JP2001183349A

JP2001183349A - 超音波式レール頭部横裂探傷装置、及び超音波式レール頭部横裂探傷方法

Info

Publication number: JP2001183349A
Application number: JP36580999A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kashiwatani; 賢治柏谷
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】レール頭部内の横裂を確実に検出し得る超音
波式レール頭部横裂探傷装置、及び超音波式レール頭部
横裂探傷方法を提供する。【解決手段】レール頭部側面Ｒ_S1に配置される送信探
触子１４の超音波送信位置と、レール頭部側面Ｒ_S2に配
置される受信探触子１５の超音波受信位置の間に、レー
ルＲの長手方向に第１距離Ｌ１を配するとともに、レー
ルＲの断面の鉛直方向に第２距離Ｌ２を配した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を鉄道のレ
ール内に入射させ透過波によりレールの頭部内の横裂を
検出する超音波式レール頭部横裂探傷装置、及びこの装
置を用いた超音波式レール頭部横裂探傷方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道のレールは、鉄道車両の車輪荷重を
支持しつつ、その車輪荷重を分散して下方のまくらぎ、
道床等へ伝達させるための部材であり、線路の重要な構
成要素の一つである。レールは、車輪からの荷重を比較
的小さな面積で支えていることから、車輪との接触箇所
には非常に大きな接触応力が作用する。このため、長期
間にわたり繰り返しレールに車輪荷重が加えられると、
レールは疲労し、特にレールの頭部に種々の損傷が発生
する。

【０００３】図６は、鉄道のレールの頭部Ｒ_Hに発生す
る損傷の例を示した図である。これらのうち、図６
（Ａ）は、レール長手方向の中心線に沿って切断した場
合の斜視図である。また、図６（Ｂ）は、図６（Ｃ）に
おけるＡ−Ａ断面図である。また、図６（Ｃ）は、レー
ル側面図である。

【０００４】車輪がレールＲ上を繰り返しころがると、
レールＲは、ころがり接触疲労を起こす。これにより、
レールＲの頭頂面Ｒ_Tには落ち込み部Ｄ４が形成され、
落ち込み部Ｄ４には多数の黒斑Ｄ５が発生する。この落
ち込み部Ｄ４の付近には、き裂起点Ｄ１が発生し、この
き裂起点Ｄ１から、レールＲの頭頂面Ｒ_Tにほぼ水平
に、レール頭部Ｒ_Hの内部に向かってき裂（以下、「水
平裂」という。）Ｄ２が進展する。水平裂Ｄ２のある箇
所からは、レールＲの底部へ向かうき裂（以下、「横
裂」という。）Ｄ３が枝分かれする。

【０００５】この横裂Ｄ３は、レールＲの長手方向に対
して直角方向に展開する面状のき裂であり、横裂Ｄ３の
疲労破断面は、図６（Ｂ）に示すように、貝殻状の模様
を呈するため、「シェリング」と呼ばれる場合がある。
この横裂Ｄ３は、放置すればレールＲの折損事故を引き
起こすことが多い。

【０００６】このため、レールＲの内部の横裂Ｄ３等を
早期に発見し、レール更換等の処置により事故等を未然
に防止すべく、超音波によりレール内部の損傷を観察す
る探傷装置が用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波式レール探傷装置は、図６（Ｂ）に示すように、
レールの頭部の側面Ｒ_Sの一方に送信用の探触子２０１
を配置するとともに、レールの頭部の側面Ｒ_Sの他方に
受信用の探触子２０２を配置し、送信探触子２０１から
レール頭部Ｒ_H内に入射させた超音波Ｗ２を横裂Ｄ３で
反射させ、反射された超音波Ｗ２を受信探触子２０２に
より検出する形式のものであり、隣接する水平裂Ｄ２に
よって超音波Ｗ２が遮られ、横裂Ｄ３を見逃してしまう
場合があり、その改良が望まれていた。

【０００８】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の解決しようとする課題は、レ
ール頭部内の横裂を確実に検出し得る超音波式レール頭
部横裂探傷装置、及び超音波式レール頭部横裂探傷方法
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る超音波式レール頭部横裂探傷装置は、
送信信号を通電することにより超音波を発生する送信振
動子を有する送信探触子が鉄道のレールの頭部の一方の
側面側に配置されるとともに、前記超音波を受けて振動
することにより受信信号に変換する受信振動子を有する
受信探触子が前記レールの頭部の他方の側面側に配置さ
れ、前記送信探触子を前記レールに接触させる位置であ
る超音波送信位置と、前記受信探触子を前記レールに接
触させる位置である超音波受信位置は、前記レールの長
手方向において第１距離を有するとともに、前記レール
の断面の鉛直方向において第２距離を有するように設定
され、前記送信探触子から送信され前記レール内を透過
してきた前記超音波を前記受信探触子により受信し、前
記受信信号の強度を測定することにより、前記レールの
頭部内の横裂を検出することを特徴とする。

