KR101619790B1 - 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법 - Google Patents

열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법 Download PDF

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오혁근
김상수
전창성
김석원
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한국철도기술연구원
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    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed

Abstract

본 발명은 고속 열차 운행 중 선로의 환경에 따라 차륜에 찰상이 발생한 경우에 차축에 설치된 가속도 센서를 이용하여 찰상에 의해 발생되는 진동을 측정하여 차량의 속도 및 휠 직경과 연동해 실시간으로 차륜의 찰상을 검지할 수 있도록 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템은, 열차의 주행에 따른 차량 속도(V)를 검출하는 속도 센서부; 상기 열차의 주행에 따른 차축 가속도를 검출하는 가속도 센서부; 상기 열차의 각 차축별 차륜 직경(D)을 데이터로 저장하고, 상기 차륜 직경(D)과 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식을 저장하고 있는 차축차륜 정보 저장부; 및 상기 차량 속도 (V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하고, 상기 가속도 센서부를 통해 검출된 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도 주파수(f2)를 산출하며, 산출한 차축 가속도 주파수(f2)를 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)와 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜 찰상으로 검지하는 검지 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법{Method and system for detecting an abrasion of wheel in train}
본 발명은 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 열차 운행 중 선로의 환경에 따라 차륜에 찰상이 발생한 경우에 차축에 설치된 가속도 센서를 이용하여 찰상에 의해 발생되는 진동을 측정하여 차량의 속도 및 휠 직경과 연동해 실시간으로 차륜의 찰상을 검지할 수 있도록 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속열차 혹은 일반 열차는 운행 중 선로의 환경 및 운용 환경에 따라 차륜에 찰상이 발생한다. 특히 눈이 오거나 비가 오면 추진이나 제동 시, 철제 차륜과 레일 사이에 한계 점착력이 매우 낮아져서 허용범위 이상의 추진력이나 제동력이 작용해 레일과 차륜에 심각한 손상이 발생하고 심한 경우 차륜의 일부가 떨어져 나가는 박리현상이 발생한다. 이러한 찰상이나 박리가 발생하면 차량의 고속 주행 시, 심한 진동을 야기하여 승차감의 저하, 차축베어링의 손상 및 심한 경우 탈선을 야기할 수도 있다.
따라서 열차 운행 후에는 주기적으로 차륜의 찰상 여부를 육안으로 검사하거나 고속철도 정비기지에 있는 차륜 검사고 등을 저속으로 통과하면서 차륜의 찰상 여부를 광학적 방법 혹은 기계적 방법으로 검측하고, 심한 손상의 발견 시 전삭고에서 차륜을 삭정하는 과정 등 별도의 유지보수 과정을 수행하여야 한다.
종래에는 차량의 고속 운행 시 실시간으로 차륜의 찰상 여부를 알 수 없기 때문에, 차량이 운행을 종료한 후 별도의 차륜 검사고를 통해서 전 차륜의 찰상 여부를 검지하므로 그 시간과 비용이 많이 투자된다.
또한 고속 운행 시 실시간으로 차륜의 찰상을 검지하는 기술은 존재하지 않기 때문에 차륜이 손상되면 차륜이 연결된 대차의 비정상 진동이 발생하고, 대차에 발생한 비정상 진동을 측정하는 대차헌팅 센서가 동작하여 고속열차의 운영화면에 도시되어 열차를 감속하는 등의 조치가 취해진다.
