KR102248496B1 - Stress measurment system for railway rail and measurement method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 응력 측정 시스템 및 이를 이용한 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 철도 레일의 응력을 측정하는 시스템 및 이를 이용하여 철도 레일의 응력을 측정하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a stress measurement system and a measurement method using the same, and more particularly, to a system for measuring the stress of a railroad rail and a method of measuring the stress of a railroad rail using the same.
장대레일(Continuous Welded Rail, CWR)은 최소 200m 이상 연속된 레일로서 통상적으로 수 km까지 연속되며, 20-25m 길이로 단속된 정척 레일(Standard Length Rail)과 비교하여 열차 주행 시 진동이 저감되어 승차감이 우수하고 이음매판이 없어 유지보수가 우수한 장점이 있다. 특히 250 km/h 이상의 고속 주행 열차에 있어 장대레일은 주행안전성 확보를 위하여 필수적으로 적용되어야 한다. 장대레일은 온도 변화에 따라 레일에 변위가 발생하지 않고 레일의 응력만이 변화하는 부동구간(immovable zone)이 형성된다. 부동구간에서는 온도변화 시 레일의 자유 팽창 및 수축이 구속되므로 레일의 길이 방향으로 응력이 크게 발생할 수 있어, 하절기 온도 증가 시 압축응력에 인한 좌굴(장출) 및 동절기 온도 하강에 따른 인장 응력으로 인한 파단에 대하여 반드시 검토하여야 한다.Continuous Welded Rail (CWR) is a rail that is continuous for at least 200m and is usually continuous for several kilometers, and vibration is reduced when driving a train compared to the standard length rail, which is interrupted to a length of 20-25m. There is an advantage of excellent maintenance because it is excellent and there is no joint plate. In particular, for high-speed trains of 250 km/h or more, long rails should be applied indispensably to secure driving safety. In the long rail, an immovable zone is formed in which only the stress of the rail changes without displacement of the rail according to the temperature change. In the floating section, free expansion and contraction of the rail is restricted when the temperature changes, so stress may occur in the longitudinal direction of the rail, so when the temperature increases in summer, buckling (elongation) due to compressive stress and fracture due to tensile stress due to temperature drop in winter Must be reviewed.
장대레일에 발생하는 온도 변화에 따른 응력은 변위를 유발하지 않아 일반적인 변형률계로는 측정이 불가하다. 변형률계는 설치된 시점을 기준으로 발생하는 상대적인 변형률만을 측정하기 때문에 장대레일의 응력을 관리하기 위해서는 적합한 측정 방법이 아니다. 이러한 한계를 극복하고 장대레일의 효과적인 유지관리를 위하여 변형률에 기반하지 않은 응력 측정 방법이 요구된다. The stress caused by the temperature change occurring in the long rail does not induce displacement, so it cannot be measured with a general strain meter. Since the strain meter measures only the relative strain that occurs based on the time it is installed, it is not an appropriate measurement method to manage the stress of the long rail. In order to overcome these limitations and to effectively maintain the long rail, a stress measurement method that is not based on strain is required.
본 발명은 레일의 응력을 고속으로 그리고 비접촉식으로 측정할 수 있는 철도 레일의 응력 측정 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.An object of the present invention is to provide a railroad rail stress measurement system capable of measuring rail stress at high speed and in a non-contact manner.
본 발명은 레일의 응력을 고속으로 그리고, 비접촉식으로 측정하는 철도 레일의 응력 측정 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. An object of the present invention is to provide a method for measuring the stress of a railroad rail in which the stress of the rail is measured at high speed and in a non-contact manner.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도 레일의 응력 측정 시스템은, 철도의 레일을 따라 주행 가능한 대차, 및 상기 대차의 하부에 장착되며, 상기 레일의 테르밋 용접부에 레이저 빔을 조사함에 의해 발생된 형광 스펙트럼을 이용하여 상기 레일의 응력을 측정하는 응력 측정 장치를 포함한다. The system for measuring the stress of a railroad rail according to an embodiment of the present invention includes a bogie capable of running along a rail of the railroad, and a fluorescent spectrum generated by irradiating a laser beam to a thermite welding portion of the rail and mounted under the bogie. It includes a stress measuring device for measuring the stress of the rail by using.
