KR20120083306A

KR20120083306A - 철도 차량의 서스펜션 고장 검출

Info

Publication number: KR20120083306A
Application number: KR1020127005858A
Authority: KR
Inventors: 리하르트 슈나이더; 미케 바에르트
Original assignee: 봄바디어 트랜스포테이션 게엠베하
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-07-25
Also published as: CN102630204A; WO2011032991A2; CA2768716A1; EP2477867A2; GB0916172D0; RU2531527C2; AU2010297329B2; RU2012114783A; ES2436374T3; US8761973B2; ZA201200649B; JP2013504485A; AU2010297329A1; EP2477867B1; US20130018535A1; WO2011032991A3; GB2473502A

Abstract

본 발명은 객차 몸체(102)와, 상기 객차 몸체(102)를 지지하는 주행 장치를 포함하는 서스펜션 시스템(103)을 포함하는 철도 차량에 관한 것이다. 감지기 장치(109; 209; 309)와 제어 장치(107)가 마련된다. 감지기 장치(109; 209; 309)는, 주행 장치(104)의 일부분과 관련된 감지기 장치(109; 209; 309)의 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 객차 몸체(102)와 관련된 감지기 장치(109; 209; 309)의 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 공간 관계를 나타내는 적어도 한 상태 변수의 실제 값을 획득한다. 제어 장치(107)는 상태 변수의 실제 값을 이용하여 적어도 하나의 미리 정해진 고장 기준의 충족 여부를 평가하는 고장 분석을 수행한다. 제어 장치(109)는 고장 분석에 의해서 고장 기준이 충족된 것으로 밝혀지면 고장 신호를 발한다.

Description

철도 차량의 서스펜션 고장 검출{SUSPENSION FAILURE DETECTION IN A RAIL VEHICLE}

본 발명은 객차(wagon) 몸체와 상기 객차 몸체를 지지하는 주행 장치(running gear)를 갖는 서스펜션 시스템을 포함하는 철도 차량에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 철도 차량의 서스펜션 시스템의 고장 검출 방법에 관한 것이다.

현대의 철도 차량에서는, 철도 차량의 주행 안정성에 악영향을 미치는 철도 차량의 서스펜션 시스템 내의 고장을 검출하는 것이 공지되어 있다. 일반적으로, 진동 감지기(sensor) 또는 이와 유사한 것이 철도 차량의 서스펜션 시스템 중 특정 부품에 가해지는 가속도를 나타내는 상태 변수들의 실제 값들을 획득하는 데에 사용된다. 이렇게 얻어진 데이터는 서스펜션 시스템의 고장을 나타내는 과도한 가속도가 서스펜션 시스템 내에 가해지는 상황을 검출하기 위하여 분석된다. 이러한 고장 상황이 검출되면, 위험한 상황을 방지하도록 적절한 대응 조치를 개시하기 위하여 상응하는 고장 경고 신호들을 발하게 된다. 이러한 시스템들은 예를 들어 국제 특허 공보 WO 01/81147 A1호에 개시되어 있다.

그러나, 철도 차량의 운행 중에, 용납될 수 없고 잠재적으로 위험한 상황들이 철도 차량의 주행 장치의 부적절한 진동 거동(vibrational behavior)으로부터만 발생되는 것은 아니다. 예를 들면, 객차 몸체가 주행 장치에 대해 측 방향으로 과도하게 움직이는 것도 철도 차량이 지나가고 있는 특정 궤도에 대해 정해진 동적 차량 거동 한계(kinematic envelope)를 위반하게 할 수 있다. 어떠한 상황에서도 이와 같은 동적 차량 거동 한계 위반을 방지하기 위하여, 일반적으로는, 철도 차량의 객차 몸체와 서스펜션 시스템의 외부 윤곽은 철도 차량이 위를 지나가게 되는 궤도 시스템에 맞게 특별히 적합화(adaptation)시킨다.

이에 의해 수동형 서스펜션 시스템에서 각 궤도의 동적 차량 거동 한계 위반을 효과적으로 방지할 수 있지만, 이러한 접근법에는, 한편으로는 객차 몸체의 외부 윤곽이 다소 제한되어 철도 차량의 수송 능력이 감소되고, 다른 한편으로는 객차 몸체의 서스펜션이 다소 딱딱해져 승객의 안락함이라는 면에서는 바람직하지 않다는 단점이 있다.

예를 들면, 객차 몸체의 주행 장치에 대한 능동형 틸팅 제어(즉, 객차 몸체의 종 방향을 따라 연장되는, 틸팅 축 또는 롤링 축 각각에 대한 객차 몸체의 틸팅 각 또는 롤링 각 각각의 제어)를 포함하는 능동형 서스펜션 시스템에서는 또 다른 문제점이 존재한다. 이러한 시스템에서는, 예를 들어, 틸팅 제어 시스템이 고장나면 객차 몸체의 주행 장치에 대한 과도한 편위가 발생되어 동적 차량 거동 한계를 위반할 수 있다. 객차 몸체의 능동형 가로 운동(sway motion) 제어에 대해서도 동일하다.

이러한 능동형 서스펜션 시스템에서 발생되는 또 다른 문제점은, 예를 들어, 틸팅 제어 시스템이 고장나면 객차 몸체의 전방 주행 장치 및 후방 주행 장치에 대한 상반되는 측 방향 편위(lateral excursion)가 발생될 수 있다. 이러한 상황에서는, 이러한 틸팅 시스템의 특정한 운동학(kinematics)으로 인해, 주행 장치의 휠들 중 일부에 바람직하지 않은 탈부하(unloading) 현상을 야기하는 비틀림 부하가 객차 몸체에 가해지고, 그 결과 탈선의 위험이 상당히 증가하게 된다.

따라서 본 발명의 목적은, 적어도 어느 정도까지는 위에서 설명한 단점들을 극복한, 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같은 철도 차량을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 어떠한 환경에서도 안전하고 신뢰성있는 운행을 보장하면서도 수송 능력과 승객의 안락함 둘 다 높은 철도 차량을 제공하는 데 있다. 마지막으로, 본 발명의 목적은 이러한 철도 차량을 구현할 수 있게 하는 서스펜션 시스템의 고장 검출 방법을 제공하는 데 있다.

위에서 설명한 목적들은 청구항 제1항의 특징부에 기재된 특징을 갖는 제1항의 전제부에 따른 철도 차량에 의해서 달성된다. 또한, 위에서 설명한 목적들은 청구항 제11항의 특징부에 기재된 특징을 갖는 제11항의 전제부에 따른 방법에 의해서 달성된다.

본 발명은, 주행 장치와 관련되어 미리 정해진 제1 기준부와 객차 몸체와 관련되어 미리 정해진 제2 기준부 사이의 공간 관계를 감시하는 감시 시스템을 구비함으로써, 높은 수송 능력과 높은 승객 안락함을 제공하는 동시에 지나갈 특정 궤도의 동적 차량 거동 한계(kinematic envelope)를 우연히 위반할 위험을 감소시키거나 혹은 탈선 위험을 감소시키는, 철도 차량의 안전하고 신뢰성있는 작동을 달성할 수 있는 기술 교시에 기반하고 있다. 공간 관계를 감시함으로써 동적 차량 거동 한계의 위반에 대한 미리 정해진 위험 수준 또는 탈선 위험의 위험 수준을 초과하는 고장 상황의 존재를 확인하는 고장 분석을 수행할 수 있게 된다. 그러한 고장 상황에서는 위험 수준을 정해진 값 아래로 크게 감소시키도록 미리 정해진 대응책을 개시하는 데 사용될 수 있는 고장 신호가 발생될 수 있다.

본 발명에서는 주행 장치와 객차 몸체 사이의 공간 관계가 공간에서 사용가능한 6개의 자유도 중 하나 이상의 자유도로 정해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 주행 장치와 객차 몸체 사이의 이들 자유도 중 하나 이상의 자유도의 상대 운동을 고장 분석에서 고려할 수 있다. 더욱 정확하게는, 임의의 위치 변화(즉, 세 개의 병진 자유도 중 임의의 자유도로의 운동) 및 임의의 방향 변화(즉, 세 개의 회전 자유도 중 임의의 자유도로의 운동)를 고장 분석에서 (단독으로 또는 임의의 조합시켜) 고려할 수 있다.

