JP2011068242A - 鉄道車両の車輪の形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄道車両の輪軸における車輪について踏面の周方向に亘る形状変化を連続的に精度よく測定することのできる技術を提供すること。
【解決手段】 鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定装置は、車輪の踏面の車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する変位測定手段と、車軸の回転角度を測定する回転角度測定手段と、変位と回転角度とを対応付けて記録する情報処理手段と、を含むことを特徴とする。また、鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定方法は、車輪の踏面の車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する第１ステップと、第１ステップと並行して、車軸の回転角度を測定する第２ステップと、第１ステップで得られた変位と第２ステップで得られた回転角度とを対応付けて記録する第３ステップと、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の車輪の形状測定装置及び形状測定方法に関し、特に、車輪の踏面の形状変化を周方向に亘って連続的に測定するための形状測定装置及び形状測定方法に関する。

鉄道車両の車輪踏面の形状は、レールとの接触摩耗などによるマクロな真円からの変形と、チッピングのようなミクロな半径方向の寸法変化との２つの形状変化を受け、これらはいずれも走行距離の増加に伴い変化していく。車輪踏面の形状は鉄道車両の走行安定性に関わるため、所定の期間毎若しくは所定の走行距離毎に測定し継続的に監視される。測定結果によっては走行安定性を確保し得るように踏面が研削される。そこで車輪の踏面の形状を精度よく測定できる測定技術が望まれた。

例えば、非特許文献１には、車輪の回転角度に対応させて踏面の半径方向の変位を連続的に測定し、踏面の形状を測定する装置が開示されている。車輪を回転させながら、車輪の回転角度を踏面に接触させたローラによって測定するとともに、これに対応させて踏面に接触させた測定子により踏面の半径方向の変位を測定する。つまり、車輪の回転角度はローラに対する踏面の通過距離を計測し車輪の円周長さに対する通過距離の比から算出し、これに測定された半径方向の変位を対応させて踏面の周方向の形状変化を連続的に得ることができるのである。

"ADVANCED MEASUREMENT METHODS MAKE WHEELS ROUNDER"、［online］、［平成２１年８月２７日検索］、インターネット＜URL;http://www.odegaard.se/Files/Web_railway_oor.pdf＞

車輪の踏面に接触させた測定子により踏面の半径方向の変位を測定すると、例えば、踏面の傾斜による測定子の車軸方向の滑りなどにより、測定精度が低下し得る。さらに、踏面に接触させたローラにより踏面の通過距離を測定して車輪の回転角度を算出すると、踏面のマクロな真円からの変形やミクロな半径方向の寸法変化により、踏面の通過距離に車輪の回転角度が対応せず、結果として正しく回転角度を算出できない。すなわち、これらの方法によって得た半径方向の変位と回転角度とに基づいて踏面の周方向に亘る形状変化を精度よく得ることは困難であった。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、鉄道車両の輪軸における車輪について、踏面の周方向に亘る形状変化を連続的に精度よく測定できる測定技術の提供にある。

本発明による形状測定装置は、鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定装置であって、前記車輪の前記踏面の前記車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する変位測定手段と、前記車軸の回転角度を測定する回転角度測定手段と、前記変位と前記回転角度とを対応付けて記録する情報処理手段と、を含むことを特徴とする。

かかる形状測定装置によれば、鉄道車両の走行においても変形が少ない車軸の回転角度を測定し車輪の回転角度を得られるので、車輪の踏面に接触しながら車輪の回転角度を得る場合に比べて回転角度を精度よく測定できる。また、半径方向の変位を非接触で測定するため測定子の滑りなどの影響を受けずに精度よく測定できる。従って、これらの方法によって得た半径方向の変位と回転角度とを情報処理手段において対応付けることで踏面の周方向の形状変化を連続的に精度よく測定することができる。

上記した発明において、前記回転角度測定手段は、ロータリーエンコーダであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、車輪の回転角度をより正確に測定することができる。

上記した発明において、前記回転角度測定手段は、前記車軸の長手方向における略中央において前記回転角度を測定することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、車軸に多少のブレが生じている場合であっても、車輪の回転角度をより正確に測定することができる。

上記した発明において、前記変位測定手段は、前記踏面に光を照射し、反射光を検出することによって踏面の変位を測定することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、踏面の半径方向の変位を非接触で測定できて、測定子の滑りなどの影響を受けずに精度よく測定できる。

