JP2019095414A

JP2019095414A - レール内部の探傷装置及び探傷方法

Info

Publication number: JP2019095414A
Application number: JP2017227738A
Authority: JP
Inventors: 正裕辻江; Masahiro Tsujie
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-20

Abstract

【課題】レール頭部の内部に形成される横裂のレール幅方向における発生位置を特定することができるレール探傷装置及びレール探傷方法の提供。【解決手段】超音波をレール内部に送信する送信振動子を有し該レールの一方の側面にあてがわれる送信側探触子と、レール内部からの超音波を受信する受信振動子を有しレールの他方の側面にあてがわれる受信側探触子と、を備えたレール探傷装置及びこれを用いてレールの内部に形成された横裂の位置を特定するレール内部の探傷方法である。受信側探触子は、受信振動子を複数個アレイ状に配置されており、この受信側探触子における複数の受信振動子のうちのいずれが超音波を受信したかを把握することにより、横裂のレール内部における発生位置を特定する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道のレール内部に発生した亀裂を検出するレール内部の探傷装置及び探傷方法に関し、特に、レールに超音波を入射させその反射波を受信することでレール頭部から目視できないレール内部に発生した横裂の位置を特定するレール内部の探傷装置及び探傷方法に関する。

鉄道軌道に適用されるレールの頭頂部には、車輪が繰り返し転がることによる接触疲労を原因とした平らに落ち込んだ形状の黒斑を生じることがある。このとき、黒斑の表面を起点とする亀裂が発生し得る。この亀裂は、当該起点から水平方向に進展する水平裂と、当該水平裂から枝分かれして進展する横裂と、に分類され、いずれもレール頭部からレール内部に向けて形成される。

通常、レール内部に発生した亀裂については、これを目視で確認することが困難であるため、透過法による超音波探傷技術が用いられ得る。すなわち、超音波を送信する送信側の探触子と、この超音波を受信する受信側の探触子と、をレール頭部を挟んでそれぞれ対向する両側位置に接触配置させ、レール内部を透過した超音波の変化に基づいて該レール内部に発生した亀裂の有無を把握するのである。

例えば、特許文献１には、このような超音波探傷技術を用いて、レール内部に形成された横裂の有無を検出する装置及び方法が開示されている。ここでは、送信側探触子と受信側探触子とをレール頭部を挟んで対向する両側位置に配置し、この２つの探触子の間の距離が長手方向に第１距離及び鉛直方向に第２距離を有するように設定され、受信側探触子で受信した超音波の強度を測定し、横裂の有無を検出している。

一方、特許文献２には、レール内部の横裂の深さを測定できる横裂深さ測定装置が開示されている。ここでは、レール頭部の一方の側面に送信用探触子を接触配置させるとともに、他方の側面にはレール頭部の深さ方向に複数の素子をアレイ状に整列させた受信用探触子を接触させ、送信用探触子から深さ方向に複数の超音波信号を送信させる。この超音波信号をアレイ状に整列させた受信用探触子で受信した場合に、この超音波信号を受信できなかった素子の分布に基づいて、レール内部の横裂の深さを測定するとしている。

特開２００１−１８３３４９号公報特開２０００−９６９８号公報

レール頭部の内部に亀裂が生じた場合、当該亀裂の生じた領域を部分的に除去し、この除去した部分に補修溶接等を行って補修を行う必要がある。このとき、レールの黒斑部分には亀裂の起点が目視できる場合があり、当該起点の近傍を除去することとなるが、亀裂が内部に進展する方向や亀裂のモード（水平裂か横裂か）が特定できなければ、部分的な除去作業を行っても、依然として内部に亀裂が残存してしまうこととなる。

しかしながら、上記した特許文献１に開示された装置及び方法は、レール頭部の内部における横裂の有無を判別するものであって、レール頭部の内部における幅方向のどの位置に亀裂が存在しているかまでを特定できるものではない。一方、特許文献２に開示された測定装置では、横裂の深さは特定できるものの、当該深さに達する横裂が幅方向のどの位置に存在するかを特定することはできない。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、レール頭部の内部に形成される横裂のレール幅方向における発生位置を特定することができるレール探傷装置及びレール探傷方法を提供することにある。

