KR20120000683A

KR20120000683A - 측부부하와 하중부하의 고주파 성분 제거를 위한 탄성부재를 구비한 철도차량의 휠과 레일 시험장치

Info

Publication number: KR20120000683A
Application number: KR1020100061065A
Authority: KR
Inventors: 최진유; 최일윤; 이준석; 김태욱
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-04
Also published as: KR101198916B1

Abstract

본 발명은 측부부하와 하중부하 인가시 발생하는 힘의 고주파 성분 제거 효율이 향상되며, 탄성계수의 조절이 용이한 탄성부재를 구비한 철도차량의 휠과 레일 시험장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 휠과 레일 시험장치는 휠시편의 반경 방향에서 휠시편에 하중부하(radial load)를 부여하는 하중부하기와, 휠축의 일측에 배치되어 상기 휠시편에 측부부하(thrust loade)를 부여하는 측부부하기와, 상기 휠시편과 휠축이 장착되고 상기 휠축을 회전시켜 상기 휠시편을 회전시키는 휠구동부를 구비하여 휠시편에 측부부하와 하중부하를 인가하는 휠시편구동부;와, 레일시편이 결합되는 레일축과 상기 레일축을 회전시키는 레일구동부를 구비하여 상기 휠축에 평행하게 상기 휠시편구동부와 분리배치되는 레일시편구동부;와, 개수 조절이 가능한 다수의 코일 스프링을 구비하여 상기 하중부하기와 상기 측부부하기 중 하나 이상에서 부하가 인가되는 축방향에 설치되어 인가되는 부하의 고주파성분을 제거하는 탄성부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

측부부하와 하중부하의 고주파 성분 제거를 위한 탄성부재를 구비한 철도차량의 휠과 레일 시험장치{APPARATUS FOR TESTING WHEEL OF RAILWAY VEHICLE AND RAIL WITH ELASTIC MEMBER FOR REMOVING NOISE OF THRUST LOAD OR RADIAL LOAD}

본 발명은 철도차량의 휠과 레일을 시험하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측부부하와 하중부하 인가시 발생하는 힘의 고주파 성분 제거 효율이 향상되며, 탄성계수의 조절이 용이한 탄성부재를 구비한 철도차량의 휠과 레일 시험장치에 관한 것이다.

철도차량은 레일 상에서 직선, 곡선, 사행 운동 등의 운동을 수행하게 되므로 강재 휠(wheel, 차륜)과 강재 레일(rail) 사이에 큰 하중이 다양한 각도로 작용한다. 따라서 철도차량의 휠과 레일이 철도차량의 주행 운동과 큰 하중으로 인한 마찰력에 의해 마모되는 경우 휠과 레일의 불안정한 접촉을 발생시킨다. 이러한 불안정한 접촉은 철도차량의 다양한 주행 운동 시 철도차량을 안정적으로 지지하지 못하게 하거나, 휠 또는 레일의 파손에 의해 철도사고를 유발할 수 있다.

이에 따라 철도차량의 휠(wheel)과 레일(rail)의 피로(fatigue) 또는 마모시험을 통해 휠과 레일의 다양한 접촉에 따라 발생하는 다양한 현상을 확인하여 이를 휠과 레일의 설계에 반영하여야 한다.

이러한 휠과 레일의 주행 중 다양한 접촉 상태 또는 부하에 따른 시험을 수행하기 위한 장치의 예로는 일본 특허공개공보 소63-198848호(JP1998-198848)의 '레일과 휠 피로 시험 장치'(종래기술 1), 일본 특허공개공보 소58-53736(JP 1983-53736)호의 '전동피로 시험기'(종래기술 1) 등을 들 수 있다.

상기 종래기술 1은 유압서보실린더를 구비한 측부부하기구의 측벽에 가이드레일과 블록에 의해 매달리어 회전될 수 있도록 고정되는 시험륜(레일: rail)을 구비한 시험륜장치;와, 시험륜장치와 직교하는 방향에서 시험륜과 반경 방향에서 접촉되는 차륜(wheel), 차륜이 시험륜과 비틀림 접촉되도록 공격각을 부여하는 공격각부여기구와, 공격각부여기구와 연결관을 통해 감속기에 의한 차륜부하를 차륜에 가하는 차륜중부하기구와, 차륜, 공격각부여기, 차륜중부하기구가 장착되어 추지점을 중심으로 회전되는 접촉각부여기를 포함하는 차륜장치부;와, 브레이크장치부;를 포함하여 구성되어, 휠(차륜)과 레일의 측부부하(횡압: thrust load), 접촉각, 하중, 비틀림각(공격각:attack angle)을 조절하여 차륜과 레일의 피로도를 시험할 수 있도록 한다.

