KR102027245B1 - 선로전환시스템의 토크 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 있어서, 모터의 회전력을 전달받는 볼스크류의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 동작간; 모터에서 발생 된 회전력을 분기기용 쇄정장치가 직선운동하도록 변화시키기 위해 좌, 우로 움직이는 회전구동암; 동작간과 회전구동암 사이에 발생되는 토크를 측정하기 위해 상기 동작간과 회전구동암에 결합된 회전축을 양측면에 형성한 토크센서;로 구성되는 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 관한 것이다.

Description

선로전환시스템의 토크 측정 장치{TORQUE DETECTION APPARATUS FOR POINT MACHINE}

본 발명은 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 있어서, 모터의 회전력을 전달받는 볼스크류의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 동작간; 모터에서 발생 된 회전력을 직선운동으로 변화시켜 좌, 우로 움직이게 되는 회전구동암; 동작간과 회전구동암 사이에 발생되는 토크를 측정하기 위해 상기 동작간과 회전구동암에 결합된 회전축을 양측면에 형성한 토크센서;로 구성되는 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 관한 것이다.

선로전환기는 평면 교차하는 곳에 설치되어 열차의 운행 진로를 결정하는 중요한 장치이다. 구체적으로는 철로가 분기 되거나 교차하는 지점에는 본선 레일을 중심으로 첨단 레일의 위치를 변동시켜 열차의 진행 방향을 변화시키는데 이와 같이 첨단 레일의 위치를 변동시키는 역할을 하는 것이 선로전환기이다.

또한 동작 상태가 정상적이지 못하면 신호 조작반에 고장 상태가 표시되고, 해당 철로의 진입을 통제하도록 설계되어 있다.

이와 같은 선로전환기 모니터링 시스템과 관련한 선행기술로 예를 들면, 국내등록특허공보 등록번호 제10-0501463호에는 선로전환기 모니터링 시스템 및 방법이 개시되어 있으며, 열차의 운행 진로 변경에 사용되는 선로 전환기의 구동에 따른 첨단 레일과 본선 레일의 밀착상태를 실시간으로 감시하고, 이상 발생 시 보수자 및 사령자에게 즉시 통보하여 신호제어, 열차제어 등의 신속한 초동 대처를 수행하도록 하여, 열차 탈선 등의 대형 안전사고를 미리 방지하며, 즉각적인 보수를 통하여 안전한 철도 운행이 될 수 있도록 한다.

또한 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 국내등록특허공보 등록번호 제10-0863354호에는 선로전환기의 밀착 감시 시스템 및 그 방법이 개시되어 있는데 선로 전환기의 각부로부터 입력되는 데이터를 수집하여 선로전환기의 각부 상태를 모니터링하고, 조정된 데이터와 기준 데이터를 비교하여 정상적으로 조정되었는지의 여부를 알 수 있도록 하고 선로전환기로부터 계측된 데이터가 미리 설정된 한계치를 초과하면 경보음이 발생 되도록 하여 선로전환기의 관리자가 보수하여 안전한 철도 운행이 가능하게 하는 효과를 갖는다.

그러나 상기의 종래기술은 대규모의 감시 시스템으로서 소요되는 비용이 많을 뿐만 아니라, 소규모의 선로 분기점이나 평면 교차점 등에서는 비용의 낭비를 초래하거나 보수, 유지 관리에 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 천재지변이나 청소상태 등으로 인한 고장이 발생할 경우 정밀하고 신속한 유지, 보수, 관리가 필요하지만 현실적으로 즉각 대응이 불가능한 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 소규모의 선로 분기점이나 평면 교차점 등 대규모의 감시 시스템의 설치가 어려운 곳에 평시에도 선로전환기의 고장 유무 등을 꾸준히 감시하여 안전한 열차 운행을 제공할 수 있는 휴대가 간편하고 이동이 자유로운 선로전환기의 전환력 측정기를 제공하였지만 상기 전환력 측정을 위해서는 별도의 시험장비를 부착하여 결과값을 얻을 수 밖에 없어 매우 불편하고 정확하지 못한 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2000-0006607호 한국등록특허 제1124993호 한국등록특허 제0501463호 한국등록특허 제0863354호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소형화 된 토크센서 모듈을 선로전환기 내부에 장착하여 선로전환기 모니터링 장치에 전환력을 표출하여 동작의 이상 유무를 실시간으로 파악할 수 있는 선로전환시스템의 토크 측정 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 선로전환시스템의 토크 측정 장치에 있어서, 모터의 회전력을 전달받는 볼스크류의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 동작간; 모터에서 발생 된 회전력을 분기기용 쇄정장치가 직선운동하도록 변화시키기 위해 좌, 우로 움직이는 회전구동암; 동작간과 회전구동암 사이에 발생되는 토크를 측정하기 위해 상기 동작간과 회전구동암에 결합된 회전축을 양측면에 형성한 토크센서;로 구성된다.

