KR20220001233A - 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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KR20220001233A
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한국철도기술연구원
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    • G—PHYSICS
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    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Abstract

본 발명은 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직방향 변위를 측정하는 수직변위센서; 상기 수직변위센서에서 측정한 수직방향 변위를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하는 수직력산출부; 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하는 횡변위측정센서; 상기 차륜과 상기 축상 사이의 강체 변위를 측정하는 강체변위측정센서; 상기 횡방향 변위와, 상기 강체변위를 기반으로 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하는 횡력산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치에 관한 것이다.

Description

철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법{Measuring apparatus and measuring method of derailment coefficient for railway vehicles}
본 발명은 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법에 대한 것이다.
철도차량이 레일 위를 굴러갈 때 차륜의 답면과 레일 사이에는 진행방향으로 마찰력(점착력)이 작용하고, 차륜이 진행 방향의 횡방향으로 움직이거나 차륜의 플랜지가 레일과 접촉하는 경우 횡방향으로도 레일로부터 차륜에 외력이 작용하게 된다.
이때 차륜에 작용하는 수직력 P에 대한 횡력 Q의 비(Q/P)를 탈선계수라고 한다. 탈선계수가 임계값 이상이면 차륜이 레일로부터 탈선하여 차량이 탈선하는 사고가 발생할 수 있어 탈선계수를 임계값 이하가 되도록 관리해야 하므로 철도에서 탈선계수의 측정은 매우 중요한 기술 중의 하나이다.
탈선계수를 측정하는 종래의 대표적인 방법은 실제 운행 차량에 사용되는 윤축을 차량에서 분리하여 수직력과 횡력을 부가할 수 있는 장비가 구비된 시험대에 설치하고 차륜의 적절한 위치에 스트레인 게이지를 부착하여 수직력과 횡력을 가하면서 부가한 힘과 이 때 측정된 스트레인 값 사이의 관계식을 구한 후, 스트레인 게이지가 부착된 윤축을 그대로 차량에 설치하여 실제 운행 선로에서 차량을 운행할 때 측정되는 스트레인 값으로부터 시험대에서 구한 힘과 스트레인 사이의 관계식을 이용하여 수직력과 횡력을 유추하고 이로부터 탈선계수를 구한다.
차륜은 강성이 매우 커서 수직력이나 횡력이 작용할 때 차륜에서 발생하는 스트레인의 값은 매우 작아 스트레인 게이지를 취부할 적절한 위치를 찾아야 한다.
도 1과 같이 차륜의 허브와 림 사이에 바퀴살이 있는 탈선계수 측정용으로 특별히 제작된 차륜을 사용하여 바퀴살에 스트레인 게이지를 취부하거나, 바퀴살이 없는 실제 차륜의 판부에 구멍을 가공하여 구조해석을 통하여 수직력에 대해 스트레인이 잘 측정되는 지점을 찾고 이곳에 스트레인 게이지를 부착하고, 횡력에 대해서는 판부의 표면에 횡력에 대해 스트레인이 잘 측정되는 위치에 스트레인 게이지를 붙이는 방법이 주로 사용되고 있다.
이러한 방법은 차륜에 구멍을 가공하므로 시험차량에서 적용할 수 있지만, 영업용 차량에서는 적용할 수 없는 단점이 있다. 그리고 시험에 사용된 차륜은 폐기하게 되므로 경제성 측면에서도 좋지 않다. 주행하는 차량의 차륜은 회전하므로 스트레인 신호를 객실에 설치된 계측기에서 읽어 들이기 위해서는 슬립링을 사용하거나 무선 송수신이 가능한 고가의 텔레미터 장치를 사용한다.
스트레인 게이지를 사용하여 탈선계수를 측정할 때 발생하는 또 하나의 문제는 차량의 전원장치에서 발생하는 누설 전류에 의해 차량에는 항시 어느 정도의 전류와 전압이 흐르고 이로 인해 스트레인 신호에는 분석하기 어려운 노이즈가 함께 들어와 측정한 스트레인 데이터의 신뢰성을 확보하기가 어렵다.
그리고 답면 제동장치를 사용하거나 차륜 디스크를 작용하는 경우 제동 시 발생한 열에 의해 차륜의 온도가 올라가 스트레인에 히스테러시스가 발생하여 정확한 스트레인을 측정하기가 어렵다.
