KR101252123B1 - 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법 - Google Patents

열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휠 시험장치 및 시험방법에 관한 것으로서, 롤러코스터 차량 또는 엘리베이터 등에서 주요 구동부 및 지지부로 사용되는 우레탄 휠의 건전성을 열화상 카메라를 이용하여 비파괴적으로 검사할 수 있는 휠 시험장치 및 시험방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 금속재질의 휠 본체에 주연부를 따라 이종재질의 코팅부를 코팅하여 접합한 코팅형 복합재료 휠의 건전성을 평가하기 위한 평가 장치에 있어서, 시험 대상의 복합재료 휠을 설정된 주행 조건으로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 시행하기 위한 시뮬레이터와; 상기 시뮬레이션 주행되는 동안 또는 시뮬레이션 주행 후의 복합재료 휠에 대하여 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하기 위한 열화상 측정 및 분석 장치;를 포함하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치가 개시된다.

Description

열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법{Apparatus and method for testing composite wheel}
본 발명은 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 롤러코스터 차량 또는 엘리베이터 등에서 주요 구동부 및 지지부로 사용되는 우레탄 휠과 같은 복합재료 휠의 건전성을 비파괴적으로 검사할 수 있는 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 롤러코스터는 차량을 모터에 의해 지상으로부터 일정한 높이까지 끌어올린 뒤 위치에너지를 중력에 의한 운동에너지로 전환시키는 방법으로 주행시키는 놀이기구로서, 1885년에 처음 고안되었다.
롤러코스터는 통상 여러 대의 차량을 연결한 열차가 지상보다 높은 곳의 정해진 궤도를 따라 설치된 레일 위를 달리도록 구성되며, 궤도열차라고도 한다.
롤러코스터에서 차량은 나선형으로 돌거나 거꾸로 몇 바퀴씩 돌기도 하는데, 사람이 거꾸로 있으면서도 아래로 떨어지거나 밖으로 튀어나가지 않는 것은 구심력과 원심력이 작용하기 때문이다.
현재 국내 롤러코스터 차량의 대부분은 도 1의 (a) ~ (c)에 나타낸 바와 같이 2 ~ 3축 지지 방식의 바퀴 타입을 가지고 있으며, 레일은 원형 파이프 타입으로 설치되고 있다.
도 2는 일반적인 롤러코스터 차량의 바퀴, 즉 휠의 구성을 도시한 도면으로, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 레일(또는 트랙)을 따라 이동하는 로드 휠(load wheel), 가이드 휠(guide wheel), 업스톱 휠(upstop wheel) 등으로 구성되며, 로드 휠은 차량의 하중을 지지하고, 가이드 휠은 측부 회전시 이탈을 방지하며, 업스톱 휠은 상하 회전시 이탈을 방지하는 역할을 한다.
또한 각 휠은 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 스틸 재질의 휠 본체에 레일과의 접촉부가 되는 주연부를 따라 폴리우레탄을 코팅한 우레탄 코팅 구조를 가진다.
상기한 휠의 종류 중 열화가 많이 발생하는 휠은 주 하중을 직접적으로 가장 많이 받으면서 운동량이 가장 큰 로드 휠이며, 실제 현장에서도 이 로드 휠에서 많은 결함이 발생하게 된다.
한편, 롤러코스터 차량은 휠을 통해 높은 곳의 레일 위를 따라 고속으로 주행하기 때문에 안전성 확보가 무엇보다 중요하며, 사고가 발생할 경우 탑승자가 사망하는 심각한 사고로 이어질 수 있다.
롤러코스터의 안전사고는 해마다 여러 건씩 일어나고 있으며, 1980년부터 현재까지 100건이 넘는 사고가 집계되었다.
대표적인 사례로 캐나다에서 롤러코스터의 마지막 차량이 바퀴(휠)가 완전히 빠져버리면서 3명의 사망자가 발생하였고, 일본에서는 2007년 롤러코스터 열차의 2번째 차량의 차축이 빠지면서 1명이 사망하고 21명이 부상하는 사고가 발생하였다.
과거의 사고 사례를 보면 롤러코스터에서 바퀴와 각 차량을 연결해주는 차축의 사고가 상당수 발생함을 알 수 있고, 이에 바퀴나 차축 부분이 전체 구조에서 가장 중요한 요소임을 알 수 있다.
롤러코스터의 운행사항과 안전점검 및 진단에 대한 사항을 확인해보면 롤러코스터에서 빈번하게 일어나는 문제는 바퀴의 우레탄 부분의 분리와 각 볼트 체결부의 풀림임을 알 수 있고, 점검방법으로는 도 3의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이 바퀴의 스틸 부위와 우레탄 부위에 유성펜으로 선을 그어 표기를 한 뒤 박리 유무 등의 기준으로 사용하여 수시로 확인하거나, 도 3의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 우레탄 부위의 크랙 발생 등을 육안으로 확인하는 방법이 이용되고 있다.
롤러코스터가 반복적으로 운행됨에 따라 우레탄 휠은 점차 열화가 진행되므로 교체시기가 되면 교환해주어야 하지만, 각 휠마다 교체시기가 일정하지 않고 교체에 대한 기준이 없으므로 현재는 육안으로 확인하여 노화 여부를 평가한 뒤 교체를 하고 있는 실정이다.
또한 통상 연 1회에 걸쳐 안전진단을 실시하며, 비파괴 검사와 더불어 바퀴의 우레탄을 필요한 경우 또는 주기적으로 교체하는 작업을 시행하고 있다.
롤러코스터의 안전점검 주요 대상은 열차의 차량 연결부 샤프트 안전성 점검, 바퀴 차축 고정을 위한 우레탄 압착부 간극 점검, 그리고 롤러코스터 바퀴의 우레탄층 박리 현상 및 차량의 안전 바(bar) 고정을 위한 유압 피스톤의 파괴 현상, 체인 연결핀의 파손에 의한 체인 붕괴 현상 등의 점검이다.
이 중에서 롤러코스터의 차량에서 결함 발생이 가장 빈번하게 일어나고 있는 부분이면서 안전상 중요하다 할 수 있는 구조체는 차량의 바퀴, 즉 휠이며, 볼트 체결부의 풀림 진단 등 정적인 부분을 검사하는 것과 달리 휠의 동적 문제를 진단하는 것은 상대적으로 어렵고 복잡하다.
특히, 여러 장소에 설치된 각 롤러코스터마다 차량이 레일을 돌면서 휠에 가해지는 하중이나 회전속도, 슬립 등 조건이 모두 상이하므로, 적용된 차량의 휠에 대한 적용성 평가 시험이 현장에서 실제 운행 중 이루어져야 하나, 문제는 실제 롤러코스터의 차량을 반복 주행시키면서 휠에 대한 피로시험 등의 적용성 평가 시험을 수행하는 것은 경제적으로도 불리할 뿐만 아니라 매우 위험하다.
또한 해당 롤러코스터에서 사용할 수 있는 더욱 안전한 휠을 설계하고 개발하기 위한 여러 기초 데이터를 획득함에 있어서 실제 주행을 반복하여 측정하는 것은 비용은 물론 안전성 측면에서 매우 불리하다.
