JP2000136988A - レール波状摩耗検出手法 - Google Patents

レール波状摩耗検出手法

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JP2000136988A JP10310486A JP31048698A JP2000136988A JP 2000136988 A JP2000136988 A JP 2000136988A JP 10310486 A JP10310486 A JP 10310486A JP 31048698 A JP31048698 A JP 31048698A JP 2000136988 A JP2000136988 A JP 2000136988A
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Yoshihiro Suda
須田義大
Hisanao Komine
小峰久直
Takashi Iwasa
岩佐崇史
Bairei Sen
▲倍▼麗 銭
Mikio Okumura
奥村幹夫
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率よく、定量的にレール波状摩耗の発生状
況を把握する。 【解決手段】 検測車の軸箱上下振動加速度を測定し、
測定した加速度データを解析を適用してレール継目位置
を判別し、レール波状摩耗の発生箇所を検出するととも
に、共振点以下の低速域での加速度測定データを用い
て、軌道構造の違いによらず、レール波状摩耗波高を推
定するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は鉄道レール頭頂面に
発生する波状摩耗を検出する手法に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】走行す
る列車の荷重を受ける鉄道レール頭頂面には、列車の振
動に起因して波状摩耗が発生する。このレール波状摩耗
は、軌道材料、台車部品の損傷だけでなく列車騒音も引
き起こすため、発生状況を的確に把握し、レール交換や
現場での削正などの対策を行う必要がある。しかし、従
来行っている発生状況の把握は、保線係員による目視に
依存しているため、個人差も多く、定量的な把握はでき
ないとともに、非効率的で多大な労力を要しているのが
実情である。
【0003】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、効率よく、しかも定量的にレール波状摩耗の発生状
況を把握できるようにすることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、軌道検測車等
の車両を走行させて軸箱上下振動加速度を測定し、測定
した加速度データを解析してレール波状摩耗と継目を検
出することを特徴とする。また、本発明は加速度データ
の解析は、ウエーブレット解析であることを特徴とす
る。また、本発明は、ウエーブレット解析上における位
置ごとのウエーブレット係数の総和値に基づいてレール
継目位置を検出することを特徴とする。また、本発明
は、ウエーブレット解析上における周波数ごとのウエー
ブレット係数の総和値に基づいてレール波状摩耗発生位
置を検出することを特徴とする。また、本発明は、ウエ
ーブレット解析の基底関数として、メキシカン・ハット
およびガボールを用いることを特徴とする。また、本発
明は、軸箱上下振動加速度を共振点以下の低速域で測定
し、周波数に対する(加速度/波高)比の特性から波状
摩耗の波高を求めることを特徴とする。
【0005】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。本発明は、高速軌道
検測車(軌道上を走行しながら測定する車両)等を走行
させて、軸箱に設置した上下振動加速度計により加速度
を測定収録し、収録した加速度データを解析してレール
波状摩耗、継目を検出しようとするもので、特に時間ー
周波数解析が可能なウエーブレット解析を適用し、レー
ル波状摩耗の発生位置、及び波状摩耗の波高を把握しよ
うとするものである。
【0006】まず、本発明において使用するウエーブレ
ット解析についてその概略を説明する。波形解析として
用いられるフーリエ解析は、時間領域波形をフーリエ変
換して周波数領域での特徴を捉えるものであるが、時間
領域の情報が欠落してしまうという難点がある。これに
対して、ウエーブレット解析は、モータ等の異常箇所の
特定、異常性の把握などに利用され始めており、時間領
域と周波数領域の両方の情報を同時に観測可能であると
いう特徴がある。ウエーブレット解析には大きく分けて
連続ウエーブレット解析と、離散ウエーブレット解析と
があるが、連続ウエーブレット解析は、基底関数が時間
と周波数の両方で局在性を持つため、時間と周波数での
解析を同時に行うことができる。
【0007】ウエーブレット解析に最も重要なのは基底
関数の選択である。ウエーブレットの基底は元となる一
つの関数から作られ、例えば図1(a)に示すような関
数をマザーウエーブレット(基底関数)と言う。ウエー
ブレットの基底はマザーウエーブレットをスケール変換
