KR101531563B1 - 광섬유 센서 기반의 윤중/횡압 측정장치 및 이를 이용한 철도교의 정량적 상태평가 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 윤중/횡압 측정장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에서는 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와, 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지 및 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치가 제공된다.
본 발명에 따른 윤중측정장치를 사용하면 오랜 시간이 경과하더라도 정밀도를 지속적으로 유지할 수 있으며 특히 지반의 강성 변화도 측정할 수 있어 기차 레일에 발생할 수 있는 문제를 보다 정밀하게 관측 및 진단할 수 있게 되어 철도의 안정성을 훨씬 높을 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 윤중측정장치를 사용하면 오랜 시간이 경과하더라도 정밀도를 지속적으로 유지할 수 있으며 특히 지반의 강성 변화도 측정할 수 있어 기차 레일에 발생할 수 있는 문제를 보다 정밀하게 관측 및 진단할 수 있게 되어 철도의 안정성을 훨씬 높을 수 있게 되었다.
Description
본 발명은 광섬유 센서 기반의 윤중/횡압 측정장치 및 이를 이용한 철도교의 정량적 상태평가시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 하나의 광섬유 상에 여러 개 스트레인 센서를 레일의 하부 플랜지 하부, 웨브(web) 및 침목 상부에 놓여지는 레일 하부 플랜지 상부에 설치하여 철도 차량의 윤중/횡압 측정이 가능하고, 철도교의 정량적 상태평가가 가능한 광섬유 센서 기반의 윤중/횡압 측정장치 및 이를 이용한 철도교의 정량적 상태평가시스템에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 주행 안정성을 평가하는 중요한 항목 중의 하나는 차륜과 레일 사이에서 발생하는 접촉력이다.
차륜과 레일 사이에서 발생하는 수평방향 하중(횡압)과 수직방향 하중(윤중)의 비율로 나타내는 탈선계수는 주행 안정성의 핵심지표라고 할 수 있는데, 이는 탈선이 발생할 경우 대형사고로 직결되기 때문이다.
철도차량의 경우 운행 중에 탈선하는 사고가 가끔 발생하게 되는데, 이러한 탈선사고는 차륜에 작용하는 수평방향의 힘에 대한 수직방향의 힘의 비(탈선계수)가 일정치를 넘게 되면 차륜이 레일을 올라타거나 뛰어넘게 되어 발생된다.
따라서, 이러한 탈선사고 예방을 실제로 운행하는 철도차량 또는 궤도에 전기식 스트레인 게이지를 부착하여 실험하는 것이 일반적이나 전기식 스트레인 게이지는 전자기파에 의한 노이즈로 신뢰성 있는 데이터 측정이 어려울 뿐만 아니라 장기 계측시 내구성 등에 적지 않은 문제점이 있었다.
기존의 윤중게이지는 침목의 지반 강성이 동일하다는 가정 하에 산정 가능한데, 장기 계측시 침목 및 도상은 온습도 등 환경 영향에 따라서 지반 강성이 변화되기 때문에 지속적인 윤중/축중량을 측정하기 위해서는 침목과 침목 사이에 설치되는 레일에 가하지는 정(+)모멘트부 뿐만 아니라 침목에 설치된 레일에 가해지는 부(-)모멘트부의 상관성 분석이 필요한데 이에 대한 고려가 없었다.
또한, 기존 철도교의 장기계측 시스템은 열차의 중량은 측정하지 아니하고 교량의 응답만 측정하여 추세분석만 실시하기 때문에 차량재하실험과 같이 교량의 상태를 정량적으로 판단하지 못하는 문제점을 지니고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 기존 선로의 구조물을 제거함이 없이 간편하게 설치할 수 있고, 내구성이 뛰어나며, 침목과 침목 사이에 설치되는 레일에 가하지는 정(+)모멘트부 뿐만 아니라 침목에 설치된 레일에 가해지는 부(-)모멘트부 측정이 가능하여 상관성 분석이 가능하고, 열차 통과시 입력하중을 파악하고 교량의 응답을 동시에 측정하면, 차량재하 실험을 별도로 수행하지 않는다 하더라도 구조계를 정량적으로 규명하여 내하력과 같은 구조물의 상태를 정량적으로 판단할 수 있는 광섬유 센서 기반의 윤중/횡압 측정장치 및 이를 이용한 철도교의 정량적 상태평가 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서, 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와, 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지 및 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그를 포함하고, 레일클램프의 적어도 바디부에는 복수 개 틈집이 형성되는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치에 의해 달성가능하다.
