JP2017514737A - ホイールセットの車軸及びこれに対応する超音波検査の方法 - Google Patents

Abstract

鉄道用ホイールセットの車軸及び対応する超音波検査の方法を開示する。車軸と同軸であり超音波プローブを収容するような大きさに形成され非貫通穴が、車軸のそれぞれの端部に設けられる。主穴は、穴の内部からの車軸の検査のための複数の超音波トランスデューサーを有するプローブホルダを収容するように構成される。主な利点は、車軸の端部に通常存在する幾何学的な不連続部によって生じる干渉を受けることなく超音波の伝播を円滑に行って、これにより、反響波の読み取りにおける偽陽性を最小化することにある。

Description

本発明は、鉄道車両の分野におけるものであり、特に、超音波検査を行い易くするように設計されたホイールセットの車軸に関する。

鉄道工学において、語「ホイールセット」は、二つの車輪（ホイール）と対応する接続軸すなわち車軸とを備える要素のグループを表すよう用いられる。

鉄道用ホイールセットは、鉄道車両をレール上に支持する。したがって、連続的な機械的応力及び熱応力が、列車によって、それぞれのホイールセットの車輪及び車軸に作用する。

バラス又は他の材料に対する衝突等だけではなく、車両荷重、運転条件、及び運搬車の急な運動を生じるような線路のわずかな切れ目も、機械的応力を生じさせる。列車が、その道中で受ける、及び、日中と夜間との間で受ける、外部温度及び湿度の絶え間ない変化は、熱応力を生じさせる。

機械的応力及び熱応力により、車軸にき裂が広がるおそれがある。車軸においてき裂が生じ、き裂が重大事故を招くおそれがある構造破壊まで広がることを防止するために、多くの国で、車軸が完全な状態にあることを定期的に点検することが法律よって義務づけられている。

非侵襲的試験（non-invasive test）は、複数の縦波超音波トランスデューサー （longitudinal-waves ultrasonic transducers）と、プローブホルダと呼ばれるそれぞれのハウジングとを有する、一般に回転プローブとして知られている特殊な装置によって生成される超音波を用いて、ホイールセットを検査することで行われる。通常、超音波は、圧電性、及び／又は、電歪性、及び／又は、磁歪性の結晶体によって生成される。

トランスデューサーは、ハウジング内で長手方向軸の周囲に配置されており、集束型又は発散型（converging or diverging）である。つまり、それぞれのトランスデューサーによって放出される、縦波の態様の超音波ビームは、車軸の鋼内を、長手方向軸に対して対応する角度で伝播する。

装置は、車軸の一端部すなわち「ヘッド」に、磁石を用いて一時的に付けられており、車軸は、それぞれの使用条件にあり、つまり塗料が塗られており、すべての部品（車輪、ブレーキディスク、減速歯車）が組み付けられており、鉄道客車の下方に装着されるボギー（bogie）と一体的である。特に、装置は、車軸の回転軸が装置自体の長手方向軸と平行になるよう、車軸ヘッドに取り付けられる。この構成において、トランスデューサーによって放出された超音波ビームは、車軸鋼を伝播する。トランスデューサーが集束型である場合、軸が車軸の回転軸と交差する超音波ビームが生成される。逆に、トランスデューサーが発散型である場合、軸が車軸の回転軸と交差しない超音波ビームが生成される。

超音波ビームの伝播角度はそれぞれのトランスデューサーと関係する。例えば、回転プローブが三つのトランスデューサーを有する場合、それぞれの三つの超音波ビームは、三つの異なる対応する角度に応じて車軸内を伝播する。

超音波用のカップリング剤、例えば油が、超音波ビームの伝導を最大限にするために、トランスデューサーと車軸端部の外面との間に配置される。

技術者は、一回に一のトランスデューサーを作動させ、各回において作動するトランスデューサーが完全に一回転するようプローブを回転させ（すなわち、ハウジングとその内部のトランスデューサーとを回転させ）、これにより、その超音波ビームを用いて車軸の対応する環状部分をカバーする。それぞれの超音波ビームで遮られる（インターセプトされる）部分の形状は、ビーム自体の幅、及び車軸の鋼へのビームの浸透深さによって決まる。

