KR20090042621A - 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템에 관한 것으로서, 철도차량 차륜의 주변의 자장(磁場) 정보를 획득하는 자장측정수단과, 상기 자장측정수단에서 획득된 자장 정보를 이용하여 차륜의 결함유무를 자기영상으로 독출하는 데이터수집수단으로 구성된다.
본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 차륜 답면의 균열 상태를 비접촉방식의 자기센서를 이용하여 모니터링함으로써 차륜의 상태를 정확히 판단할 수 있어 신뢰성을 가지고 차륜의 삭정 혹은 폐기 등의 조치를 취하는데 유용하게 활용할 수 있는 장점이 있다.
철도차량, 차륜, 이상, 자기센서
Description
도 1은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템의 상세 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 자기센서의 설치 예들을 도시한 레일 단면도이고,
도 4는 본 발명에 사용되는 자기센서를 이용하여 결함 탐상이 가능한 소재의 사진이고,
도 5는 본 발명에 따른 시험편의 이상 유무에 대한 해석프로그램의 실행 화면이고,
도 6은 여러 종류의 결함을 도입한 평판형 시험편을 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 이용하여 도 6의 평판형 시험편으로부터 획득한 자장 영상을 도시한 도면이고,
도 8는 도 7의 실험 결과로부터 시험편의 단면 결함상태를 도시한 도면이고,
도 9는 도 8의 실험 결과로부터 해석한 결과를 도출하여 표시한 그래프이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 차륜 1a: 답면
10: 레일 110: 자장측정수단
112: 자기센서 어레이 112a: 자기센서
113: A/D컨버터 114: 자기렌즈
115: 증폭부 116: 자화수단
117: 필터링부 120: 데이터수집수단
121: 제어부 122: 조작부
123: 디스플레이부 124: 메모리부
125: 전원부
본 발명은 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비접촉방식으로 철도차량의 차륜 답면의 이상 유무를 모니터링하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량을 구성하는 차륜(車輪)은 철도차량의 운행시 안전에 가 장 중요한 부품으로 레일과의 연속적인 접촉하중을 받게 된다.
따라서, 연속적이고도 지속적인 접촉하중에 의한 차륜 답면의 손상은 운행 중의 충격하중을 발생시켜서 차륜이 설치되는 대차부품에 영향을 미치게 되며, 이는 차륜의 파손 및 탈선을 유발시켜 커다란 인명피해를 야기시킨다.
이와 같이 차륜에 발생하는 손상요인은 차륜과 레일의 접촉하중과 곡선부 주행시 횡하중에 의한 피로균열, 제동열에 의한 열크랙, 제동시 찰상, 이상 마모 등이 있으며, 이 중 차륜의 답면에 발생하는 균열이 가장 치명적일 수 있다.