그러나 대차 이상 진동 감지의 경우 그 원인이 차륜의 찰상인지 대차구성품의 원인인지는 파악할 수 없고 운행 종료 및 기지입고 후 별도의 정밀검사의 과정을 요구하게 된다. 따라서 유지보수의 시간증대 및 운영효율성 측면에서 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제2000-0031168호(공개일 : 2000.06.05)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 열차 운행 중 선로의 환경에 따라 차륜에 찰상이 발생한 경우에 차축에 설치된 가속도 센서를 이용하여 고속 주행 중에도 찰상에 의해 발생되는 진동을 측정하여 차량의 속도 및 휠 직경과 연동해 실시간으로 차륜의 찰상을 검지할 수 있도록 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템은, 열차의 주행에 따른 차량 속도(V)를 검출하는 속도 센서부; 상기 열차의 주행에 따른 차축 가속도를 검출하는 가속도 센서부; 상기 열차의 각 차축별 차륜 직경(D)을 데이터로 저장하고, 상기 차륜 직경(D)과 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식을 저장하고 있는 차축차륜 정보 저장부; 및 상기 차량 속도 (V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하고, 상기 가속도 센서부를 통해 검출된 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도 주파수(f2)를 산출하며, 산출한 차축 가속도 주파수(f2)를 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)와 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜 찰상으로 검지하는 검지 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차륜 찰상 여부를 화면 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이부; 상기 차륜 찰상 여부에 따라 찰상이 발생한 차축의 정보를 저장하기 위한 고장정보 저장부; 및 상기 속도 센서부와 상기 가속도 센서부, 상기 차축차륜 정보 저장부, 상기 검지 제어부, 상기 디스플레이부 및 상기 고장정보 저장부 간에 통신 프로토콜을 통해 서로 데이터를 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있도록 통신 기능을 제공하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 속도 센서부와 상기 가속도 센서부 및 상기 통신부는 하나의 모듈을 통해 차축 또는 다른 부위에 일체형으로 설치될 수 있다.
또한, 상기 속도 센서부는, GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 타코미터(Tacometer)를 이용하여 상기 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출할 수 있다.
그리고, 상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식은 상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)가 다음 수학식에 따라 상기 차량 속도(V)에 비례하는 것을 알 수 있다.
Figure 112015071809713-pat00001
여기서, V는 차량 속도를 나타내고, D는 각 차축별 차륜 직경을 나타내며, f1은 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수를 나타낸다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 방법은, 열차의 각 차축별 차륜 직경(D) 데이터를 저장하고 있는 시스템의 열차 차륜 찰상 검지 방법으로서, (a) 속도 센서부가 열차의 주행에 따른 차량 속도(V)를 검출하는 단계; (b) 검지 제어부가 상기 차량 속도(V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜의 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하는 단계; (c) 가속도 센서부가 차축 가속도를 검출하는 단계; (d) 검지 제어부가 상기 검출된 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도 주파수(f2)를 산출하는 단계; 및 (e) 검지 제어부가 상기 차축 가속도 주파수(f2)와 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜 찰상으로 검지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, 상기 속도 센서부가 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 타코미터(Tacometer)를 이용하여 상기 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 검지 제어부가, 상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식인 다음 수학식에 따라 상기 차량 속도(V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출할 수 있다.
Figure 112015071809713-pat00002
여기서, V는 차량 속도를 나타내고, D는 각 차축별 차륜 직경을 나타내며, f1은 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수를 나타낸다.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 검지 제어부가, 상기 검지한 차륜 찰상에 관한 정보를 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)에 전송하여 운전자가 볼 수 있도록 화면 상에 디스플레이하거나, 상기 검지한 차륜 찰상이 발생된 차축의 정보를 기록할 수 있다.
그리고, 상기 (e) 단계는, 상기 검지 제어부가 상기 차륜 찰상의 검지 시 가속도 센서를 통해 검출된 수직 가속도의 크기를 측정하여, 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS) 혹은 차축차륜 정보 저장부에 기록된 차량 정보를 이용하여 찰상의 정도를 산출해 중고장이나 경고장으로 디스플레이 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고속 운행 중에 차륜의 찰상 검지 시 감속하여 사고를 미연에 방지하여 승객의 승차감을 높일 수 있다.