それぞれのトランスデューサーにおける超音波ビームの伝播に応じて車軸によって生成される反響波が、プローブの複数の角度位置において、収集され分析される。

その理由を以下に説明する。超音波ビームの進入（trespassing）が、異なる音響透過性を有する二つの材料（具体例では、鉄道車軸の鋼と表面に現れている不連続部にある空気）を通じて対比される。特に、不連続部がある場合、例えばき裂、切り欠き又は破断等の車軸の欠陥がある場合、超音波は、反射され、屈折され、拡散される。

したがって、トランスデューサーの超音波ビームによって生成される反響波を分析することによって、そのトランスデューサーで遮られる（インターセプトされる）部分に車軸内の欠陥を検出することができる。すべてのトランスデューサーについて、及び、車軸の両端部についての解析を繰り返すことにより、車軸をほぼその全長に沿って検査することができる。

実際には、回転プローブは、反響波の検出及び対応するグラフの視覚化を可能にする読み取り装置と組み合わされる。グラフにおいては、車軸の欠陥はピークに対応する。反響波の解析により、欠陥の位置及び大きさの識別が可能になり、これにより潜在的に危険な欠陥を判別できる。

上述した手順には、一セットの並べられたプローブによって形成される「フェイズドアレー（phased array）」と呼ばれる複数の超音波プローブの適用を含めることもでき、これにより、適切に供給される場合には、瞬時に二次元解析を提供できる。

例えば、２０１２年４月１６日〜２０日に南アフリカのダーバンで行われた「18th World Conference on Nondestructive Testing」における、Rene SICARD、Gerard LANDRY及びHussam SERHANによる記事「列車の車軸検査用のフェイズドアレー・スキャナヘッド（Phased Array Scanner Head for Train Axle Inspection）」は、「フェイズドアレー」タイプの回転プローブによる超音波検証技術を説明し、その画像を示している。

検査の際の欠点は、ホイールセットの車軸の幾何構造に関連する。

車軸端部には、車軸の回転軸と平行であり、ホイールベアリングの固定ピンを受けることを意図した、ネジが形成された非貫通孔が形成される。孔は不連続部の挙動をし、このため、回転プローブを用いた検査に悪影響を及ぼす。

実際、車軸ヘッドにおけるネジ孔は、回転させられるプローブのトランスデューサーがたどる経路に直接沿っている。車軸の鋼内への超音波ビームの伝播が悪影響を受けることは不可避である。

したがって、超音波ビームがネジ孔で遮られ（インターセプトされ）、そのために反射、屈折及び拡散を受け、偽陽性として読み取られる（関連しないものが読み取られる）ことを防止するために、車軸検査を実行する技術者は、長手方向軸及びそれぞれの集束／発散角に対してトランスデューサーの径方向の位置を調整しなければならない。これにより、時間を浪費することになり、しかも検査を担当する技術者はある程度の経験が必要となる。

したがって、本発明は、可能な限り超音波プローブを用いた検査を行い易くし検査品質を最大化にするよう設計された車軸を提供することを目的とする。

また、本発明は、偽陽性をなくす又はその数を最小化する、超音波プローブを用いた鉄道用ホイールセットの車軸の検査の方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の第一面は、請求項１に係る鉄道用ホイールセットの車軸に関連する。

特に、車軸は、二つの端部間を長手方向軸に沿って延び、それぞれの端部は、ホイールセットを形成するように、少なくとも一つの鉄道用車輪とそれぞれのベアリングを支持するよう構成されている。

従来の解決法とは異なり、車軸と同軸状であり、車軸自体の有効な検査を行い易くするよう超音波プローブを収容するような大きさに形成された非貫通穴（blind hole、主穴と呼ぶ）が、それぞれの端部に配置される。

