KR102508153B1 - 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜 표면의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 레일의 차륜 답면 중앙부가 접촉되는 지점을 향해 레일에 관통 설치되는 와전류센서를 포함하되, 상기 와전류센서는 상단이 차륜의 답면과 일정 거리 이격되게 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템 {WHEEL DEGRADATION DETECTION DEVICE AND SYSTEM}

본 발명은 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜 표면의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것이다.

차륜은 철도 차량의 중량을 지지하고, 레일과의 반복적인 구름 접촉을 하며 이동하는 핵심 구조부품이다.

특히, 레일과의 미소 접촉부에서 발생되는 높은 수직 응력, 답면 제동 때에 제륜자가 접촉하여 발생하는 마찰열에 의한 열응력, 제조과정에서 필수적으로 발생되는 비금속 개재물 등의 원인에 의하여 발생하는 차륜의 손상은 고속열차의 주행 안전에 지대한 영향을 미친다.

즉, 답면제동차량의 경우 차륜 제조과정에서 생성된 압축잔류응력이 운행 중 인장잔류응력으로 변화하여 피로손상을 증가시키게 되고, 차륜 삭정에 의한 경도저하는 마모를 증가시키게 되는 것이다.

또한, 이러한 잔류응력의 측정방법으로 파괴적인 측정방법과 비파괴적인 측정방법이 사용되고 있으나, 차륜의 개수가 1개 고속철도 차량 당 수백개가 넘어 차륜의 건전성을 일일이 측정하기에는 많은 시간이 필요하고, 비용도 증가하게 된다.

따라서, 철도차량이 운행 중에 차륜 답면 열화를 조기에 식별하기 위한 시스템이 필요하다.

한국등록특허 제10-0682514호 한국공개특허 제10-2009-0091837호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 철도차량 운행상태에서 각 차륜의 열화를 자동으로 검사할 수 있도록 함으로써 검사 비용을 절감하고, 검사 시간을 단축할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 다양한 차륜의 종류 및 마모상태에 따라 대응 가능한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은; 레일의 차륜 답면 중앙부가 접촉되는 지점을 향해 레일에 관통 설치되는 와전류센서를 포함하되, 상기 와전류센서는 상단이 차륜의 답면과 일정 거리 이격되게 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 와전류센서의 상단에는 간격유지바퀴가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상기 와전류센서의 하단을 지지하는 받침대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 와전류센서와 받침대의 사이에는 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 와전류센서는 동시에 일정 범위에서 다수개의 주파수를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 철도차량이 운행하는 궤도 일측에 설치되어 철도차량 진입을 인식하는 차량진입인식장치와, 상기 진입인식장치 이후에 철도차량이 운행하는 레일에 설치되는 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치와, 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치의 작동을 제어하는 컨트롤 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 컨트롤 수단은 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치의 와전류센서에서 출력되는 주파수 값을 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치는 레일에 철도차량 운행 방향으로 다수개가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 철도차량 운행상태에서 각 차륜의 열화를 자동으로 검사할 수 있도록 함으로써 검사 비용을 절감하고, 검사 시간을 단축할 수 있도록 한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다양한 차륜의 종류 및 마모상태에 따라 대응 가능한 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치를 도시한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지 시스템을 도시한 개념도.
도 4는 와전류센서를 이용한 차륜시편의 열화 측정시험결과를 도시한 도면.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치를 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지 시스템을 도시한 개념도이고, 도 4는 와전류센서를 이용한 차륜시편의 열화 측정시험결과를 도시한 도면이다.

본 발명은 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜 표면의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치(100) 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템(50)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 그 구성은 철도차량이 주행하는 레일(20)의 철도차량의 차륜(10)의 답면(12) 중앙부가 접촉되는 지점을 향해 관통 설치되는 와전류센서(110)와, 상기 와전류센서(110)의 하단을 지지하는 받침대(120)를 포함한다.

보다 상세히 설명하면, 상기 와전류센서(110)는 레일(20)의 상부 및 측부방향으로 경사지게 관통 형성되는 설치홀(22)에 설치되는 것으로, 상단은 상기 설치홀(22)의 내부 일정 위치에 위치하도록 설치되어 레일(20)에 접촉하는 차륜(10)의 답면(12)과 일정 거리 이격되게 설치된다.