더욱이 롤러코스터 휠에 대한 복합재료의 분리현상, 우레탄 재질의 크랙 발생 등을 방지하기 위한 방법, 우레탄층의 박리가 발생할 수 있는 조건이나 안전기준치, 안전운행조건 등을 모두 실제 현장에서 반복적인 시험을 통해 터득하고 획득하기는 사실상 거의 불가능하다.
롤러코스터 휠에 사용되는 우레탄 휠과 같이 금속과 고분자 재질의 복합재료로 이루어진 휠은 엘리베이터나 산업적으로 이용되는 여러 장치(휠이 고속으로 회전되는 장치)에도 널리 사용되고 있는 만큼 복합재료 휠의 건전성을 비파괴적으로 검사할 수 있는 기술의 개발이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 롤러코스터 차량 또는 엘리베이터 등에서 주요 구동부 및 지지부로 사용되는 복합재료 휠의 열화/크랙 발생 여부 등의 건전성을 비파괴적으로 검사할 수 있는 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 금속재질의 휠 본체에 주연부를 따라 이종재질의 코팅부를 코팅하여 접합한 코팅형 복합재료 휠의 건전성을 평가하기 위한 평가 장치에 있어서, 시험 대상의 복합재료 휠을 설정된 주행 조건으로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 시행하기 위한 시뮬레이터와; 상기 시뮬레이션 주행되는 동안 또는 시뮬레이션 주행 후의 복합재료 휠에 대하여 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하기 위한 열화상 측정 및 분석 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치를 제공한다.
여기서, 상기 열화상 측정 및 분석 장치는, 상기 시뮬레이터의 전방에 배치되어 시뮬레이터의 외부 케이스 전면에 형성된 내부 관찰용 창인 개구부를 통하여 복합재료 휠의 열화상 데이터를 획득하는 열화상 카메라와; 상기 열화상 카메라를 통해 획득되는 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하는 제어장치부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어장치부는 열화상 데이터로부터 코팅부 내 설정 위치의 시간에 따른 온도 값을 수집하여 디스플레이부에 상기 설정 위치의 시간에 따른 온도 변화 데이터를 그래프로 디스플레이하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어장치부는 열화상 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하도록 설정된 온도측정구간 내 위치를 따르는 온도 값을 수집한 뒤 디스플레이부에 상기 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 그래프로 디스플레이하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도측정구간은 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하는 휠 반경방향의 직선 구간으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 금속재질의 휠 본체에 주연부를 따라 이종재질의 코팅부를 코팅하여 접합한 코팅형 복합재료 휠의 건전성을 평가하기 위한 평가 방법에 있어서, 시뮬레이터에서 시험 대상의 복합재료 휠을 설정된 주행 조건으로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 시행하는 과정과; 상기 시뮬레이션 주행되는 동안 또는 시뮬레이션 주행 후의 복합재료 휠에 대하여 열화상 측정 및 분석 장치가 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하는 과정과; 상기 온도 데이터로부터 복합재료 휠의 건전성을 평가하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법을 제공한다.
여기서, 상기 복합재료 휠을 일정 속도로 회전시키면서 복합재료 휠에 가해지는 하중을 단계적으로 증가시키는 시뮬레이션 주행을 시행하고, 상기 열화상 측정 및 분석 장치가 시뮬레이션 주행되는 복합재료 휠에 대하여 획득되는 열화상 데이터로부터 코팅부 내 설정 위치의 시간에 따른 온도 변화 데이터를 획득하며, 상기 온도 변화 데이터로부터 상기 코팅부의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 시간에 따른 온도 변화 데이터를 그래프화한 뒤 온도 변화 그래프에서 취해지는 온도 상승 곡선을 동일 사양의 정상 휠과 열화/크랙 발생 휠에 대해 동일하게 선행 시험하여 얻은 온도 상승 곡선과 비교하여 상기 코팅부의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 복합재료 휠에 설정된 하중 및 슬립 조건을 인가하면서 설정된 회전속도로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 정해진 횟수로 반복 시행하되, 상기 열화상 측정 및 분석 장치가 각 시뮬레이션 주행 후마다 획득되는 열화상 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하도록 설정된 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 획득하며, 상기 온도 분포 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간 경계부의 접착제 열화 여부를 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 그래프화하되, x축을 온도측정구간 내 위치, y축을 온도로 하여 그래프화하고, 그래프화된 온도 분포 선도로부터 휠 본체와 코팅부 간 경계부의 접착제 열화 여부를 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도 분포 선도에서 휠 본체와 코팅부 간 경계부에 경계부로부터 위치가 멀어질수록 온도가 급격히 높아짐에 따른 선도의 꺾임부가 존재할 경우 정상 휠로, 상기 선도의 꺾임부가 존재하지 않을 경우 열화 휠로 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도측정구간은 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하는 휠 반경방향의 직선 구간으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 평가 장치 및 방법은 시험 대상의 복합재료 휠에 대하여 시뮬레이션 주행 및 열화상 온도 측정을 통해 건전성을 실시간으로 정확히 평가할 수 있고, 평가 결과를 토대로 휠을 설계하고 개발하는데 유용하게 활용될 수 있으며, 복합재료의 분리현상, 우레탄 재질의 크랙 발생 등을 방지하기 위한 방법을 개발하는데 적극 활용될 수 있다.
또한 롤러코스터 휠(예, 로드 휠)을 대상으로 하여 시험하는 경우 실제 현장에서의 반복적인 시험 없이도 차량의 휴식시간 안전치 기준 등 롤러코스터의 안전운행을 위한 여러 기준치를 산정하는데 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 롤러코스터 차량의 일반적인 바퀴(휠) 타입을 나타내는 도면이다.
도 2는 롤러코스터 차량의 일반적인 바퀴 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 롤러코스터 차량의 바퀴에 대한 점검방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 배면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 좌측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 우측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 작동상태도이다.
도 9는 본 발명에 따른 평가 장치에서 열화상 측정 및 분석 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 10은 파괴 특성 시험시에 사용된 정상 휠(a)과 열화/크랙 발생된 로드 휠(b)을 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 평가 장치를 이용하여 실시한 파괴 특성 시험의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에서 시험 대상 휠에 설정되는 온도측정구간을 예시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 접합부 열화 평가 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 복합재료 휠의 평가 장치 및 방법에 관한 것으로서, 롤러코스터 차량 또는 엘리베이터 등에서 주요 구동부 및 지지부로 사용되는 우레탄 휠과 같은 복합재료 휠의 열화/크랙 발생 여부 등의 건전성을 비파괴적으로 검사할 수 있는 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 시험 대상이 되는 휠은 롤러코스터 휠, 즉 스틸 재질의 휠 본체에 레일과의 접촉부가 되는 주연부를 따라 폴리우레탄을 코팅한 우레탄 코팅 구조의 휠과 같이 금속 재질의 휠 본체에 고분자 수지와 같은 이종재질의 소재를 코팅한 코팅형 복합재료 휠이 될 수 있으며, 이러한 코팅형 복합재료 휠은 엘리베이터나 고속으로 회전하는 다양한 장치의 휠에 널리 적용되고 있는바, 본 발명에서 시험 대상의 휠을 롤러코스터 휠로 한정하지는 않는다.