なお、主穴は、回転等のいくつかの動作の際に車軸をセンタリングするために、及び／又は、従来のプローブを車軸の軸と並んで配置することを可能にするために、車軸の端部に配置されることがある、さら穴（countersinks）と、誤解されることがないよう注意しておく。これらのさら穴がまた超音波のチェックに用いられる場合は、従来のプローブの位置決めピンだけを受けるように形成され、トランスデューサーは常に車軸の外部に配置されている。主穴は、孔の内部からの検査のためにトランスデューサーを備えるプローブの少なくとも全体部分を収容するよう構成されているので、主穴の機能及び構成は、さら穴とは全く異なる。

提案する解決法によって提供される主な利点は、車軸端部に通常存在する幾何学的な不連続部から生じる干渉を受けずに超音波が伝播できるよう、プローブを車軸端部にある長さ挿入可能なことにある。言い換えれば、提案する解決法により、偽陽性が劇的に低減される。

好ましくは、技術者がプローブを挿入できるよう、主穴は外側からアクセス可能であり、より好ましくは、内部で超音波を回転できるよう円形状である。なお、上述の小さいさら穴は、超音波プローブを挿入できないことに注意されたい。

好ましくは、追加の長手方向孔（副穴と呼ぶ）が車軸端部に設けられ、それぞれの車輪のベアリングの固定ネジと係合する。車軸には、しばしば三つの副穴が設けられる。この場合、副穴は対応する主穴の近くに形成される、つまり、副穴は車軸とは同軸状ではないが、車軸の軸と平行な軸を有する。副穴の直径は、主穴の直径より大幅に小さい。

好ましい実施形態において、主穴は、車軸内へと副穴より深く延びる。この特徴により、プローブによって生成された超音波は、副穴の存在に影響されず、実際に超音波が副穴を回避するので、副穴が反響波に偽陽性を生じさせない。

それぞれの端部の外面の少なくとも一部分（ジャーナルと呼ぶ）は、車輪のベアリングを取り付け可能に調整されている。好ましくは、主穴は、ジャーナルの長手方向の範囲の５０％〜１２０％の長さの深さだけ、車軸内へと延びる。これにより、プローブによって生成された超音波は、ベアリングの存在によって影響されない、又は、その影響が部分的に限定される。

そのために、本発明の第二面は、請求項７に係る鉄道用ホイールセットの車軸の検査の方法に関連する。

特に、本方法は、
ａ）上述した本発明に係るホイールセットと、一以上のトランスデューサーを有する超音波プローブと、を準備する工程と、
ｂ）車軸の二つの端部の主穴に超音波プローブを交互に挿入する工程と、
ｃ）一回に一のトランスデューサーを作動させるとともに、プローブが完全に一回転以上回転するよう主穴内でプローブを回転させる工程と、
ｄ）車軸内に伝播する反響波を検出し、可能性のある欠陥又は不連続部を特定するよう反響波を分析する工程と、
を含む。

反響波解析の技術は既知のため、ここには詳述しない。

それよりも、開示の方法により、車軸の有効な検査が可能になり、その結果、ブッシング又はベアリングの固定孔によって通常生じる偽陽性を回避することができることを記載しておく。

好ましくは、超音波プローブと主穴の底部との間に、カップリング剤、例えば油を加える工程も含まれる。

好ましくは、順に選択されるトランスデューサーが車軸内で対応する貫通円錐体をカバーするよう、毎秒３０°以下の速度でプローブが回転させられる。

好ましくは、プローブに、一以上の外側シーリングガスケット、例えばＯリングが設けられる。ガスケットは、主穴の側壁に密着する機能を有し、その結果、カップリング剤が封止される。カップリング室、基本的には容量（volume）が、主穴の底部及び側壁によって、そして超音波プローブ及びそれぞれのガスケットによって、規定される。カップリング剤はカップリング室を通って循環し、ガスケットはカップリング剤の流出を防止する。

