KR20160141413A - 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법 - Google Patents

자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법 Download PDF

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KR20160141413A
KR20160141413A KR1020150077039A KR20150077039A KR20160141413A KR 20160141413 A KR20160141413 A KR 20160141413A KR 1020150077039 A KR1020150077039 A KR 1020150077039A KR 20150077039 A KR20150077039 A KR 20150077039A KR 20160141413 A KR20160141413 A KR 20160141413A
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송진섭
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서자호
김진균
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한국기계연구원
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Abstract

자기부상열차의 부상주행 조건 하에서의 정하중 시험을 실시하여 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 대차 프레임을 안착시켜 지지하는 동시에, 대차 프레임과의 대면 부위에 복수의 자성부재를 배치하여 상호 간에 발생된 자력을 이용하여 대차 프레임을 하부에서 지탱하는 지그 베이스와, 대차 프레임의 모서리에 대향 배치되어 상하 또는 좌우 또는 전후 방향으로 하중을 인가하는 하중 인가수단 및 하중 인가수단으로부터 인가된 하중에 따라 대차 프레임 내에서 발생된 응력 변형을 검출하는 응력 검출수단을 포함하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치를 제공할 수 있다.

Description

자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법{LOAD TEST DEVICE AND METHOD OF BOGIE FRAME FOR MAGLEV VEHICLE IN LEVITATED RUNNING}
본 발명은 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기부상열차의 부상주행 시 대차 프레임에 작용 가능한 하중조건을 검토하고 대차 프레임의 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자기부상열차의 차량은 승객의 승차공간인 차체 구성과 동력을 전달하는 대차 구성으로 이루어져 있다.
특히, 차체는 대차 상부에 놓여서 운행 중에 차체하중과 승객하중을 지속적으로 받는 구조체로서, 진동, 충격 등의 외력에 대하여 충분히 견딜 수 있게 제작되어야 한다. 그리고 대차는 차체의 무게를 지지하고, 안전주행에 요구되는 부상간극 및 선로 상의 주행 선형성을 유지하도록 제어되는 부상력 및 안내력과 추진전동기에 의한 추진력을 동시에 받기 때문에 복잡하고 큰 하중을 감당할 수 있어야 한다. 따라서 사용기간 동안에 차량의 안전하게 운행될 수 있기 위해서는 차체와 대차에 대하여 충분한 구조강도가 확보될 수 있어야 하며, 이를 실험적으로 검증하는 작업이 매우 중요하게 작용된다.
한편, 자기부상열차는 전통적인 바퀴식 열차와는 다른 시스템이다. 특히, 자기부상열차의 차량은 다수의 전자석으로 지지되고 전자석과 레일 사이의 간극을 수 밀리미터로 유지하면서 운행되기 때문에 종래에 비해 차량진동에 의한 동적효과가 작다. 또한, 차량 당 많은 대차의 사용과 대차간의 좁은 간격은 대차 상부로부터 가해진 차체의 하중을 분산시킬 수 있는 구조로 되어 있어, 동일한 하중을 받더라도 상대적으로 작은 변위가 발생되기 때문에 강성적인 측면에서 유리한 면이 있다.
하지만, 자기부상열차는 운행 중 부상 및 착지 주행을 반복함으로써 주행 중에 제어시스템의 이상으로 인하여 전자석이 레일에 흡착되거나 또는 부상 실패로 인하여 레일위로 낙하하는 등 예기치 못한 사고가 발생될 우려가 있다. 이에 따라 설계 및 검증 단계에서 이러한 점을 모두 고려해야 하는 데에 어려움이 있다. 차량의 안전성을 확보하기 위해서는 차량이 본선에 투입되기 이전에, 적절한 하중조건과 시험방법을 정의하여 실제와 유사한 모사실험을 통해 구조적 안전성을 검증하는 절차가 요구된다. 다만, 기존의 바퀴식 차량의 경우 이러한 구조강도를 실험적으로 검증할 수 있는 기준(즉, 관련 코드 및 규격)이 다양하게 존재하고 있으나, 자기부상열차에 관련되어서는 이러한 기준을 찾아보기 어렵다. 이러한 현실적 문제를 감안할 때, 자기부상열차의 특징을 고려하여 그 대차 프레임에 적용 가능한 하중조건을 고려한 다음, 자기부상열차 대차 프레임의 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있는 방법에 대한 연구 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 자기부상열차의 부상주행 시에 대차 프레임에 작용하는 하중조건을 검토하고 대차 프레임의 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서, 대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하되, 상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상 주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법을 제공한다.