먼저, 본 출원인은 롤러코스터 차량의 휠이 레일을 따라 실제 주행할 때와 흡사한 하중, 회전속도, 슬립 등 휠에 가해지는 현상을 그대로 모사하여 휠에서 나타나는 변화를 관찰할 수 있도록 한 롤러코스터 휠 시험장치를 2010년 6월 10일 특허출원한 바 있으며(특허출원번호 제2010-0054781호 '롤러코스터 휠 시험장치'), 특허출원된 롤러코스터 휠 시험장치에 시험 대상의 열화상 측정 및 분석이 가능한 장치를 추가하여 본 발명을 완성하였다.
상기 특허출원된 롤러코스터 휠 시험장치는 롤러코스터 차량의 휠이 레일을 따라 주행하는 조건을 실제와 흡사하게 모사하기 위하여 시험 대상 휠을 전동모터에 의해 설정된 회전속도로 회전하는 구동휠에 압착시켜 다양한 주행 조건을 인가할 수 있게 구성된 시험장치이다.
특히, 실제의 레일에 해당하는 구동휠에 의해서 시험 대상 휠을 정해진 회전속도로 회전시키는 동시에 구동휠에 압착되는 하중 및 압력을 변화시키면서 실제 주행 조건과 흡사한 하중, 회전속도, 슬립 등의 다양한 조건을 부여할 수 있게 구성되며, 실제 롤러코스터가 레일을 따라 한번 운행할 때 롤러코스터에서 측정한 가속도 데이터를 이용하여 주행 조건을 모사할 수 있도록 되어 있다.
이에 더하여, 본 발명의 평가 장치는 상기한 롤러코스터 휠 시험장치에 열화상 측정 및 분석을 위한 장치를 추가로 구비하고, 이 열화상 측정 및 분석 장치를 이용하여 시험 대상 휠의 열화상 데이터를 획득할 수 있도록 구성된다.
이러한 열화상 데이터로부터는 후술하는 바와 같이 코팅부(우레탄 등의 고분자 수지 재질로 된 코팅층)의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가할 수 있고, 또한 이종재질 간의 경계부, 즉 코팅부가 접합된 접합부에서 접착제의 열화 여부를 평가할 수 있게 된다.
이하, 본 명세서에서는 상기한 특허(특허출원번호 제2010-0054781호)의 시험장치를 시험 대상 휠에 미리 설정된 하중 및 회전속도, 슬립 조건을 인가하여 시험 대상 휠의 실제 주행 조건을 모사하는 장치라는 점에서 시뮬레이터라 칭하기로 하며, 이에 본 발명의 평가 장치는 시뮬레이터와 열화상 측정 및 분석 장치를 포함하여 구성된다.
먼저, 도 4는 본 발명에 따른 평가 장치에서 시뮬레이터의 정면도이고, 도 5는 시뮬레이터의 배면도이며, 도 6은 시뮬레이터의 좌측면도, 도 7은 시뮬레이터의 우측면도, 도 8은 시뮬레이터의 작동상태도이다. 도시된 시뮬레이터의 구성에 대해서는 특허출원번호 제2010-0054781호의 시험장치와 동일한 구성이므로 주요 구성에 대해서만 간단히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 시뮬레이터(100)는, 시험 대상 휠(1)이 회전 가능하게 장착되는 휠장착대(110)와; 하부받침대(101) 상에 고정 설치되고 상기 휠장착대(110)가 이동 가능하도록 조립되는 지지대(120)와; 상기 휠장착대(110)에 연결되어 휠장착대를 통해 상기 시험 대상 휠(1)을 하기 구동휠(140)로 이동시켜 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 원주면 간 압착이 이루어지도록 하는 이동기구(130)와; 축지지대(142)에 회전 가능하게 장착되는 회전축(141)과; 상기 회전축(141)에 일체로 회전되도록 장착되는 구동휠(140)과; 상기 회전축(141)을 회전 구동시켜 상기 구동휠(140)을 정해진 회전속도로 회전시키기 위한 구동장치부(160)와; 상기 이동기구(130)와 구동장치부(160)의 구동을 제어하여 시험 대상 휠(1)에 가해지는 하중과 시험 대상 휠(1)의 회전속도를 제어하는 제어장치부(170);를 포함하여 구성된다.
여기서, 시뮬레이터(100)는 구동휠(140)에 압착된 상태의 시험 대상 휠(1)에 가해지는 하중을 검출하기 위한 하중계(150)를 더 포함할 수 있으며, 이 하중계(150)는 이동기구(130)인 공압 또는 유압 실린더의 피스톤 로드(132)에 설치될 수 있다.
또한 시뮬레이터(100)는 하부받침대(101)의 상측으로 설치되는 외부 케이스(102)를 더 포함하며, 외부 케이스(102)는 실험에 있어서 안전을 위하여 설치되는 것으로, 각 구성부를 포함하여 축방향이동기구(180) 및 하부지지대(190) 등 시뮬레이터(100)의 구성부들을 둘러싸도록 설치된다.
하부받침대(101)와 그 상측의 외부 케이스(102)는 전체적으로 소정 용적의 내부공간을 가지면서 시뮬레이터(100)의 외곽을 이루는 일체의 직육면체형 케이스를 형성하게 되며, 상기 내부공간에 시뮬레이터(100)의 각 구성부가 넣어져 장착되게 된다.
외부 케이스(102)의 전면에는 개구부(104a)가 형성될 수 있는데, 이는 외부 케이스(102)의 전면에 형성되어 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 압착상태를 외부에서 관찰할 수 있도록 구비되는 일종의 내부 관찰용 창이다.
도면상으로 나타내지는 않았으나, 개구부(104a)에는 열고 닫을 수 있는 도어가 설치될 수도 있다.
외부 케이스(102)는 하부받침대(101)의 상측에 수직으로 고정 설치되는 프레임(103)과, 상기 프레임(103)에 구성부들을 둘러싸도록 조립 및 설치되고 전면에는 상기 개구부(104a)가 형성되는 패널(104)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 패널(104)은, 휠장착대(110)와 이동기구(130), 회전축(141), 구동휠(140), 구동장치부(160)를 포함하여 축방향이동기구(180) 및 하부지지대(190) 등의 작동상태가 관찰될 수 있도록, 이들 구동부를 둘러싸는 투명 재질로 된 소정 두께의 패널을 포함하며, 예컨대 투명 재질의 패널로는 30mm의 두께로 제작된 아크릴 패널이 사용될 수 있다.
예시한 실시예에서는 전체 패널(104)에서 개구부(104a)가 형성된 전면, 그리고 양 측면, 배면의 경우 투명 재질의 패널로 이루어져 있으며, 상부면과 전면의 일부(도 4에서 도면부호 170으로 나타낸 제어장치부의 전방을 둘러싸고 있는 우측 부분)는 금속재의 패널(104)로 이루어지고 있다.
