JP2016148552A - 鉄道車両の歪み測定システム及び歪み測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 走行中の鉄道車両、特に営業車両の部材に生じた複数箇所の歪みを正確に同期させ得るように測定することのできる歪み測定システムの提供。【解決手段】 鉄道車両の部材におけるその走行中の歪みを測定する歪み測定システムである。部材に固着させた歪み測定装置へ部材に貼付した歪みセンサからのアナログ信号を導きデジタルデータに変換するとともに時刻データを併せて記録させた可搬記録媒体を用い、複数の可搬記録媒体のそれぞれに記録されたデジタルデータを走行情報に対応させるとともに歪みセンサの相対的位置情報を併せて与えて部材の歪みを測定することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の走行中における歪み測定システム及び歪み測定装置に関し、特に、鉄道車両の各部材におけるその走行中の歪みを測定する歪み測定システム及び歪み測定装置に関する。

鉄道車両の台車枠や輪軸などの各部材において、走行中に作用する荷重やこれによって生じる変形などを解析するため、実際の走行をシミュレーションした鉄道車両を用いた測定が行われている。

例えば、特許文献１では、鉄道車両の部材、特に、車軸の軸受などの転動装置にセンサを取付け、走行中に作用する荷重などの各種物理量を測定して部材に生じた異常の診断を行う装置が開示されている。歪みを含む各種物理量を測定するセンサは車両の複数の部材に取り付けられ、その出力信号は鉄道車両の内部に備えられた異常診断装置に向けて送出される。異常診断装置では、個々のセンサから受信したアナログ信号を増幅器で増幅してＡＤ変換器でデジタルデータに変換し、異常診断装置のソフトウェアで処理して、鉄道車両の異常診断を行っている。

特許文献２では、鉄道車両の軸ばねに歪みゲージを取り付け、走行中に生じる歪み量を測定して輪重を測定する装置が開示されている。歪みゲージの出力は車両内部の乗務員室に備えられる制御装置に入力され、軸ばねの歪み量から輪重を算出している。同文献では、横梁部材に貼り付けた歪みゲージを制御装置に接続して台車枠のねじれ量を算出することについても開示している。

ところで、特許文献１や特許文献２の方法のように、一般に、歪みゲージから出力されたアナログの電気信号は、ＡＤ変換器を介してデジタルデータに変換され、各種装置で荷重や変形などの解析に用いられる。走行中の鉄道車両では、信号伝送への外乱ノイズを抑制すべく歪みゲージから車両内部の解析装置までの配線にシールド線を用いている。しかし、このシールド線は一般電線と比べて径が太いため、車両内部に比較的大きな収容スペースを確保する必要が生じる。また、走行方向に長い筐体寸法を有する鉄道車両では、複数箇所の歪みを同時に測定してこれらを同期させて解析することも多く行われ、鉄道車両に沿って配線スペースを設ける必要がある。

一方、例えば、特許文献３では、鉄道車両の車軸に軸力センサとして歪みゲージを貼り付けて、この出力データを車両内部の解析装置に向けて無線で送信し、上記したような配線を不要とする軸力の測定方法が開示されている。軸力センサは車軸に固定された出力部にリード線で接続され出力データを無線で送信する。これを解析装置で受信してエンコーダの如きからの他の測定データと組み合わされて各種の解析を行うのである。

また、携帯可能な歪み測定装置としてデータロガーなる装置も市販されており、かかる測定装置本体に歪みゲージを接続すればその場で歪みを直読みできる。このような装置を鉄道車両の部材に取付け、データを送信する送信部を更に与えることで特許文献３と同様に解析を行い得る。

特開２００８−２０９２２９号公報 特開２００４−２０９９９５号公報 特開２０１４−５４８８１号公報

上記したように、複数箇所の歪みを同時に測定して荷重や変形などの解析を行うための各種装置を鉄道車両の内部に設置するにはスペースが必要であり、実際の走行をシミュレーションするためには、これらの配置スペースを備えた専用の試験車両を使用する。この場合、実際の営業車両のように乗客を乗車させた車両の挙動を忠実に再現することが難しい。

