KR101449600B1 - 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스 - Google Patents

열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스에 관한 것으로; 열차의 차축 단부에 연결되는 저널박스에 있어서, 상기 저널박스는 열차 차축의 발열 및 이상상태를 감시하는 광섬유 FBG 센서가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열차 차축의 발열 및 차축 베어링 파손으로 인한 이상 진동신호를 동적변형율의 변화로 차상에서 연속적으로 감시할 수 있게 함으로써, 열차 차축 감시에 사용되어 발생할 수 있는 열차 탈선과 같은 사고를 미연에 예방할 수 있고, 기존에 선로변에서 비연속적으로 온도만 측정하는 기술에 비해서 차상에서 연속적으로 측정함으로써 차축의 이상상태에 대한 정확한 진단이 가능할 뿐만 아니라 기존에 사용되고 있는 열차의 저널박스 전체를 교체할 필요 없이, FBG 센서가 내장된 저널박스 커버만을 교체하여 저널박스 몸체에 부착하여 사용할 수 있어 재래식 저널박스를 차축 감시가 가능한 저널박스로 간단히 업그레이드할 수 있다.

Description

열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스 {Journal Box Haved Optical Fiber FBG Sensor For Detecting Train Axle Overheat}
본 발명은 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 열차의 차축 발열 및 이상상태를 차상에서 실시간으로 연속적으로 감시할 수 있도록 광섬유 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 내장된 저널박스 커버가 설치되는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스에 관한 것이다.
일반적으로 열차 운행중에 열차의 차축에 압입되어 있는 차축 베어링이 손상되거나 그리스가 결빙하게 되면, 과도한 마찰로 인하여 베어링부의 온도가 상승하여 차축의 변형이나 손상을 초래하며, 이로 인해 열차의 탈선사고가 일어날 수 있다.
따라서, 열차가 통과하는 선로변에 무선으로 차축발열 상태를 감시하는 차축온도검지장치(HBD: Hot Box Detector)를 설치한다.
상기 차축온도검지장치(HBD)는 선로 양쪽에 전자센서를 설치하여, 열차가 그 위를 통과할 때 열차의 차축으로부터 방출되는 적외선 양을 측정해 이를 온도로 환산하여 HBS(Hot Box Supervision)로 데이터를 송신한다.
특히, 고속선로의 경우 차축 온도 검지창지는 25~30km 간격으로 설치되어 있다. 차축온도검지장치(HBD)는 운행 중인 차량의 차축 온도가 일정 기준을 초과하는 경우 이를 감지하여 위험 알람을 발생하고 운행되는 차량의 속도 제한, 정지 등을 지시하여 사고 예방을 미연에 방지한다.
이때, 차축온도검지장치(HBD)에서 측정된 차축의 온도가 80℃ 이상인 경우 단순 알람을 발생하고, 90℃ 이상인 경우 위험 알람을 발생하도록 운영하고 있다.
그리고, 차축온도검지장치(HBD)는 유일한 차축 감시장치로서, 차축온도검지장치(HBD)가 이상을 검지하게 되면, 이상이 검지된 차축에 대해서는 분해정비를 수행하여야 한다.
그런데, 차축온도검지장치(HBD)의 오동작으로 인하여 알람이 발생할 경우라도 운행중인 고속열차를 정차하고 차축 베어링의 온도를 실측하고, 위험 온도 이하인 경우라도 운전자는 결과를 통보하고 열차를 출발시키는데 이 과정에서 열차의 지연으로 인하여 운영 효율이 저하된다.
또한, 선로변에 설치된 차축온도검지장치(HBD)에서 측정한 온도만으로 차축의 문제인지 오동작인지 확인할 방법이 없으므로 해당 차축의 분해정비로 인한 유지보수의 어려움도 존재한다.
아울러, 선로변에 설치된 차축온도검지장치(HBD)를 이용한 시스템은 센서가 설치된 구간을 통과할 때만 차축의 이상상태를 비연속적으로 감시할 수 있으므로, 그 외의 구간에서는 감시가 불가능하고, 비연속적인 온도 측정만으로는 저널박스 내 차축 베어링 등이 완전히 기능을 상실하여 저널박스에서 문제가 발생한 경우에만 확인이 가능하고, 저널박스 내부 부품들의 기능 저하를 사전에 감지할 수가 없는 문제점도 존재한다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 열차 차축에 연결된 저널박스를 이용하여 열차 차축에서 발생하는 발열 및 차축베어링 파손으로 인한 이상 진동신호를 동적변형율의 변화로 연속적으로 취득하여 차축의 이상상태를 차상에서 실시간으로 진단할 수 있는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 차축의 이상상태를 진단하기 위한 에프비지 센서가 내장된 저널박스 커버를 열차의 저널박스에 간단히 설치하거나 교체할 수 있는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스를 제공하는데에도 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
열차의 차축 단부에 연결되는 저널박스에 있어서, 상기 저널박스는 열차 차축의 발열 및 이상상태를 감시하는 광섬유 FBG 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스를 제공한다.