상기 종래기술 2는 주축구동용모터와 연속치차기구에 의해 상하에서 각각 회전되도록 축이 분리된 시험편취부축에 각각 레일시험편과, 차륜시험편이 결합되어, 부하수단과 수직부하암과 스러스트박스에 의해 수직 상 방향에서 하 방향으로 차륜에 수직부하(radial load)를 부여하고, 횡압조정핸들을 이용하여 스크류볼트를 회전시키는 것에 의해 차륜에 횡압(측부부하: thrust load)을 부여하며, 캠돌기를 이용하여 횡압부하모터의 회전 운동을 차륜시험편의 좌우 요동(사행운동)으로 인가하는 횡압부하장치를 포함하여 구성된다. 상기 구성의 종래기술 2는 수직 하 방향으로 하중부하(radial load)를 부여하고, 횡압부하장치에 의해 측부부하(thrust load)를 가하여 열차의 휠과 레일의 접촉 시험을 수행할 수 있도록 한다.

그러나 상기 종래기술 1은 측부부하(횡압: thrust load)가 레일 측에 인가된 후 차륜(휠: wheel) 측에 가해지기 때문에 실제 상황에서 측부부하(횡압: thrust load)가 차량의 기울어짐 또는 사행주행에 따라 차륜(휠:wheel) 측에서 레일 측으로 가해지는 것과 반대가 되므로 실제의 철도차량의 주행 운동을 정확하게 재현하지 못하는 문제점을 가진다.

다음으로 상기 종래기술 2의 경우에는 열차의 하중부하(radial load) 및 측부부하(횡압: thrust load)를 스크류나사에 의해 인가하게 되므로 힘의 정확한 인가가 어렵게 되고, 자동으로 힘을 인가하고자 하는 경우 핸들의 조작을 위한 별도의 장치가 필요하게 되는 문제점을 가진다.

또한 상기 종래기술들의 경우에는 측부부하(횡압: thrust load)가 커플러, 볼스플라인 등에 의해 힘이 전달되거나(종래기술 1), 스크류볼트, 습동안내베어링 등을 경유하여 힘이 절단되도록 구성되므로(종래기술 2) 부하의 고주파 성분을 제거하기 위한 구성이 없어 휠에 전달되는 부하의 응답 특성이 저하되는 문제점을 가진다.

즉, 상기 종래기술들의 경우 유압서보실린더에서 인가하는 측부부하(횡압: thrust load)와 실제로 레일에 인가되는 측부부하(횡압: thrust load) 사이의 차이, 또는 휠에 부여하고자 하는 부하와 휠에 인가되는 실제 부하 사이에 차이가 발생할 수 있어 시험의 정확도가 떨어질 수 있는 문제점을 가지게 된다.

본원 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 측부부하와 하중부하를 인가하는 경우 발생하는 힘의 노이즈 성분인 고주파 성분을 제거할 수 있도록 하는 탄성부재를 가지는 철도차량의 휠과 레일 시험장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본원 발명은 힘의 고주파성분 제거를 위하여 탄성계수 또는 강성을 용이하게 조절할 수 있도록 하는 탄성부재를 가지는 철도 차량의 휠과 레일 시험장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본원 발명은 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial load)를 휠에 용이하게 인가하도록 하는 것에 의해 실제 철도차량의 휠과 철도 레일에 작용하는 부하 작용을 구현함으로써 정확한 휠과 레일 시험을 수행할 수 있도록 하는 철도차량의 휠과 레일 시험장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 측부부하와 하중부하의 고주파 성분 제거를 위한 탄성부재를 구비한 철도 차량의 휠과 레일 시험장치는, 휠시편의 반경 방향에서 휠시편에 하중부하(radial load)를 부여하는 하중부하기와, 휠축의 일측에 배치되어 상기 휠시편에 측부부하(thrust loade)를 부여하는 측부부하기와, 상기 휠시편과 휠축이 장착되고 상기 휠축을 회전시켜 상기 휠시편을 회전시키는 휠구동부를 구비하여 휠시편에 측부부하와 하중부하를 인가하는 휠시편구동부;와, 레일시편이 결합되는 레일축과 상기 레일축을 회전시키는 레일구동부를 구비하여 상기 휠축에 평행하게 상기 휠시편구동부와 분리배치되는 레일시편구동부;와, 개수 조절이 가능한 다수의 코일 스프링을 구비하여 상기 하중부하기와 상기 측부부하기 중 하나 이상에서 부하가 인가되는 축방향에 설치되어 인가되는 부하의 고주파성분을 제거하는 탄성부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 하중부하기는, 마운팅지그에 고정되는 스위블조인트;와, 상기 스위블조인트에 일측 단부가 축결합되는 액츄에이터;와, 상기 액츄에이터의 타 단부에 결합되는 부하검출부;와, 상기 탄성부재의 액츄에이터와 결합된 단부의 반대 단부에 일단부가 결합되고 타단부는 상기 휠구동부의 하부지지대에 결합되는 하중로드(rod);를 포함하며, 상기 탄성부재는 상기 액츄에이터와 부하검출부와 하중로드의 어느 하나의 사이 영역에 구성될 수 있다.

