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技術 地上側測定による鉄道車両の輪重・横圧の連続測定方法及びその装置

出願人 運輸省船舶技術研究所長住友金属工業株式会社
発明者 松本陽佐藤安弘鳥居修宮内栄二谷本益久
出願日 1996年12月25日 (22年11ヶ月経過) 出願番号 1996-357101
公開日 1998年7月14日 (21年5ヶ月経過) 公開番号 1998-185666
状態 特許登録済
技術分野 軌道敷設、保線機械 特殊目的重量測定 特定の目的に適した力の測定 電気磁気的手段を用いた長さ、角度等の測定
主要キーワード レールフランジ 平たん ひずみ波 レールウェブ 徐行走行 動ひずみ 剪断ひずみ 輪重変動
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年7月14日)のものです。
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図面 (10)

課題

地上側測定により鉄道車両輪重横圧を部分的に、または連続して測定する方法と装置を提供する。

解決手段

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2箇所に貼着したセンサ組複数組か、または前記センサ組と枕木をまたいでレール上の2箇所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて、少なくとも車輪の1周分の長さにわたって測定できるよう配設し、台車の輪重・横圧変動を車輪の1周分の長さ以上にわたって部分的に、または連続して測定し、輪重・横圧の測定波形を得ることを特徴とする。

概要

背景

現在、鉄道車両輪重横圧を測定するのに最も広く用いられているのは、剪断ひずみによる方法である。この方法は、レールにひずみ測定用センサを貼りつけて、車輪通過時のレールの動的剪断ひずみを測定することによって、輪重・横圧の大きさを知るという原理に基づいている(鉄道総合技術研究所編「在来鉄道運転速度向上試験マニュアル解説」を参照)。

輪重測定は、レールウェブ表裏中立軸上の2ヵ所に45°傾斜して貼りつけた直交型ひずみ測定用センサ4枚(合計8センサ分)をブリッジ結線して車輪通過時のひずみ波形を記録すると、突起状の波形が記録される。この突起の高さが輪重に比例するので、荷重較正ロードセルを取り付けたジャッキ等によってレールに荷重をかける)により輪重とひずみの関係を求めておけば、車輪通過時の輪重値が求められる。また、横圧については、レールフランジに貼りつけられるひずみ測定用センサによって、前記輪重測定と同様に求めることができる。

剪断ひずみによる測定の目的は、隣設車輪の影響を受けずに輪重・横圧が測定できるように開発されたものである。また、いわゆる4ゲージ法であるため、ノイズ電流打ち消し合うように作用し、きれいな波形が得られる。

しかしながら、前記従来の方法は、ひずみ測定用センサは枕木と枕木の間のレールに貼りつけられ、1組のセンサ間隔は200mm程度であり、車輪がそこを通過したときの輪重または横圧のピーク値しか得られない。すなわち、ある瞬間の値しかつかむことができず、この瞬間値は必ずしも最小値あるいは最大値とはいえなかった。また、枕木が存在する部分では、その影響が避けられないため、輪重や横圧は測定できないとされていた。したがって、ある区間走行する列車の輪重・横圧の特異値(最大値、最小値)や輪重・横圧の変動を把握することは原理的に困難であった。

一方、輪重・横圧の車両側測定としては、車輪にひずみ測定用センサを貼って輪重・横圧を求める方法があるが、車輪は回転するため、車軸に孔をあけてリード線を通し、軸端スリップリング取付けるなど、特別な加工が必要なことから、現実的にはある特定の輪軸での値しか求めることができないという問題がある。

概要

地上側測定により鉄道車両の輪重・横圧を部分的に、または連続して測定する方法と装置を提供する。

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2箇所に貼着したセンサ組複数組か、または前記センサ組と枕木をまたいでレール上の2箇所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて、少なくとも車輪の1周分の長さにわたって測定できるよう配設し、台車の輪重・横圧変動を車輪の1周分の長さ以上にわたって部分的に、または連続して測定し、輪重・横圧の測定波形を得ることを特徴とする。

