KR101625832B1

KR101625832B1 - 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101625832B1
Application number: KR1020140065450A
Authority: KR
Inventors: 사공명; 고태훈; 이종섭; 홍원택
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-06-01
Also published as: KR20150137493A

Abstract

스크류콘 관입기를 반자동으로 구동하도록 전동모터를 구비하고, 로드셀이 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치됨으로써 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능하고, 또한, 철도궤도의 레일까지 연장 형성된 지지 하판을 반력저항 볼트를 통해 철도궤도의 레일에 체결함으로써, 스크류콘 관입기의 관입시 발생하는 지반 반력을 철도궤도에 전달하여 지반 반력에 용이하게 저항할 수 있는, 또한, 로드셀에 네 개의 스트레인게이지를 설치한 후 휘트스톤 브릿지 중 풀-브릿지로 구성함으로써 보다 정확하게 철도궤도 하부구조물의 강도를 평가할 수 있는, 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법 {SEMI-AUTOMATIC CONE PENETROMETER WITH SCREW OUTER ROD FOR EVALUATING SUBSTRUCTURE OF RAILWAY TRACK, AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 스크류콘 관입 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 지반 상에 부설된 철도궤도의 하부구조물 평가를 위해서 철도궤도 하부구조물에 반자동으로 관입시키는 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 국내에서 철도 경쟁력 확보를 위하여 기존의 자갈도상 궤도 구간에 대해 200㎞/h 이상의 고속화를 진행을 추진하고 있다. 이러한 철도의 고속화는 기존의 150㎞/h로 설계된 자갈도상 철도궤도 하부구조물의 지지력보다 큰 하중을 가하게 됨에 따라 노반의 침하 또는 상태 변화를 야기할 수 있으며, 이것은 강도 변화, 궤도의 뒤틀림, 노반의 전단파괴 발생시킬 수 있다.

또한, 자갈이 노후화됨에 따라 열차하중에 대한 충격흡수력, 마찰력 등의 기능이 상실될 경우, 레일과 침목이 훼손되는 등 궤도의 파괴를 야기할 수 있다. 이에 띠라 하부구조물의 유지, 보수 및 과다설계에 따른 비용을 최소화하기 위하여 철도궤도 하부구조물의 정확한 상태 평가가 필수적으로 요구된다. 하지만, 현재까지 도상과 노반에 관련된 많은 문제점이 발생하고 있음에도 불구하고, 이러한 상태 평가를 수행할 수 있는 신뢰할 만한 체계가 구축되어있지 않은 실정이다. 그러므로 노반의 심도에 따라 직접적으로 철도궤도 하부구조물을 평가할 수 있는 원위치 관입시험에 대한 연구가 필요한 실정이다.

이러한 원위치 관입시험으로는 SPT(Standard Penetration Test), CPT(Cone Penetration Test), DMT(Flat Plate Dilatometer Test), PMT(Pressuremeter Test), VST(Vane Shear Test) 등이 있다. 특히, 이러한 원위치 관입시험법 중에서 별도의 시추공이 필요하지 않으면서도 연속적으로 신뢰할만한 데이터를 획득할 수 있는 콘 관입시험(CPT)의 비중이 증가하는 추세이다.

그러나 이러한 콘 관입시험(CPT)은 정적 관입을 통하여 대상 지반에 대한 강도를 평가할 수 있는데, 단단한 층으로 이루어진 자갈도상 철도궤도 하부구조물에 적용하기에는 한계가 있으며, 또한, 이러한 콘 관입시험(CPT)에 사용되는 관입장비는 큰 부피를 차지하기 때문에 철도에 적용하는 것은 용이하지 않다는 문제점이 있다. 그러므로 단단한 자갈도상층을 관통할 수 있으면서 관통과 동시에 지반을 실시간으로 측정할 수 있는 장비의 개발이 필요한 실정이다.