차륜에 구멍을 가공하고 구조해석으로 스트레인 게이지의 취부 위치를 정하고, 스트레인 게이지를 취부한 후 수직력과 횡력을 가하면서 가한 힘과 스트레인의 관계식을 찾고 스트레인 데이터 송수신을 위한 슬립링이나 텔레메트리 장치를 설치하는 작업은 많은 시간과 큰 비용을 필요로하여 좀 더 간단하고 편리한 탈선계수 측정방법 개발에 대한 요구가 지속적으로 대두되고 있다.
등록특허공보 제10-0946232호에서는 철도차량의 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직 변위를 측정하여 차륜과 레일 사이에 작용하는 수직력을 구하고, 차체의 정상 횡가속도를 측정하여 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 유추하여 탈선계수를 간편하게 측정하는 방법이 제시되어 있으나, 수직력을 측정할 때 단순히 축상과 대차 사이드멤버 사이의 스프링 계수만 고려하고 감쇠계수는 고려하지 않아 정확도가 떨어지는 문제가 있고, 차체의 정상 횡가속도와 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡방향 힘 사이의 관계식은 보정계수를 도입하여 유추한 것으로 명확한 역학적 근거를 제시하지 못하고 있다.
등록특허 10-1256901에서는 차체 및 대차에 의해 현가장치로부터 차축에 전달되는 외력을 측정하고, 측정된 외력으로부터 열차의 주행 중 비정상 동적거동이 발생한 경우 차륜의 탈선거동을 예측할 수 있도록 하는 차축에 작용하는 외력을 이용한 차륜의 탈선 예측방법을 제시하고 있으나, 이 특허에서 제시하는 방법으로 탈선계수를 구하기 위해서는 레일과 접촉하는 차륜 플랜지의 접촉각과 차륜과 레일 사이의 마찰계수를 알아야 하는데 이 두 값은 차륜과 레일의 매접촉마다 변할 수 있고 측정도 매우 어려우므로 이 특허의 방법을 실제로 운행차량에 적용하여 탈선계수를 측정하는 것은 사실상 불가하다고 판단된다.
대한민국 등록특허 10-0651189 대한민국 등록특허 10-0946232 대한민국 공개특허 10-2012-0042257 대한민국 등록특허 10-1256901
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 시험용 차량이나 영업용 차량에서도 적용이 쉬우며, 바퀴살이 있는 특수한 차륜을 사용하지 않고, 차륜에 구멍을 가공하지 않으면서 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직 변위와 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하여 탈선계수를 측정하는 새로운 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 철도차량의 탈선계수를 정확하고 간편하게 측정하는 새로운 방법으로서, 기존의 스트레인 게이지 대신 변위계를 사용하여 차륜에 작용하는 수직력과 횡력을 측정하는 방법을 제시하는 그 목적이 있다.
기존의 탈선계수 측정은 이 분야의 상당한 전문가만 측정이 가능하였으나 본 발명의 실시예에 따르면, 통상의 공학기술을 보유한 사람이 측정할 수 있으며, 시험준비에 특수한 장비가 필요 없고, 측정비용이 저렴하고, 슬립링을 사용하거나 무선 송수신이 가능한 고가의 텔레미터 장치를 사용하지 않고, 스트레인 게이지를 사용하여 탈선계수를 측정할 때 발생하는 차량의 전원장치에서 발생하는 누설 전류에 의해 차량에 항시 어느 정도의 전류와 전압이 흐르고 이로 인해 스트레인 신호 분석이 어려운 노이즈 문제를 해결할 수 있는, 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은, 탈선계수 측정장치에 있어서, 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직방향 변위를 측정하는 수직변위센서; 상기 수직변위센서에서 측정한 수직방향 변위를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하는 수직력산출부; 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하는 횡변위측정센서; 상기 차륜과 상기 축상 사이의 강체 변위를 측정하는 강체변위측정센서; 상기 횡방향 변위와, 상기 강체변위를 기반으로 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하는 횡력산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치로써 달성될 수 있다.
