CN104321615B - 轨道状态监视装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轨道状态监视装置，该轨道状态监视装置具备：加速度检测部，所述加速度检测部设置在铁道车辆，并检测在所述铁道车辆的车轮上产生的加速度中的、至少车轴方向上的加速度；路轨位置枪测部，所述路轨位置检测部设置在所述铁道车辆，并检测对相对于所述车轮的、所述路轨在车轴方向上的位置进行表示的值；积分运算部，所述积分运算部运算基于二重积分值的值，所述二重积分值为由所述加速度检测部枪测的加速度的、二重积分值；减法运算部，所述减法运算部通过从由所述积分运算部运算的值中减去由所述路轨位置检测部检测的值，而将所述车轮的蛇行分量抵消并运算所述路轨的左右方向的位移量。

Description

轨道状态监视装置
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2012年5月25日在日本专利局提交的日本发明专利申请第2012-119837号的优先权，所述日本发明专利申请的全部内容通过引用而并入本文。
技术领域
本发明涉及检测铁道车辆用路轨的左右方向的位移量的轨道状态监视装置。
背景技术
例如，在专利文献1记载的轨道状态监视装置中，通过将安装在轴箱或车体上的加速度计所检测的加速度二重积分来运算路轨的上下方向的位移(以下称为“高低不平顺”。)等并算出轨道不平顺的量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第2009-300397号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，可以认为铁道车辆的车轮踏而通常是与路轨接触的。此时，车轮轨迹中的上下方向的分量与路轨的上下方向的位移(即高低不平顺)大致一致。因此，如果将车轮或轴箱的、上下方向的加速度二重积分，则能够在实用上以充分的精度容易地求得高低不平顺的量。
但是，由于左右一对路轨间的尺寸稍大于左右一对轮缘间的尺寸，所以在路轨和轮缘之间会产生微小的间隙。因此，一对车轮以迂回于该间隙的方式，一边做些许的蛇行运动一边在路轨上移动。
在此情况下，车轮或轴箱的、左右方向的加速度的二重积分值不一定与路轨的左右方向的位移(以下略称为左右位移)一致。因此，即使将左右方向的加速度二重积分，也难以在实用上以充分的精度运算左右位移。
本发明的第一方面优选在实用上以充分的精度容易地运算左右位移。
解决问题的技术方案
本发明为轨道状态监视装置，其检测行驶铁道车辆的路轨的左右方向的位移量，其特征在于，具备：加速度检测部，所述加速度检测部设置在铁道车辆，并检测在铁道车辆的车轮上产生的加速度中的、至少车轴方向上的加速度；路轨位置检测部，所述路轨位置检测部设置在铁道车辆，并检测对相对于车轮的、路轨在车轴方向上的位置进行表示的值；积分运算部，所述积分运算部运算基于二重积分值的值，所述二重积分值为由加速度检测部检测的加速度的、二重积分值；减法运算部，所述减法运算部通过从由积分运算部运算的值中减去由路轨位置检测部检测的值，而将车轮的蛇行分量抵消并运算路轨的左右方向的位移量。
如果从通过将加速度二重积分而获得的值中减去对相对于车轮的、路轨的位置进行表示的值，则能够抵消车轮的蛇行分量。因此，根据本发明，能够排除路轨和轮缘的间隙的影响，所以能够在实用上以充分的精度容易地运算左右位移。
“左右位移”是指包括所谓的“轨道方向不平顺”的、路轨的左右方向的位移。“轨道方向不平顺”一般在表示路轨内侧(轨距边角侧)的路轨凹凸的时候使用。在本申请中，“轨道方向不平顺”可以为路轨内侧的路轨凹凸以及路轨外侧(外侧边角侧)的路轨凹凸中的任一个。
以下参照附图说明本发明的实施方式。
附图说明
图1是示出第1实施方式的轨道状态监视装置的构成的图。
图2A是第1实施方式的位移量运算部的模式图。
图2B是第1实施方式的位移量运算部的模式图。
图3A-图3B是示出由二维激光位移计检测路轨位置的说明图。
图4是正矢量的说明图。