이때, 상기 수직하중(F수직하중)은, 하기의 (수학식 1)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서, 대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 모서리에 좌우 수평 방향으로 좌우하중(F좌우하중)을 인가하되, 상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고, 상기 좌우하중(F좌우하중)은, 상기 차체가 부상하여 곡선경로를 주행할 때, 상기 차체에 발생된 원심력으로 인해 상기 대차 프레임이 받는 좌우방향 하중과 좌우진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법을 제공한다.
이때, 상기 수직하중(F수직하중)과 상기 좌우하중(F좌우하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 2)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서, 대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 양단 각각의 길이 방향 중심에서 전후 수평 방향으로 전후하중(F전후하중)을 인가하되, 상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고, 상기 전후하중(F전후하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 대차 프레임에 가해진 견인력과 전후진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 수직하중(F수직하중)과 상기 전후하중(F전후하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 3)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
그리고 상기 대차 프레임에 견인력이 가해진 시험 환경을 모사하기 위하여, 상기 전후하중(F전후하중)이 가해지는 반대 방향으로 상기 차체와 연결되는 견인 로드를 한 쌍의 브래킷에 고정해줄 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서, 대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 모서리에 좌우 수평 방향으로 스토퍼하중(F스토퍼하중)을 인가하되, 상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고, 상기 스토퍼하중(F스토퍼하중)은, 상기 차체가 곡선경로를 부상주행 시 상기 차체에 발생된 원심력이 상기 자성부재의 안내력을 초과하여 상기 대차 프레임의 좌우스토퍼 브래킷이 레일 측면에 접촉하면서 발생하는 좌우방향 하중과 좌우진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 수직하중(F수직하중)과 상기 스토퍼하중(F스토퍼하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 4)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도, α는 캔트각, Pwind는 바람 압력이다.
그리고 상기 대차 프레임의 양단에는, 상기 대차 프레임을 좌우방향으로 고정시키는 4개의 스토퍼 브래킷이 마련될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 자성부재가 상기 대차 프레임을 지지하는 지점은 8개 지점으로 형성되되, 상기 8개의 지점은 상기 대차 프레임의 각단 하부에서 4개 지점씩 서로 마주하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 대차 프레임을 안착시켜 지지하는 동시에, 상기 대차 프레임과의 대면 부위에 복수의 자성부재를 배치하여 상호 간에 발생된 자력을 이용하여 상기 대차 프레임을 하부에서 지탱하는 지그 베이스; 상기 대차 프레임의 모서리에 대향 배치되어 상하 또는 좌우 또는 전후 방향으로 하중을 인가하는 하중 인가수단; 및 상기 하중 인가수단으로부터 인가된 하중에 따라 상기 대차 프레임 내에서 발생된 응력 변형을 검출하는 응력 검출수단;을 포함하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 하중 인가수단은, 작동 유체의 유동 제어에 따라 설정된 방향으로 상기 대차 프레임의 모서리 쪽으로 작동 램을 가압 구동시키는 유압 가력부; 상기 유압 가력부로부터 발생되는 하중을 제어하는 하중 제어부; 및 상기 유압 가력부의 구동에 필요한 작동 유체를 공급하는 유압 공급부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 자기부상열차의 부상주행 시에 대차 프레임에 적용 가능한 하중조건을 미리 검토하고 대차 프레임의 구조적 안전성을 실험적으로 검증해 낼 수 있어 차량의 본선 투입 전에 장치의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
