JP2003207319A

JP2003207319A - レール断面形状測定装置

Info

Publication number: JP2003207319A
Application number: JP2002003201A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kurita; 耕一栗田; Takashi Okai; 隆岡井; Masao Inoue; 政雄井上; Seiji Hiura; 誠司日浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】作業者の勘に頼らない定量的な評価ができる
とともに、高精度のレール断面形状測定が可能であり、
検査に要する時間や人員を減らすことにより、コストを
大幅に低減できるレール断面形状測定装置を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】本発明のレール断面形状測定装置は、車
輪が直接接触しないレール外側の側面を基準とし、同じ
く車輪が直接接触しないレール内側のあごの下部を基準
として、レール上面および側面の形状をレーザ変位計で
計測し、得られた変位データをコンピュータ上で結合さ
せて、レール断面形状を測定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レール断面形状の
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】旅客や貨物の輸送手段として鉄道の利用
率が近年増加している。このため、レールの消耗等も激
しく、鉄道のメンテナンスが重要視されている。ところ
が、従来は、これらの検査をすべて人が目視検査や打音
検査で実施していた。このため、検査結果は検査者の主
観に依存するため、結果を一元的に評価することができ
ず、検査結果を定量的に評価することが困難な状況であ
った。

【０００３】このような状況下で、従来から、鉄道のレ
ールの形状を計測するために携帯型検査装置やレールを
手動あるいは電動で走行しながら連続的にレールの状況
を検査する方法がいくつか提案されている。

【０００４】光切断法を利用した方法として、特開２０
０１−３０４８２４号記載のレール断面測定装置があ
る。この方法は、検査対象であるレールの斜め上側から
スリット光を照射し、その光を撮像装置で撮影し、その
画像データを画像処理装置により処理することによりレ
ール断面像を求めるものである。この方法は、スリット
状の光で物体をあたかも切断するように照射するため、
光切断法とよばれておいる。非接触でレール形状の概略
を計測することが可能な方法である。

【０００５】また、同様に光切断法を利用した方法とし
て、特開２００１−１４１４２７号記載のレール断面測
定装置がある。この方法は、照射方向の異なる複数のス
リット光をレールに照射し、それぞれの像をレーザ光あ
るいは干渉フィルタとの組み合わせることにより区別し
てレール断面像を求め、さらに、これら撮影した画像デ
ータを座標変換等の処理を施してレール断面を計測する
ものである。

【０００６】また、同様に光切断法を利用した方法とし
て、特開平６−１１３１５号記載のレール断面磨耗測定
装置がある。この方法は、検査対象であるレールにXeフ
ラッシュランプ光源からのスリット光をパルス的に照射
し、ＣＣＤカメラによりＸｅフラッシュランプ点灯時の
画像データと、消光時の画像データをそれぞれ撮影し、
その差分を画像処理することによりレール形状を求める
ことを特徴とするものである。

【０００７】さらに、上述した方法以外に、より直接的
で原始的な方法として、マイクロメータにより直接レー
ル幅を計測する方法等が提案されている。この方法は、
マイクロメータの読み値をデジタルで表示することを特
徴とした方法で、検査者に依存せず再現性良くデータが
得られることを特徴としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
検査者による目視検査や打音検査法では、検査する作業
者により評価が異なる場合が多く、また、マイクロメー
タを使用した場合も検査装置の設置方法にわずかな傾き
やズレが生じても大きな誤差となるため、レール断面形
状の定量的な評価が困難であるという課題があった。ま
た、これらの方法は検査に要する時間や人件費が膨大と
なり非経済的であるという課題もあった。

【０００９】一方、光切断法を利用した方法によりレー
ルの断面形状を正確に得るためには、レールに照射する
スリット光のスリット幅を狭くする必要がある。ところ
が、レーザの種類にも依存するが、一般にレーザ光を使
用しても数１０μｍ程度までしかスリット幅を狭くする
ことができず、レール断面形状を数μｍレベルの精度で
検出することは不可能であった。この方法では、例え
ば、レール削研車によるレール削研前後の削研量が通常
２０μｍ程度であることを考慮すると、この方法による
レール削研前後の削研量を定量評価することは不可能で
あることがわかる。従って、この光切断法では高精度の
検出は不可能であるという課題があった。

【００１０】さらに、Ｘｅフラッシュランプ光源を使っ
た方法も、スリット光にして検査対象であるレールに照
射しているため、上述した光切断法と同様な課題があっ
た。このため、画像データの差分をとる手法を用いても
本質的にこの課題を解決することはできなかった。