따라서, 철도차량의 안전한 운행을 위하여는 차륜의 답면에 발생하는 균열을 감지하고 이에 대하여 유지 보수 차원에서 차륜의 삭정 혹은 폐기 등의 조치를 취하여야 하는 이유로 차륜의 답면에 발생한 균열을 감지할 수 있는 장치가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 이러한 점들에 착안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량의 차륜 답면의 결함 상태를 비접촉방식으로 모니터링하며 분해능과 신뢰성을 높여줄 수 있는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 철도차량의 주행 중에 차륜 답면의 이상상태를 감지할 수 있는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
철도차량 차륜의 주변의 자장(磁場) 정보를 획득하는 자장측정수단과;
상기 자장측정수단에서 획득된 자장 정보를 이용하여 차륜의 결함유무를 자기영상으로 독출하는 데이터수집수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 자장측정수단은 상기 차륜을 자화시키는 자화수단과, 자화된 차륜의 답면에서 자장을 집속하는 자기렌즈와, 상기 자기렌즈를 통해 집속된 자장(磁場) 정보를 전기신호로 변환하는 자기센서 어레이와, 상기 자기센서를 통해 전기신호로 변환된 자장 정보를 디지털신호로 변환하는 A/D컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터수집수단은 상기 자장측정수단으로부터 전송되는 자장 정보를 분석하여 결함유무를 자기영상으로 독출하는 제어부와, 상기 자장측정수단으로부터 전송되는 자장 정보를 저장관리하며 상기 자장 정보를 분석하는 해석프로그램이 내장되는 메모리부와, 상기 제어부에서 독출된 자기영상을 디스플레이하는 디스플레이부와, 전원을 공급하는 전원부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 1은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템의 개 략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템의 상세 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 자기센서의 설치 예들을 도시한 레일 단면도이고, 도 4는 본 발명에 사용되는 자기센서를 이용하여 결함 탐상이 가능한 소재의 사진이고, 도 5는 본 발명에 따른 시험편의 이상 유무에 대한 해석프로그램의 실행 화면이고, 도 6은 여러 종류의 결함을 도입한 평판형 시험편을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 이용하여 도 6의 평판형 시험편으로부터 획득한 자장 영상을 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 실험 결과로부터 시험편의 단면 결함상태를 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 실험 결과로부터 해석한 결과를 도출하여 표시한 그래프이다.
먼저 도 1 내지 도 3에 의하면, 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 자기센서(112a)를 이용하여 차륜 답면(1a)의 이상 유무를 감지하게 된다.
이와 같은 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 비용 및 효율성을 고려하여 정비본부 또는 차량사무소에 철도차량의 입고시에 차륜의 균열을 감지할 수 있는 연변 검지 방식을 이용하여, 차량이 저속으로 운행시 차륜 답면의 이상 유무를 감시할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.
이때, 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 비접촉방식인 누설자속탐상법을 이용하기 위해 차륜과 접촉되는 레일(10) 상면에 자기센서(112a)를 부착하여 철도차량의 주행 중에 차륜 답면의 균열상태의 이상 유무를 감지하게 된다.
한편, 상기 자기센서(112a)는 다양한 응용 분야에 적용되어 결함 유무를 탐상할 수 있으며, 그 응용 분야는 원자력발전소의 니켈코팅 인코넬판재의 결함 탐상, 경년항공기의 알루미늄 합금의 피로균열 탐상, 원자력발전소나 가스배관과 같이 재질이 변화한 스테인레스강의 결함 탐상, 석유화학이나 조선제철 또는 고속철도의 탄소강 결함 탐상 등이다.
이와 같은 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 철도차량 차륜 답면(1a)의 주변 자장을 자기렌즈(114)로 집속(集束)하여 자기센서 어레이(112)에 의하여 전기신호로 변환하여 육안으로는 볼 수 없는 자기분포를 기록하고, 해석하기 위한 정량적인 자장(磁場) 정보를 획득하는 자장측정수단(110)과, 상기 자장측정수단(110)에서 획득된 자장 정보를 이용하여 차륜 답면(1a)의 결함유무를 자기영상으로 독출하는 데이터수집수단(120)으로 이루어진다.
상기 자기센서 어레이(112)를 이용하는 경우 철도차량이 대략 30km/h로 운행시에 자기영상을 획득할 수 있으며, 5mm 이내의 균열감지 분해능을 가지게 된다.
이때, 상기 자기센서 어레이(112)는 도 3의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 레일(10)의 상면의 일부를 제거하여 안착홈(10a)을 형성하고 그 안착홈(10a)에 자기센서 어레이(112)를 매입설치하여서 이루어짐이 바람직하다.
이 경우, 상기 안착홈(10a)은 필요에 따라 레일 상면의 중앙부 또는 일측부에 형성할 수 있다.