한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1293967호에는 "철도 지반평가용 시험기 삽입장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치의 분해사시도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치는, 크게 지반 내에 장착되는 부분, 및 지반을 지지하면서 지반 내에 장착되는 부분의 수직도를 유지할 수 있는 부분으로 구분할 수 있다. 구체적으로, 지반 내에 장착되는 부분은 장착구(10) 및 토사 유입방지빔(20)이 있고, 또한, 지반을 지지하는 부분으로는 반력발판(30)이 있다. 또한, 이러한 반력발판(30)의 상부에 구비된 가이드관(40)은 지반 내에 삽입되는 장착구(10)가 수직도를 유지하면서 삽입되도록 하는 역할을 한다. 여기서, S.G는 스트레인게이지를 나타낸다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 장착구(10)는 내부에 형성된 공간인 체결부(14a)에 철도노반 상태를 측정하는 시험기가 삽입되도록 관형상으로 구비된 본체(14), 및 상기 본체(14)의 외주면을 따라 나선으로 돌출되게 연결 형성된 회전 가이드판(14c)을 포함한다.

반력발판(30)은 철도 선로를 받치는 침목 사이에 설치되는 바닥판(32), 및 상기 바닥판(32)의 중심에 위치하며 상기 장착구(10)가 삽입되도록 중공이 형성된 삽입관(34)을 포함한다.

토사 유입방지빔(20)은 상기 장착구(10)에 착탈 가능하게 결합되며, 상기 장착구(10)의 상기 본체의 하단(14b)에 하향으로 돌출되게 장착되는 돌출부(26)를 포함한다.

종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치에 따르면, 철도노반의 파괴 및 변위의 변화를 최소화하면서 철도노반 상태를 측정할 수 있는 다양한 시험기를 설치하여 원상태의 철도 지반 상태를 직접 관입에 의해 평가할 수 있고, 자갈로 이루어진 철도노반 상부에 위치한 도상의 상태를 객관적으로 측정할 수 있으며, 관입에 의하여 직접적으로 철도 지반의 정수를 측정할 수 있으며, 철도의 도상 및 노반의 취약한 위치를 파악할 수 있어 유지 및 보수에 필요한 정보를 정밀하게 측정할 수 있고, 이로 인하여 철로가 설치되는 철도노반 및 도상이 과다하게 설계되는 것을 방지하여 비용을 절감시킬 수 있다.

