JP2008224564A - まくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ - Google Patents

Abstract

【課題】 まくらぎ下面応力を客観的かつ定量的な物理量として、直接的に測定することができるセンシングまくらぎを提供する。
【解決手段】 まくらぎ本体の底面に実装されるセンシングまくらぎであって、バラスト道床１に接する複数個の受圧板２と、この複数個の受圧板２のそれぞれの上に個別に配置される、圧電フィルム型変動荷重センサー本体４と、このセンサー本体４上に個別に配置される金属板５と、この個別に配置される金属板５の全てを覆うように配置されるとともに、上方にまくらぎの底面が固定されるユニット板６とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軌道破壊の要因の一つと見られるまくらぎ下面応力を計測するセンシングまくらぎに関するものである。

従来、「軌道破壊」というバラスト軌道の劣化現象には「まくらぎ下面応力」と「道床内振動加速度」の２つが大きく関与していると考えられてきた。

図６はかかる軌道破壊の説明のための模式図である。

この図において、１０１はバラスト道床、１０２はそのバラスト道床１０１上に配置されたまくらぎ、１０３はそのまくらぎ１０２上に配置されるレール、１０４はそのレール１０３上を移動する列車の車輪である。

このように構成されているため、まくらぎ１０２の下面には、列車通過により繰り返し荷重がかかり、バラスト道床１０１には、道床内振動加速度が生じることになる。
特開２００６−１５３８４２号公報

しかしながら、前者の「まくらぎ下面応力」に関して、直接的に物理量として測定する方法がなく、軌道劣化のメカニズム解明や対策工選定につながっていなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、まくらぎ下面応力を客観的かつ定量的な物理量として、直接的に測定することができるまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕まくらぎ本体の底面に実装されるセンシングまくらぎであって、バラスト道床に接する複数個の受圧板と、この複数個の受圧板のそれぞれの上に個別に配置される、圧電フィルム型変動荷重センサー本体と、このセンサー本体上に個別に配置される金属板と、この個別に配置される金属板の全てを覆うように配置されるとともに、上方にまくらぎの底面が固定されるユニット板とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記受圧板と前記センサー本体との間にコルク板を配置することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体の隣り合う空間をこのセンサー本体からの情報を出力する配線スペースとしたことを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体は、一体的な連続平面構造を有しながらも、区分的に分割された互いに独立なセンサーとして機能することを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体は、前記まくらぎ下面の前記配線スペースを除いた全面に隙間なく貼り付けられ、前記まくらぎ下面と前記バラスト道床との接触部分における低周波から高周波までの衝撃荷重の平面分布特性を、物理量として直接的に測定することを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記ユニット板の側面に側板を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）従来広く用いられているひずみゲージ式の荷重センサーは、基本的に点載荷を対象としたもので、面荷重の測定には不向きであり、また構造上その厚さが大きく、まくらぎ下面に取り付けることができなかった。一方、弾性変形を利用した面荷重測定用のシート状荷重センサーも従来から存在していたが、まくらぎ下面に取り付けると、砕石の鋭利な角がセンサ表面を破壊するので利用できなかった。

また、これら２者は、センサーの可動部分や弾性特性のため、高周波の測定には不向きである。

そこで、本発明のセンシングまくらぎでは、表面を保護した圧電フィルム型変動荷重センサー本体を数多く用いることにより、低周波から高周波に至る広帯域においての動的な衝撃荷重についての面的分布特性を測定することができる。

（２）数多くの圧電フィルム型変動荷重センサーをまくらぎ底面に取り付けると、そのセンサー本体からの配線のスペースが必要である。平面型センサー本体をとりつける場合、センサー本体の背面はまくらぎ本体に固定することになるので、配線スペースををセンサー本体の背面側（まくらぎ側）に確保できない。したがって、配線スペースをセンサー本体の表側に確保し、かつ、配線を外力から保護するためには、センサー本体を密に取り付けることができず、したがって、荷重総量も把握できない構造となる。これに対して、本発明のセンシングまくらぎでは、隣り合うセンサー本体の側面に配線スペースを確保することができる。