상기 측부부하기는, 마운팅지그;와, 상기 마운팅지그에 고정되는 스위블조인트;와, 상기 스위블조인트와 결합되는 액츄에이터;와, 상기 액츄에이터의 스위블조인트가 결합되는 단부의 타 단부에 결합되는 부하검출부;와, 축방향에서 일측면에는 상기 부하검출부에 축결합된 단부의 반대 단부가 결합되고, 타단부는 상기 휠구동부에 결합되는 측부로드(rod);를 포함하고, 상기 탄성부재는 상기 액츄에이터와 부하검출부와 측부로드의 어느 하나 사이영역에 구성될 수 있다.

상기 탄성부재는, 다수의 제1고정관이 형성된 제1지지판;과, 다수의 제2고정관이 형성된 제2지지판;과, 개수가 조절되는 다수의 코일스프링;을 포함하며, 상기 각각의 코일스프링이 서로 결합된 상기 제1고정관과 상기 제2고정관의 외주연에 결합되도록 상기 제1고정관과 상기 제2고정관은 어느 하나가 다른 하나의 내부로 삽입되어 길이 변형 가능하게 결합되고, 상기 코일스프링의 양단부는 각각 상기 제1지지판과 상기 제2지지판에 탄성지지되도록 결합 구성될 수 있다.

상기 휠구동부는, 상기 휠축을 회전 가능하게 지지하는 적어도 하나의 스핀들;과, 상기 스핀들이 탈부착 가능하게 설치되며 상기 하중부하기의 하중로드(rod)가 결합되는 하부지지대;를 포함하여 구성되는 휠축지지대를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 휠구동부는, 또한, 휠시편이 결합된 휠축을 지지하는 휠축지지대가 설치되는 측부구동판;과, 측부부하에 따라 상기 측부구동판이 측부부하 방향으로 이동되고 다른 방향으로는 이동되지 않도록 상기 측부구동판을 지지하는 적어도 하나의 측부가이드레일;과, 상기 측부가이드레일의 상부면에 설치되는 하중구동판;과, 하중부하에 따라 상기 하중구동판이 하중부하 방향으로 이동되고 다른 방향으로 이동되지 않도록 상기 하중구동판을 지지하는 적어도 하나의 하중가이드레일;을 포함하는 선형이동가이드를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 레일시편구동부는, 상기 레일축이 회전 가능하게 지지되는 복수의 스핀들;과, 상기 스핀들이 탈부착 가능하도록 상기 스핀들의 저면에 부착되는 수직지지대;를 포함하는 레일축지재대를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 구성의 본원 발명은 하중부하기와 측부부하기에 구비된 탄성부재가 휠시편으로 인가되는 부하의 고주파 성분을 제거하는 것에 의해 휠시편에서의 부하 응답 특성을 개선시키며, 이에 의해 휠시편에 가하고자 하는 하중부하 또는 측부부하가 휠시편으로 전달되는 과정에서 변화되는 폭이 적어지게 되므로 더욱 정확한 휠과 레일의 피로도 또는 마모도 등의 시험 결과를 얻을 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

본원 발명은 또한, 하중부하기와 측부부하기와 휠구동부가 휠구동판 상에 모두 고정설치되어 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial load)가 부하가 인가되는 직선상에서 방향이 변환됨이 없이 휠시편에 인가된다. 따라서 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial)의 인가시 인가되는 부하가 손실이 발생함이 없이 휠시편으로 인가되므로 휠시편의 부하 응답 특성이 향상되어 부하인가를 용이하게 하고 시험결과의 정확성 또한 향상시키는 효과를 제공한다.

본 발명은 또한, 휠시편에 하중부하와 측부부하를 인가하므로 실제의 철도차량의 주행상태에서 휠에 의해 레일에 하중부하와 측부부하가 인가되는 것과 동일한 환경을 재현할 수 있으며, 이에 따라 철도차량 주행 시의 실제 환경과 가까운 환경에서 휠과 레일 시험을 수행할 수 있도록 하여 휠과 레일 시험 결과의 정확성을 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.

본원 발명은 또한 휠축지지대가 스핀들과 스핀들을 분리 가능하게 스핀들의 저면에 부착된 후 하중로드(rod)가 결합되는 하부지지대를 포함하여 구성되는 것에 의해 휠시편, 휠축 및 스핀들의 교체, 수리 및 장착을 용이하게 함으로써 휠과 레일의 시험을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.