본 발명의 또 다른 목적은 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정 시스템에 있어서, 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되는 윤중측정장치와, 기차 레일 윤중/횡압 측정장치의 광섬유 케이블과 직렬로 연결되며 침목 상부에 놓여지는 기차 레일의 하부 플랜지 상부에 설치되는 스트레인 게이지를 포함하는 지반강성측정장치와, 기차 레일 윤중측정장치의 광섬유 케이블과 직렬로 연결되며, 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 웨브의 적어도 내측에 설치되는 스트레인 게이지를 포함하는 횡압측정장치와, 광섬유 케이블에 신호를 인가하고 피드백되는 신호를 분석하는 신호 분석 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정 시스템에 의해서 달성가능하다.
본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치는 기존의 철도 레일의 구조를 변경함이 없이 침목과 침목 사이의 철도 레일 하부에 설치가 가능한 이점이 있다. 종래 전기식 또는 전자식 센서를 사용하여 기차 레일 윤중/횡압 측정장치를 구성할 경우 각 센서와 측정장치 사이에 각각 별도의 도선을 연결해야 하므로 시스템 구성이 복잡해지는 반면, 본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치는 하나의 광섬유 센서에 연속적으로 구비되는 복수 개 FBG 센서를 이용함으로써 시스템 구성이 간단해지는 이점이 있다. 또한 본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치는 오랜 시간이 경과하더라도 정밀도를 지속적으로 유지할 수 있으며 특히 지반 강성 변화도 측정할 수 있어 기차 레일에 발생할 수 있는 문제를 보다 정밀하게 관측 및 진단할 수 있게 되어 철도의 안정성을 훨씬 높을 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치는 침목 상부에 놓여지는 레일의 하부 플랜지에도 설치가 가능하므로 침목과 침목 사이에 설치되는 레일에 가해지는 정(+)모멘트부 뿐만 아니라 침목에 설치된 레일에 가해지는 부(-)모멘트부의 측정도 가능하여 상관성 분석이 가능하게 되었다. 또한 기차 레일에 가해지는 윤중뿐만 아니라 횡력 측정도 가능하므로 탈선 계수를 보다 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 기차의 축중량을 측정하는 윤중측정장치와, 부(-)모멘트부를 측정하는 지반강성측정장치, 횡력을 측정하는 횡압측정장치 및 윤중측정장치를 철도교에 설치되는 레일에 설치하고, 도 11에 도시된 바와 같이 철도 구조물에 응답 측정용 센서를 설치하고, 윤중측정장치, 지반강성측정장치, 횡압측정장치 및 응답 측정용 센서의 신호를 분석하는 신호 분석 장치를 부가하면 철도교의 정량적 상태평가 시스템으로 구축할 수 있다. 종래 철도교의 장기계측 시스템은 열차의 중량은 측정하지 아니하고 교량의 응답만 측정하여 추세 분석만 실시하기 때문에, 차량재하실험과 같이 교량의 상태를 정량적으로 판단하지 못하였다. 이에 반하여 본 제안의 축중량/윤중 측정 시스템을 활용하면, 열차 통과시 입력하중을 파악하고 교량의 응답을 동시에 측정하여 차량재하 실험을 별도로 수행하지 않는다 하더라도, 구조계를 정량적으로 규명하여 내하력과 같은 구조물의 상태를 정량적으로 판단할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치를 적용한 전체 시스템 구성을 설명하는 블록도.
도 2는 도 1에서 하나의 레일(10)에 설치된 윤중/횡압 측정장치에서 사용되는 스트레인 게이지의 설치 위치를 설명하기 위해 사시도.
도 3은 레일의 단면도.
도 4는 도 2의 A-A' 단면도를 도시한 것으로서, 레일의 하부 플랜지에 설치되는 윤중측정장치의 설치 방법을 설명하는 단면도.