특히, 부상주행 조건 하에서, 자기부상열차 대차 프레임에 적용 가능한 정하중의 종목으로서, 수직하중시험, 좌우하중시험, 전후하중시험 및 좌우스토퍼하중시험을 포함한다. 이에 따라, 자기부상열차가 본선에 투입되어 실제 주행 중에 발생 가능한 대다수의 하중 시험을 비교적 정확하게 모사해 낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치의 전체 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치의 전체 구성을 분리 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 수직하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 수직하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 전후하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 전후하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법(이를 간략히 부상주행 하중 시험 장치 및 방법이라 지칭함)에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 여기에서 설명될 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치의 전체 구성을 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치의 전체 구성을 분리 도시한 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 병행 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 하중 시험이 실시될 자기부상열차 대차 프레임(100)의 개략적인 형상 및 구조를 확인할 수 있다. 이를 간략히 살펴본 후 본 발명의 실시예에 따른 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치(200)에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이, 자기부상열차에서 사용되는 대차 프레임(100)은, 전체적으로 사각 틀의 형상으로 이루어져 있으며, 주행 방향(즉, 길이 방향)을 따라 종방향 배치된 대차 프레임 종방향 몸체(110)와, 이에 횡방향으로 연결 배치된 대차 프레임 횡방향 몸체(120)로 구성된다.
특히, 대차 프레임 종방향 몸체(110)는 사각 단면 구조의 빔 형상의 종방향 몸체부재(111)로 이루어져 있으나, 굳이 도시된 형상에만 한정될 필요는 없다. 그리고 종방향 몸체부재(111)의 길이 방향 양단(즉, 대차 프레임 각각의 모서리)에는 에어 스프링 포켓(113)이 마련되어 있는데, 이는 상부에서 연결되는 차체로부터의 충격 및 진동을 흡수하도록 에어 스프링이 설치되는 부위이다.
또한, 종방향 몸체부재(111)의 길이 방향 하면으로는 복수 개의 전자석(112)이 설정된 간격을 두고 배치되어 있으며, 이는 후술될 대차 프레임 부상하중 시험 장치(200)의 자성부재(217)와 대향 위치하여 자력이 발생되는 구간으로 작용한다. 그리고 종방향 몸체부재(111)의 상면을 통해서는 연결 브래킷(115)이 구비되어 있으며, 이러한 연결 브래킷(115)은 후술될 대차 프레임의 부상주행 전후하중 시험 시 견인 로드(도 8의 250)와 연결되는 데 이용된다.
또한, 종방향 몸체부재(111)의 측면에는 한 쌍의 스토퍼(119)가 각각 구비되는데, 이는 후술될 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중 시험 시 이용되는 요소이다. 더 구체적으로 설명하면, 스키드 고정 부재(220)의 끝단에 고정되어 대차 프레임(110)의 좌우 구속을 유지하는 수단으로 이용된다.
상기한 대차 프레임(100)의 형상 및 구조는 본 발명에 따른 바람직한 하나의 실시예를 설명한 것으로, 도시된 실시예는 본 발명의 범주를 제한하거나 한정하지 않으며, 이와 조금씩 다른 형상 및 구조로 실시 변경되어도 무방하다.
다음으로, 전술된 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치(200)에 관하여 살펴보기로 한다.
대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치(200)는 도시된 바와 같이, 크게 지그 베이스(210), 하중 인가수단(230) 및 응력 검출수단(240)을 포함하여 구성된다.
지그 베이스(210)는 대차 프레임(100)을 상부를 통해 안착시키는 동시에, 대차 프레임(100)과의 대면 부위에 복수의 자성부재(217)를 배치하여 상호 간에 발생된 자력을 이용하여 대차 프레임(100)을 하부에서 지탱하는 구성이다.