그러나 종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치의 경우, 삽입장치를 통한 철도지반 자갈도상층을 관통이 인력으로 수행되며, 이때, 지반의 강한 반력과 마찰력으로 인하여 시험 발판이 뜨거나 관입이 불가능해지는 등 효율이 매우 감소하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치의 경우, 자갈도상층을 관통한 후, 콘 관입시험을 위하여 토사유입방지 빔과 수직 빔을 제거할 때, 삽입장치 내부로 흙 입자가 유입되어 콘 관입이 불가능해지거나 일정하게 유지되어야 하는 관입속도에 영향을 미친다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허번호 제10-1293967호(출원일: 2012년 2월 1일), 발명의 명칭: "철도 지반평가용 시험기 삽입장치" 대한민국 등록특허번호 제10-931546호(출원일: 2007년 10월 9일), 발명의 명칭: "마이크로 콘 관입 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-427016호(출원일: 2001년 6월 7일), 발명의 명칭: "지반조사용 콘 관입 시험장치" 일본 공개특허번호 제2005-326372호(공개일: 2005년 11월 24일), 발명의 명칭: "철도 궤도의 침하 측정 장치 및 측정 방법"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 스크류콘 관입기를 반자동으로 구동하도록 전동모터를 구비하고, 로드셀이 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치됨으로써 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능한, 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 철도궤도의 레일까지 연장 형성된 지지 하판을 반력저항 볼트를 통해 철도궤도의 레일에 체결함으로써, 스크류콘 관입기의 관입시 발생하는 지반 반력을 철도궤도에 전달하여 지반 반력에 저항할 수 있는, 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 로드셀에 네 개의 스트레인게이지를 설치한 후 휘트스톤 브릿지 중 풀-브릿지로 구성함으로써 보다 정확하게 철도궤도 하부구조물의 강도를 평가할 수 있는, 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치는, 지반 상에 부설된 철도궤도의 하부구조물 평가를 위한 스크류콘 관입 장치에 있어서, 소정의 자중을 갖는 지지 상판; 철도궤도의 레일 상에 체결 고정되도록 연장 형성되고, 스크류콘이 관통하는 홀에 나사산이 형성된 지지 하판; 상기 지지 상판의 상부에 배치되어 반자동으로 작동하고, 지반을 관입하는 스크류콘을 구동하도록 토크를 발생시키는 전동모터; 상기 전동모터에서 발생한 토크에 대응하는 회전력을 전달하도록 상기 전동모터에 연결되는 체인기어; 외부 스크류 롯드를 구비하며, 상기 체인기어에 의해 전달된 회전력에 따라 지반을 관입하는 스크류콘 관입기; 및 철도궤도 하부구조물 평가를 위해 상기 스크류콘 관입기 내부에 설치되는 로드셀을 포함하되, 상기 로드셀은 상기 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치되어 상기 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치는, 상기 지지 하판을 상기 철도궤도의 레일 내측에 체결하여 고정시키도록 상기 지지 하판의 하측에 형성되고, 상기 스크류콘 관입기의 관입시 발생하는 지반 반력을 상기 철도궤도에 전달함으로써 상기 지반 반력에 저항할 수 있게 하는 반력저항 볼트를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 스크류콘 관입기는 스크류콘 관입기는 외부 스크류 롯드를 포함하고, 그 내부에 로드셀이 탑재되며, 상기 외부 스크류 롯드의 상부에 상기 지지 상판을 관입속도에 맞추어 아래쪽으로 이동시킬 수 있는 상판 지지 링이 설치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스크류콘 관입기는 상기 지지 상판과 상기 상판 지지 링 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 제1 베어링이 설치되며, 관입시 회전하는 상기 외부 스크류 롯드와 상기 로드셀 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 상기 외부 스크류 롯드의 내부 및 상기 로드셀과 닿는 부분에 제2 베어링이 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치는, 상기 지지 상판 및 상기 지지 하판 사이의 측벽에 설치되어 상기 로드셀에 연결되고, 상기 스크류콘 관입기의 관입시 외부 스크류 롯드만 회전하고 상기 로드셀은 회전하지 않도록 지지하는 역할을 하는 로드셀 회전저항 지지대를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 로드셀은, 풀-브릿지 회로를 구성하는 스트레인게이지; 및 상기 스크류콘 관입기의 관입시 상기 로드셀이 회전하지 않도록 상기 로드셀 회전저항 지지대에 연결되는 로드셀 연장롯드를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 로드셀의 스트레인게이지는, 정면에 설치되어 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지; 정면에 설치되어 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지; 상기 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 수직저항 측정용 제3 스트레인게이지; 및 상기 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 온도영향 상쇄용 제4 스트레인게이지를 포함할 수 있다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법은, 지반 상에 부설된 철도궤도의 하부구조물 평가를 위한 스크류콘 관입방법에 있어서, a) 지반 상의 철도궤도에 스크류콘 관입 장치의 위치를 정렬하는 단계; b) 상기 철도궤도에 반력저항 볼트를 고정하는 단계; c) 전동모터를 구동하여, 상기 전동모터의 회전력을 체인기어를 통해 스크류콘 관입기에 전달하는 단계; d) 상기 스크류콘 관입기의 외부 스크류콘 롯드가 회전하면서 지반에 관입되는 단계; e) 상기 스크류콘 관입기 내부에 설치된 로드셀의 제1 내지 제4 스트레인게이지를 통해 계측하는 단계; 및 f) 계측기기를 통해 철도궤도 하부구조물을 평가하는 단계를 포함하되, 상기 e) 단계의 로드셀은 상기 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치되어 상기 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스크류콘 관입기를 반자동으로 구동하도록 전동모터를 구비하고, 로드셀이 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치됨으로써 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능하다.

본 발명에 따르면, 철도궤도의 레일까지 연장 형성된 지지 하판을 반력저항 볼트를 통해 철도궤도의 레일에 체결함으로써, 스크류콘 관입기의 관입시 발생하는 지반 반력을 철도궤도에 전달하여 지반 반력에 용이하게 저항할 수 있다.