그리고 상기 축상과 상기 대차 사이드멤버 사이에 스프링과 댐퍼를 갖는 현가장치를 더 포함하고, 상기 수직력산출부는 스프링 상수와 댐핑상수과, 상기 수직방향 변위(z)를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 수직력 산출부는 하기의 수학식 1에 의해 수직력(P)을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, P0는 정적 수직력, Pd는 동적 수직력, k는 스프링 상수, z0는 정지상태에서 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, z는 동적 상태에서의 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, c는 댐퍼의 댐핑계수이다.
또한 상기 횡변위측정센서는 상기 축상에 구비되는 브라켓에 구비되어 상기 차륜의 림부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 상기 횡방향 변위를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 강체변위측정센서는 상기 차륜의 허브부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 상기 강체변위를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 횡력산출부는 하기의 수학식 2를 기반으로 횡력(Q)을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Q = kQ[(x0 - x) - (y0 -y)]
상기 수학식 2에서, x는 횡변위측정센서에서 측정된 값, y는 강체변위측정센서에서 측정된 값, kQ는 차륜의 횡방향 변위와 횡력 사이의 비례관계를 나타내는 상수, x0는 차량정지상태에서의 차륜과 횡변위측정센서 사이의 거리, y0는 차량정치상태에서 차륜 허브부와 강체변위측정센서 사이 거리이다.
그리고 상기 수직변위센서와 상기 횡변위측정센서와, 상기 강체변위측정센서 중 적어도 어느 하나는, 광학식 변위센서, 레이저 변위센서, 광섬유 변위센서, 자기식 변위센서, 전자유도식 변위센서 및 초음파 변위센서 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 수직변위센서에서 측정된 변위데이터를 기반으로 대차 사이드멤버와 축상 사이의 상대속도를 구하여, 상기 대차 사이드멤버와 상기 축상 사이에 작용하는 댐핑력을 산출하는 댐핑력산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 차륜 림부 일측에 상기 축상 측으로 돌출되게 구비되는 제1변위표적과, 상기 차륜 허브부 일측에 상기 축상 측으로 돌출되게 구비되는 제2변위표적을 포함하고, 상기 횡력산출부는 상기 제1변위표적에서 반사된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 상기 제2변위표적에서 반사된 강체변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1변위표적은 상기 차륜 림부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치되고, 상기 제2변위표적은 상기 차륜 허브부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치되고, 상기 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때마다 상기 제1변위표적에서 반사된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 상기 제2변위표적에서 반사된 강체변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때, 상기 제1변위표적이 아닌 차륜의 원주방향으로 측정된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 횡변위 평균값을 구하고, 상기 제2변위표적이 아닌 차륜의 원주방향으로 측정된 상기 강체변위측정센서에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 강체변위 평균값을 구하여, 이를 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 측정장치를 이용한 철도차량 탈선계수 측정방법에 있어서, 수직변위센서가 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직방향 변위를 측정하고, 횡변위측정센서가 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하고, 강체변위측정센서가 상기 차륜과 상기 축상 사이의 강체 변위를 측정하는 단계; 수직력산출부가 상기 수직변위센서에서 측정한 수직방향 변위와, 상기 축상과 상기 대차 사이드멤버 사이에 구비되는 현가장치의 스프링 상수와 댐핑상수를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하고, 횡력산출부가 상기 횡방향 변위와, 상기 강체변위를 기반으로 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하는 단계; 및 상기 수직력과 상기 횡력을 기반으로 탈선계수를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법에 따르면, 철도차량의 탈선계수를 정확하고 간편하게 측정하는 새로운 방법으로서, 기존의 스트레인 게이지 대신 레이저 변위계를 사용하여 차륜에 작용하는 수직력과 횡력을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법에 따르면, 시험용 차량이나 영업용 차량에서도 적용이 쉬우며, 바퀴살이 있는 특수한 차륜을 사용하지 않고, 차륜에 구멍을 가공하지 않으면서 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직 변위와 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하여 탈선계수를 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
기존의 탈선계수 측정은 이 분야의 상당한 전문가만 측정이 가능하였으나 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치 및 측정방법에 따르면, 통상의 공학기술을 보유한 사람이 측정할 수 있으며, 시험준비에 특수한 장비가 필요 없고, 측정비용이 저렴하고, 슬립링을 사용하거나 무선 송수신이 가능한 고가의 텔레미터 장치를 사용하지 않고, 스트레인 게이지를 사용하여 탈선계수를 측정할 때 발생하는 차량의 전원장치에서 발생하는 누설 전류에 의해 차량에 항시 어느 정도의 전류와 전압이 흐르고 이로 인해 스트레인 신호 분석이 어려운 노이즈 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 탈선계수 측정용 바퀴살 휠과 스트레인 게이지 취부도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치가 구비된 차량의 부분 측면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치가 구비된 차량의 부분 후면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 1개의 제1변위표적과, 1개의 제2변위표적이 설치된 차륜의 측면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 4개의 제1변위표적과, 4개의 제2변위표적이 설치된 차륜의 측면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차륜 회전각도에 따른 횡변위측정센서에서 측정된 변위 데이터 그래프,
도 7은 도 6에서 제1변위표적 이외의 영역에서 측정된 변위데이터를 복수의 구간으로 나눈 그래프를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치의 구성, 기능 및 측정방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치가 구비된 차량의 부분 측면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치가 구비된 차량의 부분 후면도를 도시한 것이다.
