 이동 위치 값의 비교에 의해서 발생된 오차 값을 전기식 모터의 구동으로 보상하는 방식을 채용하고 있어 틸팅구동시 차체의 이동에 따른 위치값만을 측정하는 것이 가능하고 차체의 이동에 따라서 발생하는 틸팅구동 장치 및 주변 장치에 미치는 부하의 영향을 측정 및 분석하기 어려운 문제점이 있다.

특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-0604421호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존의 전기식 틸팅 엑츄에이터에서 직접 측정할 수 없었던 틸팅엑츄에이터에 미치는 부하의 영향을 직접 측정할 수 있고 틸팅각의 변화에 따른 틸팅엑츄에이터의 선형적인 길이 변화의 상관관계 및 틸팅각의 변화에 따른 틸팅엑츄에이터에 미치는 부하특성을 측정 및 분석할 수 있는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

틸팅 대차가 틸팅각을 구현하기 위해서 필요한 동력을 유압에 의해서 제공하는 유압 실린더와, 상기 틸팅 대차의 틸팅각도 변화와 유압실린더 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하는 감지수단과, 상기 감지수단을 통해 감지되는 틸팅각도 변화를 이용해 상기 유압 실린더의 구동을 제어하고 상기 유압실린더의 구동압력을 이용해 부하특성을 분석하고 상기 유압실린더의 선형 길이 변화를 이용해 선형적인 변위량을 분석하는 감시제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템을 제공한다.

이때, 상기 감지수단은 틸팅 대차의 각도 변화를 측정하는 각도센서와, 유압실린더의 구동압력을 측정하는 로드셀과, 선형 길이 변화를 측정하는 변위 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 각도센서는 틸팅 대차의 틸팅각도 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 각도센서를 통해 측정되는 틸팅 대차의 틸팅각도 변화는 감시제어수단에 피드백되어 제어목표치에 해당하는 틸팅각으로 상기 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변위센서는 상기 유압실린더의 틸팅엑츄에이터에 취부되어 틸팅 대차의 틸팅각도 변화에 대한 틸팅엑츄에이터의 선형길이 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 로드셀은 틸팅엑츄에이터에 취부되어 틸팅엑츄에이터가 구동시 발생하는 압력을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감시제어수단은 상기 감지수단으로에서 입력되는 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화에 따른 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 선형적인 상관관계 및 틸팅엑츄에이터의 구동압력에 따른 부하특성을 분석하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 감시제어수단은 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화에 따른 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 선형적인 상관관계 및 틸팅엑츄에이터의 구동압력 데이터를 산업용 컴퓨터로 전송하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 감시제어수단은 마이컴으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유압실린더를 이용해 틸팅 대차를 구동하고 그에 따른 틸팅 대차의 틸팅각도 변화를 이용한 피드백 제어를 하고 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하고 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 상호 선형적인 상관관계 및 부하특성을 분석할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 전기 모터 방식 틸팅 부하 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템의 구성도이다.

본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템을 설명하기 위해 도시한 개념도 및 구성도이다.

이에 의하면 본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템은 틸팅 대차(100)가 틸팅각을 구현하기 위해서 필요한 동력을 유압에 의해서 제공하는 유압 실린더(110)와, 상기 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화와 유압실린더(110) 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하는 감지수단(120)과, 상기 감지수단(120)을 통해 감지되는 틸팅각도 변화를 이용해 상기 유압 실린더(110)의 구동을 제어하고 상기 유압실린더(110)의 구동압력을 이용해 부하특성을 분석하고 상기 유압실린더(110)의 선형 길이 변화를 이용해 선형적인 변위량을 분석하는 감시제어수단(130)으로 구성된다.

이하 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 유압 실린더(110)는 틸팅 대차(bogie frame)(100)가 틸팅각을 구현하기 위해서 필요로 하는 힘을 유압에 의해서 공급하는 기능을 하는 것으로, 틸팅각에 따른 유압력의 결정은 감시제어수단(130)에서 입력하는 원하는 틸팅각을 유압력으로 환산해서 이루어지며 환산된 유압력은 유압실린더(110)에 구비되는 모터(112)에 입력된다.

따라서, 모터(112)에 입력된 유압력을 실제로 틸팅 대차(100)에 공급하기 위해서 유압실린더(110)에 구비되는 모터(112)가 원하는 유압력에 도달할 때까지 유압실린더(110) 내부의 유체를 펌핑한다.

한편, 유압실린더(110)에는 유압력을 생성하기 위해서 공급되는 유체의 양에 따라서 압력을 측정할 수 있는 게이지가 부착되며 이는 틸팅각의 변화에 따라서 틸팅하는 유압실린더(110)에 작용하는 부하 용량을 나타낸다.

