KR102117682B1 - 휠-레일접촉구동시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휠-레일접촉구동시험장치를 개시한다. 본 발명은, 챔버와, 상기 챔버 내부에 배치되며, 테스트 대상 레일이 안착하여 회전하는 제1 회전부와, 상기 챔버 내부에 배치되며, 상기 레일과 접촉하도록 테스트 대상 휠을 회전시키는 제2 회전부와, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부에 각각 배치되어 상기 제1 회전부 및 상기 제2 회전부 중 적어도 하나의 회전속도를 감지하는 제1 센서부와, 상기 레일과 상기 휠에 인접하도록 배치되어 상기 레일과 상기 휠의 접촉 시 발생하는 미세먼지를 측정하는 제2 센서부와, 상기 제1 센서부와 상기 제2 센서부에 측정된 결과를 근거로 상기 레일과 상기 휠의 마찰특성을 판별하는 제어부를 포함한다.

Description

휠-레일접촉구동시험장치{Wheel-rail contact driving test apparatus}
본 발명은 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휠-레일접촉구동시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차량의 경우 휠과 레일이 접촉하여 구동할 때 미세먼지가 많이 발생할 수 있다. 이때, 휠과 레일은 금속 재질로 형성되므로 이러한 미세먼지는 다양한 장소로 옮겨질 수 있으므로 이를 정확하게 파악하는 것이 상당히 중요하다.
그러나 일반적으로 철도 차량의 경우 휠이 레일에 접촉하여 이동하는 경우 발생하는 미세먼지를 저감시키는 구조가 철도 차량에 배치되지 않는 경우가 많다. 또한, 이러한 미세먼지 발생과 관련하여서 휠과 레일에 따라 어떤 형태로 발생하며 어떠한 물질이 배출되는지 명확하게 규명하기 위한 장치가 개발되고 있지 않다.
본 발명의 실시예들은 휠-레일접촉구동시험장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 챔버와, 상기 챔버 내부에 배치되며, 테스트 대상 레일이 안착하여 회전하는 제1 회전부와, 상기 챔버 내부에 배치되며, 상기 레일과 접촉하도록 테스트 대상 휠을 회전시키는 제2 회전부와, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부에 각각 배치되어 상기 제1 회전부 및 상기 제2 회전부 중 적어도 하나의 회전속도를 감지하는 제1 센서부와, 상기 레일과 상기 휠에 인접하도록 배치되어 상기 레일과 상기 휠의 접촉 시 발생하는 미세먼지를 측정하는 제2 센서부와, 상기 제1 센서부와 상기 제2 센서부에 측정된 결과를 근거로 상기 레일과 상기 휠의 마찰특성을 판별하는 제어부를 포함하는 휠-레일접촉구동시험장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 센서부에서 감지된 결과를 근거로 상기 휠의 슬립율을 산출하고, 상기 슬립률과 상기 제2 센서부에서 측정된 미세먼지 농도값과의 관계를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제1어부는 상기 제1 센서부에서 감지된 결과를 근거로 상기 휠의 마찰계수를 산출하고, 상기 마찰계수와 상기 제2 센서부에서 측정된 미세먼지 농도값과의 관계를 산출할 수 있다.
또한, 상기 챔부는 외기가 유입되는 유입구를 구비하고, 상기 유입구에 배치되어 이물질을 제거하는 필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 휠과 레일의 접촉 시 발생하는 분진의 농도를 통하여 레일과 휠의 다양한 정보를 수집하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠-레일접촉구동시험장치를 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 휠-레일접촉구동시험장치의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠-레일접촉구동시험장치를 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 휠-레일접촉구동시험장치의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 휠-레일접촉구동시험장치(100)는 챔버(110), 제1 회전부(120), 제2 회전부(130), 제1 센서부(140), 제2 센서부(150), 가력부(160), 제어부(170) 및 필터부(180)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 내부에 공간이 형성되며, 외기가 유입되는 유입구(111)와 내부의 기체를 외부로 안내하는 유출구(112)를 포함할 수 있다. 이때, 챔버(110) 내부에는 제1 회전부(120)와 제2 회전부(130)가 각각 배치될 수 있다.