지그 베이스(210)는, 대차 프레임의 길이 방향(즉, X축 방향)으로 서로 간격을 두고 나란히 바닥에 배치되는 플레이트 형상의 베이스 몸체부(211)와, 각각의 베이스 몸체부(211)로부터 입설되어 평평한 상면을 제공하는 상단 베드(213)와, 상단 베드(213)의 양측으로 설치되는 한 쌍의 고정 브래킷(215)과, 각각의 고정 브래킷(215)마다 적어도 하나씩 고정 배치되는 자성부재(217)를 포함한다. 즉, 이러한 지그 베이스(210)의 구조에 따라 단일의 대차 프레임(110)에 적용되는 자성부재(217)의 개수는 2열종대로 각 열마다 4개씩 배치되어 그 개수의 합은 8개가 될 수 있다.
그리고 지그 베이스(210)의 내측으로는 스키드 고정 부재(220)가 근접하여 설치되는데, 2열종대로 각 열마다 2개씩 배치되어 그 개수의 합은 총 4개가 될 수 있다. 스키드 고정 부재(220)는 베이스 몸체부(211)로부터 연결 고정되어 상향 돌출된 지지 단(221)과, 상기 지지 단(221)의 상부에서 수평 배치된 고정 베드(223) 및 이러한 고정 베드(223)로부터 대차 프레임(100)의 스토퍼(119)를 향하여 횡단 연결되는 외팔 보 부재(225)를 포함한다. 각각의 스키드 고정 부재(220)는 앞서 간략히 설명한 바와 같이, 대차 프레임(100)의 부상주행 좌우스토퍼하중의 시험 시 대차 프레임(100)에 마련된 4개의 스토퍼(119)와 각각 탈부착 가능한 형태로 결합된다.
하중 인가수단(230)은 설정된 지점(예: 대차 프레임의 모서리 지점, 즉 에어 스프링 포켓이 마련된 지점)으로 상하 방향 및/또는 좌우 방향 및/또는 전후 방향으로 설정된 하중을 인가하는 구성이다.
본 실시예에서는 도 2를 통해 확인할 수 있듯이 유압 시스템을 이용한다. 도시된 바와 같이, 하중 인가수단(230)은 유압 가력부(231)와, 유압 공급부(233) 및 하중 제어부(235)를 포함한다. 유압 가력부(231)는 작동 유체의 유동 제어에 따라 설정된 방향으로 작동 램을 가압 구동시키는 장치로서, 구체적인 예로는 유압 실린더가 이용될 수 있다. 그리고 유압 공급부(233)는 유압 가력부의 구동에 필요한 작동 유체를 공급하는 구성으로서, 그 세부 구성으로는 유압 탱크, 펌프, 밸브 등과 같은 관용의 구성이 포함될 수 있다. 하중 제어부(235)는 유압 공급부(233)로부터 유압 가력부(231)로 공급되는 작동 유체의 유량 및 유동 방향을 제어하는 구성으로서, 실험자의 지령 선택 또는 요청에 따라 상기 유압 가력부(231)의 작동을 제어한다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치(200)의 구성을 이용하여, 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행을 모사하여 실시될 수 있는 하중 시험 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
제1실시예 : 자기부상열차 대차프레임의 부상주행 수직하중 시험
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 수직하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 수직하중시험 방법에 관한 개념도가 도시되어 있다. 여기서, 대차 프레임(100)의 형상은 설명의 편의를 위하여 사각형 틀 형상으로 간략히 하여 도시하였다.
대차 프레임(100)의 부상주행 수직하중을 실험적으로 모사하기 위해서는, 대차 프레임의 하면을 지지하는 지그 베이스를 통해 8개의 자성부재(217)를 배치하여 자력에 의한 부상 상태를 구현하는 한편, 대차 프레임(110)의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓이 위치하는 지점(113a))마다 수직하중(F수직하중)을 인가해준다.
이때, 수직하중(F수직하중)은, 자기부상열차가 부상 주행 시 차체와 승객 중량에 의해 대차 프레임(100)이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 실험적으로 선정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 수직하중(F수직하중)은, 하기의 [수학식 1]에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00008
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
도 4는 대차 프레임의 부상주행 수직하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도이다.
