JP2008201389A - 輪重又は横圧の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大掛かりでコストがかかるＰＱ輪軸を用いずに、低コストでかつ長い準備期間を要せず、精度良く輪重又は横圧を測定できるようにする。
【解決手段】鉄道車両の車輪に発生する輪重又は横圧を測定する方法において、輪重測定は、車軸支承部４ａと該車軸支承部の両側に延設された軸ばね取付部４ｂとからなる軸箱体４の該軸ばね取り付け位置ｅより車軸５側の軸ばね取付部４ｂに歪ゲージＰ１及びＰ２を貼付し、該歪ゲージで測定した歪量から輪重を算出する。横圧測定は、車輪の両側面１０ａ及び１０ｂに歪ゲージＰ３及びＰ４を貼付し、車輪１０が該両側面間に貫通したボルト孔１５に装着された結合用ボルト１６を備え、該結合用ボルトを軸方向に貫通孔１７ａを有する歪測定用ボルト１７と取り替え、両歪ゲージＰ３及びＰ４を貫通孔１７ａを介して結線することにより、車輪１０の該両側面の歪量を測定し、該歪量から横圧を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両において、脱線係数を算出するための輪重又は横圧を測定する方法であって、簡単な装置で車輪とレールとの間に作用する輪重又は横圧が測定可能な方法に関する。

鉄道車両において、脱線に対する安全性は速度向上試験に際して確認すべき最も重要な項目のひとつである。脱線に対する安全性を確認するためには、車輪とレールとの間に作用する力の関係を求めることが有効である。そこで、車輪とレールとの間に作用する力の上下方向の成分である輪重（あるいは垂直圧）と左右方向の成分である横圧を測定し、脱線に対して最も直接的かつ重要な指標である、横圧対輪重の比、すなわち脱線係数を算出して脱線に対する安全性を確認する必要がある。

輪重、横圧及び脱線係数について図７を参考に説明する。図７において、車輪のトウ面３１はレール３２に対して１点Ａで接触し、この接触点Ａにおいて車輪にはレールからの力が作用するものと考えることができる。この力の車両の進行方向に垂直な平面内での成分をＦとすると、Ｆを垂直方向の成分Ｐと水平方向の成分Ｑに分けたとき、Ｐを輪重、Ｑを横圧という。この両者の比Ｑ／Ｐを脱線係数と言い、脱線に対する安全性を評価するための重要な指標の１つとされている。

作用力Ｆは、接触点Ａにおける共通接平面に平行な成分Ｔと、これに垂直な法線成分Ｎとに分けることもできる。接線力Ｔが摩擦力μＮに達したとき、脱線限界となり、危険な状態となる。このとき脱線係数は次の式で表される。なおαは共通接平面が水平面となす角度である。

式（１）はＮａｄａｌの式と呼ばれ、脱線限界におけるＱ／Ｐの値を求めるために古くから使われてきた。

しかし、鉄道車輪が鉄レールの上を高速で転動していく鉄道システムでは、輪重や横圧を測ることは容易ではなく、特別の機構を必要とする。現在最も広く用いられている方法は、車輪に歪ゲージを貼付して車輪の圧縮歪や曲げ歪を電気信号に変換し、その信号をスリップリングかテレメータ（ＦＭ発信機）を用いて、非回転部分に取り出す方法が用いられている。

この方法は、いわゆる「ＰＱ輪軸」と呼ばれる特殊な計測用の輪軸を必要とする。この輪軸は、孔あき車輪を用い、応力集中して歪が発生しやすい該孔の部分に歪ゲージを貼付して歪を検知することにより、輪重等を算出するものである。しかし製作が面倒で高価である上に、耐久的強度の問題やブレーキをかけられないなどの列車運転上に問題があるだけでなく、計測システムとしての耐久性もないので、計測時に一時的に用いるだけで、営業運転に用いることは不可能である。

このため最近では、ＰＱ輪軸を用いないで、実際に走行する車両から直接計測可能な方法が提案されてきている。例えば特許文献１（特開２００４−２１９１６１号公報）には、車軸を支持する軸受を内装した軸箱体と台車との間にロードセルを設け、該ロードセルによって、実際に軸受に負荷されるラジアル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、円周方向の負荷分布等を測定可能としている。