이하 본 발명을 구성하는 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 자장측정수단(110)은 차륜(1)을 자화시키는 자화수단(116)과, 자화된 차륜(1)의 답면(1a)에서 자장을 집속하는 자기렌즈(114)와, 상기 자기렌즈(114)를 통해 집속된 자장 정보를 전기신호로 변환하는 자기센서 어레이(112)와, 상기 자기센서 어레이(112)를 통해 전기신호로 변환된 아날로그(analog) 형태의 자장(磁場) 정보를 디지털신호로 변환하는 A/D컨버터(113)로 구성된다.
이때, 상기 자기센서 어레이(112)를 통해 감지되는 자장 정보는 신호가 미약하여 이를 일정 비율로 증폭하는 증폭부(115)와, 상기 증폭된 자장 정보의 노이즈를 제거하기 위해 필터링(filtering)하는 필터링부(117)가 더 구비된다.
따라서, 상기 필터링부(117)를 거친 자장 정보가 상기 A/D컨버터(113)를 통해 디지털화된다.
이와 같은 자장측정수단(110)의 디지털(digital)화된 상기 자장(磁場) 정보는 데이터수집수단(120)으로 수집되어 차륜 답면(1a)의 자기영상이 정해진 알고리즘에 따라 독출되어 디스플레이되어 검수자가 확인할 수 있게 된다.
상기 구성에 의하여 피측정 물체인 철도차량의 차륜(1) 답면(1a)의 불연속 여부에 따른 자장을 자기렌즈(114)로 집속하여 자기센서 어레이(112)에 의하여 전기신호로 변환되어 데이터수집수단(120)에 전송되며 육안으로는 볼 수 없는 자기분포를 기록하고, 해석하기 위한 정량적인 기초 데이터로 이용된다.
이때, 상기 자화수단(116)으로는 강자성체 또는 상자성체 금속인가에 따라 전자석, 유도전류, 헬름홀츠 코일, 지자기 등이 선택적으로 이용된다.
특히, 상기 자화수단(116)은 강자성체 금속의 표면 또는 표면 근방에 위치하 는 균열을 탐상하고 평가하기 위해 요크타입의 자화기(Yoke type magnetizer)에 의하여 시험편을 자화하고, 균열에 의해 발생하는 누설자속을 자기렌즈(114)에 의하여 집속한 후, 그 분포를 취득할 수 있게 된다.
한편 최근의 연구결과에 의하면, 자기센서(112a)에 의하여 도 4와 같이 강자성체와 상자성체가 혼합된 재질로서, 예를 들면 도 4(a)의 니켈코팅 인코넬판재, 도 4(c)의 스테인레스강, 도 4(b)의 상자성체 금속인 알루미늄 합금, 도 4(d)의 강자성체인 탄소강의 결함 및 피로균열을 탐상할 수 있음이 보고되고 있음을 알 수 있다.
이와 같은 자기센서(112a) 다수가 배열되어 이루어지는 자기센서 어레이(112)는 반도체 웨이퍼(112b)상에 자기센서(112a)를 대략 0.52mm 간격으로 직선상에 64개를 배열하여 구성하게 된다.
상기 자기센서 어레이(112)는 다수의 자기센서(112a)를 조밀하게 배치하여 구성함으로 인해 고공간분해능을 갖게 되어 보다 넓은 영역(예를 들면, 폭 32mm)에서 보다 작은 균열(예를 들면, 최소 반경 0.25mm인 흠)까지도 탐상할 수 있게 된다.
상기 데이터수집수단(120)은 상기 자장측정수단(110)으로부터 수집되는 자장 정보를 이용하여 차륜 답면(1a)의 균열 등과 같은 결함유무를 자기영상으로 독출하게되는데, 이는 상기 자장측정수단(110)으로부터 전송되는 자장 정보를 순차적인 알고리즘에 따라 분석하여 결함유무를 자기영상으로 독출하는 제어부(121)와, 각종 제어를 사용자가 입력하기 위한 조작부(122)와, 상기 제어부(121)에서 독출된 자기 영상을 디스플레이하는 디스플레이부(123)와, 상기 자장측정수단(110)으로부터 전송되는 자장 정보를 저장관리하며 상기 자장 정보를 분석하는 해석프로그램이 내장되는 메모리부(124)와, 구동을 위한 전원을 공급하는 전원부(125)로 구성된다.