도 5는 결합지그에 결합된 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치에 사용되는 스트레인 게이지의 내부 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치의 다양한 실시예를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치의 다양한 실시예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 지반강성측정장치를 레일에 설치하는 방식을 설명하기 위한 도면.
도 9는 두 개의 스트레인 게이지에 의해 측정된 윤중을 도시한 그래프.
도 10은 이웃하는 침목에 걸쳐 놓여지는 기차 레일 하부에 복수 개 FBG 센서를 설치한 상태도 및 각각의 FBG 센서에서 나타나는 파형도.
도 11은 철도 구조물에 응답 측정용 센서를 설치한 철도교.
도 2는 도 1에서 하나의 레일(10)에 설치된 윤중/횡압 측정장치에서 사용되는 스트레인 게이지의 설치 위치를 설명하기 위해 사시도.
도 3은 레일의 단면도.
도 4는 도 2의 A-A' 단면도를 도시한 것으로서, 레일의 하부 플랜지에 설치되는 윤중측정장치의 설치 방법을 설명하는 단면도.
도 5는 결합지그에 결합된 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치에 사용되는 스트레인 게이지의 내부 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치의 다양한 실시예를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치의 다양한 실시예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 지반강성측정장치를 레일에 설치하는 방식을 설명하기 위한 도면.
도 9는 두 개의 스트레인 게이지에 의해 측정된 윤중을 도시한 그래프.
도 10은 이웃하는 침목에 걸쳐 놓여지는 기차 레일 하부에 복수 개 FBG 센서를 설치한 상태도 및 각각의 FBG 센서에서 나타나는 파형도.
도 11은 철도 구조물에 응답 측정용 센서를 설치한 철도교.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 기차 레일 윤중/횡압 측정장치를 적용한 전체 시스템 구성을 설명하는 블록도이며, 도 2는 도 1에서 하나의 레일(10)에 설치된 각각의 윤중/횡압 측정장치의 설치 위치를 설명하기 위해 사시도로 도시한 것이다. 본 발명에서는 세 가지 종류의 측정장치가 제시된다. 첫 번째 종류는 침목(51)과 침목(53) 사이 및 침목(53)과 침목(55) 사이에 놓여지는 레일(10)의 하부 플랜지 하부에 각각 연결나사(25)에 의해 설치되는 윤중측정장치(20)이고, 두 번째 종류는 침목(53) 상의 연결 클램프(50) 인근의 레일(10) 하부 플랜지 상부측에 설치되는 지반강성측정장치(22)이며, 침목(51)과 침목(53) 사이 및 침목(53)과 침목(55) 사이에 놓여지는 레일(10)의 웨브(web) 내측 및 외측에 설치되는 횡압측정장치(24)이다. 윤중측정장치(20), 지반강성측정장치(22) 및 횡압측정장치(24)는 설치되는 위치 및 부착하는 방식에서 차이가 있으나, FBG 센서(31)가 구비되는 스트레인 게이지로 구성된다는 측면에서는 공통점이 있다. 도 1에서는 세 개 채널을 이용하여 구성한 기차 레일 윤중/횡압 측정 시스템 구성도인데, 첫 번째 채널은 제 1 광섬유 케이블(30a)을 이용하여 도면상의 상부 레일에 설치되는 두 개의 윤중측정장치(20)와 두 개의 지반강성측정장치(22) 및 한 개의 횡압측정장치(24)를 직렬 방식으로 연결한 구성이며, 두 번째 채널은 제 2 광섬유 케이블(30b)을 이용하여 도면상의 하부 레일의 내측에 설치되는 두 개의 윤중측정장치(20)와 두 개의 지반강성측정장치(22)를 연결한 구성이다. 세 번째 채널은 제 3 광섬유 케이블(30c)을 이용하여 도면상의 하부 레일에 설치되는 두 개의 윤중측정장치(20)와 두 개의 지반강성측정장치(22)를 연결한 구성이다. 신호 분석 장치(60)는 제 1 광섬유 케이블(30a), 제 2 광섬유 케이블(30b) 및 제 3 광섬유 케이블(30c)에 순차적으로 연결되어 신호를 인가하고 피드백되는 파형을 분석하여 윤중 및/또는 횡압을 측정하는 장치이다. 물론 채널의 개수는 세 개로 한정되지 않고 임의로 설정할 수 있음은 물론이며, 신호 분석 장치(60)에는 통상 통신 모듈(도면상으로는 미 도시됨)을 구비하여 외부 모니터링 장치로 측정 데이터를 전송하도록 구성된다.