（３）本発明のセンシングまくらぎでは、バラスト道床と直接接するセンサー本体表面に剛な受圧板を取り付けて、センサー本体を破壊から保護した。また、センサー本体のサイズを受圧板よりわずかに小さくすることにより、センサー本体背面空間に十分な配線スペースを確保した。これにより、数多くのセンサー本体を隙間なく密着させて面構造を構成しても、センサー本体の配線の問題を解決し、多点における面的な応力分布測定を可能とした。

（４）また、センサー本体をまくらぎのコンクリート面に直に、密に貼り付ける作業は手作業に依らざるを得ず、しかも、技術的にも困難である。一旦センサー本体を貼り付けてしまうと、位置補正などの手戻り時の修正作業ができない。また、コンクリート面の凹凸のため、仕上がり後のセンサー本体面の平面性が確保できない。本発明のセンシングまくらぎでは、センサー本体を直接貼り付けるのではなく、薄い金属板上の正確な位置にあらかじめセンサー本体を固定して一体的なユニット構造とし、その後ユニット構造をまくらぎコンクリート面に取り付けることにより、センサー本体の取り付け誤差をなくした。このことにより、センサー本体が局所的に著大荷重を受けても、隣接するセンサー本体が互いに接触することがなく、安定した測定ができる。

本発明のまくらぎ本体の底面に実装されるセンシングまくらぎは、バラスト道床に接する複数個の受圧板と、この複数個の受圧板のそれぞれの上に個別に配置される、圧電フィルム型変動荷重センサー本体と、このセンサー本体上に個別に配置される金属板と、この個別に配置される金属板の全てを覆うように配置されるとともに、上方にまくらぎの底面が固定されるユニット板とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの断面図（その１）、図２はそのセンシングまくらぎの底面受圧板と圧電フィルム型変動荷重センサー本体の取付図である。

これらの図において、１はバラスト道床、２はそのバラスト道床１上に配置される受圧板、３はその受圧板２上に配置されるコルク板、４はコルク板３上に配置される、表面を保護した圧電フィルム型変動荷重センサー本体、５はそのセンサー本体４上に配置される上面金属ブロック（金属板）、６はその上面金属ブロック５上に配置されるユニット板、７はそのユニット板６上に配置されるまくらぎ本体、８は配線スペース、９はセンサー本体４への接続用コネクタ、１０はその接続用コネクタ９へ接続して導出される配線である。

さらに、各部の詳細な実施例について説明する。

受圧板２は、５ｍｍ厚Ａ７０７５アルミニウム合金であり、長さ７９ｍｍ×幅７９ｍｍ×厚さ５ｍｍのサイズである。

コルク板３は、長さ６０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚さ１ｍｍのサイズであり、不要ならば削除することができる。

センサー本体４は、表面を保護した圧電フィルム型変動荷重センサーであり、センサー本体が受ける垂直荷重を水平方向に変位した圧電フィルムの変量として検出するようにしている（上記特許文献１参照）。そのサイズは、長さ６０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚さ４．８ｍｍである。

金属ブロック（金属板）５は長さ６０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚さ１０ｍｍのサイズである。 ユニット板６は、断面方向で３列に並んだセンサー本体４を覆うように配置され、５ｍｍ厚金属板からなる。

まくらぎ本体７は、幅が２４０ｍｍであり、通常のまくらぎの下面が２０ｍｍカットされて、そのカットされた２０ｍｍの空間に上述したセンサー本体４が実装されることになる。

センサー本体４への接続用コネクタ９は、受圧板２の背面にて受圧板２のサイズをはみ出さないように配線スペース８に配置する。

次に、さらに詳細にセンシングまくらぎのセンサー本体の背面の構造を説明する。

図３は本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの圧電フィルム型変動荷重センサー本体の背面の構造を示す断面図、図４はその上面金属板を示す平面図である。なお、この図における主たる符号は、図１及び図２と同様であり、説明は省略する。