이러한 도 4를 참조하면, 전술된 도 1에서와 같이 대차 프레임(100)이 지그 베이스(210)의 상부에 안착된 상태에서, 대차 프레임(100)의 각각의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓(도 1의 113)이 마련된 지점(113a))의 연결블록을 통해 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 하중이 가해진다. 여기서, 하중의 인가는 유압 가력부(231)에 의해 가능해진다. 이러한 유압 가력부(231)의 동작은 앞서 설명한 바와 같이 유압 공급부(233) 및 하중 제어부(235)의 조절에 따라 구현된다. 한편, 이러한 수직하중을 받을 경우, 대차 프레임(100) 상에 배치된 응력 검출수단(240)에서는 응력 및 변형 등에 관한 정보를 검출하는데, 별도로 도시하진 않았으나, 실험자의 단말기(예: PC 등)를 통해 실험자에게 해당 정보가 전송될 수 있다.
제2실시예: 자기부상열차 대차프레임의 부상주행 좌우하중 시험
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법에 관한 개념도가 도시되어 있다.
대차 프레임(100)의 부상주행 좌우하중을 실험적으로 모사하기 위해서는, 대차 프레임(100)의 하면을 지지하는 지그 베이스를 통해 8개의 자성부재(217)를 배치하여 자력에 의한 부상 상태를 구현하는 한편, 대차 프레임(110)의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓이 위치하는 지점(113a))마다 수직하중(F수직하중)을 인가해준다. 이와 동시에, 수직하중(F수직하중)이 인가되는 지점(113a) 쪽으로 좌우하중(F좌우하중)을 인가해준다.
이때, 수직하중(F수직하중)은, 자기부상열차가 부상 주행 시 차체와 승객 중량에 의해 대차 프레임(100)이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 실험적으로 선정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수직하중(F수직하중)은 전술한 제1실시예의 (수학식 1)에 따라 산출될 수 있다.
또한, 상기 좌우하중(F좌우하중)은, 자기부상열차가 부상하여 곡선경로를 주행할 때, 차체에 발생된 원심력으로 인해 대차 프레임(100)이 받는 좌우방향 하중과 좌우진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 좌우하중(F좌우하중)은 하기의 (수학식 2)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00009
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도이다.
이러한 도 6을 참조하면, 전술된 도 4에서와 같이 대차 프레임(100)이 지그 베이스(210)의 상부에 안착된 상태에서, 대차 프레임(100)의 각각의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓(도 1의 113)이 마련된 지점(113a))의 연결블록을 통해 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 하중이 가해지는 동시에, 동일 지점(113a)에 대하여 좌우 방향(즉, Y축 방향)으로 하중이 가해진다. 여기서, 하중의 인가는 유압 가력부(231)에 의해 가능해진다. 이러한 유압 가력부(231)의 동작은 앞서 설명한 바와 같이 유압 공급부(233) 및 하중 제어부(235)의 조절에 따라 구현된다. 한편, 이러한 수직하중 및 좌우하중을 동시에 받을 경우, 대차 프레임(100) 상에 배치된 응력 검출수단(240)에서는 응력 및 변형 등에 관한 정보를 검출하는데, 별도로 도시하진 않았으나, 실험자의 단말기(예: PC 등)를 통해 실험자에게 해당 정보가 전송될 수 있다.
제3실시예: 자기부상열차 대차프레임의 부상주행 전후하중 시험
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 전후하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우하중시험 방법에 관한 개념도가 도시되어 있다.