【００１０】上記の超音波式レール頭部横裂探傷装置に
おいて、好ましくは、前記超音波送信位置は、鉄道車両
の車輪のフランジを案内・誘導する側とは反対側である
軌間外側の前記レールの頭部側面の上部を含む位置に設
定され、前記超音波受信位置は、前記フランジを案内・
誘導する側である軌間内側の前記レールの頭部側面の平
面部を含む位置に設定される。

【００１１】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記送信探触子は、前記超
音波を透過させる材料からなるとともに、前記レールの
前記軌間外側の頭部側面の上部と前記レールの頭頂面が
会合する凸曲面と密接可能な凹曲面である第１レール密
接面と、前記送信振動子を取り付ける送信振動子取付面
を有する第１密接部材を備え、前記受信探触子は、前記
超音波を透過させる材料からなるとともに、前記レール
の前記軌間内側の頭部側面の平面部と密接可能な平面を
含む面である第２レール密接面と、前記受信振動子を取
り付ける受信振動子取付面を有する第２密接部材を備え
る。

【００１２】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記第１密接部材を前記超
音波送信位置に密接させるとともに、前記第２密接部材
を前記超音波受信位置に密接させた状態を維持しつつ、
前記第１密接部材と前記第２密接部材を前記レールの長
手方向に摺動させる。

【００１３】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記第１密接部材及び前記
第２密接部材が前記レールを摺動する箇所の空隙部分に
は、前記超音波の減衰を防止する接触媒質が充填され
る。

【００１４】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記接触媒質は水である。

【００１５】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記接触媒質を前記空隙部
分に供給する接触媒質供給手段と、前記空隙部分から前
記接触媒質が流出することを防止する接触媒質流出防止
手段を備える。

【００１６】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記接触媒質流出防止手段
は、前記液体状の接触媒質を吸収可能な微小な室や孔を
多数有するとともに柔軟に変形可能なスポンジ状部材で
ある。

【００１７】また、上記の超音波式レール頭部横裂探傷
装置において、好ましくは、前記レール長手方向への摺
動距離を検出する摺動距離検出手段を備え、前記レール
の頭部内の横裂の寸法を測定する。

【００１８】また、本発明に係る超音波式レール頭部横
裂探傷方法は、送信信号を通電することにより超音波を
発生する送信振動子を有する送信探触子が鉄道のレール
の頭部の一方の側面側に配置されるとともに、前記超音
波を受けて振動することにより受信信号に変換する受信
振動子を有する受信探触子が前記レールの頭部の他方の
側面側に配置された超音波式レール頭部横裂探傷装置を
用い前記レールの内部の傷を探査する超音波式レール頭
部横裂探傷方法であって、前記送信探触子を前記レール
に接触させる位置である超音波送信位置と、前記受信探
触子を前記レールに接触させる位置である超音波受信位
置は、前記レールの長手方向において第１距離を有する
とともに、前記レールの断面の鉛直方向において第２距
離を有するように設定され、前記送信探触子から前記超
音波を送信し、前記レール内を透過させ、前記透過して
きた前記超音波を前記受信探触子により受信し、前記受
信信号の強度を測定することにより、前記レールの頭部
内の横裂を検出することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施形態である超音波
式レール頭部横裂探傷装置の構成を示すブロック図であ
り、この図は、レールの側面から見た縦断面図である。
また、図２は、本発明の一実施形態である超音波式レー
ル頭部横裂探傷装置の構成を示すブロック図であり、こ
の図は、レールの長手方向に見た横断面図である。図２
のうち、図２（Ａ）は移動部の周辺を、図２（Ｂ）は送
信探触子及び受信探触子の周辺を、それぞれ示してい
る。また、図３は、本発明の一実施形態である超音波式
レール頭部横裂探傷装置における超音波探傷部の構成を
示すブロック図である。また、図４は、本発明の一実施
形態である超音波式レール頭部横裂探傷装置における送
信探触子と受信探触子の配置構成を示す図である。図４
のうち、図４（Ａ）はレールの上方から見た図を、図４
（Ｂ）はレール長手方向に見た図を、それぞれ示してい
る。また、図５は、本発明の一実施形態である超音波式
レール頭部横裂探傷装置における第１密接部材の周辺の
構成を示す図である。

【００２１】図１及び図２に示すように、この超音波式
レール頭部横裂探傷装置１００は、きょう体Ｃと、探傷
部１と、解析部２と、移動部３と、表示・報知部４と、
回転数センサ５を備えて構成されている。また、図示は
していないが、この超音波式レール頭部横裂探傷装置１
００には、探傷部１と、解析部２と、移動部３と、表示
・報知部４と、回転数センサ５等に必要な電力を供給す
る電源、例えば蓄電池あるいは内燃機関式発電機等が設
けられている。