본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치(20)가 레일(10)에 설치되는 방식을 설명하기에 앞서 먼저 레일의 단면 구조에 대해 설명하기로 한다. 도 3은 레일의 단면도이다. 레일(10)은 상부 플랜지(11), 웨브(13, web) 및 하부 플랜지(15)로 구성된다. 기차의 바퀴는 레일(10)의 상부 플래지(11) 상면으로 이동하는 것이며, 하부 플랜지(15)의 일부 하면은 침목에 의해 지지되며, 침목 사이에 놓여지는 하부 플랜지(15) 하면에는 지면과 일정 공간을 두고 빈 공간으로 공중에 떠 있거나 그 하부에 자갈 등의 도상이 설치된다. 웨브(13) 및 하부 플랜지(15)는 이웃하여 나란이 놓여지는 레일과 대향면을 형성하는 쪽에 형성되는 측을 내측이라고 일컫고, 반대쪽에 형성되는 측을 외측이라고 일컫는다. 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 a면은 하부 플랜지 내측 상면, b면은 하부 플랜지 외측 상면, c면은 하부 플랜지 내측 측면, d면은 하부 플랜지 외측 측면 및 e면은 하부 플랜지 하면으로 각각 호칭하기로 한다.
도 4는 도 2의 A-A' 단면도를 도시한 것으로서, 레일의 하부 플랜지에 설치되는 윤중측정장치(20) 및 횡압측정장치(24)의 설치 위치를 나타내는 단면도이다. 윤중측정장치(20)는 레일 하부 플랜지와 나사 결합되도록 설치되는 레일클램프(21)와 레일클램프(21) 하부에 고정 설치되는 스트레인 게이지(40a, 40b)로 구성된다. 레일클램프(21) 하부에 설치되는 스트레인 게이지(40a, 40b)는 필요에 따라 도 4(a), (c)에 도시된 바와 같이 가운데 하나 설치될 수도 있고, 필요에 따라서는 도 4(b), (d)에 도시된 바와 같이 중심을 기준으로 동일한 거리만큼 좌우측으로 이격된 위치에 두 개씩 설치될 수도 있다. 레일클램프(21)는 대략 'ㄷ'자 단면을 반시계 방향으로 90도 회전시킨 형상으로 구비되며, 레일(10)의 하부 플랜지 내측면과 외측면에 나사(25) 고정되도록 설치된다. 레일클램프(21)와 레일의 하부 플랜지 하면 사이에는 도 4(c) ~ (f)에 도시된 바와 같이 스페이서(12)를 사용하였는데 이러한 스페이서(12)는 높이를 맞추어서 레일클램프(21)를 레일의 하부 플랜치 내측 측면 및 외측 측면에 용이하게 체결하기 위한 것으로서 도 4(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 반드시 구비할 필요는 없는 것이다. 이러한 방식으로 나사 고정시킬 경우에는 기차가 지나갈 때 발생되는 진동에 의해 나사가 풀리는 경향이 있으므로 나사(25)를 고정시킨 이후에 접착제 등으로 나사가 풀리지 않도록 단단히 고정시킬 필요가 있다. 나사 고정 방식 외에도 납땜 또는 접착제를 이용하여 레일 하부 플랜지에 고정시킬 수 있음은 물론이다. 횡압측정장치(40c, 40d)는 도 4(e) 및 (f)에 도시된 바와 같이 레일의 웨브 내측 및/또는 외측에 스트레인 게이지(40c, 40d)를 부착하여 기차 레일(10)에 가해지는 횡압을 측정하게 된다.