目的

本発明は、前記のごとく従来の輪重・横圧測定方法が多くの問題をかかえている現状を踏まえ、それらの問題点を排除し、輪重や横圧のピーク値だけでなく、枕木が存在する部分を含めて連続的に輪重・横圧の測定が可能で、ある区間を走行する列車の輪重・横圧の連続的な変動及び特異値(最大値、最小値)の把握が可能な地上側測定による鉄道車両の輪重・横圧を部分的に測定するか、または連続測定する方法及びその装置を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
5件

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請求項1

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組複数組を、少なくとも車輪の1周分の長さ以上にわたって配設し、台車輪重横圧変動を車輪の1周分の長さ以上にわたって測定することを特徴とする地上側測定による鉄道車両の輪重・横圧の測定方法

請求項2

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組の複数組を、少なくとも車輪の1周分の長さ以上にわたって配設したことを特徴とする地上側測定による鉄道車両の輪重・横圧の測定装置

請求項3

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組と、ひずみ測定用センサを1つの枕木をまたいでレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて車輪の1周分の長さ以上にわたって配設し、台車の輪重・横圧変動を車輪の1周分の長さ以上にわたって測定することを特徴とする鉄道車両の輪重・横圧の連続測定方法

請求項4

ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組と、ひずみ測定用センサを1つの枕木をまたいでレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて車輪の1周分の長さ以上にわたって配設したことを特徴とする鉄道車両の輪重・横圧の連続測定装置

技術分野

0001

本発明は、地上側測定により鉄道車両輪重横圧を少なくとも車輪の1周分の長さ以上にわたって部分的に測定するか、または連続測定する方法及びその装置に関する。

背景技術

0002

現在、鉄道車両の輪重・横圧を測定するのに最も広く用いられているのは、剪断ひずみによる方法である。この方法は、レールにひずみ測定用センサを貼りつけて、車輪通過時のレールの動的剪断ひずみを測定することによって、輪重・横圧の大きさを知るという原理に基づいている(鉄道総合技術研究所編「在来鉄道運転速度向上試験マニュアル解説」を参照)。

0003

輪重測定は、レールウェブ表裏中立軸上の2ヵ所に45°傾斜して貼りつけた直交型ひずみ測定用センサ4枚(合計8センサ分)をブリッジ結線して車輪通過時のひずみ波形を記録すると、突起状の波形が記録される。この突起の高さが輪重に比例するので、荷重較正ロードセルを取り付けたジャッキ等によってレールに荷重をかける)により輪重とひずみの関係を求めておけば、車輪通過時の輪重値が求められる。また、横圧については、レールフランジに貼りつけられるひずみ測定用センサによって、前記輪重測定と同様に求めることができる。

0004

剪断ひずみによる測定の目的は、隣設車輪の影響を受けずに輪重・横圧が測定できるように開発されたものである。また、いわゆる4ゲージ法であるため、ノイズ電流打ち消し合うように作用し、きれいな波形が得られる。

0005

しかしながら、前記従来の方法は、ひずみ測定用センサは枕木と枕木の間のレールに貼りつけられ、1組のセンサ間隔は200mm程度であり、車輪がそこを通過したときの輪重または横圧のピーク値しか得られない。すなわち、ある瞬間の値しかつかむことができず、この瞬間値は必ずしも最小値あるいは最大値とはいえなかった。また、枕木が存在する部分では、その影響が避けられないため、輪重や横圧は測定できないとされていた。したがって、ある区間走行する列車の輪重・横圧の特異値(最大値、最小値)や輪重・横圧の変動を把握することは原理的に困難であった。

0006

一方、輪重・横圧の車両側測定としては、車輪にひずみ測定用センサを貼って輪重・横圧を求める方法があるが、車輪は回転するため、車軸に孔をあけてリード線を通し、軸端スリップリング取付けるなど、特別な加工が必要なことから、現実的にはある特定の輪軸での値しか求めることができないという問題がある。

発明が解決しようとする課題

0007

前記のごとく、従来の剪断ひずみによる地上側測定方法では、車輪がそこを通過したときの輪重または横圧のピーク値しか得ることができず、また枕木が存在する部分では、その影響が避けられないため、輪重や横圧は測定できなかった。一方、車上側測定では、特定列車特定台車でしか測定値が得られない欠点があった。

