JP2018165189A - レールの異常検知方法、装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】走行体が走行するレールの異常をリアルタイムで検知するとともに、その際に、総重量の変動の影響を受けにくくして、また、簡易な構成で異常を検知できるようにする。【解決手段】レールの異常検知装置１００において、入力部１０１は、天井クレーン３に設置された歪みゲージ２００によって検出される応力を入力する。検知部１０２は、歪みゲージ２００によって検出され、入力部１０１を介して取得される応力の時系列変化に基づいて、レール２の異常を検知する。この場合に、歪みゲージ２００によって検出される応力のサンプリング間隔１０ｍｓ以下、より好ましくは５ｍｓ以下として応力のピークを探索する。【選択図】図３

Description

本発明は、走行体が走行するレールの異常を検知するのに利用して好適なレールの異常検知方法、装置及びプログラムに関する。

例えば製鉄所においては、鉄の製造、出荷、設備のメンテナンス等を行うため、天井クレーンが使用される。天井クレーンは、建屋の天井付近に設けられたクレーンランウェイガーダ（ＣＲＧ）に敷設されたレール上を走行し、荷物を吊り下げて搬送する。
ここで、レールには、経年劣化や疲労等により異常が発生することがある。レールは所定の長さを有するレール材が延伸方向に順に継ぎ合わされて構成されており、例えば継ぎ目に段差、隙間、幅方向のずれ等が発生することがある。
レールの定期的な検査は行われているが、それでは迅速に対応することができない。レールの異常をリアルタイムで検知できるようにすれば、レールの異常を早期に検知し、それに迅速に対応することによって例えば天井クレーンにかかる衝撃が低減でき、天井クレーンの寿命を延ばすことができる。

特許文献１には、スタッカクレーンの動作中の振動をスタッカクレーンに取り付けた加速度計により常時測定し、その測定した振動加速度に基づいて、走行レールの段差発生等の異常を検知する構成が開示されている。

また、特許文献２には、レールを挟む１対の水平ローラを、それぞれ水平リニアゲージ等を介し台車に連結して、両水平ローラと台車との幅方向相対変位量を計測し、かつレーザ距離計により台車とレールとの幅方向相対変位量を計測することで、レールの摩耗やメタルフローを測定する構成が開示されている。

特開２００８−２６５８８４号公報 特開平１０−３０７０１５号公報

しかしながら、特許文献１のようにレールを走行する走行体の振動加速度を測定する方式では、レールの異常が同じでも、走行体及び荷物の総重量によって振動加速度が変化してしまう。特許文献１のスタッカクレーンのように小型の走行体であれば総重量の変動幅は小さいが、製鉄所等における天井クレーンでは、吊り下げて搬送する荷物が多様であり、総重量の変動幅の範囲も広い。また、製鉄所等における天井クレーンは、テレコン等により遠隔操縦されるような小型のものではなく、天井クレーンに設置された運転席にいる運転者によって操作されるものであり、走行速度が速く、搬送する荷物も大きい。そのため、天井クレーンの場合、振動加速度を測定する方式では、レールの異常検知の精度が劣ってしまうおそれがある。