도 5는 결합지그에 결합된 본 발명에 따른 윤중/횡압 측정장치에 사용되는 스트레인 게이지의 내부 구성도이다. 구체적으로 도 5(a)는 스트레인 게이지의 일부 내부 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5(b)는 결합지그(39a, 39b)에 결합된 스트레인 게이지를 외형 위주로 도시한 도면이다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이 스트레인 게이지(40)는 하우징(41)과, 하우징 내부 양 끝단에 설치되는 두 개의 고정지그(43a, 43b)와, 하우징(41) 내부에는 FBG 센서(31)를 갖는 광섬유 케이블(30)로 구성된다. 광섬유 케이블(30)은 고정지그(43a, 43b)에 의해서 양쪽에서 고정지그43a, 43b)에 고정 설치되고, 고정지그(43a, 43b)는 하우징(41)에 단단히 고정되도록 설치된다. 하우징(41)의 좌우측으로 연결되는 광섬유 케이블(30)의 양 단에는 연결소켓(47, 49)을 구비하여 이웃하는 스트레인 게이지와 상호 연결되도록 구성하였다. 이러한 스트레인 게이지(40)는 도 5(b)에 도시된 바와 같이 결합지그(39a, 39b)에 구비된 결합홀에 삽입된 후 에폭시 접착제 등을 이용하여 스트레인 게이지의 하우징(41) 외면 양 끝에서 단단히 고정되도록 고정시켜 사용한다. 도 5에 도시된 스트레인 게이지를 이용하여 윤중측정장치, 지반강성측정장치 및 횡압측정장치로 사용하게 된다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 윤중측정장치의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다. 도 6(a) 및 도 6(b)는 분리된 레일클램프(21a, 21b)를 갖는 윤중측정장치를 레일 상부 플랜지 측에서 지면 방향으로 바라본 사시도 및 지면에서 레일 상부 플랜지 방향으로 바라본 사시도이다. 제1레일클램프(21a)를 레일(10) 하부 플랜지 내측면 및 외측면에 각각 나사(25)를 이용하여 고정하고, 제2레일클램프(21b)를 제1레일클램프(21a)와 일정한 거리 떨어진 위치에 동일한 방식으로 나사 고정시킨다. 이후 제1레일클램프(21a) 및 제2레일클램프(21b) 하부에 결합지그(39a, 39b)가 설치된 스트레인 게이지(40)를 위치시킨 후, 제1결합지그(39a)와 제2결합지그(39b)를 각각 제1레일클램프(21a) 및 제2레일클램프(21b)에 나사 고정시키면 설치가 완료된다. 물론, 나사 결합 대신에 제1결합지그(39a)와 제2결합지그(39b) 하부에 접착제를 바른 후, 접착력을 이용하여 각각 제1레일클램프(21a) 및 제2레일클램프(21b)에 고정시켜도 무방하다. 이러한 고정 구조에 의해서 기차 바퀴에 의한 하중은 스트레인 게이지(40)에 인가되고 스트레인 게이지(40) 내부에 설치된 FBG 센서(31a, 31b)에 힘이 가해짐으로써 물리적인 데이터를 측정할 수 있게 되는 것이다.
도 6(c) 및 도 6(d)는 일체화된 레일클램프(21)를 갖는 윤중/횡압 측정장치를 레일 상부 플랜지 측에서 지면 방향으로 바라본 사시도 및 지면에서 레일 방수 플랜지 측으로 바라본 사시도이다. 도 6(a) 및 도 6(b)에서 제시된 분리된 레일클램프(21a, 21b)와 달리 일체의 판체 형상의 레일클램프(21)를 갖는다는 구성만 상이할 뿐 나머지 구성 및 결합 원리는 전술한 바와 같다. 도 6에서는 스트레인 게이지(40) 내부에 각각 두 개의 FBG 센서(31a, 31b)가 구비되는 것으로 설명하였으나, 설치되는 FBG 센서의 갯수는 다양하게 변형할 수 있음은 물론이다. 일체화된 레일클램프(21)를 사용할 경우 기차 바퀴의 하중이 민감하게 스트레인 게이지에 전달되도록 하기 위해서 도 6(c) 및 도 6(d)에 도시한 바와 같이 군데군데 틈집(26)을 형성하여 일체화된 레일클램프(21)가 용수철처럼 탄성을 받게 하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 윤중측정장치에 사용 가능한 레일클램프의 일 실시예이다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이 틈집(26)이 형성된 일체의 판체 형상의 레일클램프(21)를 사용하였고, 길이 방향으로 관통홀(42)을 구비하여, 별도의 결합지그를 사용하지 않고서도 해당 관통홀(42)에 스트레인 게이지를 삽입하여 설치하는 구조를 제시한 것이다. 즉, 관통홀(42)에 도 5(a)에 도시된 바와 같이 결합지그(39)가 제거된 상태의 스트레인 게이지(41)를 삽입한 후 관통홀(42)의 입구측과 출구측을 접착제로 고정하는 방식으로 설치한다. 레일클램프(21)의 길이 방향으로 마련되는 관통홀(42)은 여러 개 형성할 수 있음은 물론이다.