결국, 하부받침대(101)와 외부 케이스(102)는 고속으로 회전하고 고압으로 상호 압착되는 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140), 그리고 이들을 회전 및 이동시켜 실제 주행 조건과 흡사한 하중 및 속도, 슬립 조건을 시험 대상 휠(1)에 인가하기 위한 각 구동부의 주변을 둘러싸면서 방음과 방진 기능을 제공하게 된다.
그리고, 지지대(120)는 하부받침대(101)에 수직 설치되고 휠장착대(110)가 상하로 안내되도록 결합되는 안내로드(121)와, 상기 안내로드(121)의 상단에 설치되는 상부지지대(122)를 포함하여 구성된다.
여기서, 안내로드(121)는 하부받침대(101) 위에 기둥 형태로 수직 설치되는 부재로서, 휠장착대(110)가 관통 조립되는 적어도 2개 이상의 안내로드(121)가 설치될 수 있으며, 바람직하게는 예시된 바와 같이 상부지지대(122)를 포함하여 이에 설치되는 이동기구(130)(하기 공압 또는 유압 실린더)의 안정적인 지지를 위하여 4개의 안내로드(121)가 하부받침대(101) 위에 기둥 형태로 수직 설치될 수 있다.
이때, 상부지지대(122)는 안내로드(121)의 상단에 횡 설치되는 플레이트 구조물이 될 수 있고, 또한 상기 이동기구(130)가 상부지지대(122)에 고정 설치되어 지지되면서 휠장착대(110)를 안내로드(121)를 따라 상하로 이동시키는 승강기구가 될 수 있다.
승강기구로는 상하로 전후진하는 피스톤 로드(132)를 가지면서 상기 피스톤 로드(132)의 선단부가 상기 휠장착대(110)에 결합되는 공압 또는 유압 실린더가 될 수 있으며, 이 중에서 제어 입력에 대한 반응속도(제어 입력에 대한 피스톤 로드의 동작속도)가 상대적으로 빠른 공압 실린더의 사용이 더욱 바람직하다.
공압 또는 유압 실린더(130)의 실린더 본체(131)는 상부지지대(122) 위에 고정 설치되고, 상하로 전후진 동작하게 되는 피스톤 로드(132)는 상부지지대(122)의 하측으로 관통 조립되어 휠장착대(110)와 일체로 결합된다.
결국, 피스톤 로드(132)의 전후진 동작에 의해 휠장착대(110)와 이에 장착된 시험 대상 휠(1)의 상하 이동이 이루어지며, 피스톤 로드(132)가 전진하여 휠장착대(110)와 시험 대상 휠(1)이 하강하면, 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 원주면 간에 압착이 이루어지고, 이때 피스톤 로드(132)에 의해 가해지는 하중에 따라서 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 압착 하중이 결정되게 된다.
즉, 피스톤 로드(132)가 전진시에 가하는 하중(피스톤 로드의 작동 하중)에 따라 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 원주면 간 압착 하중이 결정되고, 이 압착 하중에 따라 시험 대상 휠(1)이 구동휠(140)에 압착되면서 받게 되는 하중이 결정되게 된다.
상기 공압 또는 유압 실린더(130)는 제어장치부(170)의 제어신호에 따라 구동이 제어되는데, 특히 제어장치부(170)의 제어신호에 따라 피스톤 로드(132)의 전후진 동작 및 전진시 피스톤 로드(132)가 가하는 하중이 제어되게 된다.
결국, 제어장치부(170)는 이동기구의 구동, 예컨대 공압 또는 유압 실린더(130)의 구동, 특히 이의 피스톤 로드(132)의 동작을 제어하여 시험 대상 휠(1)이 구동휠(140)에 압착되면서 받게 되는 하중을 제어하게 된다.
그리고, 이동기구(승강기구), 즉 공압 또는 유압 실린더(130)는, 피스톤 로드(132)를 전후진 동작시켜 휠장착대(110) 및 이에 장착된 시험 대상 휠(1)을 상승 또는 하강시킴에 있어서, 휠장착대(110)와 시험 대상 휠(1)을 수직 설치된 안내로드(121)의 길이방향을 따라 구동휠(140)의 반경방향으로 이동시키도록 구비되며, 이에 시험 대상 휠(1)을 구동휠(140)의 반경방향으로 이동시켜, 시험 대상 휠(1)과 구동휠(140)의 원주면 간 압착이 이루어지도록 한다.
그리고, 피스톤 로드(132)에는 시험 대상 휠(1)이 구동휠(140)에 압착되면서 받게 되는 하중을 검출하기 위한 상기의 하중계(150)가 설치될 수 있다.
하중계(150)는 피스톤 로드(132)를 통해 가해지는 하중을 검출하기 위한 것으로, 통상의 만능시험기나 인장압축시험기에 설치되는 것과 같은 로드셀(load cell)로 구현될 수 있다.
하중계(150)는 피스톤 로드(132)를 통해 가해지는 하중, 즉 시험 대상 휠(1)이 구동휠(140)에 압착되면서 받게 되는 하중을 검출하여 그 검출값에 따른 전기적인 신호를 출력하게 되는데, 이 전기적인 신호, 즉 검출값의 입력이 가능하도록 미도시된 신호입력라인을 통해 제어장치부(170)에 연결된다.
상기 제어장치부(170)는 시험 대상 휠(1)이 받게 되는 하중을 원하는 하중 조건, 즉 미리 설정된 하중으로 제어하기 위하여 하중계(150)의 검출값을 입력받아 이를 피드백 신호로 사용하게 되는바, 시험 대상 휠(1)의 현재 하중 조건, 즉 구동휠(140)과의 압착으로 시험 대상 휠(1)이 받게 되는 하중값을 상기 하중계(150)로부터 입력받게 되고, 또한 입력된 하중값을 정확한 하중이 시험 대상 휠(1)에 인가되도록 이동기구인 공압 또는 유압 실린더(130)의 구동(피스톤 로드의 전후진 구동)을 제어하는데 사용하게 된다.
그리고, 시뮬레이터(100)는 축방향이동기구(180)와 하부지지대(190)를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 먼저 축방향이동기구(180)는 제어장치부(170)의 구동 제어하에 축지지대(142), 회전축(141), 구동휠(140), 및 구동장치부(160)를 상기 회전축(141)의 축방향으로 전후 이동시키기 위한 구동부이다.
또한 하부지지대(190)는 하부받침대(101)에 가이드수단(191)을 매개로 결합되어 상기 축방향이동기구(180)에 의해 상기 회전축(141)의 축방향으로 전후 이동 가능하게 설치되는 것으로, 상측으로 축지지대(142) 및 구동장치부(160)가 설치되어 축지지대(142)와 더불어 이에 장착된 회전축(141), 회전축에 장착된 구동휠(140), 및 구동장치부(160)와 일체로 전후 이동되는 구성부이다.
상기 구동휠(140)은 축지지대(142)에 회전 가능하게 지지된 회전축(141)에 장착되어, 상기 구동휠(140)과 회전축(141)이 일체로 회전 구동되도록 되어 있다.
이때, 축방향이동기구(180)는, 시험 대상 휠(1)이 이동기구(130)에 의해 하강하여 구동휠(140)과 압착된 상태에서, 구동휠(140)을 상기 회전축(141)의 축방향으로 전후 이동시켜, 구동휠(140)과 이에 압착된 시험 대상 휠(1) 간에 축방향으로의 슬립을 발생시키게 된다.