그러한 고장 상황에 대한 시스템의 점검에 의해서 주행 장치와 객차 몸체 사이의 공간 관계를 능동적으로 제어하는 능동형 서스펜션 시스템을 구현할 수 있게 된다. 이러한 능동 제어로 인해 객차 몸체의 주행 장치(및 그에 따른 동적 차량 거동 한계)에 대한 공간 관계가 정해진 동적 차량 거동 한계에 따라 능동적으로 적합화시킬 수 있기 때문에, 한편으로는 객차의 외부 윤곽을 최대화할 수 있게 되고 그 결과 객차 몸체의 수송 능력을 최대화할 수 있게 된다. 또한, 그러한 능동형 서스펜션 시스템은 그 강성과 감쇄 특성이 철도 차량의 현재 주행 상황에 따라 능동적으로 적합화시킬 수 있기 때문에 승객의 안락함이라는 면에서 최적화될 수 있다. 본 발명에 따른 고장 점검 덕분에, 상술한 장점들 둘 다를 동적 차량 거동 한계 위반의 위험 또는 탈선 위험을 증가시키지 않으면서 달성할 수 있다.

이에 의해, 복잡한 안전 요건을 충족시키는 능동형 철도 차량 서스펜션 시스템을 달성할 수 있다. 고장 분석에서 협동하는 부품들은 시스템의 안전 수준을 향상시키기 위해 중복으로 마련될 수 있고 그리고/또는 신뢰성있는 기능 검사 설비(예컨대, 각 부품이 적절하게 작동하는지 정기적으로 검사하는 검사 회로)를 구비할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, IEC 61508, IEC 61508, EN 50126 내지 EN 50129와 같은 표준에 명기된 안전 요건을 충족시키는 철도 차량 서스펜션 시스템을 달성할 수 있다. 더욱 정확하게는, 안전 무결성 수준(SIL: safety integrity level; 상기 표준들 중 일부 표준에서 정해짐)을 수준 2(SIL2) 및 그 이상까지 달성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1 태양에 따르면, 본 발명은 객차 몸체와, 상기 객차 몸체를 지지하는 주행 장치를 포함하는 서스펜션 시스템을 포함하는 철도 차량에 관한 것이다. 감지기 장치와 제어 장치가 마련된다. 감지기 장치는, 주행 장치의 일부분과 관련된 감지기 장치의 제1 기준부와 객차 몸체와 관련된 감지기 장치의 제2 기준부 사이의 공간 관계를 나타내는 적어도 한 상태 변수의 실제 값을 획득한다. 제어 장치는 상태 변수의 실제 값을 이용하여 적어도 하나의 미리 정해진 고장 기준의 충족 여부를 평가하는 고장 분석을 수행한다. 마지막으로, 제어 장치는 고장 분석에 의해서 고장 기준이 충족된 것으로 밝혀지면 고장 신호를 발한다.

제1 기준부와 제2 기준부 중 하나가 주행 장치와 객차 몸체에 각각 강고하게 연결될 필요가 없음을 알 수 있을 것이다. 오히려, 해당되는 실제 공간 관계를 평가하기 위하여 충분히 정확하게 알려진 공간 관계가 각 기준부와 이에 관련된 부품 사이에 존재하면 충분할 수 있다.

또한, 이러한 고장 분석의 가장 단순한 경우에서는 각각의 감지기 장치에 의해 제공되는 신호들의 실제 값은 고장 상황의 존재(예컨대, 상태 변수의 실제 획득 값이 한계 값을 초과하는 경우)를 평가하기 위하여 단순한 한계 값과 비교되는 단순한 비교 값으로서 사용됨을 알 수 있을 것이다. 그러나, 다른 바람직한 변형례에서는, 고장 분석은 하나 이상의 정해진 고장 기준에 따라 분석되는 다수의 획득 값에 근거할 수 있다. 예를 들어, 고장 분석에서는, 정해진 고장 한계 값을 M 번(고장 기준)을 초과하는 경우에 정해진 기간 동안 획득된 정해진 다수 개(N)의 상태 변수에 대해 평가할 수 있다. 이 경우 제어 장치는 고장 상황이 존재하는 것으로 결정하고 고장 신호를 발할 수 있다.

또한, 당연히, 상기 고장 분석에서는 (상술한 바에 더하여 또는 대안적으로) 하나 이상의 다른 임의의 복잡한 고장 기준을 사용할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 감지기 장치에 의해 획득된 적어도 하나의 다른 상태 변수(즉, 부가적인 다른 상태 변수)를 고장 분석에서 고려할 수 있다.

상태 변수는 이용가능한 여섯 개의 자유도 중 하나 이상의 자유도로 제1 기준부와 제2 기준부 사이(그리고 이에 따른 주행 장치와 객차 몸체 사이)의 공간 관계(위치 및/또는 방향)를 나타내는 임의의 적당한 변수일 수 있다. 각각의 선택된 자유도(들)는 동적 차량 거동 한계를 위반할 수 있게 하거나 혹은 탈선 위험이 수용불가능한 정도까지 증가할 수 있게 하는 각각의 고려될 운동 방향에 의해 좌우된다.

바람직하게는, 철도 차량은 길이 방향, 횡 방향 및 높이 방향으로 규정되며, 상태 변수는 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 횡 방향으로의 변위를 나타낸다. 이에 의해, 객차 몸체의 주행 장치에 대한 횡 방향 운동(측 방향 운동(lateral motion) 또는 가로 운동(sway motion)이라고도 함)을 고장 분석에서 고려할 수 있다. 이는, 이러한 횡 방향 운동이 일반적으로 동적 차량 거동 한계의 주요 제한 요소이기 때문에, 특히 비교적 좁은 곡선 구간(곡률 반경이 비교적 작음)을 지나갈 때 특히 유리하다. 또한, 전방 주행 장치와 후방 주행 장치에 대한 과도한 상반되는 횡 방향 운동은 탈선 위험을 평가함에 있어서 중요한 요소일 수 있다.

이에 더하여 또는 대안적으로, 상태 변수는 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 높이 방향을 중심으로 한 요잉 각 변위를 나타낼 수 있다. 다시 말하면, 특히 객차 몸체가 비교적 긴 철도 차량으로 비교적 좁은 곡선 구간을 지나가는 경우에는 이러한 요잉 운동 역시 객차 몸체의 횡 방향 운동을 나타낸다.

철도 차량의 유형에 따라, 특히 객차 몸체의 길이(즉 철도 차량의 종 방향을 따르는 치수)에 따라 감지기 장치 및/또는 제어 장치의 특성은 정적으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 특히 객차 몸체가 비교적 짧은 경우, 철도 차량의 임의의 운행 상태 하에서의 주행 장치와 객차 몸체 사이의 과도한 가로 방향 또는 횡 방향 운동을 검출하는 데에는 횡 방향으로의 정적 감도 특성(static sensitivity characteristic)을 갖는 간단한 감지기 장치면 충분할 수 있다(즉, 주행 속도, 궤도의 곡률, 궤도의 편구배 등에 관계없음).

그러나, 특히 객차 몸체가 더 긴 경우(주행 장치로부터 먼 위치에서 궤도 중앙에 대해 상당한 횡 방향 변위를 나타냄), 감지기 장치 및/또는 제어 장치가 철도 차량의 실제 주행 상태에 따라 고장 분석을 적합화시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 실제 주행 상태는 예를 들어, 철도 차량의 주행 속도 및/또는 철도 차량의 주행 방향 및/또는 철도 차량이 현재 지나가고 있는 궤도의 기하학적 형상에 의해 정해진다. 궤도의 기하학적 형상은 임의의 적당한 궤도 파라미터에 의해 정해질 수 있다. 바람직하게는, 궤도의 기하학적 형상은 궤도의 곡률, 궤도의 편구배(superelecation) 및 궤도의 비틀림 중 적어도 하나에 의해 정해진다. 이에 의해, 주행 장치와 객차 몸체 사이의 상대 운동의 (운행 상태에 따른) 허용가능한 한계치를 적절하게 정하고 이들 한계치를 고장 분석에서 고려하는 것이 용이해질 수 있다.

예를 들어, 비교적 긴 객차 몸체에 대해서는, 주행 장치의 구역에서 검출된 객차 몸체의 주행 장치에 대한 허용가능한 횡 방향 편위 값은 곡선 편구배 궤도 상에서 직선 편평 궤도 상에서보다 작다. 이는 정해진 동적 차량 거동 한계를 준수하기 위하여 상당히 작은 추가의 횡 방향 편이만이 주행 장치의 영역(이 편위의 검출이 이루어지는 곳)에서 허용될 수 있도록 주행 장치로부터 먼 위치에서는 객차 몸체의 (궤도 중심에 대한) 상당한 횡 방향 편위가 단지 궤도의 기하학적 형상에 의해서만 발생된다는 점 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 철도 차량의 실제 주행 또는 운행 상태에 대한 고장 분석의 능동적인 적합화가 이루어진다. 이를 위해, 바람직하게는, 감지기 장치는 주행 상태 변수의 실제값을 획득하기 위한 주행 상태 감지기 유닛을 포함하며, 주행 상태 변수는 철도 차량의 실제 주행 상태를 나타낸다. 제어 장치는 주행 상태 감지기 유닛에 의해 제공되는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 고장 분석을 수행한다.