【００１１】本発明は上述のような課題を解決するため
になされたもので、作業者の勘に頼らない定量的な評価
ができるとともに、検査に要する時間や人員を減らすこ
とによりコストを大幅に低減でき、さらに従来の光切断
法やＸｅフラッシュランプを用いた検査方法を含めた非
接触検査方法と比べてより高精度のレール断面形状測定
が可能であり、得られた検査結果を解析することにより
レールの危険度評価に結びつけることが可能なレール断
面形状測定装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、レールの断面形状を計測するレール断面形状測定装
置において、レーザ変位計を計測方向に移動させてレー
ルの断面形状を計測することを特徴とする。請求項２に
記載の発明は、レールの断面形状を計測するレール断面
形状計測装置において、ライン状のレーザ光をレールに
照射して、照射部のレールの変位を計測するライン型レ
ーザ変位計を有することを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載のレール断面形状計測装置において、レ
ールの断面形状を計測するレール断面形状測定装置にお
いて、車輪が直接接触しないレール外側の側面を基準と
し、同じく車輪が直接接触しないレール内側のあごの下
部を基準として、レール上面および側面の形状を計測す
ることを特徴とする。

【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載のレール断面形状計測装置に
おいて、永久磁石方式のマグネットベースを用いて固定
可能であることを特徴とする。また、請求項５に記載の
発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレ
ール断面形状計測装置において、レールに沿って走行し
ながらレール断面形状を計測することを特徴とする。

【００１５】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
ないし請求項５のいずれかに記載されたレール断面形状
測定装置において、計測されたレール断面形状データ
と、過去に計測したレール断面形状データとを比較する
コンピュータを有し、該コンピュータにより得られた比
較データに基づいて、レールの危険度を評価し表示する
ことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレール断面形状測
定装置について更に詳しく説明する。本発明において、
Ｉ字状のレールの断面形状を測定する手段として、レー
ザ変位計を使用してレールの表面形状を計測する手法を
採用している。本発明で使用したレーザ変位計は０．１
μｍの分解能を有するものを採用している。これは、レ
ール削研前後のレール表面の削研量がたかだか２０μｍ
程度と僅かであるため、この削研量を精度よく検出する
ために、高分解能の変位計が必要となった。

【００１７】しかし、高分解能のレーザ変位計により、
レールの表面形状を計測するだけではレール断面形状を
精度良く計測することはできない。レール断面形状を精
度良く計測し、レールの削研量を正確に求め、レール表
面の削研量を再現性良く計測し、レール幅や高さの経時
変化を定量的に評価するためには、計測の基準点を決定
することが必要不可欠である。ところが、レール上面は
その上を走行する車輪や、定期的にレール表面を削研す
るレール削研車両等により表面が削られている。このた
め、単純にレール上部を基準点（原点）として、レール
表面の変位を計測してもレール断面形状やレールの削研
量を正確に計測することができない。そこで、本発明で
は、以下に述べるように検査対象であるレールに基準面
（基準点）を２箇所設定することによりこれを可能にし
た。

【００１８】まず、定置してレール断面形状を測定する
携帯型レール断面形状測定装置に本発明を適用した場合
を例に説明する。レール断面形状測定装置は、車輪が接
触しないレール外側の側面に密着する構造とする。そし
て、このレール断面形状装置はレール上面を計測するも
のと、レール側面を計測するものの２台のレーザ変位計
が搭載されている。レーザ変位計のタイプは、スポット
型でもライン型でもどちらでも計測可能であるがここで
は、スポット型を使用した場合を例に説明する。レール
上面を計測するレーザ光の基準点となる原点は、レール
外側の側面である。一方、レール内側の側面を計測する
レーザ光の基準点となる原点は、車輪が直接接触しない
レール内側のあごの下部（レール内側の上方張出部の下
面）である。このように、基準となる原点が決まり、そ
れぞれの変位計で変位信号が検出される。これらの変位
データを２つの基準点と、それぞれのレーザ変位計の計
測位置で重なり合う部分をつなげることにより、レール
内側の断面形状を得ることができる。