0008

本発明は、前記のごとく従来の輪重・横圧測定方法が多くの問題をかかえている現状を踏まえ、それらの問題点を排除し、輪重や横圧のピーク値だけでなく、枕木が存在する部分を含めて連続的に輪重・横圧の測定が可能で、ある区間を走行する列車の輪重・横圧の連続的な変動及び特異値(最大値、最小値)の把握が可能な地上側測定による鉄道車両の輪重・横圧を部分的に測定するか、または連続測定する方法及びその装置を提供するものである。

0009

(1) 前記目的を達成するため、本発明の鉄道車両の輪重・横圧の測定方法は、ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組複数組を少なくとも車輪の1周分の長さにわたって配設し、台車の輪重・横圧変動を車輪の1周分の長さ以上にわたって測定することを特徴とする。

0010

(2) 本発明の鉄道車両の輪重・横圧の測定装置は、ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組の複数組を少なくとも車輪の1周分の長さ以上にわたって配設したことを特徴とする。

0011

(3) 本発明の鉄道車両の輪重・横圧の連続測定方法は、ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組と、ひずみ測定用センサを1つの枕木を跨いでレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて車輪の1周分の長さ以上にわたって測定することを特徴とする。

0012

(4) 本発明の鉄道車両の輪重・横圧の連続測定装置は、ひずみ測定用センサを隣設する枕木間隔に近い距離でレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組と、ひずみ測定用センサを1つの枕木を跨いでレール上の2ヵ所に貼着したセンサ組とを交互に、かつ前後センサ組を一部重複させて車輪の1周分の長さ以上にわたって配設したことを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0013

隣設する枕木の間に貼りつけるひずみ測定用センサ組を枕木間隔に近くなるまで離して貼りつけることにより、レール上のそれらのひずみ測定用センサに挟まれた領域では、車輪の位置に関わらず、輪重または横圧に比例した一定の剪断ひずみが測定でき、この領域内で輪重や横圧の変動があれば、それに比例したひずみ変化として検出できる。更に、2ヵ所1組の剪断ひずみ測定用センサを、枕木を跨いで設置する場合は、その反力の影響を受けて枕木間に設置したセンサ組の波形よりも感度が低くなることが考えられるが、その感度を補正して枕木間に設置したセンサ組の波形と接続することにより、連続化した波形が得られる。また、枕木上のレールで輪重変動が生じた場合もひずみ変化として測定できる。したがって、隣設する枕木間隔内に設けたセンサ組と枕木を跨いで設けたセンサ組とをレールに沿って連続して貼りつければ、どんな長さの区間でも、その区間で連続的に車輪の輪重や横圧を測定することができる。

0014

前記ひずみ測定用センサの貼りつけ例を図1(A)(B)に示す。図1(A)は、輪重測定用ひずみセンサ組であり、隣設する枕木1、2間においてレール3の剪断ひずみを測定するセンサ組P1を、点A1とA2に貼りつける。また、枕木を跨いだセンサ組P2を点B1とB2に張り付ける。図では枕木間に貼りつけたセンサ組P1と枕木を跨いだセンサ組P2の2組だけを示したが、前記2種類のひずみセンサ組の複数を交互に配設することにより、測定区間は任意に延長することができる。なお、図中の4は車輪を示す。また、図1(B)は横圧測定用ひずみセンサ組であり、隣設する枕木1、2間においてレール3の剪断ひずみを測定するセンサ組Q1を、点A1とA2に貼りつける。また、枕木を跨いだセンサ組Q2を点B1とB2に張り付ける。

0015

前記センサ組P1とセンサ組P2及びセンサ組Q1とセンサ組Q2は、それぞれブリッジ接続して動ひずみ計に接続する。この動ひずみ計から出力されたデータをAD変換して、波形処理用のデータとする。以後このデジタルデータを用いて、波形処理をパーソナルコンピュータ上で行なう。本装置ブロック図を図2に示す。

0016

センサ組P1とセンサ組P2及びセンサ組Q1とセンサ組Q2の求めた波形は、それぞれを1つに接続するため、センサ組P1とセンサ組P2及びセンサ組Q1とセンサ組Q2のそれぞれの感度を合わせる必要がある。そのための較正係数は、輪重の場合は、ロードセルを取り付けた油圧ジャッキによって保線作業用車両等を反力として、レール面に下向きの力を加え、このときひずみセンサに発生したひずみ量とロードセルで測定した荷重との関係から求める。この際の荷重載荷点は、輪重については、載荷位置による感度のばらつきが小さいため、A1とA2の中間点及びB1とB2の中間点の各1箇所でよい。