제1 회전부(120)는 테스트용 레일(R)이 배치될 수 있으며, 테스트용 레일(R)을 회전시킬 수 있다. 또한, 제2 회전부(130)는 테스트용 휠(W)이 배치될 수 있으며, 테스트용 휠(W)을 회전시킬 수 있다. 이때, 제1 회전부(120)와 제2 회전부(130)는 구동모터 및 구동모터에 연결되며, 테스트용 레일(R) 및 테스트용 휠(W)이 각각 배치되는 디스크 등을 포함할 수 있다.
제1 센서부(140)는 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 중 적어도 하나의 토크 센서, 수평력 로드셀, 휠-레일 타코미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 토크 센서는 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 중 적어도 하나의 회전 시 발생하는 토크를 측정함으로써 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나의 회전 토크를 측정할 수 있다. 수평력 로드셀은 가력부(160)가 가하는 수평력을 측정함으로써 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)에 각각 가해지는 수평력을 측정할 수 있다. 휠-레일 타코미터는 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 중 적어도 하나의 회전 시 회전수를 측정함으로써 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나의 회전수를 측정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1 센서부(140)는 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 각각에 배치되어 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 각각의 토크 및 회전수를 측정할 수 있다. 또한, 제1 센서부(140)는 가력부(160)에 배치되어 테스트용 레일(R)이 테스트용 휠(W)에 가하는 수평력 또는 테스트용 휠(W)이 테스트용 레일(R)에 가하는 수평력을 측정할 수 있다.
제2 센서부(150)는 테스트용 레일(R)과 테스트용 휠(W)이 회전하면서 마찰하는 경우 발생하는 미세먼지를 측정할 수 있다. 이때, 제2 센서부(150)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 센서부(150)는 테스트용 레일(R)과 테스트용 휠(W) 사이에 배치되어 광학적으로 입자를 측정하는 형태일 수 있다. 다른 실시예로써 제2 센서부(150)는 프로브(151)를 포함하고, 프로브(151)와 연결되어 프로브(151)에서 유입되는 기체 내에서 입자를 측정하는 미세먼지측정부(152)를 포함하는 것도 가능하다. 이때, 미세먼지측정부(152)는 광산란 측정방식을 통하여 기체 내의 입자의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 미세먼지측정부(152)는 측정된 입자가 외부로 배출되는 것을 방지하는 필터를 포함할 수 있으며, 흡입을 위한 펌프를 포함할 수 있다.
가력부(160)는 제1 회전부(120)와 제2 회전부(130) 중 적어도 하나에 연결되어 제1 회전부(120)와 제2 회전부(130) 사이의 간격을 조절함으로써 테스트용 레일(R) 또는 테스트용 휠(W) 중 하나에서 테스트용 레일(R) 또는 테스트용 휠(W) 중 다른 하나로 가해지는 수평력을 제공할 수 있다. 이때, 수평력은 챔버(110)의 저면과 수평한 방향 또는 챔버(110)가 배치된 지면에 수평한 방향으로 가해지는 힘으로 정의될 수 있다. 일 실시예로써 가력부(160)는 챔버(110)에 고정되며, 제1 회전부(120) 또는 제2 회전부(130)에 연결되는 실린더를 포함할 수 있다. 다른 실시예로써 가력부(160)는 챔버(110)에 고정되는 모터, 모터와 연결되며 제1 회전부(120) 또는 제2 회전부(130)에 연결되는 랙기어를 포함할 수 있다. 이때, 가력부(160)는 상기에 한정되는 것은 아니며, 챔버(110), 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 중 적어도 하나에 연결되어 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130) 중 적어도 하나의 위치를 가변시키는 모든 장치 및 모든 구조를 포함할 수 있다.
제어부(170)는 챔버(110)에 배치되거나 챔버(110)와 별도로 구비되어 챔버(110)의 외부에 배치되는 것도 가능하다. 이때, 제어부(170)는 다양한 형태일 수 있다. 예를 들면, 제어부(170)는 회로기판, 컴퓨터, 휴대용 단말기 등을 포함할 수 있다. 제어부(170)는 제1 센서부(140) 및 제2 센서부(150) 중 적어도 하나에서 측정된 데이터를 저장하거나 분석할 뿐만 아니라 각 장치들의 작동을 제어하는 것도 가능하다.