이에 본 발명의 시뮬레이터(100)에서는, 제어장치부(170)에 의해, 이동기구인 실린더(130)의 피스톤 로드(132)를 통한 시험 대상 휠(1)의 하중 제어와 더불어, 구동휠(140)을 통한 시험 대상 휠(1)의 회전속도 제어, 축방향이동기구(180)를 통한 시험 대상 휠(1)의 슬립 제어가 모두 가능하도록 되어 있다.
한편, 구동장치부(160)는 제어장치부(170)에 의해 구동 및 회전속도가 제어되는 전동모터(161)와, 상기 전동모터(161)의 회전력을 상기 회전축(141)에 전달하기 위한 동력전달수단을 포함하여 구성될 수 있다.
전동모터(161)는 하부지지대(190)의 상측으로 고정 설치되며, 전동모터(161)가 제어장치부(170)의 제어하에 정해진 속도로 회전되면, 구동축의 구동풀리(162)가 회전되면서 동력전달벨트(163)가 구동축 및 구동풀리(162)의 회전력을 피동풀리(164)에 전달하게 되고, 이에 피동풀리(164)와 더불어 이에 일체로 장착된 회전축(141)이 회전되면서, 상기 회전축(141)에 장착된 구동휠(140)과 이에 압착된 상태의 시험 대상 휠(1)이 상기 제어장치부(170)가 제어하는 속도로 회전될 수 있게 된다.
상기 제어장치부(170)는 전술한 바와 같이 이동기구인 공압 또는 유압 실린더(130)의 구동, 축방향이동기구인 공압 또는 유압 실린더(180)의 구동, 구동장치부(160)를 구성하는 전동모터(161)의 구동을 제어하게 되며, 또한 상기 하중계(150)의 검출값을 입력받도록 구비된다.
또한 제어장치부(170)는 내장된 마이콤(CPU)과 전면에 설치된 디스플레이부(172)를 가지며, 하중계(150)에 의해 검출되는 현재의 하중값(구동휠에 압착된 상태로 시험 대상 휠이 받게 되는 하중값임)과, 상기 구동휠(140)에 의해 회전되면서 제어되는 시험 대상 휠(1)의 현재의 회전속도값을 상기 디스플레이부(172)를 통해 디스플레이하면서, 상기 하중값과 회전속도값을 시간에 따른 값으로 데이터화하여 내장된 데이터저장부에 저장하도록 구비된다.
여기서, 시험 대상 휠(1)의 회전속도값은 제어되는 구동휠(140)의 회전속도값에 따라 결정되므로, 별도의 센서 없이 시험 대상 휠(1)의 현재 회전속도값이 제어되는 구동휠(140)의 현재 회전속도값으로부터 환산되어 디스플레이되고 저장된다.
또한 제어장치부(170)는 시험 대상 휠(1)에 가해지는 하중과 시험 대상 휠(1)의 회전속도를 제어하기 위한 제어 데이터를 입력하고 상기 데이터저장부에 저장된 데이터를 외부로 출력하기 위한 입출력부를 구비하는데, 이때 입출력부로는 외부 기기와 연결이 가능하도록 하기 위한 USB 포트(173)가 될 수 있다.
상기 데이터저장부는 마이콤과 연결된 메모리로 구현될 수 있으며, USB 포트(173) 등 상기 입출력부를 통해 입력되는 제어 데이터를 저장하고, 또한 상기 제어 데이터에 따라 이동기구인 실린더(130)의 구동, 축방향이동기구인 실린더(180)의 구동, 구동장치부(160)를 구성하는 전동모터(161)의 구동을 제어하도록 실행되는 구동프로그램이 저장된다.
또한 제어장치부(170)는 디스플레이부(172)와 더불어 마이콤에 연결된 조작부(171)를 구비하는데, 이때 조작부(171)는 조작을 위해 사용되는 다수개의 입력버튼으로 구현될 수 있으며, 디스플레이부(172)와 입력버튼이 일체의 구성으로 된 터치스크린의 설치도 가능하다.
상기 구동프로그램은, USB 포트(173)를 통해 제어 데이터가 데이터저장부에 입력되고 난 뒤 조작부(171)를 통해 장치의 구동이 개시되고 나면, 제어 데이터의 설정값, 즉 하중값과 속도값에 따라 이동기구(130)인 실린더를 제어하여, 구동휠(140)에 압착된 시험 대상 휠(1)이 받게 되는 하중을 설정된 하중값이 되도록 제어하고, 또한 전동모터(161)의 회전속도를 제어하여 구동휠(140) 및 시험 대상 휠(1)의 회전속도를 제어하며, 설정된 주기 또는 시점에서 축방향이동기구(180)의 실린더를 제어하여 정해진 시간 또는 주기마다 구동휠(140)과 시험 대상 휠(1) 간의 슬립을 발생시키게 된다.
또한 상기 구동프로그램은 시험 동안 하중계(150)에 의해 검출되는 하중값과, 구동휠(140)에 의해 회전되는 시험 대상 휠(1)의 회전속도값을 시간에 따라 데이터저장부인 메모리에 저장하며, 동시에 디스플레이부(172)를 통해 현재의 하중값과 회전속도값을 표시하게 된다.
상기와 같이 데이터저장부인 메모리에 새로이 저장되는 측정 데이터는 미리 설정된 파일 형태로 저장된 뒤 USB 포트(173) 등의 입출력부를 통해 외부 기기로 이동될 수 있도록 되어 있다.
물론, 상기와 같은 제어 과정에서 마이콤은 구동프로그램에 의해 제어 데이터의 설정값에 따라 장치의 각 구동부를 제어하기 위한 제어신호를 출력하게 되고, 상기 디스플레이부(172)는 조작부(171)를 통해 조작되는 조작상태와 장치의 전반적인 작동상태, 그리고 상기 하중값과 회전속도값을 표시하여 사용자에게 알려주게 된다.
제어장치부(170)의 디스플레이부(172)에 표시되는 하중값은 시험 대상 휠(1)이 받게 되는 하중값으로서, 하중계(150)가 설치된 경우라면 하중계(150)의 검출값이 된다.
다만, 별도의 하중계가 설치되지 않은 경우라면, 시험 시간 동안 이동기구인 실린더(130)의 레귤레이터의 제어를 통하여 제어 데이터의 시간에 따른 설정값으로 피스톤 로드(132)의 작동 하중 및 시험 대상 휠(1)의 하중이 실시간 제어될 수 있으므로, 시험 대상 휠(1)이 받게 되는 하중으로서 하중계에 의한 실측값이 아닌 제어 데이터의 설정값, 즉 구동휠(140)에 압착된 상태로 제어되는 시험 대상 휠(1)의 현재 하중값이 그대로 디스플레이부(172)에 표시되도록 한다.