【００１９】次に、レール上を一定速度で走行しながら
レール断面形状測定を実施する連続式レール断面形状測
定装置に本発明を適用した場合を例に説明する。この場
合は、上述した携帯型レール断面形状測定装置とは異な
り、非接触でレール断面形状を計測する。レール断面形
状測装置には、ライン型のレーザ変位計が少なくとも２
台搭載されている。そして、それぞれのレーザ変位計
は、レール上面を計測するものと、レール側面を計測す
るものである。レール上面を計測するレーザの基準点と
なる原点は、レール外側の側面の曲率がある端部であ
る。この部分は、レールやレール削研車両により削られ
ない部分（変位の変化がない部分）であるため、基準点
として使うことができる。一方、レール側面を計測する
レーザの基準点は、車輪が直接接触しないレール内側の
あごの下部である。このように、基準となる原点が決ま
り、それぞれの変位計で変位信号が検出される。これら
の変位データを２つの基準点と、それぞれのレーザ変位
計の計測位置で重なり合う部分をつなげることにより、
レール内側の断面形状を得ることができる。

【００２０】このようにして得られたレール断面形状
は、コンピュータ等のデータ蓄積装置に蓄積される。そ
して、これらのデータは、単にレールの削研量やレール
幅、レールの頭の高さ等が数値化されるだけでなく、レ
ールの危険度評価やレール継目の幅等を定量的に数値化
することが可能となり、鉄道のメンテナンスに活用でき
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。（実施例１）図１は本発明に係るレール断面形状測定装
置の第一実施例（携帯型レール断面形状測定装置）を概
念的に示す構成図である。図中の符号１１で示されるも
のは、検査対象であるＩ字状のレールの断面形状を示し
たものである。この図中で、左側はレールの外側、右側
は車輪が接触するレールの内側を表している。この携帯
型レール断面形状測定装置１は、検査場所を決めると、
図中の符号１２で示す永久磁石を利用したマグネットベ
ース用いて、図に示すように固定する。マグネットベー
ス１２は内部永久磁石の配置を換えるレバーを使用して
レールからの着脱は可能な構造となっている。このマグ
ネットベース１２の軸３１と直交する支持軸２８にレー
ル側部に密着して接触する基準ブロック１３が接触する
構造を有している。そして、この支持軸２８に直交する
ねじ溝が外周に形成された水平移動軸１４が支持軸２８
に配置されている。この水平移動軸１４には、該水平移
動軸１４のねじ溝と螺合してレール上部変位計測用レー
ザ変位計１５が取り付けられている。この水平移動軸１
４は、複数の歯車２９ａ，２９ｂを介してモータ１６に
より回転し、これによりレール上部変位計測用レーザ変
位計１５が図１の左右方向に一定速度で移動する構造を
有している。同様に、レール内側側部変位計測用レーザ
変位計１７を垂直に移動させるための、ねじ溝が外周に
形成された垂直移動軸１８が垂直（図１の上下方向）に
設置され、垂直移動軸１８はモータ１６により複数の歯
車３０ａ，３０ｂ，３０ｃを介して回転する。すなわ
ち、垂直移動軸１８のねじ溝がレール内側側部変位計用
レーザ変位計１７と螺合しており、上記垂直移動軸１８
が回転することにより、レール内側側部変位計用レーザ
変位計１７は図１の上下方向に一定速度で移動する。そ
して、それぞれのレーザ変位計１５，１７からの信号
は、コントローラ１９を経てコンピュータ２０にてデー
タ蓄積され、レール断面形状を出力する。

【００２２】本実施例で使用しているレーザ変位計１
５，１７は、スポット型のレーザ変位計である。これ
は、レーザをスポット状に照射し、その位置での変位を
計測する装置である。従って、レールの上部や側部の形
状をこの変位計で計測する場合には、レーザ変位計を計
測方向に移動させて逐次変位データを蓄積していく必要
がある。

【００２３】一方、レーザ変位計にはライン型もあり、
これはライン状にレーザ光を照射し、そのラインの変位
を同時に計測するものである。このタイプのレーザ変位
計を使用すれば、機械的にレーザ変位計をスキャンする
必要がない。本実施例では、スポット型のレーザ変位計
を例に説明しているが、上述のライン型レーザ変位計を
携帯型レール断面形状測定装置１に使用することも可能
である。

【００２４】こうした構成の携帯型レール断面形状測定
装置１において、レール１１外形の変位データの取得は
以下の手順でおこなう。まず、それぞれのレーザ変位計
１５，１７を計測位置の一端部に移動させておく。そし
て、モータ１６を回転させることにより２台のレーザ変
位計をそれぞれ前記計測位置の他端部へ向けて移動させ
る。この移動の間に取得した変位データを、コントロー
ラ１９を経てコンピュータ２０で連続的に蓄積する。