여기서, 철도차량 차륜의 열화는 일반적으로 제동열에 의한 금속조직 및 잔류응력의 변화와 반복적인 구름접촉에 의한 구름접촉에 의한 소성변형 및 잔류응력의 변화이며, 금속조직의 변화, 경화층 생성 및 잔류응력의 변화에 따라서 전도율 및 투자율이 변화하며, 이에 따라서 와전류가 변화하게 되고, 와전류의 변화는 임피던스(Impedance)를 측정하여 얻을 수 있다.

즉, 상기 와전류센서(110)는 일정 값의 주파수를 출력하여 차륜(10)의 임피던스를 측정함으로써 열화정도를 감지하게 되는데, 이때, 와전류센서(110)는 감지 대상물인 차륜(10)과 일정 간격을 유지해야 하므로 상단이 상기 설치홀(22)의 내부 일정 위치에 위치하도록 설치되어 차륜(10)의 답면(12)과 일정 거리 이격되도록 하는 것이다.

이때, 상기 와전류센서(110)는 동시에 일정 범위에서 다수개의 주파수를 출력하여 차륜(10)의 임피던스를 측정하게 된다.

보다 상세하게는, 상기 와전류센서(110)에서 출력되는 일정 범위의 주파수 중 낮은 주파수는 검사 대상물인 차륜(10)의 깊은 조직, 즉 중심부의 임피던스를 측정하게 되고, 높은 주파수는 차륜(10)의 표면의 임피던스를 측정하게 되므로, 동시에 차륜(10)의 측정위치의 반경방향, 즉 차륜(10)의 중심부 및 표면에 이르기까지의 임피던스를 일정 간격으로 다수개 측정하여 위치별 열화 정도를 파악할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 다양한 조건의 차륜 시편에 대하여 와전류센서(110)를 이용하여 임피던스를 측정한 결과를 도시한 것으로, 1번은 열하중을 가하거나 구름접촉피로시험을 하지 않은 기준시편이고, 2번은 열하중을 가한 시편이고, 3,4,5번은 각각 다른 횟수의 구름접촉피로시험 후 열하중을 가한 시편이다.

이때, 와전류센서(110)에서 166 kHz ∼ 173 kHz범위의 8개의 값을 출력하여 각 시편의 임피던스를 측정함으로써 열화 정도를 검지한 것으로, 1번 기준시편의 임피던스 측정값과 비교하여 2,3,4,5번 시편의 임피던스 측정값에 차이가 발생하였다.

이러한 결과로부터, 차륜의 제작 시 임피던스 측정값을 기준으로 하여 운행중인 철도차량에 설치된 차륜의 임피던스 측정값을 비교함으로써 차륜의 제동열에 의한 금속조직 및 잔류응력의 변화와 반복적인 구름접촉에 의한 구름접촉에 의한 소성변형 및 잔류응력의 변화 등에 따른 열화 정도를 검지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 와전류센서(110)가 차륜(10)의 답면(12)과 이격된 간격을 용이하게 설정하기 위해 간격유지바퀴(130)가 더 설치될 수 있다.

여기서, 상기 간격유지바퀴(130)는 브라켓(132)에 의해 상기 와전류센서(110)의 상단에 설치될 수 있는데, 상기 브라켓(132)은 중앙부가 관통된 링 형상으로 형성되어 상기 와전류센서(110)의 상단 외주면에 결합 설치되고, 상기 브라켓(132)의 양측에는 설치축(134)이 구비되며, 상기 설치축(134)과 간격유지바퀴(130) 사이에는 베어링(136)이 구비되어 상기 간격유지바퀴(130)가 회전가능하게 설치되는 것이다.