本発明の第三面は、上述した車軸の超音波検査のための、請求項１０に係る回転プローブに関連する。

超音波プローブは、集束型又は発散型（上で説明した意味がこれらの語に当てはまる）とすることができる、又は、角度が調整可能である、一以上の超音波トランスデューサーを収容するよう構成されたボディを備える。プローブボディを車軸の主穴に挿入でき、カップリング剤が封止されるよう、一以上の外側シーリングガスケットがボディに配置される。この構成により、プローブボディは、車軸の主穴の一つに挿入されるピストンとして機能し、ガスケットが主穴の内壁上で摺動する。

好ましくは、トランスデューサーは、車軸の主穴の底部に向くよう構成されるプローブボディの前面に配置される。プローブは、前面に、カップリング剤の付加（adduction）手段を備える。例えば、プローブが主穴に挿入される時に、トランスデューサーと車軸と間、いわゆるカップリング室において、カップリング剤が循環可能となるよう、これらの付加手段は、循環ポンプと、また外部に、好ましくは前面で開口している供給ダクトと、前面からカップリング剤を排出するドレインと、を有する。

本発明の更なる特性及び利点は、添付の図面を参照しながら、単なる例示のためであって限定するものではない、好ましいが排他的ではない実施形態の以下の記載を確認することによってより明らかになるであろう。

従来タイプの回転超音波プローブの斜視図である。 図１に示すプローブによって従来の方法で検査されるホイールセットの斜視図である。 本発明に係る鉄道用ホイールセットの車軸の斜視図である。 使用時における、本発明に係る車軸及びプローブの斜視図である。 検査中の、本発明に係る車軸及びプローブの概略断面図である。 図５に示した車軸の側面の概略図である。 図５に示した車軸の検査において検出された反響波の図である。

図１は、把持ハンドル３及び回転ノブ４を有するボディ２を備える、従来タイプの回転超音波プローブ１を示す。回転ノブ４は、車軸検査の際にプローブ１を回転させるために技術者によって手動で操作可能である。超音波トランスデューサー７は、プローブ１のヘッド部分に、前面５において装着される。図示の例において、四つのトランスデューサー７を示しているが、一般的に異なる数のトランスデューサーとすることができる。

位置決めピン６が、従来の車軸の端部の正面に形成された対応するさら穴に挿入されるよう、プローブの前面５から突出している。ピン６により、検査すべき車軸の長手方向軸上にプローブ１を技術者が容易に位置決めすることができる。

先に説明した通り、トランスデューサー７は、集中型又は発散型とでき、又は、トランスデューサーを、必要に応じて技術者がその角度を調整できるように、プローブ１のボディ２に装着することもできる。

図２は、車輪９及び車軸１０を有する従来の鉄道用ホイールセット８の一部を示す。技術者が、プローブ１を車軸１０の端部１１に向かって当接するよう移動させると、プローブは車軸１０に機能的に連結される。作動しているトランスデューサー７によって生成される超音波ビームを回転させるように、プローブ１を少なくとも３６０°回転させために、技術者はノブ４を回す。

検出・解析デバイス１２を用いて、技術者は、車軸自体の材料内で伝播する超音波によって、車軸１０内で生成された反響波を分析する。ピークは、検出された不連続部に対応する。また、その経験を利用して、技術者は、車軸１０の実際に欠陥の可能性があるものから偽陽性を区別しなければならない。

図３は、端部１０１，１０２にそれぞれ形成された二つの非貫通穴（blind hole）１０３を有する点で従来技術と異なる、本発明に係る車軸１００を示している。車輪のベアリング１０５を取り付け可能にするために、端部１０１，１０２の外面は少なくとも部分的に調整（rectified）されている。調整された面をジャーナル１０７と呼ぶ。

図４を用いて、非貫通穴（以下、主穴と呼ぶ）１０３から得られる利点を説明する。

それぞれの端部１０１，１０２において、主穴１０３は車軸１００と同軸状であり、車輪（図示せず）のベアリング１０５のブッシングを固定するための副穴１０４に対して径方向に内側に位置する。