また、本発明による形状測定方法は、鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定方法であって、前記車輪の前記踏面の前記車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する第１ステップと、前記第１ステップと並行して、前記車軸の回転角度を測定する第２ステップと、前記第１ステップで得られた前記変位と前記第２ステップで得られた前記回転角度とを対応付けて記録する第３ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、鉄道車両の走行においても変形が少ない車軸の回転角度を測定し車輪の回転角度を得られるので、車輪の踏面に接触しながら車輪の回転角度を得る場合に比べて回転角度を精度よく測定できる。また、半径方向の変位を測定子の滑りなどの影響を受けずに精度よく測定できる。従って、これらの方法によって得た半径方向の変位と回転角度とを対応付けて記録することで踏面の周方向の形状変化を連続的に精度よく測定することができる。

本発明による形状測定装置の使用状況を示す正面図である。 本発明による形状測定装置の要部の側面図である。 本発明による形状測定装置の要部の拡大図である。 本発明による形状測定装置の要部の拡大図である。 本発明による形状測定装置の要部の動作を示すフローチャートである。 本発明による形状測定装置による測定結果例を示す図である。 本発明による形状測定装置の他の実施例における使用状況を示す正面図である。

まず、本実施例による形状測定装置の測定対象となる鉄道車両の車輪とその周辺の構造について説明する。

図１に示すように、一対の離間して配置された車輪１２に車軸１１を貫挿させた輪軸１０は、車軸１１の両端部に取り付けられた軸箱１４を介して、図示しない台車枠に回転自在に支持され得る。車輪１２の外周面は、車軸１１の長手方向に沿って端部から中心方向へ、すなわち、厚さ方向に外側から内側に向かって、外径を徐々に大とするように傾斜した踏面１３と、その最内側近傍において踏面１３よりも傾斜角度をより大とさせたフランジ１５とを含む。なお、後述するように、本発明にあっては、踏面１３の傾斜角度に関係なくその周方向に亘る形状を連続的に測定し得るから、より傾斜の大なるフランジ１５の傾斜面についても周方向に亘る形状を測定し得る。よって、特に示さない限り、踏面１３の周方向に亘る形状の測定には、フランジ１５の傾斜面の周方向に亘る形状の測定をも含まれ得る。

次に、本実施例による形状測定装置について説明する。

図１に示すように、本実施例による形状測定装置１は、回転角度測定手段２と、変位測定手段３と、情報処理手段（演算手段）４とを含む。

回転角度測定手段２は、エンコーダディスク２１と発光・受光ユニット２２とを備える。エンコーダディスク２１は、中央に貫通孔を有した環状の円板であり、両側面を貫通する複数のスリット２８（図３参照）が設けられている。各スリット２８は所定のピッチでエンコーダディスク２１の１周に亘り配置されている。なお、スリット２８の代わりに、外周側に向けて突出する複数の隆起部分を所定のピッチで外周面に並べるように設けてもよい。すなわち、エンコーダディスクは、歯車状に形成されたものであってもよい。説明の便宜上、以下においては、エンコーダディスク２１はスリット２８を有するもののみを取り上げる。

エンコーダディスク２１は、例えば図２（ａ）に示すように、組立及び分解が容易な２つの分割体２３及び２４からなる。このエンコーダディスク２１は、図示したように車軸１１の周囲を１周するように組み合わせて取り付けられる。すなわち、分割体２３及び２４は、車軸１１を挟んで互いに接合面２９を突き合わせて固定される。これらの分割体２３、２４は、例えば両者の接合面２９をボルト等で締結することによって車軸１１に固定される。エンコーダディスク２１は、例えば図示のように車軸１１のほぼ中央に取り付けられる。これによって、車軸１１に多少のブレが生じている場合であっても、車軸１１の回転角度を正確に測定することができる。

なお、エンコーダディスク２１は、例えば図２（ｂ）に示すように、可撓性材料からなる帯状の巻き付け部材を用いて構成されていてもよい。この場合は、マグネットシートなどの磁力や粘着剤の粘着力などによって巻き付け部材が車軸１１に固定される。巻き付け部材の両端部は互いに突き合わされて接合面となるようにしてもよい。

ここで、エンコーダディスク２１の接合面２９とスリット２８の構造例について説明する。例えば、図３（ａ）に示すように、エンコーダディスク２１の接合面２９は、スリット２８の端部に合わせて設けられていてもよい。又は、図３（ｂ）に示すように、エンコーダディスク２１の接合面２９は、１つのスリット２８を横切るように設けられていてもよい。なお、スリット２８の代わりに前述した隆起部分を設ける場合は、その隆起部分の間の凹部に合わせて、又は凸部を横切って接合面２９が設けられる。