상기 응력 측정 장치는, 레이저 빔을 생성하여 방출하는 레이저 소스, 상기 레이저 소스로부터 방출된 레이저 빔을 상기 레일의 테르밋 용접부에 조사하고, 상기 레일의 산화알루미늄으로부터 발생된 형광을 수집하는 프로브, 상기 프로브에 의해 수집된 형광의 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터, 측정된 스펙트럼을 분석하여 피크 쉬프트를 측정하고 레일의 응력을 계산하는 신호처리장치, 및 상기 레일의 온도를 측정하여 상기 신호처리장치에 제공하는 비접촉식 온도 센서를 포함한다. The stress measurement device includes a laser source generating and emitting a laser beam, a probe for irradiating a laser beam emitted from the laser source to a thermite welding portion of the rail and collecting fluorescence generated from aluminum oxide of the rail, and the probe A spectrometer that measures the spectrum of fluorescence collected by, a signal processing device that measures a peak shift by analyzing the measured spectrum and calculates the stress of the rail, and a non-contact type that measures the temperature of the rail and provides it to the signal processing device. Includes a temperature sensor.
본 발명의 철도 레일의 응력 측정 시스템을 이용한 레일의 응력 측정 방법은, 상기 대차가 응력을 측정하고자 하는 상기 레일의 일 지점으로 이동하는 단계, 상기 응력 측정 장치가 레이저 빔을 상기 레일의 테르밋 용접부에 조사하고, 상기 레일의 산화알루미늄으로부터 발생된 형광의 스펙트럼을 수집하는 단계, 상기 응력 측정 장치가 상기 레일의 온도를 측정하는 단계, 상기 응력 측정 장치가 수집된 형광의 스펙트럼 및 측정된 온도에 기초하여 상기 레일의 절대 응력을 측정하는 단계를 포함한다. The method for measuring the stress of a rail using the system for measuring the stress of a railroad rail of the present invention comprises the steps of: moving the bogie to a point of the rail to measure the stress, and the stress measuring device applies a laser beam to the thermite weld of the rail Irradiation and collecting a spectrum of fluorescence generated from the aluminum oxide of the rail, the stress measuring device measuring the temperature of the rail, the stress measuring device based on the collected spectrum of fluorescence and the measured temperature And measuring the absolute stress of the rail.
상기 레일의 절대 응력을 측정하는 단계는, 상기 응력 측정 장치가 수집된 상기 형광 스펙트럼을 측정하고, 분석하여 전체 피크 쉬프트 값을 추출하는 단계, 및 상기 응력 측정 장치가 측정된 온도를 이용하여 상기 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 제거하는 단계를 포함한다. The measuring of the absolute stress of the rail includes the steps of extracting a total peak shift value by measuring and analyzing the fluorescence spectrum collected by the stress measuring device, and extracting the total peak shift value by using the measured temperature by the stress measuring device. And removing the peak shift value according to the temperature change from the peak shift value.
본 발명에 의하면, 레일의 응력을 고속으로 그리고 비접촉식으로 측정할 수 있다.According to the present invention, it is possible to measure the stress of the rail at high speed and in a non-contact manner.
본 발명에 의하면, 비접촉식 온도 센서를 이용하여 레일의 온도를 실시간으로 측정하여 응력 측정 시에 반영함으로써, 온도 영향이 배제된 레일의 절대 응력를 측정할 수 있다. According to the present invention, by measuring the temperature of the rail in real time using a non-contact temperature sensor and reflecting it at the time of stress measurement, it is possible to measure the absolute stress of the rail without the influence of temperature.
본 발명에 의하면, 산화알루미늄의 응력을 직접 측정함으로써, 레일의 강종, 부식, 단면 손실 등에 의한 별도의 보정 작업(calibration)이 필요 없으며, 레이저 조사 및 스펙트럼 분석을 통하여 단순한 방법으로 응력 측정이 가능하다. According to the present invention, by directly measuring the stress of aluminum oxide, there is no need for a separate calibration due to steel grade, corrosion, cross-sectional loss, etc. of the rail, and stress can be measured by a simple method through laser irradiation and spectrum analysis. .
본 발명에 의하면, 열차 선로를 따라 주행하면서 레일의 테르밋 용접부들을 포함한 관심 지점들의 응력을 측정하여 상시로 레일의 응력 상태를 모니터링할 수 있다. According to the present invention, it is possible to monitor the stress state of the rail at all times by measuring the stress at points of interest including the thermite welds of the rail while traveling along the train track.
도 1은 레일의 테르밋(Thermite) 용접부에 분포하는 산화알루미늄 입자들이 나타내는 도면이다.
도 2는 산화알루미늄에 대한 형광 스펙트럼의 고유 피크들을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 응력 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 응력 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 응력 측정 장치에 포함된 스펙트로미터의 신호처리 알고리즘을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating aluminum oxide particles distributed in a thermite weld of a rail.