대차 프레임(100)의 부상주행 전후하중을 실험적으로 모사하기 위해서는, 대차 프레임(100)의 하면을 지지하는 지그 베이스를 통해 8개의 자성부재(217)를 배치하여 자력에 의한 부상 상태를 구현하는 한편, 대차 프레임(110)의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓이 위치하는 지점(113a))마다 수직하중(F수직하중)을 인가해준다. 이와 동시에, 상기 대차 프레임(110) 양단 각각의 길이 방향 중심에서 전후 수평 방향으로 전후하중(F전후하중)을 인가해준다. 이때, 선행 작업으로서, 대차 프레임(100)에 구비된 한 쌍의 연결 브래킷(115)을 통해 상기 전후하중(F전후하중)이 가해지는 반대 방향으로 견인 로드(250)를 연결한다.
이때, 수직하중(F수직하중)은, 자기부상열차가 부상 주행 시 차체와 승객 중량에 의해 대차 프레임(100)이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 실험적으로 선정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수직하중(F수직하중)은 전술한 제1실시예의 (수학식 1)에 따라 산출될 수 있다.
그리고 상기 전후하중(F전후하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 대차 프레임(100)에 가해진 견인력과 전후진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 전후하중(F전후하중)은 하기의 (수학식 3)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00010
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 전후하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도이다.
이러한 도 8을 참조하면, 전술된 도 4에서와 같이 대차 프레임(100)이 지그 베이스(210)의 상부에 안착된 상태에서, 대차 프레임(100)의 각각의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓(도 1의 113)이 마련된 지점(113a))의 연결블록을 통해 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 하중이 가해지는 동시에, 대차 프레임(100)의 각각의 양단 길이 중심 상에서 전후 방향(즉, X축 방향)으로 하중이 가해진다. 이때, 선행 작업으로서 대차 프레임 종방향 몸체(110)의 상면에 구비된 연결 브래킷(115)을 통해 상기 전후 방향 하중이 가해지는 반대 방향으로 견인 로드(250)가 설치된다. 견인 로드(250)는 각각의 연결 브래킷(115)을 통해 선단부가 고정되는 로드 부재(251)와, 로드 부재(251)의 후단부가 벽면을 통해 고정되는 견인 로드 고정 부재(253)를 포함하여 구성된다. 이때의 수직 방향 하중 및 전후 방향 하중 역시 각각의 위치에 대향하여 마련된 유압 가력부(231)에 의해 가능해질 수 있다. 한편, 수직하중 및 견인된 상태에서 전후하중을 동시에 받을 경우, 대차 프레임(100)은 응력 변화가 발생되는 동시에 변형도 발생될 수 있는데 이에 관한 정보는 응력 검출수단(240)을 통해 검출할 수 있다.
제4실시예: 자기부상열차 대차프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중 시험
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중시험 방법을 간략히 도시한 개념도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중시험 방법에 관한 개념도가 도시되어 있다.
대차 프레임(100)의 부상주행 좌우스토퍼하중을 실험적으로 모사하기 위해서는, 대차 프레임(100)의 하면을 지지하는 지그 베이스를 통해 8개의 자성부재(217)를 배치하여 자력에 의한 부상 상태를 구현하는 한편, 대차 프레임(110)의 모서리(즉, 에어 스프링 포켓이 위치하는 지점(113a))마다 수직하중(F수직하중)을 인가해준다. 이와 동시에, 동일 지점(113a)에 대하여 좌우 수평 방향 하중을 인가한다. 다만, 이때의 좌우 수평 방향이 인가되는 조건으로서, 대차 프레임(110)에 구비된 4개 지점의 스토퍼(119)의 위치를 구속시키는 선행 작업을 따르게 되므로, 이러한 하중을 스토퍼하중(F스토퍼하중)이라 지칭한다. 그리고 4개 지점의 스토퍼(119)의 위치 구속 작업은 전술한 스키드 고정 부재(220)가 연결 고정되는 방식으로 가능해진다.