또한, 운행 후에는 해당 차륜만 검사하고 삭정하게 됨으로써 신속한 정비 및 유지보수 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열차 차륜 찰상 검지 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 차륜에 찰상이 발생하기 전과 후의 차축 가속도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 속도 센서부와 가속도 센서부를 통해 검출된 차량 속도 및 진동 주파수에 따라 차륜의 찰상 상태를 검지하는 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템(100)은, 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(120), 차축차륜 정보 저장부(130), 디스플레이부(140), 통신부(150), 고장정보 저장부(160) 및 검지 제어부(170)를 포함한다.
본 발명에 예시된 차량은 일반 열차나 고속 열차를 포함하는 것으로 설명할 수 있으며, 각 구성 요소들은 서로 간에 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템(100)은 위와 같은 구성 요소들을 하나의 모듈로 하여 열차의 일 부분에 설치될 수 있으며, 통신부(150)를 통해 차량 진단 제어 시스템(TDCS:Train Diagnostic Control System 또는 TCMS) 장치와 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
속도 센서부(110)는 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 타코미터(Tacometer)를 이용하여 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출한다.
또한, 속도 센서부(110)는 타코미터를 이용할 경우에, 하나의 차축에만 타코미터가 설치되거나 또는 하나 이상의 차축에 각각 설치될 수 있다.
그리고, 속도 센서부(110)는 GPS 모듈 또는 타코미터가 차축에 설치될 때에 속도 센서부 자체만 차축에 독립적으로 설치되거나 또는 다른 장치와 하나의 모듈을 통해 일체형으로 설치될 수도 있다.
가속도 센서부(120)는 차량의 각 차축에 설치되어 차축 가속도를 검출한다.
타코미터가 하나의 차축에만 설치된 경우에, 검지 제어부(170)는 타코미터가 설치되지 않은 다른 차축으로부터 가속도 센서부(120)를 통해 차축 가속도만 전달받는 경우에, 타코미터가 설치된 차축으로부터 차량 속도(V)를 전달받아 타코미터가 설치되지 않은 다른 차축에 대해서도 차륜의 찰상을 검지할 수 있다.
타코미터가 모든 차축에 설치된 경우에, 검지 제어부(170)는 차륜 직경(D)을 이용하지 않고도, 타코미터가 차륜이 한 바퀴를 회전할 때마다 차륜에서 발생하는 진동 주파수(f3)를 이용해 차량 속도(V)를 산출하는 동작 원리를 이용한다. 즉, 검지 제어부(130)는 차륜이 회전할 때마다 찰상 부위에서 발생하는 진동에 따른 차축 가속도를 샘플링 및 분석하여 얻은 차축 가속도 주파수(f2)와 타코미터의 진동 주파수(f3)를 비교해 일정 범위 내로 일치하는지의 여부에 따라 차륜의 찰상을 검지할 수 있다.
차축차륜 정보 저장부(130)는 차량의 각 차축별 차륜 직경(D) 및 해당 차축의 위치 정보를 데이터로 저장하고 있다. 또한, 차량정보 저장부(120)는 다음 수학식 1에 따른 차륜 직경(D)과 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식을 저장하고 있다.
Figure 112015071809713-pat00003
여기서, V는 차량 속도를 나타내고, D는 차축별 차륜 직경을 나타내며, f1은 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수를 나타낸다.
즉, 차륜 직경(D)과 차축 가속도의 주파수(f1), 차량 속도(V) 간에는 수학식1에 따라 차륜 직경(D)이나 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)가 차량 속도(V)에 비례함을 알 수 있다.
이때, 속도 센서부(110) 및 가속도 센서부(120)는 열차의 차축에 또는 열차의 다른 부위에 하나의 모듈을 통해 일체형으로 설치되거나, 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(120), 통신부(150) 및 검지 제어부(170)가 하나의 모듈을 통해 일체형으로 열차의 차축 또는 다른 부위에 설치될 수 있다.