이때, 상기 광섬유 FBG 센서는, 차축의 온도를 측정하는 FBG 온도계와, 차축 베어링의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적 변형율의 변화로 측정하는 FBG 변형율계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 저널박스에는 열차의 차축에서 발생한 온도 및 진동을 측정하는 광섬유 FBG 센서가 내장된 저널박스 커버가 설치되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 저널박스 커버에는 차축의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서가 내장되고 광섬유 사출을 위한 광섬유 보호튜브가 측면에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 저널박스 커버의 측면에는 상기 광섬유 FBG 센서와 연결된 광섬유를 사출하기 위한 니플이 저널박스 커버의 내부에 결합되며 밖으로는 광섬유 보호 튜브와 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광섬유 보호 튜브는 튜브 지지대에 고정된 상태로 상기 저널박스 커버에 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광섬유 보호 튜브는 튜브 지지대의 표면에 튜브 클램프로 지지되며, 상기 튜브 클램프는 클램프 체결 볼트에 의해 상기 저널박스 커버에 고정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 저널박스 커버의 표면에는 차축의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서를 보호하기 위한 센서 커버가 고정되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 저널박스 커버 내부에는 광섬유 FBG 센서가 안착되는 음각의 원형 안착홈이 형성되고, 상기 센서 커버의 안쪽면에는 상기 음각의 원형 안착홈과 맞닿아 고정될 수 있도록 같은 양각으로 형성되는 원형 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광섬유 FBG 센서에서 측정되는 광섬유 브래그 격자의 파장 변화량은 광섬유를 통해 차상의 신호처리수단로 입력되어 진동에 의한 동적 변형율과 온도로 환산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열차 차축의 발열 및 차축 베어링 파손으로 인한 이상 진동신호를 동적변형율의 변화로 차상에서 연속적으로 감시할 수 있게 함으로써, 열차 차축 감시에 사용되어 발생할 수 있는 열차 탈선과 같은 사고를 미연에 예방할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존에 선로변에서 비연속적으로 온도만 측정하는 기술에 비해서 차상에서 연속적으로 측정함으로써 차축의 이상상태에 대한 정확한 진단이 가능할 뿐만 아니라 기존에 사용되고 있는 열차의 저널박스 전체를 교체할 필요 없이, FBG 센서가 내장된 저널박스 커버만을 교체하여 저널박스 몸체에 부착하여 사용할 수 있어 재래식 저널박스를 차축 감시가 가능한 저널박스로 간단히 업그레이드할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스와 차축의 전체 조립도이다.
도 2는 본 발명의 저널박스 몸체와 체결된 저널박스 커버의 외부 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 저널박스 커버의 내부 형상을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 센서 커버가 장착된 저널박스 커버 내부 조립도이다.
도 5는 본 발명의 저널박스 커버 내부와 닿는 센서 커버의 안쪽면을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 5에 의하면, 본 발명에 따른 열차 저널박스(100)에는 광섬유 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 내장된 저널박스 커버(110)를 설치함으로서 열차 차축(10)의 발열 및 이상상태를 차상에서 실시간으로 연속적으로 감시할 수 있다.
일반적으로 광섬유 센서는 전자기파에 영향을 받지 않고 열악한 측정환경에서 장기간 사용할 수 있으며, 크기가 작아 저널박스 커버(110) 내부에 삽입하여 측정하기가 용이하며, 신호의 감쇄가 적어 열차 내에서 신호의 송수신에 용이하다.
특히, 본 발명에서 적용하는 광섬유 FBG 센서는 광섬유에 새겨진 브래그 격자의 파장 변화량이 가해지는 변형률과 온도에 선형적으로 의존하는 것을 이용하는 센서로 측정치의 절대량 측정에 유리하다. 브래그 파장이 다른 FBG 센서를 사용하면 직렬로 연결하여 광섬유 한 라인으로 모든 센서를 연결할 수 있으므로, FBG 로거와 센서들과의 연결을 단순화할 수 있다.
이때, 상기 광섬유 FBG 센서는 차축(10)의 온도를 측정하는 FBG 온도계(120)와, 차축 베어링(20) 등의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적 변형율의 변화로 측정하는 FBG 변형율계(122)로 이루어진다.