본 발명에 따르면, 로드셀에 네 개의 스트레인게이지를 설치한 후 휘트스톤 브릿지 중 풀-브릿지로 구성함으로써 보다 정확하게 철도궤도 하부구조물의 강도를 평가할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 철도 지반평가용 시험기 삽입장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치의 수직단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 지지 상판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 스크류콘 관입기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀의 제1 내지 제4 스트레인게이지를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 제1 내지 제4 스트레인게이지의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법의 동작흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 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.

[철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치(100)]

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치의 수직단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 지지 상판의 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치(100)는, 지반 상에 부설된 철도궤도의 하부구조물 평가를 위한 스크류콘 관입 장치로서, 지지 상판(110), 지지 하판(120), 로드셀 회전저항 지지대(130), 전동모터(140), 체인기어(150), 스크류콘 관입기(160), 내부 로드셀(170), 반력저항 볼트(180) 및 주행바퀴(190)를 포함한다.

지지 상판(110)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 소정의 자중을 갖는 강재 플레이트로 형성될 수 있고, 상기 지지 상판(110) 상에 전동모터(140)가 탑재되어 고정될 수 있다.

지지 하판(120)은 철도궤도(220)의 레일까지 연장되어 반력저항 볼트(180)에 의해 상기 레일에 체결된다. 이때, 상기 지지 상판(110) 및 상기 지지 하판(120)은 수직으로 설치된 측벽을 통해 결합된다.

로드셀 회전저항 지지대(130)는 상기 지지 상판(110) 및 상기 지지 하판(120) 사이의 측벽에 설치되어, 스크류콘 관입기(160)의 관입시 로드셀(170)이 회전하지 않도록 상기 로드셀 연장롯드에 연결된다. 즉, 상기 로드셀 회전저항 지지대(130)는 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 상기 스크류콘 관입기(160)의 외부 스크류 롯드만 회전하고 상기 로드셀(170)은 회전하지 않도록 지지하는 역할을 한다.

전동모터(140)는 상기 지지 상판(110)의 상부에 배치되어, 사용자의 구동스위치(도시되지 않음) 조작의 의해 반자동으로 토크(Torque)를 발생시킨다. 상기 전동모터(140)의 규격 및 구동은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

체인기어(150)는 상기 전동모터(140)에서 발생된 토크에 대응하는 회전력을 스크류콘 관입기(160)에 전달한다. 즉, 상기 전동모터(140)에서 발생된 토크는 상기 체인기어(150)를 통하여 후술할 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스크류콘 관입기(160)의 외부 스크류 롯드(161)로 전해진다.

스크류콘 관입기(160)는 지반(210)에 관입되는 외부 스크류 롯드(161)를 포함하며, 상기 체인기어(150)에 의해 전달된 회전력에 따라 지반(210)을 관입한다. 상기 스크류콘 관입기(160)에 대한 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

내부 로드셀(170)은 철도궤도(220)의 하부구조물 평가를 위해 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 설치되며, 구체적인 설명은 도 5 내지 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

반력저항 볼트(180)는 상기 지지 하판(120)을 상기 철도궤도(220)의 레일 내측에 체결하여 고정시키도록 상기 지지 하판(120)의 하측에 형성되고, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 발생하는 지반 반력을 상기 철도궤도(220)에 전달함으로써 상기 지반 반력에 저항할 수 있게 한다.

주행바퀴(190)는 스크류콘 관입 장치가 상기 철도궤도(220)의 레일 상에 지지되어 주행할 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 지지 하판(120)의 양측 하부에 각각 설치된다.

이에 따라 상기 전동모터(140)의 회전력은 상기 체인기어(150)를 통해 상기 스크류콘 관입기(160)로 전해지며, 결국, 상기 지지 상판(110)의 자중, 상기 전동모터(140)의 회전력, 상기 지지 하판(120)에 형성된 스크류 관통홀에 형성된 나사산으로 인하여 지반(210)에 관입된다. 이때, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 발생하는 지반 반력은 반력저항 볼트(180)를 철도궤도(220)에 전달함으로써 저항할 수 있다.