이를 위해, 철도 차량의 실제 주행 상태를 나타내는 임의의 적당한 변수가 사용될 수 있다. 예를 들어, 고장 분석의 적합화는 현재 지나가고 있는 궤도(주행 상태 변수)의 실제 곡률을 나타내는 적어도 한 변수의 함수로서 이루어진다. 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같이, 제어 장치는 현재 검출된 곡률(주행 상태 변수)의 함수로서 횡 방향 편이(고장 분석에서 적용됨)에 대한 허용가능한 한계치를 조정할 수 있다.

이에 더하여 또는 대안적으로, 감지기 장치는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 그 획득 거동(capturing behavior)을 변경할 수 있다. 이 역시 능동적으로, 즉 감지기 장치에 의해 획득되고 그리고/또는 감지기 장치에 제공되는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 행해질 수 있다.

그러나, 본 발명의 다른 실시예(매우 간단하고 튼튼한 구성으로 인해 바람직함)에 의하면, 순전히 수동형인 해결책이 실시될 수 있다. 이와 같이 순전히 수동형인 변형례에서는, 감지기 장치의 획득 거동(예컨대, 그 감도 특성)은 철도 차량의 각각의 주행 상태의 함수로서 자동으로(수동으로) 변경된다.

이러한 수동형 적합화는 감지기 장치의 부품들을 적당히 배치하는 것에 의해 매우 간단하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 기준부와 제2 기준부는 객차 몸체의 주행 장치에 대한 요잉 운동(즉, 높이 방향과 평행하고 서스펜션 시스템에 의해 정해진 요잉 축을 중심으로 한 회전)에 의한 제1 기준부와 제2 기준부의 횡 방향으로의 상대 위치 변경이 현재 지나가고 있는 궤도의 곡률의 함수로서 일어나도록 배치될 수 있다. 감지기 장치의 제1 부분과 제2 부분의 요잉 축에 대한 거리는 횡 방향 변위와 관련된 요잉 움직임으로 인해 고장 분석이 고장 상황을 검출할 때까지 허용가능한 임의의 추가적인 횡 방향 변위가 감소될 수 있게 선택될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제1 기준부 및/또는 제2 기준부의 기하학적 형상 및/또는 감도 특성은 감지기 장치의 획득 거동의 바람직한 수동 적합화를 제공하도록 적합화될 수 있다. 예를 들어, 감지기 요소(감지기 장치의 제1 기준부와 제2 기준부 중 하나를 형성함)는 기준 요소(감지기 장치의 제1 기준부와 제2 기준부 중 나머지 하나를 형성함)와 협동하여 검출 신호를 발할 수 있다. 감지기 요소는 방향 의존성 감도, 즉 각각 검출 방향에 좌우되는 감도(예컨대, 검출 신호가 각각의 검출 방향으로 감지기 요소와 제2 기준 요소 간의, 결국에는 각기 다른, 정해진 거리에서 제공됨)를 가질 수 있다. 그러면, 감지기 요소의 방향 의존성 감도는 현재의 운행 상황으로 인해 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 상대 위치에 어떤 변화(주행 장치와 객차 몸체 사이의 상대 위치 변화)가 있을 경우 상기 검출 신호가 주행 장치와 객차 몸체 사이의 각기 다른 횡 방향 변위들에서 제공되도록 구체적인 용도(specific application)에 따라 적합화될 수 있다.

마지막으로, 방향 독립성 감도(유용한 관측 범위에 걸침)에 대해서는, 이러한 결과는 철도 차량의 각각의 운행 또는 주행 상황에 대한 고장 분석을 바람직하게 적합화시키기 위하여 기준 요소의 기하학적 요소를 적합화시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 명백히, 고장 분석을 적합화시키는 상술한 변형례들의 임의의 조합들이 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 철도 차량의 바람직한 변형례에 의하면, 감지기 장치는 감지 방향으로의 상태 변수의 실제값을 획득하는 상태 변수 감지기 유닛을 포함한다. 상태 변수 감지기 유닛은 철도 차량의 실제 주행 상태의 함수로서 변하는, 감지 방향으로의 획득 거동, 특히 감지 방향으로의 감도를 갖는다. 상태 변수 감지기 유닛은 각각의 적합화에 적당한 임의의 획득 특성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상태 변수 감지기 유닛은, 적어도 구간 방향(section wise)으로, 선형 및/또는 구형 획득 특성을 갖는다.

매우 간단하고 튼튼한 실시예들에서는, 상태 변수 감지기는 감지 요소와 이에 관련된 기준 요소를 포함하며, 감지 요소는 감지 방향으로의 상태 변수의 실제 값으로서의 감지 요소와 기준 요소 간의 적어도 하나의 거리를 나타내는 값을 획득한다. 감지 요소는 제1 기준부 또는 제2 기준부를 형성하고, 기준 요소는 제1 기준부와 제2 기준부 중 나머지 하나를 형성한다. 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같이, 감지 요소와 기준 요소는, 적어도 감지 방향으로, 감지 요소와 기준 요소 간의 상대 위치가 철도 차량의 실제 주행 상태의 함수로서 변하여 감지 방향으로의 획득 거동의 변화를 제공하도록 배치될 수 있다. 매우 간단한 구성에서는, 감지 요소와 기준 요소는 특히 주행 장치와 객차 몸체 사이에서 서스펜션 시스템에 의해 정해지는 요잉 축으로부터 소정 거리, 특히 종 방향을 따라 소정 거리만큼 떨어져서 배치될 수 있다.

원리적으로, 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 공간 관계를 나타내는 신호를 발하는 임의의 감지기가 감지기 장치용으로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 감지기 장치는 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 거리를 나타내는 적어도 한 값을 획득하는 적어도 하나의 거리 감지기를 포함한다.

감지기 장치가 하나 이상의 방향으로의 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 공간 관계를 반드시 연속적으로 측정해야 할 필요는 없음을 알 수 있을 것이다. 오히려, 수행할 고장 분석에 대해서는, 감지기 유닛은 제1 기준부와 제2 기준부가 그들 간의 미리 정해진 공간 관계에 도달한 경우에 이에 상응하는 검출 신호를 발하기만 하면 충분하다. 예를 들어, 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 거리가 어떤 값을 초과한 경우(예컨대, 신호 수준: 1)나 혹은 그렇지 않은 경우(예컨대, 신호 수준: 0)를 나타내는 간단한 이진 신호면 충분할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 적어도 한 거리 감지기는 일반적으로 이러한 간단한 이진 신호를 발하는 근접 스위치식으로 구성될 수 있다.

감지기 장치는, 원리적으로, 바람직한 상태 변수의 실제값을 제공하기 위해 철도 차량 내의 임의의 적당한 위치에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 객차 몸체는 서스펜션 시스템의 이차 스프링 시스템을 거쳐서 주행 장치 상에 지지되고, 제1 기준부와 상기 제2 기준부는 이차 스프링 시스템의 적어도 일부분과 운동학적으로 평행하게 배치된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 제2 기준부는 객차 몸체에 반드시 강고하게 연결될 필요는 없다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 제1 기준부는 주행 장치의 제1 부분에 연결되고 제2 기준부는 주행 장치의 제2 부분에, 특히 주행 장치의 제1 부분 상의 이차 스프링 시스템의 일부분을 거쳐서 지지되는 볼스터(bolster)에 연결된다. 그러나, 다른 실시예에 의하면, 제2 기준부는 객차 몸체에 연결될 수도 있다.

또한, 제1 기준부와 제2 기준부용으로 임의의 적당한 위치가 선택될 수 있다. 본 발명의 약간 소형인 실시예들에 의하면, 제1 기준부 및/또는 제2 기준부는 이차 스프링 시스템의 부품, 특히 이차 스프링 시스템의 공기 스프링에 일체화된다. 제1 기준부 및/또는 제2 기준부가 주행 장치와 객차 몸체 사이의 조정력 및/또는 조정 운동을 발생시키는 액추에이터 장치에 일체화되는 경우에는 장치가 비교적 소형화될 수 있다.