수직변위센서(131)는 축상(50)과 대차 사이드멤버(40) 사이의 수직방향 변위를 측정하도록 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수직변위센서(131)는 축상(50)의 상면 일측에 구비될 수 있으며 대차 사이드멤버(40) 측으로 수직방향으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 수신하여 대차 사이드멤버와 축상(50) 간의 수직방향변위(z)를 측정하도록 구성된다.
그리고 수직력산출부는 수직변위센서(131)에서 측정한 수직방향 변위를 기반으로 차륜(30)에 작용하는 동적 수직력을 산출하도록 구성된다. 또한 축상(50)과 대차 사이드멤버(40) 사이에 스프링(80)과 댐퍼(90)를 갖는 현가장치를 포함하고, 수직력산출부는 스프링 상수와 댐핑상수, 수직방향 변위(z)를 기반으로 차륜(30)에 작용하는 동적 수직력을 산출하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 수직변위센서(131)에서 측정된 변위데이터를 기반으로 대차 사이드멤버와 축상(50) 사이의 상대속도를 구하여, 대차 사이드멤버와 축상(50) 사이에 작용하는 댐핑력을 산출하는 댐핑력산출부를 포함하여 구성될 수 있다.
차륜(30)과 레일 사이에 작용하는 수직력 P는 정적 수직력(P0)과 동적 수직력(Pd)으로 구성된다. 정적 수직력은 차량이 평탄한 선로 위에 정지하고 있을 때 차륜과 레일의 접촉점에서 작용하는 수직방향의 힘이다.
정적 수직력은 차량 기지에 설치되어 있는 윤중 측정용 장비를 이용하거나 이동식 윤중 측정장치를 이용하여 측정할 수 있으므로 여기서는 별도로 자세히 설명하지 않는다. 한편 실제로 정적 수직력의 측정이 어려운 경우에는 제작 도면을 이용하여 이론적으로 계산한 값을 사용하여도 실측치와 큰 차이가 없다.
동적 수직력의 측정은 축상(50)에 설치된 수직변위센서(131)가 축상(50)과 대차 사이드 멤버(40) 사이의 수직거리(z)의 변화량을 측정하여 이하의 수학식 1을 통해 산출한다.
[수학식 1]
Figure pat00002
상기 수학식 1에서, P0는 정적 수직력, Pd는 동적 수직력, k는 스프링 상수, z0는 정지상태에서 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, z는 동적 상태에서의 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, c는 댐퍼의 댐핑계수이다.
Figure pat00003
는 시간에 대한 미분을 나타낸다. 시간에 대한 미분은 근사적으로 △t 시간 동안 변위의 변화량(△z=z2-z1)을 △t로 나누어 구한다. △t가 충분히 작은 경우 근사값은 참값에 근접한다. 일반적으로 댐퍼(90)의 댐핑력은 변위의 시간에 대한 변화률에 비례하는 값을 갖는다. 다른 유형의 댐퍼(90)가 사용되는 경우에는 댐핑력은 그 댐퍼(90)의 특성에 맞는 다른 식으로 표현될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 철도차량 탈선계수 측정장치는 횡변위측정센서(132), 강체변위측정센서(133), 횡력산출부를 포함하여 구성된다. 횡변위측정센서(132)는 차륜(30) 림부의 횡방향 변위를 측정하도록 구성된다.