また特許文献２（特開２００４−３０９４３８号公報）には、車輪の両側面（少なくとも一側面）に圧電素子と、該圧電素子に発生した電荷量を増幅する増幅器を設け、停車時又は走行時における車両の車輪荷重を計測可能にしている。

特開２００４−２１９１６１号公報 特開２００４−３０９４３８号公報

しかしながら特許文献１又は特許文献２に開示された方法では、特別な計測装置を組み込む必要があり、また、既存車両に取り付ける場合には大掛かりな改造が必要となる問題がある。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、脱線係数を算出するために輪重及び横圧を計測するのに際し、大掛かりでコストがかかるＰＱ輪軸を用いずに、低コストでかつ長い準備期間を要せず、精度良く計測可能な計測方法を実現することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の輪重の測定方法は、
鉄道車両の車輪に発生する輪重を測定する方法において、
車軸支承部と該車軸支承部の両側に延設された軸ばね取付部とからなる軸箱体の該軸ばね取り付け位置より車軸側の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該歪ゲージで測定した歪量から輪重を算出するものである。

また本発明の横圧の測定方法は、
鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法において、
車輪の両側面に歪ゲージを貼付し、該車輪が該両側面間に貫通したボルト孔に装着されたボルトを備え、該ボルトを、軸方向に貫通孔を有する測定用ボルトと取り替え、該両歪ゲージを該貫通孔を介して結線することにより、車輪の該両側面の歪量を測定し、該歪量から横圧を算出するものである。

本発明の輪重の測定方法は、車軸支承部と該車軸支承部の両側に延設された軸ばね取付部とからなる軸箱体を備えた車両を適用対象とする。輪重の計測は、該軸箱体の該軸ばね取付け位置より車軸側の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該歪ゲージで測定した歪量から輪重を算出する。該軸ばねは上方から車両の荷重を受ける。一方、車軸支承部は、下方から車軸の力を受ける。従って該軸ばね取付け位置より車軸側の軸ばね取付部に曲げが発生する。

従って、該軸ばね取付け位置より車軸側の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付することにより、大きな歪量を検出することができる。この歪量から輪重を算出すれば、輪重を精度良く算出することができる。また、車軸という荷重作用点に近い場所で測定するため、正確な輪重を測定できる。また輪重を車両の走行中に連続的に測定できる。なお軸ばね取付け位置より外側の軸ばね取付部では捩じれが発生しやすく、ここに歪ゲージを貼ると、該歪ゲージで測定される歪量に該捩じれによる歪成分が混じり、誤差が出やすい。

本発明の輪重の測定方法において、好ましくは、軸箱体の該軸ばね取り付け位置より車軸側の両方の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該両歪ゲージの同相分を計測し、逆相分をキャンセルするように結線するとよい。こうすれば、両方の軸ばね取付部で測定した歪量にアンバランスが生じても輪重を正確に測定できる。たとえば軸ばね取付部に捩じれ等が生じても、該両歪ゲージの逆相分をキャンセルすることにより、該捩じれ等によって生じた歪成分を消去できる。従って、正確な輪重を測定できる。

また本発明の横圧の測定方法では、車輪の両側面間に貫通したボルト孔に装着されたボルトを備えた車輪を適用対象とする。例えば、輪芯と該輪芯と別体に形成された外輪とで構成され、該輪芯と該外輪とが弾性体を介在させた状態でボルト結合されている車輪を用いる。この車輪は、車軸が挿入される輪芯と該輪芯の周囲に配置される外輪との間に弾性体が介設されているので、レールから伝わる振動や騒音を該弾性体で遮断できる。そのため車軸及び車軸から車体に伝わる振動や騒音を低減することができる。

従来孔開き車輪のように車輪に孔が空いている場合は別として、車輪に孔が空いていない車輪では、車輪の両側面に貼り付けた歪ゲージの結線ができなかった。そのため本発明では、軸方向に貫通孔を有する測定用ボルトを用意して、結線を可能にした。即ち、両側面間に貫通したボルト孔に装着されたボルトを該測定用ボルトと取り替える。そして該測定用ボルトに設けられた貫通孔を介して両歪ゲージを結線することができる。