本発明に係る超音波プローブ２００は、車軸検査用の主穴１０３に挿入可能である。図４に示す通り、プローブ２００は、従来技術のように単に端部１０１，１０２に当接するのではなく、車軸１００内に主穴１０３の底部まで挿入され、技術者によって主穴内で回転させられる。

この解決法では、プローブ２００によって生成された超音波が副穴１０４にもベアリング１０５にも交差しない（ベアリングに交差するとしても一部だけである）という利点がある。

本願出願人は、試験を行い、従来の車軸と比較して、提案する解決法は偽陽性の数が非常に少なく、このことは、反響波の読み取りにおいてピークが少ないことを意味する。

好ましくは、図に示す通り、技術者がプローブを挿入した時、カップリング室３００がプローブ２００と主穴１０３の底部及び側壁との間に形成される。特に、カップリング室３００は、穴１０３の底部及び側壁によって、プローブ２００の前面２０１（前面上には、簡単化のため図示しないトランスデューサーが配置される）によって、そして少なくとも一つのシーリングガスケット２０２（例えばＯリング）によって、規定される。シーリングガスケット２０２は、プローブ２００を取り囲んでおり、プローブ２００を穴１０３に対するピストンとして機能させる。

外部の循環ポンプ（図示せず）に接続される供給ダクト２０３及びドレイン２０４を用いて、矢印で示すように、カップリング剤がカップリング室３００の内側を通って循環する。

符号１０６は、カップリング剤がプローブ２００へと流出するのを防止するホイールカバーを示す。

ベアリング１０５はジャーナル１０７に取り付けられる。好ましくは、主穴１０３の深さは、ジャーナル１０７の長手方向範囲の少なくとも５０％である。

検査の際の車軸１００の部分断面図を示す図５を参照すると、技術者は、一回に、プローブ２００に装着されたトランスデューサー（簡単化のため図示せず）のうちの一つのトランスデューサー７を作動させる。それぞれのトランスデューサーは、車軸１００の長手方向軸Ｘと対応する角度をなすよう装着される。図に示す例では、トランスデューサー７は長手方向軸Ｘに対して３０°の角度で傾斜している。

トランスデューサー７は、主穴１０３の底部から車軸１００内へと伝播する超音波ビームＵＴを生成する。車軸１００の対応する環状部分を検査するために、プローブ２００を回転させることによって、超音波ビームＵＴもまた移動する。「ゲート１」及び「ゲート２」として示す領域は、図７に示すグラフ上の二つの異なる領域に対応する。

図６は、断面ではなく側面図で見た、図５と同じ車軸１００を示している。黒い長方形で概略的に示す切り欠きＢが、車軸において端部１０１の端から２３０ｍｍの距離に形成されている。

図７は、超音波ビームＵＴの反響波の読み取りに対応する図を示している。距離をｘ軸に、基準量に対する反射超音波エネルギーの割合をｙ軸に示す。切り欠きＢにおいて、ピークがあり、ピークは切り欠きがゼロからちょうど１３０ｍｍであることを技術者に示している。車軸１００の副穴１０４及びジャーナルベアリングは、読み取りに影響していない。

Claims (11)