2 is a graph showing intrinsic peaks of a fluorescence spectrum for aluminum oxide.
3 is a diagram schematically showing a non-contact stress measurement system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing a non-contact stress measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a signal processing algorithm of a spectrometer included in a stress measurement device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar elements.
형광 분광법(Fluorescence Spectrometry)에 대해 간략히 설명한다. 특정 분자에 레이저를 조사하면 빛을 흡수하여 분자 구조가 들뜬 상태가 된다. 빛을 흡수한 분자가 들뜬 상태가 되면 불안정하게 되어 에너지를 방출하면서 본래의 상태로 돌아간다. 이때 방출되는 빛은 각 분자의 특성에 따라 고유의 파수(wave number)를 띠게 되며, 이 주파수를 분광기를 통하여 분석하여 특정 분자의 존재 여부를 알 수 있다. 해당 분자가 응력을 받으면 이 고유의 파수가 미세하게 이동하는 특성이 있다. 이 특성을 이용하면 해당 분자의 응력을 파악할 수 있다. Fluorescence Spectrometry is briefly described. When a specific molecule is irradiated with a laser, light is absorbed and the molecular structure becomes excited. When light-absorbing molecules become excited, they become unstable and return to their original state while releasing energy. At this time, the emitted light has a unique wave number according to the characteristics of each molecule, and the presence or absence of a specific molecule can be determined by analyzing this frequency through a spectroscope. When the molecule is stressed, its inherent wavenumber moves finely. This property can be used to determine the stress of the molecule.
형광 분광법은 Fe계열에는 반응이 없어 일반 철재 및 강 구조에는 적용이 불가하다. 하지만 산화알루미늄(Al2O3)에는 반응이 매우 좋다. 레일은 고탄소강으로 만들어지므로 형광 분광법을 적용할 수 없지만, 레일의 테르밋(Thermite) 용접부에는 용접 시 산화철과 알루미늄의 발열반응을 이용하기 때문에 테르밋 용접부에 산화알루미늄 입자들이 불순물로 잔존한다. 산화알루미늄 입자들은 특히 용접부와 모재의 경계면에 집중적으로 존재한다(도 1 참조). Fluorescence spectroscopy is not applicable to general steel and steel structures because there is no reaction in the Fe series. However, the reaction is very good with aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Since the rail is made of high carbon steel, fluorescence spectroscopy cannot be applied, but since the thermite weld of the rail uses an exothermic reaction of iron oxide and aluminum during welding, aluminum oxide particles remain as impurities in the thermite weld. The aluminum oxide particles are particularly concentrated at the interface between the weld and the base metal (see Fig. 1).
산화알루미늄의 경우에는 레이저가 조사되면 산란광과 함께 형광이 발생하는데, 그 형광으로부터 측정되는 형광 스펙트럼의 강도가 라만 스펙트럼의 강도에 비해 상대적으로 높고 응력에 대한 민감도가 우수하므로, 형광 스펙트럼을 이용하여 응력을 분석할 수 있다. In the case of aluminum oxide, when the laser is irradiated, fluorescence is generated along with the scattered light. The intensity of the fluorescence spectrum measured from the fluorescence is relatively high compared to the intensity of the Raman spectrum and has excellent sensitivity to stress. Can be analyzed.
도 2를 참조하면, 산화알루미늄의 형광 스펙트럼은 두 개의 피크값(R1 및 R2)을 가지며 이들의 파수는 각각 14402 cm-1, 14432 cm-1 인 것으로 보고된 바 있다. 산화알루미늄에 압축 응력이 가해지면 왼쪽 방향으로, 낮은 파수 쪽으로 이동하고 인장 응력이 가해지면 오른쪽 방향으로, 높은 파수 쪽으로 이동하게 된다.Referring to FIG. 2, it has been reported that the fluorescence spectrum of aluminum oxide has two peak values (R1 and R2), and their wavenumbers are 14402 cm -1 and 14432 cm -1, respectively. When compressive stress is applied to aluminum oxide, it moves to the left and to the lower wavenumber, and when tensile stress is applied, it moves to the right and toward the higher wavenumber.