【００２２】きょう体Ｃは、底部が開放された中空箱状
の部材であり、内部や表面に探傷部１、解析部２、移動
部３、表示・報知部４、回転数センサ５等が内蔵又は取
り付けられている。

【００２３】探傷部１は、本体部１０と、送信探触子１
４と、受信探触子１５を有している。本体部１０は、図
３に示すように、送信部１１と、受信部１２と、同期部
１３を有している。また、送信探触子１４は、図３ない
し図５に示すように、送信振動子１４ａと、第１密接部
材１４ｂと、押圧機構１４ｃを有している。また、受信
探触子１５は、図３及び図４に示すように、受信振動子
１５ａと、第２密接部材１５ｂと、押圧機構１５ｃを有
している。

【００２４】また、移動部３は、図１及び図２に示すよ
うに、駆動機構３１と、駆動軸３２と、駆動輪３３と、
回転軸３４ａ及び３４ｂと、１対の案内誘導輪３５ａ及
び３５ｂと、押圧機構３６を有している。駆動部３に
は、例えば、回転軸３４ｂに回転数センサ５が配置され
ている。回転数センサ５は、例えばロータリーエンコー
ダー等により構成される。

【００２５】また、表示・報知部４は、図１及び図２に
示すように、表示器４１と、ランプ４２と、ブザー４３
を有している。表示器４１は、液晶表示器、ＣＲＴ（陰
極線管画像表示器又はブラウン管）等により構成され
る。

【００２６】移動部３の駆動輪３２と案内誘導輪３５ａ
は、レールＲの頭頂面Ｒ_Tの上を転動可能な構成となっ
ている。案内誘導輪３５ａを回転させる回転軸３４ａ
は、駆動機構３１あるいはケースＣに回転可能な状態で
取り付けられている。また、駆動機構３１は、ケースＣ
に固定され、電動モータ等の駆動源と、歯車、カム、チ
ェーン等の公知の動力伝達機構が設けられており、駆動
軸３２を回転駆動し、駆動輪３３を回転させる。

【００２７】また、移動部３の案内誘導輪３５ｂは、レ
ールＲの頭部側面Ｒ_S1とＲ_S1の表面を転動可能な構成と
なっている。案内誘導輪３５ｂを回転させる回転軸３４
ｂは、駆動機構３１あるいはケースＣに回転可能な状態
で取り付けられている。また、各回転軸３４ｂには、押
圧機構３６が取り付けられている。押圧機構３６は、圧
縮バネ等の弾性部材を有し、その一端部がパイプ状部材
等を介して回転軸３４ｂに取り付けられ、押圧機構３６
の他端部はケースＣ又は駆動機構３１等に固定されてい
る。押圧機構３６にはレバー等の移動輪状態切換部材
（図示せず）が設けられており、１対の案内誘導輪３５
ｂ、３５ｂをレールＲの頭部側面Ｒ_S1とＲ _S1に密着させ
レールを押圧する状態と、力が作用しない自由な状態に
切り換えることができるように構成されている。

【００２８】このような構成により、駆動輪３２と案内
誘導輪３５ａをレールＲの頭頂面Ｒ _Tの上に載せ、１対
の案内誘導輪３５ｂ、３５ｂをレールＲの頭部側面Ｒ_S1
とＲ_S ₁に対向させた後に状態切換部材（図示せず）を操
作して密着させレールを押圧する状態に切り換え、駆動
機構３１を作動させて駆動輪３２を回転駆動すれば、こ
の超音波式レール頭部横裂探傷装置１００をレールＲ上
でレール長手方向へ走行させ、移動させることができ
る。

【００２９】なお、ケースＣに取手（図示せず）又は牽
引用治具を設け、駆動機構３１の駆動によらずに操作者
が取手を持って手動で、あるいは牽引用治具を利用して
他のレール走行車両等に牽引されることによって、この
超音波式レール頭部横裂探傷装置１００をレールＲ上で
レール長手方向へ移動できるように構成してもよい。

【００３０】図３に示すように、探傷部１の本体部１０
に設けられた送信部１１は、同期部１３からの同期信号
Ｓ１を受け、パルス状の送信信号Ｓ２を発生し、送信探
触子１４に出力する。

【００３１】送信探触子１４は、図３、図４に示すよう
に、ケース内に、送信振動子１４ａと第１密接部材１４
ｂを有している。

【００３２】送信振動子１４ａは、水晶、圧電セラミッ
クス材料等により形成されている。これらの材料は、所
定の軸方向に圧縮力又は引張力が交互に加えられると電
圧が発生する。この現象を「圧電効果（ピエゾ効果）」
という。また、これらの材料は、所定の軸方向に正負の
交番電圧が印加されると伸縮する。この現象を「逆圧電
効果」という。逆圧電効果を利用することにより、送信
振動子１４ａは伸縮に伴い振動し超音波を発生する。圧
電セラミックス材料には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（ＰｂＴ
ｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃系固溶体）、ニオブ酸リチウム（Ｌ
ｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）、硫酸リチウム、メタニオブ酸鉛等が
含まれる。