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、特に営業車両の部材における走行中に生じた複数箇所の歪みのデータを互いに同期させ得るように正確に測定することのできる歪み測定システム、及び、歪み測定装置を提供することにある。

本発明による鉄道車両の歪み測定システムは、鉄道車両の部材におけるその走行中の歪みを測定する歪み測定システムであって、前記部材に固着させた歪み測定装置へ前記部材に貼付した歪みセンサからのアナログ信号を導きデジタルデータに変換するとともに時刻データを併せて記録させた可搬記録媒体を用い、複数の前記可搬記録媒体のそれぞれに記録された前記デジタルデータを走行情報に対応させるとともに前記歪みセンサの相対的位置情報を併せて与えて部材の歪みを測定することを特徴とする。

かかる発明によれば、走行後の鉄道車両から同期させ得るデジタルデータを収集でき、車両内の配線スペースを不要として、営業車両の部材における走行中に生じた歪みを正確に測定することができる。また、車両内部に解析装置を設けずとも、走行情報や位置情報に基づいて、複数の同期させ得る歪みの測定結果から鉄道車両の部材として荷重や変形などの解析を可能とする。また、解析装置の接続を不要として測定装置を小型にできるので、取付け部位を自由に設定できる他、仮に取り付けられた鉄道車両の部材から落下したとしても、走行に支障を与えない。

また、本発明による鉄道車両の歪み測定装置は、鉄道車両の部材におけるその走行中の複数の箇所で記録される歪みデータを走行情報に対応させるとともに複数の該箇所の相対的位置情報を併せて与えて該部材の歪みを測定するために用いられる鉄道車両の歪み測定装置であって、時刻計算部、Ａ／Ｄ変換部、記録部、及び、可搬記録媒体ソケットを含み、前記部材に固着させられる歪み測定装置本体と、前記ＡＤ変換器に電気的に接続され前記部材に貼付される歪みセンサと、を含み、前記歪みセンサからのアナログ信号を前記ＡＤ変換器を介してデジタルデータに変換するとともに前記時刻計算部からの時刻データを併せて前記可搬記録媒体ソケットを介して可搬記録媒体に記録させることを特徴とする。

かかる発明によれば、同期させ得るデジタルデータを走行後まで保存でき、車両内の配線スペースを必要とせず、営業車両の部材における走行中に生じた歪みを正確に測定するためのデータを収集することができる。また、解析装置の接続を不要として測定装置を小型にできるので、取付け部位を自由に設定できる他、仮に取り付けられた鉄道車両の部材から落下したとしても、走行に支障を与えない。

上記した発明において、振動センサをさらに備え、前記振動センサの出力に基づいて動作することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、鉄道車両の走行中にだけ歪み測定装置を動作させ得て、消費電力を低減した上で営業車両の部材における走行中に生じた歪みを正確に測定することができる。

上記した発明において、前記時刻データに対応するタイムテーブルに従って動作することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、鉄道車両の走行中に的を絞って歪み測定装置を動作させ得て、消費電力を低減した上で営業車両の部材における走行中に生じた歪みを正確に測定することができる。

本発明による歪み測定装置のブロック図である。 歪み測定装置を取り付ける台車枠を含む鉄道車両の（ａ）上面図及び（ｂ）側面図である。 本発明による歪み測定システムのブロック図である。 歪み測定システムによる解析の例を示す図である。

本発明による１つの実施例としての歪み測定装置について、図１及び図２を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、歪み測定装置１は、歪みゲージからなる歪みセンサ２に接続され、歪みセンサ２からのアナログ信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部３と、Ａ／Ｄ変換部３に接続する記録部４と、記録部４に接続し現在時刻を出力する時刻計算部５と、振動センサ８と、可搬記録媒体７を接続させるソケット６とを含む。歪みセンサ２には温度補償を考慮した、例えば自己温度補償型の歪みゲージを用い、これをＡ／Ｄ変換部３に直接結線（直付け）することが好ましい。歪み測定装置１はまた、図示しない電池などの動作用の電源を備えている。