그러나, 바람직하게는, 고장 신호는 자동으로 적절한 대응 조치를 개시하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 고장 신호 자체가 능동형 서스펜션 시스템을 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 유리한 실시예에 의하면, 서스펜션 시스템은 힘 인가 장치를 포함하며, 힘 인가 장치는 제어 장치의 제어 하에서 적어도 한 상태 변수에 영향을 미치는 힘을 서스펜션 시스템 내에 인가한다.

바람직하게는, 힘 인가 장치는 그러한 고장 상황에서의 부적절한 운행에 대응하기 위하여 고장 신호의 함수로서 그 작동을 변경시킨다. 이는 여러 가지 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 상기 힘 인가 장치는 고장 신호를 수신하면 고장 상황을 악화시킬 수 있는 임의의 운동에 대응하는 모드로 전환하도록 마련될 수 있다.

실시예들에 의하면, 힘 인가 장치 자체가 고장의 잠재적인 원인인 경우, 힘 인가 장치는 바람직하게는 고장 신호에 응답하여 비활성 작동 모드로 전환된다.

또한, 힘 인가 장치는 비활성 작동 모드에서 객차 몸체를 주행 장치에 대해 미리 정해진 중립 위치로 복귀시키도록 작용하는 복원력(resetting force)을 서스펜션 시스템 내에 인가하도록 구성된다. 이에 의해, 고장과 관련된 위험이 신뢰성있게 감소될 수 있다.

힘 인가 장치는 임의의 적당한 구성일 수 있고 서스펜션 시스템 내의 임의의 적당한 위치에 위치될 수 있다. 바람직하게는, 힘 인가 장치는 액추에이터 장치, 특히 철도 차량의 종 방향으로 이어지는 틸팅 축을 중심으로 한 객차 몸체의 틸팅 각을 조정하는 틸팅 액추에이터를 포함한다. 이에 더하여 또는 대안적으로, 힘 인가 장치는 주행 장치와 객차 사이의 움직임을 감쇄시키는 감쇄기 장치, 특히 요잉 감쇄기 장치를 포함한다. 위에서 설명한 바와 같이, 이에 더하여 또는 대안적으로, 제1 기준부 및/또는 제2 기준부는 힘 인가 장치의 부품, 특히 힘 인가 장치의 액추에이터에 일체화될 수 있고, 이에 의해 구성이 소형화될 수 있는 장점이 있다.

이에 의하면 제1 기준부와 제2 기준부는 적어도 한 상태 변수에 영향을 미치는 힘을 서스펜션 시스템 내에 인가할 때 정해진 상대 운동을 수행하는 힘 인가 장치의 임의의 적당한 부분일 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 이 경우, 상대 운동은 제1 기준부와 제 2 기준부 사이에서 반드시 직접 측정되어야 할 필요는 없음을 알 수 있을 것이다. 오히려, 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같이, 감지기 장치는 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 공간 관계를 나타내는 적어도 하나의 상태 변수의 실제 값을 획득한다.

예를 들어, 힘 인가 장치가 피스톤과 실린더(함께 액추에이터의 작동 챔버를 한정함)를 구비한 유압 액추에이터인 경우, 감지기 장치는 단순히, 역시 피스톤(예컨대, 제1 기준 요소를 형성함)과 실린더(예컨대, 제2 기준 요소를 형성함) 간의 상대 위치를 나타내는 작동 챔버의 충전 정도를 (적당한 수단에 의해) 획득할 수 있다.

또한, 본 발명은, 객차 몸체 및 객차 몸체를 지지하는 주행 장치를 포함하는 서스펜션 시스템을 포함하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법으로서 주행 장치와 관련된 제1 기준부와 객차 몸체와 관련된 제2 기준부 사이의 공간 관계를 나타내는 적어도 한 상태 변수의 실제 값을 획득하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법에 관한 것이다. 또한, 고장 분석은 상태 변수의 실제 값을 이용하여 수행되며, 이 고장 분석은 적어도 하나의 미리 정해진 고장 기준의 충족 여부를 평가한다. 고장 분석에 의해 고장 기준이 충족된 것으로 밝혀지면 고장 신호를 발한다. 이 방법에 의하면 철도 차량의 위에서 개괄적으로 설명한 장점들과 실시예들을 위에서 기재한 설명에서 언급한 것과 동일한 정도까지 달성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예들은 종속 청구항들과 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시예에 대한 아래의 설명들을 읽음으로써 명백하게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예가 수행될 수 있는 본 발명에 따른 철도 차량의 바람직한 실시예를 도식적으로 도시한 단면도(도 3의 I-I 선을 따라 취함)이다.
도 2는 아래에서 본(즉, 도 3의 II-II 선으로 표시된 궤도 높이에서 본) 도 1의 철도 차량의 세부 사항을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 철도 차량을 도식적으로 도시한 측면도이다.
도 4a는 도 1의 철도 차량의 일부분을 도식적으로 도시한 상세도이다.
도 4b는 도 1의 철도 차량의 일부분을 도식적으로 도시한 블록도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 철도 차량의 일부분의 대안적인 구성을 도식적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 철도 차량의 다른 바람직한 실시예를 도식적으로 도시한 단면도(도 2 중의 한 부분과 유사한 도면)이다.
도 6은 본 발명에 따른 철도 차량의 다른 바람직한 실시예를 도식적으로 도시한 단면도(도 2 중의 한 부분과 유사한 도면)이다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 철도 차량(101)의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 아래에서 행하는 설명을 단순화하기 위하여 도면에 xyz 좌표 시스템을 도입하였으며, 여기서 (직선 수평 궤도 상에서) x축은 철도 차량(101)의 종 방향을 가리키고, y축은 철도 차량(101)의 횡 방향을 가리키고, z축은 철도 차량(101)의 높이 방향을 가리킨다.

철도 차량(101)은 서스펜션 시스템(103)에 의해 지지되는 객차 몸체(102)를 포함한다. 서스펜션 시스템(103)은 궤도(105) 상에 착좌되고 객차 몸체(102)를 지지하는 두 개의 주행 장치(104)를 포함한다. 주행 장치(104)들은 각각, 일차 스프링 장치(104.3)를 거쳐서 주행 장치 프레임(104.2)을 지지하는 두 개의 휠 셋(104.1)을 포함한다. 주행 장치 프레임(104.2)은 이차 스프링 유닛(104.4)을 거쳐서 객차 몸체(102)를 지지한다.

서스펜션 시스템(103)은 이차 스프링 유닛(1044.4)과 운동학적으로 평행하게 배치된 능동형 틸팅 유닛(106)을 포함한다. 틸팅 유닛(106)은 서스펜션 시스템(103)의 능동부를 형성하고, 철도 차량(101)의 종 방향(x축)과 평행하게 배치된 틸팅 축 또는 롤링 축을 중심으로 틸팅 각 또는 롤링 각(α_w)을 조정하는 역할을 한다. 이를 위해, 틸팅 유닛(106)은 주행 장치 프레임(104.2)과 객차 몸체(102)에 힌지 연결된 공지의 롤링 지지체(106.1)를 포함한다. 롤링 지지체(106.1)는 공지된 방식으로 객차 몸체(102)의 가로 방향 편위시, 즉 객차 몸체(102)의 주행 장치(104)에 대한 횡 방향(y축)으로의 상대 편위시 틸팅 작용을 행하는 내향 경사 링크(106.2)들을 포함한다.

또한 틸팅 유닛(1006)은 주행 장치 프레임(104.2)과 객차 몸체(102) 둘 다에 연결된 틸팅 액추에이터(106.3)의 형태로 된 능동형 힘 인가 장치를 포함한다. 틸팅 액추에이터(106)는, 제어 유닛(107)의 형태로 된 제어 장치의 제어 하에서, 철도 차량(101)의 현재 주행 상태의 함수로서 틸팅 각(α)을 능동적으로 조정하는 역할을 한다. 일반적으로 제어 유닛(107)에 의해 수행되는 틸팅 제어 알고리듬은 (적절한 운행 상태 하에서) 어떠한 경우에도 철도 차량(101)이 위를 지나갈 각각의 궤도(105)에 대해 규정된 동적 차량 거동 한계(105.1)를 위반하지 않게 구성되어 있다.