상기 토크센서는, 합금선으로 이루어지고, 늘어나거나 비틀리는 변형을 받으면 단면적이 감소되어 전기 저항이 증가하는 증가분을 측정하는 스트레인 게이지; 상기 스트레인 게이지의 변형량을 전달받아 이에 따른 저항값의 변화를 측정하는 휘스톤 브릿지;를 포함한다.

상기 토크센서의 내부에는 로드셀이 내장되어 전환력을 실시간으로 측정하고 유선으로 외부에 출력하여 선로전환기의 동작 상태를 확인 가능하다.

상기 토크센서는 상기 동작간과 회전구동암의 연결 구조의 비틀림을 산술화 하여 선로전환기 모니터링장치에 선로전환기의 전환력으로 변환하여 디스플레이한다.

상기 토크센서가 부착되는 위치에는 형상이 동일한 더미 토크센서를 구비하여 필요시 상기 토크센서를 대신하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 소형화 된 토크센서 모듈을 선로전환기 내부에 장착하여 별도의 시험장비 없이 선로전환기 모니터링 장치에 전환력을 표출하여 선로전환기 동작의 이상유무를 실시간 확인할 수 있다.

또한 본 발명은 지하철 등에서 사용되는 선로전환기의 고장시 신속하고 정확하게 문제점을 찾아내어 보수할 수 있도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 레일에 선로전환시스템의 토크 측정 장치가 설치된 전체 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 선로전환기의 구조를 전체적으로 도시한 평면 구성도이다.
도 3 a, b는 본 발명의 일실시예에 따라 선로전환시스템의 토크 측정 장치의 설치된 전체 구성 중 회전구동암과 동작간 등의 세부 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치의 외관을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 종래 발명에 따라 토크측정장치의 전체적인 구성과 측정된 수치를 그래프로 보여주는 것을 도시한 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 선로전환시스템의 토크 측정 장치가 설치된 전체 구성을 보면, 본 발명에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치는 기본레일(10), 가동레일(20), 침목(30)으로 구성된 철로에서 선로전환기(100)의 내부에 설치된다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치가 사용되는 선로전환기는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 외함본체(221), 클러치모터(230), 감속기어부(250), 접점부(450), 수동전환장치부(280), 단자부(700) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서 설명과 이해의 편의성을 위해 도 2에서 기준 방향으로 좌측을 선로전환기 좌측, 우측을 선로전환기 우측, 상부를 후방, 하측을 전방이라 칭하기로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치가 사용되는 선로전환기는, 외함몸체(221) 내부에 장착되고 제어신호에 따라 정, 역회전하여 동력을 발생하며, 모터(231)와 클러치(232)가 일체로 형성된 클러치모터(230); 상기 클러치모터(230)에서 발생된 회전동력을 전달하는 감속기어부(250); 상기 감속기어부(250)에 연결되어 클러치모터(230)의 회전력을 전달받는 볼스크류(320), 상기 볼스크류(320)의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 동작간(340)을 포함하여 구성되는 동작블럭(300); 상기 회동축(341)의 일측에는 일측이 결합되는 토크센서(350); 상기 토크센서(350)의 타측에 결합되어 분기기용쇄정장치를 동작시키기 위한 구동암부(360); 상기 동작간(340)이 좌, 우 전환이 완료되었을 때 상기 동작간(340)의 회동 위치를 감지하여 동작을 정지시키는 접점부(450);를 포함하여 구성된다.

상기 선로전환기(100)의 우측면에는 회전구동암(365)이 설치되고, 동작간조절링크(102)에 연결되어 분기기용 쇄정장치(500)를 움직여 가동레일(20)을 가동시킨다.

회전구동암(365)은 클러치모터(230)에서 발생 된 회전력을 감속기어부(250)에서 기어비에 따라 속도를 조절하여 분기기용 쇄정장치(500)가 직선운동하도록 변화시키기 위해 좌, 우로 움직이는 장치이다.

