철도차량의 마찰성능 향상장치{INCREASING FRACTION DEVICE OF RAIL CAR}
본 발명은 철도차량의 마찰성능 향상장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량의 휠부재 또는 레일부에 적용되어, 제동거리 단축을 위하여 철도차량의 마찰성능을 향상시킬 수 있는 철도차량의 마찰성능 향상장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량은 철도차량의 이동방향으로 길게 형성되는 레일부를 따라 이동한다. 구체적으로 철도차량은 차량에 공급되는 전력을 이용하여 복수 개의 휠부재를 회전, 휠부재와 레일부와의 마찰력을 이용하여 소정의 위치로 이동하게 된다. 따라서 철도차량을 안정적으로 운행하기 위해서는 휠부재와 레일부 사이의 마찰계수인 점착계수(Adhesion Coefficient)를 소정 값 이상 유지하여 추진력 및 제동력 등을 일정 수준 이상 확보해야 한다. 그러나 종래의 철도차량은 휠부재와 레일부 사이의 점착계수가 낮아, 운행, 제동성능 등이 떨어지는데, 특히, 하향 경사구간을 운행하는 경우 미끄럼이 발생되어, 제동거리가 증대되는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다. 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0027754호(2004.04.01 공개, 발명의 명칭: 열차의 정지거리 단축장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 철도차량의 운행 시 휠부재와 레일부 사이의 마찰계수인 점착계수를 증대하여, 제동거리 확보 및 경사구간에서의 미끄럼을 저감하며, 동시에 소음 발생을 줄일 수 있는 철도차량의 마찰성능 향상장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치는: 한 쌍의 레일부를 포함하는 레일부재; 상기 레일부재에 접하여 회전되는 휠부재; 및 상기 휠부재가 회전 가능하게 결합되어, 상기 휠부재의 회전에 따라 상기 레일부재 상에서 이동하는 차체부재;를 포함하고, 상기 레일부 또는 상기 휠부재의 표면은 단속적으로 하드닝(Hardening) 처리되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 레일부는, 고정물에 결합되는 레일베이스부; 상기 휠부재에 접하며, 상측면에 열처리되어 형성되는 레일하드닝부가 단속적으로 구비되는 레일헤드부; 및 상기 레일베이스부와 상기 레일헤드부를 연결하는 레일연결부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 레일하드닝부는, 상기 레일부의 길이 방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 레일하드닝부는, 상기 레일부의 경사구간에 적용되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 휠부재는, 차축이 결합되는 차축결합부; 상기 차축결합부를 둘러싸며, 상기 레일부의 상측면에 접하고, 외주면에 열처리되어 형성되는 휠하드닝부가 단속적으로 구비되는 레일접촉부; 및 상기 레일접촉부에서 연장 형성되며, 상기 레일부의 측면에 접하는 휠플랜지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 휠하드닝부는, 상기 레일접촉부의 외주면에 원주 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 레일하드닝부 또는 상기 휠하드닝부는 복수의 레이저를 조사하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 레일하드닝부 또는 상기 휠하드닝부는 진동 가열에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 철도차량의 마찰성능 향상장치에서, 이웃하는 상기 레일하드닝부의 중심부 사이의 간격과 이웃하는 상기 휠하드닝부의 중심부 사이의 간격은, 상기 휠부재와 상기 레일부의 순간접촉영역인 컨택패치(Contact Patch)의 종방향 길이보다 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발명에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치는, 급제동과 같이 레일부와 휠부재 사이의 상대속도가 크게 발생하는 경우에도 충분한 수준의 점착계수를 유지할 수 있어, 경사구간에서 철도차량을 안정적으로 운행할 수 있고, 비상 시 제동력을 확보하여 안전사고를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 복수의 레이저를 이용하여 열처리를 수행하므로, 저출력의 레이저조사장치를 적용하여 하드닝 공정을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은 레일하드닝부 또는 휠하드닝부가 적용되어 급제동 혹은 급가속에 의하여 발생될 수 있는 레일부 또는 휠부재의 플라스틱 플로우(Plastic Flow)를 억제하여 마모 및 