도 1은 본원 발명의 실시 예에 따르는 측부부하기(thrust loader)와 하중부하기(radial loader)를 구비한 휠과 레일 시험장치의 사시도,
도 2는 도 1의 구성 중 휠시편구동부(100)의 사시도,
도 3은 도 1의 구성 중 선형이동가이드(190)의 상세 구성을 나타내기 위한 휠구동부(170)의 부분 사시도,
도 4는 도 1의 구성 중 도 1의 Ⅳ방향에서 바라본 레일시편구동부(300)의 배면도,
도 5는 하중부하스프링(120)의 분해사시도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본원 발명의 실시예의 설명에서 도 1의 Ⅳ 화살표 방향을 기준으로 Ⅳ 화살표 방향으로 바라본 면이 배면, Ⅳ 화살표 방향의 반대 방향으로 바라본 면이 정면, Ⅳ 화살표 방향의 우측에서 바라본 도면이 우측면, Ⅳ 화살표 방향의 좌측에서 바라본 면을 좌측면이라 한다.

본원 발명의 실시 예의 설명에서 측부부하기 또는 하중부하기의 구성에 따라 구성을 명확히 식별하기 위하여 그 명칭의 앞에 '측부' 또는 '하중'을 기재하여 식별되도록 명칭을 부여하였으나, 이들은 모두 본원 발명의 구성인 탄성부재, 액츄에이터, 마운팅지그, 로드, 구동판, 스위블조인트 등의 실시 예들이 된다. 본 발명의 실시예의 설명에서 측부로드셀과 하중로드셀은 본원 발명의 부하검출부의 실시예들이다.

도 1은 본원 발명의 실시 예에 따르는 측부부하기(thrust loader)(140)와 하중부하기(radial loader)(110)를 구비한 휠과 레일 시험장치(1)(이하, '휠과 레일 시험장치(1)'라 함)의 사시도이며, 도 2는 도 1의 구성 중 휠시편구동부(100)의 사시도이고, 도 3은 도 1의 구성 중 선형이동가이드(190)의 상세 구성을 나타내기 위한 휠구동부(170)의 부분 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본원 발명의 실시 예에 따르는 휠과 레일 시험장치(1)는 휠시편(10)이 장착되어 휠시편(10)에 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial load)를 인가하도록 구성된 휠시편구동부(100)와, 휠시편구동부(100)의 휠축에 평행하게 고정된 고정지그(310) 상에서 휠시편구동부(170)와 대향하는 수직벽면 상에 설치되는 레일시편구동부(300)와, 유압분배부(H)와, 휠시편구동부(100)와 레일시편구동부(300) 및 유압분배부(H)를 고정지지하는 베이스플레이트(base plate)(500)를 포함하여 구성된다.

상기 유압분배부(H)는 휠시편구동부(100)의 하중부하기(110)와 측부부하기(140)에 공급되는 유압을 분배하는 기능을 수행하는 것으로서 HSM((Hydraulic service manifold) 등으로 구성될 수 있다.

도 2와 같이 상기 휠시편구동부(100)는 하중부하기(110)와 측부부하기(140)와 휠구동부(170)가 휠구동판(210) 상에 일체로 장착 구성된다.

상기 하중부하기(110)는 하중부하를 인가하는 축 방향으로 순차적으로 결합되는 하중마운팅지그(111)와 하중스위블조인트(113)와 하중액츄에이터(115)와 하중로드셀(radial load cell)(116)과 하중부하스프링(120)과 하중로드(rod)(117)를 포함하여 휠구동판(210) 상에 고정 구성된다.

상기 하중마운팅지그(111)는 상기 휠시편(10)의 반경 방향에서 휠구동판(210)에 고정된다.

상기 하중스위블조인트(113)는 하중마운팅지그(111)의 휠시편(10)의 중심에 대향하는 면에 회전 자유롭게 고정된다.

상기 하중액츄에이터(115)는 유압서보액츄에이터로 구성되어 휠시편에 인가하고자 하는 하중에 해당하는 하중부하를 발생시키도록 구성된다.

상기 하중로드셀(116)은 하중액츄에이터(115)와 하중부하스프링(120) 사이에 결합되어 하중액츄에이터(115)에서 하중로드(rod)(117)로 인가되는 하중부하 값을 검출하여 출력하도록 구성된다.