【００３３】第１密接部材１４ｂは、超音波を透過させ
る材料、例えばアクリル樹脂、ポリイミド樹脂等を含む
合成樹脂等からなり、図４に示すように、レールＲの軌
間外側の頭部側面Ｒ_S1の上部と、レールＲの頭頂面Ｒ_T
が会合する凸曲面（以下、「レール軌間外側肩部曲面」
という。）と密接可能な凹曲面である第１レール密接面
Ｐ１と、第１レール密接面Ｐ１にほぼ対向するとともに
送信振動子１４ａを取り付けることができる送信振動子
取付面Ｐ３を有している。また、図示はしていないが、
第１密接部材１４ｂには、超音波を吸収する材料、例え
ばゴム系材料、エポキシ樹脂、あるいはこれらの混合物
等からなり、内部反射波を吸収する部材が設けられてい
る。

【００３４】送信探触子１４内の送信振動子１４ａに、
送信部１１からパルス状の送信信号Ｓ２が印加される
と、送信振動子１４ａは「逆圧電効果」により振動し、
図における側面からパルス状の超音波Ｗ１を射出する。

【００３５】射出された超音波Ｗ１は、第１密接部材１
４ｂを透過した後、レールＲの内部に入射し、レールＲ
の内部を透過し、受信探触子１５の第２密接部材１５ｂ
を透過した後に受信振動子１５ａにより受信される。

【００３６】受信探触子１５は、図３、図４に示すよう
に、ケース内に、受信振動子１５ａと第２密接部材１５
ｂを有している。また、受信振動子１５ａの材質や構成
は、送信振動子１４ａの場合と同様である。また、第２
密接部材１５ｂは、第１密接部材１４ｂと同様の材料か
らなり、図４に示すように、レールＲの軌間内側の頭部
側面Ｒ_S2の平面部（ほぼ鉛直な傾斜平面部）と密接可能
な平面を含む面である第２レール密接面Ｐ２と、第１レ
ール密接面Ｐ１にほぼ対向するとともに受信振動子１５
ａを取り付けることができる受信振動子取付面Ｐ４を有
している。また、図示はしていないが、第２密接部材１
５ｂには、第１密接部材１４ｂの場合と同様な内部反射
波吸収部材（図示せず）が設けられている。

【００３７】受信振動子１５ａＢにおいては、受信され
た超音波Ｗ１が受信振動子１５ａの所定の軸方向に作用
して受信振動子１５ａに交互に交番力が加えられる。こ
れにより「圧電効果」が生じ、受信振動子１５ａの上面
と下面の間に受信超音波パルスＷ１に応じた電圧が発生
する。このパルス状の電圧は受信信号Ｓ３として受信部
１２（図３参照）に入力される。

【００３８】受信部１２では、受信信号検出部（図示せ
ず）により、パルス状の信号が検出され、適宜増幅され
て波形信号Ｓ４として解析部２へ出力される。この際、
同期部１１は、内蔵するタイマ（図示せず）により、超
音波の発信からの経過時間を計測し、時間信号Ｓ５とし
て解析部２に出力するとともに、変化する波形を表示す
るための掃引信号Ｓ６を解析部２に出力する。

【００３９】解析部２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔ
ｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：中央演算処
理装置）と、図示しないＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙ
Ｍｅｍｏｒｙ：読出し専用メモリ）と、図示しないＲＡ
Ｍ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：随時
書込み読出しメモリ）を有している。

【００４０】上記のＣＰＵは、データの演算、信号の制
御等を統括する。また、ＲＯＭは、ＣＰＵの実行するプ
ログラム等を格納した記憶装置である。このＲＯＭのか
わりにハードディスク又は他の形式の記憶装置を用いて
もよく、これらの記憶装置は読出し専用のものだけでな
く１回又は複数回書込み可能なものであってもよい。ま
た、ＲＡＭは、ＣＰＵにより演算されたデータ等を一時
記憶する記憶装置である。このＲＡＭのかわりにハード
ディスク又は他の形式の記憶装置を用いてもよい。

【００４１】本実施形態の超音波式レール頭部横裂探傷
装置１００の場合、送信探触子１４と受信探触子１５の
配置構成は、図４に示すようになっている。すなわち、
送信探触子１４が、レールＲの頭部Ｒ_Hの一方の側面Ｒ
_S1の側に配置され、受信探触子１５が、レールＲの頭部
Ｒ_Hの他方の側面Ｒ_S2の側に配置されている。レールＲ
の頭部側面Ｒ_S2は、鉄道車両の車輪のフランジ（図示せ
ず）を案内又は誘導する側（軌間内側）であり、もう一
方のレールＲの頭部側面Ｒ_S1は、頭部側面Ｒ_S2とは反対
側（軌間外側）である。