이때, 상기 데이터수집수단(120)은 일반적인 산업용 컴퓨터로 구성되며, 상기 디스플레이부(123)는 모니터(monitor)로 구성되며, 상기 조작부(122)는 일반적인 키보드와 마우스로 이루어진다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고로 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템을 이용하여 차륜 답면의 이상 유무를 모니터링하는 과정을 상세히 설명한다.
자장측정수단(110)의 자화수단(116)이 작동되어 차륜을 자화시키고 회전하는 차륜(1)의 답면(1a)에서 자장을 집속(集束)하여 자기센서 어레이(112)에서 전기신호로 변환된다.
이와 같은 자기센서 어레이(112)의 자장 정보는 A/D컨버터(113)를 통해 디지털화되어 데이터수집수단(120)으로 입력된다.
그리고, 상기 수집된 자장 정보는 메모리부(124)에 저장되며 해석프로그램의 구동에 따라 차륜 답면의 이상 유무를 검출하며 디스플레이부(123)인 모니터로 출력되어 검수자가 확인 및 분석할 수 있도록 한다.
이와 같은 해석프로그램은 도 5에 도시한 바와 같이 디스플레이부(123)를 구 성하는 모니터 상에 실행된다.
이때, 상기 도 5에서 (a)(Normal)(200)은 자기장의 분포를 표현하며, (b)(∂B/∂x)(202) 및 (c)(∂B/∂y)(204)는 화상 처리한 결과로서, 결함의 존재 여부를 보다 확연하게 표현하며, 상기 (a)(Normal)(200)과 (b)(∂B/∂x)(202) 및 (c)(∂B/∂y)(204)는 실시간(real time)으로 표시된다.
그리고 (d)(section view)(206)는 실험 결과를 해석하기 위한 그래프로서, 자기센서(112a)로 감지되는 자장 영상의 단면을 도시하며, (d)(section view)(206)에 표현된 일례로부터 차륜 답면(1a)의 결함의 깊이 또는 체적 등의 크기를 해당 측정값 또는 해석값과 밀접한 관계를 가지므로 결함의 정량적 평가를 할 수 있게 된다.
또한, (e)(Selection)(208)은 (d)(section view)(206)를 도시함에 있어서, 상기 (a)(Normal)(200)과 (b)(∂B/∂x)(202) 및 (c)(∂B/∂y)(204)의 영상을 선택할 수 있으며, (f)(Coordinate)(210)는 (d)(Section view)(206)에서 정량적인 위치 및 값을 취득하기 위한 좌표를 표시한다.
그리고, (g) FSO(212)는 (a)(Normal)(200)과 (b)(∂B/∂x)(202) 및 (c)(∂B/∂y)(204)의 영상으로부터 결함을 보다 확연하게 구별하기 위하여, 영상내 최대치(MAX) 및 최소치(MIN)를 변화시키는 역할을 한다.
이와 같은 해석프로그램에 기인하여 도 6에 도시한 바와 같이 일정한 크기로 이루어지며 인위적으로 여러 종류의 결함을 유발한 상태의 평판형 시험편을 이용하 여 결함 감지에 대한 시험을 실시한 결과, 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 자장 정보를 취득할 수 있게 된다
이때, 상기 도 7의 (a)의 상부에 원형으로 유발된 결함에 대해서는 반경 2.5mm, 1.5mm, 1mm, 0.5mm는 물론 0.25mm까지의 깊이 0.4mm의 흠을 가시화할 수 있다. 또한, 슬릿형 결함이 자화방향과 직각으로 이루어지는 경우에는 도 7의 (a)의 하부와 같이 가시화되며, 슬릿형 결함이 자화방향과 45도 경사진 경우에는 도 7의 (b)의 상부와 같이 길이 5mm, 깊이 0.2mm, 폭 0.2mm 이상의 모든 결함을 탐상할 수 있다.