디스플레이부(140)는 운전자가 볼 수 있도록 차륜 찰상 여부를 화면 상에 디스플레이한다. 따라서, 디스플레이부(140)는 운전자가 열차를 운전하면서 볼 수 있는 위치로서 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)에 설치될 수 있다.
통신부(150)는 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(120), 차량정보 저장부(130), 디스플레이부(140), 고장정보 저장부(160) 및 검지 제어부(170)가 열차 내에서 통신 프로토콜을 통해 서로 데이터를 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있도록 통신 기능을 제공한다. 또한, 통신부(150)는 차륜 찰상 여부를 무선으로 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS) 또는 관제 센터에 전송하는 통신 기능도 제공한다.
고장정보 저장부(160)는 차륜 찰상 여부에 따라 찰상이 발생한 차축의 정보를 저장한다. 이 때, 고장정보 저장부(160)는 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)에 포함될 수 있다.
검지 제어부(170)는 속도 센서부(110)를 통해 열차의 현재 차량 속도 (V)를 검출하고, 각 차축별 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 수학식1에 따라 차륜 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도의 주파수(f1)를 산출한다.
이어, 검지 제어부(170)는 차축에 설치된 가속도 센서부(120)를 통해 차축 가속도가 검출되면, 차축 가속도를 도 3과 같이 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도의 주파수(f2)를 산출하고, 산출한 차축 가속도의 주파수(f2)를 해당 차축 가속도의 주파수(f1)와 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜에 찰상이 검지된 것으로 인식한다.
또한, 검지 제어부(170)는, 산출한 차축 가속도 주파수(f2)와 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 비교하여 검지한 해당 차축의 차륜 찰상 여부를 운전자가 볼 수 있도록 통신부(150)를 통해 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)에 전송하고, 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)가 디스플레이부의 화면 상에 디스플레이 함으로써 운전자가 확인하게 된다.
그리고, 검지 제어부(170)는 해당 차축의 차륜 찰상 여부를 통신부(150)를 통해 관제 센터에 무선으로 전송하도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열차 차륜 찰상 검지 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열차 차륜 찰상 검지 시스템(100)은, 먼저 속도 센서부(110)가 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출한다(S210).
즉, 속도 센서부(110)는 하나의 차축에만 설치되거나, 하나 이상의 차축에 각각 설치된 타코미터(Tacometer)를 이용하여 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출한다. 모든 차축에 설치된 타코미터가 모두 고장이 난 경우에는 GPS(Global Positioning System) 정보를 이용하여 차량 속도(V)를 산출할 수 있다.
이때, 차축차륜 정보 저장부(130)는 차량의 각 차축별 차륜 직경(D)을 데이터로 저장하고 있고, 수학식 1에 따른 차륜 직경(D)과 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식을 저장하고 있다.
여기서, GPS 정보 또는 타코미터를 이용하여 차량의 주행 속도를 검출하는 기술은 당 기술분야에서 널리 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이어, 검지 제어부(170)는 속도 센서부(110)를 통해 검출된 열차의 현재 차량 속도 (V)와 각 차축별 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 수학식1에 따라 차륜의 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도의 주파수(f1)를 산출한다(S220).
이어, 가속도 센서부(120)가 차축 가속도를 검출한다(S230).
각각의 차축에 설치된 각 가속도 센서부(120)는 차축 가속도를 검출하여 각각 검지 제어부(170)에 전달한다.
가속도 센서부(120)는 고속 열차의 차축에 설치된 수직방향 가속도 센서로서, 차량 운행 시 차륜의 찰상에 의해서 발생되는 진동을 측정하는 용도로 차륜이 결합된 차축에 설치되는 것이 바람직하다.
가속도 센서부(120)는 속도 센서부(110)와 함께 하나의 모듈을 통해 차축에 일체형으로 설치되거나, 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(120), 통신부(150) 및 검지 제어부(170)까지 하나의 모듈을 통해 열차의 차축에 또는 다른 부위에 설치될 수 있다.
