JP2012154714A - 荷重測定用輪軸の試験方法および試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の測定箇所を有する荷重測定用輪軸の荷重試験を容易かつ迅速に行うことができる荷重測定用輪軸の試験方法等を提供する。
【解決手段】車軸２０の両端部に固定された一対の車輪１０を有し、車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を発生する荷重検出手段Ｐ１〜Ｐ４、Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂを備えた荷重測定用輪軸１の試験方法を、車輪を軌条輪１４０に当接させ、輪軸に所定の試験荷重を負荷した状態で軌条輪を連続的に回転させながら荷重検出手段の出力履歴を連続して記録し、記録された荷重検出手段の出力履歴と試験荷重とを比較する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ひずみゲージ等の荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸の校正等のための試験方法および試験装置に関し、特には試験工程を簡素化したものに関する。

鉄道車両の走行安全性や各種性能の確認等のため、実車に装着して走行させながら、輪重（Ｐ）、横圧（Ｑ）等の荷重（車輪−レール間作用力）を測定可能な荷重測定用輪軸（ＰＱ輪軸とも称される）が知られている。
このような荷重測定用輪軸は、車輪に形成された穴部の内周面や、車輪の表面に、ブリッジ回路に組み込まれた複数のひずみゲージを貼付して構成されている。
これらのひずみゲージは、輪重や横圧等に起因する車輪の圧縮ひずみや曲げひずみを検出し、ブリッジ回路はこれらの荷重に応じた出力を発生することから、荷重と出力との相関が既知であれば、ブリッジ回路の出力に基づいて荷重を測定することが可能となる。
ブリッジ回路の出力は、スリップリングおよびケーブルを介して車上に引き上げられ、動ひずみアンプによって増幅される。

荷重測定用輪軸に関する従来技術として、例えば特許文献１には、ＰＱ輪軸の校正誤差を改善することを目的として、ＰＱ輪軸を軸受で支持させた状態で静的に輪重を負荷して校正を行い、走行中の輪重とＰＱ輪軸を単体で転がしたときのＰＱ輪軸単体の自重による輪重出力との差分から、軸受から作用する輪重を算出し、これにＰＱ輪軸の自重による輪重を加算して輪重を求めることが記載されている。

特開２００７−２２５４１３号公報

荷重測定用輪軸においては、輪重、横圧等の荷重とブリッジ回路の出力との相関を把握して校正するため、事前に静荷重試験を行うことが一般的である。このような荷重試験は、荷重測定用輪軸を試験台上に固定し、油圧ジャッキで荷重を負荷することによって行われる。ここで、荷重測定用輪軸が周上に複数の測定箇所を有する場合には、各測定箇所について、試験台上で輪軸の角度をずらしながら都度試験を行う。

しかし、こうした荷重測定用輪軸は、車軸回りの角度をずらしてブリッジ回路を多数設けたり、さらに複数のブリッジ回路の中間部における荷重を演算によって求めることによって、多いものでは輪軸一回転あたり数十か所の測定箇所を有する。このため、こうした静荷重試験は個々の測定箇所についてそれぞれ行なう必要があることから、工数が多く煩雑となる。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、複数の測定箇所を有する荷重測定用輪軸の荷重試験を容易かつ迅速に行うことができる荷重測定用輪軸の試験方法および試験装置を提供することである。

上述した問題を解決する本発明の荷重測定用輪軸の試験方法は、車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸の試験方法であって、前記車輪を軌条輪に当接させ、前記輪軸に所定の試験荷重を負荷した状態で前記軌条輪を連続的に回転させながら前記荷重検出手段の出力履歴を連続して記録し、記録された前記荷重検出手段の出力履歴と前記試験荷重とを比較することを特徴とする。

本発明の荷重測定用輪軸の試験方法において、前記荷重検出手段は前記車輪の輪重に応じた出力を発生するものであり、前記試験荷重は、前記輪軸の両端部を回転可能に支持する軸箱を前記軌条輪の中心側へ押圧するものである構成とすることができる。
また、本発明の荷重測定用輪軸の試験方法において、前記荷重検出手段は前記車輪の横圧に応じた出力を発生するものであり、前記試験荷重は、前記輪軸の前記車輪の一部を車軸方向に押圧するものである構成とすることができる。