또한, 상기 스크류콘 관입기(160)의 외부 스크류 롯드(161)의 회전 시에 내부 로드셀(170)은 상기 로드셀 회전저항 지지대(130)에 연결되어 회전하지 않으며, 상기 외부 스크류 롯드(161)만 회전하여 지반(210)에 관입된다.

이때, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입속도에 맞추어 상기 전동모터(140), 지지 상판(110), 로드셀 회전저항 지지대(130) 또한 동시에 아래로 이동하여 상기 외부 스크류 롯드(161)에 추진력을 연속적으로 전해줄 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 및 도 4를 참조하면 전동모터(140)의 회전력은 체인을 통해 스크류 콘 관입기(160)로 전해지며, 지지 상판(110)의 자중, 전동모터(140)의 회전력으로 인하여 스크류 콘 관입기(160)는 지반에 관입된다. 전동모터(140)는 지지 상판(110)에 설치되며, 전동모터(140) 및 지지 상판(110)의 자중은 지지 상판(110)과 상판 지지 링(163) 사이에 설치된 지지 상판 연결부(미도시)에 의해 상판 지지 링(163)으로 전달된다. 이에 전동모터(140), 지지 상판(110) 및 로드셀 연장롯드(173)에 연결된 로드셀 회전저항 지지대(130)는 동시에 아래로 이동하여 외부 스크류 롯드(161)에 추진력을 연속적으로 전해줄 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 스크류콘 관입기를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 스크류콘 관입기(160)는, 스크류 롯드(161), 톱니(162), 상판 지지 링(163), 제1 베어링(164) 및 제2 베어링(165)을 포함하며, 내용 이해를 위해 편의상 나사산과 상기 로드셀 회전저항 지지대(130)는 도시하지 않았다.

스크류콘 관입기(160)는 외부 스크류 롯드(161)를 포함하며, 그 내부에 로드셀(170)이 탑재된다. 이때, 상기 외부 스크류 롯드(161)의 상부에 상기 지지 상판(110)을 관입속도에 맞추어 아래쪽으로 이동시킬 수 있도록 상판 지지 링(163)이 설치된다.
보다 구체적으로, 전술한 바와 같이 전동모터(140), 지지 상판(110) 및 회전저항 지지대(130)는 동시에 아래로 이동하여 외부 스크류 롯드(161)에 추진력을 연속적으로 전해줄 수 있다. 또한, 전동모터(140)의 자중을 포함하는 지지 상판(110)의 자중은 지지 상판(110)과 상판 지지 링(163) 사이에 설치된 지지 상판 연결부(미도시)에 의해 상판 지지 링(163)으로 전달되어 지지 상판(110)은 스크류콘 관입기(160)의 관입속도에 맞추어 아래쪽으로 이동할 수 있다.

또한, 상기 지지 상판(110)과 상기 상판 지지 링(163) 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 제1 베어링(164)이 설치되며, 또한, 관입시 회전하는 상기 외부 스크류 롯드(161)와 상기 로드셀(170) 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 상기 외부 스크류 롯드(161)의 내부 및 상기 로드셀(170)과 닿는 부분에 제2 베어링(165)이 설치된다.

한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀을 구체적으로 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀(170)은, 제1 내지 제4 스트레인게이지(171), 원추(172), 로드셀 연장롯드(173), 회로구성 셀(174), 스트레인게이지 케이블 홀(175) 및 케이블 조임판(176)을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀(170)은 로드셀 연장롯드(173)를 구비하며, 이때, 센서 케이블은 상기 로드셀 연장롯드(173)를 통하여 계측기기(도시되지 않음)로 연결될 수 있다. 또한, 상기 로드셀 연장롯드(173)는 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 상기 로드셀(170)이 회전하지 않도록 전술한 로드셀 회전저항 지지대(130)에 연결된다.