명백히, 궤도(105) 상에서 운행되는 임의의 철도 차량의 임의의 운행 상태 하에서도, 특히 철도 차량의 틸팅 시스템의 임의의 능동형 부품들이 고장난 상태에서도 동적 차량 거동 한계(105.1)를 절대적으로 준수할 필요가 있다. 통상의 철도 차량들로는, 이 요건은 객차 몸체의 외부 윤곽의 제한 및 객차 몸체의 횡 방향 이동의 제한(예를 들면, 기계적인 멈추개(stop) 또는 이와 유사한 장치에 의함) 둘 다에 의해서 충족된다. 그러나, 한편으로는, 객차 몸체의 외부 윤곽을 제한하면 수송 능력이 감소되는 부작용이 있다. 다른 한편으로는, 기계적인 멈추개로 가로 방향 편위를 제한하는 것 역시, 멈추개가 최악의 경우, 즉 가로 방향 편위가 가장 엄격하게 제한된 정해진 동적 차량 거동 한계에서의 철도 차량의 운행 상태를 상정하여 구성되어야 하기 때문에 단점이 있다. 이에 따라, 결국, 이러한 최악의 경우와는 다른 운행 상태(즉, 가로 방향 편위에 대한 제한이 덜 엄격한 상황) 하에서는 바람직한 범위의 측 방향 편위를, 비록 이 범위의 측 방향 편위가 정해진 동적 차량 거동 한계 내에서 용인될 수 있음에도 불구하고, 달성하지 못할 수 있다.

이러한 문제점들을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 철도 차량(101)은 제어 유닛(107)에 연결된 감지기 장치(109)를 포함한다. 감지기 장치(109)는 두 개의 감지기 배열체(109.1, 109.2)를 포함하고, 감지기 배열체들은 각각 감지기 유닛(109.3, 109.4)을 포함하고 기준 요소(109.5 내지 109.8)들에 각각 관련된다. 도 1과 도 2에 도시된 중립 상태에서 어떤 횡 방향(y축 방향) 거리가 감지기 유닛(109.3, 109.4)들과 이들에 각각 관련된 기준 요소(109.5 내지 109.8)들의 표면 사이에 있도록, 감지기 유닛(109.3, 109.4)들은 주행 장치 프레임(104.2)에 기계적으로 연결되고 (판 형상) 기준 요소(109.5 내지 109.8)들은 객차 몸체(102)에 기계적으로 연결된다.

본 발명에서는, 감지기 유닛(109.3, 109.4)들은 감지기 장치(109)의 제1 기준부를 형성하고, 기준 요소(109.5 내지 109.8)들은 감지기 장치(109)의 제2 기준부를 형성한다. 감지기 유닛((109.3, 109.4)들 각각은 기준 요소(109.5 내지 109.8)들 각각에 관련된 두 개의 감지기 요소(109.9)를 포함한다.

따라서, 도시된 실시예에서는, 여덟 개의 감지기 요소(109.9)가 구비된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는, 특히 선택된 중복성(redundancy) 수준과 고장 알고리듬을 위해 필요한 감지기들에 따라, 다른 적당한 수의 감지기 요소들이 선택될 수 있다. 바람직하게는, 감지기들의 수는 적어도 두 개에서 최대 여덟 개까지이다.

각 감지기 요소(109.9)는 주로 횡 방향(y축)으로 지향된 제한된 감시 범위(confined field of sight)(109.9)에 의해 정해지는 미리 정해진 획득 특성 또는 감도 특성을 갖는다. 도시된 실시예에서는, 각 감지기 유닛(109.3, 109.4)은 근접 스위치식으로 구성된 단순한 거리 감지기이다. 더 정확하게는, 각 감지기 요소(109.9)는 이진 신호를 제공하며, 각각의 관련 기준 요소(109.5 내지 109.8)가 제한된 감시 범위(109.10)와 간섭되지 않는 한 신호 수준은 "0"이고, 각각의 관련 기준 요소(109.5 내지 109.8)가 제한된 감시 범위(109.10)와 간섭되는 즉시 이 신호 수준은 "1"로 전환된다.

따라서, 본 발명에서는, 각 감지기 요소(109.9)에 의해 제공되는 신호는 각각의 제1 기준부(각각 감지기 유닛(109.3, 109.4)들을 포함) 및 이에 관련된 제2 기준부(각각 기준 요소(109.5 내지 109.8)들을 포함) 사이의 공간 관계, 즉 횡 방향(y축)으로의 서로 간의 거리를 나타내는 상태 변수의 실제 값을 나타낸다. 제1 기준부와 제2 기준부가 각각 주행 장치(104)와 객차 몸체(102)에 연결되기 때문에, 이들 (상태 변수의) 실제 값들은 또한 주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이의 횡 방향(y축) 공간 관계를 나타낸다.

제어 유닛(107)은 철도 차량의 어떠한 주행 또는 운행 상태에서도 동적 차량 거동 한계(105.1)와 정해진 탈선 위험 수준을 준수할 수 있게 액추에이터 유닛(106.3)의 작동을 제어하도록 구성된다. 이를 위하여, 제어 유닛은 감지기 요소(109.9)들로부터 나오는 신호들을 수신하고 이들 신호들을 이용하여 고장 분석을 수행한다.

이러한 고장 분석의 가장 단순한 경우에서는, 각각의 감지기 장치(109)에 의해 제공되는 신호들의 실제 값은 고장 상황이 존재하는지를 평가하기 위하여 단순한 한계 값과 비교되는 단순한 비교 값으로서 사용된다. 각각의 감지기 장치(109)에 의해 제공되는 단순한 이진 신호들을 가지고, 제어 유닛(107)은 감지기 요소(109.9)들의 신호들 중 한 신호가 "1" 수준에 있는지 여부에 대한 점검을 간단하게 수행한다(즉, 제어 유닛(107)은 상태 변수의 실제 획득된 값들 중 한 값이 한계 값 "1"에 도달했는지 여부에 대한 점검을 수행함). 이 경우에는, 즉 고장 기준이 충족된 경우에는, 제어 유닛(107)은 고장 신호를 발한다.

그러나, 다른 변형례에서는, 고장 분석은 정해진 고장 한계 값을 M번(고장 기준)을 초과한 경우에 정해진 기간(T) 동안의 감지기 요소(109.9)의 신호들의 정해진 다수 개(N)의 불연속 값들에 대해 평가할 수 있다. 이 경우에는 제어 유닛(107)은 고장 상황이 존재하는 것으로 결정하고 고장 신호를 발할 수 있다.

도시된 실시예에서는, 제어 유닛(107)은 한편으로는 이 고장 신호를 고장 상황을 경보 장치(113)를 통해 철도 차량(101)의 운전자에게 알리는 신호로 사용한다.

또한, 도시된 실시예에서는, 제어 유닛(107)은 이 고장 신호를 액추에이터(106.3)를 끄거나 혹은 비활성화시키는 신호로 사용한다. 이는 서스펜션 시스템의 강성, 특히 이차 스프링 장치(104.4)의 강성에 따라 어떤 환경에서도 동적 차량 거동 한계(105.1)의 위반을 방지하기에 충분할 수 있다. 그러나, 이 경우에는, 액추에이터(106.3) 자체 또는 주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이에서 작용하는 임의의 다른 부품이 액추에이터(106.3)가 비활성화된 상태에서 객차 몸체(102)를 도 1에 도시된 바와 같은 중립 위치(α_w = 0)로 복귀시키도록 작용하는 복원력(resetting force)을 객차 몸체(102)에 가하게 될 수 있다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, (직선 수평 궤도 위에 놓인 철도 차량(101)의 중립 상태에서) 감지기 유닛(109.3, 109.4)들은 주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이에 정해진 요잉 축(yawing axis)(높이 축 또는 z축과 평행하게 배치됨)으로부터 (종 방향으로) 소정 거리(D)에 위치된다. 이는 곡선 궤도(도 2에 이점 쇄선 윤곽(111)으로 표시됨)를 지나갈 때 기준 요소(109.5 내지 109.8)들을 구비한 객차 몸체(102)가 요잉 움직임(즉 요잉 각(α_y) 만큼 요잉 축을 중심으로 회전)을 발휘하여 도 2에 점선 윤곽(112)으로 표시된 바와 같이 감지기 유닛(109.3, 109.4)들과 기준 요소(109.5 내지 109.8)들 간에 횡 방향(y축)으로 상당한 거리 변경이 이루어지게 되는 효과가 있다.