また、本発明の荷重測定用輪軸の試験装置は、車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸の試験装置であって、前記荷重測定用輪軸を回転可能に支持する輪軸支持装置と、前記輪軸支持装置に支持された前記輪軸の前記車輪と当接した状態で回転可能とされた軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動する駆動手段と、前記輪軸に所定の試験荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記荷重負荷手段によって前記試験荷重を負荷しかつ前記輪軸および前記軌条輪を回転させた状態で、前記荷重検出手段の出力履歴を連続して記録する記録手段とを備えることを特徴とする。

本発明の荷重測定用輪軸の試験装置において、前記荷重検出手段は前記車輪の輪重に応じた出力を発生するものであり、前記荷重負荷手段は、前記輪軸の両端部を回転可能に支持する軸箱を前記軌条輪の中心側へ押圧するものである構成とすることができる。
また、本発明の荷重測定用輪軸の試験装置において、前記荷重検出手段は前記車輪の横圧に応じた出力を発生するものであり、前記荷重負荷手段は、前記輪軸の前記車輪の一部を車軸方向に押圧するものである構成とすることができる。

本発明によれば、輪軸を軌条輪上で回転させながら荷重検出手段の出力履歴を連続的に記録することによって、複数の測定箇所における校正用データを短時間で取得することができる。これによって、校正作業等を省力化することができる。
ここで、荷重検出手段の出力履歴は、例えばひずみゲージ等のセンサの直近（直下）においてピークを示す波形となることから、このピーク時の出力を試験荷重と比較することによって、輪軸が受ける荷重と荷重検出手段の出力との相関を容易かつ精度よく把握し、測定用輪軸を車両に装着し、走行させてデータを取得した際の精度を確保することができる。

本発明を適用した荷重測定用輪軸（ＰＱ輪軸）の試験装置の実施形態の構成を示す模式図である。 図１のＰＱ輪軸の要部拡大図であって、図２（ａ）は車軸方向から見た外観図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。 図２のＰＱ輪軸における輪重測定用のブリッジ回路の構成を示す図である。 図２のＰＱ輪軸における横圧測定用のブリッジ回路の構成を示す図である。 図３の輪重測定用のブリッジ回路の出力履歴の一例を示すグラフである。

以下、本発明を適用した荷重測定用輪軸の試験方法および試験装置の実施形態について図面等を参照して説明する。
図１は、実施形態の荷重測定用輪軸の試験装置の構成を示す模式図である。
本実施形態において、供試される荷重測定用輪軸であるＰＱ輪軸１は、ブリッジ回路を構成するひずみゲージが設けられた車輪を用いて、車輪とレールとの間に鉛直方向に作用する輪重（Ｐ）、および、枕木方向に作用する横圧（Ｑ）を測定するものである。
ＰＱ輪軸１は、左右一対の車輪１０およびこれを連結する車軸２０を有して構成されている。

図２は、ＰＱ輪軸１の要部拡大図であって、図２（ａ）は車軸方向から見た外観図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
車輪１０は、一体に形成されたリム部１１、輪座１２、板部１３等を有する一体圧延車輪である。
リム部１１は、車輪１０の外周縁部を構成する部分であって、レールと当接する踏面１１ａおよびフランジ１１ｂが形成されている。
輪座１２は、車輪１０の中央部に配置され、車軸２０の端部が挿入され固定される開口部が形成されている。
板部１３は、リム部１１の内周面部と輪座１２の外周面との間を連結する平板状の部分である。

また、板部１３には、輪重測定用のひずみゲージＰ１〜Ｐ４が取り付けられる開口Ｏ１、Ｏ２等が形成されている。
開口Ｏ１、Ｏ２は、例えば板部１３を車輪１０の軸方向に貫通して形成された貫通穴である。開口Ｏ１、Ｏ２は、車輪１０の軸方向から見た形状が円形に形成されている。
開口Ｏ１は、リム部１１と輪座１２との中間部に配置されている。
開口Ｏ１の内周面には、ひずみゲージＰ１、Ｐ２が設けられている。
ひずみゲージＰ１、Ｐ２は、車輪１０の周方向に離間して配置されている。