도 7을 이용하여 레일클램프(21)의 형상에 대해 설명하기로 한다. 레일클램프(21)는 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되도록 설치되는(스페이서가 개재된 경우도 포함함) 바디부(28b)와, 바디부(28b)로부터 레일의 하부 플랜지 내측 측면과 레일의 하부 플랜지 외측 측면 방향으로 각각 연장 형성되는 결합부(28s)로 구성된다. 이러한 레일클램프(21)의 구조는 도 6(a) 및 (b)에 제시된 분리형의 경우에도 적용된다. 통상적으로 레일클램프(21)는 결합부(28s)를 레일의 하부 플랜지 내측 측면과 레일의 하부 플랜지 외측 측면에 나사 결합시켜 고정한다.
도 8은 본 발명에 따른 지반강성측정장치를 레일에 설치하는 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이 지반강성측정장치(40d, 40e)는 침목 상부에 놓여지는 레일의 하부 플랜지 내측 상면 또는 외측 상면에 설치된다. 지반강성측정장치(40d, 40e)를 설치하기 위해서는 별도의 레일클램프를 사용함이 없이 도 5(b)에 도시된 바와 같이 결합지그(39a, 39b)가 결합된 스트레인 게이지(40)를 직접 레일(10)의 하부 플랜지 내측 상면 또는 외측 상면에 위치시킨 후 에폭시 접착제를 이용하여 결합지그(39a, 39b)를 레일의 하부 플랜지 내측 상면 또는 외측 상면에 고정시켜 사용한다. 횡압측정장치는 설치 위치가 웨브의 내측 및/또는 외측에 설치되는 점에서 차이가 있으며, 설치 방식은 지반강성측정장치와 동일하다.
이하에서는 본 발명에 따라 설치되는 FBG 센서 설치 위치에 따라 다양한 이상 신호를 측정할 수 있다. 이에 대해 간략하게 설명하기로 한다. 도 4(a), (c)에 도시된 바와 같이 각 레일의 하단 중앙부에 하나의 FBG 센서를 설치할 경우에는 각 레일에 인가되는 기차 바퀴의 하중(윤중)을 측정할 수 있다. 따라서 양쪽 레일의 윤중 변화를 측정하면 어느 쪽 레일에 좀더 많은 하중이 인가되는지 여부를 파악할 수 있게 된다.
도 4(b), (d)에 도시된 바와 같이 각 레일의 하단에 중앙부를 두고 동일한 거리만큼 떨어진 두 개의 스트레인 게이지(40a, 40b)에 인가되는 윤중 또는 축중량을 측정할 수 있다. 도 9는 두 개의 스트레인 게이지(40a, 40b)에 의해 측정된 윤중을 도시한 그래프이다. 도 9(a)에 도시된 바와 같이 두 개의 스트레인 게이지(40a, 40b)에 동일한 윤중이 작용할 경우에는 정상적으로 판단할 수 있고, 도 9(b) 또는 도 9(c)에 도시된 바와 같이 어느 한 쪽 스트레인 게이지에 작용하는 윤중이 크게 센싱될 경우에는 해당 레일이 기울어지고 있는 이상신호를 감지할 수 있게 된다. 물론 두 개의 스트레인 게이지(40a, 40b)에 의해 측정되는 하중의 평균값을 구하여 축 중량을 산출할 수도 있음은 물론이다. 나아가 윤중측정장치와 더불어 기차 레일 연결부에 설치되는 횡압측정장치를 부가적으로 설치할 경우, 횡압측정도 가능하게 되어 수평방향 하중(횡압)과 수직방향 하중(윤중)의 비율로 나타내는 탈선계수를 파악하여 주행 안정성 확보할 수 있는 효과가 있다.
