JP2006118901A - 車輪形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の車輪形状測定装置では、フランジ摩耗は精度良く求めることができるが、踏面の摩耗に関しては高精度に求めることは難しかった。
【解決手段】
本発明では、距離センサを用いた車輪形状測定装置（距離測定装置）と撮像装置により撮像した画像とを合成して車輪の正確なプロフィールを求め、それを用いて、車輪各部の摩耗量を求めることで、踏面に生じる凹摩耗も検出して、寿命判定や、切削時期を精度良く報知できるようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は鉄道車両の車輪の形状を測定し、その測定結果を用いて車輪の摩耗状態を検出する車輪形状測定装置に関する。

従来、鉄道車両の車輪踏面形状を測定するものとして、２つの距離センサを車輪を挟むように配置してフランジ厚やフランジ高さ等を測定する装置が特許文献１に開示されている。

また、撮像手段を用いて車輪形状を測定するものとして特許文献２に開示のものがある。

特開２００１−８８５０３号公報

特開平０５−５２５３６号公報

特許文献１の方法は、距離センサーを用いて、車輪形状を計測するというものであるが、この方法では距離センサーと踏面との角度関係から、踏面からの十分な戻り光が得られないため踏面部分を正確に測定することはできない。また、特許文献２の方法は、画像処理を用いて、車輪形状を計測するというものであるが、相対的な位置関係は簡単に計測できるが、実寸法を知るのは大変困難である。

そこで、本発明の目的は、正確に車輪踏面形状の寸法を求め、車輪の摩耗量やその状態を正確に検出できる車輪形状測定装置を提供するにある。

上記目的を達成するため、本発明では、鉄道車両の車輪踏面形状を測定して、フランジの摩耗量や踏面の摩耗状態を検査するため、走行する車輪のフランジ形状を車輪にレーザ光を照射し、その反射光より求める距離センサと、車輪踏面を撮像して踏面の摩耗状態を測定する撮像装置と、前記距離センサと撮像装置からのデータを処理し摩耗量を求める制御部とを設けた構成とした。

鉄道車両の形状・寸法を正確に測定することで、車輪フランジ部及び踏面部の摩耗量制度よく検出できる。

以下図面を用いて本願発明を説明する。

図１に車輪の断面図を示す。
図１に示すように、車輪１は、外側の部分(レールの外側を向いてる部分で以後表面と称する場合もある）１１から内側の部分（以後裏面と称する場合もある)１２までの外周面の外形が徐々に大きくなるように形成された踏面１３と、内側に一体に設けられているフランジ１４とからなる。フランジ１４の外周面は、踏面から連続し、且つ内側から外側に行くに従って肉厚が徐々に薄くなるような凸曲面をなす。また、車輪の裏面１２側の直径がＷｓの位置に基準溝１５が設けてある。なおこの直径Ｗｓは基準により定めれている。フランジ１４の外側面側１６をフランジ外面と称し、フランジ１４の内側面側１７を車輪内面と称する。

ここで、車輪直径をＷｄでフランジ高さをｆｈで、フランジ厚さをｄで車輪直径Ｗｄと基準溝直径Ｗｓとの間をＷｔで表している。

図２に車輪形状測定装置の全体の配置構成を、図３に車輪を挟んで設けられる各種センサ及び、カメラの配置を示す。

図２に示すように、レール２の外側に第１の距離センサ２１と、車輪踏面を撮像するカメラ２３と、車輪踏面を照らすための照明２４と、照明２４のフラッシュタイミングを決定する車輪検知センサ２９ａ、２９ｂを設けてある。またレール２の内側に第２の距離センサ２２を設けてある。また車両の侵入を検知する車両進入検知センサ２５ａ及び２５ｂ、車両の退出を検知する車両退出検知センサ２６ａ及び２６ｂ、一つの車輪に対して計測開始タイミングを決めるための車輪検知センサ２７ａ及び２７ｂ、計測終了のタイミングを決めるための車輪退出検知センサ２８ａ及び２８ｂがそれぞれ設けてある。なお、車両の地上側には、列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器３０が、車両の先頭部には列車編成番号等の車両情報を発信する発信機が設けてある。