그리고 강체변위측정센서(133)는 차륜(30)과 축상(50) 사이의 강체 변위를 측정하도록 구성된다. 또한, 횡력산출부는 횡방향 변위와, 강체변위를 기반으로 차륜(30)과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 수직변위센서(131), 횡변위측정센서(132), 강체변위측정센서(133)는 광학식 변위센서, 레이저 변위센서, 광섬유 변위센서, 초음파 변위센서 등 다양한 변위센서의 사용이 가능하다.
또한, 횡변위측정센서(132)는 도 3에 도시된 바와 같이, 축상(50)에 구비되는 브라켓(140)에 구비되어 차륜(30)의 림부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 횡방향 변위를 측정하게 됨을 알 수 있다.
그리고 강체변위측정센서(133)는 차륜(30)의 허브부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 강체변위를 측정하게 된다.
즉 횡방향 힘(횡력)은 횡변위측정센서(132)와 강체변위측정센서(133)을 사용하여 차륜의 횡방향 변위를 측정하여 구한다. 강체변위측정센서(133)는 축상(50)과 차륜(30) 사이의 강체변위(y)를 측정하는 데 사용된다. 차륜(30)과 차축(60)은 강제 압입으로 결합되어 둘 사이에 강체변위가 발생하지 않지만 차축(60)은 축상(50)에 베어링으로 지지되므로 차륜(30)과 축상(50) 사이에 차축 방향으로 약간의 강체변위가 발생할 수 있다.
차륜(30)의 강성이 매우 커 약간의 변위도 횡력에 큰 영향을 미치므로 이 강체변위도 정밀하게 측정할 필요가 있다. 횡변위측정센서(132)는 축상에 부착된 브라켓(140)에 고정되어 축상과 차륜 사이의 거리 x를 측정한다. 측정된 x, y 값을 이용하여 횡력은 이하의 수학식 2로부터 구해진다.
[수학식 2]
Q = kQ[(x0 - x) - (y0 -y)]
여기서, kQ는 차륜의 횡방향 변위와 횡력 사이의 비례관계를 나타내는 상수이다. 차륜에 작용하는 횡력은 차륜의 탄성변형 범위에 있으므로 횡력과 횡방향 변형은 선형관계로 정확히 표현할 수 있다.
x0와 y0는 차륜(30)과 레일 사이에 플랜지 접촉이 없이 차량이 정차하고 있을 때의 거리이다. 따라서 (x0 - x) - (y0 -y)은 차륜(30)의 전체 횡방향 변위에서 축상의 강체변위를 뺀 값으로 차륜(30)에 작용하는 횡력에 의한 차륜의 횡방향 변위이다.
횡력 Q가 양일 때 도 3에 표시한 화살표 방향으로 횡력이 차륜(30)에 작용하고, 음일 때는 반대 방향으로 작용한다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 차륜(30) 림부 일측에 축상(50) 측으로 1 ~ 3mm 돌출되게 구비되는 제1변위표적(142)과, 차륜(30) 허브부 일측에 축상(50) 측으로 1 ~ 3mm 돌출되게 구비되는 제2변위표적(143)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 횡력산출부는 제1변위표적(142)에서 반사된 횡변위측정센서(132)에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 제2변위표적(143)에서 반사된 강체변위측정센서(133)에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하도록 구성될 수 있다.
차륜(30) 표면은 정밀하게 가공하여도 차륜(30)을 360도 회전시키면 x0와 y0의 값은 일정하지 않고 변동한다. 따라서 횡방향 변위를 연속적으로 측정하는 경우에는 x0와 y0의 변동값에 비례하여 횡력도 변동하게 되므로 표적(142,143)이 변위 센서(132, 133)를 통과할 때만 변위를 측정하여 이때의 평균값을 사용하면 좀 더 정확한 횡력을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 1개의 제1변위표적과, 1개의 제2변위표적이 설치된 차륜의 측면도를 도시한 것이다. 즉, 도 4는 차륜이 1회전 할 때마다 횡력을 한 번 측정하는 경우의 예를 보여준다.
