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한스포드 센서스(Hansford Sensors)와 ASC의 센서 솔루션

철도 운송에서의 진동 및 닜동 모니터링

차량과 인프라의 진동 및 떨림에 대한 고정밀 측정은 안전하고 편안한 철도 운송을 위한 근본적인 요구사항입니다. 센서는 열차의 개발, 제작, 운행뿐만 아니라 선로, 선로 전환기, 교량을 위한 모니터링 시스템에서 핵심적인 역할을 합니다.

선로 용량의 최적화와 증가하는 철도 교통량은 장애에 신속하게 대응할 수 있는 시스템을 요구합니다. 진동과 흔들림의 평가는 차량의 현재 상태를 평가하는 데 사용될 뿐만 아니라 향후 재료의 취약성을 조기에 감지할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 비용이 많이 드는 손상이 발생하기 전에 시정 조치를 시행할 수 있습니다.

측정 데이터는 실시간으로 전송되어 디지털화될 수 있으며, 이는 디지털 트윈 응용 프로그램의 기초를 형성합니다. 이는 진동 및 오실레이션 데이터를 처리하기 위한 지능형 알고리즘과 결합된 견고한 센서 솔루션에 기반합니다.

철도 분야의 과제

철도 차량, 특히 대차, 차축, 제동장치, 차륜 베어스는 극심한 기계적 하중에 노출됩니다. 이 부품들은 EN 13749 표준에 따라 설계되고 테스트됩니다.

테스트 과정에서 열차는 혹독한 조건 속에서 수천 킬로미터를 주행하며, 특히 차륜셋과 대차를 테스트할 때 최대 400g에 달하는 충격이 발생하는 것도 드문 일이 아닙니다. 이러한 힘은 센서에도 작용하므로 진동 센서는 예외적으로 견고하고 장기적인 안정성을 가지며 신뢰할 수 있어야 합니다.

철도 운행에서의 센서 요구사항 진화

역사적으로 철도 분야의 진동 센서는 주로 시험 열차에 사용되었습니다. 이 시스템들은 선로 상부 구조의 기하학적 결함을 식별하기 위해 선로 위치 및 수직 가속도와 같은 매개변수를 측정했습니다. 이 정보는 유지보수 활동을 계획하고 일정을 잡는 데 도움을 주었습니다.

그러나 시운전과 후속 데이터 평가는 지연된 후에야 차량이나 선로 상태에 대한 통찰력을 제공합니다. 정기 운행 중 지속적인 모니터링을 통해 잠재적 취약점을 훨씬 더 일찍 파악할 수 있으며, 이는 철도 차량의 안전성과 신뢰성에 크게 기여합니다.

철도망의 디지털화 및 지속적 모니터링

철도 부문 전반에 걸친 디지털 기술의 도입은 철도망의 수용력, 효율성 및 품질을 향상시키고 있습니다. 센서는 상태 데이터의 실시간 전송과 분산형 접근을 가능하게 하여, 운영자가 언제든지 차량과 인프라의 정확한 상태를 추적할 수 있도록 합니다.

센서는 더 이상 시험 열차에만 국한되지 않습니다. 현재 센서는 고속열차, 지역 열차, 트램, 지하철 시스템, 그리고 교외 철도에 통합되어 있습니다. 결과적으로 센서는 DIN EN 50155 및 IEC 60751 표준의 요건을 충족해야 합니다.

이러한 변화로 인해 대규모 배치에 적합한 비용 효율적인 산업용 등급 센서에 대한 수요가 증가했습니다.

철도 승인 센서 개발 파트너십

철도 승인을 받은 산업용 압전 IEPE 가속도 센서의 개발을 위해 두 명의 센서 전문가가 협력했습니다.

까다로운 테스트 및 측정 응용 분야를 위한 MEMS 기반 관성 센서의 선도적인 제조업체인 ASC GmbH는 산업용 진동 센서 설계 및 제조 전문가인 Hansford Sensors와 파트너십을 맺었습니다.

Hansford Sensors는 센서 디자인의 유연성을 제공하여 철도 승인 요구 사항에 맞게 센서 속성을 특별히 맞춤화할 수 있도록 했습니다. Hansford Sensors가 OEM 센서 기술을 적용하는 동안, ASC는 시스템 디자인, 인증 및 전반적인 구현에 집중했습니다.

철도 진동 센서에 사용되는 기술

현대의 가속도 센서는 일반적으로 압전 작동 원리를 사용합니다. 전단 기술이 일반적이지만, 압축 기술은 철도 응용 분야에서 장점을 제공합니다.