본 발명은 형광 분광법(Fluorescence Spectrometry)을 이용하여 비파괴적이고 비접촉식으로 레일의 응력을 고속으로 측정할 수 있는 응력 측정 시스템을 제공한다.The present invention provides a stress measurement system capable of measuring the stress of a rail at high speed in a non-destructive and non-contact manner using fluorescence spectroscopy.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 응력 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 응력 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.3 is a diagram schematically showing a non-contact stress measurement system according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram schematically showing a non-contact stress measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4를 참조하면, 철도 레일의 응력 측정 시스템(10)은 철도의 레일(11)을 따라 주행 가능한 열차 대차(13), 및 열차 대차(13)의 하부에 설치된 응력 측정 장치(100)를 포함할 수 있다. 3 and 4, the
응력 측정 장치(100)는 레이저 소스(110), 스펙트로미터(120), 프로브(130), 신호처리장치(140) 및 비접촉식 온도 센서(160)를 포함할 수 있다. 레이저 소스(110)와 프로브(130), 스펙트로미터(120)와 프로브(130)는 광을 전송하는 것이 가능한 광학 케이블을 통해 서로 연결될 수 있다.The
응력 측정 장치(100)는 레일을 따라 주행 가능한 열차 대차(13)의 차륜과 차륜 사이에 설치될 수 있고, 레일의 테르밋 용접부에 레이저를 조사하고, 산화알루미늄으로부터 반사된 형광 스펙트럼을 분석함으로써, 레일(11)의 응력 상태를 측정할 수 있다. 응력 측정 장치(100)는 레일(11)의 온도를 측정하여 산화알루미늄의 형광 스펙트럼 분석 시에 반영함으로써, 온도 영향성이 배제된 레일(11)의 절대 응력을 측정할 수 있다. The
레이저 소스(110)는 예를 들어, 532nm 파장의 레이저 빔을 생성하여 방출할 수 있다. The
프로브(130)는 레이저 소스(110)로부터 방출된 레이저 빔을 레일의 테르밋 용접부(15)에 조사하고, 레일의 테르밋 용접부(15)에서 발생된 형광을 수집할 수 있다. 프로브(130)는 예를 들어, 레일의 웨브(web)에 레이저를 조사할 수 있다. 레일의 헤드(head)는 표면을 매끄럽게 하기 위해 그라인딩 공정이 수행되기 때문에 산화알루미늄이 거의 없기 때문이다. The
스펙트로미터(120)는 프로브(130)를 통해 수집된 형광 스펙트럼을 측정하여 후술할 신호처리장치(140)로 출력할 수 있다. The
스펙트로미터(120)는 프로브(130)를 통해 수집된 광의 대역폭(bandwidth)을 조절하는 입구 슬릿(entrance slit)과, 상기 슬릿을 통과한 광을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)과, 상기 콜리메이팅 렌즈를 통과한 광을 회절시키는 회절 격자(diffraction grating)와, 상기 회절 격자로부터 회절된 광을 반사하는 미러(mirror)와, 상기 미러에서 반사된 빛을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 디텍터(detector)를 포함할 수 있다.The
상기 회절 격자와 상기 디텍터 사이에 상기 미러를 배치시켜 광 경로를 증가시킴으로써, 스펙트로미터(120)의 해상도가 향상될 수 있다. By disposing the mirror between the diffraction grating and the detector to increase the optical path, the resolution of the
또한, 상기 회절 격자와 상기 미러 사이에 필터를 추가로 배치시켜 원하는 파장 영역 외의 광을 차단함으로써, 노이즈를 감소하고, 상기 디텍터의 픽셀에서 이미징 깊이(imaging depth)를 증가시킬 수 있으므로, 스펙트로미터(120)의 해상도가 향상될 수 있다. 또한, 광 경로를 더 증가시키기 위해, 상기 회절 격자와 상기 디텍터 사이에 2개 이상의 미러들을 배치시킬 수 있다. 스펙트로미터(120)의 해상도는 4 cm -1 이하로 향상될 수 있고, 예를 들어, 1 cm -1 일 수 있다. In addition, since a filter is additionally disposed between the diffraction grating and the mirror to block light outside the desired wavelength range, noise can be reduced and the imaging depth in the pixel of the detector can be increased. 120) can be improved. In addition, in order to further increase the optical path, two or more mirrors may be disposed between the diffraction grating and the detector. The resolution of the