開口Ｏ２は、開口Ｏ１に対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置され、実質的に同様に形成されている。
開口Ｏ２の内周面には、ひずみゲージＰ３、Ｐ４が設けられている。
ひずみゲージＰ３、Ｐ４は、車輪１０の周方向に離間して配置されている。

また、板部１３には、横圧測定用のひずみゲージＱ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂが設けられている。
ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂは、開口Ｏ１と輪座１２との中間部において、板部１３の車幅方向外側の面部に設けられている。
ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂは、車輪１０の周方向に並べて配置されている。
ひずみゲージＱ２ａ，Ｑ２ｂは、車輪１０の中心軸方向から見たときの位置が、ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂとそれぞれ重なるように、板部１３の車幅方向内側の面部に設けられている。
ひずみゲージＱ３ａ，Ｑ３ｂは、ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂに対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置されている。
ひずみゲージＱ４ａ，Ｑ４ｂは、ひずみゲージＱ２ａ，Ｑ２ｂに対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置されている。

上述した輪重測定用のひずみゲージＰ１〜Ｐ４は、図３に示すようにブリッジ回路Ｂｐに組み込まれる。
また、横圧測定用のひずみゲージＱ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂは、図４に示すようにブリッジ回路Ｂｑに組み込まれる。
各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの入力電圧Ｖｉｎは、軸箱部に設けられるスリップリングＳＬを介して車上から供給される。また、各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力電圧Ｖｏｕｔは、スリップリングＳＬを介して車上に設けられた動ひずみアンプ１５０に供給される。
なお、このようなひずみゲージおよびブリッジ回路は、車輪１０の中心軸周りの角度をずらして、複数組設けられる。例えば、開口Ｏ１、Ｏ２等と実質的に同様の開口を、所定の間隔で周方向に離間させて複数配列し、それぞれの開口内に輪重測定用のひずみゲージを配置し、その周辺に横圧測定用のひずみゲージを配置してもよい。

上述したＰＱ輪軸１の校正試験を行う試験装置１００は、図１に示すように、軸箱１１０、輪重負荷装置１２０、横圧負荷装置１３０、軌条輪１４０、動ひずみアンプ１５０、負荷荷重検出装置１６０、インターフェイス１７０、コンピュータ１８０等を備えて構成されている。

軸箱１１０は、ＰＱ輪軸１を回転可能に支持するものである。
軸箱１１０は、ＰＱ輪軸１の車軸２０の両端部に設けられた図示しないジャーナル部を支持する軸受、および、その潤滑機構等が設けられている。

輪重負荷装置１２０は、軸箱１１０を支持するとともに、軸箱１１０に対して輪重相当の鉛直方向下向き荷重を付与するものである。
輪重負荷装置１２０は、ステー１２１、油圧ジャッキ１２２、ロードセル１２３等を備えて構成されている。

ステー１２１は、例えば試験装置１００が収容される建屋等に固定され、軸箱１１０の上部を支持するものである。
油圧ジャッキ１２２は、ステー１２１の中間部に設けられ、軸箱１１０に鉛直方向下向きへの荷重を付与してＰＱ輪軸１の車輪１０を軌条輪１４０に対して径方向に押圧する荷重負荷手段である。
ロードセル１２３は、油圧ジャッキ１２２と軸箱１１０との間に設けられ、これらの間でステー１２１に作用する鉛直方向の圧縮荷重（輪重相当の荷重）を検出するものである。
上述した軸箱１１０および輪重負荷装置１２０は、ＰＱ輪軸１の両端部にそれぞれ設けられている。