また、特許文献２では、接触式の測定方法のため、常設の場合は定期的な校正が必要となる。そのため、製鉄所等のように多数の天井クレーンを保有している場合、すべての天井クレーンに適用するのは困難である。また、着脱を行う場合は頻繁に測定できないため、迅速な異常検知及び保全アクションを行うことが難しくなる。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、走行体が走行するレールの異常をリアルタイムで検知するとともに、その際に、総重量の変動の影響を受けにくくして、また、簡易な構成で異常を検知できるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］ 走行体が走行するレールの異常を検知するレールの異常検知方法であって、
前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とするレールの異常検知方法。
［２］ 前記応力検出手段によって検出される応力のサンプリング間隔を１０ｍｓ以下として応力のピークを探索することにより、前記レールの異常を検知することを特徴とする［１］に記載のレールの異常検知方法。
［３］ 前記レールの異常を検知したときの、前記走行体の位置及び走行速度のうち少なくともいずれか一方を検知することを特徴とする［１］又は［２］に記載のレールの異常検知方法。
［４］ 前記応力検出手段によって検出される応力のピーク値に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか一つに記載のレールの異常検知方法。
［５］ 前記応力検出手段によって検出される応力のピークの時間間隔に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか一つに記載のレールの異常検知方法。
［６］ 前記走行体は天井クレーンであり、
前記天井クレーンは、ガーダ及びサドルを含んで構成され、前記サドルに走行車輪が取り付けられることを特徴とする［１］乃至［５］のいずれか一つに記載のレールの異常検知方法。
［７］ 前記応力検出手段は、前記ガーダと前記サドルとの接続部に設置された歪みゲージであることを特徴とする［６］に記載のレールの異常検知方法。
［８］ 前記応力検出手段は、前記サドルと前記走行車輪との接続部材に設置された歪みゲージであることを特徴とする［６］に記載のレールの異常検知方法。
［９］ 前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知する検知手段を備えたことを特徴とするレールの異常検知装置。
［１０］ 走行体が走行するレールの異常を検知するためのプログラムであって、
前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知する処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。

本発明によれば、走行体が走行するレールの異常をリアルタイムで検知するとともに、その際に、総重量の変動の影響を受けにくくして、また、簡易な構成で異常を検知することができる。

実施形態に係る天井クレーンの概略構成を説明するための図である。 実施形態に係る天井クレーンの概略構成を説明するための図である。 実施形態に係るレールの異常検知装置の機能構成を示す図である。 天井クレーンにおけるサドルと走行車輪との接続部材の例を示す図である。 天井クレーンに生じる応力の時系列変化の例を示す特性図である。 天井クレーンに生じる応力の時系列変化の例を示す特性図である。 サンプリング間隔を異ならせた場合の応力の時系列変化の例を示す特性図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
まず、図１、図２を参照して、天井クレーンの概略構成を説明する。
図１に示すように、建屋の天井付近に、一対のＣＲＧ１が平行に設けられる。ＣＲＧ１はレール（軌条）２が敷設される基台の役割を果たし、ＣＲＧ１の上面にレール２が敷設される。これにより、一対のレール２が平行に設けられる。レール２は、所定の長さを有するレール材が延伸方向に順に継ぎ合わされて構成される。

レール２を走行する走行体である天井クレーン３は、一対のガーダ６と、一対のガーダ６の両端に接続される一対のサドル４とを備える構造物として構成される。サドル４には、レール２で支えられて案内される走行車輪５が取り付けられる。ガーダ６の上面にはレール７が敷設され、吊り上げ装置８を備えたクラブトロリ９が、天井クレーン３の走行方向と直角な方向に移動できるようになっている。

次に、本発明を適用した実施形態に係るレールの異常検知手法を説明する。
図３に、実施形態に係るレールの異常検知装置１００の機能構成を示す。レールの異常検知装置１００は、天井クレーン３が走行するレール２の異常を検知する。レール２の異常とは、レール２に凹凸や曲がり等が発生していることをいい、主として、レール２の継ぎ目に段差、隙間、幅方向のずれ等（以下、「段差等」ともいう）が許容範囲を超えて発生していることを想定する。

１０１は入力部であり、天井クレーン３に設置された歪みゲージ２００によって検出される応力を入力する。
また、入力部１０１は、レーザ距離計２０２によって検出される天井クレーン３の位置、ＰＬＧ（Pulse Logic Generator）２０３によって検出される天井クレーン３の走行速度を入力する。なお、天井クレーン３の位置もＰＬＧ２０３によって検出される構成としてもよく、要は天井クレーン３の位置及び走行速度が入力されればよい。