볼스크류(320)는 동작블럭베이스(310)의 전,후면부 사이에 수평을 유지하여 양단이 회전 가능하게 설치된다.

동작간(340)은 모터(230)의 회전력을 전달받는 볼스크류(320)의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 장치이다.

토크센서(350)은 상기 동작간(340)과 회전구동암(365)을 잡고 있는 구동암 브라켓(363) 사이에 발생되는 토크를 측정하기 위한 장치이다.

도 3a와 도3b에 도시된 바와 같이, 구동암부(360)는 토크센서(350)의 축과 일치되는 상기 외함몸체(221)의 외측에 구동암축베어링하우징(361)이 결합되고, 상기 구동암축베어링하우징(361)의 내측에는 구동암브라켓 체결부재(363a), 구동암브라켓베어링(363b), 스냅링(363c), 오링(363d), 구동암 브라켓(363) 순으로 결합되고, 상기 구동암 브라켓(363)의 외측에는 구동암(365)이 구동암 커버(369)에 의해 나사 결합된다.

상기 토크센서(350)의 내부에는 로드셀이 내장되어 선로전환기의 전환력을 실시간으로 측정하고 유선으로 외부에 출력하여 선로전환기의 동작 상태를 확인 가능하다.

또한 도 3b의 볼스크류(320)에는 볼스크류너트하우징(321)이 결합되는 구조이다. 상기 볼스크류(320)의 회전방향에 따라 상기 볼스크류(320)의 나사산에 치합된 볼스크류너트하우징(321)이 좌우로 이동하게 된다. 상기 볼스크류너트하우징(321)이 좌우로 이동하게 되면 동작간(340)이 상부의 회동축(341)을 중심으로 좌우로 회동 가능한 구조인 것을 특징으로 한다.

상기 볼스크류너트하우징(321)은 좌우방향으로 상기 볼스크류(320)가 관통하여 나사산에 의해 치합 체결되는 구조를 갖는다. 상기와 같은 구조는 볼스크류너트하우징(321)에 결합된 동작간(340)이 안정되고 유연한 동작을 할 수 있도록 한다.

상기 볼스크류너트하우징(321)은 전후측에는 각각 하우징베어링(322)이 형성되고, 상기 동작간(340)의 양측 내부에는 상기 하우징베어링(322)이 안착되어 이동할 수 있는 하우징베어링이동홈(343)이 형성되어, 상기 볼스크류너트하우징(321)의 좌우 이동에 따라 상기 동작간(340)이 좌우로 이동하는 구조를 갖는다.

도 5에 도시된 바와 같이, 토크센서(350)의 축(3, 4 ; 초록색 원)은 본 발명에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치의 구조에 맞게 주문가공 된 형태로서, 내부에는 로드셀이 들어가 있다.

상기 로드셀은 스트레인 게이지(1; 노란색 사각형)와 토크센서 중앙에 구성된 회로로 휘스톤 브릿지 회로(2)를 포함한다.

본 발명에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치는 휘스톤 브릿지 회로(2)가 측정한 값을 단자부(700)에 배선 연결하여 외부의 디스플레이 장치에 출력한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선로전환시스템의 토크 측정 장치의 축이 동작하면서 스트레인 게이지가 비틀림 힘(토크)을 받고 꺾이게 되는데, 이 때 발생하는 전위차를 휘스톤 브릿지 회로가 측정하고 측정한 값을 유선라인(3501)으로 수치나 그래프 등으로 표시하는 인디게이터와 같은 출력기기로 출력을 한다.

상기 출력기기는 디지탈로 표시창에 디스플레이하는 장치로서, 이상 발생 시 보수자 및 사령자에게 즉시 통보하여 신호제어, 열차제어 등의 신속한 초동 대처를 수행하도록 하여, 열차 탈선 등의 대형 안전사고를 미리 방지하며, 즉각적인 보수를 통하여 안전한 철도 운행이 될 수 있도록 한다.

휘트스톤 브리지는 4개의 저항이 사각형의 각 변에 위치하고 대각선 cd를 잇는 저항이나 전압계를 브리지로 하는 회로이다.

휘트스톤 브리지의 ab 사이에는 기전력이 주어진다. 일반적으로 P, Q는 정해진 값을 가지는 저항을 사용하고 R에는 가변저항을 사용한다.