신호처리장치(140)는 스펙트로미터(120)의 디텍터로부터 출력된 디지털 신호를 수신하여 산화알루미늄의 형광의 스펙트럼을 분석하여 피크 쉬프트(peak shift)를 측정하고, 레일의 응력을 계산할 수 있다. The
신호처리장치(140)는 형광의 스펙트럼으로부터 산화알루미늄의 R1 및 R2 피크들의 파수를 정확히 결정하기 위해, 아래와 같은 알고리즘에 따라 디지털 신호를 처리한다. The
도 5를 참조하면, 신호처리장치(140)는 산화알루미늄(alumina)에 대한 형광 스펙트럼의 로우데이타(raw data)를 수집한다. 상기 로우데이터는 전체 파수(wave number)에 대한 강도(intensity)로 표현된다. 상기 로우데이터 중 산화알루미늄의 피크를 취득하기 위한 영역은 매우 작은 영역에 해당하므로, 유효한 데이터를 취득하기 위해 경계(boundary), 즉 상한(upper bound)와 하한(lower bound)을 설정할 필요가 있다. 예를 들어, 상한은 14550 cm-1 로 설정하고, 하한은 14300 cm-1으로 설정할 수 있다. Referring to FIG. 5, the
이렇게 설정된 상한 및 하한에 따라 유효 데이터만 추출(trimming)해 낸다. 그 다음, 스펙트럼 데이터의 기저라인(baseline)을 제거해 주어야 한다. 스펙트럼으로부터 R1 및 R2 피크들을 분리(deconvolution)하기 위해 사용할 기저함수의 양 단부가 0을 기준으로 하고 있기에, 기저라인을 제거하여 스펙트럼 강도의 양 단부도 역시 0으로 맞추는 작업을 수행하는 것이 필요하다.Only valid data is extracted (trimming) according to the upper and lower limits set in this way. Then, the baseline of the spectral data must be removed. Since both ends of the basis function to be used for deconvolution of the R1 and R2 peaks from the spectrum are based on 0, it is necessary to perform a task of removing the baseline so that both ends of the spectrum intensity are also set to 0.
이후, 스펙트럼으로부터 R1 및 R2 피크들을 각각 분리해 내기 위하여, 각 기저함수를 적용할 경계(boundary)를 설정해 주어야 한다. 경계(boundary)는 피크를 중심으로 대칭인 것이 유리하며, R1 피크와 R2 피크에 대해 서로 다른 값을 적용한다. 이렇게 각각 경계(boundary)가 설정되면 R1 피크와 R2 피크를 직접 분리하는 처리를 수행하게 된다. 이때 기저함수는 여러 가지를 활용할 수 있으나, 주로 Gaussian 함수 또는 Lorentzian 함수를 사용하는 것이 산화알루미늄 스펙트럼의 피크들을 찾는데 유리하다. 가정한 기저함수와 실제 스펙트럼과의 에러를 최소화할 수 있는 계수를 찾아내는 방식으로 R1과 R2 curve를 구하게 된다. Thereafter, in order to separate the R1 and R2 peaks from the spectrum, a boundary to which each basis function is applied must be set. It is advantageous that the boundary is symmetric about the peak, and different values are applied for the R1 and R2 peaks. When each boundary is set in this way, a process of directly separating the R1 peak and the R2 peak is performed. At this time, various basis functions can be used, but it is advantageous to use the Gaussian function or the Lorentzian function mainly to find the peaks of the aluminum oxide spectrum. R1 and R2 curves are obtained by finding coefficients that can minimize the error between the assumed basis function and the actual spectrum.
R1 피크과 R2 피크를 실제로 분리하고 나면, 분리된 신호에 대해서 각각 보간법(interpolation)을 적용하여 통해 peak의 위치, FWHM, 면적, 에러 등의 값을 찾아내고 출력할 수 있다. After actually separating the R1 and R2 peaks, values such as peak position, FWHM, area, and error can be found and output by applying interpolation to the separated signals respectively.
수집된 형광의 스펙트럼에 대한 분석을 통하여 추출된 피크의 파수(예를 들어, R1 피크의 파수)로부터 아래의 (식 1)을 통해 전체 피크 쉬프트(peak shift) 값을 도출할 수 있다. From the wave number of the peak extracted through analysis of the collected fluorescence spectrum (eg, the wave number of the R1 peak), the total peak shift value can be derived through (Equation 1) below.