필터부(180)는 유입구(111)에 배치될 수 있다. 이때, 필터부(180)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 필터부(180)는 격자 형태 필터, 정전기력을 포함하는 필터 형태 등을 포함할 수 있다. 이러한 경우 필터부(180)는 유입구(111)로 유입되는 공기의 이물질을 효과적으로 제거함으로써 챔버(110) 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기와 같은 휠-레일접촉구동시험장치(100)는 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)이 접촉하여 테스트용 레일(R) 및 테스트용 휠(W) 중 적어도 하나가 회전하는 경우 다양한 데이터를 획득하도록 시험하는 것이 가능하다. 예를 들면, 기차의 경우 테스트용 레일(R)에 테스트용 휠(W)이 안착하여 테스트용 휠(W)이 테스트용 레일(R)을 따라 회전하는 경우 테스트용 레일(R)과 테스트용 휠(W) 중 적어도 하나가 마모됨으로써 미세먼지가 발생할 수 있다. 이러한 것은 실제 상황에서 확인하는 것이 어려울 뿐만 아니라 이러한 내용은 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나의 종류에 따라 상이할 수 있어 각 테스트용 휠(W)의 종류 및 각 테스트용 레일(R)의 종류 중 적어도 하나에 따른 미세먼지 발생 정보를 확인하는 것이 상당히 어려울 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 휠-레일접촉구동시험장치(100)는 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나의 종류를 교체하면서 다양한 조건에서의 시험이 가능하고, 이러한 시험에서 발생하는 미세먼지의 농도를 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
구체적으로 사용자가 확인하고 싶은 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나의 종류에 해당하는 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)을 선택하여 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130)에 각각 배치할 수 있다.
사용자는 테스트용 레일(R)의 회전속도를 설정하고, 목표 슬립율에 맞도록 테스트용 휠(W)의 회전속도를 설정할 수 있다. 또한, 시험 조건에 맞도록 수평력을 인가하여 원하는 접촉압을 만든다. 테스트용 휠(W)의 회전속도는 테스트용 레일(R)의 회전속도와 동일하게 시작하여 점차 증가시켜 최대 회전속도에 도달하여 목표 슬립율을 달성한다. 이때, 가력부(160)로 수평력(normal force)을 가하여 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나에 가해지는 접촉압을 발생시키고 이 조건에서 제1 회전부(120)의 회전 속도는 고정시키고 제2 회전부(130)의 회전 속도는 증가시켜 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R) 사이의 슬립을 발생시킨다. 목표 슬립율까지 증가시키면서 테스트용 휠(W)의 토크(wheel torque, Twheel), 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R)의 회전속도(RPM), 수평력(N)를 측정한다.
제어부(170)는 제1 회전부(120) 및 제2 회전부(130)를 각각 구동시키도록 제어할 수 있다. 이때, 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)이 접촉하도록 제어부(170)는 가력부(160)를 제어할 수 있으며, 제어부(170)는 실제 테스트용 휠(W)이 테스트용 레일(R)에 접촉하여 이동하는 환경을 모사하도록 가력부(160)를 제어할 수 있다.
상기와 같은 경우 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)이 서로 접촉한 상태에서 테스트용 휠(W) 및 테스트용 레일(R) 중 적어도 하나가 회전할 수 있다. 이러한 경우 테스트용 휠(W)이 실제 기차에 배치되어 테스트용 레일(R)을 따라 이동하는 환경을 모사하는 것이 가능하다.
상기와 같은 작업이 진행되는 동안 제1 센서부(140)는 각 테스트용 레일(R) 및 테스트용 휠(W) 중 적어도 하나의 토크, 회전수 및 수평력을 측정하여 제어부(170)로 전송할 수 있다. 또한, 제2 센서부(150)는 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)이 접촉하여 회전하는 경우 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)의 주변의 공기를 흡입하여 공기에서 미세먼지의 농도를 측정할 수 있다. 이때, 유입구(111)를 통하여 외부의 공기가 챔버(110) 내부로 진입할 수 있으며, 필터부(180)는 공기에서 이물질을 제거함으로써 제2 센서부(150)에서 측정한 미세먼지의 농도의 정확도를 높일 수 있다. 이때, 제어부(170)는 상기와 같이 측정하는 동안 제1 센서부(140), 제2 센서부(150)에서 측정되는 데이터의 취득 시간을 서로 동기화시킬 수 있다. 또한, 유출구(112)에는 챔버(110) 내부의 공기를 외부로 배출시키도록 별도의 펌프가 배치될 수 있다.
제어부(170)는 상기에서 측정된 결과를 근거로 마찰계수 또는 슬립율과 미세먼지 농도 사이의 관계를 산출할 수 있다.