침목 상에 놓여지는 레일에 부착되는 지반강성측정장치에 가해지는 윤중을 측정하고 이의 변화량을 관찰하면 해당 침목(즉, 침목이 설치되는 지반)이 융기되거나 침하되는 정도를 포함하는 부(-)모멘트부를 측정할 수 있게 된다. 따라서 윤중측정장치에 의해 측정되는 정(+)모멘트부와 지반강성측정장치에 의해 측정되는 부(-)모멘트부를 이용하여 상관성을 파악할 수 있게 된다. 즉, 부모멘트에 의한 지반강성 변화를 함께 측정하고 상관성 분석을 통하여 장기측정시, 축중량/윤중의 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 철도교에 놓여지는 레일에 본 발명에 따른 윤중측정장치, 지반강성측정장치 및 횡압측정장치를 설치하면, 철도교의 정량적 상태 평가가 가능하게 된다.
마지막으로 도 10에 도시한 바와 같이 침목(51)과 침목(53) 사이에 설치되는 레일 하부에 복수 개 FBG 센서(31a, 31b, 31c)를 설치할 경우 각각의 FBG 센서(31a, 31b, 31c)에 인가되는 윤중 변화량을 관찰하면 정상적인 상태에서는 각각의 센서에서 감지되는 신호가 저주파 성분으로 구성된 일정한 값이 들어오는데 비하여 기차 바퀴(9)에 흠결(9a)이 발생한 경우에는 차륜(기차 바퀴)과 레일의 접촉력에 고주파 성분이 혼입되어 들어오게 된다. 따라서 이러한 신호 특성을 분석하면 기차 바퀴의 이상 여부를 모니터링 할 수 있다.
도 1에 도시된 윤중측정장치, 지반강성측정장치 및 횡압측정장치를 철도교에 설치되는 레일에 설치하고, 도 11에 도시된 바와 같이 철도 구조물에 응답 측정용 센서를 설치하고, 윤중측정장치, 지반강성측정장치, 횡압측정장치 및 응답 측정용 센서의 신호를 분석하는 신호 분석 장치를 부가하면 철도교의 정량적 상태평가 시스템으로 구축할 수 있다. 기존 철도교의 장기계측 시스템은 열차의 중량은 측정하지 아니하고 교량의 응답만 측정하여 추세분석만 실시하기 때문에, 차량재하실험과 같이 교량의 상태를 정량적으로 판단하지 못하였다. 이에 반하여 본 발명의 축중량/윤중 측정 시스템을 활용하면, 열차 통과시 입력하중을 파악하고 교량의 응답을 동시에 측정하여 차량재하 실험을 별도로 수행하지 않는다 하더라도, 구조계를 정량적으로 규명하여 내하력과 같은 구조물의 상태를 정량적으로 판단할 수 있는 장점이 있다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
9: 기차 바퀴 9a: 기차 바퀴 상의 흠결
10: 레일 11: 상부 플랜지
12: 스페이서 13: 웨브
15: 하부 플랜지 20: 윤중측정장치
21: 레일클램프 22: 지반강성측정장치
25, 35: 결합나사
31, 31a, 31b, 31c, 31d, 31e: FBG 센서
39a: 제1결합지그 39b: 제2결합지그
40, 40a, 40b: 스트레인 게이지 41: 하우징
42: 관통홀 50: 클램프
51, 53, 55: 침목 60: 신호 분석 장치
a: 하부 플랜지 내측 상면 b: 하부 플랜지 외측 상면
c: 하부 플랜지 내측 측면 d: 하부 플랜지 외측 측면
e: 하부 플랜지 하면
10: 레일 11: 상부 플랜지
12: 스페이서 13: 웨브
15: 하부 플랜지 20: 윤중측정장치
21: 레일클램프 22: 지반강성측정장치
25, 35: 결합나사
31, 31a, 31b, 31c, 31d, 31e: FBG 센서
39a: 제1결합지그 39b: 제2결합지그
40, 40a, 40b: 스트레인 게이지 41: 하우징
42: 관통홀 50: 클램프
51, 53, 55: 침목 60: 신호 분석 장치
a: 하부 플랜지 내측 상면 b: 하부 플랜지 외측 상면
c: 하부 플랜지 내측 측면 d: 하부 플랜지 외측 측면
e: 하부 플랜지 하면
Claims (7)
- 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서,
상기 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와,
상기 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지 및
상기 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그를 포함하고,
상기 레일클램프의 적어도 바디부에는 복수 개 틈집이 형성되는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서,
상기 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와,
상기 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지 및
상기 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그를 포함하고,
상기 스트레인 게이지는
입구와 출구를 가지며 내부에 빈 공간이 형성되는 원통형의 하우징과