상기 하중부하스프링(120)은 하중액츄에이터(115)에서 인가되는 하중부하에 대한 댐핑(damping) 기능을 수행하는 것에 의해 힘의 노이즈(noise) 성분인 고주파성분을 제거한다. 또한 상기 하중부하스프링(120)은 고주파성분 제거를 용이하게 할 수 있도록 탄성계수(강성)를 용이하게 조절할 수 있도록 구성된다. 상기 하중부하스프링(120)은 도 5를 참조하여 하기에서 더욱 상세히 설명된다.

상기 하중로드(rod)(117)는 일단은 단일축 형상이고, 타단은 'ㄷ'자 형상으로 분기된 가지를 가지도록 구성된다. 상기 구성의 하중로드(rod)(117)는 단일축 형상의 단부는 하중로드셀(116)에 결합되고, 가지 형상의 단부는 하기에서 설명될 휠축지지대(177)의 하부지지대(177b, 도 2 참조)에 결합되어 하중액츄에이터(115)에서 발생한 하중 부하를 휠시편(10)으로 전달한다.

상기 측부부하기(140)는 휠시편(10)의 축방향으로 측부부하를 가하기 위하여 축방향을 따라 순차적으로 결합되는 측부마운팅지그(141)와 측부스위블조인트(143)와 측부액츄에이터(145)와 측부로드셀(thrust load cell)(146)과 측부부하스프링(150)과 측부로드(rod)(148)를 포함하여 휠구동판(210) 상에 고정 구성된다.

상기 측부마운팅지그(141)는 상기 휠시편(10)의 휠축(173) 방향에서 휠구동판(210)에 고정된다.

상기 측부스위블조인트(143)는 일 측 단부는 측부마운팅지그(141)의 휠시편(10)의 중심과 대향하는 면에 회전 자유롭게 고정되고 타측 단부는 측부액츄에이터(145)에 결합된다.

상기 측부액츄에이터(145)는 유압서보액츄에이터로 구성되어 휠축(173)의 축방향을 따라 인가되는 측부부하를 발생시켜 휠시편(10)의 측면에 측부부하를 인가하도록 구성된다.

상기 측부로드셀(146)은 측부액츄에이터(145)와 측부부하스프링(150)의 사이에 결합되어 측부액츄에이터(145)에서 휠시편(10)에 인가되는 측부부하 값을 검출하여 출력하도록 구성된다.

상기 측부부하스프링(150)은 일 단이 상기 측부로드셀(146)에 결합되고 타 단은 상기 측부로드(rod)(148)에 결합되도록 구성된다.

상기 측부로드(rod)(148)는 일단은 측부부하스프링(150)에 결합되고 타단은 하기에 설명된 선형이동가이드(190)의 측부구동판(192)의 측면에 결합된다.

상기 휠구동부(170)는 휠드라이버(171)와 휠축지지대(177)와 휠축(173)과 휠시편(10)과 휠축지지대(177)가 전후 좌우 선형 이동 가능하게 장착되는 선형이동가이드(190)가 휠구동판(210) 상에 고정 구성된다.

상기 휠드라이버(171)는 회전 속도를 제어할 수 있는 서보모터로 구성되어 상기 휠시편(10)의 휠축(173) 방향에서 측부부하기(140)와 반대의 위치의 휠구동판(210)에 고정 설치된다. 상기 휠드라이버(171)의 회전축은 CV 조인트(Constant Velocity joint)와 같은 커플러(C)에 의해 휠축지지대(177)에 회전 가능하게 지지되는 휠축(173)에 축결합되어 휠축(173)을 원하는 속도로 회전시킨다.

상기 휠축지지대(177)는 휠축(173)의 양단부 각각에 구성된다. 각각의 휠축지지대(177)는 휠축(173)의 양단이 각각 회전 가능하게 지지되는 하중스핀들(spindle)(177a)과, 하중스핀들(177a)이 탈장착이 가능하도록 하중스핀들(177a)의 저면에 상부면이 결합되고 저면은 하기에 설명될 선형이동가이드(190)의 측부구동판(192)의 상부에 고정장착되는 하부지지대(177b)를 포함하여 구성된다.

상기 휠시편(10)은 철도 차량의 바퀴가 된다.

도 3과 같이 상기 선형이동가이드(190)는 상부에서 하부로 측부구동판(192)과 다수의 측부가이드레일(194)과 하중구동판(196)과 다수의 하중가이드레일(198)을 포함하여 하중가이드레일(198)들이 휠구동판(210)에 고정설치된다.

상기 측부구동판(192)의 상부에는 휠축지지대(177)들의 하부지지대(177b)들이 고정설치되고, 측부부하기(140)와 대향하는 측면에는 측부로드(rod)(148)가 결합구성된다.

상기 측부가이드레일(194)들은 가이드블록(191)을 매개로 하여 측부구동판(192)이 좌우 이동될 수 있도록 측부구동판(192)의 저면에 부착되고, 저면은 하중구동판(196)의 상부에 고정된다.

