KR20090070108A - 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치에 관한 것으로서, 상사법칙을 적용한 축소대차와, 상기 축소대차가 이동가능한 축소형 곡선트랙과, 상기 축소대차가 상기 축소형 곡선트랙을 주행시에 조향성능과 곡선주행성능을 계측하기 위한 성능측정수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 철도차량의 조향성능 및 곡선 주행성능을 상사법칙을 적용한 축소대차를 사용함으로써 철도차량 개발시 개발 차량의 조향성능을 효율적으로 시험할 수 있고, 철도차량 개발시 개발 기간 및 소요 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

철도차량, 상사법칙, 조향성능, 축소대차, 곡선트랙

Description

철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치 { small curve track testing apparatus for bogie steering performance test }

도 1은 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치를 설명하기 위해 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙의 곡률반경을 개념적으로 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명에 따른 축소 곡선트랙을 도시한 사시도이고,

도 4는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙을 도시한 일측 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙에 진동측정수단과 궤도횡압측정수단의 설치상태를 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 축소 곡선트랙에 구비되는 라쳇수단을 도시한 도면이고,

도 7은 본 발명에 따른 축소대차를 도시한 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치의 제어 블럭도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 축소대차 110: 대차프레임

120: 차륜 200: 축소형 곡선트랙

210: 하부프레임 220: 고저설정지그

230: 레일부 300: 성능측정수단

310: 제1진동가속도센서 320: 스트레인게이지

330: 제2진동가속도센서 340: 속도센서

400: 주행정지수단 410: 거치대

420: 스프링 500: 데이터처리수단

510: A/D변환부 520: 메모리부

530: 연산처리부 540: 조작부

550: 디스플레이부

본 발명은 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상사법칙을 적용한 축소대차를 이용하여 축소대차의 조향성능과 곡선주행성능을 효율적으로 시험할 수 있는 축소 곡선트랙 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량은 대단위 운송수단으로서 그 개발 과정에서 다양한 안정성 시험이 요구되고 있다.

통상적으로, 철도차량의 개발시에는 수많은 시행 착오를 거치게 되는데, 실제 철도차량과 동일한 크기의 시험용 대차 및 그 대차가 이동하는 곡선 트랙을 제작하는데는 많은 시간과 노력이 필요하다.

또한, 이와 같은 시험 중에 결함을 발견하는 경우 다시 제작하거나 변경해야 하므로 그 시간 및 비용 또한 많이 소요되는 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 실제 철도차량과 동일한 재질과 기능을 가지면서 그 사이즈를 일정 비율로 축소 제작하여 각종 시험을 하기 위한 축소형 시험 장치를 이용하여 개발기간과 비용의 절감을 필요로 하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 철도차량의 개발과정에서의 문제점들을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 상사법칙을 적용한 축소대차를 이용하여 조향성능과 곡선주행성능을 효율적으로 시험할 수 있는 축소 곡선트랙 시험장치를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 철도차량 개발시 조향성능과 곡선주행성능을 효율적으로 시험할 수 있으며, 개발 기간 및 소요 비용을 줄일 수 있는 곡선트랙 시험 장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치에 관한 것으로;

상사법칙을 적용한 축소대차와, 상기 축소대차가 이동가능한 축소형 곡선트랙과, 상기 축소대차가 상기 축소형 곡선트랙을 주행시에 조향성능과 곡선주행성능을 계측하기 위한 성능측정수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 축소형 곡선트랙은; 지면에 설치되는 하부프레임과, 그 하부프레임의 상부에 구비되어 상기 축소대차의 차륜이 접촉되는 레일과 침목으로 이루어지는 레일부와, 그 레일부의 높낮이를 조절하는 고저설정지그로 구성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 레일부는 수평으로 일정 반경 기울어진 곡선형상으로 이루어지며, 그 양단이 높고 그 중앙부는 낮게 고저차를 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 고저설정지그는 나사잭 또는 유압실린더로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레일부에는 상기 축소대차가 주행시에 정지할 수 있도록 하기 위해 상기 레일부의 침목에 일단부가 힌지결합되고 타단부에는 축소대차가 후진시에 그 축소대차의 후단부를 지지하는 안착홈이 형성되는 거치대와, 상기 거치대의 하부에 구비되어 상기 거치대가 경사지게 탄성지지하는 스프링으로 이루어지는 주행정지수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성능측정수단에서 계측된 성능측정정보를 수집하여 실제 차량의 성능정보로 환산하는 데이터처리수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 데이터처리수단은; 상기 성능측정수단으로부터 성능측정정보를 전송받아 디지털신호로 변환하는 A/D변환부와, 상기 A/D변환부를 통해 변환된 성능정보를 저장하는 메모리부와, 상기 성능측정정보를 이용하여 실제 철도차량의 성능정보로 환산하는 연산처리부와, 환산된 성능정보를 표시하는 디스플레이부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 성능측정수단은; 상기 축소형 곡선트랙의 레일에 구비되어 축소대차의 이동시 발생되는 궤도 진동을 측정하기 위한 제1진동가속도센서와, 축소대차의 이동시 궤도의 횡압을 측정하기 위한 스트레인게이지와, 상기 축소대차의 차륜에 구비되어 축소대차의 이동속도를 측정하는 속도센서와, 축소대차의 대차프레임에 구비되어 축소대차가 주행시 축소대차의 원심력을 측정하는 제2진동가속도센서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙의 곡률반경을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 축소 곡선트랙을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙을 도시한 일측 단면 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 축소 곡선트랙에 진동측정수단과 궤도횡압측정수단의 설치상태를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 축소 곡선트랙에 구비되는 주행정지수단을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 축소대차를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치의 제어 블럭도이다.