Ａ／Ｄ変換部３は歪みセンサ２からのアナログ信号、すなわち歪みゲージからの電圧値を入力され、これをデジタルデータに変換する。歪みセンサ２とＡ／Ｄ変換部３との間には、アナログ信号を増幅させるアンプが必要に応じて備えられる。

記録部４は、歪み測定装置１の動作を司る制御部を兼ねており、Ａ／Ｄ変換部３からのデジタルデータに、時刻計算部５からの現在の時刻による時刻データを併せてソケット６に接続された可搬記録媒体７に記録できる。すなわち、可搬記録媒体７に記録されるデジタルデータは歪みに応じた電圧値を示すデータである。また、可搬記録媒体７としては、例えばＳＤカードなどを用い得る。

時刻計算部５は、時計を内蔵して時刻を計時するとともに、記録部４からの求めに応じて現在の時刻に対応する時刻データを送出できる。

歪み測定装置１は、また、振動センサ８の出力に基づいて動作するよう、接続された記録部４によって電源のＯＮ−ＯＦＦを自動的に制御可能とされている。歪み測定装置１はまた、その他各種設定を行うための図示しない入力手段や入力の補助のための表示手段を備えている。

次に、歪み測定装置１の使用方法について図２を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように、歪み測定装置１は、鉄道車両１１の例えば台車枠の側方の梁部材１２に走行中に脱落しないよう固着される。歪み測定装置１に接続される歪みセンサ２は梁部材１２の所定の位置、例えば左右の梁部材１２の前後のそれぞれ１箇所ずつに貼り付けられる。特に図２（ｂ）を参照すると、梁部材１２は複数の鉄道車両１１の連結した列車編成１０において、前方の車両から後方の車両まで広範囲に亘って配置されている。そこで、各梁部材１２に貼り付けられた歪みセンサ２のそれぞれは、その個々の貼り付け箇所を特定できるようにされる。具体的には、対応する歪み測定装置１にその箇所を特定し得る符号を入力し、記録部４によって可搬記録媒体７にもかかる符号を記録させる。

歪み測定装置１を取り付けた列車編成１０を走行させると、鉄道車両１１の振動に基づく各振動センサ８からの出力により記録部４が歪み測定装置１の電源をＯＮとさせる。例えば、振動センサ８からの出力が所定の閾値以上となったときに歪み測定に関する電源をＯＮとさせるのである。これにより列車編成１０の走行中の各歪みセンサ２の貼り付けられた梁部材１２の箇所の歪みに対応する電圧のデジタルデータが時刻データとともに可搬記録媒体７に記録される。走行中のデジタルデータ等の記録は、例えば所定の時間間隔で、つまり所定のサンプリング周期で行われる。

一方、列車編成１０を停止させると鉄道車両１１の振動の停止に基づく各振動センサ８からの出力により記録部４が歪み測定装置１の電源をＯＦＦとさせる。これによりデジタルデータの記録が停止される。記録部４は、例えば、振動センサ８からの所定の閾値以上の出力を所定の時間間隔の間に入力されなければ、歪み測定に関する電源をＯＦＦとするよう制御する。これにより、列車編成１０を営業運行していても、例えば、駅での停車中において歪み測定装置１の歪み測定に関する電源をＯＦＦとして消費電力を節約できる。また、上記した閾値をさらに超える所定の閾値以上の振動のあるときにデジタルデータの記録間隔を短くするなど、振動の大きさに応じて記録間隔（サンプリング間隔）を変化させるようにしてもよい。

運行の終了した列車編成１０の歪み測定装置１のそれぞれから可搬記録媒体７が取り外され、後述する歪み測定システムにおいて記録したデジタルデータ等を用いられる。

このような歪み測定装置１によれば、鉄道車両１１内の配線を省略して、列車編成１０の各測定位置に貼り付けた歪みセンサ２から各梁部材１２の歪みについての走行中のデジタルデータを記録し得る。無線を使用せずとも配線を省略できるので外乱ノイズを抑制できて、歪みについての正確なデジタルデータを得ることができる。また、かかるデジタルデータを時刻データとともに記録させて、複数の歪みセンサ２の異なる貼り付け箇所のデジタルデータを同期させることができる。