图5A-图5B是用于说明本发明的实施方式的轨道状态监视装置的检测原理的图。
图6是示出第2实施方式的轨道状态监视装置的构成的图。
图7是第2实施方式的轨道状态监视装置特有的运行的说明图。
图8A是第3实施方式的位移量运算部的模式图。
图8B是第3实施方式的位移量运算部的模式图。
图9是示出第4实施方式的特征的图。
图10是示出第4实施方式的特征的图。
图11是示出第4实施方式的特征的图。
图12是表示位移量运算部所执行的处理的流程图。
附图标记的说明
1…转向架构架；3…车轴；5…轴箱；7…车轮；7A…车轮踏面；
7B…轮缘；9…加速度检测部；11…路轨位置检测部；
11A～11C…激光跟踪位移计；13…位移量运算部；
13A…积分运算部；13B…路轨位置运算部；13C…减法运算部
具体实施方式
权利要求书中记载的发明特定事项等不限于下述实施方式示出的具体的方法或构造等。
本实施方式的装置为应用了本发明的轨道状态监视装置。轨道状态监视装置构成为检测行驶新干线等高速铁道车辆的路轨的左右方向的位移量。
(第1实施方式)
1.轨道状态监视装置的构成
如图1所示，在铁道车辆的转向架构架1上设有可支撑车轴3的轴箱5。轴箱5被设置在左右两侧。车轴3以延伸的方式位于与行驶铁道车辆的左右一对路轨R正交的方向上。在车轴3的轴向两侧设有车轮7。不过在图1中仅图示出一方的车轮7。
车轮7具有车轮踏面7A以及轮缘7B。车轮踏面7A与路轨R的顶面R1接触，同时会旋转。轮缘7B与路轨R的侧面中的内侧(轨距边角侧)接触，同时会旋转。
轴箱5以可使车轴3旋转的方式支撑车轴3。与车轮7相比，轴箱5配设在更靠近轴端侧。如图2A、图2B所示，左右一对轴箱5的每一个上均设置有加速度检测部9。加速度检测部9检测上下方向的加速度以及车轴3的轴向(即左右方向)的加速度。具体而言，加速度检测部9具有检测上下方向的加速度的加速度计9A以及检测左右方向的加速度的加速度计9B。
由于轴箱5可支撑车轴3且车轴3与车轮7为一体化，所以轴箱5将构成会与车轮7一体地位移的刚体部。因此，设置在轴箱5上的加速度检测部9能够检测在车轮7上产生的上下方向以及左右方向的加速度。
在左侧的轴箱5上设置的加速度检测部9检测在左侧的车轮7上产生的上下方向以及左右方向的加速度(参照图2A)。在右侧的轴箱5上设置的加速度检测部9检测在右侧的车轮7上产生的上下方向以及左右方向的加速度(参照图2B)。
如图1所示，左右一对轴箱5的每一个上均设置有路轨位置检测部11，该路轨位置检测部11检测相对于车轮7的、路轨在车轴方向(左右方向)上的位置。该路轨位置检测部11构成为包括二维激光位移计。路轨位置检测部11为一种具有发光部和受光部的非接触型的位移计。二维激光位移计能够测量从路轨位置检测部11到对象物的距离以及对象物的宽幅。
如图3A所示，本实施方式的路轨位置检测部11(即二维激光位移计)能够同时计量从路轨位置检测部11到路轨R的距离以及从路轨位置检测部11到车轮7的距离。由此，能够检测相对于车轮7的路轨的位置(在车轴方向上的位置(以下仅称为“路轨的位置”。))。
在本实施方式中，基于从路轨位置检测部11到路轨R的颈状部分x或者到路轨的外侧z的距离与从路轨位置检测部11到车轮7的外侧侧面y的距离之差，来检测路轨的位置。因此，如果车轮7随着车辆的行驶而相对于路轨R在轴向上移动的话，则如图3B所示，路轨的位置也会位移。
2.正矢量运算部
2.1路轨的上下方向的状态
通常基于正矢量来判断路轨R的状态，即所谓的“高低不平顺”或“轨道方向不平顺”的大小。在此，如图4所示来定义正矢量V。
具体地，将在路轨R的长度方向上的任意两点记为A点、C点。将A点与C点的中间点记为B点。
将在A点、B点、C点的路轨R的位移量分别记为a、b、c。此时，正矢量V为“(a+c)/2-b”。
在本实施方式中，对于“高低不平顺”，各点的上下方向的加速度的二重积分值将作为在该点的路轨R的位移量而被算出。路轨R的上下方向的位移量是以上下方向的加速度为0的点作为基准的值。