尚本図では車輪踏面を撮像するカメラ２３や車輪検知センサ等は１組しか表示していないが、車輪全周が撮像できるように複数台設置している。

図３に示すように、距離センサ２１は、車輪表側にθ１の角度で光を照射して、その反射光を受光し車輪までの距離を測定する。その設置距離は車輪のフランジから水平方向にＬ１だけ離れた位置に設置してある。また、距離センサ２２は、車輪裏面側に水平方向にＬ２だけ離れて、かつ車輪裏面側に対してθ２の角度で光を照射する位置に設置してある。両センサの設置高さは車輪踏面（車輪とレールの接触点）からｈＧ離れた地上側に設けてある。また、踏面撮像用のカメラ２３は踏面が撮像できるように地上側に所定の角度で設置してあり、車輪検知センサ２９ａ、２９ｂの検知タイミングでフラッシュライト２４を照射して、そのタイミングで車輪踏面部分が撮像できるように制御している。

図４に車輪踏面計測装置の全体構成の概要を示す。

図４に示すように、本装置では、大きく区分すると距離測定装置１０１と、撮像装置１０２と、前記２つの形状測定装置からの情報を受け取り、車輪形状を求めたり、求めたデータを蓄積する情報処理装置１０３とから構成されている。

距離測定装置１０１は、フランジ外面までの距離を測定する第１距離センサ２１、車輪内面までの距離を測定する第２距離センサ２２、測定開始・終了を決定するための車輪進入検知センサ２７ａ及び２７ｂ、車輪退出検知センサ２８ａ及び２８ｂと、前記センサを制御するための距離測定制御部１０４からなる。

また、撮像部１０２は、車輪を撮像するカメラ２３と、車輪に所定のタイミングで光を照射する照明２４と、所定の位置で車輪の通過を検知する車輪検知センサ２９ａ及び２９ｂと前記カメラ、照明、各センサ等を制御するための撮像制御部１０５からなる。

各制御部にはこの他に、車両進入検知センサ、車両退出検知センサの信号及び列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器から信号を取り込むようになっている。

情報処理装置１０３では、距離測定装置１０１のデータと撮像装置１０２からの画像情報を併合し車輪形状を求め、車両編成番号、計測日時を加えて保存する機能を有している。また、異常摩耗を起した車輪を検出する機能に加え、異常摩耗の車輪を検出すると警報を発すると共に、摩耗状態から車輪の寿命時期を予測する機能と、それを監視者に報知する機能を備えている。また、車輪の切削時期のデータを自動生成する機能を備えている。

次にそれぞれの動作を説明する。

まず、計測位置に車両の進入を車両進入検知センサ２５ａ又は２５ｂが検知すると、その検知信号に基づいて、車輪進入検知センサ２７ａ及び２７ｂ、車輪退出検知センサ２８ａ及び２８ｂ車輪検知センサ２９ａ及び２９ｂが起動され、車輪の有無の検出を開始する。同時に第１距離センサ２１及び第２距離センサ２２が起動され計測可能状態に、車輪撮影用のカメラ２３が撮影可能状態になる。この状態で、車輪進入検知センサ２７ａ及び２７ｂが車輪を検知すると、第１距離センサ２１、第２距離センサ２２は計測を開始し、車輪退出検知センサ２８ａ及び２８ｂが車輪を検出すると計測を終了する。