이때, 상기 간격유지바퀴(130)의 상단은 레일(20)의 설치홀(22)의 상단과 동일선상에 위치하도록 설치되어 차륜(10)의 답면(12)에 접촉하도록 설치되는 것으로, 상기 간격유지바퀴(130)에 의해 와전류센서(110)가 차륜(10)의 답면(12)과 이격된 간격이 설정되어 일정 간격을 유지하도록 용이하게 설치할 수 있게 되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 차륜(10)의 통과 시 간격유지바퀴(130)도 회전하게 되므로 차륜(10)과의 마찰을 감소시킬 수 있도록 하는 것이다.

또한, 답면제동을 사용하는 차량의 경우 잔류응력의 변화 및 열화가 차륜(10) 답면(12)의 중앙부에서 가장 크게 발생하므로 상기 차륜(10)의 답면(12) 중앙부가 접촉되는 레일(20)의 지점에 대응되게 관통되도록 설치홀(22)을 형성함으로써 상기 와전류센서(110)가 차륜(10) 답면(12)의 중앙부에 대응되게 설치될 수 있도록 하는 것이다.

여기서, 상기 와전류센서(110)가 레일(20)의 설치홀(22)에 기울어지게 설치되는 경우 상기 간격유지바퀴(130)은 둘 중 하나의 직경이 크게 형성되어 와전류센서(110)의 설치에 따른 경사에 의해 차륜(10)의 답면(12)과 이격되는 거리를 보상하여 간격유지바퀴(130)가 모두 차륜(10)의 답면(12)에 접촉되도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 와전류센서(110)의 하단은 상기 설치홀(22)을 통해 레일(20)의 측부 방향으로 돌출되게 설치되어 그 단부가 상기 받침대(120)에 의해 지지되도록 설치된다.

이때, 상기 받침대(120)는 상기 레일(20)에 용접, 브라켓 등에 의해 고정 설치될 수 있다.

또한, 상기 와전류센서(110)와 받침대(120)의 사이에는 탄성부재(140)가 더 구비되어 다양한 차륜의 종류 및 마모상태에 따라 대응 가능하도록 구성할 수 있다.

즉, 상기 탄성부재(140)가 없는 경우, 상기 와전류센서(110)는 받침대(120)에 고정된 상태로 설치홀(22) 내부의 일정 위치에 고정 설치되게 되므로, 레일 마모 상태에 따라 간격유지바퀴(130)가 레일(20) 상측으로 노출되어 차륜(10)의 답면(12)과 상기 와전류센서(110)간의 간격이 변화하게되고, 차륜(10)의 열화 정도가 실제와 다르게 측정될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 상기 탄성부재(140)에 의해 와전류센서(110)가 탄성 지지되도록 구성함으로써 레일 마모 상태에 따라 간격유지바퀴(130)가 레일(20)의 상측으로 돌출된 경우에도, 차륜(10)에 의해 간격유지바퀴(130)가 접촉 가압되면 탄성부재(140)가 수축하며 와전류센서(110)도 레일(20)의 설치홈(22) 내측 일정 위치에 위치한 상태가 되어, 차륜(10)의 답면(12)과 상기 와전류센서(110) 간의 간격이 전술한 바와 같이 간격유지바퀴(130)에 의한 이격거리가 되도록 유지할 수 있어 보다 균일하고 정확한 측정이 이루어지는 효과가 있는 것이다.

이때, 상기 탄성부재(140)가 내부에 설치되고, 상기 와전류센서(110)의 하단부가 삽입되는 가이드부(122)가 상기 받침대(120)에 구비되고, 와전류센서(110)는 하단이 상기 탄성부재(140)를 안정적으로 가압할 수 있도록 보다 면적이 넓은 확대부(112)가 더 구비될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지 시스템(50)은 도 3에 도시한 바와 같이, 철도차량에 운행하는 궤도 일측에 구비되어 철도차량 진입을 인식하는 차량진입인식장치(200)와, 상기 차량진입인식장치(200)를 통과한 이후에 철도차량이 운행하는 레일(20)에 설치되는 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)와, 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)의 작동을 제어하는 컨트롤 수단(300)을 포함한다.

이때, 상기 차량진입인식장치(200)는 차륜 열화 검지지점의 진입부에 설치되어 철도차량이 상기 차량진입인식장치(200)를 통과할 때 철도차량번호, 차륜순서 등을 자동으로 입력받아 데이터베이스(미도시)로 저장하게 된다.