“高低不平顺”(在规定点的上下方向的正矢量V)为如下值，即先求出两点(相当于A点、C点)的上下方向加速度的二重积分值之和(相当于上述a+c的值)，该规定点在该两点之间，然后从该和(＝a+c)除以2的值中减去该规定点(相当于B点)的上下方向加速度的二重积分值(相当于上述b的值)而得的值。
2.2路轨的左右方向的状态
路轨的左右方向的状态基于左右方向的正矢量来判断。但是，加速度检测部9检测在车轮7产生的加速度，因此通过加速度检测部9检测的左右方向的加速度为图5A所示的加速度Ac1加上图5B所示的加速度Ac2所算出的值。加速度Ac1为通过路轨R在左右方向上位移而在车轮7上产生的左右方向的加速度。加速度Ac2为通过车轮7相对于路轨R蛇行运动而在车轮7上产生的左右方向的加速度。
在本实施方式中，将下述值作为左右方向位移的正矢量来判断路轨R的左右方向的状态。即从基于由加速度计9B检测的加速度的、二重积分值而算出的正矢量中减去基于由路轨位置检测部11检测的路轨的位置而算出的正矢量而得到的值。
此时，左右方向位移的正矢量为表示下述位移量的正矢量，即抵消了车轮7的蛇行分量的、路轨R左右方向的位移量。在本实施方式中，如图2A、图2B所示，运算对在左侧路轨的、左右方向的位移进行表示的正矢量以及对在右侧路轨的、左右方向的位移进行表示的正矢量。
具体地，本实施方式的位移量运算部13具有积分运算部13A、路轨位置运算部13B以及减法运算部13C。积分运算部13A运算基于二重积分值的正矢量(以下称为合成正矢量。)，所述二重积分值为由加速度检测部9检测的加速度的、二重积分值。
积分运算部13A运算左右方向的正矢量和上下方向的正矢量。在本实施方式中，通过对每个应该运算的正矢量设置专用的运算电路并使这些运算电路并联地运行来求算正矢量。
路轨位置运算部13B运算基于由路轨位置检测部11检测的路轨位置的正矢量(以下称为相对正矢量。)。分别对右侧路轨以及左侧路轨运算相对正矢量。减法运算部13C从通过积分运算部13A运算的左右方向的合成正矢量中减去通过路轨位置运算部13B运算的相对正矢量。
具体地，减法运算部13C从对于左侧路轨的合成正矢量中减去对于左侧路轨的相对正矢量，并从对于右侧路轨的合成正矢量中减去对于右侧路轨的相对正矢量。本实施方式的位移量运算部13会输出至少4种正矢量。
加速度检测部9、路轨位置检测部11以及位移量运算部13等在多台车辆(例如16台车辆)编组的列车中，被设置在先头车辆和最末尾车辆。
并且，轨道状态监视装置，即通过位移量运算部13运算的左右方向的正矢量以及上下方向的正矢量通过无线通信以及电缆线路被传送到中央监视中心后，会从中央指令终端被传送至线路养护所终端以及管理部门终端。
3.本实施方式的轨道状态监视装置的特征
如上所述，通过加速度检测部9检测的左右方向的加速度为如下值，即由通过路轨R在左右方向上位移而在车轮7上产生的左右方向的加速度，加上通过车轮7相对于路轨R蛇行运动而在车轮7上产生的左右方向的加速度而算出的值。
并且，从合成正矢量中减去相对正矢量而得的正矢量为基于下述位移量的正矢量，即从通过将左右方向的加速度二重积分而获得的左右方向的合成位移量中，减去相对于车轮7的、路轨的相对位移量而得到的位移量。
如果从通过将加速度二重积分而获得的值中减去对相对于车轮7的、路轨的位置进行表示的值，则能够抵消车轮7的蛇行分量，因此从合成正矢量中减去相对正矢量而得的正矢量表示抵消了车轮7的蛇行分量的左右方向的正矢量。
因此，根据本实施方式，能够排除路轨R与轮缘7B的间隙的影响，所以能够在实用上以充分的精度容易地运算左右位移。
(第2实施方式)
在上述实施方式中，路轨位置检测部11构成为包括二维激光位移计，不过如图6所示，路轨位置检测部11也可以构成为包括并联配设的多个激光跟踪位移计11A～11C。
激光跟踪位移计能够测量至对象物的距离，但不能测量对象物的宽幅。因此，例如，在图6所示的状态下，虽然能够测量从激光跟踪位移计11A到路轨R的距离，但是如果车轮7相对于路轨R在左右方向上移动而成为图7所示的状态的话，则通过激光跟踪位移计11A不能测量至路轨R的距离。