【００２５】こうして得られた変位データは、それぞれ
レール１１の外形の変位データでしかないが、これらの
変位データを解析し、基準点や該変位データの重なり合
った部分を結合することにより、一つのレール断面形状
として出力される。この際、図１に示す、レール外側の
側面Ｓとレール内側のあごの下部Ｂは、それぞれレール
を走行する車輪やレール削研車両等によりレール表面が
削られない部分であるため、経時変化を評価する際の基
準点（基準）として使用することができる。このように
して、出力（計測）されたデータと過去に同じ場所で計
測したレール断面形状のデータとをコンピュータ２０に
より比較して、その相対変化量や、変化している部分を
表示することも可能である。

【００２６】この発明の実施例１に係るレール断面形状
測定装置によれば、レーザ変位計１５，１７をそれぞれ
スキャンさせることにより、レール１１の上部と内側部
の変位を計測し、それぞれの変位データをもとにレール
１１の断面形状を精度良く定量的に求めることができ、
以下に述べる効果を奏する。（１）従来の目視検査や打音検査法、及び手動のマイク
ロメータを利用した計測方法に比べ、高速で高精度なレ
ール断面形状の計測が可能であり、検査者に依存しない
定量的な評価ができる。（２）従来の光切断法によるレール断面形状測定法に比
べ、高精度な測定が可能であり、これにより、従来技術
では困難だった削研量を定量的に評価することが可能と
なった。

【００２７】（実施例２）図２は、本発明に係るレール
断面形状測定装置の第二実施例（連続式レール断面形状
測定装置）を概略的に示す構成図である。本発明の第二
実施例に係る連続式レール断面形状測定装置２は、前記
第一実施例が定置型の携帯型レール断面形状測定装置で
あったのに対して、レールに沿って走行しながら、レー
ルに対して非接触で連続的にレール断面形状を計測する
ことを可能にした実施例である。

【００２８】連続式レール断面形状測定装置２には、ラ
イン型のレーザ変位計２１，２２，２３が、レール１１
に対して、それぞれレール上部外側、レール上部内側、
レール内側側部を計測するように配置されている。ま
た、連続式レール断面形状測定装置２は、レール１１の
長手方向（図２の紙面に対し、直交する方向）に沿って
移動することができる検査車両（図示せず）に積載され
ている。なお、前記ライン型のレーザ変位計２１，２
２，２３は、それぞれレーザ変位計内部にスキャナーを
設置してライン状にスキャンしている方式であるので、
変位計測の原理はスポット型のレーザ変位計と変わらな
い。この状態で、ライン型レーザ変位計２１，２２，２
３を搭載した検査車両は一定速度でレールに沿って走行
し、ライン型レーザ変位計２１，２２，２３からの変位
信号は、それぞれコントローラ２５を経てコンピュータ
２４にて逐次蓄積される。

【００２９】レール１１に沿って走行しながらの計測で
は、レール１１の表面状態を目視で直接みることはでき
ないので、レール１１の表面状態を撮影する撮像器２６
を連続式レール断面形状測定装置２の適当な位置に設置
している。また、この撮像器２６でレール１１の表面状
態を撮影する際に、レール１１の外表面を照明するため
の照明器２７が同様に設置されている。こうして撮像器
２６によって得られたレール１１表面の画像データは、
レール断面形状を求めるために解析に供することはない
が、ライン型レーザ変位計２１，２２，２３によって異
常な信号が検出された場合の、参照データとして使用す
ることができる。

【００３０】それぞれのライン型レーザ変位計２１，２
２、２３で得られた変位データをもとに、以下の手順に
よりレール断面形状を決定する。レール上部外側を計測
するライン型レーザ変位計２１で計測されたレール外側
の側面の曲率がある端部の変位データは、通常、レール
やレール削研車により削られない部分（変位の変化がな
い部分）であるので、レール断面形状を求める際の基準
点となりうる。そこで、この点を基準点として、レール
上部内側を計測するライン型レーザ変位計２２で計測さ
れた変位データの重なり合って計測した部分を結合す
る。さらに、レール側部を計測するライン型レーザ変位
計２３で得られた変位データの重なり合って計測した部
分を結合する。これらの作業を、コンピュータ２４上で
自動的に実行することにより、レール１１の断面形状を
決定することができる。こうして出力（計測）されたレ
ール断面形状のデータと、コンピュータ２４内部に蓄積
されている、過去に同じ場所で計測したレール断面形状
のデータとをコンピュータ２４により比較し、得られた
比較データによりレール断面形状データの経時的な変化
量や、変化している部分を表示することが可能である。
そして、求めたレール断面形状の相対変化量（比較デー
タ）に基づいてレールの危険度を評価し表示することが
できる。

