JP2017101392A - レール断面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で精度の高いレール断面形状の測定を走行しながら行うことが可能なレール断面形状測定装置を実現する。【解決手段】下面に測定対象のレールに沿って移動可能な１または２以上の車輪を備えた台車（１１）と、レールの所定箇所の形状を測定するための１個の非接触方式の測定器（６０）と、前記測定器を制御して測定対象のレールの長手方向に沿って所定間隔で測定値を取得するデータ取得手段（１７）と、を備えたレール断面形状測定装置において、前記台車には、作業者が装置を手で支えるための手押し棒と、前記測定器を取り付けるための取付け手段（１５）とを設け、測定器は、取付け手段によって測定対象のレールの頭部より高い位置に、測定対象のレールの頭部を、レール内側の斜め上方から見下ろすような姿勢で取り付け、少なくとも測定対象のレールの頭頂面およびレール内側の列車の車輪による摩耗が生じない２箇所を測定可能に設定した。【選択図】図１

Description

本発明は、レールの断面形状を測定するのに用いる測定装置に関し、特にレールの溶接部近傍の断面形状を連続的に測定するのに好適なレール断面形状測定装置に関する。

近年、鉄道軌道においては、レールの端部同士を溶接することで継ぎ目を少なくしたレールが敷設されている。このようなレールを敷設した軌道は、保守の手間が大幅に省けるとともに、レールの継ぎ目が減ることから、安定走行、騒音の低減、乗り心地に大きなメリットがある。
しかしながら、レール溶接の際に、新旧レールの溶接部に断面差（段差）が生じ乗り心地が低下するおそれがある。そこで、従来のレール溶接作業では、レール踏面摩耗測定器やストレートエッジと呼ばれる測定器による測定を行いながら、レールを削正することで断面差を解消していた。

しかし、従来のレール踏面摩耗測定器は、１点のみの測定に限られるため、レールの延設方向の断面形状の変化を検出するには複数点の測定が必要であることから測定器の盛り替え（再設置）が必要であり、作業効率が低下する要因になっていた。また、ストレートエッジについても、技術者の腕に依存する部分が大きいため、熟練を必要としており、溶接部の凹凸を定量的かつ連続的に測定可能な装置がない状況であった。

なお、レール断面形状測定装置に関する発明としては、例えば特許文献１〜３に開示されているものがある。
このうち特許文献１の測定装置は、レールの頭部に斜め方向から光を照射しつつ斜め方向からカメラで撮影し、得られた撮像情報を画像処理することでレールの断面形状を測定するものであり、レールの頭部の外側面を基準として測定部分の撮像情報を処理することや、走行車両に搭載することで連続してレールの断面形状を測定できることが記載されている。

また、特許文献２の測定装置は、装置の基準点を回転中心として被測定物の回りを回転する計測部と、装置を被測定物に固定する取付け部とを有し、計測部に、被測定物に検査波（レーザ）を放射する放射部と、被測定物の表面からの反射波を受信する受信部と、受信波の受信位置を示す信号を出力する出力部とを設けることで、レールの断面形状を測定するものであり、基準画像と対比してレールのあご部が重なり合うように画像を移動して断面形状の変化を測定することが記載されている。
特許文献３の測定装置（実施例２）は、車輪が直接接触しないレール外側の側面を基準とし、同じく車輪が直接接触しないレール内側のあごの下部を基準として、レール上面および側面の形状をレーザ変位計で計測し、得られた変位データをコンピュータ上で結合させて、レール断面形状を測定するものであり、走行しながら計測することで連続してレールの断面形状を測定できることが記載されている。