とシフトしたものの集合であり、図1(b)はスケール
・シフト変換の概念を示している。
【0008】関数f(x)のマザーウエーブレットφ
(x)に関する連続ウエーブレット変換は次式で与えら
れる。 Wφ(a,b)=|a|-1/2∫f(x)φ* {(x−b)/a}dx …(1) ここで、φ* は複素共役を示し、aはスケールパラメー
タ、bはシフトパラメータである。このウエーブレット
逆変換は、 f(x)=(1/c) ∬Wf(a,b)(1/|a|1/2 )φ{(x−b)/a)}dbda/a2 …(2) と定義される。Wφ(a,b)はウエーブレット係数と言
い、信号fと、そのスケール値と移動値でスケール・移
動変換されたマザーウエーブレットとの一致(相関)の
程度を表している。マザーウエーブレットは無数に存在
するため、ある信号のウエーブレット変換は一意に決ま
らない。そのため、ウエーブレット法では、同じ信号を
解析してもマザーウエーブレットを変えることによっ
て、全く違った解析結果を生ずる。したがって、解析の
目的に合わせてマザーウエーブレットの最適化を行うこ
とで多種多様な解析が可能である。本発明では、時間分
解能の良いメキシカン・ハット(図2(a))と、周波
数分解能の良いガボール(図2(b))という2つのマ
ザーウエーブレットを用いる。もちろん、本発明はこれ
に限定されるものではなく、他のマザーウエーブレット
を用いてもよい。
【0009】次に、図3を参照してレール波状摩耗発生
位置を検出するためのデータ解析について説明する。図
3(a)は、デジタル式頭頂面凹凸測定を行った山手線
のある40m区間(9010m〜9050m)の軸箱上
下振動加速度データである。このデータには、図示する
ように、レール波状摩耗の情報(図中A)以外に、レー
ルの継目の情報(図中B)が含まれている。しかも波状
摩耗による振動成分は継目による振動成分より小さく、
波状摩耗発生箇所の判断は容易ではない。
【0010】図3(b)は加速度波形をフーリエ解析を
用いて周波数分析を試みた結果である。これから50〜
80Hz程度にピークが観察されるが、位置情報が欠落
しているため、その周波数がレール波状摩耗のものか、
継目によるものかの判別ができない。
【0011】図3(c)は基底関数としてガボール(図
2(b)参照)を用いてウエーブレット解析した結果で
ある。図の横軸は位置、縦軸は周波数を示し、色の濃さ
は振動の強さを示している。この図から、ウエーブレッ
ト解析を用いることにより、波状摩耗と継目の位置と周
波数を同時に解析できることが分かる。即ち、継目は、
グラフ上で縦長に広がり(図中B)、波状摩耗は横長に
広がる(図中A)という特徴がある。これは継目による
加速度応答がインパルス的であるため周波数局在性が悪
くて位置局在性が良く、一方、波状摩耗は周期的な波形
で空間的に広がるため、周波数局在性が良くて空間局在
性が悪くなるためである。このように、ウエーブレット
解析を用いることにより、波状摩耗の発生位置と周波数
を捉えるだけでなく、波状摩耗と継目の特徴を捉えて識
別することが可能である。
【0012】図3(d)は、基底関数としてメキシカン
・ハット(図2(a))を用いてウエーブレット解析を
した結果である。この解析結果をガボールの解析結果と
比較すると、メキシカン・ハットでは、周波数分解能を
犠牲にしながら位置分解能を上げていることが分かり、
特に継目が9014mの位置と、9026mの位置にあ
ることが明確に識別できる。
【0013】次に、波状摩耗検出アルゴリズムについ
て、図4の処理フロー、メキシカン・ハットによるウエ
ーブレット解析結果を示す図5、ガボールによる解析結
果を示す図6を参照して説明する。図4において、高速
軌道検測車を走行させて軸箱上下振動加速度を測定し
(S1)、図3(a)に示したようなデータを得る。次
に、ウエーブレット解析を行い(S2)、メキシカン・
ハットを用いたウエーブレット解析で得られる継目の特
徴(図3(d)参照)から継目の位置を検出し(S
3)、さらに波状摩耗の周波数を特定して周波数範囲を
検出する(S4)。次いで、ガボールを用いたウエーブ
レット解析により、S4で検出した周波数帯からウエー
ブレット係数の値の大きい位置(図3(c)の色の濃い
位置)を抽出する(S5)。ウエーブレット解析のグラ
フは、行が周波数、列が位置を示す行列であることを考
慮し、縦長に広がる特徴を持つ継目の位置では、列ごと
にウエーブレット係数の総和を計算すると、その値が大
きくなる(図5(a)の縦向き矢印))。図5(b)は
その計算結果を示しており、2つの大きなピークの位置
が継目位置である。また、横長に広がる波状摩耗の周波
数帯では、行(周波数)ごとにウエーブレット係数の総
和を計算すると、その値が大きくなる(図5(a)の横
向き矢印)。図5(c)はその計算結果を示しており、
56Hz程度に波状摩耗の周波数帯があることが分か
る。
【0014】次いで、ガボールでウエーブレット解析し
た結果に、S3で検出した継目位置とS4で検出した周
波数範囲を書き込むと、図6(a)に示すグラフが得ら
れる。さらに波状摩耗の周波数範囲だけを取り出し、閾
値を適切に設定すると、波状摩耗の発生箇所は、図6