【００３１】本発明の実施例２に係るレール断面形状測
定装置は、実施例１に示した効果に加え以下の効果を奏
する。（１）走行しながら非接触で連続的にレールの断面形状
を測定することが可能となった。（２）さらに、求めたレール断面形状の相対変化量から
レールの危険度を評価し表示することが可能となった。

【００３２】

【発明の効果】本発明のレール断面形状測定装置は、レ
ーザ変位計を使用してレールの表面変位を計測すること
により求める方法であり、更に、変位計測のための基準
点をレールに設定することにより、これらの変位データ
から精度良くレール断面形状を決定することが可能とな
り、作業者に依存しない正確で定量的な評価が可能とな
り、さらに、レール形状の経時変化やレール削研前後の
正確な削研量などを正確に計測することが可能となり、
レールメンテナンスの高精度化、高効率化が可能となっ
た。

【００３３】また、レール断面形状測定装置をオンライ
ンレール形状計測（連続式レール断面形状測定装置）に
適用した場合は、上記効果に加えて、一定走行しながら
計測するため、非接触で連続的にレールの断面形状を測
定することが可能となり、測定時間の大幅短縮が実現で
きた。

【００３４】さらに、求めたレール断面形状からレール
の危険度を評価し表示することにより、レールメンテナ
ンスの業務負担が著しく軽減され、例えばレール幅等が
基準より狭い危険な個所を優先的に点検、補修すること
ができ安全性向上が実現できた。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る携帯型レール断面形状
測定装置の具体的な装置構成を示す概念図である。

【図２】本発明の実施例２に係る走行して計測可能な連
続式レール断面形状測定装置の具体的な装置構成を示す
概念図である。

【符号の説明】

１携帯型レール断面形状測定装置２連続式レール断面形状測定装置１１レール１２マグネットベース１３基準ブロック１４水平移動軸１５レール上部変位計測用レーザ変位計１６モータ１７レール内側側部変位計測用レーザ変位計１８垂直移動軸１９コントローラ２０コンピュータ２１ライン型レーザ変位計（上部外側）２２ライン型レーザ変位計（上部外内側）２３ライン型レーザ変位計（側部）２４コンピュータ２５コントローラ２６撮像器２７照明器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上政雄愛知県小牧市大字東田中1200番地三菱重工業株式会社名古屋誘導推進システム製作所内 (72)発明者日浦誠司愛知県小牧市大字東田中1200番地三菱重工業株式会社名古屋誘導推進システム製作所内Ｆターム(参考） 2D057 BA24 2F065 AA06 AA52 CC35 FF09 FF43 GG04 MM14 MM23 PP22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レールの断面形状を計測するレール断面
形状測定装置において、レーザ変位計を計測方向に移動させてレールの断面形状
を計測することを特徴とするレール断面形状測定装置。
【請求項２】レールの断面形状を計測するレール断面
形状計測装置において、ライン状のレーザ光をレールに照射して、照射部のレー
ルの変位を計測するライン型レーザ変位計を有すること
を特徴とするレール断面形状測定装置。
【請求項３】レールの断面形状を計測するレール断面
形状測定装置において、車輪が直接接触しないレール外側の側面を基準とし、同
じく車輪が直接接触しないレール内側のあごの下部を基
準として、レール上面および側面の形状を計測すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレール断
面形状測定装置。
【請求項４】永久磁石方式のマグネットベースを用い
て固定可能であることを特徴とする請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載されたレール断面形状測定装置。
【請求項５】レールに沿って走行しながらレール断面
形状を計測することを特徴とする請求項１ないし請求項
３のいずれかに記載されたレール断面形状測定装置。
【請求項６】計測されたレール断面形状データと、過
去に計測したレール断面形状データとを比較するコンピ
ュータを有し、該コンピュータにより得られた比較デー
タに基づいて、レールの危険度を評価し表示することを
特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載さ
れたレール断面形状測定装置。