예를 들어, 차륜의 지름이 860 mm인 차량이 100 km/h의 속도로 달리는 경우, 차륜의 회전각도는 초당 약 3,700도이다. 제1변위표적과 제2변위표적의 크기가 원주방향으로 1도이고 횡변위측정센서(132)와 강체변위측정센서(133)의 측정 주파수가 3,700 Hz이면 횡변위측정센서(132)와 강체변위측정센서(133)는 차륜이 1회전 할 때마다 한 번 정도로 횡 변위를 측정하게 된다.
상용 변위센서의 측정 주파수는 0~20,000 Hz 정도이므로 표적의 크기와 변위 센서의 주파수를 적절히 선정하여 횡 변위를 측정하는 것은 아무런 문제가 없다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차륜 회전각도에 따른 횡변위측정센서에서 측정된 변위 데이터 그래프를 도시한 것이다. 또한, 표적과 표적이 아닌 곳에서 반사되는 신호를 쉽게 구별하기 위해 도 3에서 표시한 것처럼 표적(142, 143)은 표면에서 약간 돌출되게 구비되면 도 6과 같이 측정된 신호가 명확히 구분된다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1변위표적(142)은 차륜(30) 림부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치될 수 있고 또한, 제2변위표적(143) 역시 차륜(30) 허브부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치될 수 있다. 즉, 도 5는 차륜(30)이 1회전할 때마다 횡력을 4번 측정하는 경우 표적(142, 143)의 부착 위치를 보여준다. 각 표적(142, 143)은 돌출 높이를 달리하여 어느 표적에서 측정된 데이터인지 쉽게 구분할 수 있다.
이때 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때마다 제1변위표적(142)에서 반사된 횡변위측정센서(132)에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 제2변위표적(143)에서 반사된 강체변위측정센서(133)에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하도록 구성될 수 있다.
즉, 표적 내에서 여러 개의 변위가 측정된 경우 이 값들도 일정하지 않고 변동이 있으므로 평균값을 취하는 것이 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다. N개의 데이터가 측정되는 경우 x, y의 산술 평균값은 이하의 수학식 3, 수학식 4와 같이 구한다.
[수학식 3]
Figure pat00004
[수학식 4]
Figure pat00005
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때, 상기 제1변위표적(142)이 아닌 차륜(30)의 원주방향으로 측정된 횡변위측정센서(132)에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 횡변위 평균값을 구하고, 제2변위표적(143)이 아닌 차륜(30)의 원주방향으로 측정된 강체변위측정센서(133)에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 강체변위 평균값을 구하여, 이를 기반으로 횡력을 산출할 수 있다.
도 7은 도 6에서 제1변위표적(142) 이외의 영역에서 측정된 변위데이터를 복수의 구간으로 나눈 그래프를 도시한 것이다. 즉, 도 7은 차륜(30)의 림부와 허브부에 각각 하나의 표적(142, 143)을 붙이고 표적의 데이터를 이용하여 횡력을 구하고 표적이 아닌 영역에서 측정된 데이터를 임의의 구간으로 나누어 각 구간에서의 데이터의 평균값을 수학식 3, 4과 같이 구하고, 이 평균값을 수학식 2에 대입하여 각 구간에서의 횡력을 구하는 예를 보여 준다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
30:차륜
40:대차 사이드 멤버
50:축상
60:차축
80:스프링
90:댐퍼
131:수직변위센서
132:횡변위측정센서
133:강체변위측정센서
142:제1변위표적
143:제2변위표적

Claims (12)

  1. 탈선계수 측정장치에 있어서,
    축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직방향 변위를 측정하는 수직변위센서;
    상기 수직변위센서에서 측정한 수직방향 변위를 기반으로 차륜에 작용하는 동적 수직력을 산출하는 수직력산출부;
    차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하는 횡변위측정센서;
    상기 차륜과 상기 축상 사이의 강체 변위를 측정하는 강체변위측정센서;
    상기 횡방향 변위와, 상기 강체변위를 기반으로 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하는 횡력산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 축상과 상기 대차 사이드멤버 사이에 스프링과 댐퍼를 갖는 현가장치를 더 포함하고,
    상기 수직력산출부는 스프링 상수와 댐핑상수과, 상기 수직방향 변위(z)를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수직력 산출부는 하기의 수학식 1에 의해 수직력(P)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치:
    [수학식 1]
    Figure pat00006

    상기 수학식 1에서, P0는 정적 수직력, Pd는 동적 수직력, k는 스프링 상수, z0는 정지상태에서 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, z는 동적 상태에서의 축상과 대차 사이드멤버 사이의 변위, c는 댐퍼의 댐핑계수이다.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 횡변위측정센서는 상기 축상에 구비되는 브라켓에 구비되어 상기 차륜의 림부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 상기 횡방향 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 강체변위측정센서는 상기 차륜의 허브부 측으로 신호를 조사하여 반사되는 신호를 기반으로 상기 강체변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 횡력산출부는 하기의 수학식 2를 기반으로 횡력(Q)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치:
    [수학식 2]
    Q = kQ[(x0 - x) - (y0 -y)]
    상기 수학식 2에서, x는 횡변위측정센서에서 측정된 값, y는 강체변위측정센서에서 측정된 값, kQ는 차륜의 횡방향 변위와 횡력 사이의 비례관계를 나타내는 상수, x0는 차량정지상태에서의 차륜과 횡변위측정센서 사이의 거리, y0는 차량정치상태에서 차륜 허브부와 강체변위측정센서 사이의 거리이다.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 수직변위센서와 상기 횡변위측정센서와, 상기 강체변위측정센서 중 적어도 어느 하나는, 광학식 변위센서, 레이저 변위센서, 광섬유 변위센서, 자기식 변위센서, 전자유도식 변위센서 및 초음파 변위센서 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 수직변위센서에서 측정된 변위데이터를 기반으로 대차 사이드멤버와 축상 사이의 상대속도를 구하여, 상기 대차 사이드멤버와 상기 축상 사이에 작용하는 댐핑력을 산출하는 댐핑력산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 차륜 림부 일측에 상기 축상 측으로 돌출되게 구비되는 제1변위표적과, 상기 차륜 허브부 일측에 상기 축상 측으로 돌출되게 구비되는 제2변위표적을 포함하고,
    상기 횡력산출부는 상기 제1변위표적에서 반사된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 상기 제2변위표적에서 반사된 강체변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1변위표적은 상기 차륜 림부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치되고, 상기 제2변위표적은 상기 차륜 허브부에 서로 원주방향으로 특정간격 이격되어 2 ~ 5개 설치되고,
    상기 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때마다 상기 제1변위표적에서 반사된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 횡변위 평균값과, 상기 제2변위표적에서 반사된 강체변위측정센서에서 측정된 값들의 평균인 강체변위 평균값을 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 횡력산출부는 차륜이 1회전 할 때, 상기 제1변위표적이 아닌 차륜의 원주방향으로 측정된 상기 횡변위측정센서에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 횡변위 평균값을 구하고, 상기 제2변위표적이 아닌 차륜의 원주방향으로 측정된 상기 강체변위측정센서에서 측정된 데이터를 일정한 개수의 구간으로 나누어 각 구간의 강체변위 평균값을 구하여, 이를 기반으로 횡력을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 측정장치를 이용한 철도차량 탈선계수 측정방법에 있어서,
    수직변위센서가 축상과 대차 사이드멤버 사이의 수직방향 변위를 측정하고, 횡변위측정센서가 차륜 림부의 횡방향 변위를 측정하고, 강체변위측정센서가 상기 차륜과 상기 축상 사이의 강체 변위를 측정하는 단계;
    수직력산출부가 상기 수직변위센서에서 측정한 수직방향 변위와, 상기 축상과 상기 대차 사이드멤버 사이에 구비되는 현가장치의 스프링 상수와 댐핑상수를 기반으로 차륜에 작용하는 수직력을 산출하고, 횡력산출부가 상기 횡방향 변위와, 상기 강체변위를 기반으로 차륜과 레일 사이에 작용하는 횡력을 산출하는 단계; 및
    상기 수직력과 상기 횡력을 기반으로 탈선계수를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량 탈선계수 측정방법.






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