【００４２】また、上述したように、第１密接部材１４
ｂには、レールＲのレール軌間外側肩部曲面と密接可能
な凹曲面である第１レール密接面Ｐ１が形成されてお
り、レール軌間外側肩部には鉄道車両の車輪のフランジ
は接触せず摩耗することはないから、第１レール密接面
Ｐ１は、つねにレール軌間外側肩部曲面と密着するよう
になっている。

【００４３】また、第２密接部材１５ｂには、レールＲ
の軌間内側の頭部側面Ｒ_S2のほぼ鉛直な傾斜平面部と密
接可能な平面を含む面である第２レール密接面Ｐ２が形
成されており、鉄道車両の車輪のフランジが接触して摩
耗するのは頭部側面Ｒ_S2のほぼ鉛直な傾斜平面部よりも
上方の凸曲面部（以下、「レール軌間内側肩部曲面」と
いう。）であり、この傾斜平面部が摩耗することはない
から、第２レール密接面Ｐ２は、つねにこの傾斜平面部
と密着するようになっている。

【００４４】また、送信探触子１４がレールＲに接触す
る位置（又は超音波Ｗ１が送信探触子１４からレール頭
部Ｒ_Hに入射する位置。以下、「超音波送信位置」とい
う。）と、受信探触子１５がレールＲに接触する位置
（又は超音波Ｗ１がレール頭部Ｒ_Hから受信探触子１５
に入射する位置。以下、「超音波受信位置」という。）
との間には、図４（Ａ）に示すように、レールＲの長手
方向（図４（Ａ）における上下方向）において第１距離
Ｌ１の間隔が配されている。また、図４（Ｂ）に示すよ
うに、超音波送信位置と超音波受信位置との間には、レ
ールＲの断面の鉛直方向（図４（Ｂ）における上下方
向）において第２距離Ｌ２が配されている。第１距離Ｌ
１と第２距離Ｌ２の値は、検出しようとする横裂Ｄ３に
応じて適宜に設定可能である。

【００４５】また、図２（Ｂ）に示すように、送信探触
子１４には、押圧機構１４ｃが取り付けられており、受
信探触子１５には、押圧機構１５ｃが取り付けられてい
る。押圧機構１４ｃ、１５ｃは、それぞれ圧縮バネ等の
弾性部材を有し、その一端部が送信探触子１４又は受信
探触子１５に取り付けられ、押圧機構１４ｃ、１５ｃの
他端部はケースＣ等に固定されている。押圧機構１４
ｃ、１５ｃにはレバー等の探触子状態切換部材（図示せ
ず）が設けられており、送信探触子１４と受信探触子１
５をレールＲの頭部側面Ｒ_S1とＲ_S1に押接し密着させた
状態と、力が作用しない自由な状態に切り換えることが
できるように構成されている。

【００４６】このような構成により、駆動輪３２と案内
誘導輪３５ａをレールＲの頭頂面Ｒ _Tの上に密着させ、
１対の案内誘導輪３５ｂ、３５ｂをレールＲの頭部側面
Ｒ_S1とＲ_S1に対向させて密着状態にした後に、状態切換
部材（図示せず）を操作してレールに密着する状態に切
り換え、駆動機構３１を作動させて駆動輪３２を回転駆
動すれば、第１密接部材１４ｂを超音波送信位置に密接
させるとともに、第２密接部材１５ｂを超音波受信位置
に密接させた状態に維持しつつ、第１密接部材１４ｂと
第２密接部材１５ｂをレールＲの長手方向に摺動させる
ことができる。

【００４７】この状態で、探傷部１の本体部１０に設け
られた送信部１１からパルス状の送信信号Ｓ２を送信探
触子１４の送信振動子１４ａに出力すれば、図４（Ａ）
及び図４（Ｂ）に示すように、送信振動子１４ａからレ
ール頭部Ｒ_H内に入射した超音波Ｗ１は、レールＲの長
手方向に対して斜め方向で、かつレールＲの断面の鉛直
方向に対しても斜め方向となるような三次元的に傾斜し
た方向に進んでレール頭部Ｒ_H内を透過し、受信振動子
１５ａに到達することになる。このため、図４（Ｂ）に
示すように、本実施形態の超音波式レール頭部横裂探傷
装置１００の射出する超音波Ｗ１は、レール頭部Ｒ_H内
の横裂Ｄ３を必ず透過させることができ、従来装置のよ
うに横裂Ｄ３を見逃すことはない。

【００４８】レール頭部Ｒ_Hの内部の横裂Ｄ３は非常に
薄い空隙を有する。超音波Ｗ１は、固体物質が充満した
中実部の内部は伝播するが、空洞部や空隙部には入射す
ることはできない。このため、図４（Ｂ）に示すよう
に、送信振動子１４ａから射出された超音波Ｗ１が、レ
ール頭部Ｒ_H内の横裂Ｄ３を透過した場合には、横裂Ｄ
３を通ってきた超音波Ｗ１が受信された受信信号Ｓ３
（図３参照）の信号強度は、横裂Ｄ３を通らない通常の
場合の超音波受信信号Ｓ３の信号強度よりも弱くなる。