열차가 고속으로 주행하는 중에 차륜에 찰상이 발생할 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이 차축의 수직 가속도가 급격하게 진동하는 현상이 나타난다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 차륜에 찰상이 발생하기 전과 후의 차축 가속도를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 일정한 간격을 가지고 강한 진동이 발생하는 것을 알 수 있다. 이때, 발생하는 진동의 주요 주파수(f1)는 차륜이 한 바퀴 돌 때마다 차륜의 찰상 발생 위치에서 진동이 커지게 되므로, 수학식1에 따라 차량 속도에 비례하는 주파수를 발생시키게 된다. 그리고 이때의 계수는 차륜의 직경(D)에 비례하는 πD라는 값을 가지게 된다.
이어, 검지 제어부(170)는 차축에 설치된 가속도 센서부(120)를 통해 차축 가속도가 검출되면, 차축 가속도를 도 3과 같이 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도의 주파수(f2)를 산출한다(S240).
이어, 검지 제어부(170)는 산출한 차축 가속도의 주파수(f2)를 해당 차축 가속도의 주파수(f1)와 비교한다(S250).
이어, 검지 제어부(170)는 산출한 차축 가속도의 주파수(f2)와 해당 차축 가속도의 주파수(f1)의 비교 결과, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜에 찰상이 검지된 것으로 인식한다(S260).
또한, 검지 제어부(170)는 찰상이 발생한 차축의 정보를 고장정보 저장부(160)에 저장하여, 해당 차축만 유지보수를 할 수 있도록 한다.
또한, 검지 제어부(170)는, 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 산출한 차축 가속도의 주파수(f2)를 도 3과 같이 화면 상에 디스플레이하거나, 산출한 차축 가속도의 주파수(f2)와 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 비교하여 검지한 해당 차축의 차륜 찰상 여부를 운전자가 볼 수 있도록 디스플레이부의 화면 상에 디스플레이하도록 제어할 수 있다. 예를 들면, 검지 제어부(170)는 해당 차축의 차륜 찰상 여부를 통신부(150)를 통해 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)에 전송하고, 차량 진단 제어 시스템(TDCS/TCMS)이 운전자가 볼 수 있도록 디스플레이부의 화면 상에 디스플레이하는 것이다.
또한, 검지 제어부(170)는 도 3의 차륜 찰상 발생 시 계측되는 수직 가속도의 크기를 측정하여, TDCS 혹은 차축차륜 정보 저장부(130)에 기록된 차량 정보를 이용하여 찰상의 정도를 평가(산출)할 수 있다. 이것은 찰상의 깊이가 클수록 차축 가속도의 진동이 커지기 때문이다.
그리고, 검지 제어부(170)는 고장의 정도를 경고장이나 중고장 등으로 디스플레이부(140)를 통해 화면 상에 운전자가 볼 수 있도록 실시간으로 디스플레이 할 수 있다.
따라서, 열차가 고속으로 주행하는 중에 차륜에 찰상이 발생하더라도 이를 검지하여 운전자에게 실시간으로 알릴 수 있고, 운전자는 이를 인식하여 속도를 줄이게 됨으로써 차륜의 찰상으로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
한편, 대부분의 열차에는 도 4에 도시된 바와 같이 각 차축별로 타코미터를 이용한 속도 센서부(110)가 설치되어 있다. 이때, 속도 센서부(110)는 가속도 센서부(120)와 함께 하나의 모듈을 통해 차축에 일체형으로 설치될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 속도 센서부와 가속도 센서부를 통해 검출된 차량 속도 및 진동 주파수에 따라 차륜의 찰상 상태를 검지하는 예를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 검지 제어부(170)는 타코미터에서 계측되는 주파수(f3)를 이용하여 각 차축별로 차량 속도(V)를 모니터링할 수 있다.