計測データは距離測定制御部１０４のメモリに取り込まれる。取り込んだ計測データは、距離測定制御部１０４で演算処理され、フランジの各部位の位置とフランジ厚さを計算する。このとき、計測開始から終了までの時間から車両速度を計算し前記計算に用いている。また、車両検知センサ２９ａ、及び２９ｂが車輪を検知すると、照明２４を発光させカメラ２３が車輪の撮影を行い、撮影した画像を撮像制御部１０５のメモリに取り込む。取り込んだ画像データは、撮像制御部１０５で画像処理され、踏面、フランジの相対的な位置関係を計算する。距離測定制御部１０４で計算されたフランジの各部位の位置とフランジ厚さ１１０、撮像制御部１０５で計算された踏面、フランジの相対的な位置関係１１１は、情報処理装置０３に転送される。転送されたデータは、情報処理装置１０３で併合し車輪形状を求める。

図５に第１距離センサ２１、第２距離センサ２２の出力波形を示す。

第１距離センサ２１は、図５（ａ）に示すフランジ外面のＢ−Ｃ間の部分、車輪の外側の面のＣ−Ｄ間の部分、及びフランジ外面のＤ−Ｅ間の部分までの距離Ｌ３を計測する。第１距離センサ２１からの出力波形は、図５（ｂ）に示すような波形である。第２距離センサ２２は図５（ａ）に示す車輪内面のＡ−Ｆ間の部分までの距離Ｌ４を計測する。第２距離センサ２２で計測した距離Ｌ３及び距離Ｌ４から、フランジ厚さｄは数１〜３で算出できる。

ｄ＝Ｌ０−（Ｌ１＋Ｌ２） 数１
Ｌ１＝Ｌ３＊ｓｉｎθ１ 数２
Ｌ２＝Ｌ４＊ｓｉｎθ２ 数３
ここで、ｄ，Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２Ｌ３，Ｌ４，θ１，θ２はそれぞれ図３に示した距離や角度である。

また図５（ｃ）で示す第２つの距離センサの出力波形における立ち上がりから立下りまでの距離Ｌｆをその経過時間と車両速度から求め、車輪基準溝間横断距離Ｌｓを第２距離センサ２２の出力波形上の車輪基準溝を示すＧ点からＨ点までの経過時間と車両速度から求め、既知である車輪基準溝の直径Ｗｓ及び第２距離センサ２２で計測した距離Ｌ４と設置角度θ２とその設置高さｈＧより、車輪系Ｗｄおよび車輪フランジ高さｆｈは数４〜９で算出できる。

Ｗｄ＝Ｗｓ＋２Ｗｔ 数４
Ｗｔ＝ｈ１＋ｈ２−Ｗｓ／２ 数５
ｈ１＝sqr（（Ｗｓ／２）^２−（Ｌｓ／２）^２） 数６
ｈ２＝Ｌ４＊ｃｏｓθ２ 数７
ｆｈ＝Ｒｆ−Ｗｄ／２ 数８
Ｒｆ＝sqr（ｈ１^２＋（Lf・２）^２） 数９
図６に距離センサで計測した車輪形状プロフィールの例を示す。距離計測部１０１では、図６に示すようにフランジ部分の形状を前述の計算により算出する。しかし、踏面部分については第１距離センサと踏面の角度が平行に近い角度であることから、正確に形状を計測することは困難である。

一方、撮像制御部１０５によって取り込まれた画像はエッジ抽出処理を行い、図７に示すように視野内でのフランジ、踏面のエッジ位置３０１を抽出できる。

情報処理装置１０３では、フランジの頂点３０２、フランジ外側面と踏面の接点３０３、フランジと踏面に渡る曲線部分の１次微分の最大点３０４等を基準点として、距離測定制御部１０４で計測した車輪形状プロフィールを基準にして、撮像制御部１０５で画像処理して抽出したエッジ位置を併合して、図８に示すような車輪形状プロフィールを作成する。作成した車輪形状プロフィールは車両編成番号、車輪番号、測定日時等のデータと共に情報処理装置１０３に設けてある記憶部に格納される。また、情報処理装置１０３は作成した車輪形状プロフィールから、各部の摩耗上状態を検出して、それぞれの部位において所定の値以上の摩耗量となっている場合は、警報を発するようになっている。さらに、情報処理装置では、以前に測定、記憶してある同一の車両編成番号の同一の車輪番号のデータと比較して、車輪の寿命予測を行い、その結果を報知できるようにしてある。