(식 1) (Equation 1)
: 측정된 전체 파수 쉬프트 값 [cm-1] : Measured total wavenumber shift value [cm -1 ]
: 측정된 스펙트럼의 피크 파수 값 : Peak wave number value of the measured spectrum
: 응력이 없는 상태에서의 피크 파수 값 : Peak wavenumber value in the absence of stress
레일의 테르밋 용접부는 용접 시 내부에 누적된 응력이 있으므로, 이를 해소하기 위하여, 레일의 테르밋 용접부를 분쇄하여 얻은 테르밋 분말 또는 산화알루미늄 분말로부터 응력이 없는 상태에서의 스펙트럼의 피크 파수 값()을 얻는다. 이때 온도 효과를 상쇄하기 위하여 기준 온도 298.8K에서 측정한다. Since the thermite welding part of the rail has accumulated stress inside during welding, in order to solve this, the peak wavenumber value of the spectrum in the state where there is no stress from the thermite powder or aluminum oxide powder obtained by pulverizing the thermite welding part of the rail ( ). At this time, it is measured at a reference temperature of 298.8K to offset the temperature effect.
형광 스펙트럼은 대상물의 응력에 영향을 받지만, 온도에도 민감하게 영향을 받는다. 따라서 형광 분광법을 이용하여 대상물의 응력을 측정할 때에 반드시 대상물의 온도를 함께 측정해서 온도에 따른 효과를 배제할 필요가 있다. The fluorescence spectrum is affected by the stress of the object, but is also sensitively affected by temperature. Therefore, when measuring the stress of an object using fluorescence spectroscopy, it is necessary to measure the temperature of the object together to eliminate the effect of temperature.
비접촉식 온도 센서(150)는 레일(11)의 온도를 측정하고, 이를 신호처리장치(140)으로 전달할 수 있다. 신호처리장치(140)는 측정된 레일의 온도를 이용하여 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 배제할 수 있다. The
신호처리장치(140)는 응력에 의한 피크 쉬프트만을 아래의 (식 2)를 통하여 도출할 수 있다. 신호처리장치(140)는 (식 2)에 따라 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 제거할 수 있다. The
(식 2) (Equation 2)
: 응력에 의한 피크 쉬프트 값 [cm-1] : Peak shift value due to stress [cm -1 ]
: 온도 변화에 의한 피크 쉬프트 계수 [cm-1/K] : Peak shift coefficient due to temperature change [cm -1 /K]
T : 측정 시 레일의 온도 [K]T: The temperature of the rail during measurement [K]
Tref : 기준 온도 [298.8K]T ref : Reference temperature [298.8K]
(온도 변화에 의한 피크 쉬프트 계수)는 온도와 피크 쉬프트 사이의 선형 관계를 나타내는 계수로서, 미리 온도 변화 실험으로부터 얻어질 수 있다. (Peak shift coefficient due to temperature change) is a coefficient representing a linear relationship between temperature and peak shift, and can be obtained from a temperature change experiment in advance.
레일의 용접부를 분쇄하여 얻은 테르밋 분말 또는 산화알루미늄 분말로부터 온도를 변화시키면서 스펙트로미터를 이용하여 형광 스펙트럼을 분석하여 피크 쉬프트 값을 측정한다. 측정된 데이터에 선형 회귀(linear regression)을 사용하여 (온도 변화에 의한 피크 쉬프트 계수)는 결정될 수 있다.From thermite powder or aluminum oxide powder obtained by pulverizing the weld of the rail, the fluorescence spectrum is analyzed using a spectrometer while changing the temperature to measure the peak shift value. Using linear regression on the measured data (Peak shift coefficient due to temperature change) can be determined.
형광 스펙트럼의 피크 쉬프트 값은 레일에 발생한 응력과 선형 관계를 가지므로, (식 2)로부터 얻은 응력에 의한 피크 쉬프트 값으로부터 아래의 (식 3)을 통하여 레일의 절대 응력을 도출할 수 있다. Since the peak shift value of the fluorescence spectrum has a linear relationship with the stress generated in the rail, the absolute stress of the rail can be derived from (Equation 3) below from the peak shift value due to the stress obtained from (Equation 2).