横圧負荷装置１３０は、ＰＱ輪軸１の車輪１０の側部を押圧して、横圧相当の荷重を付与するものである。
横圧負荷装置１３０は、ステー１３１、油圧ジャッキ１３２、ロードセル１３３等を備えて構成されている。
ステー１３１は、一方の端部が建屋等に固定され、他方の端部はローラＲを介して車輪１０の側部に当接している。ローラＲは、ＰＱ輪軸１の回転を妨げることなく車輪１０を押圧することが可能となっている。
油圧ジャッキ１３２は、ステー１３１の中間部に設けられ、車輪１０に軸方向内向きへの荷重を付与して、車輪１０と軌条輪１４０との間に横圧を発生させる荷重負荷手段である。
ロードセル１３３は、油圧ジャッキ１３２とローラＲとの間に設けられ、これらの間でステー１３１に作用する車軸方向の圧縮荷重（横圧相当の荷重）を検出するものである。

軌条輪１４０は、ＰＱ輪軸１の車軸２０と平行な回転軸回りに回転可能とされた一対の円盤状の部材であって、輪軸の走行状態を定置で模擬するものである。軌条輪１４０の外周縁部は、レールの頭部を模した形状となっている。軌条輪１４０は、上端部の外周縁部において、車輪１０の下端部におけるリム部１１と当接している。
左右の各車輪１０とそれぞれ当接する軌条輪１４０は、回転軸１４１によって連結されるとともに、例えばモータ等の回転アクチュエータである駆動装置１４２によって、任意に設定可能な所定の速度で回転駆動される。
駆動装置１４２と軌条輪１４０との間には、トルク変動等を吸収して軌条輪１４０の回転速度変動を抑制するため、フライホイール１４３が設けられている。
駆動装置１４２には、軌条輪１４０の回転速度等を制御する駆動制御装置１４４が接続されている。

動ひずみアンプ１５０は、輪重測定用のブリッジ回路Ｂｐ、および、横圧測定用のブリッジ回路Ｂｑの出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、これらをリアルタイムに所定のゲインで増幅してインターフェイス１７０に伝達するものである。
負荷荷重検出装置１６０は、上述したロードセル１２３，１３３の出力が入力され、これらを所定のゲインで増幅し、インターフェイス１７０に伝達するものである。
インターフェイス１７０は、動ひずみアンプ１５０および負荷荷重検出装置１６０からの入力信号にＡ／Ｄ変換を施してディジタル信号化し、コンピュータ１８０に伝達するＡ／Ｄコンバータおよびその入出力手段が設けられている。
コンピュータ１８０は、情報処理装置であるＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等の記憶手段、各種入出力部およびこれらを連結するバス等を有し、インターフェイス１７０から入力される各ディジタル信号を蓄積して記録するものである。

本実施形態の荷重測定用輪軸（ＰＱ輪軸１）の試験方法においては、供試対象となるＰＱ輪軸１を上述した試験装置１００に設置し、輪重負荷装置１２０と横圧負荷装置１３０の少なくとも一方から所定の試験荷重を負荷した状態で、軌条輪１４０を例えば周速５〜１０ｋｍ／ｈ程度の低速で回転させながら、各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑに所定の入力電圧Ｖｉｎを供給するとともにその出力電圧Ｖｏｕｔを連続的に記録する。

図５は、本実施形態における、輪重測定用のブリッジ回路Ｂｐの出力履歴の一例を示すグラフであって、縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示している。
図５に示すように、ブリッジ回路Ｂｐの出力は、ひずみゲージの直近でリム部１１が軌条輪１４０に当接したときにピークとなる波形を示す。
そして、このピーク時の振幅（電圧）と、試験荷重を測定するロードセル１２３の検出値とを比較することによって、輪重Ｐとブリッジ回路Ｂｐの出力電圧Ｖｏｕｔとの相関を把握し、ＰＱ輪軸１の校正を行うことができる。
なお、横圧測定用のブリッジ回路Ｂｑの校正も、横圧負荷装置１３０によって試験荷重を負荷しながら軌条輪１４０を回転させ、ブリッジ回路Ｂｑの出力ピーク値をロードセル１３３の検出値と比較することによって、実質的に同様に行うことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＰＱ輪軸１を軌条輪１４０上で回転させながら各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力履歴を連続的に記録することによって、複数の測定箇所における校正用データを短時間で取得することができる。
この校正用データを、各ロードセル１２３，１３３が検出した試験荷重と比較することによって、周上の複数点における校正を容易かつ迅速に行うことができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、供試対象となる輪軸は、実施形態のような一体圧延車輪を有するものに限らず、例えばスポーク車輪を有するもの等、異なった構成を有するものであってもよい。
また、ひずみゲージの配置やブリッジ回路の構成も特に限定されない。
また、試験装置の構成も、上述した実施形態のものに限定されず、適宜変更することができる。例えば、輪軸に試験荷重を負荷する手段の構成や、試験荷重の検出手法は適宜変更することができる。