【００４９】本実施形態の超音波式レール頭部横裂探傷
装置１００には、解析部２内のＲＯＭ（図示せず）に、
「受信信号Ｓ３が所定の判別値よりも小さい場合には、
横裂が存在すると判別し、ランプ４２とブザー４３に横
裂検出信号を出力する」というＣＰＵ（図示せず）の実
行プログラムを格納されている。これにより、超音波Ｗ
１が横裂Ｄ３を横切った場合には、上記のプログラムに
より、解析部２内のＣＰＵ（図示せず）からランプ４２
とブザー４３に、それぞれ横裂検出信号Ｓ１１、Ｓ１２
が出力される（図１参照）。

【００５０】この横裂検出信号Ｓ１１により、ランプ４
２は、例えば赤色光を発光する。また、横裂検出信号Ｓ
１２により、ブザー４３は、例えば警報音を鳴動する。
これにより、本実施形態の超音波式レール頭部横裂探傷
装置１００の操作者は、装置の現在地点のレール頭部Ｒ
_H内に横裂Ｄ３が存在することを容易に認識することが
できる。

【００５１】また、本実施形態の超音波式レール頭部横
裂探傷装置１００には、回転軸３４ｂ等に回転数センサ
５が設けられており、回転数センサ５の出力は、解析部
２に送られるように構成されている。このため、例えば
レールＲ上の所定の基準位置からの回転軸３４ｂの回転
数と、案内誘導輪３５ｂの直径などに基き、解析部２内
のＣＰＵ（図示せず）は、レールＲ上の所定の基準位置
から現在位置までの間で第１密接部材１４ｂ又は第２密
接部材１５ｂが摺動しつつ移動した距離（以下、「摺動
距離」という。）を演算することができる。したがっ
て、発見された横裂Ｄ３の存在位置を定量的に特定する
ことができる。ここに、回転数センサ５と解析部２は、
摺動距離検出手段を構成している。

【００５２】また、上記の摺動距離の検出を利用して、
受信信号Ｓ３が所定の判別値よりも小さくなり始めたと
きの装置位置と、受信信号Ｓ３が所定の判別値よりも大
きい状態に復帰したときの装置位置を検出することによ
り、解析部２内のＣＰＵ（図示せず）は、横裂Ｄ３の幅
や長さ等の寸法、あるいは三次元的形状を推定すること
ができる。これらの寸法の数値や、三次元座標上に描画
した画像データは、横裂データ信号Ｓ１３として解析部
２内のＣＰＵ（図示せず）から表示器４１に出力され、
表示器４１に文字、数字、画像等として表示される（図
１参照）。これにより、本実施形態の超音波式レール頭
部横裂探傷装置１００の操作者は、検出された横裂Ｄ３
に関するデータをリアルタイムで把握することができ
る。

【００５３】なお、これらの横裂Ｄ３のデータは、解析
部２内のＲＡＭ（図示せず）や、各種ディスク等の記憶
媒体等（図示せず）に記憶されて外部に取り出され、外
部の他のコンピュータ等により統計処理されるようにし
てもよい。あるいは、上記の超音波式レール頭部横裂探
傷装置１００に図示しない印刷装置を内蔵させ、現地あ
るいは保守部署等で検出された横裂Ｄ３に関するデータ
を印刷できるように構成してもよい。

【００５４】また、図３に示すように、探傷部１の本体
部１０に端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を設け、受信部からの波
形信号Ｓ４、時間信号Ｓ５、掃引信号Ｓ６を外部出力で
きるように構成し、オッシロスコープ等の受信波形表示
装置６に出力させることにより、受信振動子１４ａが受
信した超音波波形を操作者が視認することができ、横裂
Ｄ３の性状をさらに詳細に検討することが可能となる。

【００５５】上述したように、超音波は、固体物質が充
満した中実部の内部は伝播するが、空洞部や空隙部には
入射することはできない、という性質を有している。こ
のため、第１密接部材１４ｂとレールＲとの間、あるい
は第２密接部材１５ｂとレールＲとの間に空隙が生じる
と、超音波のレールＲ内部への入射が阻害される。本実
施形態の超音波式レール頭部横裂探傷装置１００には、
この問題を解決するために、図５に示す接触媒質供給部
７を有している。以下に、接触媒質供給部７について詳
細に説明する。なお、以下では、接触媒質供給部７の説
明は、第１密接部材１４ｂについて行っている。図示及
び説明は省略するが、第２密接部材１５ｂについても、
全く同様の構成及び作用の接触媒質供給部（図示せず）
が用いられている。

【００５６】図５に示すように、接触媒質供給部７は、
水タンク７１と、水供給管７２ａ及び７２ｂと、スポン
ジケース７３ａ及び７３ｂと、スポンジ７４ａ及び７４
ｂを有している。