휘트스톤 브리지의 X에 미지의 저항을 연결하고 브리지로 전압계나 검류계를 사용하면 X의 저항값을 측정할 수 있다.

휘트스톤 브리지의 ab 사이에 주어지는 기전력 E를 저항 P와 R이 나누는 것과 저항 Q와 X가 나누는 것이 같다면 cd 사이의 전위차가 0이 되는 원리를 이용하여 X의 저항값을 측정한다. cd 사이의 전위차가 0이 되기 위해서는 저항비가 P/R=Q/X가 되어야 한다.

휘트스톤 브리지의 P와 Q는 정해진 저항값을 가지므로 가변저항 R을 조절하면 두 저항비가 일치하게 만들 수 있다.

따라서 휘트스톤 브리지의 cd 사이의 전압계의 전압이 0이 되도록 가변저항 R을 조절하면 X=(QR)/P의 값으로 결정된다.

검류계를 사용하는 경우에는 휘트스톤 브리지의 cd 사이의 전류가 0이 되도록 가변저항 R을 조절한다.

휘트스톤 브리지의 저항 X의 자리에는 일반적인 회로에 사용되는 저항소자가 아니더라도 저항을 띄는 물체를 연결할 수도 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래 발명의 본체(10)의 상부케이스(41) 내측의 중앙부에는 각종 측정 지표, 데이터 등을 출력할 수 있는 모니터(31)가 구비된다.

그리고 선로 전환기에 각종 측정 센서를 설치하고, 각종 측정 센서와 선로전환기의 전환력 측정기를 측정 센서 케이블로 연결하여 선로전환기의 전환력 측정기로 해당 선로전환기의 전환력, 동작시간, 전류, 전압을 측정하여 본체(10)에 내장된 컴퓨터(15)가 자체 프로그램에 의한 자동 제어 방식으로 측정 센서에 의한 측정과 동시에 그래프 및 데이터를 모니터(31)에 출력하고 저장하는 기능을 갖추고 있다.

또한, 본체(10)의 하부케이스(42)에 배터리(16)를 내장하여 전원을 연결하기 힘든 야외에서도 어려움 없이 작업을 실시할 수 있다.

그러나 종래 발명은 휴대가 간편하고 이동이 자유로운 선로전환기의 전환력 측정기를 제공하였지만 상기 전환력 측정을 위해서는 별도의 시험장비를 부착하여 결과값을 얻을 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

도 7은 종래 발명의 선로전환기의 전환력 측정기 본체의 하부케이스를 나타낸 정면도로서, 선로전환기의 전환력 측정기의 하부케이스(42)에는 각종 커넥터 및 키보드(3) 등의 입력 장치가 구비되어 있다. 데이터 인출 등 각종 저장기기 또는 입출력 장치 등을 연결할 수 있어서 호환성과 범용성을 넓힐 수 있는 USB포트(1)가 좌측상부에 위치하고, USB포트(1)의 바로 우측에는 선로전환기의 전환력 측정기의 전원스위치(2)가 구비되어 있어서 본체(10)의 전원을 ON/OFF 할 수 있다.

종래 발명의 하부케이스(42)의 중앙부에는 키보드(3)가 위치하여 선로전환기에 부착된 각종 센서를 통해서 입력된 각각의 측정 데이터를 본체(10)내의 컴퓨터(15) 내부 계산식에 의해 산출된 각종 데이터의 결과를 편집, 처리하거나 측정분기기 및 기타 내용 정리 시에 사용할 수 있다.

종래 발명의 키보드(3)의 우측인 하부케이스(42)의 우측면에는 상부에서부터 순서대로 전압측정 커넥터(4), 전환력 측정 커넥터(5), 전류측정 커넥터(6), 충전 커넥터(7), 내부 인버터 스위치(8)가 구비되어 있다.

상기 전압측정 커넥터(4)는 선로전환기의 전압측정용 측정 센서의 케이블을 연결하는 커넥터로서 선로전환기의 동작 전압을 측정할 수 있는 측정 센서를 선로전환기의 PB Box의 단자에 연결하고 측정 센서의 케이블은 본체(10)의 전압측정 커넥터(4)에 연결하여 선로전환기의 운용 전압을 실시간으로 모니터(31)에 표시할 수 있으며 전압 측정 센서의 한계 측정 전압은 380V이다.