センサー本体４は中心間隔８０ｍｍで２５個×３列に配置し、まくらぎ本体７の底面に固定する。１１は上面金属板（ブロック）５に形成されるネジ穴、１２は上面金属板５にユニット板６を固定する止めネジである。ここで、上面金属板５は例えば、軽量化を図るためアルミニウム合金が望ましい。また、ユニット板６としては、スチール又はステンレス薄板が望ましい。なお、隣り合う上面金属板５の間には、１９×１６本の配線スペースが確保できるように構成されている。

上記のように構成したので、本発明のセンシングまくらぎは、
（１）圧電フィルム型変動荷重センサー本体４の荷重接触面に、センサー本体４の寸法よりわずかに大きめの金属製受圧板２を取り付けて、センサー本体４表面をバラスト（砕石）道床１の凹凸や著大な衝撃荷重による破壊から保護し、かつ、センサー本体４の隣り合う側面に配線スペース８を確保することにより、全体として、一体的な連続平面構造を有しながらも、区分的に分割された互いに独立な荷重センサー本体４として機能するようにした。また、本発明のセンシングまくらぎは、数多くの荷重センサー本体４からなる一体構造を、まくらぎ下面の全面に前記配線スペース８を除いた全面に、隙間なく貼り付けて、まくらぎ下面とバラスト道床１との接触部分における低周波から高周波までの衝撃荷重の平面分布特性を、物理量として直接的に精密測定することができるようにした。

（２）まくらぎ下面の大きさ・形状に一致するユニット板上の所定位置に、個々の超薄型荷重センサー本体をあらかじめ正確に固定して一体構造をなし、その後ユニット全体をまくらぎ下面に一度で固定することにより、まくらぎ下面にセンサー本体を密に配置しながらも、局所的な大きな衝撃荷重に対しても、互いのセンサー本体は干渉せずに、構造的に安定して独立に機能させることができる。

（３）まくらぎ下面の荷重測定に同期して、まくらぎ内蔵の三軸加速度センサー本体により、まくらぎの三次元運動を同時測定する。まくらぎ下面の荷重合計値から、まくらぎの運動による影響を減ずることにより、従来測定が困難であった列車から載荷される動的荷重についても正確に求めることができる。

さらに、詳細に述べると、
本発明のセンシングまくらぎは、表面を保護した圧電フィルム型変動荷重センサー本体４を数多く用いることにより、低周波から高周波に至る広帯域においての動的な衝撃荷重についての面的分布特性を測定することができる。

また、数多くの圧電フィルム型変動荷重センサー本体４を取り付けると、そのセンサー本体４からの配線スペースが必要である。平面型センサー本体４をとりつける場合、そのセンサー本体４の背面は、まくらぎ本体７に固定することになるので、配線スペース８をセンサー本体４の背面側（まくらぎ側）に確保できない。したがって、配線スペース８をセンサー本体の表側に確保し、かつ、配線１０を外力から保護するためには、センサー本体４を密に取り付けることができず、したがって、荷重総量も把握できない構造となる。本発明のセンシングまくらぎでは、バラスト道床１と直接接するセンサー本体４表面に剛な受圧板２を取り付けて、センサー本体４を破壊から保護した。また、センサー本体４のサイズを受圧板２よりわずかに小さくすることにより、センサー本体４の背面空間に十分な配線スペース８を確保した。これにより、数多くのセンサー本体４を隙間なく密着させて面構造を構成しても、センサー本体４への配線の問題を解決し、多点における面的な応力分布測定を可能とした。

また、センサー本体４をまくらぎのコンクリート面に直に、密に貼り付ける作業は手作業に依らざるを得ず、しかも、技術的にも困難である。一旦センサー本体４を貼り付けてしまうと、位置補正などの手戻り時の修正作業ができない。また、コンクリート面の凹凸のため、仕上がり後のセンサー本体面の平面性が確保できない。本発明のセンシングまくらぎでは、センサー本体４を直接貼り付けるのではなく、ユニット板５上の正確な位置にあらかじめセンサー本体４を固定して一体的なユニット構造とし、その後、そのユニット構造をまくらぎコンクリート面に取り付けることにより、センサー本体４の取り付け誤差をなくした。このことにより、センサー本体４が局所的に著大荷重を受けても、隣接するセンサー本体４が互いに接触することがなく、安定した測定ができる。