이와 같은 본 발명에 따른 열차 저널박스(100)에 설치되는 열차 차축(10)의 과열을 감지하기 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 저널박스 커버(110)에서 열차의 차축(10)에서 발생한 온도 및 진동을 측정하고, 그 측정된 광섬유 FBG 센서의 브래그 격자의 파장 변화량을 차상의 신호처리수단(200)으로 전송하여 진동에 의한 동적 변형율과 온도로 환산한다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
먼저 열차의 차축(10)은 차륜(12)과 결합되고 그 단부에는 저널박스(100)가 결합된다.
상기 저널박스(100)는 차축(10)의 단부에 위치하여 열차의 하중을 지지하면서 견인 및 제동력을 전달하여 차축(10)의 회전을 보장하고 차축(10)의 위치를 유지하는 역할을 한다.
이때, 상기 저널박스(100) 내부에는 차축 베어링(20)이 위치하는데, 상기 차축 베어링(20)은 차축(10)과 직접 접촉하여 회전하며 차축(10)의 고속 회전을 가능하게 한다.
그리고, 상기 저널박스(100)에는 저널박스 커버(110)가 저널박스 몸체 체결 볼트(111)에 의해 일체로 체결된다.
이때, 상기 저널박스 커버(110)에는 차축(10)의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서가 내장되고, 광섬유 사출을 위한 광섬유 보호튜브(124)가 측면에 연결되어 있다.
좀더 상세하게 설명하면 상기 저널박스 커버(110)는 상기 저널박스 몸체 체결 볼트(111)로 저널박스(100)의 몸체에 결합하기 위한 제1볼트홀(112)이 형성되고, 상기 저널박스(100)의 몸체에는 상기 제1볼트홀(112)에 대응되는 제2볼트홀(102)이 형성된다.
그리고, 상기 저널박스 커버(110)의 측면에는 니플(125)이 저널박스 커버(110)의 내부에 결합되며, 밖으로는 광섬유 보호 튜브(124)와 연결된다.
아울러 상기 저널박스 커버(110)에는 광섬유 보호 튜브(124)가 흔들리는 것을 방지하고 견고하게 고정된다. 이때, 상기 광섬유 보호 튜브(124)는 튜브 지지대(126)에 고정된 상태로 상기 저널박스 커버(110)에 고정되는데 별도의 체결수단을 이용하지 않고 상기 저널박스 몸체 체결 볼트(111)로 고정된다.
그리고, 상기 광섬유 보호 튜브(124)는 튜브 지지대(126)의 표면에 튜브 클램프(127)로 지지되며, 상기 튜브 클램프(127)는 클램프 체결 볼트(128)에 의해 상기 저널박스 커버(110)에 고정된다.
한편, 상기 저널박스 커버(110)의 표면에는 차축(10)의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서를 보호하기 위한 센서 커버(130)가 고정된다. 이때, 상기 센서 커버(130)에는 센서커버 체결 볼트(132)로 저널박스 커버(110)에 결합하기 위한 제3볼트홀(134)이 형성되고, 상기 저널박스 커버(110) 내부 표면에는 상기 센서 커버(130)를 고정하기 위해 상기 제3볼트홀(134)에 대응되는 제4볼트홀(114)이 형성된다.
이와 같은 저널박스 커버(110) 내부에는 음각의 원형 안착홈(119)이 형성되어 광섬유 FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)가 정해진 위치에 고정된다.
이때, 상기 FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)는 서로 다른 브래그 파장을 가지고 있어 신호의 간섭없이 하나의 광섬유에 직렬로 연결되며, FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)를 연결하는 광섬유(123)가 꺾여서 파손되고 신호가 감쇄되는 것을 막기 위해서 원형으로 감기도록 저널박스 커버(110) 내부의 원형 안착홈(119) 내에 위치한다. 특히, 상기 FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)는 두 센서를 연결하는 연결선과 과도하게 꺽이지 않도록 하기 위해 원형 안착홈(119)의 접선방향에 위치한다.
이와 같이 설치되는 FBG 온도계(120)는 열차 차축(10)의 온도를 측정하고, FBG 변형율계(122)는 차축 베어링(20) 등의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적변형율의 변화로 실시간으로 측정한다.
그리고 상기 FBG 센서와 연결된 광섬유(123)는 니플(125)을 통해서 저널박스 커버(110)의 외부로 사출되고 광섬유 보호 튜브(124) 내에 위치하여 파손되지 않도록 보호된다.
이때, 상기 저널박스 커버(110) 내부에 삽입된 FBG 센서와 광섬유(123)를 보호하기 위하여 센서 커버(130)가 저널박스 커버(110) 안쪽면에 조립되는데, 상기 센서 커버(130)는 저널박스 커버(110)와 센서 커버 고정 볼트(132)로 체결된다. 이 경우, 센서 커버(130)가 저널박스 커버(110) 내부에서 풀리는 것을 방지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 센서 커버 고정 너트(139)를 저널박스 커버 외부에 위치하도록 함이 바람직하다.