시뮬레이션 과정에서는 시험자가 시험 대상 휠(1)을 휠장착대(110)에 장착한 뒤 USB 포트(173) 등의 입출력부를 통해 제어 데이터를 입력하고 조작부(171)를 조작하여 장치의 구동을 개시하게 되면, 제어장치부(170)가 입력 및 저장된 제어 데이터의 각 설정된 값으로 이동기구(130) 및 구동장치부(160), 축방향이동기구(180)의 구동을 제어하여 시험 대상 휠(1)에 하중, 속도, 슬립을 인가하게 된다.
이때, 시험자는 제어 데이터의 입력을 통해 하중, 회전속도의 설정값과 더불어 연속 반복시험 횟수, 시험시간 등을 입력하게 되고, 이에 제어장치부(170)가 규정된 설정값 및 연속 반복시험 횟수, 시험시간으로 장치의 각 구동부를 제어하여 시뮬레이션이 이루어지게 된다.
즉, 구동장치부(160)의 전동모터(161)를 구동하여 구동휠(140) 및 시험 대상 휠(1)을 제어 데이터에 설정된 회전속도로 회전시키고, 이동기구의 실린더(130)를 동작시켜 시험 대상 휠(1)을 구동휠(140)에 압착되도록 하강시킨 뒤 이동기구의 실린더(130)를 통해 인가되는 하중을 제어하여, 시험 대상 휠(1)에 설정값의 하중과 회전속도를 인가하고, 이와 더불어 축방향이동기구(180)를 정해진 주기 또는 시점에서 동작시켜 구동휠(140)을 전후로 이동시킴으로써 슬립을 인가하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 평가 장치는 상술한 바와 같은 시뮬레이터(100)에 더하여 열화상 측정 및 분석 장치(200)를 추가로 포함하여 구성된다.
상기 열화상 측정 및 분석 장치(200)는 시뮬레이터(100)에 의해 시뮬레이션 주행되는(회전되는) 시험 대상 휠(1) 또는 시뮬레이션 주행 후의 시험 대상 휠에 대하여 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 원하는 위치(열화상 픽셀 위치)의 온도 데이터를 취득할 수 있게 구성된다.
도 9는 본 발명에 따른 평가 장치에서 열화상 측정 및 분석 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
온도 측정 및 분석을 위한 열화상 측정 및 분석 장치(200)의 구성을 살펴보면, 시험 대상 휠(1)에 대한 열화상 데이터를 획득하기 위한 열화상 카메라(210)와, 열화상 카메라(210)를 통해 획득되는 열화상 데이터를 실시간으로 처리(real-time image processing)하여 온도 데이터를 취득하는 제어장치부(220)를 포함하여 구성된다
여기서, 열화상 카메라(210)는 도 8에 나타낸 바와 같이 시뮬레이터(100)의 전방에 배치되어, 외부 케이스(102)의 전면에 형성된 내부 관찰용 창인 개구부(104a)를 통하여 시험 대상 휠(1)의 열화상 데이터를 취득하도록 설치된다.
열화상 카메라(210)로는 물체에서 방사되는 적외선을 감지하여 이를 화상으로 구현하는 적외선 검출기(IR detector), 즉 적외선(IR) 열화상 카메라가 사용될 수 있고, 이는 시험 대상 휠(1)로부터 온도에 따른 파장대로 방사되는 적외선을 감지하여 그로부터 획득되는 열화상 데이터를 제어장치부(220)에 입력하게 된다.
제어장치부(220)는 열화상 카메라(210)로부터 입력되는 열화상 데이터를 처리하여 시험 대상 휠(1)에 대한 온도 데이터(열화상의 픽셀별 온도 데이터)를 추출하여 취득하게 되는데, 취득된 온도 데이터(후술하는 도 11의 온도 상승 곡선 및 도 13의 온도 분포 선도 등)를 디스플레이부(도시하지 않음)를 통해 디스플레이하면서 데이터저장부(도시하지 않음)에 저장하도록 구성될 수 있다.
상기 제어장치부(220)는 열화상 카메라(210)를 통해 획득되는 열화상 데이터가 직접 입력되도록 연결된 별도의 외부 PC가 될 수 있으며, 또는 열화상 카메라(210)로부터 열화상 데이터가 입력되도록 연결된 시뮬레이터(100)의 제어장치부(170)가 될 수도 있다.
상기와 같이 제어장치부(220)가 취득하게 되는 온도 데이터는 시험 대상 휠(1)의 건전성(열화/크랙 발생 여부 등)을 평가할 수 있는 기준이 된다.
이하, 본 발명에 따른 평가 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 코팅부(우레탄 등의 고분자 수지 재질로 된 코팅층)의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
상술한 시뮬레이터(100)는 시험 대상 휠(1)에 다양한 하중 및 회전속도, 슬립 조건을 인가할 수 있는바, 코팅부의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하기 위해서는 시뮬레이터(100)에서 시험 대상 휠(1)에 미리 설정된 하중 및 회전속도 조건을 인가하는 시뮬레이션 주행이 이루어지도록 하는 동시에 열화상 측정 및 분석 장치(200)를 이용하여 코팅부의 설정 위치에서 온도 변화를 측정하게 된다.
이때, 열화상 카메라(210)가 시험 대상 휠(1)의 시뮬레이션 주행 동안 열화상 데이터를 획득하여 제어장치부(220)에 입력하면, 제어장치부(220)는 열화상 데이터로부터 코팅부 내 설정 위치(설정 픽셀 위치)의 온도 값을 수집하여 시간에 따른 온도 변화 데이터를 획득하고, 이 온도 변화 데이터를 그래프화하여 디스플레이부에 디스플레이하면서 데이터저장부에 저장하게 된다.
시뮬레이션 주행 동안 코팅부, 예를 들어 우레탄층에서는 열화상으로 온도를 측정하였을 때 동일 위치에서 시간이 경과함에 따라 온도가 상승하게 되는데, 정상 휠과 열화/크랙 발생 휠에서 온도 변화 그래프에서 취해진 온도 상승 곡선의 형태에는 분명한 차이가 나타나며, 이러한 온도 상승의 특성 차이로부터 우레탄층의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가할 수 있게 된다.
본 발명자는 열화/크랙 발생 여부에 따른 온도 상승의 특성 차이를 확인하기 위해 본 발명의 평가 장치를 이용하여 롤러코스터에 사용되는 건전한 로드 휠(정상의 로드 휠)과, 교체시기에 도달한 로드 휠의 특정 속도와 하중 조건에서의 파괴 특성을 시험하였고, 이를 통해 열화/크랙 발생 여부에 따라 온도 상승의 특성 차이가 존재함을 확인하였다.
도 10은 상기한 파괴 특성 시험에서 사용된 정상 휠(a)과 열화/크랙 발생된 로드 휠(b)을 촬영한 사진이고, 파괴 특성을 시험하여 얻은 결과는 도 11에 나타내었다. 파괴 특성 시험시 시뮬레이터(100)에서 시험 대상 휠(1), 즉 정상 휠과 열화/크랙 발생된 로드 휠을 도 11에 나타낸 바와 같이 일정 속도로 회전시킴과 동시에 하중(시험 대상 휠에 가해지는 하중)을 단계적으로 증가시켜 시험하였다.