(식 3) (Equation 3)
: 측정된 레일의 절대 응력 [MPa] : Measured absolute stress of rail [MPa]
: 압전 분광 계수(piezospectroscopic coefficient) [cm-1/GPa] : Piezospectroscopic coefficient [cm -1 /GPa]
여기서, (압전 분광 계수)는 응력과 피크 쉬프트 사이의 선형적 관계를 나타내는 계수로서, 미리 레일 용접부에 대한 하중 재하 실험으로부터 얻어질 수 있다. 별도로 마련된 레일 용접부에 압축 응력을 증가시키면서 응력 측정 장치를 이용하여 산화알루미늄으로부터 발생한 형광의 피크 쉬프트 값을 측정한다. 측정된 데이터에 선형 회귀(linear regression)을 사용해 (압전 분광 계수)가 결정될 수 있다. here, (Piezoelectric spectral coefficient) is a coefficient representing a linear relationship between stress and peak shift, and can be obtained from a load loading experiment on a rail weld in advance. While increasing the compressive stress on the separately provided rail weld, the peak shift value of the fluorescence generated from aluminum oxide is measured using a stress measuring device. Using linear regression on the measured data (Piezoelectric spectral coefficient) can be determined.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도 레일의 응력 측정 시스템(10)을 이용해 테르밋 용접부에서 발생한 형광의 스펙트럼을 분석하여 피크 쉬프트 값을 추출하고, 온도 영향을 제거한 후, 압전 분광 계수로 나눠줌으로써, 레일의 절대 응력이 비파괴적으로, 비접촉식으로, 신속하게 측정될 수 있다. By analyzing the spectrum of fluorescence generated in the thermite weld using the
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 레일의 응력 측정 시스템(10)을 이용해 레일의 테리밋 용접부(15)에 대한 응력 측정에 대해 상술하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 레일의 응력 측정 시스템(10)은 용접부가 아닌 특정 관심 지점들에서 레일의 응력을 측정하는 데도 이용될 수 있다. 이를 위해, 용접부가 아닌 특정 관심 지점들에는 미리 알루미늄 패치들이 미리 용접되는 것이 필요하다. 알루미늄 패치들은 공기 중에서 산화되어 자연 산화막인 산화알루미늄을 형성하므로, 형광 분광법을 이용하여 본 발명의 응력 측정 시스템을 이용하여 특정 관심 지점들에서 레일의 응력을 측정할 수 있다. In the above, the measurement of the stress on the
상기 알루미늄 패치들은 레일의 웨브 또는 저부에 레일의 길이 방향으로 선형으로 용접될 수 있다. 상기 알루미늄 패치들은 레일의 웨브 또는 저부에 사각형 또는 원형 형태로 용접될 수 있다. The aluminum patches may be linearly welded to the web or bottom of the rail in the longitudinal direction of the rail. The aluminum patches may be welded to the web or bottom of the rail in a square or circular shape.
본 발명의 일 실시예에 따른 응력 측정 방법은 레일(11)을 따라 주행 가능한 열차 대차(13)에 장착된 응력 측정 시스템(10)을 이용하여 수행된다. The stress measurement method according to an embodiment of the present invention is performed using the
본 발명의 일 실시예에 따른 응력 측정 방법은 대차(13)가 응력을 측정하고자 하는 레일(11)의 일 지점으로 이동하는 단계, 응력 측정 장치(100)가 레이저 빔을 레일(11), 예를 들어, 레일(11)의 테르밋 용접부(15)에 조사하고, 레일(11)의 산화알루미늄으로부터 발생된 형광의 스펙트럼을 수집하는 단계, 응력 측정 장치(100)가 레일(11)의 온도를 측정하는 단계, 응력 측정 장치(100)가 수집된 형광의 스펙트럼 및 측정된 온도에 기초하여 레일(11)의 절대 응력을 측정하는 단계를 포함한다. In the method for measuring stress according to an embodiment of the present invention, the step of moving the
레일(11)의 절대 응력을 측정하는 단계는, 응력 측정 장치(100)가 수집된 상기 형광 스펙트럼을 측정하고, 분석하여 전체 피크 쉬프트 값을 추출하는 단계, 및 응력 측정 장치(100)가 측정된 온도를 이용하여 상기 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 제거하는 단계를 포함한다. Measuring the absolute stress of the
응력 측정 장치(100)의 스펙트로미터(120)가 수집된 상기 형광 스펙트럼을 측정하고, 신호처리장치(140)가 상기 형광 스펙트럼을 분석하여 상술한 (식 1)에 따라 전체 피크 쉬프트 값을 추출할 수 있다. The
응력 측정 장치(100)의 신호처리장치(140)는 비접촉 온도 센서(150)에 의해 측정된 레일(11)의 온도를 수신하고, 상술한 (식 2)에 따라 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 제거할 수 있다. 그리고, 신호처리장치(140)는 상술한 (식 3)에 따라 레일(11)의 절대 응력을 계산할 수 있다. The
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 통상의 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 이해할 수 있을 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been mainly described, but various changes or modifications may be made at the level of the person skilled in the art. Accordingly, it will be understood that such changes and modifications are included within the scope of the present invention as long as they do not depart from the scope of the present invention.