도 8은 종래 발명의 선로전환기의 전환력 측정기로 측정한 선로전환기 정부하 Load 데이터의 그래프로서, 기존의 전환력 성능 시험기의 데이터와 선로전환기의 전환력 측정기로 측정한 데이터를 비교, 분석하는 것을 보여주지만, 별도의 시험장비를 부착하여 결과값을 얻을 수 밖에 없어 매우 불편하고 정확하지 못했다.

그러나 본 발명은 상술한 회전구동암과 동작간의 연결 구조의 비틀림을 산술화 하여 실시간 모니터링할 수 있는 편리함이 있다.

10 : 기본레일
20 : 가동레일
30 : 침목
100 : 선로전환기
102 : 동작간조절링크
221 : 외함본체
230 : 클러치모터
231 : 모터
232 : 클러치
250 : 감속기어부
280 : 수동전환장치부
300 : 동작블럭
310 : 동작블럭베이스
320 : 볼스크류
321 : 볼스크류너트하우징
322 : 하우징베어링
340 : 동작간
341 : 회동축
343 : 하우징베어링이동홈
350 : 토크센서
3501 : 유선라인
360 : 구동암부
361 : 구동암축베어링하우징
363a : 구동암브라켓 체결부재
363b : 구동암브라켓베어링
363c : 스냅링
363d : 오링
363 : 구동암 브라켓
365 : 회전구동암
369 : 구동암 커버
450 : 접점부
500 : 분기기용 쇄정장치
700 : 단자부

Claims (5)

1. 외함몸체 내부에 장착되고 제어신호에 따라 정, 역회전하여 동력을 발생하며, 모터와 클러치가 일체로 형성된 클러치모터; 상기 클러치모터에서 발생된 회전동력을 전달하는 감속기어부; 상기 감속기어부에 연결되어 클러치모터의 회전력을 전달받는 볼스크류, 상기 볼스크류의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하는 동작간을 포함하여 구성되는 동작블럭; 상기 회동축의 일측에는 일측이 결합되는 토크센서; 상기 토크센서의 타측에 결합되어 분기기용쇄정장치를 동작시키기 위한 구동암부; 상기 동작간이 좌, 우 전환이 완료되었을 때 상기 동작간의 회동 위치를 감지하여 동작을 정지시키는 접점부;를 포함하며,
   볼스크류는 동작블럭베이스의 전,후면부 사이에 수평을 유지하여 양단이 회전 가능하게 설치되고,
   동작간은 모터의 회전력을 전달받는 볼스크류의 회전방향에 따라 상부가 고정된 회동축을 중심으로 좌우로 회동하며,
   토크센서는 상기 동작간과 회전구동암을 잡고 있는 구동암 브라켓 사이에 발생되는 토크를 측정하기 위한 장치로서,
   상기 구동암부는 토크센서의 축과 일치되는 상기 외함몸체의 외측에 구동암축베어링하우징이 결합되고, 상기 구동암축베어링하우징의 내측에는 구동암브라켓 체결부재, 구동암브라켓베어링, 스냅링, 오링, 구동암 브라켓 순으로 결합되고, 상기 구동암 브라켓의 외측에는 구동암이 구동암 커버에 의해 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 선로전환시스템의 토크 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 토크센서는,
   합금선으로 이루어지고, 늘어나거나 비틀리는 변형을 받으면 단면적이 감소되어 전기 저항이 증가하는 증가분을 측정하는 스트레인 게이지;
   상기 스트레인 게이지의 변형량을 전달받아 이에 따른 저항값의 변화를 측정하는 휘스톤 브릿지;를 포함하는 선로전환시스템의 토크 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 토크센서의 내부에는 로드셀이 내장되어 전환력을 실시간으로 측정하고 유선으로 외부에 출력하여 선로전환기의 동작 상태를 확인 가능한 것을 특징으로 하는 선로전환시스템의 토크 측정 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 토크센서는 상기 동작간과 회전구동암의 연결 구조의 비틀림을 산술화 하여 선로전환기 모니터링장치에 선로전환기의 전환력으로 변환하여 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 선로전환시스템의 토크 측정 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 토크센서가 부착되는 위치에는 형상이 동일한 더미 토크센서를 구비하여 상기 토크센서를 대신하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 선로전환시스템의 토크 측정 장치.

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