다음, 철도차량이 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)를 통과할 때 차륜(10)의 열화를 검지하게 되며, 측정결과를 상기 데이터베이스로 저장하게 되는데, 전술한 실시 예와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 일반적으로 답면제동을 사용하는 차량의 경우에는 원주 방향으로 유사한 열화 및 잔류응력를 가지고 있으나, 측정위치에 따른 편차가 발생할 것을 고려하여 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)를 레일(20)에 철도차량 운행 방향으로 다수개를 설치하여 보다 정확하게 차륜(10)의 열화를 검지할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

여기서, 레일(20)에 설치되는 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)의 설치범위는 철도차량 운행에 따라 차륜(10)이 1회전하는 구간, 즉 차륜(10)의 답면(12) 중앙부의 원주(圓周) 보다 짧은 구간 내에 다수개를 설치하여 1회전 중 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)가 차륜(10) 답면(12)의 원주(圓周) 중 대응되는 각 부위에 대하여 차륜(10)의 열화를 검지할 수 있게 되는 것이다.

다음, 상기 컨트롤 수단(300)은 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)의 작동을 제어하는 것으로, 상세하게는 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치(100)의 와전류센서(110)에서 출력되는 주파수 값을 설정하게 된다.

즉, 전술한 바와 같이, 상기 와전류센서(110)에서 출력되는 주파수 높낮이에 따라 차륜(10)의 측정 위치가 달라지게 되므로, 상기 컨트롤 수단(300)에서 차륜(10)의 종류 또는 차륜(10)의 마모 정도 등에 따라 상기 와전류센서(110)로부터 출력되는 주파수의 범위 및 주파수 값을 적절하게 설정할 수 있는 것이다.

따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치(100) 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템(50)에 의하면, 철도차량이 운행하는 레일(20)에 설치하여 차륜(10)의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있고, 철도차량 운행상태에서 각 차륜(10)의 열화를 자동으로 검사할 수 있도록 함으로써 검사 비용을 절감하고, 검사 시간을 단축할 수 있으며, 다양한 차륜(10)의 종류 및 마모상태에 따라 대응 가능한 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

본 발명은 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량이 운행하는 레일에 설치하여 차륜 표면의 잔류응력 및 조직변화 등 차륜 열화를 차량 운행상태에서 자동으로 검사할 수 있도록 한 철도차량 차륜 열화 검지장치 및 철도차량 차륜 열화 검지 시스템에 관한 것이다.

10: 차륜 12: 답면
20: 레일 50: 철도차량 차륜 열화 검지 시스템
100: 철도차량 차륜 열화 검지장치 110: 와전류센서
120: 받침대 130: 간격유지바퀴
140: 탄성부재 200: 차량진입인식장치
300: 컨트롤 수단

Claims (8)

1. 레일의 차륜 답면 중앙부가 접촉되는 지점을 향해 레일에 관통 설치되는 와전류센서를 포함하되,
   상기 와전류센서는 상단이 차륜의 답면과 일정 거리 이격되게 설치되고,
   상기 와전류센서의 상단에는 간격유지바퀴가 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 와전류센서의 하단을 지지하는 받침대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 와전류센서와 받침대의 사이에는 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 와전류센서는 동시에 일정 범위에서 다수개의 주파수를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지장치.
   
6. 철도차량이 운행하는 궤도 일측에 설치되어 철도차량 진입을 인식하는 차량진입인식장치와,
   상기 차량진입인식장치를 통과한 이후에 철도차량이 운행하는 레일에 설치되는 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 따른 철도차량 차륜 열화 검지장치와,
   상기 철도차량 차륜 열화 검지장치의 작동을 제어하는 컨트롤 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 컨트롤 수단은 상기 철도차량 차륜 열화 검지장치의 와전류센서에서 출력되는 주파수 값을 설정하는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지 시스템.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 철도차량 차륜 열화 검지장치는 레일에 철도차량 운행 방향으로 다수개가 설치되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜 열화 검지 시스템.
   

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