再び図１を参照すると、発光・受光ユニット２２は、発光部２５及び受光部２６を備える。発光部２５及び受光部２６は、エンコーダディスク２１の側面を挟んで相互に向かい合って配置される。また、発光部２５及び受光部２６は、車軸１１の回転に伴ってエンコーダディスク２１が回転したときにスリット２８が両者間を通過するように配置される。すなわち、本実施例においては、エンコーダディスク２１と発光・受光ユニット２２とを含んで光学式のロータリーエンコーダが構成されている。また、本実施例においては、上述したようにエンコーダディスク２１が車軸１１の長手方向における略中央に取り付けられており、この場所において車軸１１の回転角度が測定される。

発光部２５は、例えばＬＥＤなどの発光素子や、その発光素子から放出される光を受光部２６で検知しやすくするためのレンズなどを含む。受光部２６は、発光部２５から放出される光を検知するためのフォトトランジスタなどの受光素子を含む。発光・受光ユニット２２は、受光部２６の検知した光量に応じて、すなわちスリット２８の通過に応じてパルス（矩形波）を出力信号として出力する。なお、受光部２６は２つの受光素子をスリット２８のピッチに対して１／４ピッチずらして備えると好適である。２つの受光素子から２相の信号を出力することにより、スリット２８のピッチのさらに１／４のピッチでエンコーダディスク２１の回転角度を特定することができ、さらに回転方向も特定できる。

変位測定手段３は、車輪１２の踏面１３の半径方向の変位を測定可能に構成されている。例えば、レーザ変位計を用いた場合、レーザ変位計はレール上などの車輪１２の半径方向の延長線上に設置され、レーザを車輪１２の略中心に向けて踏面に照射し、その反射光を測定し得るように設置される。かかるレーザ変位計により、レーザ変位計から踏面１３までの距離を測定することができ、これを元に踏面１３の半径方向の変位を検出することができる。このような非接触型の変位計による変位測定手段３を使用することにより、例えば、測定子と踏面１３との機械的な滑りなどのような接触型変位計による測定精度の低下の原因を排除することができ、踏面１３の傾斜角度に関わりなく、半径方向の変位を精度よく連続的に測定することができる。

図４（ａ）に示すように、変位測定手段３により距離を測定される測定点は、踏面１３上において車輪１２の厚さ方向に１箇所定められる。なお、図４（ｂ）に示すように、車輪１２の厚さ方向に複数箇所の測定点を定めてもよいし、図４（ｃ）に示すように、車輪１２の厚さ方向に走査して連続的に多数点の測定をしてもよい。

情報処理手段４は、回転角度測定手段２及び変位測定手段３に接続されている。情報処理手段４は、回転角度測定手段２からその出力信号を受信することができる。この出力信号はスリット２８の通過に応じて出力されるパルスであり、情報処理手段４内においてはエンコーダディスク２１の回転角度データとして用いられる。また、情報処理手段４は、回転角度測定手段２からの信号の受信に併せて、変位測定手段３から踏面１３の半径方向の変位データを受信することができる。情報処理手段４は、これらのデータを保存し、図示しないコンピュータなどに向けて出力することができる。

次に、変位測定装置１の動作について図１、図５及び図６を参照しながら詳細に説明する。

図１を参照すると、軸箱１４を図示しない手段で把持し、やはり図示しない軌道から輪軸１０をジャッキアップする。これにより、車輪１２の踏面１３が軌道から離間し、輪軸１０は回転自在となる。

次に、輪軸１０を回転させると、車軸１１とともにこれに固定されたエンコーダディスク２１が回転する（図１参照）。エンコーダディスク２１の回転により、回転角度測定手段２は、車軸１１の回転角度に応じたパルスを情報処理手段４に向けて出力する。詳細には、回転角度測定手段２において、エンコーダディスク２１の回転に伴って通過するスリット２８により、発光部２５と受光部２６との間では光の遮蔽と通過とを繰り返す。つまり、受光部２６は光の明暗を交互に検知する。受光部２６は検知した光の明暗に対応して電気信号を出力する。発光・受光ユニット２２はこの電気信号を波形整形したパルスを出力信号として出力する。

図５に示すように、情報処理手段４は、まず、回転角度測定手段２からの出力信号（パルス）を取得する（Ｓ１）。次に、取得したパルス毎にスリット２８のピッチに基づいて回転角度に換算し、回転角度データを生成する（Ｓ２）。また、これと並行して、情報処理手段４は、変位測定手段３から変位データを取得する（Ｓ３）。次に、情報処理手段４は、取得した変位データを、生成した回転角度データと対応付けて保存する（Ｓ４）。