【００５７】接触媒質とは、摺動する第１密接部材１４
ｂとレールＲとの間、あるいは第２密接部材１５ｂとレ
ールＲとの間に空隙が生じた場合にその空隙を充填して
超音波の減衰を防止する物質をいい、本実施形態の超音
波式レール頭部横裂探傷装置１００においては、水が用
いられている。水は、水タンク７１に貯留され、水供給
管７２ａ及び７２ｂにより、スポンジケース７３ａ及び
７３ｂ内のスポンジ７４ａ及び７４ｂに供給される。水
タンク７１には、ポンプ（図示せず）等を適宜設けても
よい。

【００５８】また、スポンジ７４ａ及び７４ｂは、液体
状の接触媒質（例えば水）を吸収可能な微小な室や孔を
多数有するとともに柔軟に変形可能である。このような
性質から、スポンジ７４ａ及び７４ｂは、内部に水を保
持し、第１密接部材１４ｂとレールＲとの間、あるいは
第２密接部材１５ｂとレールＲとの間に空隙が生じた場
合に、この空隙に接触媒質である水７５を供給して充填
するとともに、水７５の薄膜層の両端付近に密接し、こ
の付近から水７５が流出することを防止する。

【００５９】ここに、水タンク７１と、水供給管７２ａ
及び７２ｂと、スポンジ７４ａ及び７４ｂは、接触媒質
供給手段を構成している。また、スポンジ７４ａ及び７
４ｂは、接触媒質流出防止手段に相当している。

【００６０】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００６１】例えば、上記実施形態においては、摺動距
離検出手段として回転数センサ５と解析部２を例に挙げ
て説明したが、本発明はこれには限定されず、他の構成
の摺動距離検出手段、例えば公知の位置センサと解析部
を用いてもよい。

【００６２】また、上記実施形態においては、第１密接
部材（例えば１４ｂ）と第２密接部材（例えば１５ｂ）
をレール頭部側面に密接させつつレール長手方向に摺動
させる例について説明したが、本発明はこれには限定さ
れず、他の構成、例えばレール頭部側面に密接させつつ
レール長手方向に転動させることができるタイヤ型探触
子を用いてもよい。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
送信探触子の超音波送信位置と、受信探触子の超音波受
信位置を、レールの長手方向において第１距離を有する
とともに、レールの断面の鉛直方向において第２距離を
有するように設定したので、超音波式レール頭部横裂探
傷装置の射出する超音波がレール頭部内の横裂を必ず透
過するため、レール頭部内の横裂を見逃すことがない、
という利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である超音波式レール頭部
横裂探傷装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態である超音波式レール頭部
横裂探傷装置の構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の一実施形態である超音波式レール頭部
横裂探傷装置における超音波探傷部の構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】本発明の一実施形態である超音波式レール頭部
横裂探傷装置における送信探触子と受信探触子の配置構
成を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態である超音波式レール頭部
横裂探傷装置における第１密接部材の周辺の構成を示す
図である。

【図６】鉄道のレールの頭部に発生する損傷の例と従来
のレール探傷方法を説明する図であり、図６（Ａ）はレ
ール長手方向の中心線に沿って切断した場合の斜視図
を、図６（Ｂ）はレールの頭部内の横裂と従来のレール
探傷装置の探触子の配置を示すＡ−Ａ断面図を、図６
（Ｃ）はレールの頭部内の水平裂及び横裂を示すレール
側面図を、それぞれ示している。

【符号の説明】

１探傷部２解析部３移動部４表示・報知部５回転数センサ６受信波形表示装置７接触媒質供給部１０本体部１１送信部１２受信部１３同期部１４送信探触子１４ａ送信振動子１４ｂ第１密接部材１４ｃ押圧機構１５受信探触子１５ａ受信振動子１５ｂ第２密接部材１５ｃ押圧機構３１駆動機構３２駆動軸３３駆動輪３４ａ、３４ｂ回転軸３５ａ、３５ｂ案内誘導輪３６押圧機構４１表示器４２ランプ４３ブザー７１水タンク７２ａ、７２ｂ水供給管７３ａ、７３ｂスポンジケース７４ａ、７４ｂスポンジ７５水１００超音波式レール頭部横裂探傷装置２０１送信探触子２０２受信探触子Ｃきょう体Ｄ１き裂起点Ｄ２水平裂Ｄ３横裂Ｄ４レール頭頂面落ち込み部Ｄ５黒斑Ｌ１第１距離Ｌ２第２距離Ｐ１第１レール密接面Ｐ２第２レール密接面Ｐ３送信振動子取付面Ｐ４受信振動子取付面ＲレールＲ_H レール頭部Ｒ_S レール頭部側面Ｒ_S1 レールの軌間外側の頭部側面Ｒ_S2 レールの軌間外側の頭部側面Ｒ_T レール頭頂面Ｓ１同期信号Ｓ２送信信号Ｓ３受信信号Ｓ４波形信号Ｓ５時間信号Ｓ６掃引信号Ｓ１１、Ｓ１２横裂検出信号Ｓ１３横裂データ信号Ｔ１〜Ｔ３出力端子Ｗ１〜Ｗ３超音波