Claims (4)
상기 대차의 하부에 장착되며, 상기 레일의 테르밋 용접부에 레이저 빔를 조사함에 의해 발생된 형광 스펙트럼을 이용하여 상기 레일의 응력을 측정하는 응력 측정 장치;를 포함하고,
상기 응력 측정 장치는,
레이저 빔을 생성하여 방출하는 레이저 소스;
상기 레일의 웨브(web)에 인접하게 위치하며, 상기 레이저 소스로부터 방출된 레이저 빔을 상기 레일의 웨브에 위치한 상기 레일의 테르밋 용접부에 조사하고, 상기 테르밋 용접부의 산화알루미늄으로부터 발생된 형광 스펙트럼을 수집하는 프로브;를 포함하고,
상기 레이저 소스와 상기 프로브는 광학 케이블로 연결되는 철도 레일의 응력 측정 시스템. A bogie capable of running along the rails of the railway; And
Includes; a stress measuring device mounted on the lower part of the bogie and measuring the stress of the rail using a fluorescence spectrum generated by irradiating a laser beam to the thermite welding portion of the rail
The stress measurement device,
A laser source generating and emitting a laser beam;
Located adjacent to the web of the rail, the laser beam emitted from the laser source is irradiated to the thermite welding portion of the rail located on the web of the rail, and the fluorescence spectrum generated from the aluminum oxide of the thermite welding portion is collected. Including;
The laser source and the probe are a stress measurement system of a railroad rail connected by an optical cable.
상기 응력 측정 장치는,
상기 프로브에 의해 수집된 형광 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터;
측정된 스펙트럼을 분석하여 피크 쉬프트를 측정하고 레일의 응력을 계산하는 신호처리장치; 및
상기 레일의 온도를 측정하여 상기 신호처리장치에 제공하는 비접촉식 온도 센서;를 더 포함하고,
상기 프로브와 상기 스펙트로미터는 광학 케이블로 연결되는 철도 레일의 응력 측정 시스템.The method of claim 1,
The stress measurement device,
A spectrometer measuring a fluorescence spectrum collected by the probe;
A signal processing device that analyzes the measured spectrum, measures a peak shift, and calculates a stress of the rail; And
A non-contact type temperature sensor that measures the temperature of the rail and provides it to the signal processing device; further comprising,
The probe and the spectrometer are a stress measurement system of a railroad rail connected by an optical cable.
상기 대차가 응력을 측정하고자 하는 상기 레일의 일 지점으로 이동하는 단계;
상기 응력 측정 장치가 상기 레일의 웨브에 인접하게 위치한 프로브를 이용해 레이저 빔을 상기 레일의 웨브에 위치한 상기 레일의 테르밋 용접부에 조사하고, 상기 테르밋 용접부의 산화알루미늄으로부터 발생된 형광 스펙트럼을 수집하는 단계;
상기 응력 측정 장치가 비접촉식 온도 센서를 이용해 상기 레일의 온도를 측정하는 단계;
상기 응력 측정 장치가 신호처리장치를 이용해 수집된 형광 스펙트럼 및 측정된 온도에 기초하여 상기 레일의 절대 응력을 측정하는 단계;를 포함하는 철도 레일의 응력 측정 방법.As a method for measuring the stress of a rail using the system for measuring the stress of a railroad rail of claim 1 or 2,
Moving the bogie to a point of the rail where the stress is to be measured;
Irradiating, by the stress measuring device, a laser beam to a thermite welding portion of the rail located on the web of the rail using a probe located adjacent to the web of the rail, and collecting a fluorescence spectrum generated from aluminum oxide of the thermite welding portion;
Measuring, by the stress measuring device, a temperature of the rail using a non-contact temperature sensor;
Measuring the absolute stress of the rail on the basis of the fluorescence spectrum and the measured temperature collected by the stress measuring device using a signal processing device; A method for measuring the stress of a railroad rail comprising a.
상기 레일의 절대 응력을 측정하는 단계는,
상기 응력 측정 장치가 수집된 상기 형광 스펙트럼을 측정하고, 분석하여 전체 피크 쉬프트 값을 추출하는 단계; 및
상기 응력 측정 장치가 측정된 온도를 이용하여 상기 전체 피크 쉬프트 값에서 온도 변화에 따른 피크 쉬프트 값을 제거하는 단계;를 포함하는 철도 레일의 응력 측정 방법.
The method of claim 3,
Measuring the absolute stress of the rail,
Measuring and analyzing the collected fluorescence spectrum by the stress measuring device to extract a total peak shift value; And
The stress measurement method of a railroad rail including; removing a peak shift value according to a temperature change from the total peak shift value by using the measured temperature by the stress measuring device.
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