이때, 수직하중(F수직하중)은, 자기부상열차가 부상 주행 시 차체와 승객 중량에 의해 대차 프레임(100)이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정될 수 있는데, 전술한 제1실시예의 (수학식 1)에 따라 산출될 수 있다. 그리고 상기 스토퍼하중(F스토퍼하중)은, 하기의 (수학식 4)에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00011
여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도, 는 캔트각, Pwind는 바람 압력이다. 이때, 공차하중, 승객하중, 대차수량, 대차하중은 자기부상열차의 설계 기준에 따라 달라질 수 있으며, 중력가속도는 일정한 값으로 정해지며, 캔트각 및 바람 압력은 여러 가지 조건을 고려하여 실험자에 의해 선정될 수 있다(구체적인 예로서, 캔트각은 3.1, 측 바람 풍속은 46m/s 등).
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 좌우스토퍼하중시험 방법을 모사하기 위한 장치 구성을 나타낸 구성도이다. 도 10을 참조하면, 전술된 도 4의 수직하중시험방법에서와 같이 대차 프레임(100)이 지그 베이스(210)의 상부에 안착된 상태에서, 대차 프레임(100)의 각각의 모서리 지점(113a)에 마련된 연결블록을 통해 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 하중이 가해지는 동시에, 동일 지점(113a)에 대하여 좌우 방향(즉, Y축 방향)으로 하중이 가해진다. 다만, 본 발명의 제4실시예의 경우, 좌우 수평 방향으로 하중이 가해지는 조건으로서, 지그 베이스(210)에 고정된 스키드 고정 부재(220)가 대차 프레임(110) 내의 4개의 스토퍼(119)와 나란히 결합되어 대차 프레임의 좌우 위치변위를 일정한 상태로 구속하게 된다. 각각의 하중은 앞서 설명한 수학식들을 통해서 실험자에 의해 설정될 수 있으며, 설정된 하중의 인가는 유압 가력부(231)에 의해 가능해진다. 대차 프레임(110)은 부상주행 조건 하에서 수직하중 및 좌우스토퍼하중을 받는 조건에서 응력 변화 및 미소 변형이 발생될 수 있는데, 이러한 정보는 응력 검출수단(240)으로부터 감지되어 실험자에게 전달될 수 있다.
상술한 바와 같이 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법에 따르면, 자기부상열차의 부상주행 시에 대차 프레임에 적용 가능한 하중조건을 미리 검토하고 대차 프레임의 구조적 안전성을 실험적으로 검증해 낼 수 있어 차량의 본선 투입 전에 장치의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
특히, 부상주행 조건 하에서, 자기부상열차 대차 프레임에 적용 하는 정하중의 종목으로서, 수직하중시험, 좌우하중시험, 전후하중시험 및 좌우스토퍼하중시험을 포함하여, 차량이 본선에 투입되어 실제 주행 중에 발생 가능한 하중 시험을 실험적으로 정확히 모사해낼 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치 및 방법에 관한 바람직한 실시예에 대하여 살펴보았다. 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 이 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 대차 프레임
110: 대차 프레임 종방향 몸체
111: 종방향 몸체부재 112: 전자석
113: 에어 스프링 포켓 115: 연결 브래킷
119: 스토퍼
120: 대차 프레임 횡방향 몸체
200: 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치
210: 지그 베이스
211: 베이스 몸체부 213: 상단 베드
215: 고정 브래킷 217: 자성부재
220: 스키드 고정 부재
230: 하중 인가수단
231: 유압 가력부 233: 유압 공급부
235: 하중 제어부
240: 응력 검출수단
250: 견인 로드
251: 로드 부재 253: 견인 로드 고정 부재

Claims (13)

  1. 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서,
    대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하되,
    상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상 주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직하중(F수직하중)은, 하기의 (수학식 1)에 따라 산출되는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
    Figure pat00012

    여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
  3. 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서,
    대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 모서리에 좌우 수평 방향으로 좌우하중(F좌우하중)을 인가하되,
    상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고,
    상기 좌우하중(F좌우하중)은, 상기 차체가 부상하여 곡선경로를 주행할 때, 상기 차체에 발생된 원심력으로 인해 상기 대차 프레임이 받는 좌우방향 하중과 좌우진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수직하중(F수직하중)과 상기 좌우하중(F좌우하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 2)에 따라 산출되는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
    Figure pat00013

    Figure pat00014

    여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도이다.