먼저, 도 1 및 도 8에 의하면 본 발명은 상사법칙을 적용한 축소대차(100)를 이용하여 축소대차(100)의 조향성능과 곡선주행성능을 효율적으로 시험할 수 있는 축소 곡선트랙 시험장치에 대한 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치는 상사법칙을 적용한 축소대차(100)가 이동가능한 축소형 곡선트랙(200)과, 축소대차(100)와 축소형 곡선트랙(200)의 조향성능과 곡선주행성능을 계측하기 위한 성능측정수단(300)으로 이루어진다.

또한, 상기 축소대차(100)가 주행시에 정지할 수 있도록 하기 위한 주행정지수단(400)과, 상기 성능측정수단(300)에서 계측된 성능측정정보를 수집하여 실제 차량의 성능정보로 환산하는 데이터처리수단(500)이 더 구비된다.

이때, 상기 축소형 곡선트랙(200)은 일반적인 철도차량이 곡선반경(R)의 급곡선을 주행할 때 철도차량의 곡선주행 거동 특성을 모사 시험할 수 있도록 하기 위해 도 2에 도시한 바와 같이 축소비율을 φ라 할 때, 1/φ 스케일 규모의 상사법칙을 적용한 축소형 곡선트랙(200)의 구조이다.

일 예로 본 발명은 급곡선 주행을 위한 철도차량용 조향 메카니즘을 시험하기 위해 곡선반경 250m인 급곡선에 1/5 scale 규모로 길이 10m인 축소형 곡선트랙(200)을 제작할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 8을 참고로 본 발명을 구성하는 각각의 구성요소들을 상세히 설명한다.

먼저, 상기 축소형 곡선트랙(200)은 지면에 지지설치되는 하부프레임(210)과, 그 하부프레임(210)의 상부에 구비되어 상기 축소대차(100)의 차륜(120)이 접촉되는 레일(232)과 침목(234)으로 이루어지는 레일부(230)와, 그 레일부(230)의 높낮이를 조절하는 고저설정지그(220)로 구성된다.

이때, 상기 고저설정지그(220)는 축소형 곡선트랙(200)의 시험 목적에 부합할 수 있게 레일부(230)를 곡선 선형, 높이차를 부여할 수 있도록 조절하기 위한 것으로 나사의 회전에 의해 높이를 조절할 수 있는 나사잭 또는 유압실린더 등 높이를 적절하게 조절할 수 있는 기구로 구성하게 된다.

한편, 상기 레일부(230)는 수평으로 일정 반경 기울어진 곡선형상으로 이루어지며, 그 양단이 높고 중앙부가 낮은 고저차를 가지게 된다.

즉, 상기 레일부(230)는 고저차를 가지는 곡선(曲線) 레일부이다.

이때, 상기 축소 곡선트랙(200)의 상부에 설치되는 레일(232)의 단면형상은, KS R 9106 보통 레일 규격중 60㎏ 레일을 참조하여 일정한 스케일 규모의 상사조건을 충족할 수 있게 설계됨은 당연하다.

특히 궤간은 1435/φ㎜로 하였으며 레일경좌(軌道傾座)는 실물 레일(232)의 부설 경좌를 고려하여 1/20 또는 1/40로 하고, 캔트(cant)는 내외궤의 높이차를 부여함으로써 설정 가능하도록 하였다.

이와 같은 본 발명에 따른 축소형 곡선트랙(200)의 상사법칙은 다음과 같다. 즉, 축소하고자 하는 비율을 'φ'라 하면, 그 치수에 대해서는 1/φ 스케일로 축소된다.