ここで、応力検出手段である歪みゲージ２００は、薄い絶縁体上に金属の抵抗体（金属箔）が取り付けられた構造をしており、測定対象物の表面に貼り付けて使用され、変形による電気抵抗の変化を測定することにより応力を検出する。
歪みゲージ２００は、図１、図２に示すように、ガーダ６とサドル４との接続部に貼り付けるようにして設置される。なお、歪みゲージ２００は、ガーダ６とサドル４との接続部であれば、天井クレーン３の側面に設置してもよいし、天井クレーン３の上面に設置してもよい。
或いは、歪みゲージ２００は、サドル４と走行車輪５との接続部材に貼り付けるようにして設置される。例えば図４に示すように、接続部材として、サドル４に取り付けられる支持脚１１と、走行車輪５を支持するイコライザビーム１２と、支持脚１１に対してイコライザビーム１２を揺動可能に取り付けるロッカーピン１３とを備える場合、歪みゲージ２００は、支持脚１１のロッカーピン１３の直上位置に配置されるのが好ましい。
なお、図１、図２に示すように、天井クレーン３の左右の接続部にそれぞれ歪みゲージ２００を設置して、右側の歪みゲージ２００に基づいて右側のレール２の異常を検知し、左側の歪みゲージ２００に基づいて左側のレール２の異常を検知するように振り分ければよい。

１０２は検知部であり、歪みゲージ２００によって検出され、入力部１０１を介して取得される応力の時系列変化に基づいて、レール２の異常を検知する。
図５（ｂ）に、レール２が正常な場合（継ぎ目に段差等が発生していない場合）に、天井クレーン３に生じる応力の時系列変化の例を示す。一方、図５（ａ）に継ぎ目に段差が発生している場合に、天井クレーン３に生じる応力の時系列変化の例を示す。図５に示すように、継ぎ目に段差が発生しているレール２では、その段差を通過するときに、天井クレーン３に生じる応力が大きく変化し、過大応力となってピークが現れる。段差が大きくなれば、それだけ天井クレーン３に生じる応力がさらに大きく変化することがわかった。この関係からわかるように、天井クレーン３に生じる応力の時系列変化に基づいて、レール２の異常を検知することが可能である。

また、図６に、荷積み、荷移動、荷下ろし、吊り具のみ（荷物なし）の各工程において天井クレーン３に生じる応力の時系列変化の例を示す。天井クレーン３に生じる応力の大きさは、天井レール３及び荷物の総重量によって変化し、総重量が大きいほど応力も大きくなる。その一方で、天井クレーン３が荷物を吊り下げている場合と、荷物を吊り下げていない場合とを比較するとわかるように、天井レール３及び荷物の総重量の変動によらず、同じ段差等を通過するときに、天井クレーン３に生じるピークの振幅等は同程度に現れる。このように、応力の時系列変化に基づいてレール２の異常を検知することにより、総重量の変動の影響を受けにくくして異常を検知することができる。

歪みゲージ２００によって検出される応力のサンプリング間隔は、応力のピークを探索するために、１０ｍｓ以下、より好ましくは５ｍｓ以下とする。図７に、サンプリング間隔を異ならせた場合の応力の時系列変化の例を示す。図７（ｃ）に示すように、サンプリング間隔が２０ｍｓである場合、応力の時系列変化の特性線がなまって、レール２の異常に起因するピークが捉えにくくなっている。サンプリング間隔を小さくするほどピークが明確に現れ、サンプリング間隔が１０ｍｓ以下であれば、レール２の異常に起因するピークを捉えられることがわかった。例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すように、サンプリング間隔が１０ｍｓ以下である場合、ピークが明確に現れ、レール２の異常に起因するピークを捉えることができる。
本実施形態では、歪みゲージ２００によって検出される応力のサンプリング間隔を０．１ｍｓとして応力のピークを探索する。