상기 하중구동판(196)은 저면에 가이드블록(191)을 매개로 하여 다수의 하중가이드레일(198)들 상에 전후 방향 이동 가능하게 결합된다.

상기 하중가이드레일(198)들은 저면이 휠구동판(210)에 고정결합된다.

상기 구성을 가지는 상기 선형이동가이드(190)는 측부부하의 인가시 측부구동판(192)의 측부가이드레일(194) 상에서 이동되나, 하중구동판(196)은 하중가이드레일(198) 상에서는 이동되지 않게 된다. 또한 하중부하의 인가시에는 하중구동판(196)이 하중가이드레일(198) 상에서 이동되나 측부가이드레일(194) 상에서는 이동되지 않게 된다. 즉, 상기 선형이동가이드는 힘의 인가 방향으로만 이동되는 것에 의해 힘의 인가시 원하지 않는 방향으로 이동하는 여유자유도의 발생을 방지한다.

도 4는 도 1의 구성 중 도 1의 Ⅳ방향에서 바라본 레일시편구동부(300)의 배면도이다.

도 1 및 도 4와 같이, 상기 레일시편구동부(300)는 휠시편구동부(100)의 휠축(173)에 평행하게 대향하는 수직벽면(310a)을 형성하도록 베이스플레이트(500) 상에 고정되는 고정지그(310)와, 수직벽면(310a)에 설치된 레일구동판(410)과 레일구동판(410)의 배면에 매달리도록 장착되는 레일구동부(370)를 포함하여 구성된다.

상기 레일구동부(370)는 레일시편(20)과 레일시편(20)이 축결합되는 레일축(373)과, 레일축(373)의 양단부가 회전 가능하게 지지되는 두 개의 레일축지지대(377)와, 레일축지지대(377)에 의해 지지되는 레일축(373)과, 레일축(373)과 축결합되는 레일드라이버(rail driver)와, 레일드라이버(371)의 레일축(373)과 결합된 타단부의 축에 결합된 제동부(B)를 포함하여 구성된다.

상기 레일드라이버(rail driver)는 회전속도 제어가 가능한 서보모터로 구성된다.

상기 레일축지지대(377)는 레일축(373)의 양단부를 회전가능하게 지지하는 두 개의 레일스핀들(377a)과, 레일스핀들(377a)을 탈장착 가능하게 고정지그(310)의 배면 수직벽면(310a)에 고정시키는 수직지지대(377b)를 포함하여 구성된다. 상기 구성에 의해 레일스핀들(377a)을 수직지지대(377b)로부터 분리시킬 수 있어 레일스핀들(377a), 레일축(373), 레일시편(20)의 교체, 수리 등을 용이하게 한다.

상기 레일시편(20)은 철도의 레일을 원반의 외주연에 원형으로 형성한 것이다.

도 5는 상기 하중부하스프링(120)이 분해 사시도로서 도 5를 참조하여 상기 하중부하스프링(120)을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5와 같이 상기 하중부하스프링(120)은 하중로드셀(116)에 부착된 하주로드셀축(116a)에 결합되며, 다수의 코일스프링(125)들의 일측 단부가 각각 삽입되어 고정되는 제1고정관(122)을 구비한 제1지지판(121)과, 다수의 코일스프링(125)과, 다수의 코일스프링(125)들의 타측 단부가 각각 삽입되어 고정되는 제2고정관(127)들을 구비한 제2지지판(126)을 포함하여 구성된다.

상기 제2고정관(127)들은 외경은 상기 제1고정관(122)의 내경보다 작게 형성되거나 이와 반대로 형성되어 상기 제1고정관(122)과 상기 제2고정관(127)들이 길이 방향에서 길이 가변될 수 있도록 결합된다. 이때 상기 코일스프링(125)은 서로 연결된 제1고정관(122)과 제2고정관(127)의 외주연에 각각 결합된 후 양단부 각각이 상기 제1지지판(121)과 상기 제2지지판(126)에 각각 탄성 지지되도록 결합된다.

상기와 같은 결합에 의해 일체형의 하중부하스프링(120)가 조립된다.

상기 구성을 가지는 하중부하스프링(120)과 측부부하스프링(150)은 하중액츄에이터(115)와 하중로드셀(116)과 하중로드(rod)(117) 중의 어느 하나의 사이 또는 측부액츄에이터(145)와 측부로드셀(146)과 측부로드(148) 중의 어느 하나의 사이 등의 하중부하 또는 측부부하가 전달되는 축상에 위치되어 댐핑(damping) 작용을 수행하는 것에 의해 하중액츄에이터(115)에서 인가되는 하중부하 또는 측부액츄에이터(145)에서 인가되는 측부부하의 고주파성분을 제거한다.