이때, 축소형 곡선트랙(200)의 재료 물성 및 특성은 실제 철도차량이 이동하는 레일재와 동일한 재료를 적용하여 최대한 실제와 동일한 환경을 유지함이 바람직하다.

따라서 곡선 반경 R의 급곡선에 대한 축소형 곡선트랙(200)의 곡선반경 R'와, 횡방향 유간 △L은 다음과 같은 식1 및 식2로 계산된다.

---------------(식1)

---------------(식2)

이때, φ는 스케일(scale)이고, R은 급곡선반경(m)이고, R'은 축소형 곡선트랙의 곡선 반경(m)이며, SP는 축소형 곡선 트랙의 길이(m)이다.

또한, 상기 축소형 곡선트랙(200)상에서 시험차량인 축소대차(100)를 시험할 때, 축소대차(100)의 주행속도를 부여하기 위하여 자유낙하(自由落下) 방식을 이용 하게 된다.

이때, 곡선 중앙점에서의 최고속도(V)를 구현하기 위해 축소형 곡선트랙(200)의 높이차(H)로 설정 가능하도록 하였다.

이 경우 축소대차(100)의 최고속도(V)는

가 되며 이를 환산한 Full sclae의 실제 차량의 주행속도는 V×φ(m/s)가 된다.

한편, 상기 축소대차(100)를 자유낙하방식으로 움직이며 주행시험을 하는 경우 축소대차(100)는 고점(高點)인 레일(232)의 일단부에서 출발하여 저점(低點)인 중앙부를 거쳐 또 다른 고점인 레일(232)의 타단부로 이동하는 일련의 왕복운동을 반복하게 된다.

따라서, 이와 같은 왕복운동을 방지하기 위해 레일부(230)의 타측부에 주행정지수단(400)을 구비한다.

이와 같은 주행정지수단(400)은 상기 레일부(230)를 구성하는 침목(234)에 레일(232)의 타측부를 향해 상부로 돌출되는 거치대(410)가 설치된다.

즉, 상기 거치대(410)는 일단부가 힌지결합되고, 타단부는 안착홈(412)이 형성되고, 그 하부에는 스프링(420)이 밀착되게 구성되어 상기 거치대(410)는 레일부(230)상에 경사지게 타단부가 탄성 돌출되게 설치된다.

이와 같은 구성에 의해 축소대차(100)가 레일부(230)의 일단부에서 출발하여 중앙부를 거쳐 타단부로 이동하는 경우 축소대차(100)의 하부가 거치대(410)의 상면을 지나가게 된다.

이 경우 거치대(410)는 스프링(420)에 의해 지지된 상태를 유지하게 되어 자연스럽게 타고 넘어가게 되며, 거치대(410)를 지나 이동한 상태에서 다시 자유낙하되어 후진하게 되면, 거치대(410)의 안착홈(412)에 축소대차(100)의 후단부가 밀착되어 정지시키게 된다.

한편, 상기 축소대차(100)가 이동하는 경우 성능측정수단(300)을 통해 축소형 곡선트랙(200)의 궤도 진동 및 궤도 횡압과, 축소대차(100)의 주행속도 및 원심력(遠心力)을 측정하게 된다.

좀 더 구체적으로는 상기 성능측정수단(300)은 축소대차(100)의 이동시 발생되는 궤도 진동을 측정하기 위해 축소형 곡선트랙(200)의 레일(232)에 설치되는 제1진동가속도센서(310)와, 축소대차(100)의 이동시 궤도 레일(232)의 횡압을 측정하기 위한 스트레인게이지(320)와, 축소대차(100)의 대차프레임(110)상에 구비되어 곡선 주행시 축소대차에 부가되는 원심력(遠心力)을 측정하는 제2진동가속도센서(330)와, 축소대차(100)의 이동시 주행속도를 측정하기 위한 것으로 축소대차(100)의 차륜(120)에 구비되는 속도센서(340)로 이루어진다.

이와 같은 성능측정수단(300)으로부터 측정된 성능정보는 데이터처리수단(500)으로 입력된다.

이때, 상기 데이터처리수단(500)은 상기 성능측정수단(300)인 제1 및 제2진동가속도센서(310,330)와 스트레인게이지(320) 및 속도센서(340)를 통해 성능측정정보를 전송받아 디지털신호로 변환하는 A/D변환부(510)와, 상기 A/D변환부(510)를 통해 변환된 성능정보를 저장하는 메모리부(520)와, 상기 성능측정정보를 이용하여 실제 철도차량의 성능정보로 환산하는 연산처리부(530)와, 사용자가 조작가능한 조작부(540)와, 환산된 성능정보를 표시하는 디스플레이부(550)로 구성된다.