本発明によるレール探傷装置は、超音波をレール内部に送信する送信振動子を有し該レールの一方の側面にあてがわれる送信側探触子と、レール内部からの超音波を受信する受信振動子を有し該レールの他方の側面にあてがわれる受信側探触子と、を備え、前記送信側探触子は、前記レールの側面から前記レールの長手方向に対して鋭角となる傾斜角度をなす方向に前記超音波を進行させるように前記送信振動子を配向させて設けられ、前記受信側探触子は、前記受信振動子を複数個アレイ状に配置しつつ、前記受信振動子のうちの１つである透過波受信振動子を前記送信側探触子からの前記超音波を直接受信するよう配向及び位置させ、他の前記受信振動子である反射波受信振動子を前記超音波の反射波を受信するよう配向及び位置させて設けられており、前記受信側探触子における複数の前記受信振動子のうちのいずれが前記超音波を受信したかを把握することにより、前記横裂のレール頭部における発生位置を特定することを特徴とする。

また、本発明によるレール内部における横裂の発生位置を特定するレール内部の探傷方法は、超音波をレール内部に送信する送信振動子を有し該レールの一方の側面にあてがわれる送信側探触子と、レール内部からの超音波を受信する受信振動子を有し該レールの他方の側面にあてがわれる受信側探触子と、を用い、前記送信側探触子は、前記レールの側面から前記レールの長手方向に対して鋭角となる傾斜角度をなす方向に前記超音波を進行させるように前記送信振動子を配向させて設けられるとともに、前記受信側探触子は、前記受信振動子を複数個アレイ状に配置しつつ、前記受信振動子のうちの１つである透過波受信振動子を前記送信側探触子からの前記超音波を直接受信するよう配向及び位置させ、かつ他の前記受信振動子である反射波受信振動子を前記超音波の反射波を受信するよう配向及び位置させて構成されており、前記受信側探触子における複数の前記受信振動子のうちのいずれが前記超音波を受信したかを把握することにより、前記横裂のレール頭部における発生位置を特定することを特徴とすることを特徴とする。

上記した発明において、前記反射波受信振動子は、前記透過波受信振動子よりも、前記レールの前記長手方向に沿って前記送信振動子側にアレイ状に配置されるように構成してもよい。このとき、前記反射波受信振動子は、前記レールの長手方向に対して前記傾斜角度をなす方向に進行する前記超音波を受信するように配向されるのが好ましい。

また、上記した発明において、前記送信側探触子及び前記受信側探触子のセットを前記レールの前記側面にあてがいながら前記レールの長手方向及び上下方向に移動自在であるように構成してもよい。さらに、前記傾斜角度は４５度であるのが好ましい。

かかる発明によれば、受信側探触子として複数個の反射波受信振動子がアレイ状に配置された構造のものを用いるため、該受信側探触子における超音波を受信した反射波受信振動子の位置に基づいて、レール内部の横裂の幅方向における発生位置を特定することが可能となる。

本発明の代表的な一例によるレール探傷装置の概要を示す部分上面図である。本発明の代表的な一例によるレール探傷方法の概要を示す部分上面図である。本発明の代表的な一例によるレール探傷方法の概要を示す部分上面図である。本発明の代表的な一例によるレール探傷方法の概要を示す部分上面図である。本発明の代表的な一例によるレール探傷方法の概要を示す部分上面図である。

以下、本発明によるレール探傷装置及びこれを用いたレール探傷方法の概要について、図１乃至図５を用いて説明する。

図１は、本発明の代表的な一例によるレール探傷装置の概要を示す部分上面図であり、ここに示すように、レール探傷装置１００は、レール１０の一方の側面１１にあてがわれて超音波ＩＷをレール１０の内部に送信する送信振動子１１２を有する送信側探触子１１０と、レール１０の他方の側面１２にあてがわれてレール１０を透過した超音波ＩＷを受ける受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉを有する受信側探触子１２０と、を備える。

送信振動子１１２は、信号配線１１４を介して電源や制御部等を含む測定機本体（図示せず）に接続されており、測定機器の制御部からの信号に基づいて、レール１０の側面１１からレール１０の長手方向Ｌに対して鋭角となる傾斜角度、典型的には、４５度の角度をなす方向に超音波（入射波）ＩＷを送信するように配向して構成される。ここで、送信振動子１１２は、レール１０と接触する面の幅をｄとして形成されている。

一方、受信側探触子１２０は、超音波を受信して電気信号に変換する複数の受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉがレール１０の長手方向に沿う直線上にアレイ状に配置されている。ここで、受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉは、レール１０と接触する面の幅をｄとして形成されている。複数の受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉは、信号配線１２４を介して測定機本体（図示せず）に接続されており、受信した超音波信号に対応する電気信号を測定機本体に送る。図示を省略する測定機本体は、例えば、電源やレール探傷装置１００の全体の動作を制御する制御部や受信した超音波の電気信号を解析する解析部、あるいは受信したデータや解析結果等を表示する表示部等を備える。