特開平１１−１４２１２４号公報 特開２００１−３３０４２６号公報 特開２００３−２０７３１９号公報

しかしながら、上記特許文献２の測定装置の場合、レールのあご部が重なり合うように基準画像と撮影画像を対比する、つまり基準となる部分が１箇所のみであるため、充分な測定精度が得られない。また、レールに沿って走行しながら形状測定が行なえないため、装置の盛り替えが必要であり作業効率が悪いという課題がある。
一方、特許文献１の測定装置の場合は、車輪が接触しないレール外側面の２箇所を基準として、測定箇所であるレール内側面を斜め上方からカメラで撮影して画像処理で形状を計測するため、３個の光源と２台のカメラが必要であり、装置が大掛かりとなってコストアップを招く。また、特許文献３の測定装置の場合も、車輪が接触しないレール外側の側面およびレール内側のあごの下部の２箇所を基準として変位計で計測するため、高い測定精度が得られるものの、複数（３個）のレーザ変位計が必要であり、装置が大掛かりとなってコストアップを招くという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、安価で精度の高いレール断面形状の測定を、走行しながら行うことが可能なレール断面形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明は、
下面に測定対象のレールに沿って移動可能な１または２以上の車輪を備えた台車と、
レールの所定箇所の形状を測定するための１個の非接触方式の測定器と、
前記測定器を制御して測定対象のレールの長手方向に沿って所定間隔で測定値を取得するデータ取得手段と、
を備えたレール断面形状測定装置であって、
前記台車には、前記測定器を取り付けるための取付け手段が設けられ、
前記測定器は、前記取付け手段によって測定対象のレールの頭部より高い位置に、測定対象のレールの頭部を、レール内側の斜め上方から見下ろすような姿勢で取り付けられ、少なくとも測定対象のレールの頭頂面およびレール内側の列車の車輪による摩耗が生じない２箇所を測定可能に設定されているように構成した。

かかる構成のレール断面形状測定装置によれば、レールの長手方向に沿って連続した断面形状測定を、走行しながら効率よく行うことができるとともに、形状情報を取得するための測定器を１つ設けるだけで良いので装置を安価に構成できる。また、レール内側の列車の車輪による摩耗が生じない２箇所を測定可能であるためこれらの２箇所を基準として他の部位を測定できるので、精度の高いレール断面形状の測定が可能になる。

ここで、望ましくは、前記摩耗が生じない２箇所としては、測定対象のレールの頭部内側側面下部とフランジ基部の湾曲部を選択するようにする。
かかる構成によれば、レールの頭部内側側面下部とフランジ基部の湾曲部の２箇所を基準として他の部位を測定するので、互いに平行な２つの面上の２箇所を基準とする場合に比べて誤差を少なくすることができるとともに、レール締結器に邪魔されることなくレールの長手方向に沿った形状測定を行うことができる。

また、望ましくは、前記台車には、所定のデータを記憶する記憶装置と、前記データ取得手段より取得された測定データを処理するデータ処理装置と、前記データ処理装置による処理により得られた結果を表示可能な表示装置と、が搭載され、
前記記憶装置には、摩耗のないレールの設計形状を示すデータが予め記憶されており、
前記データ処理装置は、前記摩耗が生じない２箇所を基準点として、前記設計形状と前記測定器より得られたデータに基づく測定形状とを重ね合わせた画像を前記表示装置に表示可能に構成する。
かかる構成によれば、摩耗が生じない２箇所を基準点として、設計形状と測定器より得られたデータに基づく測定形状とを重ね合わせた画像を表示装置に表示することができるため、測定箇所のレールの摩耗状態を正確に把握することができるようになる。

さらに、望ましくは、前記データ処理装置は、前記データ取得手段により取得された測定データに基づいて、測定対象のレールの頭頂面の高さの変化を示す画像を前記表示装置に表示可能に構成する。
これによって、溶接によってレールの端部同士を接合した継ぎ目箇所におけるレール表面の段差の状態を正確に把握することができ、レールの継ぎ目の削正作業を正確に行なって走行する列車の乗り心地を向上させることが可能になる。

本発明によれば、安価で精度の高いレール断面形状の測定を、走行しながら行うことが可能なレール断面形状測定装置を実現することができる。

本発明に係るレール断面形状測定装置の一実施形態を示す正面図である。 実施形態のレール断面形状測定装置を示す側面図である。 実施形態におけるレーザ変位計の配設位置及びレール断面形状の測定方法を示す図である。 実施形態のレール断面形状測定装置による測定対象であるレールと締結器との関係を示す斜視図および締結部拡大図である。 実施形態のレール断面形状測定装置による測定結果としての縦断面および横断面の表示例を示す図である。 実施形態のレール断面形状測定装置の変形例を示す正面図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係るレール断面形状測定装置の実施形態について詳細に説明する。
図１は本実施形態のレール断面形状測定装置を示す正面図、図２はその側面図である。
本実施形態のレール断面形状測定装置１０は、矩形状の台車１１と、該台車１１の下面に設けられレールＲ上を転動する前後一対の車輪１２Ａ，１２Ｂと、台車１１の上部に設けられた逆Ｕ字状の手押し棒１３と、測定対象物の表面までの距離を測定するレーザセンサのような非接触式の測定器６０を支持するための支持フレーム１５と、車輪１２Ａ，１２Ｂの一方に対応して設けられた移動距離を検出するためのロータリエンコーダ１６等を備える。