  5. 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서,
    대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 양단 각각의 길이 방향 중심에서 전후 수평 방향으로 전후하중(F전후하중)을 인가하되,
    상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고,
    상기 전후하중(F전후하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 대차 프레임에 가해진 견인력과 전후진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수직하중(F수직하중)과 상기 전후하중(F전후하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 3)에 따라 산출되는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
    Figure pat00015

    Figure pat00016
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 대차 프레임에 견인력이 가해진 시험 환경을 모사하기 위하여, 상기 전후하중(F전후하중)이 가해지는 반대 방향으로 상기 차체와 연결되는 견인 로드를 한 쌍의 브래킷에 고정해주는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  8. 승객의 승차공간인 차체와, 상기 차체에 동력을 전달하는 대차를 포함하는 자기부상열차에서, 부상주행 시 상기 대차에 작용하는 외부하중을 실험적으로 모사하는 대차 프레임 부상주행 하중 시험 방법으로서,
    대차 프레임 양단 하부에 복수의 자성부재를 배치하여 자력으로 지지시키는 한편, 상기 대차 프레임 모서리에 수직하중(F수직하중)을 인가하는 동시에 상기 대차 프레임 모서리에 좌우 수평 방향으로 스토퍼하중(F스토퍼하중)을 인가하되,
    상기 수직하중(F수직하중)은, 상기 차체가 부상주행 시 상기 차체와 승객 중량에 의해 상기 대차 프레임이 받는 수직방향 하중과 상하진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하고,
    상기 스토퍼하중(F스토퍼하중)은, 상기 차체가 곡선경로를 부상주행 시 상기 차체에 발생된 원심력이 상기 자성부재의 안내력을 초과하여 상기 대차 프레임의 좌우스토퍼 브래킷이 레일 측면에 접촉하면서 발생하는 좌우방향 하중과 좌우진동으로 인한 동적효과를 고려하여 선정하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수직하중(F수직하중)과 상기 스토퍼하중(F스토퍼하중)은, 하기의 (수학식 1) 및 (수학식 4)에 따라 산출되는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
    Figure pat00017

    Figure pat00018

    여기서, mv는 공차하중, c1은 승객하중, nb는 대차수량, mb는 대차하중, g는 중력가속도, α는 캔트각, Pwind는 바람 압력이다.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 대차 프레임의 양단에는, 상기 대차 프레임을 좌우방향으로 고정시키는 4개의 스토퍼 브래킷이 마련되는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성부재가 상기 대차 프레임을 지지하는 지점은 8개 지점으로 형성되되, 상기 8개의 지점은 상기 대차 프레임의 각단 하부에서 4개 지점씩 서로 마주하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 방법.
  12. 대차 프레임을 안착시켜 지지하는 동시에, 상기 대차 프레임과의 대면 부위에 복수의 자성부재를 배치하여 상호 간에 발생된 자력을 이용하여 상기 대차 프레임을 하부에서 지탱하는 지그 베이스;
    상기 대차 프레임의 모서리에 대향 배치되어 상하 또는 좌우 또는 전후 방향으로 하중을 인가하는 하중 인가수단; 및
    상기 하중 인가수단으로부터 인가된 하중에 따라 상기 대차 프레임 내에서 발생된 응력 변형을 검출하는 응력 검출수단;을 포함하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 하중 인가수단은,
    작동 유체의 유동 제어에 따라 설정된 방향으로 상기 대차 프레임의 모서리 쪽으로 작동 램을 가압 구동시키는 유압 가력부;
    상기 유압 가력부로부터 발생되는 하중을 제어하는 하중 제어부; 및
    상기 유압 가력부의 구동에 필요한 작동 유체를 공급하는 유압 공급부;를 포함하는 자기부상열차 대차 프레임의 부상주행 하중 시험 장치.


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