該測定用ボルトを装着しないと、車輪の強度不足が生じ、強度問題が起こる。また本来の車輪強度と違ってしまうので、正確な測定ができなくなる。従って、該測定用ボルトを装着することにより、かかる問題を解消できる。

このように本発明の輪重又は横圧の測定方法によれば、従来のＰＱ輪軸を用いることなく、簡単な装置で輪芯及び横圧の測定が可能になる。また車輪や軸箱体等の車体を傷付けず測定が可能になる。また該測定用ボルトを装着することにより、車輪強度も本来と同等な状態に保ったまま計測できる。また大掛かりな改造遺贈を必要とすることなく、既設の車輪にも適用できるという長所がある。

本発明の輪重の測定方法によれば、車軸支承部と該車軸支承部の両側に延設された軸ばね取付部とからなる軸箱体の該軸ばね取り付け位置より車軸側の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該歪ゲージで測定した歪量から輪重を算出することにより、ＰＱ輪軸のように
大掛かりで高コストな測定装置を組み込む必要がなく、簡単な装置で連続的に輪重を測定することができる。

また本発明の横圧の測定方法によれば、車輪の両側面に歪ゲージを貼付し、該車輪が該両側面間に貫通したボルト孔に装着されたボルトを備え、該ボルトを軸方向に貫通孔を有する測定用ボルトと取り替え、該両歪ゲージを該貫通孔を介して結線することにより、車輪の該両側面の歪量を測定し、該歪量から横圧を算出するため、大掛かりで高コストのＰＱ輪軸を用いずに、簡単な装置で連続的に横圧を測定することができる。

従って、本発明によれば、横圧と輪重との比から正確な脱線係数を算出できるので、脱線に対する安全性を確認できる。また車輪や軸箱体の車両に傷を付けることなく測定が可能であり、かつ既設の車両に適用する場合でも、大掛かりな改造を必要としない。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）

本発明の輪重測定方法に係る第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。車両の台車部分を示す立面図、図２は台車に取り付けられた軸箱体の立面図、図３は同じく軸箱体の平面図、図４は、歪ゲージが構成する輪重測定用結線図である。図１において、軸箱体４は、台車本体１から車両の走行方向に張り出した側はり２に軸ばね３を介して取り付けられ、車体の重量を支えている。台車本体１は緩衝ばねを介して車体（図示略）を支持する。軸箱体４は、車軸５をベアリング（図示略）を介して支承する車軸支承部４ａと、該車軸支承部４ａから両側に延設された軸ばね取付部４ｂとからなる。

軸ばね３，３は、車軸支承部４ａの両側で軸ばね取付部４ｂに取り付けられ、他端が側はり２に取り付けられる。従って、軸箱体４には車軸５から負荷される上向きの力Ｆ１と軸ばね３，３から負荷される下向きの力Ｆ２が負荷されている。従って、図２に示すように、軸箱体４には矢印ａ方向の曲げ力が生じる。この曲げ力により最も歪が発生しやすい車軸支承部４ａと軸ばね取付部４ｂとの境界にある領域ｂに歪ゲージＰ１及びＰ２を貼付する。

また領域ｂの反対面にある領域ｃも歪が発生しやすい領域であるので、領域ｃに歪ゲージを貼付してもよい。歪ゲージＰ１及びＰ２は、図３に示すように、軸箱体４の幅方向中央に貼付される。軸箱体４は幅方向にある程度の寸法をもつので、該歪ゲージを幅方向端部では捩じれが発生しやすい。該歪ゲージを幅方向端部に取り付けると、該捩じれによる歪成分が測定値に含まれるため、測定精度が悪くなるおそれがある。
また、測定精度上、輪重測定ゲージでは、横圧作用時にその影響を無視できる程度に抑える必要があるが、図３のゲージ配置にすることにより横圧の影響をほとんど受けないようにできる。

歪ゲージＰ１及びＰ２は、図４に示すように、ホイストンブリッジで結線されている。かかる構成において、歪ゲージＰ１及びＰ２の伸び又は縮みにより、該歪ゲージの抵抗が変わる。４箇所の端部２１，２２，２３及び２４の電圧を測定することにより、歪ゲージＰ１及びＰ２の歪量を測定する。車両走行中に車輪とレール間に作用する垂直方向の成分である輪重を該歪ゲージＰ１及びＰ２で測定する。