上記台車１１の上には、レーザセンサを制御したりセンサからの信号を処理したりするコントローラ１７や該コントローラ１７およびレーザセンサ等が必要とする電力を供給するバッテリ１８、電源ユニット１９が搭載される。
台車１１の下面に設けられた車輪１２Ａ，１２Ｂは、レールＲの頭頂部に対応した形状の凹部を有するローラにより構成されており、図２に示すように、台車１１の前端と後端にそれぞれ設けられている。

手押し棒１３は、下端部が台車１１の側壁部に固定されているとともに、上端の水平部１３Ａには止め具２１ａ，２１ｂによってハンドルパイプ２２が横方向へ延びるように装着されており、作業者はこのハンドルパイプ２２を把持して前方へ押すことによって、台車１１を走行移動させることができるように構成されている。ハンドルパイプ２２は省略しても良い。
また、手押し棒１３の上部には、上記コントローラ１７に指令を与える入力操作部と測定結果を表示する表示パネルを有するノート型パソコンなどからなるコンソール２３が止め具２４ａ，２４ｂによって装着されている。

支持フレーム１５は、台車１１の上面から上方へ向かって伸びるように設けられた支柱５１と、該支柱５１の上端部に固定され水平方向へ延びる支持アーム５２と、該支持アーム５２の先端に上下方向スライド可能に装着された可動パイプ５３とを備え、該可動パイプ５３の下端部に取付具５４によって測定器６０がレールＲを、レール内側の斜め上方から見下ろすような姿勢で固定される。なお、本明細書において、レールの内側とは、鉄道軌道上に平行に敷設される２本のレールの中央側を意味する。

本実施形態では、測定器６０として、レーザ発光素子と受光素子とを備え、レーザビームを扇状にスキャンし反射光を受信して距離を測定するライン方式の２次元レーザ変位計を用いることとした。
レーザ変位計によるスキャン速度すなわちデータサンプリング速度は一定である一方、台車の速度がまちまちとなることから生じる測定間隔が一律にならないという不具合は、ロータリエンコーダ１６から信号に基づいて、台車１１が例えば１ｍｍ移動するごとに収録トリガ信号を入力することで、レール長手方向に１ｍｍ間隔で測定データを取得することによって解消している。また、データ取得間隔は、コンソール２３の操作パネルにより設定を変更することができるように、コントローラ１７のプログラムが構成されている。

コントローラ１７の記憶装置（半導体メモリ、ハードディスク等）には、測定データを取得するための収録プログラムの他、設計形状（摩耗のないレールの横断面形状）のデータや、コンソール２３の表示パネル（表示装置）に、測定した断面形状を設計形状と比較可能に頭頂面から側面までを表示させたり、レール長手方向に沿った連続測定結果に基づいてレールの頭頂面の高さ変化を表示させたりする表示プログラムが格納されている。

次に、本実施形態のレール断面形状測定装置において測定器６０として使用される上記２次元レーザ変位計の性能と該変位計によるレール断面形状の測定方法について、図３を用いて説明する。
本実施形態で使用する２次元レーザ変位計は、基準距離Ｌｓが３００ｍｍで、測定範囲は基準距離Ｌｓの前後１４５ｍｍ、計測間隔は０．３ｍｍである。従って、図３においてハッチングが付されている領域Ａが測定可能範囲である。なお、使用する２次元レーザ変位計の性能は一例であり、これに限定されるものでない。

本実施形態のレール断面形状測定装置において測定したいのは、列車の車輪との接触で摩耗が発生するレールＲの頭部の頭頂面および頭部内側面の形状であるが、本発明者らは、前述したように、表示パネルに測定した断面形状を設計形状と重ね合わせて比較可能に表示する場合に、その精度を高めるには、レール表面のうち摩耗の発生しない２点を基準点として選択してその２基準点までの距離を測定するのが有効であるとの着想を得た。さらに、２つの基準点は離れており、かつ平行でない面上にある点が望ましい。互いに平行な面上にある２点（例えば図３のＢ１とＢ２）を基準点として選択すると、基準点が各面上で同一の方向へずれた際に修正できないためである。また、図３のＢ２とＢ３を基準点とすることも考えられるが、Ｂ２とＢ３は距離が近いため精度が低下する。

さらに、基準点の１つをレールのフランジ先端側（図３のＢ４の位置）とすることも可能であるが、レールのフランジには、図４に示すように、レール締結器７０の押えバネ７１が当接されるので、長手方向に連続して計測を行う場合には、レール締結器が計測の障害物になるため、フランジ先端側を基準点とするのは望ましくない。
上記のような観点から、本実施形態のレール断面形状測定装置においては、車輪による摩耗のないレールの頭部内側面下部Ｂ１およびフランジ基部の湾曲部Ｂ３を基準点として選択することとした。これにより、台車をレールに沿って移動させながら連続的にレール断面形状を測定し、測定結果を基準となる断面形状と対比表示することが可能となる。