또한, 회로구성 셀(174) 공간에서 각각의 스트레인게이지 케이블(도시되지 않음)과 연장케이블(도시되지 않음)을 이용한 회로 구성이 가능하며, 이때, 케이블 조임판(176)을 이용하여 상기 스트레인게이지 케이블과 연장케이블을 잡아줄 수 있어 실험 도중에 상기 스트레인게이지 케이블 및 연장케이블에 인장력이 걸리더라도 상기 스트레인게이지(171) 및 상기 회로구성 셀(174)의 회로를 보호할 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 로드셀의 제1 내지 제4 스트레인게이지를 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 제1 내지 제4 스트레인게이지의 회로 구성을 나타내는 도면이다.

도 6의 a)는 로드셀(170)의 정면도이고, 도 6의 b)는 로드셀(170)의 배면도이며, 도 6의 c)는 로드셀(170)의 측면도이고, 도 6의 d)는 로드셀(170)의 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에서 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 정면에 설치되어 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1), 정면에 설치되어 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2), 상기 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 수직저항 측정용 제3 스트레인게이지(SG3), 및 상기 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 온도영향 상쇄용 제4 스트레인게이지(SG4)를 포함하되, 상기 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)는 풀-브릿지(Full Bridge) 회로를 구성한다.

구체적으로, 네 개의 스트레인게이지(SG1~SG4)는 휘트스톤브릿지 중 풀-브릿지로 구성되며, 입력전압(Vs)과 출력전압(Vo)은 다음의 수학식 1로 표현되며, 온도와 편심에 의한 영향을 배제한 지반의 축방향 저항력을 측정하여 지반의 강도를 평가할 수 있다. 즉, 4개의 스트레인게이지의 저항을 R1, R2, R3 그리고 R4로 나타내고, 각 스트레인게이지의 저항 증가량을 ΔR1, ΔR2, ΔR3 및 ΔR4로 나타내면, 휘트스톤 브리지에서 입력전압(Vs)인 E와 출력 전압(Vo)인 e 사이에는 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.

이때, 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)의 저항비율과 저항증분 간의 관계는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 각각의 저항비율 관계식 ΔR2/R2, ΔR3/R3 및 ΔR4/R4도 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이들은 수학식 3과 같이 탄성체에서의 변형률 함수로 수학식을 재정리할 수 있다.

여기서, Ks와 ε는 각각 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)의 게이지 상수와 탄성체의 변형률을 의미하며, 게이지 상수는 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)가 갖는 고유값으로서, 재료에 따라 다양한 값을 가질 수 있다. 특히, 수학식 3은 사용자의 측정 목적 및 배열에 따라 외력을 상쇄시키거나 증가시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치에 따르면, 스크류콘 관입기에 스크류콘과 로드셀을 일체화시켜 관통과 동시에 지반 조사가 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치는, 전동모터(140)를 이용한 반자동 관입 장치로서, 로드셀(170)에 네 개의 스트레인게이지(SG1~SG4)를 설치한 후 휘트스톤 브릿지 중 풀-브릿지로 구성함으로써 보다 정확하게 철도궤도 하부구조물의 강도를 평가할 수 있다.

[철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법]

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법의 동작흐름도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법은, 먼저, 지반(210) 상의 철도궤도(220)에 스크류콘 관입 장치(100)의 위치를 정렬한다(S110).

다음으로, 상기 철도궤도(220)에 반력저항 볼트(180)를 고정한다(S120). 이에 따라 상기 반력저항 볼트(180)는 상기 지지 하판(120)을 상기 철도궤도(220)의 레일 내측에 체결하여 고정시키도록 상기 지지 하판(120)의 하측에 형성되고, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 발생하는 지반 반력을 상기 철도궤도(220)에 전달함으로써 상기 지반 반력에 저항할 수 있다.

다음으로, 전동모터(140)를 구동하여, 상기 전동모터(140)의 회전력을 체인기어(150)를 통해 스크류콘 관입기(160)에 전달한다(S130).

다음으로, 상기 스크류콘 관입기(160)의 외부 스크류콘 롯드(161)가 회전하면서 지반(210)에 관입된다(S140). 이때, 로드셀 회전저항 지지대(130)가 상기 지지 상판(110) 및 상기 지지 하판(120) 사이의 측벽에 설치되어, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 외부 스크류 롯드만 회전하고 상기 로드셀(170)은 회전하지 않도록 지지하는 역할을 한다.