検知部１０２では、上述した観点から、応力の時系列変化に基づいて、レール２の異常を検知する。
具体的には、歪みゲージ２００によって検出される応力のピーク値に基づいて、レール２の異常を検知する。例えば図６に示すように、「サンプリング間隔×ｎ（ｎは予め定められた定数）」の範囲で応力の最大値σ_maxと最小値σ_minとの差を求めることを、範囲を順にずらしながら繰り返し実行していく。そして、応力の差（σ_max−σ_min）が所定の閾値σ_thを超えた場合に、レール２に異常があると判定、検知する。閾値σ_thは、例えば天井クレーン３のうち歪みゲージ２００を設置する部位の疲労限に応じて定められる（例えばσ_th＝疲労限×ｍ（０＜ｍ＜１））。また、閾値σ_thを多段階に設定しておき、異常の度合いまで判定するようにしてもよい。

１０３は記憶部であり、古いものから消去しながら一定時間分の応力、天井クレーン３の位置及び走行速度の時系列変化のデータを記憶することができる。そして、検知部１０２によってレール２の異常を検知したとき、例えばその前後の所定の時間（１０秒程度）での応力、天井クレーン３の位置及び走行速度の時系列変化のデータを保存する。

１０４は通知部であり、検知部１０２によってレール２の異常を検知したとき、例えばアラームや表示（ランプ点灯等）によって通知する。閾値σ_thを多段階に設定する場合、どの閾値σ_thを超えたかに応じて通知の内容を変更するようにしてもよい。

１０５は出力部であり、記憶部１０３に保存した、レール２の異常を検知したときの応力、天井クレーン３の位置及び走行速度の時系列変化のデータを出力する。ここでいう出力とは、例えばディスプレイに表示したり、ネットワークを介して外部機器に送出したりすることをいう。

このようにした異常検知装置１００は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータ装置により構成され、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、上述したレール２の異常検知機能が実現される。

以上述べたように、天井クレーン３に設置された歪みゲージ２００によって検出される応力の時系列変化に基づいて、天井クレーン３が走行するレール２の異常をリアルタイムで検知することができる。これにより、レール２の異常を早期に検知し、それに迅速に対応することによって例えば天井クレーン３にかかる衝撃を低減させ、天井クレーン３の寿命を延ばすことができる。
また、応力の時系列変化に基づいてレール２の異常を検知することにより、上述したように、総重量の変動の影響を受けにくくして異常を検知することができる。
また、天井クレーン３の適所に歪みゲージ２００を貼り付けるようにして設置すればよく、比較的簡易な構成で異常を検知することができる。

また、レール２の異常を検知したときの、天井クレーン３の位置を検知するようにしたので、レール２の異常個所を正確に把握することができ、適切な保全アクションを採ることができる。
また、レール２の異常を検知したときの、天井クレーン３の走行速度を検知するようにしたので、例えば異常を検知したときの走行速度をクレーン運転者に伝えることで、異常個所を通過するときに減速による応力緩和対策を採ることができる。

なお、走行体に生じる応力は、その走行速度にも依存し、走行速度が高いほど大きな応力が生じる傾向がある。換言すれば、レールの異常が同じ場合、すなわち同じ段差等を通過する場合に、走行体の走行速度によって検出される応力も異なってくる。特に走行体の走行速度の可変域が大きい場合は、走行速度に応じて、異常判定のための応力の閾値σ_thを可変にしたり、走行速度が所定の速度以上であるときだけレールの異常を検知したりするようにしてもよい。なお、製鉄所等における天井クレーン３では、走行速度の可変域は小さく、予め定められた略一定の走行速度で運行されることが多いので、走行速度の変動に対応しなくてもよい場合が多い。