そして、上記のように測定したい部位と２つの基準点Ｂ１およびＢ３を測定できるようにするためには、図３（Ａ）に示すように、上記測定可能範囲Ａに、レールＲの頭部および内側フランジが入るよう２次元レーザ変位計（６０）の取付け位置が設定されればよい。具体的には、２次元レーザ変位計（６０）の前面から測定対象のレールＲの頭部内側角部までの距離が、使用する２次元レーザ変位計の基準距離Ｌｓよりも若干遠くなるように、取付け位置を設定すればよい。

また、２次元レーザ変位計（６０）の取付け位置及び角度は、図３（Ｂ）に示すように、レール頭頂面を通る水平面ＨＬよりも高い位置で、角度は水平面に対して０度よりも大きく、かつレールの内側顎部によってフランジ基部の湾曲部Ｂ３が隠れる角度αよりも小さければよい。なお、より望ましい設定角度は、４０度〜５０度である。さらに、変位計は、図３（Ａ）に示すように、測定可能範囲Ａ内にレールの必要最小測定範囲Ｃが入る位置まで、レールに近づけることができる。従って、使用する変位計の性能によっては、支持フレーム１５を省略して台車１１の下部に取付具５４を設けて、測定器６０を直接台車１１に装着する構成も可能である。

次に、本実施形態のレール断面形状測定装置における測定されたレール断面形状の表示例について、図５を用いて説明する。
図５（Ａ）は測定により得られたレール頭頂面の長手方向に沿った高さ変化を示す表示例、図５（Ｂ）は、測定したレール断面形状を、基準となる設計形状と重ね合わせて表示した例である。図５（Ｂ）において、実線は測定されたレールの断面形状、破線は摩耗のない基準となるレールの設計形状である。図５（Ａ）の波形は、測定器の姿勢がぶれたとしても、図５（Ｂ）のように基準となる設計形状と重ね合わせ処理をしたレール断面形状から得られた所定点（例えばレールの左右方向の中央）の測定値を連続的に表すことができる。

なお、図５は、本発明者らが、実際に本実施形態のレール断面形状測定装置を使用して行なった測定値に基づく結果を表したものである。図５（Ａ）の波形の中央に段差があるのは、溶接をしたレールの継め目前後の測定結果を表わしたためである。本発明者らは、従来のレール踏面摩耗測定器を用いて上記と同一の箇所の測定を行い、本実施形態のレール断面形状測定装置の測定結果と比較を行なった。その結果、両者の測定結果にほとんど差がなく、本実施形態のレール断面形状測定装置は実用上充分な測定精度を有することを確認した。
また、図示しないが、本発明者らが試作したレール断面形状測定装置は、レール頭頂面の凹凸状況を３Ｄカラーマップとして表示する機能も備えている。かかるマップも公知の画像処理技術を利用することで、２次元レーザ変位計（６０）による測定値から作成することができる。

上述したように本実施形態のレール断面形状測定装置によれば、１つの測定器（センサ）のみでレールの断面形状を測定することができるとともに、レール頭部の内側面下部とフランジ基部（湾曲部）の２箇所を基準にして測定したレール断面形状を、基準となる設計形状と重ね合わせて表示しているので、レールの摩耗状態を視覚的に分かり易く表示することができる。
また、装置を載せた台車をレールに沿って移動させながら所定間隔で連続的にレール断面形状を測定する方式であるため、レール頭頂面の長手方向に沿った高さ変化を計測して表示することができるとともに、測定装置の盛り替えが不要であり作業効率が良好である。

図６は上記実施形態のレール断面形状測定装置の変形例を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
この変形例のレール断面形状測定装置１０は、図１の実施例のレール断面形状測定装置に対して、走行中の台車の横ブレを抑制するための前後一対の補助輪１４Ａ，１４Ｂを追加的に設けたものである。

本変形例は、台車１１の下面から下方へ向かって伸びるように設けられた垂下柱４１Ａ，４１Ｂと、該垂下柱４１Ａ，４１Ｂの下端に取り付け金具４２Ａ，４２Ｂによって水平姿勢で固定されたアーム４３Ａ，４３Ｂとを備え、該アーム４３Ａ，４３Ｂの先端に樹脂ベアリングからなる補助輪１４Ａ，１４Ｂが水平面内回転自在に装着されている。かかる補助輪１４Ａ，１４Ｂを備えることで測定装置の安定性を高め、装置に不慣れな作業者であっても容易に測定作業を行うことができるという利点を有する。一方、継目板を有するレールに対する測定では、補助輪１４Ａ，１４Ｂが継目板に当たるおそれがあるので、作業性が悪いが、特に測定対象がロングレールである場合には有効である。