(b)のように決定できる。図6(b)において、と
は、継目検出結果より継目と判断できるので、波状摩
耗発生箇所は図6(b)の、、、であることが
分かる。こうして、継目位置を取り除いて(S6)、波
状摩耗の発生位置とする(S7)。以上により、波状摩
耗の発生位置と周波数(波長)を検出することができ
る。また、継目位置の情報は、走行位置の細かな補正に
も有効である。
【0015】ところで、加速度振幅と波状摩耗の波高の
関係は、検測車の走行速度や軌道構造により影響を受け
る。図7は加速度振幅と波高の関係が軌道構造や走行速
度の違いによって受ける影響を調べるために使用した周
知の軌框モデルを示しており、図中、1は路盤、2はま
くらぎ、3はレール、4は車輪、5は軌道のばね、6は
車輪とレールとの接触ばねを示している。ここでは一般
軌道で妥当と考えられている軌道ばね定数Ks =1.1
×108N/mと、列車通過トン数の増加による軌道の
硬化を考慮に入れ、大きめに評価した3通りの軌道ばね
定数Ks =1.2×108 N/m、1.3×108 N/
m、1.4×108 N/mの4通りについて調べた。
【0016】図8は4通りの場合についての計算結果を
示したもので、横軸は振動周波数、縦軸は加速度と波高
の比(加速度/波高)である。軌道ばね定数の増加と共
に、1次共振周波数が大きくなり、また、共振点以上で
周波数応答は軌道ばね定数の値によって大きく変化して
いる。一方、共振点以下では、周波数応答は軌道ばね定
数の値に依存せず、ほぼ一致している。このことから、
あらかじめ図8に示す関係を求めておき、共振点以下の
周波数域となるような低速走行により加速度振幅を測定
し、ウエーブレット解析で周波数を求めることにより、
多少の軌道構造の違いによらず、波状摩耗波高を高精度
に求めることができる。なお、低速走行にすると、測定
加速度の精度が低下する可能性があるので、加速度測定
の精度を考慮して計測速度を定めることが望ましい。
【0017】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、検測車の
軸箱上下振動加速度計を用いて加速度を測定して解析す
ることにより、特にウエーブレット解析を適用すること
により、レール継目位置を判別し、レール波状摩耗の発
生箇所を検出することができ、また、共振点以下の低速
域での加速度を測定することにより、軌道構造の違いに
よらず、レール波状摩耗波高を高精度に推定することが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ウエーブレット解析を説明する図である。
【図2】 基底関数の例を説明する図である。
【図3】 波状摩耗発生位置を検出するデータ解析を説
明する図である。
【図4】 波状摩耗検出処理フローを示す図である。
【図5】 メキシカン・ハットによる解析結果を示す図
である。
【図6】 ガボールによる解析結果を示す図である。
【図7】 軌框モデルを示す図である。
【図8】 周波数と加速度/波高の関係を示す図であ
る。
【符号の説明】
1…路盤、2…まくらぎ、3…レール、4…車輪、5…
軌道ばね、6…接触ばね。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩佐崇史 東京都港区六本木7−22−1 東京大学生 産技術研究所内 (72)発明者 銭 ▲倍▼麗 東京都港区六本木7−22−1 東京大学生 産技術研究所内 (72)発明者 奥村幹夫 東京都渋谷区代々木二丁目二番二号 東日 本旅客鉄道株式会社内 Fターム(参考) 2G024 AD50 CA02 CA11 CA13

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軌道検測車等の車両を走行させて軸箱上
    下振動加速度を測定し、測定した加速度データを解析し
    てレール波状摩耗と継目を検出するレール波状摩耗検出
    手法。
  2. 【請求項2】 前記加速度データの解析は、ウエーブレ
    ット解析であることを特徴とする請求項1記載のレール
    波状摩耗検出手法。
  3. 【請求項3】 ウエーブレット解析上における位置ごと
    のウエーブレット係数の総和値に基づいてレール継目位
    置を検出することを特徴とする請求項2記載のレール波
    状摩耗検出手法。
  4. 【請求項4】 ウエーブレット解析上における周波数ご
    とのウエーブレット係数の総和値に基づいてレール波状
    摩耗発生位置を検出することを特徴とする請求項2記載
    のレール波状摩耗検出手法。
  5. 【請求項5】 ウエーブレット解析の基底関数として、
    メキシカン・ハットおよびガボールを用いることを特徴
    とする請求項2記載のレール波状摩耗検出手法。
  6. 【請求項6】 軸箱上下振動加速度を共振点以下の低速
    域で測定し、周波数に対する(加速度/波高)比の特性
    から波状摩耗の波高を求める請求項1又は2記載のレー
    ル波状摩耗検出手法。
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