以上のように、本発明では車輪のフランジ部の寸法及び形状を高精度に計測できる距離測定装置のデータと、車輪踏面状態（形状）を精度良く検出できる撮像装置のデータとを用いて、車輪踏面形状・寸法を高精度に求めて、その求めた形状・寸法から車輪のフランジ部と踏面の摩耗量を求めることで、車輪踏面の凹摩耗も確実に検出できものである。

車輪の断面を示す図である。 車輪形状測定装置の全体構成を示す図である。 車輪形状測定装置のセンサ配置及びカメラ配置の詳細を示す図である。 車輪形状測定装置の制御システム構成を示す図である。 距離センサの測定位置と出力波形を示す図である。 距離センサで計測した車輪形状プロフィールを示す図である。 画像処理で抽出したエッジ位置を示す図である。 車輪形状プロフィールを示す図である。

符号の説明

１…車輪、２…レール、１１…車輪の外側、１２…車輪の内側、１３…踏面、１４…フランジ、１５…基準溝、１６…フランジ外側面、１７…フランジ内側面、２１…第１距離センサ、２２…第２距離センサ、２３…カメラ、２４…照明、２５ａ…車両進入検知センサ受光器、２５ｂ…車両進入検知センサ投光器、２６ａ…車両退出センサ受光器、２６ｂ…車両退出センサ投光器、２７ａ…車両進入検知センサ受光器、２７ｂ…車両進入検知センサ投光器、２８ａ…車両退出センサ受光器、２８ｂ…車両退出センサ投光器、２９ａ…車輪検知センサ受光器、２９ｂ…車両退出センサ投光器、３０…車両情報受信器、１０１…距離測定部、１０２…撮像部、１０３…情報処理装置、１０４…距離測定制御装置、１０５…撮像制御装置、１１０…距離測定部計測データ、１１１…撮像データ、１１２…車輪プロフィール、３０１…踏面エッジ位置、３０２…フランジ頂点、３０３…フランジ外側面と踏面の接点、３０４…フランジと踏面に渡る曲線の１次微分最大点。

Claims (4)

1. 鉄道車両の車輪踏面形状を測定して、フランジの摩耗量や踏面の摩耗状態を検査する車輪形状測定装置において、
   走行する車輪のフランジ形状を車輪にレーザ光を照射し、その反射光より求める距離センサを備えた距離測定装置と、車輪踏面を撮像して踏面の摩耗状態を測定する撮像装置と、前記距離センサと撮像装置からのデータを処理し摩耗量を求める情報処理装置とからなる車輪形状測定装置。
2. 請求項１に記載の車輪形状測定装置において、
   前記情報処理装置は、前記距離測定装置からの車輪の代表点の位置データと、前記撮像装置からの画像データから求めたプロフィールデータを合成して車輪踏面全体のプロフィールを求め、前記プロフィールデータからフランジや踏面の摩耗量を求めることを特徴とする車輪形状測定装置。
3. 請求項１に記載の車輪形状測定装置において、
   前記情報処理装置には前記距離センサと前記撮像装置のデータとを合成して車輪形状を求めるデータ合成部と、求めた車輪形状から新生車輪又は切削後の車輪データと比較して摩耗状態を検出する摩耗量検出部と備えたことを特徴とする車輪形状測定装置。
4. 請求項２に記載の車輪形状測定装置において、
   前記情報処理装置に表示部を設け、前記表示部に前記合成部で合成した車輪について、車両番号や車輪番号と一緒にプロフィールを表示すると共に、摩耗状態を表示することを特徴とする車輪形状測定装置。
   

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