１ ＰＱ輪軸（荷重測定用輪軸） １０ 車輪
１１ リム部 １１ａ 踏面
１１ｂ フランジ １２ 輪座
１３ 板部 Ｏ１，Ｏ２ 開口
Ｐ１〜Ｐ４ ひずみゲージ（輪重検出用）
Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂ ひずみゲージ（横圧検出用）
ＳＬ スリップリング Ｂｐ 輪重測定用ブリッジ回路
Ｂｑ 横圧測定用ブリッジ回路 Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
１００ 試験装置 １１０ 軸箱
１２０ 輪重負荷装置 １２１ ステー
１２２ 油圧ジャッキ １２３ ロードセル
１３０ 横圧負荷装置 １３１ ステー
Ｒ ローラ １３２ 油圧ジャッキ
１３３ ロードセル １４０ 軌条輪
１４１ 回転軸 １４２ 駆動装置
１４３ フライホイール １４４ 駆動制御装置
１５０ 動ひずみアンプ １６０ 負荷荷重検出装置
１７０ インターフェイス １８０ コンピュータ

Claims (6)

1. 車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸の試験方法であって、
   前記車輪を軌条輪に当接させ、前記輪軸に所定の試験荷重を負荷した状態で前記軌条輪を連続的に回転させながら前記荷重検出手段の出力履歴を連続して記録し、
   記録された前記荷重検出手段の出力履歴と前記試験荷重とを比較すること
   を特徴とする荷重測定用輪軸の試験方法。
2. 前記荷重検出手段は前記車輪の輪重に応じた出力を発生するものであり、
   前記試験荷重は、前記輪軸の両端部を回転可能に支持する軸箱を前記軌条輪の中心側へ押圧するものであること
   を特徴とする請求項１に記載の荷重測定用輪軸の試験方法。
3. 前記荷重検出手段は前記車輪の横圧に応じた出力を発生するものであり、
   前記試験荷重は、前記輪軸の前記車輪の一部を車軸方向に押圧するものであること
   を特徴とする請求項１に記載の荷重測定用輪軸の試験方法。
4. 車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸の試験装置であって、
   前記荷重測定用輪軸を回転可能に支持する輪軸支持装置と、
   前記輪軸支持装置に支持された前記輪軸の前記車輪と当接した状態で回転可能とされた軌条輪と、
   前記軌条輪を回転駆動する駆動手段と、
   前記輪軸に所定の試験荷重を負荷する荷重負荷手段と、
   前記荷重負荷手段によって前記試験荷重を負荷しかつ前記輪軸および前記軌条輪を回転させた状態で、前記荷重検出手段の出力履歴を連続して記録する記録手段と
   を備えることを特徴とする荷重測定用輪軸の試験装置。
5. 前記荷重検出手段は前記車輪の輪重に応じた出力を発生するものであり、
   前記荷重負荷手段は、前記輪軸の両端部を回転可能に支持する軸箱を前記軌条輪の中心側へ押圧するものであること
   を特徴とする請求項４に記載の荷重測定用輪軸の試験装置。
6. 前記荷重検出手段は前記車輪の横圧に応じた出力を発生するものであり、
   前記荷重負荷手段は、前記輪軸の前記車輪の一部を車軸方向に押圧するものであること
   を特徴とする請求項４に記載の荷重測定用輪軸の試験装置。

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