다음으로, 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 설치된 로드셀(170)의 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)를 통해 계측한다(S150).

다음으로, 계측기기(도시되지 않음)를 통해 철도궤도(220)의 하부구조물을 평가한다(S160).

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 스크류콘 관입기를 반자동으로 구동하도록 전동모터를 구비하고, 로드셀이 스크류콘 관입기 내부에 일체형으로 배치됨으로써 지반의 관통과 동시에 지반 조사가 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 철도궤도의 레일까지 연장 형성된 지지 하판을 반력저항 볼트를 통해 철도궤도의 레일에 체결함으로써, 스크류콘 관입기의 관입시 발생하는 지반 반력을 철도궤도에 전달하여 지반 반력에 용이하게 저항할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 로드셀(170)에 네 개의 스트레인게이지(SG1~SG4)를 설치한 후, 휘트스톤 브릿지 중 풀-브릿지로 구성하여 보다 정확하게 철도궤도 하부구조물의 강도를 평가할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 스크류콘 관입 장치
110: 지지 상판
120: 지지 하판
130: 로드셀 회전저항 지지대
140: 전동모터
150: 체인기어
160: 스크류콘 관입기
170: 내부 로드셀
180: 반력저항 볼트
190: 주행바퀴
161: 스크류 롯드
162: 톱니
163: 상판 지지 링
164: 제1 베어링
165: 제2 베어링
171: 스트레인게이지(SG1~SG4)
172: 원추
173: 로드셀 연장롯드
174: 회로구성 셀
175: 스트레인게이지 케이블 홀
176: 케이블 조임판
SG1: 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지
SG2: 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지
SG3: 수직저항 측정용 제3 스트레인게이지(편심영향 보정)
SG4: 온도영향 상쇄용 제4 스트레인게이지(편심영향 보정)
210: 지반
220: 철도궤도