歪ゲージＰ１及びＰ２は、ホイストンブリッジで結線され、これによって該歪ゲージで検出された同相分を測定し、逆相分をキャンセルする。従って、歪ゲージＰ１及びＰ２の測定値の間で生じたアンバランス量を消去できるので、共通の歪成分のみを取り上げることができるので、正確な輪重を算出することができる。

なお台車本体１に負荷される荷重によって大きな歪量が得られると考えられる側はり２の領域ｄに歪ゲージを貼付する場合、測定値に軸ばね３の特性が介在し、正確な測定ができない。従って、本実施形態のように車輪５に近い位置で歪を測定するほうが正確な輪重を測定できる。また図２に示すように、軸ばね取付部ｅより外側に位置する軸ばね取付部４ｂでは、捩じれが出やすく、該捩じれによる歪成分が発生し、輪重の測定に影響を及ぼす。従って、歪ゲージの貼付場所を領域ｂ又はｃに選定するのが最良である。領域ｂとｃを１つのブリッジとして使っても良い。即ち、領域ｂと領域ｃとに歪ゲージを貼付し、これらの歪ゲージをホイストンブリッジで結線する。これによって測定感度を上げることができる。

本実施形態では、かかる方法によって大掛かりで高コストのＰＱ輪軸を用いずに、輪重の測定が可能になる。また特許文献１又は２に開示されたような従来技術と比べて、低コストでかつ準備期間も短く、簡便に実施できる。そして既存の車両に適用する場合でも、大掛かりな改造を必要としない。

なお輪重値とは、厳密には、車両が走行しない状態で測定する静止輪重と、車両の走行中に実際に測定する輪重変動値の合計である。静止輪重が負荷された状態で歪ゲージが貼付され、零点設定されるので、静止輪重は測定できない。車両の走行中に測定できるのは輪重変動値である。静止輪重は車両製造工場又は車庫等に設けられた静止輪重計で測定する。
（実施形態２）

本発明の横圧測定方法に係る第２の実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。図５は車輪の立面図、図６は図５中のＡ―Ａ断面図である。図５及び図６において、本実施形態の車輪１０は、車軸５が嵌合される軸芯１１と該軸芯１１の周囲に配置される外輪１２とが別体に構成されている。輪芯１１には外方に突設され弾性体１３を位置決めするための位置決め部１１ａが形成され、位置決め部１１ａの反対側には弾性体１３を固定する固定環１４が配置されている。

位置決め部１１ａ、弾性体１３及び固定環１４にはボルト孔１５が設けられる。該ボルト孔１５に結合用ボルト１６を螺合装着させる。これによって輪芯１１と外輪１２とが間に弾性体１３を介在させた状態で一体に結合される。かかる構成により、外輪１２が図示しないレールから受ける振動や騒音を該弾性体１３で遮断し、車軸５に伝わらないようにしている、このため車体の振動及び騒音を低減することができる。なお図５に示すように、結合用ボルト１６は、車輪１０の周方向に複数個配置される。

輪芯１１の両側面１０ａ及び１０ｂには、歪ゲージＰ３及びＰ４が２箇所ずつ貼付されている。該歪ゲージで車輪１０に負荷される歪を測定する場合には、複数個配設された結合用ボルト１６のうち、歪ゲージの近くに配置された結合用ボルト１６を歪測定用ボルト１７とを取り替える（本実施形態では２箇所）。歪測定用ボルト１７は、中央に軸方向に貫通孔１７ａが穿設されている。そして歪測定用ボルト１７が装着された状態で、２組の歪ゲージＰ３及びＰ４がそれぞれ貫通孔１７ａを通る導線１８で結線される。なお、１個の歪測定用ボルトの貫通孔１７ａに２組の歪ゲージＰ３及びＰ４の導線を通すようにしてもよい。

結合用ボルト１６を取り外しただけで、歪測定用ボルト１７を取り付けない場合は、車輪１０の強度が低下し、強度不足となるおそれがある。また本来の車輪強度と異なってくるので、正確な横圧測定はできない。なお本実施形態では、車輪１０の周方向に２組の歪ゲージを設けているが、もっと多くの歪ゲージを周方向に等間隔で配置すれば、車輪走行中で連続した横圧の測定が可能になる。