0017

各センサ組ごとに求めた較正係数を、測定したい列車が通過する際の各センサ組のひずみ原波形に掛けることによって、感度を合わせることができ、それらの波形を1つの軸上に描かせ、それらの波形の重なり合う所で接続すれば、1本の連続した波形が得られる。この様子を輪重について図3(A)〜(E)に示す。すなわち、(A)はセンサ組P1で測定された枕木間の輪重原波形P1、(B)はセンサ組P2で測定された枕木上の輪重原波形P2、(C)は鉛直ひずみゲージによるトリガー、(D)は輪重原波形P1とP2を重ねたときトリガーの位置で波形が切断している状態を示す、(E)は感度係数を掛けてP2の感度をP1の感度に合せ、1つに連続化した波形である。

0018

なお、保線作業用車両等を徐行して通過させたときの輪重波形を測定することにより、一定の輪重を作用させ2つのセンサ組でそれぞれ発生するひずみからセンサの感度の比を求め、枕木上のセンサ組の出力波形に掛け合わせることにより、各センサ組の感度を合わせることもできる。

0019

横圧については、内軌側レールを反力とするなどして、油圧ジャッキで外軌側レールの頭部側面を水平方向に載荷し、荷重とひずみ出力との関係を求める。載荷位置による横圧の感度のばらつきが見られるため、載荷点はA1とA2の間及びB1とB2の間でそれぞれ5箇所程度以上で行なうことが望ましい。また、前記5箇所程度以上に設けることができない場合は、測定列車が通過する際に、1編成の各台車の先頭方向の輪軸によって発生した横圧を重ね書きして、それらの平均的な横圧測定波形を求め、そのカーブ平たんになるように補正する方法でも対処できる。

0020

1編成の列車が通過する際に測定された横圧波形を、各輪軸の通過時刻スライドさせ8軸分を重ねて描いた波形を図4に示す。図中での波形の上下方向のばらつきは、各台車で発生している横圧の違いを表している。図4の各波形の平均をとり、平均値の最大値で正規化し、最大値の1/2未満のデータはとした上で、横軸距離ベースに変換したものを図5実線Q11〜Q14に示す。

0021

前記実線Q11〜Q14を滑らかな曲線近似し、補正曲線として、この近似曲線逆数を取り、これを横圧の原データに掛け合わせることにより、平たんな感度で測定値を得ることが可能である。なお、荷重載荷を各5箇所以上で行なった場合は、各載荷点において求められた較正係数を包絡する滑らかな曲線を求め、補正曲線としては、この近似曲線の逆数を取り、同様にして測定値を得ることが可能である。

0022

実施例1
本発明の実施による測定装置を営業路線曲線部に設置して行なった実施例について説明する。その測定場所軌道諸元を表1に示す。

0023

0024

地上側測定配置は、図6(A)(B)に示すように、曲線部外軌側のレールにひずみ測定用センサを貼りつけ、輪重・横圧それぞれ5組ブリッジを組み、およそ1.8mの長さにわたって、連続的に測定できるようにした。輪重測定用のセンサ組は図6(A)にP1〜P5で、横圧測定用のセンサ組は図6(B)にQ1〜Q5で示した。また、レール上の車輪の位置関係を知るために、レールウェブに垂直方向に張り付けたひずみ測定用センサPm1〜Pm5を併設している。このセンサの直上を車輪が通過したとき、ピークとなる山形の波形が得られるので、そのピークをトリガーとして剪断ひずみ測定用センサの波形合成時にも使用することができる。

0025

測定に当たっては、先ず輪重については、ロードセルを取り付けた油圧ジャッキによって保線作業用車両を反力にして、レール面に下向きの力を加え、このときセンサに発生したひずみ量とロードセルで測定した荷重との関係を求めた。また、横圧については、内軌側レールを反力にして、油圧ジャッキで外軌側レールの頭部側面を水平方向に載荷した。