도 11에서 상측에는 속도와 하중 설정 그래프를 나타내었고, 시험 중 정상 휠과 열화/크랙 발생 휠의 열화상 이미지를 각각 좌측과 우측에 나타내었다. 또한 속도와 하중 설정 그래프의 하측으로는 휠의 우레탄 부분의 특정 1포인트에서 파괴 시점까지 열화상으로 측정한 시간에 따른 온도 변화 그래프를 나타내었다.
파괴 특성 시험의 결과에서 열화 및 크랙 발생된 휠은 정상 휠보다 낮은 하중 조건에서 파괴됨을 알 수 있었으며, 특히 열화상으로 측정하면 파괴 이전의 전반부(온도 변화 그래프에서 박스로 표시)에 우레탄층(코팅부)의 온도 상승 곡선이 서로 다름을 알 수 있었다.
이러한 특성을 이용하면 우레탄층의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가할 수 있으며, 시험시 시험 대상 휠로부터 얻어진 온도 상승 곡선을 동일 사양의 정상 휠과 열화/크랙 발생 휠에 대하여 동일 설정 위치(열화상 내 동일 픽셀 위치) 및 주행 조건에서 동일하게 선행 시험하여 얻은 온도 상승 곡선과 비교하는 방식으로 평가하는 것이 가능하다.
다음으로, 접합부 접착제의 열화 여부를 평가하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
상술한 시뮬레이터(100)는 레일을 따라 실제 주행할 때와 흡사한 주행 조건을 시험 대상 휠(1)에 인가하는 시뮬레이션 주행을 실시할 수 있다.
또한 접합부 접착제의 열화 여부를 평가하기 위해서는 미리 설정된 하중 및 회전속도, 슬립 조건으로 주행한 시험 대상 휠(1)(코팅형 복합재료 휠)의 열화상 데이터를 획득하고, 이어 이종재질 간 경계부, 즉 시험 대상 휠(1)에서 휠 본체의 금속 재질(예, 스틸 재질)과 코팅부의 고분자 수지 재질(예, 우레탄 재질) 간의 경계부를 포함하는 미리 설정된 온도측정구간의 위치에 따라 온도 데이터를 획득하게 된다.
상기 온도측정구간은 이종재질 간 경계부를 포함하는 휠 반경방향의 직선 구간으로 설정되며, 이러한 온도측정구간의 예를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 이종재질 간 경계부, 즉 스틸 재질의 휠 본체와 우레탄 재질의 코팅부 간 경계부(접합부)를 포함하는 반경방향의 직선 구간인 'A-B' 구간이 표시되어 있다. 이러한 'A-B' 구간을 온도측정구간으로 하여 각 위치에 따른 온도 측정 및 분석이 이루어지게 된다.
평가 과정을 상세히 설명하면, 시뮬레이터(100)를 이용하여 시험 대상 휠(1)에 미리 설정된 주행 조건, 즉 실제 주행시와 같은 하중 및 회전속도, 슬립 조건을 인가하는 시뮬레이션 주행을 정해진 횟수만큼 반복 실시하되, 각 주행 후마다 열화상 카메라(210)를 이용하여 열화상 데이터를 획득하여 시험 대상 휠(1)의 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 최종 획득하게 된다.
예를 들면, 1회 주행 후 도 12의 'A-B'에 이르는 선형 구간의 온도 분포 데이터를 열화상으로부터 취득하고, 이후 시뮬레이션 주행을 반복하여 각 위치에 따른 온도 데이터(온도측정구간의 열화상 픽셀 위치별 온도 데이터)를 수집하되, 10회 주행까지 온도 데이터를 수집한다.
여기서, 1회 주행이란 휠이 사용되는 장치의 실제 1회 주행과 동일하게 시뮬레이터(100)에서 시험 대상 휠(1)의 주행 조건을 모사한 1회를 의미하며, 롤러코스터 휠인 경우 실제 롤러코스터의 1회 주행을 모사하게 된다.
결국, 각 주행 후 온도측정구간(도 12에서 'A-B'의 직선 구간) 내 위치에 따른 온도 분포 데이터의 취득시 열화상 카메라(210)가 시험 대상 휠(1)의 열화상 데이터를 획득하고, 이어 제어장치부(220)가 열화상 데이터를 처리하여 열화상의 각 픽셀 위치별 온도 값을 수집하게 되면, 온도측정구간을 따르는 위치('A-B'의 휠 반경방향 직선을 따르는 위치)의 온도 분포 데이터를 최종 취득하게 된다.
또한 제어장치부(220)는 위치에 따른 온도 분포 데이터를 최종 취득한 뒤 이를 선도, 즉 그래프로 작성하여 디스플레이부에 디스플레이하면서 데이터저장부에 저장하게 된다.
상기한 온도 분포 데이터의 일례를 도 13에 나타내었다.
도 13의 그래프는 열화상으로부터 'A-B'에 이르는 선형의 온도 분포를 그래프로 작성한 것이며, 상측의 그래프는 정상의 롤러코스터 로드 휠에 대하여 취득된 온도 분포 그래프이고, 하측의 그래프는 열화 및 크랙 발생된 로드 휠에 대하여 취득된 온도 분포 그래프로서, 이상 유무 판정을 위한 열전달 특성을 잘 나타내고 있다.
각 그래프에서 x축은 온도측정구간 내 위치(열화상 픽셀 위치에 해당함), y축은 온도를 나타내고, x축에서 0 값 부분이 이종재질 간의 경계부, 즉 금속(스틸 재질의 휠 본체)과 우레탄(코팅부)의 경계가 된다. 각 그래프에서 사각형으로 표시한 부분은 로드 휠에서 스틸 재질의 휠 본체와 우레탄 재질의 코팅부 간 경계부, 즉 코팅부의 접착 계면 부분을 나타낸다.
또한 도 13에서는 주행 전 측정된 온도 분포 데이터와, 총 10회에 걸친 시뮬레이션 주행을 실시하여 각 주행 후마다 측정된 온도 분포 데이터를 그래프로 작성하여 함께 나타내었다.
도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 정상 휠과 열화 휠은 접착 계면 부분에서 이종재질 간 열전달 특성이 명확히 구분되는데, 정상 휠의 경우 온도측정구간의 휠 반경방향 위치에 따른 온도 분포 선도가 주행이 반복되면서 상측의 그래프처럼 경계부 위치의 꺾임이 뚜렷이 존재하나, 열화가 많이 진전되어 위험단계가 되면 하측의 그래프처럼 경계부의 꺾임이 없어지게 된다.
온도측정구간의 반경방향 위치 변화에 따른 온도 분포 선도에서 상기한 꺾임부분은 이종재질 간의 경계부인 접착 계면으로부터 위치가 멀어질수록 온도가 급격히 높아짐으로 인해 나타나는 온도 분포 현상이다.
이와 같이 정상 휠과 열화 휠이 가지는 온도 분포 선도의 특성 차이를 이용하면 접합부 접착제의 열화 여부를 평가할 수 있게 된다.