本実施形態で、歪ゲージＰ３及びＰ４で測定した歪量を外部に送信する方法は、図５に示すように、車輪側面１０ａにＦＭ送信機取付け治具１９を設け、これにＦＭ送信機取付け治具１９を取り付ける。該ＦＭ送信機取付け治具１９により歪量を外部に送信する。なお歪量の外部への送信は、非接触式のＦＭ送信機取付け治具１９のほかに、接触式のスリップリングを用いることもできる。

本実施形態により、大掛かりで高コストのＰＱ輪軸を用いることなく、横圧の測定が可能になる。また結合用ボルト１６の一部を貫通孔１７ａをもつ歪測定用ボルト１７に取り替えるだけで横圧の測定が可能になるため、車両の車輪１０や軸箱体４等を傷付けずに測定が可能になる。また結合用ボルト１６を取り外す代わりに歪測定用ボルト１７を装着しているので、車輪強度を本来の車輪と同等な状態に保ったまま測定でき、これによって精度良い測定が可能になる。また、既設の車輪に対しても、大掛かりな改造を必要とせず、適用可能である。

また本実施形態では、輪芯１１と外輪１２とを別体に構成しているので、長期間の使用で摩耗した外輪１２のみを交換できる。また輪芯１１と外輪１２との間に弾性体１３を介在しているので、レールから外輪１２に伝わった振動や騒音を弾性体１３で遮断し、車軸５に伝えないようにすることができる。従って、台車や車体の振動や騒音を低減できる。

このように前記第１実施形態及び第２実施形態を実施すれば、ＰＱ輪軸を用いることなく、簡単な装置で輪重及び横圧を測定できるので、ＰＱ輪軸を用いることなく、安全係数を算出して脱線に対する安全性を確認できる。

本発明によれば、大掛かりで高コストのＰＱ輪軸を用いずに、簡単な装置で低コストで輪重及び横圧を測定できるとともに、大掛かりな改造を必要とすることなく、実際の軸箱体や車輪に適用できるので、車両の営業運転中の測定が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る車両の台車部分を示す立面図である。 前記第１実施形態において台車に取り付けられた軸箱体の立面図である。 前記第１実施形態の該軸箱体の平面図である。 前記第１実施形態において歪ゲージが構成する輪重測定用結線図である。 本発明の第２実施形態に係る車輪の立面図である。 図５中のＡ−Ａ断面図である。 車輪とレール間に作用する荷重を示す説明図である。

符号の説明

１ 台車本体
４ａ 車軸支承部
４ｂ 軸ばね取付部
５ 車軸
１０ 車輪
１０ａ、１０ｂ 車輪側面
１１ 輪芯
１２ 外輪
１３ 弾性体
１５ ボルト孔
１６ 結合用ボルト
１７ 歪測定用ボルト
１７ａ 貫通孔
１８ 導線
Ｐ 輪重
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 歪ゲージ
Ｑ 横圧

Claims (4)

1. 鉄道車両の車輪に発生する輪重を測定する方法において、
   車軸支承部と該車軸支承部の両側に延設された軸ばね取付部とからなる軸箱体の該軸ばね取り付け位置より車軸側の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該歪ゲージで測定した歪量から輪重を算出することを特徴とする輪重の測定方法。
2. 前記軸箱体の該軸ばね取り付け位置より車軸側の両方の軸ばね取付部に歪ゲージを貼付し、該両歪ゲージの同相分を計測し、逆相分をキャンセルするように結線したことを特徴とする請求項１に記載の輪重の測定方法。
3. 鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法において、
   車輪の両側面に歪ゲージを貼付し、該車輪が該両側面間に貫通したボルト孔に装着されたボルトを備え、該ボルトを軸方向に貫通孔を有する測定用ボルトと取り替え、該両歪ゲージを該貫通孔を介して結線することにより、車輪の該両側面の歪量を測定し、該歪量から横圧を算出することを特徴とする横圧の測定方法。
4. 前記車輪が輪芯と該輪芯と別体に形成された外輪とで構成され、該輪芯と該外輪とが弾性体を介在させた状態でボルト結合されていることを特徴とする請求項３に記載の横圧の測定方法。
   

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