또한, 상기 유압실린더(110)에는 유체의 공급 이상으로 발생할 수 있는 비상 상태를 대비하여 공급된 유체 또는 유압력을 그대로 유지시키기 위해서 필요한 개폐용 밸브(114) 등의 차단 장치가 더 포함된다.

다음으로 상기 감지수단(120)은 틸팅 대차(100)의 각도 변화와 유압실린더(110)의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하는 것으로, 각도센서(122)와 변위 센서(124) 및 로드셀(126)로 구성된다.

상기 각도센서(122)는 틸팅 대차(100)에 취부되어 유압실린더(110)의 유압력에 의해서 틸팅 대차(100)에 틸팅 구동이 발생할 때 일어나는 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화를 측정한다.

이와 같은 각도센서(122)를 통한 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화를 측정하여 감시제어수단(130)에 의해서 유압실린더(110)의 제어를 위한 유압력으로 환산한 목표 틸팅각을 생성하기 위해서 유압실린더(110)의 모터(112)가 유체를 펌핑할 때 기울어지는 틸팅 대차(100)의 틸팅각을 피드백(feedback)함으로써 제어목표치에 해당하는 틸팅각에 틸팅 대차(100)가 도달했을 때 모터(112)의 펌핑을 멈추도록 하기 위함이다.

즉, 상기 감시제어수단(130)을 통해 틸팅 대차(100)의 각도 변화를 측정하여 유압실린더(110)에 제어목표치에 도달하도록 유압실린더(110)를 구동하고 다시 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화를 측정하는 과정을 반복하면서 설정된 목표치에 해당하는 틸팅 제어를 수행할 수 있다.

그리고, 상기 변위센서(124)는 유압실린더(110)의 틸팅엑츄에이터에 취부되어 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화를 측정한다. 상기 변위센서(124)는 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화에 대한 틸팅엑츄에이터의 선형길이 변화를 측정하기 위해 구비된다.

즉, 상기 변위센서(124)에서 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화를 측정함으로써 틸팅 대차(100)의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 상호 선형적인 상관관계를 규명하는 것이 가능하다.

이와 같은 변위센서(124)에서 측정되는 틸팅엑츄에이터의 선형길이 변화 값은 감시제어수단(130)으로 피드백(feedback)되며 감시제어수단(130)은 틸팅엑츄에이터의 변위센서 값과 감시제어수단(130)에 미리 저장된 틸팅엑츄에이터의 스트로크(stroke) 제한 값과 비교하여 틸팅엑츄에이터의 제한 스트로크 값을 넘지 않도록 제어함으로써 틸팅엑츄에이터 및 틸팅 대차를 보호하는 기능을 수행한다.

한편, 상기 로드셀(126)은 틸팅엑츄에이터에 취부되어 유압실린더(110)에 의해서 틸팅엑츄에이터가 구동할 때 발생하는 압력을 측정한다. 즉, 상기 감시제어수단(130)으로부터 유압실린더(110)에 입력되는 틸팅각을 생성하기 위해서 유압실린더(110)의 모터(112)가 유체를 펌핑하고 이와 함게 구동되는 틸팅엑츄에이터의 구동력을 로드셀이 측정함으로써 기존의 전기식 엑츄에이터에서는 측정할 수 없었던 틸팅엑츄에이터에 작용하는 부하량을 로드셀(126)에서 직접 측정할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이 로드셀(126)에서 측정된 틸팅엑츄에이터의 구동력은 감시제어수단(130)에서 부하량으로 산정하여 틸팅각과의 상관관계를 분석함으로써 틸팅각에 따라서 틸팅엑츄에이터에 작용하는 부하특성을 분석하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 감시제어수단(130)은 유압실린더(11)를 제어하기 위한 기준입력(틸팅각)을 생성하고, 감지수단(120)인 각도센서(122)와 변위센서(124) 및 로드셀(126)로부터 피드백되는 감지신호를 수집하여 적절한 제어신호를 생성한다.

즉, 상기 감시제어수단(130)은 각도센서(122)에서 감지되는 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화 신호는 현재 틸팅 대차(100)의 틸팅각을 제어하는데 활용되고, 로드셀(126)의 구동압력 신호는 틸팅각 변화에 따라서 틸팅엑츄에이터에 미치는 부하특성을 직접 측정 분석하는데 활용되고, 변위센서(124)는 틸팅엑츄에이터의 선형적인 변위량을 측정하는데 활용된다.

그리고, 상기 감시제어수단(130)은 마이컴으로 구성되거나 마이크로프로세서와 메모리 등으로 구성함이 바람직하다.

이와 같은 감지수단(120)을 통해 감지되는 데이터 및 분석 데이터는 유저인터페이스(user interface)에 의해서 연결되는 산업용 컴퓨터(200) 등을 통해 모니터링이 가능하고 모니터링 된 정보는 산업용 컴퓨터(200)의 저장매체에 기록 저장된다.