因此，在本实施方式中，在规定方向(例如上下方向)上排列多个(例如3个)激光跟踪位移计11A～11C，当判断为通过激光跟踪位移计11A不能测量至路轨R的距离时，将通过激光跟踪位移计11B来测量至路轨R的距离。
此时进一步地，当判断为通过激光跟踪位移计11B不能测量至路轨R的距离时，将通过激光跟踪位移计11C来测量至路轨R的距离。即，将基于通过激光跟踪位移计11A～11C中的任一个激光跟踪位移计测量的距离来运算对相对于车轮7的、路轨R在车轴方向上的位置进行表示的值。
能否通过激光跟踪位移计11A测量至路轨R的距离的判断基于激光跟踪位移计11A的测量结果H1(参照图6)是否在预先设定的范围内来判断。即，当测量结果H1在预先设定的范围外时，判断为通过激光跟踪位移计11A不能测量。
测量结果H1可通过下式求算。
H1＝L1·sinθ
同样地，能否通过激光跟踪位移计11B测量至路轨R的距离的判断基于激光跟踪位移计11B的测量结果H2(参照图7)是否在预先设定的范围内来判断。即，当测量结果H2在预先设定的范围外时，判断为通过激光跟踪位移计11B不能测量。
H2可通过下式求算。
H2＝L2·sinθ
上述“预先设定的范围”储存在位移量运算部13中。能否通过激光跟踪位移计11A或11B测量至路轨R的距离的判断将通过位移量运算部13来运行。
如图12所示，首先在S100中，位移量运算部13取得激光跟踪位移计11A的测量结果H1。
接下来，转移到S110，判断测量结果H1是否在预先设定的范围内。
在S110中，如果判断为在预先设定的范围内(S110：是)，则转移到S150，将测量结果H1作为表示至路轨R的距离的值而取得。并且之后结束该处理。
另一方面，在S110中，如果判断为不在预先设定的范围内(S110：否)，则转移到S120。
在S120中，取得激光跟踪位移计11B的测量结果H2。
接下来，转移到S130，判断测量结果H2是否在预先设定的范围内。
在S130中，如果判断为在预先设定的范围内(S130：是)，则转移到S150，将测量结果H2作为表示至路轨R的距离的值而取得。并且之后结束该处理。
另一方面，在S130中，如果判断为不在预先设定的范围内(S130：否)，则转移到S140。
在S140中，取得激光跟踪位移计11C的测量结果H3。
接下来，转移到S150，将测量结果H3作为表示至路轨R的距离的值而取得。并且之后结束该处理。
此外，对于使用通过多个激光跟踪位移计11A～11C中的哪一个激光跟踪位移计测量的值的判断方法，不限于上述的例子，也可以使用其他的判断方法。
也可以基于轨道状态监视装置所要求的检测精度或者成本等来适当决定路轨位置检测部11构成为或者包含二维激光位移计或者包含多个激光跟踪位移计。
(第3实施方式)
在上述实施方式中，通过从合成正矢量中减去相对正矢量来运算左右方向的正矢量，但是如图8A-8B所示，也可以不运算合成正矢量以及相对正矢量，而基于下述值来运算左右方向的正矢量，即基于从左右方向的加速度的二重积分值中减去表示路轨位置的值而得的值。
本实施方式的积分运算部13A不运算左右方向的正矢量，而是向减法运算部13C输出由加速度检测部9检测的加速度的、二重积分值。减法运算部13C会从左右方向的加速度的二重积分值中减去表示路轨位置的值。
然后，正矢量运算部13D基于从左右方向的加速度的二重积分值中减去表示路轨位置的值而得的值，来运算左右方向的正矢量。并且，在本实施方式中也会输出左侧路轨以及右侧路轨的每一个路轨的左右方向的正矢量。
由此，在本实施方式中，能够减少运算正矢量的次数，因此能够减轻位移量运算部13的处理负担。
(第4实施方式)
在上述实施方式中，通过路轨位置检测部11检测路轨R外侧的位置，不过，如图9～图11所示，也可以基于路轨R内侧的位置来检测路轨的位置。
在图9所示的例子中，路轨位置检测部11通过固定夹具11D安装于车轴3。在图10所示的例子中，路轨位置检测部11安装在设置在转向架构架1上的中央梁部1A上。