また、検知部１０２において、歪みゲージ２００によって検出される応力のピークの時間間隔に基づいて、レール２の異常を検知するようにしてもよい。
走行体の片側には複数の走行車輪が存在する（すなわち、一のレールを走行する複数の走行車輪が存在する）ので、レールの１箇所の異常箇所を通過するとき、走行車輪の数と同じ回数の応力のピークが検出される。図５（ａ）の例は、片側に２輪の走行車輪がある場合の応力の時系列変化の例であり、１回目の応力のピークは前側の走行車輪が継ぎ目の段差を通過するときに発生し、２回目の応力のピークは後側の走行車輪が継ぎ目の段差を通過するときに発生したものである。このような場合、レールの１箇所の異常を複数個所の異常と判定するおそれがある。
そこで、走行体の速度と既知の値である一のレールを走行する複数の走行車輪の間隔とから計算される応力のピークの時間間隔と、実際に検出された応力のピークの時間間隔とを比較して、それが同等になるようであれば、複数の応力のピークを同一箇所の異常と判定するようにしてもよい。
また、このような応力のピークの時間間隔の比較に加えて、或いはそれとは別に、走行車輪の数と同じ回数又は走行車輪の数の整数倍となる回数の応力のピークが検出されたか否かを判定するようにしてもよい。走行車輪の数と同じ回数又は走行車輪の数の整数倍となる回数の応力のピークが検出されれば、レールの１箇所又は複数個所に異常が発生している蓋然性が高いといえる。逆にいえば、応力のピークが検出されたが、走行車輪の数と同じ回数又は走行車輪の数の整数倍となる回数の応力のピークでなければ、レールの異常に起因するものではない蓋然性が高いといえる。

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
上記実施形態では、吊り荷が軽い等、応力の絶対値が小さい場合でも、衝撃がかかる箇所を見逃すことがないよう、応力の最大値σ_maxと最小値σ_minとの差を求めて閾値σ_thと比較するようにしたが、より簡易的に、応力のピーク値の絶対値が所定の閾値σ_th´を超えたとき、レール２に異常があると判定、検知するような形態としてもよい。

また、走行体における応力検出手段の設置位置は、上記実施形態で述べた位置に限定されるものではなく、走行体の構造等に応じて適所に設置されればよい。例えばレールの異常個所を通過するときに走行体のどの位置で応力の変化が現れやすいかを予め把握して、その位置に応力検出手段を設置するようにすればよい。

本発明は、本発明のレールの異常検知機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。

１：クレーンランウェイガーダ
２：レール
３：天井クレーン
４：サドル
５：走行車輪
６：ガーダ
１００：レールの異常検知装置
１０１：入力部
１０２：検知部
１０３：記憶部
１０４：通知部
１０５：出力部
２００：歪みゲージ

Claims (10)

1. 走行体が走行するレールの異常を検知するレールの異常検知方法であって、
   前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とするレールの異常検知方法。
2. 前記応力検出手段によって検出される応力のサンプリング間隔を１０ｍｓ以下として応力のピークを探索することにより、前記レールの異常を検知することを特徴とする請求項１に記載のレールの異常検知方法。
3. 前記レールの異常を検知したときの、前記走行体の位置及び走行速度のうち少なくともいずれか一方を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のレールの異常検知方法。
4. 前記応力検出手段によって検出される応力のピーク値に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレールの異常検知方法。
5. 前記応力検出手段によって検出される応力のピークの時間間隔に基づいて、前記レールの異常を検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレールの異常検知方法。
6. 前記走行体は天井クレーンであり、
   前記天井クレーンは、ガーダ及びサドルを含んで構成され、前記サドルに走行車輪が取り付けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレールの異常検知方法。
7. 前記応力検出手段は、前記ガーダと前記サドルとの接続部に設置された歪みゲージであることを特徴とする請求項６に記載のレールの異常検知方法。
8. 前記応力検出手段は、前記サドルと前記走行車輪との接続部材に設置された歪みゲージであることを特徴とする請求項６に記載のレールの異常検知方法。
9. 走行体が走行するレールの異常を検知するレールの異常検知装置であって、
   前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知する検知手段を備えたことを特徴とするレールの異常検知装置。
10. 走行体が走行するレールの異常を検知するためのプログラムであって、
    前記走行体に設置された応力検出手段によって検出される応力の時系列変化に基づいて、前記レールの異常を検知する処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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