이때, 상기 데이터처리수단(500)은 일반적인 산업용 PC를 이용함이 바람직하다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참고로 본 발명에 따른 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치의 시험 예를 상세히 설명한다.

먼저, 상사법칙이 적용된 축소대차(100)를 축소형 곡선트랙(200) 일측 끝단부 위치에서 자유낙하시키게 된다.

이때, 상기 축소대차(100)는 축소형 곡선트랙(200)의 중앙부를 지나면서 주행 최고속도(V)를 내게 된다.

이와 같이 축소대차(100)가 이동하는 경우 축소대차(100)에 설치되는 속도센서(340)로부터 축소대차(100)의 이동속도가 계측되고, 제2진동가속도센서(330)로부터 축소대차(100)의 원심력이 계측된다.

한편, 축소형 곡선트랙(200)의 레일(232)에 설치되는 제1진동가속도센서(310)로부터 축소대차(100)의 이동시 발생되는 궤도 진동이 측정되고, 스트레인게이지(320)로부터 횡압이 측정된다.

이와 같은 축소대차(100)의 이동으로 인한 축소대차(100)의 속도 및 원심력과, 궤도의 진동 및 횡압에 대한 성능측정정보는 데이터처리수단(500)에 입력된다.

이때, 상기 데이터처리수단(500)은 아날로그신호형태의 성능측정정보를 A/D 변환부(510)를 통해 디지털신호로 변환하게 된다.

그리고, 상기 A/D변환부(510)를 통해 변환된 성능정보는 메모리부(520)에 저장되고, 구동프로그램의 처리절차에 따라 연산처리부(530)에서 성능측정정보를 이용하여 실제 철도차량의 성능정보로 환산하여 디스플레이부(550)에 표시해주어 시험결과를 확인할 수 있게 된다.

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 따르면, 철도차량의 조향성능 및 곡선 주행성능을 상사법칙을 적용한 축소대차를 사용함으로써 철도차량 개발시 개발 차량의 조향성능을 효율적으로 시험할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 실제 철도차량과 동일한 재질로 이루어지며 일정한 비율로 축소 제작함으로 인해 철도차량 개발시 개발 기간 및 소요 비용을 줄일 수 있는 장점도 있다.

Claims (10)

1. 상사법칙을 적용한 축소대차와,

   상기 축소대차가 이동가능한 축소형 곡선트랙과,

   상기 축소대차가 상기 축소형 곡선트랙을 주행시에 조향성능과 곡선주행성능을 계측하기 위한 성능측정수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 축소형 곡선트랙은;

   지면에 설치되는 하부프레임과, 그 하부프레임의 상부에 구비되어 상기 축소대차의 차륜이 접촉되는 레일과 침목으로 이루어지는 레일부와, 그 레일부의 높낮이를 조절하는 고저설정지그로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 레일부는 수평으로 일정 반경 기울어진 곡선형상으로 이루어지며, 그 양단이 높고 그 중앙부는 낮게 고저차를 가지는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향 성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 고저설정지그는 나사잭 또는 유압실린더로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 레일부에는 상기 축소대차가 주행시에 정지할 수 있도록 하기 위한 주행정지수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 주행정지수단은 상기 레일부의 침목에 일단부가 힌지결합되고 타단부에는 축소대차가 후진시에 그 축소대차의 후단부를 지지하는 안착홈이 형성되는 거치대와, 상기 거치대의 하부에 구비되어 상기 거치대가 경사지게 탄성지지하는 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 성능측정수단에서 계측된 성능측정정보를 수집하여 실제 차량의 성능정보로 환산하는 데이터처리수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 데이터처리수단은;

   상기 성능측정수단으로부터 성능측정정보를 전송받아 디지털신호로 변환하는 A/D변환부와, 상기 A/D변환부를 통해 변환된 성능정보를 저장하는 메모리부와, 상기 성능측정정보를 이용하여 실제 철도차량의 성능정보로 환산하는 연산처리부와, 환산된 성능정보를 표시하는 디스플레이부로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 성능측정수단은;

   상기 축소형 곡선트랙의 레일에 구비되어 축소대차의 이동시 발생되는 궤도 진동을 측정하기 위한 제1진동가속도센서와, 축소대차의 이동시 궤도의 횡압을 측정하기 위한 스트레인게이지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.
10. 제 1항에 있어서, 상기 성능측정수단은;

    상기 축소대차의 차륜에 구비되어 축소대차의 이동속도를 측정하는 속도센서와, 축소대차의 대차프레임에 구비되어 축소대차가 주행시 축소대차의 원심력을 측정하는 제2진동가속도센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 조향성능 시험을 위한 축소 곡선트랙 시험장치.

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