구체적으로 철도차량 주행시 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R) 접촉면에서 발생하는 슬립율(slip rate) 변화로 인해　마찰계수(friction coefficient)가 변하고 이에 따라 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R) 접촉면에서 마모가 발생한다. 이때, 마찰계수는 상기에서 측정된 데이터를 이용하여 [수학식 1]을 이용하여 계산하고, 슬립율은 하기의 [수학식 2]를 통하여 계산할 수 있다.
Figure 112018107905814-pat00001
F: 휠 및 레일 진행방향 접촉력(또는 수평력), r: 휠 및 레일 접촉점에서의 제2 회전부(130)의 디스크 반경(또는 테스트용 휠(W)의 반경)을 의미한다.
Figure 112018107905814-pat00002
상기와 과정이 완료되면, 제어부(170)는 상기에서 산출된 마찰계수와 미세먼지 농도 사이의 관계를 그래프 또는 테이블 형태로 산출하여 저장할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 마찰계수와 미세먼지 농도 사이의 관계를 그래프 또는 테이블 형태로 산출하여 저장할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 미세먼지 농도와 시간 사이의 관계를 그래프 또는 테이블 형태로 산출하여 저장할 수 있다. 이때, 미세먼지 농도는 하기의 [수학식 3]을 통하여 산출될 수 있다.
Figure 112018107905814-pat00003
제어부(170)는 상기의 과정이 완료된 후 미세먼지의 농도가 최대가 되는 지점에서의 마찰계수 및 슬립율을 산출할 수 있다. 이때, 제어부(170)는 테스트용 휠(W)의 재질, 무게, 제조사 등에 따른 실험 데이터를 통하여 상기와 같은 정보를 저장할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 테스트용 레일(R)의 재질, 제조사 등에 따른 실험 데이터를 통하여 상기와 같은 정보를 저장하는 것이 가능하다.
따라서 휠-레일접촉구동시험장치(100)는 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)이 접촉하여 구름 접촉이나 미끄럼 접촉에서 발생하는 미세먼지 발생 여부 및 미세먼지 수농도를 측정하는 것이 가능하다.
또한, 휠-레일접촉구동시험장치(100)는 미세먼지 농도를 측정함으로써 기존의 데이터와 비교하여 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)의 마찰특성을 추정하는 것이 가능하다.
휠-레일접촉구동시험장치(100)는 테스트용 휠(W)과 테스트용 레일(R)의 특정 접촉 조건에서 발생하는 미세먼지의 입자크기, 농도, 등을 측정하는 것이 가능하다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 휠-레일접촉구동시험장치
110: 챔버
120: 제1 회전부
130: 제2 회전부
140: 제1 센서부
150: 제2 센서부
151: 프로브
152: 미세먼지측정부
160: 가력부
170: 제어부
180: 필터부

Claims (4)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되며, 테스트 대상 레일이 안착하여 회전하는 제1 회전부;
    상기 챔버 내부에 배치되며, 상기 레일과 접촉하도록 테스트 대상 휠을 회전시키는 제2 회전부;
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부에 각각 배치되어 상기 제1 회전부 및 상기 제2 회전부 중 적어도 하나의 회전속도를 감지하는 제1 센서부;
    상기 레일과 상기 휠에 인접하도록 배치되어 상기 레일과 상기 휠의 접촉 시 발생하는 미세먼지를 측정하는 제2 센서부; 및
    상기 제1 센서부와 상기 제2 센서부에 측정된 결과를 근거로 상기 레일과 상기 휠의 마찰특성을 판별하는 제어부;를 포함하는 휠-레일접촉구동시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 센서부에서 감지된 결과를 근거로 상기 휠의 슬립율을 산출하고, 상기 슬립률과 상기 제2 센서부에서 측정된 미세먼지 농도값과의 관계를 산출하는 휠-레일접촉구동시험장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 센서부에서 감지된 결과를 근거로 상기 휠의 마찰계수를 산출하고, 상기 마찰계수와 상기 제2 센서부에서 측정된 미세먼지 농도값과의 관계를 산출하는 휠-레일접촉구동시험장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는 외기가 유입되는 유입구;를 구비하고,
    상기 유입구에 배치되어 이물질을 제거하는 필터부;를 더 포함하는 휠-레일접촉구동시험장치.
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