피로성능을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 요철의 크기가 휠과 레일 사이의 컨택패치보다 작은 경우 소음 발생이 줄어든다는 이른바 '컨텍 필터 효과(Contact Filter Effect)'를 이용하여 복수 개의 레일하드닝부 사이의 간격 또는 복수 개의 휠하드닝부 사이의 간격을 컨택패치 영역의 종방향 길이보다 짧게 함으로써, 레일부 또는 휠부재의 단속적 하드닝(Hardening)으로 인해 발생되는 소음을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 휠부재와 레일부가 접한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부에 레일하드닝부가 적용된 구간을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 휠부재를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레이저를 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부 또는 휠부재의 표면을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치를 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 휠부재와 레일부가 접한 상태를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치(1)는 레일부재(100), 휠부재(200) 및 차체부재(300)를 포함하며, 전차선(30) 등으로부터 공급받은 전력을 이용하여 운행된다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 레일부재(100)는 한 쌍의 레일부(110)를 포함한다. 본 실시예에서 레일부(110)는 금속 재질을 포함하여 이루어지며, 고정물(50)에 고정된다. 본 실시예에서 레일부(110)는 레일베이스부(111), 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)를 포함한다. 레일베이스부(111)는 침목 등을 매개로 고정물(50)에 볼팅 등의 방식으로 결합되어, 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)를 지지한다. 레일헤드부(113)는 휠부재(200)에 접하며, 상측면에 레이저(L)로 열처리 되어 형성되는 레일하드닝부(117)가 단속적으로 구비된다. 즉, 철(Fe)와 탄소(C) 화합물을 포함하여 이루어지는 레일헤드부(113)를 가열하여 강도를 향상시킨 레일하드닝부(117)가 구비된다. 본 실시예에서 레일하드닝부(117)는 레일부(110)의 길이 방향을 따라 배열된다. 레일하드닝부(117)는 열처리 되지 않은 레일헤드부(113) 대비 강성이 높으므로, 휠부재(200)와의 접촉시 돌기로 작용하여 휠부재(200)와 레일부(110)의 점착계수를 증대시킨다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부에 레일하드닝부가 적용된 구간을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에서 레일하드닝부(117)는 레일부(110)의 경사구간(B, D)에 적용된다. 레일부(110)의 경사구간(B, D)은 차체부재(300)의 이동 방향을 따라 고도가 높아지는 상향구간(B)과, 반대로 고도가 낮아지는 하향구간(D)으로 나뉜다. 상향구간(B)에서는 차체부재(300)에 작용하는 중력에 의하여 차체부재(300)에 진행방향에 대하여 후방으로 힘이 작용하므로, 정차 등의 경우 휠부재(200)가 레일부(110)에 대하여 미끄러지는 경우가 발생될 수 있으므로, 휠부재(200)와 레일부(110) 사이의 마찰력을 증대시킬 필요가 있다. 또한, 하향구간(D)에서는 차체부재(300)에 작용하는 중력에 의하여 차체부재(300)에 진행방향에 대하여 전방으로 힘이 작용하므로, 수평구간(A, C, E)에 비하여 제동거리가 길어질 수 있는바, 휠부재(200)와 레일부(110) 사이의 마찰력을 증대시킬 필요가 있다. 레일연결부(115)는 레일베이스부(111)와 레일헤드부(113)를 연결한다. 본 실시예에서 레일베이스부(111), 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)는 철(Fe)와 탄소(C) 등의 화합물로 구성된 강재를 포함하여 이루어지며, 일체로서 형성된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 휠부재를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 휠부재(200)는 레일부재(100)에 접하여 회전되어, 차체부재(300)를 레일부재(100) 상에서 이동시킨다. 본 실시예에서 휠부재(200)는 차축결합부(210), 레일접촉부(230) 및 휠플랜지부(250)를 포함한다. 차축결합부(210)에는 차축(10)이 결합된다. 본 실시예에서 차축결합부(210)는 내측으로 차축(10)이 끼움 결합되어, 차축(10)과 함께 회전된다. 