Claims

지반(210) 상에 부설된 철도궤도(220)의 하부구조물 평가를 위한 스크류콘 관입 장치에 있어서,
소정의 자중을 갖는 지지 상판(110);
철도궤도(220)의 레일 상에 체결 고정되도록 연장 형성되고, 스크류콘이 관통하는 홀에 나사산이 형성된 지지 하판(120);
스크류콘 관입기(160)의 관입시 외부 스크류 롯드만 회전하고 로드셀(170)은 회전하지 않도록 지지하는 역할을 하는 로드셀 회전저항 지지대(130);
상기 지지 상판(110)의 상부에 배치되어 반자동으로 작동하고, 지반(210)을 관입하는 스크류콘을 구동하도록 토크(Torque)를 발생시키는 전동모터(140);
상기 전동모터(140)에서 발생한 토크에 대응하는 회전력을 전달하도록 상기 전동모터(140)에 연결되는 체인기어(150);
외부 스크류 롯드를 구비하며, 상기 체인기어(150)에 의해 전달된 회전력에 따라 지반을 관입하는 스크류콘 관입기(160); 및
철도궤도 하부구조물 평가를 위해 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 설치되며, 풀-브릿지(Full Bridge) 회로를 구성하는 스트레인게이지(171); 및 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 상기 로드셀(170)이 회전하지 않도록 상기 로드셀 회전저항 지지대(130)에 연결되는 로드셀 연장롯드(173);를 포함하는 로드셀(170);을 포함하되,
상기 로드셀(170)의 스트레인게이지(171)는, 정면에 설치되어 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1); 정면에 설치되어 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2); 상기 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 수직저항 측정용 제3 스트레인게이지(SG3); 및 상기 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 온도영향 상쇄용 제4 스트레인게이지(SG4)를 포함하며,
상기 로드셀(170)은 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 일체형으로 배치되어 상기 지반(210)의 관통과 동시에 지반 조사가 가능하는 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지 하판(120)을 상기 철도궤도(220)의 레일 내측에 체결하여 고정시키도록 상기 지지 하판(120)의 하측에 형성되고, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 발생하는 지반 반력을 상기 철도궤도(220)에 전달함으로써 상기 지반 반력에 저항할 수 있게 하는 반력저항 볼트(180)를 추가로 포함하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치.
제1항에 있어서,
상기 스크류콘 관입기(160)는 외부 스크류 롯드(161)를 포함하고, 그 내부에 로드셀(170)이 탑재되며, 전동모터(140)의 자중을 포함하는 지지 상판(110)의 자중은 상기 외부 스크류 롯드(161)의 상부에 형성된 상판 지지 링(163)을 통해 전달되어, 상기 지지 상판(110)은 상기 스크류 콘 관입기(160)의 관입속도에 맞추어 아래쪽으로 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치.
제3항에 있어서,
상기 스크류콘 관입기(160)는 상기 지지 상판(110)과 상기 상판 지지 링(163) 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 제1 베어링(164)이 설치되며, 관입시 회전하는 상기 외부 스크류 롯드(161)와 상기 로드셀(170) 사이의 마찰력을 최소화하기 위하여 상기 외부 스크류 롯드(161)의 내부 및 상기 로드셀(170)과 닿는 부분에 제2 베어링(165)이 설치되는 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치.
제1항에 있어서,
상기 로드셀 회전저항 지지대(130)는 상기 지지 상판(110) 및 상기 지지 하판(120) 사이의 측벽에 설치되어 상기 로드셀(170)에 연결되는 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 장치.
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지반(210) 상에 부설된 철도궤도(220)의 하부구조물 평가를 위한 스크류콘 관입방법에 있어서,
a) 지반(210) 상의 철도궤도(220)에 스크류콘 관입 장치(100)의 위치를 정렬하는 단계;
b) 상기 철도궤도(220)에 반력저항 볼트(180)를 고정하는 단계;
c) 전동모터(140)를 구동하여, 상기 전동모터(140)의 회전력을 체인기어(150)를 통해 스크류콘 관입기(160)에 전달하는 단계;
d) 상기 스크류콘 관입기(160)의 외부 스크류콘 롯드(161)가 회전하면서 지반(210)에 관입되는 단계;
e) 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 설치된 로드셀(170)의 제1 내지 제4 스트레인게이지(SG1~SG4)를 통해 계측하는 단계; 및
f) 계측기기를 통해 철도궤도 하부구조물을 평가하는 단계
를 포함하되,
상기 d) 단계에서 로드셀 회전저항 지지대(130)가 지지 상판(110) 및 지지 하판(120) 사이의 측벽에 설치되어, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 외부 스크류 롯드만 회전하고 상기 로드셀(170)은 회전하지 않도록 지지하는 역할을 하며,
상기 로드셀(170)은 철도궤도 하부구조물 평가를 위해 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 설치되며, 풀-브릿지(Full Bridge) 회로를 구성하는 스트레인게이지(171); 및 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 상기 로드셀(170)이 회전하지 않도록 상기 로드셀 회전저항 지지대(130)에 연결되는 로드셀 연장롯드(173);를 포함하며,
상기 로드셀(170)의 스트레인게이지(171)는, 정면에 설치되어 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1); 정면에 설치되어 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2); 상기 수직저항 측정용 제1 스트레인게이지(SG1)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 수직저항 측정용 제3 스트레인게이지(SG3); 및 상기 온도영향 상쇄용 제2 스트레인게이지(SG2)에 대응하여 배면에 설치되고 편심영향을 보정하는 온도영향 상쇄용 제4 스트레인게이지(SG4)를 포함하며,
상기 e) 단계의 로드셀(170)은 상기 스크류콘 관입기(160) 내부에 일체형으로 배치되어 상기 지반(210)의 관통과 동시에 지반 조사가 가능한 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법.
제8항에 있어서,
상기 b) 단계의 반력저항 볼트(180)는 지지 하판(120)을 상기 철도궤도(220)의 레일 내측에 체결하여 고정시키도록 상기 지지 하판(120)의 하측에 형성되고, 상기 스크류콘 관입기(160)의 관입시 발생하는 지반 반력을 상기 철도궤도(220)에 전달함으로써 상기 지반 반력에 저항하는 것을 특징으로 하는 철도궤도 하부구조물 평가를 위한 반자동 스크류콘 관입 방법.
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