이 경우 하중부하 또는 측부부하의 고주파성분 제거의 효율 향상을 위해 탄성계수 또는 강성의 조절이 필요한 경우 상기 코일스프링(125)의 개수를 조절하여 하중부하스프링(120)의 탄성계수 또는 강성을 용이하게 조절할 수 있게 된다.

이에 따라 하중부하 또는 측부부하의 부여시 시험에 불필요하게 발생하는 힘의 고주파 성분이 효과적으로 제거됨으로써 원하는 힘(부하)을 휠시편(10)에 인가하여 정확한 휠과 레일의 피로도 또는 마모도 등의 시험을 수행할 수 있도록 하고, 시험 결과 또한 실제의 휠과 레일의 피로도 및 마모도에 더욱 근접하게 된다.

상기 하중부하스프링(120) 및 측부부하스프링(150)은 본 발명의 탄성부재의 실시예들이다. 본원 발명의 실시예의 설명에서 상기 측부부하스프링(150) 또한 상기 하중부하스프링(120)과 동일한 구성을 가지도록 구성될 수 있다. 따라서 상기 측부부하스프링(150)이 상기 하중부하스프링(120)과 동일한 구조를 가지는 경우강성 또는 탄성계수의 조절은 코일스프링의 개수를 조절하는 것에 의해 조절된다.

상술한 구성을 가지는 본원 발명의 휠과 레일 시험장치(1)는 휠시편(10)과 레일시편(20)을 접촉시킨 후 휠드라이버(171)를 이용하여 휠시편(10)을 회전시키고, 레일드라이버(171)을 이용하여 레일시편(20)을 회전시키면서 휠과 레일 시험을 수행할 수 있도록 한다.

즉, 휠과 레일 사이의 하중부하(radial load)에 의한 마모를 시험하고자 하는 경우에는 하중액츄에이터(145)와 하중로드셀(116)을 이용하여 시험하고자하는 하중을 휠시편(10)에 부여한다. 또한, 측부부하(thrust load)를 부여하고자 하는 경우에는 측부부하기(140)의 측부액츄에이터(145)와 측부로드셀(146)을 이용하여 휠시편(10)으로 측부부하를 인가하여 휠과 레일의 피로 또는 마모 시험을 수행할 수 있도록 한다. 이러한 시험 과정에서 상기 하중부하와 측부부하는 동시에 휠시편에 인가될 수도 있다.

즉, 본원발명은 하중부하기(110)와 측부부하기(140)와 휠구동부(170)가 휠구동판(210) 상에 모두 고정설치되어 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial load)가 축들이 이루는 직선상에서 휠시편(10)에 인가되므로, 측부부하(thrust load)와 하중부하(radial)의 인가시 인가되는 부하가 손실이 발생함이 없이 휠시편(10)으로 인가되므로 휠시편(10)의 부하인가 응답 특성이 향상되어 부하인가를 용이하게 하고 시험 결과의 정확성 또한 향상시킨다.

또한, 본원 발명은 하중부하기(110)와 측부부하기(140)에 구비된 탄성부재로서의 하중부하스프링(120) 또는 측부부하스프링(150)이 인가되는 부하의 고주파 성분을 제거하는 것에 의해 휠시편(10)에서의 부하 응답 특성이 개선된다. 즉, 가하고자 하는 하중부하 또는 측부부하가 휠시편으로 전달되는 과정에서 변화되는 폭이 적어지게 되므로 더욱 정확한 휠과 레일의 피로도 또는 마모도 등의 시험 결과를 얻을 수 있도록 한다.

또한, 본원 발명은 휠시편(10)에 하중부하와 측부부하를 인가하므로 실제의 철도차량의 주행상태에서 휠에 의해 레일에 하중부하와 측부부하가 인가되는 것과 동일한 환경을 재현할 수 있다. 이에 따라 철도차량 주행 시의 실제 환경과 가까운 환경에서 휠과 레일 시험을 수행할 수 있도록 하여 휠과 레일 시험 결과의 정확성을 더욱 향상시킨다.

또한, 본원 발명은 선형이동가이드(190)가 일방향 이동시 다른 방향 이동이 고정되도록 구성되는 것에 의해 측부부하 또는 하중부하의 인가시 여유자유도가 발생하지 않게 됨으로써 휠과 레일의 피로도 또는 마모도 등의 시험의 정확성을 더욱 향상시킨다.

본 발명에서 휠시편(10)과 레일시편(20) 사이의 접촉각(contact angle)은 휠구동판(210)을 회전시키는 것에 의해 부여된다. 그리고 휠시편(10)과 레일시편(20)의 비틀림 접촉을 유발시키는 공격각(attack angle)은 레일구동판(410)을 레일시편(20)의 중심을 중심으로 상하 회동시키는 것에 의해 부여된다.