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信信号を通電することにより超音波を
発生する送信振動子を有する送信探触子が鉄道のレール
の頭部の一方の側面側に配置されるとともに、前記超音波を受けて振動することにより受信信号に変換
する受信振動子を有する受信探触子が前記レールの頭部
の他方の側面側に配置され、前記送信探触子を前記レールに接触させる位置である超
音波送信位置と、前記受信探触子を前記レールに接触さ
せる位置である超音波受信位置は、前記レールの長手方
向において第１距離を有するとともに、前記レールの断
面の鉛直方向において第２距離を有するように設定さ
れ、前記送信探触子から送信され前記レール内を透過してき
た前記超音波を前記受信探触子により受信し、前記受信
信号の強度を測定することにより、前記レールの頭部内
の横裂を検出することを特徴とする超音波式レール頭部
横裂探傷装置。
【請求項２】請求項１に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記超音波送信位置は、鉄道車両の車輪のフランジを案
内・誘導する側とは反対側である軌間外側の前記レール
の頭部側面の上部を含む位置に設定され、前記超音波受信位置は、前記フランジを案内・誘導する
側である軌間内側の前記レールの頭部側面の平面部を含
む位置に設定されることを特徴とする超音波式レール頭
部横裂探傷装置。
【請求項３】請求項２に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記送信探触子は、前記超音波を透過させる材料からな
るとともに、前記レールの前記軌間外側の頭部側面の上
部と前記レールの頭頂面が会合する凸曲面と密接可能な
凹曲面である第１レール密接面と、前記送信振動子を取
り付ける送信振動子取付面を有する第１密接部材を備
え、前記受信探触子は、前記超音波を透過させる材料からな
るとともに、前記レールの前記軌間内側の頭部側面の平
面部と密接可能な平面を含む面である第２レール密接面
と、前記受信振動子を取り付ける受信振動子取付面を有
する第２密接部材を備えることを特徴とする超音波式レ
ール頭部横裂探傷装置。
【請求項４】請求項３に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記第１密接部材を前記超音波送信位置に密接させると
ともに、前記第２密接部材を前記超音波受信位置に密接
させた状態を維持しつつ、前記第１密接部材と前記第２
密接部材を前記レールの長手方向に摺動させることを特
徴とする超音波式レール頭部横裂探傷装置。
【請求項５】請求項４に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記第１密接部材及び前記第２密接部材が前記レールを
摺動する箇所の空隙部分には、前記超音波の減衰を防止
する接触媒質が充填されることを特徴とする超音波式レ
ール頭部横裂探傷装置。
【請求項６】請求項５に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記接触媒質は水であることを特徴とする超音波式レー
ル頭部横裂探傷装置。
【請求項７】請求項６に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記接触媒質を前記空隙部分に供給する接触媒質供給手
段と、前記空隙部分から前記接触媒質が流出することを防止す
る接触媒質流出防止手段を備えることを特徴とする超音
波式レール頭部横裂探傷装置。
【請求項８】請求項７に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記接触媒質流出防止手段は、前記液体状の接触媒質を
吸収可能な微小な室や孔を多数有するとともに柔軟に変
形可能なスポンジ状部材であることを特徴とする超音波
式レール頭部横裂探傷装置。
【請求項９】請求項４に記載された超音波式レール頭
部横裂探傷装置において、前記レール長手方向への摺動距離を検出する摺動距離検
出手段を備え、前記レールの頭部内の横裂の寸法を測定
することを特徴とする超音波式レール頭部横裂探傷装
置。
【請求項１０】送信信号を通電することにより超音波
を発生する送信振動子を有する送信探触子が鉄道のレー
ルの頭部の一方の側面側に配置されるとともに、前記超
音波を受けて振動することにより受信信号に変換する受
信振動子を有する受信探触子が前記レールの頭部の他方
の側面側に配置された超音波式レール頭部横裂探傷装置
を用い前記レールの内部の傷を探査する超音波式レール
頭部横裂探傷方法であって、前記送信探触子を前記レールに接触させる位置である超
音波送信位置と、前記受信探触子を前記レールに接触さ
せる位置である超音波受信位置は、前記レールの長手方
向において第１距離を有するとともに、前記レールの断
面の鉛直方向において第２距離を有するように設定さ
れ、前記送信探触子から前記超音波を送信し、前記レー
ル内を透過させ、前記透過してきた前記超音波を前記受
信探触子により受信し、前記受信信号の強度を測定する
ことにより、前記レールの頭部内の横裂を検出すること
を特徴とする超音波式レール頭部横裂探傷方法。