1. 二つの端部（１０１，１０２）間で長手方向軸（Ｘ）に沿って延び、ホイールセットを形成するため両端部が鉄道用の車輪とそれぞれのベアリング（１０５）とを支持するよう構成されている、鉄道用ホイールセットの車軸（１００）であって、
   前記車軸（１００）と同軸状であり、超音波プローブ（２００）を収容するような大きさに形成され、前記車軸（１００）自体の検査を促進する主穴（１０３）としての非貫通穴が、両端部（１０１，１０２）に配置されていることを特徴とする、
   車軸。
2. 前記主穴（１０３）は、外部からアクセス可能であり、内部に挿入される前記超音波プローブ（２００）を回転可能とする円形状である、
   請求項１に記載の車軸（１００）。
3. 副穴（１０４）としての追加の長手方向穴が両端部（１０１，１０２）に設けられ、前記副穴は、それぞれの前記車輪の前記ベアリング（１０５）の固定ネジ又はブッシングと係合し、前記副穴（１０４）は、それぞれの前記主穴（１０３）の周囲に形成され、前記車軸とは同軸状ではない、
   請求項１又は２に記載の車軸（１００）。
4. 前記副穴（１０４）の直径は、前記主穴（１０３）の直径に対して極めて小さい、
   請求項３に記載の車軸（１００）。
5. 前記プローブ（２００）によって生成される超音波が前記副穴（１０４）の存在によって影響されないよう、前記主穴（１０３）は、前記副穴（１０４）より前記車軸（１００）内へと深く延びる、
   請求項３又は４に記載の車軸。
6. 両端部の外面の少なくとも一部分が、ジャーナル（１０７）として、車輪の前記ベアリング（１０５）を取り付け可能に調整されており、前記プローブ（２００）によって生成された超音波が、前記ベアリング（１０５）の存在によって影響されないよう、又は、その影響が部分的になるよう、前記主穴（１０３）は、前記ジャーナル（１０７）の長手方向の範囲の５０％〜１２０％の長さの深さだけ車軸（１００）内へと延びる、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の車軸（１００）。
7. 鉄道用ホイールセットの超音波検査の方法であって、
   ａ）請求項１から６のいずれか１項に記載の車軸（１００）を有するホイールセットと、一以上のトランスデューサー（７）を有する超音波プローブ（２００）と、を準備する工程と、
   ｂ）前記車軸の前記二つの端部（１０１，１０２）の前記主穴（１０３）に、前記超音波プローブ（２００）を交互に挿入する工程と、
   ｃ）一回に一のトランスデューサー（７）を作動させるとともに、前記プローブが完全に一回転以上回転するよう前記主穴内で前記プローブを回転させる工程と、
   ｄ）前記車軸（１００）内に伝播する反響波を検出し、可能性がある欠陥又は不連続部（Ｂ）を特定するよう前記反響波を分析する工程と、
   を備える方法。
8. ｅ）前記超音波プローブ（２００）と前記主穴（１０３）の底部との間に、カップリング剤、好ましくは油を加える工程、
   及び
   ｆ）毎秒３０°以下の速度で前記プローブを回転させる工程、
   のうち一以上の工程を更に含む、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記工程ｅ）において、
   前記超音波プローブ（２００）に、一以上の外側シーリングガスケット（２０２）、例えばＯリングが設けられ、
   前記主穴（１０３）の前記底部、前記主穴（１０３）の側壁、前記超音波プローブ（２００）及びそれぞれの前記ガスケット（２０２）によって、規定されるカップリング室（３００）が形成され、前記カップリング剤は前記カップリング室（３００）を通って循環する、
   請求項８に記載の方法。
10. 請求項１から６のいずれか１項に記載の車軸を検査するための超音波プローブ（２００）であって、一以上の、集中型又は発散型の超音波トランスデューサー（７）を収容するよう配置される、又は、角度を調整可能であるボディと、一以上の外側シーリングガスケット（２０２）と、備える超音波プローブであって、
    カップリング剤、例えば油を封止するよう、前記プローブ（２００）が前記車軸（１００）の前記主穴（１０３）へと挿入可能である、
    超音波プローブ。
11. 前記トランスデューサー（７）は、前記車軸（１００）の前記主穴（１０３）の底部に面するよう構成される前記プローブ（２００）の前記ボディの前面（２０１）に配置されており、
    前記プローブは、前記前面（２０１）へのカップリング剤の付加手段を有し、
    前記プローブ（２００）が前記主穴（１０３）に挿入された時、前記カップリング剤が前記トランスデューサー（７）と前記車軸（１００）との間を通って循環可能となるよう、前記付加手段は、ポンプと、前記前面で開口している供給ダクト（２０３）と、前記前面から前記カップリング剤を排出するドレイン（２０４）と、を有する、
    請求項１０に記載の超音波プローブ。

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