즉, 시뮬레이션 주행을 반복하여 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포를 도 13에 나타낸 바와 같이 그래프(온도 분포 선도)로 작성하여 그래프 내 경계부의 꺾임이 존재하는지를 판정하게 되면 우레탄 코팅 로드 휠의 우레탄 접합부 접착제의 열화 여부를 평가할 수 있는 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 시험 대상 휠 100 : 시뮬레이터
200 : 열화상 측정 및 분석 장치 210 : 열화상 카메라
220 : 제어장치부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 금속재질의 휠 본체에 주연부를 따라 이종재질의 코팅부를 코팅하여 접합한 코팅형 복합재료 휠의 건전성을 평가하기 위한 평가 장치에 있어서,
    시험 대상의 복합재료 휠을 설정된 주행 조건으로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 시행하기 위한 시뮬레이터와;
    상기 시뮬레이션 주행되는 동안 또는 시뮬레이션 주행 후의 복합재료 휠에 대하여 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하기 위한 열화상 측정 및 분석 장치;
    를 포함하며,
    상기 열화상 측정 및 분석 장치는,
    상기 시뮬레이터의 전방에 배치되어 시뮬레이터의 외부 케이스 전면에 형성된 내부 관찰용 창인 개구부를 통하여 복합재료 휠의 열화상 데이터를 획득하는 열화상 카메라와;
    상기 열화상 카메라를 통해 획득되는 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하는 제어장치부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어장치부는 열화상 데이터로부터 코팅부 내 설정 위치의 시간에 따른 온도 값을 수집하여 디스플레이부에 상기 설정 위치의 시간에 따른 온도 변화 데이터를 그래프로 디스플레이하도록 설정된 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어장치부는 열화상 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하도록 설정된 온도측정구간 내 위치를 따르는 온도 값을 수집한 뒤 디스플레이부에 상기 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 그래프로 디스플레이하도록 설정된 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 온도측정구간은 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하는 휠 반경방향의 직선 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 장치.
  6. 삭제
  7. 금속재질의 휠 본체에 주연부를 따라 이종재질의 코팅부를 코팅하여 접합한 코팅형 복합재료 휠의 건전성을 평가하기 위한 평가 방법에 있어서,
    시뮬레이터에서 시험 대상의 복합재료 휠을 설정된 주행 조건으로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 시행하는 과정과;
    상기 시뮬레이션 주행되는 동안 또는 시뮬레이션 주행 후의 복합재료 휠에 대하여 열화상 측정 및 분석 장치가 열화상 데이터를 획득하고 열화상 데이터로부터 복합재료 휠의 온도 데이터를 획득하는 과정과;
    상기 온도 데이터로부터 복합재료 휠의 건전성을 평가하는 과정;
    을 포함하며,
    상기 복합재료 휠을 일정 속도로 회전시키면서 복합재료 휠에 가해지는 하중을 단계적으로 증가시키는 시뮬레이션 주행을 시행하고,
    상기 열화상 측정 및 분석 장치가 시뮬레이션 주행되는 복합재료 휠에 대하여 획득되는 열화상 데이터로부터 코팅부 내 설정 위치의 시간에 따른 온도 변화 데이터를 획득하며,
    상기 온도 변화 데이터로부터 상기 코팅부의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 시간에 따른 온도 변화 데이터를 그래프화한 뒤 온도 변화 그래프에서 취해지는 온도 상승 곡선을 동일 사양의 정상 휠과 열화/크랙 발생 휠에 대해 동일하게 선행 시험하여 얻은 온도 상승 곡선과 비교하여 상기 코팅부의 열화/크랙 발생 여부 및 정도를 평가하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 복합재료 휠에 설정된 하중 및 슬립 조건을 인가하면서 설정된 회전속도로 회전시키는 시뮬레이션 주행을 정해진 횟수로 반복 시행하되,
    상기 열화상 측정 및 분석 장치가 각 시뮬레이션 주행 후마다 획득되는 열화상 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하도록 설정된 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 획득하며,
    상기 온도 분포 데이터로부터 휠 본체와 코팅부 간 경계부의 접착제 열화 여부를 평가하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 온도측정구간 내 위치에 따른 온도 분포 데이터를 그래프화하되, x축을 온도측정구간 내 위치, y축을 온도로 하여 그래프화하고, 그래프화된 온도 분포 선도로부터 휠 본체와 코팅부 간 경계부의 접착제 열화 여부를 평가하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 온도 분포 선도에서 휠 본체와 코팅부 간 경계부에 경계부로부터 위치가 멀어질수록 온도가 급격히 높아지는 것에 의해 나타나는 선도의 꺾임부가 존재할 경우 정상 휠로, 상기 선도의 꺾임부가 존재하지 않을 경우 열화 휠로 판정하는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
  12. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 온도측정구간은 휠 본체와 코팅부 간의 경계부를 포함하는 휠 반경방향의 직선 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 열화상을 이용한 복합재료 휠의 평가 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027528A (ko) 2014-09-01 2016-03-10 주식회사 대한항공 복합재료 구조물의 접촉부 피로시험 평가 방법
KR20160027529A (ko) 2014-09-01 2016-03-10 주식회사 대한항공 복합재료 날개 구조물의 피로수명 평가 방법
KR20220094827A (ko) * 2020-12-29 2022-07-06 재단법인차세대융합기술연구원 데이터 분석 장치 및 방법, 이상 예측 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101381239B1 (ko) * 2012-12-17 2014-04-04 한국철도기술연구원 열차 차축 발열 모니터링 시험을 위한 차축 발열 모사 장치
KR101682309B1 (ko) * 2015-07-29 2016-12-02 경상대학교산학협력단 고분자 중합을 통해 성형한 복합재료의 결함 평가 장치
CN117191388A (zh) * 2023-09-18 2023-12-08 浙江巨马游艺机有限公司 摩天轮行走尼龙轮承载性能测试装置和方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000031168A (ko) * 1998-11-04 2000-06-05 권세관 철도차량 차륜의 찰상 자동적출 장치 및 자동적출 방법
KR20090042621A (ko) * 2007-10-26 2009-04-30 한국철도기술연구원 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템
KR20090046181A (ko) * 2007-11-05 2009-05-11 한국타이어 주식회사 주행 타이어의 접지형상 측정장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000031168A (ko) * 1998-11-04 2000-06-05 권세관 철도차량 차륜의 찰상 자동적출 장치 및 자동적출 방법
KR20090042621A (ko) * 2007-10-26 2009-04-30 한국철도기술연구원 철도차량 차륜답면 이상결함 시험 시스템
KR20090046181A (ko) * 2007-11-05 2009-05-11 한국타이어 주식회사 주행 타이어의 접지형상 측정장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027528A (ko) 2014-09-01 2016-03-10 주식회사 대한항공 복합재료 구조물의 접촉부 피로시험 평가 방법
KR20160027529A (ko) 2014-09-01 2016-03-10 주식회사 대한항공 복합재료 날개 구조물의 피로수명 평가 방법
KR20220094827A (ko) * 2020-12-29 2022-07-06 재단법인차세대융합기술연구원 데이터 분석 장치 및 방법, 이상 예측 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램
KR102480394B1 (ko) 2020-12-29 2022-12-22 재단법인차세대융합기술연구원 데이터 분석 장치 및 방법, 이상 예측 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램

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