또한, 감시제어수단(130)은 틸팅엑츄에이터의 이상동작에 대비한 비상제어 루틴이 포함되어 있으며 각각의 비상제어 시나리오에 따라서 비상상황 발생시 구동되도록 제어함이 바람직하다.

한편, 상기 감시제어수단(130)은 차량의 앞쪽과 뒤쪽에 위치하고 있는 틸팅 대차(100)에 각각 설치되는 유압실린더의 동작상태를 동기화시킴으로써 앞쪽 대차와 뒤쪽 대차가 오차 없이 동시에 틸팅 대차에 틸팅각이 생성될 수 있도록 하는 동기화 제어 기능을 수행함으로써 동기화제어 기능이 없으면 양쪽 틸팅 대차에 발생하는 틸팅각의 차이로 인해서 차량에 트위스트가 발생하여 차량에 치명적인 구조적 결함이 발생하는 것을 방지함이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 유압식 틸팅 부하 측정 시스템의 작동 과정을 설명한다.

먼저, 감시제어수단(130)에 전원이 공급되어 구동프로그램이 구동되고 이로 인해 초기화된 후, 설정된 데이터에 따라 유압 실린더(110)의 구동을 제어하고, 감지수단(120)을 통해 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화와 유압실린더(110) 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정한다.

이때, 감지수단(120)인 각도센서(122)에서 틸팅 대차(100)에 틸팅 구동이 발생할 때 일어나는 틸팅 대차(100)의 틸팅각도 변화를 측정하며 그 틸팅각도 변화 값은 감시제어수단(130)에 주기적으로 입력되며 이에 따라 감시제어수단(130)은 유압실린더(110)의 제어목표치에 해당하는 틸팅각에 틸팅 대차(100)가 도달했는지를 비교하여 제어목표치에 해당하는 틸팅각에 도달하면 모터(112)의 펌핑을 멈추도록 제어신호를 출력한다.

한편, 이와 같은 감시제어수단(130)의 유압실린더(110) 제어에 따라 변위센서(124)는 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화가 측정되고 로드셀(126)로부터 틸팅엑츄에이터에 발생하는 압력이 측정되어 감시제어수단(130)으로 피드백된다.

이에 따라 감시제어수단(130)은 변위센서(124)에서 입력되는 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화에 따른 틸팅 대차(100)의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 상호 선형적인 상관관계를 분석하고, 로드셀(126)에서 측정된 압력에 의해 틸팅엑츄에이터에 작용하는 부하특성을 분석한다.

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.

100: 틸팅 대차 110: 유압 실린더
112: 모터 120: 감지수단
122: 각도센서 124: 변위 센서
126: 로드셀 130: 감시제어수단
200: 산업용 컴퓨터

Claims (9)

1. 틸팅 대차가 틸팅각을 구현하기 위해서 필요한 동력을 유압에 의해서 제공하는 유압 실린더와; 상기 틸팅 대차의 틸팅각도 변화와 유압실린더 틸팅엑츄에이터의 구동압력 및 선형 길이 변화를 측정하는 감지수단과; 상기 감지수단을 통해 감지되는 틸팅각도 변화를 이용해 상기 유압 실린더의 구동을 제어하고 상기 유압실린더의 구동압력을 이용해 부하특성을 분석하고 상기 유압실린더의 선형 길이 변화를 이용해 선형적인 변위량을 분석하는 감시제어수단;으로 구성되되,
   상기 감시제어수단은 상기 감지수단에서 입력되는 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화에 따른 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 선형적인 상관관계 및 틸팅엑츄에이터의 구동압력에 따른 부하특성을 분석하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 감지수단은 틸팅 대차의 각도 변화를 측정하는 각도센서와, 유압실린더의 구동압력을 측정하는 로드셀과, 선형 길이 변화를 측정하는 변위 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 각도센서는 틸팅 대차의 틸팅각도 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 각도센서를 통해 측정되는 틸팅 대차의 틸팅각도 변화는 감시제어수단에 피드백되어 제어목표치에 해당하는 틸팅각으로 상기 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 변위센서는 상기 유압실린더의 틸팅엑츄에이터에 취부되어 틸팅 대차의 틸팅각도 변화에 대한 틸팅엑츄에이터의 선형길이 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 로드셀은 틸팅엑츄에이터에 취부되어 틸팅엑츄에이터가 구동시 발생하는 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 감시제어수단은 틸팅엑츄에이터의 선형 길이 변화에 따른 틸팅 대차의 틸팅각과 틸팅엑츄에이터 사이의 선형적인 상관관계 및 틸팅엑츄에이터의 구동압력 데이터를 산업용 컴퓨터로 전송하는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 감시제어수단은 마이컴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유압식 틸팅 부하 측정 시스템.
   

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