0026

次いで、保線作業車を徐行で通過させ輪重を測定した。そして、4両編成の試験電車の通過時に測定を行い、輪重・横圧の生データを得た。データは、サンプリング周波数5kHz(徐行走行時は500Hz)でAD変換して、波形処理用のデータとする。以後、このデジタルデータを用いて波形処理をコンピュータ部で行なった。

0027

図7(A)(B)(C)は、保線作業用車両の走行時に得られた輪重測定波形の中から1輪が通過する部分のみを取り出して表したものである。図7(A)のP1、P3、P5は、枕木間に設けたセンサ組により求めた輪重波形、図7(B)のP2、P4は、枕木を跨いだセンサ組により求めた輪重波形である。図7(C)は、前記P1〜P5の5本の波形感度を合わせた波形である。この波形から、枕木間のもの及び枕木を跨いだものに関わらず、ほぼ連続的に輪重測定波形が得られることがわかる。

0028

横圧については、前記図4図5に従って平均的な感度曲線を求め、それらを滑らかな曲線で近似した。三角関数指数関数楕円等の種々の当てはめ曲線を試みた結果、近似誤差二乗平均値が最も小さかった当てはめ曲線は、Y=A+BX+CX2+DX3+EX4 (A〜Eは定数)の形式の4次多項式であった。補正曲線としては、上記多項式で近似されたQ1〜Q5の逆数をとった。これを図8に示す。この図からわかるように、Q1とQ2、Q2とQ3、Q3とQ4、Q4とQ5の間でそれぞれ重複している区間があるため、連続的に横圧を測定することが可能である。

0029

データ処理をした結果を図9(A)(B)に示す。図9(A)の輪重、図9(B)の横圧共に連続しており、したがって脱線係数(横圧/輪重)も連続的値が得られることがわかる。また、輪重変動が観測された例を図10に示す。この図は車輪フラットが通過する際の波形を示す。

発明の効果

0030

本発明によれば、測定区間において枕木間の場合、枕木を跨いだ場合に関わらず、ほぼ連続的に輪重、横圧を測定できるから、ある区間を走行する列車の輪重・横圧の連続的な変動及び特異値(最大値、最小値)を得ることができ、列車の走行安全性の評価に用いることができるとともに、車輪フラットなどの車両側の異常を検出することができる。

図面の簡単な説明

0031

図1本発明のひずみ測定用センサの貼りつけを基本的に示す説明図で、(A)は輪重測定用センサ組、(B)は横圧測定用センサ組である。
図2本発明の輪重・横圧連続測定方法を示すブロック図である。
図3本発明の実施による波形処理方法を輪重測定波形を例にとって説明するグラフで、(A)は枕木間の輪重原波形P1、(B)は枕木上の輪重原波形P2、(C)は鉛直ひずみゲージによるトリガー、(D)は輪重原波形P1と輪重原波形P2を重ねたときトリガーの位置で波形が切断している状態を示す、(E)は輪重原波形P2の感度を輪重原波形P1に合うように調整した状態を示す。
図4本発明の実施による横圧について波形処理方法を説明するため、各台車の先頭軸の横圧を重ね書きしたグラフで、(A)は枕木上の横圧波形Q4、(B)は枕木間の横圧波形Q3である。
図5(A)〜(D)は図4の重ね書きした横圧の平均化した波形を示すグラフである。
図6本発明の実施例における測定用センサの配置を示す説明図で、(A)は輪重測定用センサ組、(B)は横圧測定用センサ組である。
図7図6(A)のセンサ配置により測定した輪重波形を連続化した例の説明図で、(A)は枕木間の輪重原波形P1、P3、P5、(B)は枕木上の輪重原波形P2、P4、(C)は一定輪重作用下の基準連続化波形である。
図8本発明の実施例として横圧感度を補正するために求めた補正曲線を示すグラフである。
図9本発明の実施により連続化した波形を示すグラフで、(A)は輪重、(B)は横圧である。
図10車輪フラット通過時の輪重測定波形を示すグラフである。

--

0032

1、2枕木
3レール
4車輪
P1〜P5輪重測定用センサ組(また輪重波形を示す場合もある)
Q1〜Q5横圧測定用センサ組(また横圧波形を示す場合もある)
Pm1〜Pm5 鉛直ひずみセンサ

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