なお、記録部４は、可搬記録媒体７の容量の上限まで記録を行った場合や、所定の期間を経過する毎に、可搬記録媒体７のより古いデータを保存したアドレスに新しいデジタルデータ及び時刻データを上書きして記録できるようにしてもよい。必要に応じて可搬記録媒体７からデジタルデータ等を取り出すことができる。

続いて、可搬記録媒体７に記録されたデジタルデータから部材の歪みを測定する歪み測定システムについて、図３を用いてその詳細を説明する。

図３に示すように、歪み測定システム２０は、パーソナルコンピュータなどからなり、上記した可搬記録媒体７を接続させて記録されたデータを入力することで、車両編成１０の各部材の走行中における変形等を解析し得るシステムであり、制御部２１と記憶部２２とを含む。

制御部２１は、所定のプログラムを実行する図示しないＣＰＵ、及び、かかるプログラムを格納するＲＯＭやプログラムの実行に必要な情報を一次的に記憶させるＲＡＭからなる図示しないメモリを含む。制御部２１は、かかるプログラムの実行により、後述する歪みの測定のための演算などの動作を行うことができる。

記憶部２２はハードディスクなどの記憶装置からなり、歪み情報２５、位置情報２６及び走行情報２７を記憶する。歪み情報２５は、可搬記録媒体７から読み取ったデータによるものであり、所定のプログラムに従って動作する制御部２１により、上記した歪みデータを対応する歪みの値に変換した上で、時刻データを併せ、対応する歪みセンサ２の貼り付け箇所を特定できる符号を付したものである。位置情報２６は、かかる符号に対応する歪みセンサ２のそれぞれの貼り付け箇所を車両編成１０に対して特定する相対的位置情報である。つまり、位置情報２６は車両編成１０に対する歪みの測定位置を特定する情報を示す。走行情報２７は、車両編成１０の走行した結果得られる、少なくとも走行速度を含むデータに時刻データを併せた情報である。

次に、歪み測定システム２０の使用方法について、図３及び図４を用いて説明する。

図３を参照すると、上記したように歪み測定システム２０によって、接続された可搬記録媒体７に記録されたデジタルデータ、時刻データ及び対応する歪みセンサ２の貼り付け箇所を特定する符号が読み取られる。ここで、上記したようにデジタルデータは歪みセンサ２の貼り付け箇所の部材の歪みに対応する電圧値を示す。そこで、歪み測定システム２０は、制御部２１によって電圧から歪みを測定する演算を行い、デジタルデータを歪み値に変換する。かかる歪み値と時刻データを併せ、上記した歪みセンサ２の貼り付け箇所を特定する符号を付して、歪み情報２５として記憶部２２に記憶する。なお、デジタルデータは温度補償を考慮して、必要に応じて補正されるなどして歪み値に変換される。

上記したように、可搬記録媒体７は、列車編成１０に取り付けられた歪み測定装置１のそれぞれから取り外されるので、取り外された可搬記録媒体７の全てについて同様に記録されたデータから歪み情報２５を得て記憶部２２に記憶させる。このようにして、各歪み情報２５の各時刻における各貼り付け箇所の歪みを時刻データによって同期させて測定でき、梁部材１２に加わる荷重やこれによって生じる曲がりやねじれなどの変形等、歪みに関連する情報について解析し得る。

また、図４に示すように、歪み情報２５は複数の箇所の歪み値を時刻に対応させているので、かかる時刻によって走行情報に対応させ得る。さらに、歪みを測定した各梁部材１２の列車編成１０における相対的な位置を位置情報２６から得ることができる。これらにより、特定の走行状態となった時刻において各歪み情報２５を同期させ得るとともに、列車編成１０のそれぞれの位置に配置された部材としての各梁部材１２の荷重や変形などの歪みに関連する情報について制御部２１によって解析し得る。なお、列車編成１０が停止するなどして、歪み測定装置１の電源がＯＦＦとなっていた時間帯においては、デジタルデータは記録されず、歪み情報２５も存在しない。