한편, 센서 커버(130)의 안쪽면은 저널박스 커버(110) 내부면에 형성된 음각의 원형 안착홈(119)과 맞닿아 고정될 수 있도록 같은 양각으로 형성되는 원형 돌출부(139)가 형성된다. 상기 원형 돌출부(139)는 상기 저널박스 커버(110)의 내부에 삽입된 FBG 센(120,122)서와 광섬유(123)가 저널박스 커버(110) 내부의 원형 안착홈(119)에 고정될 수 있도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 광섬유 FBG 센서를 이용한 연속식 열차 차축 감시 과정을 설명한다.
열차 차축(10)의 단부에 설치되는 저널박스(100)에 설치되는 저널박스 커버(110)의 FBG 변형율계(122)는 차축 베어링(20) 등의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적 변형율의 변화를 측정하고, FBG 온도계(120)는 차축(10) 내부의 온도를 측정한다.
이때, 상기 FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)는 브래그 파장이 달라 하나의 광섬유(123)에 직렬 연결이 가능하며 서로의 신호에 영향을 주지 않는다.
상기 FBG 변형율계(122)와 FBG 온도계(120)에서 측정되는 광섬유 브래그 격자의 파장 변화량은 광섬유(123)를 통해 차상의 신호처리수단(200)에 입력되어 진동에 의한 동적 변형율과 온도로 환산되어 설정기준치 이상인지 여부를 비교하여 차상에 설치되는 모니터 및 스피커 등과 같은 경보장치를 통해 표시될 수 있다.
아울러, 진동에 의한 동적 변형율과 온도 정보가 설정기준치 이상이면 지상의 관제실 컴퓨터로 경보신호를 통보하고 이에 따라 상기 관제실 컴퓨터는 알람 경보를 발령함으로서 신속한 대응이 이루어질 수 있도록 함도 바람직하다.
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: 열차 차축 12: 차륜
20: 차축 베어링 100: 저널박스
110: 저널박스 커버 120: FBG 온도계
122: FBG 변형율계 124: 광섬유 보호 튜브
125: 니플 126: 튜브 지지대
127: 튜브 클램프 130: 센서 커버
200: 신호처리수단

Claims (10)

  1. 열차의 차축 단부에 연결되는 저널박스에 있어서,
    상기 저널박스는 열차 차축의 발열 및 이상상태를 감시하는 광섬유 FBG 센서가 구비되고,
    상기 광섬유 FBG 센서는, 차축의 온도를 측정하는 FBG 온도계와, 차축 베어링의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적 변형율의 변화로 측정하는 FBG 변형율계로 이루어지며,
    상기 저널박스에는 저널박스 커버가 설치되고, 상기 저널박스 커버에는 차축의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서가 내장되고 광섬유 사출을 위한 광섬유 보호튜브가 측면에 연결되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 FBG 센서는, 차축의 온도를 측정하는 FBG 온도계와, 차축 베어링의 파손으로 인한 주기적인 이상 진동신호를 동적 변형율의 변화로 측정하는 FBG 변형율계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 저널박스 커버의 측면에는 상기 광섬유 FBG 센서와 연결된 광섬유를 사출하기 위한 니플이 저널박스 커버의 내부에 결합되며 밖으로는 광섬유 보호 튜브와 연결되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 보호 튜브는 튜브 지지대에 고정된 상태로 상기 저널박스 커버에 고정되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광섬유 보호 튜브는 튜브 지지대의 표면에 튜브 클램프로 지지되며, 상기 튜브 클램프는 클램프 체결 볼트에 의해 상기 저널박스 커버에 고정되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 저널박스 커버의 표면에는 차축의 과열 검지를 위한 광섬유 FBG 센서를 보호하기 위한 센서 커버가 고정되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 저널박스 커버 내부에는 광섬유 FBG 센서가 안착되는 음각의 원형 안착홈이 형성되고, 상기 센서 커버의 안쪽면에는 상기 음각의 원형 안착홈과 맞닿아 고정될 수 있도록 같은 양각으로 형성되는 원형 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 FBG 센서에서 측정되는 광섬유 브래그 격자의 파장 변화량은 광섬유를 통해 차상의 신호처리수단로 입력되어 진동에 의한 동적 변형율과 온도로 환산되는 것을 특징으로 하는 열차 차축 과열 감지를 위한 광섬유 에프비지 센서가 내장된 열차 저널박스.
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