이 때 속도 센서부(110)는 대부분 차축에 위치하게 되는데, 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(120)를 일체형으로 하여 차축에 설치하면, 별도의 차륜 직경 및 속도 정보 없이도 찰상이 발생하였을 때, 차축 가속도 주파수(f2)와 타코미터의 주파수(f3)가 어느 정도 일치하게 되면 차륜 찰상의 검지가 가능하다.
도 4에서 각 화살표는 유선 혹은 무선이 모두 가능하고, 차량의 제작 시에 설치되어 있지 않더라도 무선 통신을 통해서 모듈만의 부착을 통해서 차륜의 찰상 검지를 가능하게 할 수 있다. 또한 차량 TDCS와의 통신을 위해서, 해당 차량의 기기 장치간 통신 프로토콜 규약을 따르는 것이 바람직하다.
그리고, 타코미터의 속도 신호와 가속도 신호를 전달받아 신호 처리를 하는 검지 제어부(170)는 CPU 혹은 별도 chip을 내장하여 차축 가속도 주파수(f2)와 타코미터의 주파수(f3)의 비교를 수행하여 찰상을 검지하는 기능을 가질 수도 있고, 혹은 주파수만 추출하여 통신으로 TDCS로 데이터만 송신하면 TDCS에서 해당 연산을 수행하여 찰상 여부를 판단하도록 구성할 수도 있다. 그 외의 중간에 어느 곳이라도 차륜 찰상의 검지 연산은 가능하다.
한편, 차륜에 찰상이 발생할 경우에 차륜을 지지하는 베어링에 하중이 강하게 가해져서 베어링의 온도가 올라가는 경우도 발생한다. 따라서, 속도 센서부(110)와 가속도 센서부(130)가 차축에 일체로 설치된 일체형 모듈에 차축 베어링의 온도를 검출하는 온도 센서까지 설치하여, 추가로 온도까지 검출하면 찰상의 발생 여부를 보다 정확히 검지할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고속 열차 운행 중 선로의 환경에 따라 차륜에 찰상이 발생한 경우에 차축에 설치된 가속도 센서를 이용하여 고속 주행 중에도 찰상에 의해 발생되는 진동을 측정하여 차량의 속도 및 휠 직경과 연동해 실시간으로 차륜의 찰상을 검지할 수 있도록 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 열차 차륜 찰상 검지 시스템
110 : 속도 센서부
120 : 가속도 센서부
130 : 차축차륜 정보 저장부
140 : 디스플레이부
150 : 통신부
160 : 고장정보 저장부
170 : 검지 제어부

Claims (10)

  1. 열차의 주행에 따른 차량 속도(V)를 검출하기 위한 타코미터를 구비하는 속도 센서부;
    상기 열차의 주행에 따른 차축 가속도를 검출하는 가속도 센서부;
    상기 열차의 각 차축별 차륜 직경(D)을 데이터로 저장하고, 상기 차륜 직경(D)과 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식을 저장하고 있는 차축차륜 정보 저장부; 및
    상기 차량 속도 (V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하고, 상기 가속도 센서부를 통해 검출된 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도 주파수(f2)를 산출하며, 산출한 차축 가속도 주파수(f2)를 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)와 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 해당 차축의 차륜 찰상으로 검지하는 검지 제어부를 포함하고,
    상기 타코미터가 하나의 차축에만 설치된 경우에, 상기 검지 제어부는 상기 타코미터가 설치되지 않은 다른 차축으로부터 상기 가속도 센서부를 통해 차축 가속도만 전달받는 경우에, 상기 타코미터가 설치된 차축으로부터 차량 속도(V)를 전달받아 상기 타코미터가 설치되지 않은 다른 차축에 대해서도 차륜의 찰상을 검지하며,
    상기 속도 센서부와 상기 가속도 센서부는 차축에 일체로 설치된 일체형 모듈로 구성되며,
    상기 일체형 모듈은 상기 차륜을 지지하는 차축 베어링의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하며,
    상기 검지 제어부는 상기 온도 센서를 통해 검출된 차축 베어링의 온도에 근거해 찰상 발생 여부를 검지하는, 열차 차륜 찰상 검지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차륜 찰상 여부를 화면 상에 디스플레이하기 위한 디스플레이부;
    상기 차륜 찰상 여부에 따라 찰상이 발생한 차축의 정보를 저장하기 위한 고장정보 저장부; 및
    상기 속도 센서부와 상기 가속도 센서부, 상기 차축차륜 정보 저장부, 상기 검지 제어부, 상기 디스플레이부 및 상기 고장정보 저장부 간에 통신 프로토콜을 통해 서로 데이터를 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있도록 통신 기능을 제공하는 통신부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 속도 센서부와 상기 가속도 센서부 및 상기 통신부는 하나의 모듈을 통해 차축에 일체형 모듈로 설치된 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 속도 센서부는, 상기 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출하기 위해 추가적으로 GPS(Global Positioning System) 모듈을 이용하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식은 상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)가 다음 수학식에 따라 상기 차량 속도(V)에 비례하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 시스템.