압축 센서는 고진폭 충격에 지속적으로 노출되는 환경에 더 적합합니다. 샌드위치 구조로 제작되어 기계적으로 견고하며, 전단 방식 설계에 비해 미세 균열에 덜 민감합니다.

개발은 측면 및 상단 커넥터 옵션이 있는 기존의 압전식 가속도 센서를 기반으로 이루어졌습니다. 이 센서들은 이미 압축 기술을 활용하고 있었으며, 피로 시험 및 철도 전용 요구 사항에 맞추기 위한 강력한 기반을 제공했습니다.

철도 차량 운행 조건

대차 어셈블리는 철도 차량의 하중뿐만 아니라 차륜과 베어링에 작용하는 모든 힘을 흡수합니다. 선로 유도 주행은 레일 결함 및 차륜 타이어의 평면 마모를 포함한 재료 마모를 유발합니다.

고속 코너링은 차륜 세트에 추가적인 하중을 발생시켜 베어링 마찰과 마모를 증가시킨다. 레일 간격과 차축 치수 간의 차이 또한 사인파 운동으로 인한 가속도를 유발한다.

가속도가 임계값을 초과할 경우, 극단적인 상황에서는 탈선 사고가 발생할 수 있습니다. 보기의 진동을 신뢰성 있게 모니터링하면 손상 진행 상황을 조기에 파악할 수 있어, 예방 정비를 실시하고 예기치 못한 고장을 방지할 수 있습니다.

건설철도 승인

목표는 열차에 지속적으로 사용하기에 적합하고 비용 효율적인 대중 시장용 IEPE 가속도 센서를 개발하는 것이었습니다.

센서의 핵심은 산업용 IEPE 센서에 이미 사용되고 있는 OEM 캡슐입니다. 이 기술은 0.5헤르츠에서 17킬로헤르츠에 이르는 넓은 주파수 대역, 플러스 마이너스 16g에서 플러스 마이너스 800g에 이르는 다양한 측정 범위, 그리고 최대 5,000g의 내충격성을 제공합니다.

철도 용도에 있어서 신뢰성은 필수적입니다. 25만 시간, 즉 약 28년 반에 달하는 계산된 평균 고장 간격(MTTF)을 통해 이 센서는 장기적인 운용 요구 사항을 충족합니다.

이 센서 하우징은 철도 환경을 위해 특별히 개발되었습니다. 밀폐 구조로 설계되었으며, 견고한 스테인리스 스틸로 제작되어 엄격한 진동 및 충격 테스트 기준을 충족합니다. IP68 등급을 획득하여 먼지, 습기, 자갈 충격, 극한의 온도에 견딥니다.

모든 기술적 설계 기능은 개발 과정에서 확정되었고 EN 50155에 따른 테스트를 통해 검증되었습니다. ASC와 Hansford Sensors 간의 긴밀한 협력을 통해 OEM 센서 캡슐이 철도 전용 하우징에 올바르게 통합되었습니다.

장착 및 설치 시 고려 사항

기존의 IEPE 센서는 종종 단일 고정점을 사용하여 장착되므로 이중화(redundancy)가 제공되지 않습니다. 철도 응용 분야에는 더 견고한 장착 솔루션이 필요합니다.

철도 전용 센서는 내화성, 무할로겐, 난연성을 갖추고 온도, 자외선(UV), 오존에 강한 영구 일체형 케이블을 사용합니다.

가능한 한 추가적인 기계적 인터페이스는 배제되었는데, 이는 재질의 변화가 주파수 응답에 영향을 미치고 측정 오차를 유발할 수 있기 때문입니다. 또한 하우징 설계를 통해 민감한 측정 방향을 선택할 수 있으므로, 추가적인 브래킷이나 마운팅 어댑터가 필요하지 않습니다.

철도 센서 개발 전망

철도 분야용 대중 시장 IEPE 가속도 센서의 시장 표적 출시는 2021년 상반기로 계획되었습니다.

개발 과정에서 얻은 지식은 추가적인 전기 인터페이스, 대체 전원 공급 옵션, 새로운 센서 디자인을 비롯하여 향후 프로젝트에 계속해서 유용한 정보를 제공합니다.

한스포드 센서스는 철도 차량 제조사들과의 협력을 통해 제품 포트폴리오를 지속적으로 최적화하며, 철도 분야의 진동 모니터링 기술 발전에 기여하고 있습니다.