また、本実施形態では、アーム４３Ａ，４３Ｂが着脱可能に構成されており、継目板がある箇所ではアーム４３Ａ，４３Ｂおよびローラ４４Ａ，４４Ｂを外すことで、連続的に測定を行うことができるようになっている。
なお、補助輪１４Ａ，１４Ｂがない図１の実施例のレール断面形状測定装置は、本変形例のレール断面形状測定装置に比べて、測定作業中の装置の安定性という点では劣るが、前述したような基準点による画像処理を行なうことによって、原理上、測定精度の点では遜色のない測定結果が得られる。また、図１の実施例のレール断面形状測定装置のように、補助輪１４Ａ，１４Ｂを設けないようにすることで、装置をより小型、軽量に構成することができるため、装置を測定現場へ移送する作業や、移送後に装置をレール上に設置する作業が容易になるという利点がある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態のレール断面形状測定装置においては、台車１１の下面に設けられた前後一対の車輪１２Ａ，１２Ｂにより一方のレール上を転動するように構成されているものを説明したが、台車１１の内側部から他方のレールに向かって延び先端にレールに沿って移動するローラを有するアームを設けて、３輪方式で、より安定して移動できるように構成しても良い。また、走行駆動用のモータを搭載するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、１種類のレールの形状測定について説明したが、６０ｋｇレールや、５０Ｎレール、４０Ｎレール、ＵＩＣ６０レール等の複数のレールの断面形状のデータを記憶装置に記憶しておくとともに、作業開始前に表示パネルに初期設定画面を表示させて、操作パネルによって測定対象のレールの種類を選択できるように装置を構成しても良い。
さらに、上記実施形態においては、測定器６０として２次元レーザ変位計を使用しているが、カメラを用いるようにしても良い。そして、カメラを用いる場合には、前後方向に関しても斜め上方からレールを撮像するように、取付け位置、角度を設定すると良い。また、カメラを用いる場合には、照明用の光源を設けるが望ましい。

Ｒ レール
１０ レール断面形状測定装置
１１ 台車
１２Ａ，１２Ｂ 車輪
１３ 手押し棒
１４Ａ，１４Ｂ 補助輪
１５ 支持フレーム
１６ ロータリエンコーダ
１７ コントローラ（データ取得手段）
１８ バッテリ
１９ 電源ユニット
２３ コンソール
２２ ハンドルパイプ
６０ 測定器（２次元レーザ変位計）

Claims (4)

1. 下面に測定対象のレールに沿って移動可能な１または２以上の車輪を備えた台車と、
   レールの所定箇所の形状を測定するための１個の非接触方式の測定器と、
   前記測定器を制御して測定対象のレールの長手方向に沿って所定間隔で測定値を取得するデータ取得手段と、
   を備えたレール断面形状測定装置であって、
   前記台車には、前記測定器を取り付けるための取付け手段が設けられ、
   前記測定器は、前記取付け手段によって測定対象のレールの頭部より高い位置に、測定対象のレールの頭部を、レール内側の斜め上方から見下ろすような姿勢で取り付けられ、少なくとも測定対象のレールの頭頂面およびレール内側の列車の車輪による摩耗が生じない２箇所を測定可能に設定されていることを特徴とするレール断面形状測定装置。
2. 前記摩耗が生じない２箇所は、測定対象のレールの頭部内側側面下部とフランジ基部の湾曲部であることを特徴とする請求項１に記載のレール断面形状測定装置。
3. 前記台車には、所定のデータを記憶する記憶装置と、前記データ取得手段より取得された測定データを処理するデータ処理装置と、前記データ処理装置による処理により得られた結果を表示可能な表示装置と、が搭載され、
   前記記憶装置には、摩耗のないレールの設計形状を示すデータが予め記憶されており、
   前記データ処理装置は、前記摩耗が生じない２箇所を基準点として、前記設計形状と前記測定器より得られたデータに基づく測定形状とを重ね合わせた画像を前記表示装置に表示可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレール断面形状測定装置。
4. 前記データ処理装置は、前記データ取得手段により取得された測定データに基づいて、測定対象のレールの頭頂面の高さの変化を示す画像を前記表示装置に表示可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレール断面形状測定装置。

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