상기 하우징의 입구와 출구 측에서 상기 하우징과 단단히 결합되도록 설치되며, 내부에 설치되는 광섬유 케이블을 고정시키는 고정지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서,
상기 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와,
상기 레일클램프의 바디부에는 상기 레일의 길이 방향을 따라 형성되는 관통홀을 구비하고,
상기 관통홀에 삽입되도록 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 제 3항에 있어서,
상기 스트레인 게이지는 상기 관통홀의 입구와 출구측에 고정설치되며, 내부에 설치되는 광섬유 케이블을 각각 단단히 고정시키는 고정지그를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서,
상기 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와,
상기 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지와,
상기 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그 및
상기 레일클램프의 바디부와 상기 레일의 하부 플래지 하면 사이에는 구비되는 스페이서를 포함하고,
상기 레일클램프의 결합부는 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면과 나사 결합되는 것을 특징으로 하며,
상기 레일클램프의 적어도 바디부에는 복수 개 틈집이 형성되는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되어 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중측정장치로서,
상기 레일의 하부 플랜지 하면에 밀착되는 바디부와, 상기 바디부로부터 상측으로 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면으로 연장 형성되는 결합부를 갖는 레일클램프와,
상기 레일클램프 하면에 설치되며, 내부에는 적어도 하나의 FBG센서가 구비되는 스트레인 게이지와,
상기 스트레인 게이지의 양 단을 상기 레일클램프에 고정시키는 결합지그 및
상기 레일클램프의 바디부와 상기 레일의 하부 플래지 하면 사이에는 구비되는 스페이서를 포함하며,
상기 레일클램프의 결합부는 상기 레일의 하부 플랜지 내측 측면 및 상기 레일의 하부 플랜지 외측 측면과 나사 결합되는 것을 특징으로 하고,
상기 스트레인 게이지는
입구와 출구를 가지며 내부에 빈 공간이 형성되는 원통형의 하우징과
상기 하우징의 입구와 출구 측에서 상기 하우징과 단단히 결합되도록 설치되며, 내부에 설치되는 광섬유 케이블을 고정시키는 고정지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정장치.
- 기차 바퀴의 윤중을 측정하는 기차 레일 윤중/횡압 측정 시스템에 있어서,
침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일의 하부 플랜지 하면에 설치되는 상기 청구항 제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 기차 레일 윤중측정장치와,
상기 기차 레일 윤중측정장치의 광섬유 케이블과 직렬로 연결되며 침목 상부에 놓여지는 기차 레일의 하부 플랜지 상부에 설치되는 스트레인 게이지를 포함하는 지반강성측정장치와,
상기 기차 레일 윤중측정장치의 광섬유 케이블과 직렬로 연결되며, 침목과 침목 사이에 걸쳐 설치되는 레일 웨브의 적어도 내측에 설치되는 스트레인 게이지를 포함하는 횡압측정장치, 및
상기 광섬유 케이블에 신호를 인가하고 피드백되는 신호를 분석하는 신호 분석 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기차 레일 윤중측정 시스템.
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| KR101047687B1 (ko) * | 2009-08-20 | 2011-07-08 | 한국철도시설공단 | 레일 센서 설치용 지그장치 |
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2015
- 2015-05-06 KR KR1020150063240A patent/KR101531563B1/ko active IP Right Grant
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| KR20060113574A (ko) * | 2006-09-12 | 2006-11-02 | 한국유지관리 주식회사 | 철도 구조물의 안전 진단을 위한 레일 계측과 모니터링시스템 |
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