    Figure 112015071809713-pat00004

    여기서, V는 차량 속도를 나타내고, D는 각 차축별 차륜 직경을 나타내며, f1은 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수를 나타낸다.
  6. 열차의 각 차축별 차륜 직경(D) 데이터를 저장하고, 타코미터가 하나의 차축에만 설치되며, 속도 센서부와 가속도 센서부 및 온도 센서가 일체형 모듈로 차축에 설치된 시스템의 열차 차륜 찰상 검지 방법으로서,
    (a) 속도 센서부가 열차의 주행에 따른 차량 속도(V)를 상기 타코미터를 통해 검출하는 단계;
    (b) 검지 제어부가 상기 차량 속도(V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜의 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하는 단계;
    (c) 가속도 센서부가 차축 가속도를 검출하는 단계;
    (d) 온도 센서가 차륜을 지지하는 차축 베어링의 온도를 검출하는 단계;
    (e) 검지 제어부가 상기 타코미터가 설치되지 않은 다른 차축으로부터 상기 가속도 센서부를 통해 검출된 차축 가속도만 전달받는 경우에, 상기 전달받은 차축 가속도를 샘플링 및 분석을 통해 차축 가속도 주파수(f2)를 산출하는 단계; 및
    (f) 검지 제어부가 상기 온도 센서를 통해 검출된 차축 베어링의 온도에 근거해, 상기 차축 가속도 주파수(f2)와 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 비교하여, 일정 범위 내로 일치하면 상기 타코미터가 설치되지 않은 차축의 차륜 찰상으로 검지하는 단계;
    를 포함하는 열차 차륜 찰상 검지 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 상기 속도 센서부가 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 타코미터(Tacometer)를 이용하여 상기 열차의 주행에 따른 차량 속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 검지 제어부가, 상기 차륜 직경(D)과 상기 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1) 및 차량 속도(V) 간의 관계식인 다음 수학식에 따라 상기 차량 속도(V)와 상기 차륜 직경(D) 데이터에 근거해 차륜의 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수(f1)를 산출하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 방법.
    Figure 112015071809713-pat00005

    여기서, V는 차량 속도를 나타내고, D는 각 차축별 차륜 직경을 나타내며, f1은 찰상 발생 시 예상되는 차축 가속도 주파수를 나타낸다.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 검지한 차륜 찰상에 관한 정보를 기록하거나, 운전자가 볼 수 있도록 화면 상에 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 열차 차륜 찰상 검지 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 (f) 단계는, 상기 검지 제어부가 상기 차륜 찰상의 검지 시 가속도 센서를 통해 검출된 수직 가속도의 크기를 측정하여, 저장부에 기록된 차량 정보를 이용하여 찰상의 정도를 산출하는 것을 특징으로 하는 열차 차륜 찰상 검지 방법.
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