레일접촉부(230)는 차축결합부(210)를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 레일부(110)의 상측면에 접하고, 외주면에 열처리되어 형성되는 휠하드닝부(270)가 단속적으로 구비된다. 본 실시예에서 휠하드닝부(270)는 레일접촉부(230)의 외주면에 원주 방향으로 배열된다. 휠플랜지부(250)는 레일접촉부(230)에서 외측으로 연장 형성되며, 레일부(110)의 측면에 접한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레이저를 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치에서 레일부 또는 휠부재의 표면을 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에서 레일하드닝부(117) 및 휠하드닝부(270)는 복수의 레이저(L)를 조사하여 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서 레일하드닝부(117) 및 휠하드닝부(270)는 진동에너지를 이용하여 가열, 형성될 수 있다. 레일부(110) 또는 휠부재(200)를 지그 등에 견고하게 고정한 상태에서 하드닝 부위에 진동부(미도시)를 접하게 위치시키고, 해당 진동부를 고속으로 진동시키는 경우, 진동부에 접한 부위가 가열되면서 하드닝 처리될 수 있다. 레일하드닝부(117) 및 휠하드닝부(270)의 형성은 상술한 레이저(L) 조사 및 진동 가열 이외에도 가스 등을 연소할 때 발생되는 열에너지를 이용한 가열방식, 고온의 매체를 가열한 후 해당 매체를 직접 접하도록 위치시켜 가열하는 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있음은 물론이다. 본 실시예에서 이웃하는 레일하드닝부(117)의 중심부의 간격(d2)과, 이웃하는 휠하드닝부(270)의 중심부 사이의 간격(d2')은 휠부재(200)와 레일부(110)의 접촉영역인 컨택패치(P)의 종방향 길이(d3)보다 짧게 형성된다. 차체부재(300)는 휠부재(200)가 회전 가능하게 결합되어, 휠부재(200)의 회전에 따라 레일부재(100) 상에서 이동한다. 본 실시예에서 차체부재(300)는 팬터그래프(70)를 통하여 전차선(30)으로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 이용하여 휠부재(200)를 회전시켜, 레일부(110) 상에서 이동한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치(1)의 작동원리 및 효과를 설명하면 다음과 같다. 레일부(110) 또는 휠부재(200)를 고정 지그 등에 고정한 후, 복수의 레이저조사장치(500)를 이용하여 레이저(L)를 조사한다. 레이저(L)가 조사된 영역은 온도가 상승하여 마르텐사이트 변태되어, 레이저(L)가 조사되지 않은 영역 대비 강도가 상승하며, 후처리를 거쳐 레이저 조사 영역의 인성을 증대시킨다. 강성이 증대된 영역인 레일하드닝부(117) 또는 휠하드닝부(270)는 철도차량의 운행시 돌기와 같은 역할을 하여, 휠부재(200)와 레일부(110) 사이의 마찰계수인 점착계수를 증대시킨다. 레일하드닝부(117)와 휠하드닝부(270)의 형상, 간격, 개수 등은 레일부(110)와 휠부재(200)의 재질, 요구되는 점착계수, 차체부재(300)의 사양 등에 따라 달라질 수 있다. 이로써, 본 실시예에 따른 철도차량의 마찰성능 향상장치(1)는, 레일부(110)와 휠부재(200) 사이의 점착계수를 증대시켜, 경사구간(B, D)에서 철도차량을 안정적으로 운행할 수 있고, 비상 시 제동력을 확보하여 안전사고를 방지할 수 있다. 또한, 본 실시예에서 철도차량의 마찰성능 향상장치(1)는 복수의 레이저(L)를 이용하여 열처리를 수행하므로, 상대적으로 단가가 저렴한 저출력(약 500W)의 레이저조사장치(500)를 적용하여 하드닝 공정을 수행할 수 있고, 레일하드닝부(117) 또는 휠하드닝부(270)를 복수 개 적용함으로써, 철도차량의 제동성능 등을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에서 철도차량의 마찰성능 향상장치(1)는 레일하드닝부(117) 또는 휠하드닝부(270)가 적용되어 레일부(110) 또는 휠부재(200)의 플라스틱 플로우(Plastic Flow)를 억제하여 레일부(110) 및 휠부재(200)의 마모 및 피로를 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예에서 복수 개의 레일하드닝부(117) 사이의 간격(d2) 또는 복수 개의 휠하드닝부(270) 사이의 간격(d2')은, 컨택패치(P) 영역의 종방향 길이(d3)보다 짧게 하여 소음의 발생을 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 철도차량의 마찰성능 향상장치 10: 차축
30: 전차선 50: 고정물
100: 레일부재 110: 레일부
111: 레일베이스부 113: 레일헤드부
115: 레일연결부 117: 레일하드닝부
200: 휠부재 210: 차축결합부
230: 레일접촉부 250: 휠플랜지부
270: 휠하드닝부 300: 차체부재
500: 레이저조사장치 L: 레이저 |