1: 휠과 레일 시험장치, 10: 휠시편, 20: 레일시편, 100: 휠시편구동부
110: 하중부하기, 113; 하중마운팅지그, 113: 하중스위블조인트, 115: 하중액츄에이터, 116: 하중로드셀, 117: 하중로드(rod)
120: 하중부하스프링, 121: 제1지지판, 122: 제1고정관, 125; 코일스프링, 126: 제2지지판, 127: 제1고정관
140: 측부부하기, 141; 측부마운팅지그, 143: 측부스위블조인트, 146: 측부로드셀, 148: 측부로드(rod)
150: 측부부하스프링
170: 휠구동부, 171: 휠드라이버, 173: 휠축, 177: 휠축지지대, 177a: 하중스핀들, 177b: 하부지지대
190: 선형이동가이드, 191: 가이드블록, 192: 측부구동판, 194: 측부가이드레일, 196; 하중구동판, 198: 하중가이드레일
210: 휠구동판, 410: 레일구동판
500: 베이스플레이트

Claims

휠시편의 반경 방향에서 휠시편에 하중부하(radial load)를 부여하는 하중부하기와, 휠축의 일측에 배치되어 상기 휠시편에 측부부하(thrust loade)를 부여하는 측부부하기와, 상기 휠시편과 휠축이 장착되고 상기 휠축을 회전시켜 상기 휠시편을 회전시키는 휠구동부를 구비하여, 휠시편에 측부부하와 하중부하를 인가하는 휠시편구동부;와,
레일시편이 결합되는 레일축과 상기 레일축을 회전시키는 레일구동부를 구비하여 상기 휠축에 평행하게 상기 휠시편구동부와 분리배치되는 레일시편구동부;와,
개수 조절이 가능한 다수의 코일 스프링을 구비하여 상기 하중부하기와 상기 측부부하기 중 하나 이상에서 부하가 인가되는 축방향에 설치되어 인가되는 부하의 고주파성분을 제거하는 탄성부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 철도차량의 휠과 레일 시험장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 하중부하기는,
마운팅지그에 고정되는 스위블조인트;와,
상기 스위블조인트에 일측 단부가 축결합되는 액츄에이터;와,
상기 액츄에이터의 타 단부에 결합되는 부하검출부;와,
상기 탄성부재의 액츄에이터와 결합된 단부의 반대 단부에 일단부가 결합되고 타단부는 상기 휠구동부의 하부지지대에 결합되는 하중로드(rod);를 포함하며,
상기 탄성부재는 상기 액츄에이터와 부하검출부와 하중로드의 어느 하나의 사이 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 휠과 레일 시험장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 측부부하기는,
마운팅지그;와,
상기 마운팅지그에 고정되는 스위블조인트;와,
상기 스위블조인트와 결합되는 액츄에이터;와,
상기 액츄에이터의 스위블조인트가 결합되는 단부의 타 단부에 결합되는 부하검출부;와,
축방향에서 일측면에는 상기 부하검출부에 축결합된 단부의 반대 단부가 결합되고, 타단부는 상기 휠구동부에 결합되는 측부로드(rod);를 포함하며,
상기 탄성부재는 상기 액츄에이터와 부하검출부와 측부로드의 어느 하나의 사이 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 휠과 레일 시험장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 탄성부재는,
다수의 제1고정관이 형성된 제1지지판;과,
다수의 제2고정관이 형성된 제2지지판;과,
개수가 조절되는 다수의 코일스프링;을 포함하며,
상기 각각의 코일스프링이 서로 결합된 상기 제1고정관과 상기 제2고정관의 외주연에 결합되도록 상기 제1고정관과 상기 제2고정관은 어느 하나가 다른 하나의 내부로 삽입되어 길이 변형 가능하게 결합되고, 상기 코일스프링의 양단부는 각각 상기 제1지지판과 상기 제2지지판에 탄성지지되도록 결합 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 휠과 레일 시험장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 휠구동부는,
상기 휠축을 회전 가능하게 지지하는 적어도 하나의 스핀들;과,
상기 스핀들이 탈부착 가능하게 설치되며 상기 하중부하기의 하중로드(rod)가 결합되는 하부지지대;를 포함하여 구성되는 휠축지지대를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 휠과 레일 시험장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 레일시편구동부는,
상기 레일축이 회전 가능하게 지지되는 복수의 스핀들;과,
상기 스핀들이 탈부착 가능하도록 상기 스핀들의 저면에 부착되는 수직지지대;를 포함하는 레일축지재대를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 휠과 레일 시험장치.