また、まくらぎ内部の背筋構造を改善し、詳細な構造計算を行ったことにより、従来品と同じ強度・性能を有しながらも、まくらぎ下面の厚さを数ｃｍ薄くできた。よって、まくらぎ下面にセンサー本体４を取り付けたにもかかわらず、まくらぎの大きさ・形状・強度ともに、従来品と全く同じ規格である。そのため、設置作業においては、従来品のまくらぎの交換作業と全く同じ手順で、実軌道への設置が可能である。

また、図５に示すように、ユニット板６の側面に２０ｍｍ幅のリブ（側板）１１を設けることにより、維持管理時、特に、タイタンパーによる機械つき固め作業時のセンサー本体４の破壊から保護するようにした。そのため、本発明のセンシングまくらぎでは、通常の維持管理機械による通常の維持管理作業が可能である。

さらに、図示しないが、まくらぎ側面に取り付けたＰＩＣマイコンによるＣＰＵ回路を内蔵することにより、測定位置直近のまくらぎ内部にてＡＤ変換などのデータ処理を行い、光ケーブルにて測定データを外部に転送するようにした。これにより、従来の現場測定作業で隘路となってきた、計測データ取得時およびデータ転送時のノイズを除去し、ノイズのない高品質の計測データ取得を可能とした。また、これらにより、従来の計測のような大がかりな計測装置を現場に搬入・設置する必要がなく、ノート型パソコン１台にて全ての測定が可能である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のセンシングまくらぎは、軌道破壊の要因の一つと見られるまくらぎ下面応力を簡単に計測できるツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの断面図（その１）である。 本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの底面受圧板と圧電フィルム型変動荷重センサー本体の取付図である。 本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの圧電フィルム型変動荷重センサー本体の背面の構造を示す断面図である。 本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの上面金属板を示す平面図である。 本発明の実施例を示すセンシングまくらぎの断面図（その２）である。 従来の軌道破壊の説明のための模式図である。

符号の説明

１ バラスト道床
２ 受圧板
３ コルク板
４ 圧電フィルム型変動荷重センサー本体
５ 上面金属ブロック（金属板）
６ ユニット板
７ まくらぎ本体
８ 配線スペース
９ 接続用コネクタ
１０ 配線
１１ リブ（側板）
１２ 止めネジ

Claims (6)

1. まくらぎ本体の底面に実装されるセンシングまくらぎであって、
   （ａ）バラスト道床に接する複数個の受圧板と、
   （ｂ）該複数個の受圧板のそれぞれの上に個別に配置される、圧電フィルム型変動荷重センサー本体と、
   （ｃ）該センサー本体上に個別に配置される金属板と、
   （ｄ）該個別に配置される金属板の全てを覆うように配置されるとともに、上方にまくらぎの底面に固定されるユニット板とを具備することを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。
2. 請求項１記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記受圧板と前記センサー本体との間にコルク板を配置することを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。
3. 請求項１又は２記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体の隣り合う空間を該センサー本体からの情報を出力する配線スペースとしたことを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。
4. 請求項１又は２記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体は、一体的な連続平面構造を有しながらも、区分的に分割された互いに独立なセンサーとして機能することを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。
5. 請求項４記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記センサー本体は、前記まくらぎ下面の前記配線スペースを除いた全面に隙間なく貼り付けられ、前記まくらぎ下面と前記バラスト道床との接触部分における低周波から高周波までの衝撃荷重の平面分布特性を、物理量として直接的に測定することを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。
6. 請求項１又は２記載のまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎにおいて、前記ユニット板の側面に側板を配置したことを特徴とするまくらぎ下面応力計測用センシングまくらぎ。