따라서, 제어 유닛(107)이 (예컨대, 기준 요소(109.8)와 관련 감지기 요소(109.9)의 관찰 범위(109.10)와의 간섭으로 인한) 고장 신호를 발할 때까지 객차 몸체(102)와 주행 장치(104) 사이에 (허용가능한) 측 방향 편위(TE1)가 있지만, 곡선 궤도(111) 상에서는, 제어 유닛(107)이 고장 신호를 발할 때까지 객차 몸체(102)와 주행 장치(104) 사이의 상기 (허용가능한) 측 방향 편위(TE2)는 상당히 감소된다. 이는 제어 유닛(107)에 의해 이루어지는 고장 분석이 간단하고 수동적으로 철도 차량(101)의 주행 상황에 따라 자동으로 적합화되는 유익한 효과가 있다.

고장 상황에 대한 서스펜션 시스템(103)의 점검을 적합화시킬 수 있음으로써 주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이의 공간 관계를 능동적으로 제어하는 시스템을 구현할 수 있게 된다. 객차 몸체(102)의 주행 장치(104)에 대한 공간 관계가 정해진 동적 차량 거동 한계에 대해 능동적으로 적합화될 수 있기 때문에, 능동 제어로 인해서 외부 윤곽을 최대화할 수 있게 되고 또 그로 인해 객차 몸체(102)의 수송 능력을 최대화할 수 있게 된다. 또한, 능동형 서스펜션 시스템(103)은 그의 강성 및 감쇄 특성이 철도 차량(101)의 현재 주행 상황에 따라 능동적으로 적합화될 수 있기 때문에 승객의 안락함이라는 측면에서 최적화될 수 있다. 본 발명에 따른 고장 점검 덕분에, 동적 차량 거동 한계(105.1)를 위반할 위험을 증가시키지 않으면서 상술한 장점들 둘 다를 달성할 수 있다.

감지기 요소(109.9)와 관련 기준 요소(109.6)의 배치를 위한 예시적인 치수와 서스펜션 시스템에서의 위치를 지나가는 궤도의 각기 다른 곡률 반경들에 대해 도 4a에 나타내었다(달리 명시하지 않으면, 모든 치수들은 mm 단위임). 도 4a로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이들 치수와 서스펜션 시스템에서의 위치는 궤도의 곡률 반경(-250m, -500m 등)에 따라 좌우된다.

도 4a로부터 알 수 있는 바와 같이, 직선 궤도에서 기준 요소(109.6)의 감지기 요소(109.9)에 대한 거리는 95mm(80mm는 감지기 요소(109.9)의 이동이 허용되는 범위이고 15mm는 감지기 요소(109.9)의 관찰 범위임)이다. 객차 몸체의 횡 방향 이동을 40mm(80mm - 40mm = 40mm)로 제한하기 위하여 감지기 요소는 곡률 반경 R = 250mm인 곡선 궤도에 대해 기준 요소(109.6)를 향해 40mm를 이동해야 한다. 물론 본 발명의 다른 실시예들에서는 감지기 요소의 검출 영역 또는 관찰 범위에 대해 각각 (15mm 이외의) 임의의 치수가 선택될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

이를 위해, 감지기 요소(109.9)는 주행 장치(104)의 중앙에 위치된 요잉 축으로부터 종 방향으로 어떤 거리 D

1000mm 만큼 떨어져서 놓여서 이러한 변위에 대해 요잉 각 α_y = 2.3°(상술한 그러한 곡률 반경(R)에서 주행 장치(104)에 대해 발생됨)이 되게 해야 한다. 명백하게, 이 거리(D)는 두 주행 장치(104) 간의 종 방향 거리에 따라 좌우되는데, 이는 상기 종 방향 거리에 의해 임의의 궤도 곡률에서의 요잉 각(α_y)이 정해지기 때문이다.

양의 곡선 구간(positive curves)에 대해, 감지기 요소(109.9)는 기준 요소(109.6)로부터 더 멀리 이동한다(예컨대, R = +500mm에 대해 100mm까지). R = +250mm인 더 작은 곡선 구간에 대해서는, 감지기 요소(109.9)는 훨씬 더 멀리 이동한다. 그러나 이는 액추에이터(106.3)가 이 방향으로의 어떤 스트로크(stroke)(예컨대, 이 방향으로의 100mm의 최대 스트로크)로 제한된 경우에는 어떤 특별한 영향도 미치지 못할 것이다. 그러한 경우에는, 객차 몸체(102)의 일 측부에서의 검출을 생략하는 것, 즉 기준 요소(109.5, 109.7)들을 생략하고 기준 요소(109.6, 109.8)들만 사용하는 것으로도 충분할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

감지기 요소(109.1)의 관찰 범위(109.10)의 형상에 따라 현재 궤도 위의 감지기의 회전각으로 인한 작은 오류가 있을 수 있다. 이러한 오류를 최소화시키기 위해, 감지기 요소(109.1)는 주행 장치(104)의 종 방향 중심선에 놓이는 것이 가장 좋다.

기준 요소(109.5 내지 109.8)들은 바람직하게는 유도 검출로 작동하는 감지기 요소(109.9)에 대해 적어도 45mm x 45mm의 표면적을 갖는다. 바람직하게는 상기 표면적은 감지기 요소(109.9)와 각각의 기준 요소(109.5 내지 109.8) 사이의 종 방향 이동 및 수직 방향 이동이 가능하도록 이보다 더 크다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는, 예컨대 광학적 원리, 전기적 원리, 기계적 원리를 단독 사용 또는 임의로 조합하여 사용하는 것과 같은 다른 검출 원리로 작동하는 임의의 다른 유형의 감지기 요소가 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 복잡한 안전 규정을 충족시키는 능동형 철도 차량 서스펜션 시스템을 달성할 수 있다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 감지기 요소(109.9)는 중복 배치되는 기준 요소(109.5 내지 109.9)들을 구비한다.

도 4b와 도 4c는 중복 배치된 이들 두 감지기 요소(109.9)들에 대한 각기 다른 배선 예들, 즉 직렬 배치(도 4b)와 병렬 배치(도 4c)를 도시한다. 도 4c에 도시된 병렬 배치에서는 (잠재적인 고장을 방지하도록) 감지기 요소(109.9)들 중 하나의 고장을 인식할 수 있으므로 검사 측면에서 바람직하다. 어떤 경우에도, 시스템의 안전 수준을 향상시키기 위해 신뢰성있는 기능 검사 설비(예컨대, 각 부품의 적절한 작동을 정기적으로 검사하는 검사 회로)가 마련될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, IEC 61508, IEC 61508, EN 50126 내지 EN 50129와 같은 표준에 명기된 안전 요건을 충족시키는 철도 차량용 서스펜션 시스템(103)을 달성할 수 있다. 더욱 정확하게는, 안전 무결성 수준(SIL: safety integrity level; 상기 표준들 중 일부 표준에서 정해짐)을 수준 2(SIL2) 및 그 이상까지 달성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상술한 (주행 상태에 따라) 적합화시킬 수 있는 고장 진단 역시 능동적으로 달성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이를 위해, 실제 주행 상태(actual running condition)는 예를 들어 철도 차량의 주행 속도 및/또는 철도 차량의 주행 방향 및/또는 철도 차량이 현재 지나가고 있는 궤도의 기하학적 형상에 의해 정해지고, 감지기 장치의 적어도 한 주행 상태 감지기(도 1의 점선 윤곽(114)으로 표시됨)가 실제 주행 상태를 정하는 이들 특정 성분을 나타내는 하나 이상의 적당한 주행 상태 변수를 획득할 수 있다.

이 경우, 제어 장치(107)는 주행 상태 감지기 유닛(114)에 의해 제공되는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 고장 분석을 수행한다. 철도 차량의 실제 주행 상태를 나타내는 임의의 적당한 변수가 사용될 수 있다. 예를 들어, 고장 분석의 적합화(adaptation)는 현재 지나가고 있는 궤도의 실제 곡률을 나타내는 (주행 상태 변수로서의) 적어도 한 변수의 함수로서 일어난다. 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같이, 제어 장치는 주행 상태 감지기(114)에 의해 현재 검출된 곡률의 함수로서 (고장 분석에서 적용되는) 횡 방향 편이(transverse deflection)에 대한 허용치(admissible limit)를 조정할 수 있다. 그러한 경우에는, 충분히 높은 해상도로 기준 요소(109.6)까지의 거리를 획득하는 하나의 단일 감지기 요소(109.9)를 구비하는 것으로 충분할 것이다.