一方、列車編成１０の長さを考慮すると、軌道上の特定の地点Ａを通過する時刻は歪みセンサ２を貼り付けた各箇所によって異なる。ここで、走行情報２７を得た列車編成１０上の基準となる位置と、歪みセンサ２を貼り付けた各箇所との地点Ａを通過する時間差Ｔを、位置情報２６及び走行情報２７のうちの走行速度のデータを用いることで求め得る。つまり、歪みを測定したそれぞれの箇所が地点Ａを通過する時刻を求め得る。これにより、軌道上の特定の地点Ａを通過するときの各測定位置の梁部材１２の歪みに関連する情報について解析し得る。例えば、特定のカーブを通過するときの先頭車両、中央車両及び後方車両のそれぞれの部材の歪みに関連する情報を比較して解析することができる。

以上のように、歪み測定システム２０によれば、上記した歪み測定装置１を用いて収集したデジタルデータ等により、営業車両の部材に走行中において生じた歪みを正確に測定することができ、鉄道車両１１の内部に解析装置を設けずとも、時刻データを含む歪み情報２５を用いるとともに位置情報２６や走行情報２７に基づいて複数の歪みの測定結果を同期させて列車編成１０の歪みに関連する情報について解析し得る。また、歪み測定装置１は、解析装置を接続する必要がなく装置を小型にできるので、取付け部位を自由に設定でき、仮に脱落しても車両の走行に影響を与えない。

なお、歪み測定装置１は、時刻計算部５に対応したタイムテーブルに従って動作するよう、電源のＯＮ−ＯＦＦを制御させるようにしてもよい。これによって、予め定められた列車編成１０の運行の予定に合わせて必要な時だけ歪みについてのデジタルデータを収集でき、消費電力を節約できる。

上記した実施例では、台車枠の側方の梁部材１２に歪みセンサ２を貼り付けて梁部材１２についての歪みを測定したが、鉄道車両１１の他の部材についても同様に歪みを測定できる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれら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特許請求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 歪み測定装置
２ 歪みセンサ
７ 可搬記録媒体
１０ 列車編成
１１ 鉄道車両
１２ 梁部材
２０ 歪み測定システム
２５ 歪み情報
２６ 位置情報
２７ 走行情報

Claims (4)

1. 鉄道車両の部材におけるその走行中の歪みを測定する歪み測定システムであって、
   前記部材に固着させた歪み測定装置へ前記部材に貼付した歪みセンサからのアナログ信号を導きデジタルデータに変換するとともに時刻データを併せて記録させた可搬記録媒体を用い、複数の前記可搬記録媒体のそれぞれに記録された前記デジタルデータを走行情報に対応させるとともに前記歪みセンサの相対的位置情報を併せて与えて部材の歪みを測定することを特徴とする鉄道車両の歪み測定システム。
2. 鉄道車両の部材におけるその走行中の複数の箇所で記録される歪みデータを走行情報に対応させるとともに複数の該箇所の相対的位置情報を併せて与えて該部材の歪みを測定するために用いられる鉄道車両の歪み測定装置であって、
   時刻計算部、Ａ／Ｄ変換部、記録部、及び、可搬記録媒体ソケットを含み、前記部材に固着させられる歪み測定装置本体と、
   前記ＡＤ変換器に電気的に接続され前記部材に貼付される歪みセンサと、を含み、
   前記歪みセンサからのアナログ信号を前記ＡＤ変換器を介してデジタルデータに変換するとともに前記時刻計算部からの時刻データを併せて前記可搬記録媒体ソケットを介して可搬記録媒体に記録させることを特徴とする鉄道車両の歪み測定装置。
3. 振動センサをさらに備え、前記振動センサの出力に基づいて動作することを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の歪み測定装置。
4. 前記時刻データに対応するタイムテーブルに従って動作することを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の歪み測定装置。

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