在图11所示的例子中，通过安装在转向架构架1上的安装架体11E安装路轨位置检测部11。平衡重11F为在路轨R的长度方向上隔着中央梁部1A而安装在路轨位置检测部11相反侧的锤。并且，在图11所示的例子中，通过平衡重11F来抑制高速行驶时在安装架体11E产生过度的振动。
图9～图11所示的路轨位置检测部11构成为包括二维激光位移计，但是本实施方式不限于此，路轨位置检测部11例如也可以构成为包括多个激光跟踪位移计11A～11C。
(其他实施方式)
在上述实施方式中，在轴箱5设置有路轨位置检测部11以及加速度检测部9，但是本发明不限于此。如果是与车轮7一体位移的刚体部，也可以将路轨位置检测部11以及加速度检测部9设置在轴箱5以外的部位。
此外，在上述实施方式中，路轨位置检测部11构成为包括具有发光部以及受光部的非接触型的位移计，但是本发明不限于此。
此外，在上述实施方式中，将本发明应用于检测行驶高速铁道车辆的路轨的、左右方向的位移量的轨道状态监视装置，但是本发明不限于此。
此外，上述实施方式的轨道状态监视装置为边进行营业运行边监视路轨R状态的轨道状态监视装置。但是本发明不限于此。例如，轨道状态监视装置也可以安装在监视路轨R状态的专用车辆或者专用治具等上。此外，也可以将轨道状态监视装置安装在不能靠自力行驶的车辆上，并使该车辆与能够靠自力行驶的车辆相连结。
此外，在上述实施方式中，通过正矢量来判断路轨R的状态，但是本发明不限于此，例如也可以通过从左右方向的加速度的二重积分值中减去表示路轨位置的值而得的值自身，来判断路轨R的状态。
此外，在上述实施方式中，将加速度检测部9设置在两方的轴箱5上，但是也可以仅在左右一对轴箱5中的任一方的轴箱5上设置加速度检测部9。
此外，在上述实施方式中，对每个应该运算的正矢量设置了专用的运算电路，再使这些运算电路并联运行，但是本发明不限于此。
例如，可以设置共用的专用运算电路，并可以通过该运算电路依次运算多种正矢量。而且，也可以不设置专用运算电路的运算电路(硬件)，而是通过将软件(程序)安装在具有CPU、ROM以及RAM等的计算机等通用性高的运算单元，来运算上述正矢量。
此外，本发明只要符合权利要求书所记载的发明主旨即可，并不限于上述实施方式。

Claims (6)

1.一种轨道状态监视装置,其检测行驶铁道车辆的路轨的左右方向的位移量，其特征在于，具备：
加速度检测部，所述加速度检测部设置在所述铁道车辆，并检测在所述铁道车辆的车轮上产生的加速度中的、至少车轴方向上的加速度；
路轨位置检测部，所述路轨位置检测部为设置在所述铁道车辆的路轨位置检测部，所述路轨位置检测部检测相对于该路轨位置检测部的、所述路轨的位置和相对于该路轨位置检测部的、所述车轮的位置，并基于两者检测对在所述车轴方向上的、所述路轨相对于所述车轮的位置进行表示的值；
路轨位置运算部，所述路轨位置运算部对基于由所述路轨位置检测部检测的路轨位置的正矢量进行运算；
积分运算部，所述积分运算部运算基于二重积分值的正矢量，所述二重积分值为由所述加速度检测部检测的加速度的二重积分值；以及
减法运算部，所述减法运算部通过从由所述积分运算部运算的正矢量中减去由所述路轨位置运算部运算的正矢量，而将所述车轮的蛇行分量抵消并运算表示所述路轨的左右方向的位移量的正矢量。
2.根据权利要求1所述的轨道状态监视装置,其特征在于,
所述路轨位置检测部以及所述加速度检测部配设在与所述车轮一体位移的刚体部。
3.根据权利要求2所述的轨道状态监视装置,其特征在于,
所述刚体部为轴箱，所述轴箱可支撑所述车轮的车轴。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轨道状态监视装置,其特征在于,
所述路轨位置检测部为具有发光部以及受光部的非接触型的位移计。
5.根据权利要求4中所述的轨道状态监视装置,其特征在于,
所述路轨位置检测部构成为具有二维激光位移计。
6.根据权利要求4所述的轨道状态监视装置,其特征在于,
所述路轨位置检测部构成为具有并联配设的多个激光跟踪位移计。
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