이에 더하여 또는 대안적으로, 감지기 장치는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 그 획득 거동(capturing behavior)(예컨대, 관찰 범위(109.10)의 형상 및/또는 크기)을 변경할 수 있다. 이는 감지기 장치에 의해 획득된 그리고/또는 감지기 장치에 제공된 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 능동적으로 행해질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제1 및 제2 기준부(109.5 내지 109.9)들에 더하여 또는 이에 대안적으로, 제1 및 제2 기준부들이 액추에이터 유닛(106.3)에 일체화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 제1 및 제2 기준부는 서스펜션 시스템(103) 내에 힘을 가할 때 정해진 상대 운동을 수행하는 액추에이터 유닛(106.3)의 임의의 적당한 부분일 수 있다. 예를 들면, 액추에이터 유닛(106.3)의 피스톤이 제1 기준부를 형성할 수 있고, 액추에이터 유닛(106.3)의 실린더가 제2 기준부를 형성할 수 있다.

또한, 이 경우 상대 운동은 임의의 바람직한 그리고 적절한 거리 감지기를 이용하여 제1 기준부와 제 2 기준부 사이에서 반드시 직접 측정되어야 할 필요는 없음을 알 수 있을 것이다. 오히려, 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같이, 감지기 장치(109)는 제1 기준부와 제2 기준부 사이의 공간 관계를 나타내는 적어도 하나의 상태 변수의 실제 값을 획득한다. 예를 들어, 유압 액추에이터(106.3)의 경우, 감지기 장치는 단순히, 역시 피스톤과 실린더 간의 상대 위치를 나타내는, 액추에이터(106.3)의 피스톤과 실린더에 의해 정해지는 작동 챔버의 충전 정도를 (적당한 수단에 의해) 획득할 수 있다.

마지막으로, 바람직한 중복성 및 정확성을 달성하기 위해 제1 기준부와 제2 기준부가 일체화되어 있는 임의의 바람직한 수의 액추에이터들이 마련될 수 있다. 예를 들어, 주행 장치 당 두 개의 액추에이터(106.3)가 마련될 수 있다. 바람직하게는, 이들 두 개의 액추에이터(106.3)는 위에서 개괄적으로 설명한 바와 같은 기준부(109.5 내지 109.9)들 중 하나와 유사한 위치에 배치될 수 있다.

제2 실시예

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 감지기 장치(209)의 또 다른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 감지기 장치(209)는 도 1의 철도 차량(101)의 감지기 장치(109)를 대체할 수 있다. 감지기 장치(209)는 기본적인 구성과 기능 면에서 감지기 장치(109)와 대체로 일치하며, 이에 따라 차이점에 대해서만 주로 언급한다. 또한, 동일하거나 유사한 부품들에는 동일한 도면 부호에 100을 더한 도면 부호를 부여한다. 이하, 달리 설명하지 않는 한 이들 부품들의 특징과 기능들에 대해 위에서 한 설명을 명시적으로 참조하라.

감지기 장치(109)에 대한 차이점은 각각의 주행 상태에 대한 고장 분석의 적합화가 기준 요소(209.5)(객차 몸체(102)에 연결됨)의 기하학적 형상을 적합화시키는 것을 통해 이루어진다는 점에 있다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 감지기 요소(209.9)(주행 장치(104)에 연결됨)와 기준 요소(209.5)(객차 몸체(102)에 연결됨)는 철도 차량의 중립 상태에서 (주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이의) 요잉 축에 대해 횡 방향으로는 편위되고 종 방향으로는 편위되지 않도록 배치된다.

각각의 주행 상태(예컨대 TE1 및 TE2) 하에서의 허용가능한 횡 방향 편위의 조정 및 그에 따른 고장 분석의 적합화는 기준 요소(209.5)의 검출면의 곡률에 의해 이루어진다. 이와 같이 간단히 기준 요소(209.5)의 표면을 변경함으로써 철도 차량의 실제 주행 상태에 따른 거의 어떠한 바람직한 적합화도 달성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 기준 요소(209.5)에 대해 임의의 적당한 기하학적 형상을 선택할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 고장 분석에 요구되는 적합화를 위해 필요에 따라 직선 구간과 곡선 구간을 임의로 적당히 조합하여 선택할 수 있다.

제3 실시예

이하, 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 감지기 장치(309)의 또 다른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 감지기 장치(309)는 도 1의 철도 차량(101)의 감지기 장치(109)를 대체할 수 있다. 감지기 장치(309)는 기본적인 구성과 기능 면에서 감지기 장치(109)와 대체로 일치하며, 이에 따라 차이점에 대해서만 주로 언급한다. 또한, 동일하거나 유사한 부품들에는 동일한 도면 부호에 100을 더한 도면 부호를 부여한다. 이하, 달리 설명하지 않는 한 이들 부품들의 특징과 기능들에 대해 위에서 한 설명을 명시적으로 참조하라.

감지기 장치(109)에 대한 차이점은 각각의 주행 상태에 대한 고장 분석의 적합화가 획득 특성, 여기서는 감지기 요소(309.9)(주행 장치(104)에 연결됨)의 관찰 범위(309.10)의 기하학적 형상의 적합화를 통해 이루어진다는 점에 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 감지기 요소(309.9)(주행 장치(104)에 연결됨)와 기준 요소(309.5)(객차 몸체(102)에 연결됨)는 철도 차량의 중립 상태에서 (주행 장치(104)와 객차 몸체(102) 사이의) 요잉 축에 대해 횡 방향으로는 편위되고 종 방향으로는 편위되지 않도록 배치된다.

각각의 주행 상태(예컨대 TE1 및 TE2) 하에서의 허용가능한 횡 방향 편위의 적합화 및 그에 따른 고장 분석의 적합화는 기준 요소(209.5)의 관찰 범위(309.10)의 형상, 더 정확하게는 곡률에 의해 이루어진다. 이와 같이 간단히 관찰 범위(309.10)의 형상(즉 감도 특성)을 변경함으로써 철도 차량의 실제 주행 상태에 대해 거의 어떠한 바람직한 적합화도 달성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 관찰 범위(309.10) 및 기준 요소(309.5)에 대해 임의의 적당한 기하학적 형상을 선택할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 고장 분석에 요구되는 적합화를 위해 필요에 따라 직선 구간과 곡선 구간을 임의로 적당히 조합하여 선택할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 정해진 동적 차량 거동 한계 및 정해진 탈선 위험의 관측을 달성한 실시예와 관련하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 달성해야 할 부가적인 혹은 대안적인 목표는 다른 기준 또는 한계의 관측일 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 유사한 방식으로, 철도 차량 높이 조정 시스템(vehicle levelling system)(궤도 상의 객차 몸체의 높이를 조정함)의 한계 관측이 이루어질 수 있다.

이상에서는 본 발명을 철도 차량과 관련해서 설명하기만 하였으나, 비상 서스펜션(emergency suspension)을 위한 공간 절약 해결책에 대한 유사한 문제들을 극복하기 위하여 임의의 유형의 차량에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims

객차 몸체(102)와, 상기 객차 몸체(102)를 지지하는 주행 장치를 포함하는 서스펜션 시스템(103)을 포함하는 철도 차량에 있어서,
감지기 장치(109; 209; 309)와 제어 장치(107)가 마련되며;
상기 감지기 장치(109; 209; 309)는, 상기 주행 장치(104)의 일부분과 관련된 상기 감지기 장치(109; 209; 309)의 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 상기 객차 몸체(102)와 관련된 상기 감지기 장치(109; 209; 309)의 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 공간 관계를 나타내는 적어도 한 상태 변수의 실제 값을 획득하며;
상기 제어 장치(107)는 상기 상태 변수의 상기 실제 값을 이용하여 적어도 하나의 미리 정해진 고장 기준의 충족 여부를 평가하는 고장 분석을 수행하며;
상기 제어 장치(109)는 상기 고장 분석에 의해서 상기 고장 기준이 충족된 것으로 밝혀지면 고장 신호를 발하는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제1항에 있어서,
상기 철도 차량은 길이 방향, 횡 방향 및 높이 방향으로 규정되며;
상기 상태 변수는 상기 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 상기 횡 방향으로의 변위를 나타내며; 그리고/또는
상기 상태 변수는 상기 높이 방향을 중심으로 한 상기 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 요잉 각 변위를 나타내는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 감지기 장치(109;209; 309) 및/또는 상기 제어 장치(107)는 상기 철도 차량의 실제 주행 상태에 따라 상기 고장 분석을 적합화시키며;
상기 실제 주행 상태는 특히 상기 철도 차량의 주행 속도 및/또는 상기 철도 차량의 주행 방향 및/또는 상기 철도 차량이 현재 지나가고 있는 궤도의 기하학적 형상에 의해 정해지며;
상기 궤도의 기하학적 형상은 특히 상기 궤도의 곡률, 상기 궤도의 편구배(superelecation) 및 상기 궤도의 비틀림 중 적어도 하나에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제3항에 있어서,
상기 감지기 장치(109;209; 309)는 주행 상태 변수의 실제 값을 획득하기 위한 주행 상태 감지기 유닛(114)을 포함하며;
상기 주행 상태 변수는 상기 철도 차량의 상기 실제 주행 상태를 나타내며;
상기 제어 장치(107)는 상기 주행 상태 감지기 유닛에 의해 제공되는 상기 주행 상태 변수의 상기 실제 값의 함수로서 상기 고장 분석을 수행하며; 그리고/또는
상기 감지기 장치(109)는 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 그 획득 거동(capturing behavior)을 변경하는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 감지기 장치(109)는 감지 방향으로의 상기 상태 변수의 상기 실제 값을 획득하는 상태 변수 감지기 유닛(109.9)을 포함하며;
상기 상태 변수 감지기 유닛(109.9)은 상기 철도 차량의 상기 실제 주행 상태의 함수로서 변하는 상기 감지 방향으로의 획득 거동, 특히 상기 감지 방향으로의 감도를 가지며;
상기 상태 변수 감지기 유닛(109.9)은 특히, 적어도 구간 방향(section wise)으로, 선형 및/또는 구형 획득 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제5항에 있어서,
상기 상태 변수 감지기 유닛(109.9; 209.9; 309.9)은 감지 요소(109.9)와 이에 관련된 기준 요소(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5)를 포함하며;
상기 감지 요소(109.9; 209.9; 309.9)는 상기 감지 방향으로의 상기 상태 변수의 상기 실제 값으로서의 상기 감지 요소(109.9; 209.9; 309.9)와 상기 기준 요소(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 적어도 하나의 거리를 나타내는 값을 획득하며;
상기 감지 요소(109.9; 209.9; 309.9)와 상기 기준 요소(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5)는 특히 상기 주행 장치(104)와 상기 객차 몸체(102) 사이에서 상기 서스펜션 시스템에 의해 정해지는 요잉 축으로부터 소정 거리, 특히 상기 종 방향을 따라 소정 거리만큼 떨어져서 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지기 장치(109; 209; 309)는 적어도 하나의 거리 감지기(109.9; 209.9; 309.9)를 포함하며;
상기 적어도 하나의 거리 감지기(109.9; 209.9; 309.9)는 상기 제1 기준부와 상기 제2 기준부 사이의 거리를 나타내는 적어도 한 값을 획득하며;
상기 적어도 하나의 거리 감지기(109.9; 209.9; 309.9)는 특히 근접 스위치식으로 구성된 것을 특징으로 하는 철도 차량.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 객차 몸체(102)는 상기 서스펜션 시스템(103)의 이차 스프링 시스템(104.4)을 거쳐서 상기 주행 장치(104) 상에 지지되며;
상기 제1 기준부와 상기 제2 기준부는 상기 이차 스프링 시스템(104.4)의 적어도 일부분과 운동학적으로 평행하게 배치되며;
특히, 상기 제1 기준부는 상기 주행 장치(104)의 제1 부분에 연결되고, 상기 제2 기준부는 주행 장치(104)의 제2 부분에, 특히 상기 주행 장치(104)의 제1 부분 상의 상기 이차 스프링 시스템의 일부분을 거쳐서 지지되는 볼스터(bolster)에 연결되거나, 혹은 상기 제2 기준부는 상기 객차 몸체에 연결되며;
특히, 상기 제1 기준부 및/또는 상기 제2 기준부는 상기 이차 스프링 시스템(104.4)의 부품, 특히 상기 이차 스프링 시스템의 공기 스프링에 일체화된 것을 특징으로 하는 철도 차량.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 서스펜션 시스템(103)은 힘 인가 장치(106.3)를 포함하며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 상기 제어 장치(107)의 제어 하에서 상기 적어도 한 상태 변수에 영향을 미치는 힘을 상기 서스펜션 시스템(103) 내에 인가하며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 특히 상기 고장 신호의 함수로서 그 작동을 변경시키고, 특히 상기 힘 인가 장치는 상기 고장 신호에 응답하여 비활성 작동 모드로 전환되며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 특히 상기 비활성 작동 모드에서 상기 객차 몸체(102)를 상기 주행 장치(104)에 대해 미리 정해진 중립 위치로 복귀시키도록 작용하는 복원력(resetting force)을 상기 서스펜션 시스템 내에 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 철도 차량.
제9항에 있어서,
상기 힘 인가 장치는 액추에이터 장치(106.3), 특히 상기 철도 차량의 종 방향으로 이어지는 틸팅 축을 중심으로 한 상기 객차 몸체(102)의 틸팅 각을 조정하는 틸팅 액추에이터를 포함하며; 그리고/또는
상기 힘 인가 장치는 상기 주행 장치와 상기 객차 사이의 움직임을 감쇄시키는 감쇄기 장치, 특히 요잉 감쇄기 장치를 포함하며; 그리고/또는
상기 제1 기준부 및/또는 상기 제2 기준부는 상기 힘 인가 장치(106.3)의 부품, 특히 상기 힘 인가 장치의 액추에이터(106.3)에 일체화된 것을 특징으로 하는 철도 차량.
객차 몸체(102) 및 상기 객차 몸체(102)를 지지하는 주행 장치를 포함하는 서스펜션 시스템(103)을 포함하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법에 있어서,
상기 주행 장치(104)와 관련된 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 상기 객차 몸체(102)와 관련된 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 공간 관계를 나타내는 적어도 한 상태 변수의 실제 값을 획득하며;
상기 상태 변수의 상기 실제 값을 이용하여 적어도 하나의 미리 정해진 고장 기준의 충족 여부를 평가하는 고장 분석을 수행하며;
상기 고장 분석에 의해 상기 고장 기준이 충족된 것으로 밝혀지면 고장 신호를 발하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법.
제11항에 있어서,
상기 철도 차량은 길이 방향, 횡 방향 및 높이 방향으로 규정되며;
상기 상태 변수는 상기 횡 방향으로의 상기 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 횡 방향 변위를 나타내며; 그리고/또는
상기 상태 변수는 상기 높이 방향을 중심으로 한 상기 제1 기준부(109.9; 209.9; 309.9)와 제2 기준부(109.5 내지 109.8; 209.5; 309.5) 간의 요잉 각 변위를 나타내는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 철도 차량의 실제 주행 상태에 따라 상기 고장 분석을 적합화시키며;
상기 실제 주행 상태는 특히 상기 철도 차량의 주행 속도 및/또는 상기 철도 차량의 주행 방향 및/또는 상기 철도 차량이 현재 지나가고 있는 궤도의 기하학적 형상에 의해 정해지며;
상기 궤도의 기하학적 형상은 특히 상기 궤도의 곡률, 상기 궤도의 편구배(superelecation) 및 상기 궤도의 비틀림 중 적어도 하나에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법.
제13항에 있어서,
주행 상태 변수의 실제 값을 획득하며;
상기 주행 상태 변수는 상기 철도 차량의 상기 실제 주행 상태를 나타내며;
상기 주행 상태 변수의 상기 실제 값의 함수로서 상기 고장 분석을 수행하며; 그리고/또는
상기 주행 상태 변수의 실제 값의 함수로서 상기 상태 변수 획득 거동을 변경하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 서스펜션 시스템(103)은 힘 인가 장치(1006.3)를 포함하며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 상기 적어도 한 상태 변수에 영향을 미치는 힘을 상기 서스펜션 시스템(103) 내에 인가하며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 특히 상기 고장 신호의 함수로서 그 작동을 변경시키고, 특히 상기 힘 인가 장치는 상기 고장 신호에 응답하여 비활성 작동 모드로 전환되며;
상기 힘 인가 장치(106.3)는 액추에이터 장치, 특히 상기 철도 차량의 종 방향으로 이어지는 틸팅 축을 중심으로 한 상기 객차 몸체(102)의 틸팅 각을 조정하는 틸팅 액추에이터이며; 그리고/또는
상기 힘 인가 장치는 상기 주행 장치(104)와 상기 객차(102) 사이의 움직임을 감쇄시키는 감쇄기 장치, 특히 요잉 감쇄기 장치이며; 그리고/또는
상기 제1 기준부 및/또는 상기 제2 기준부는 상기 힘 인가 장치(106.3)의 부품, 특히 상기 힘 인가 장치의 액추에이터(106.3)에 일체화된 것을 특징으로 하는 철도 차량의 서스펜션 시스템 고장 검출 방법.