ここで、スリット２８は所定のピッチで整列しているため、図６（ａ）に示すように、スリット２８により得られるパルス数と回転角度は比例する。よって、車軸１１の１周により得られるパルス数をＮとしたとき、パルス数に対応する回転角度は、３６０°×パルス数／Ｎ、で算出される。さらに、例えば、所定パルス毎に変位を対応させると、これは所定回転角度毎の変位として情報処理手段４に保存されるのである。例えば、図６（ｂ）に示すように、情報処理手段４は、踏面１３の変位データを、回転角度データと対応付けて車軸１１の１周分に亘って保存し、踏面１３の１周分に亘る形状データを連続的に得る。つまり、踏面１３の周方向の形状変化を測定することができる。

さらに、回転角度測定手段２は、回転角度を車軸１１に固定したエンコーダディスク２１から得ている。すなわち、車輪１２の回転角度は車軸１１の回転角度を測定することにより得られる。鉄道車両の走行による変形、例えば、摩耗などによる変形が少ない車軸１１の回転角度を測定することによって車軸１１とともに回転する車輪１２の回転角度を精度よく測定できる。特に、踏面１３を直接的に測定しないため、踏面の真円からの変形や半径方向の寸法変化の影響を受けない。このように精度よく測定した回転角度と非接触型の変位計により精度よく測定した踏面１３の半径方向の変位とを情報処理手段４において対応付けて保存するため、踏面１３の周方向の形状変化を精度よく測定することができるのである。

また、回転角度測定手段２は光学式のロータリーエンコーダであるため、例えばエンコーダディスク２１に半径方向や厚さ方向の寸法の変形があったとしても、スリット２８の円周方向の位置には大きく影響を及ぼすことがないので、回転角度を正確に測定することができる。

以下に、形状測定装置の改変例のいくつかについて説明する。例えば、図７に示すように、上記した発光・受光ユニット２２に代えて渦電流センサユニット２７を用いても良い。この場合、回転角度測定手段５は、エンコーダディスク２１ａと渦電流センサユニット２７とを備える。エンコーダディスク２１ａは、歯車状に外周側に向けて突出し所定のピッチで並ぶ複数の隆起部分を備えている。かかる隆起部分は金属等の導電体からなり、これに近接させて設けた渦電流センサユニット２７により隆起部分の通過を検知可能である。渦電流センサユニット２７は、かかる隆起部分の通過を検知することによって、上記した発光・受光ユニット２２と同様に車軸１１の回転角度を算出するためのパルスを出力できる。よって、このような回転角度測定手段５を用いた形状測定装置６によっても、車輪１２の回転角度を正確に測定することができ、踏面１３の周方向の形状変化を精度良く連続的に測定することができる。

また、鉄道車両に既設のディスクブレーキなど車軸に取り付けられている部材をエンコーダディスク２１に換えても良い。この場合、ディスクに予めスリットなどを設けておいて、上記したのと同様の発光・受光ユニット２２によって車軸１１の回転角度を正確に測定することができるのである。

以上、本発明による代表的実施例及びこれに伴う改変例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した請求項の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ 変位測定装置
２ 回転角度測定手段
３ 変位測定手段
４ 情報処理手段
１１ 車軸
１２ 車輪
１３ 踏面
２１ エンコーダディスク
２２ 発光・受光ユニット

Claims (5)

1. 鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定装置であって、
   前記車輪の前記踏面の前記車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する変位測定手段と、
   前記車軸の回転角度を測定する回転角度測定手段と、
   前記変位と前記回転角度とを対応付けて記録する情報処理手段と、を含むことを特徴とする鉄道車両の輪軸における車輪の形状測定装置。
2. 前記回転角度測定手段は、ロータリーエンコーダであることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記回転角度測定手段は、前記車軸の長手方向における略中央において前記回転角度を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記変位測定手段は、前記踏面に光を照射し、反射光を検出することによって前記踏面の変位を測定することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の形状測定装置。
5. 鉄道車両の輪軸における車軸に取り付けられた車輪の踏面の形状を測定するための形状測定方法であって、
   前記車輪の前記踏面の前記車軸に対する半径方向の変位を非接触で測定する第１ステップと、
   前記第１ステップと並行して、前記車軸の回転角度を測定する第２ステップと、
   前記第１ステップで得られた前記変位と前記第２ステップで得られた前記回転角度とを対応付けて記録する第３ステップと、を含むことを特徴とする鉄道車両の輪軸における車輪の形状測定方法。