한편, 결함이 자화방향과 수평인 경우에는 도 7의 (b)의 하부와 같이 영상으로부터 결함의 존재는 어렴풋이 알 수 있으나, 정확한 판단이 쉽지 않다. 물론, 이이와 같은 점들은 교차자화기 또는 유도면전류의 도입에 의하여 해당하는 결함도 검출할 수 있음이 최근 보고되고 있으므로 이를 이용하여 개선함도 바람직하다.
또한, 도 8은 상기 도 7의 해석프로그램의 구동에 따른 실험 결과로부터 추출한 시험편의 단면 결함상태도로서, 각 영상에서 결함의 중심을 지나는 단면의 상태를 나타내는 그래프이다. 이때, 횡축은 거리를 의미하며 종축은 강도를 나타내는 것으로, 그래프에서 알 수 있듯이 결함의 크기 및 자화방향에 따라 신호의 강도가 변화하며, 이러한 변화는 도 9에 보인 바와 같이 결함의 단면적과 매우 밀접한 경향을 보여주게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템으로 차륜 답면(1a)의 결함을 검지함에 의해, 결함의 위치, 형상, 방향 및 크 기를 정량적으로 평가할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템은 차륜 답면의 균열 상태를 비접촉방식의 자기센서를 이용하여 모니터링함으로써 차륜의 상태를 정확히 판단할 수 있어 신뢰성을 가지고 차륜의 삭정 혹은 폐기 등의 조치를 취하는데 유용한 효과가 있다.
또한, 철도차량의 주행 중에도 차륜 답면의 결함 등 이상 상태를 감지할 수 있어 차륜과 접촉되는 레일 또는 철도차량의 대차 등에 다양하게 설치운영 할 수 있는 장점도 있다.
Claims (9)
- 철도차량 차륜의 주변의 자장(磁場) 정보를 획득하는 자장측정수단과;상기 자장측정수단에서 획득된 자장 정보를 이용하여 차륜의 결함유무를 자기영상으로 독출하는 데이터수집수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 자장측정수단은;상기 차륜을 자화시키는 자화수단과, 자화된 차륜의 답면에서 자장을 집속하는 자기렌즈와, 상기 자기렌즈를 통해 집속된 자장(磁場) 정보를 전기신호로 변환하는 자기센서 어레이와, 상기 자기센서를 통해 전기신호로 변환된 자장 정보를 디지털신호로 변환하는 A/D컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 자기센서 어레이는 다수의 자기센서가 반도체 웨이퍼상에 일정 간격으로 배열되어서 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 자기센서 어레이에 의해 감지되는 자장 정보는 신호를 증폭하는 증폭부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 자기센서 어레이에 의해 감지되는 자장 정보의 노이즈를 제거하는 필터링부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 자화수단은 전자석, 유도전류, 헬름홀츠 코일, 지자기 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 자기센서 어레이는 상기 차륜 답면이 접촉되는 레일의 상면의 일부를 제거하여 안착홈을 형성하고 그 안착홈에 매입설치되는 것을 특징으로 하는 철도차 량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 데이터수집수단은;상기 자장측정수단으로부터 전송되는 자장 정보를 분석하여 결함유무를 자기영상으로 독출하는 제어부와, 상기 자장측정수단으로부터 전송되는 자장 정보를 저장관리하며 상기 자장 정보를 분석하는 해석프로그램이 내장되는 메모리부와, 상기 제어부에서 독출된 자기영상을 디스플레이하는 디스플레이부와, 전원을 공급하는 전원부로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 데이터수집수단은 산업용 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템.
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