受信側探触子１２０にアレイ状に配置された複数の受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉは、レール１０に接触する受信面に所定の方向性を有するものであって、レール１０の長手方向Ｌに対して所定の傾斜角度（例えば送信振動子１１２が送信する超音波の入射角度）をなす方向に進行する超音波を選択的に受信するように配向させて設けられている。ここで、受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉのうち、符号１２２ｉで示した振動子を「透過波受信振動子」と称し、残りの符号１２２ａ乃至１２２ｈで示した振動子を「反射波受信振動子」と称する。

図１に示すように、反射波受信振動子１２２ａ乃至１２２ｈと透過波受信振動子１２２ｉとは、レール１０の長手方向Ｌにおける受信方向が異なるように配列される。そして、複数の反射波受信振動子１２２ａ乃至１２２ｈは、透過波受信振動子１２２ｉよりも、レール１０の長手方向Ｌに沿って送信振動子１１２側に配置されている。

レール探傷装置１００においては、送信側探触子１１０は、受信側探触子１２０にアレイ状に配置された複数の受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉの中央部に位置する反射波受信振動子１２２ｅとレール１０を挟んで対向する位置に配置されている。そして、レール１０の内部に送信された超音波ＩＷは、レール１０の内部に超音波ＩＷの伝達を阻害する要因（例えば亀裂等）がなければ、そのままの入射角を維持しつつ一方の側面１１から他方の側面１２まで伝搬し、常に透過波受信振動子１２２ｉで受信されるような位置関係となる。また、レール探傷装置１００は、図示を省略するが、送信側探触子１１０及び受信側探触子１２０のセットをレール１０の側面１１及び１２にあてがいながら長手方向Ｌに相対移動させる機構、あるいはレール１０上下方向に相対移動させる機構をそれぞれ備えて移動自在にされていてもよい。そして移動毎にレール内部の傷の検出測定を行うのである。

図２乃至図５は、レール頭部の内部に形成された横裂の幅方向位置を特定するために実施される、本発明の代表的な一例によるレール探傷方法の概要を示す部分上面図である。なお、図２乃至図５において、図示した横裂３０はレール１０の内部に存在するものを実線で示したものとする。

図２に示すように、本発明の代表的な一例によるレール探傷方法において、レール１０の内部に発生した横裂３０の幅方向位置を特定するには、レール１０の一方の側面１２におけるその上面に形成された黒斑２０が透過波受信振動子１２２ｉの近傍の位置Ｐ１に位置するように、レール１０と送信側探触子１１０及び受信側探触子１２０とを位置決めする。

この状態で、レール１０の側面１１からレール１０の長手方向Ｌに対して鋭角となる傾斜角度、典型的には、４５度の角度をなす方向に、送信振動子１１２から超音波（入射波）ＩＷを送信する。このとき、入射波ＩＷは横裂３０とは交差せずに真っすぐレール１０内を伝搬し、入射波ＩＷがそのまま側面１２側に接触する透過波受信振動子１２２ｉで受信される。すなわち、黒斑２０が位置Ｐ１にあるときは、入射波ＩＷの伝搬経路上には横裂３０が存在しないと判別できることになる。

次に、図３に示すように、黒斑２０の位置が長手方向Ｌに距離ｄ１だけシフトした位置Ｐ２となるように、レール１０と送信側探触子１１０及び受信側探触子１２０のセットとを相対移動させる。ここで、典型例として、移動する距離ｄ１は送信振動子１１２あるいは受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉの幅ｄと同一（すなわちｄ＝ｄ１）であるとする。この位置関係で送信振動子１１２から超音波を送信すると、入射波ＩＷは、図２の場合と同様に、側面１１に対して４５度の角度で入射して伝搬し、幅方向にＤ１だけ進んだ位置でレール１０の内部の横裂３０に到達する。そして、入射波ＩＷは、横裂３０と交差する反射点ＲＰにおいてレール１０の長手方向に対して４５度の角度をなす方向に反射波ＲＷとして反射される。

反射された反射波ＲＷは、レール１０の内部を幅方向にＤ２だけ伝搬し、他方の側面１２に接触する受信側探触子１２０の反射波受信振動子１２２ｇがこの反射波ＲＷを受信する。すなわち、黒斑２０が位置Ｐ２にあるとき、入射波ＩＷの延長線上に横裂３０が存在しない場合には、入射波ＩＷは仮想波ＶＷの方向に伝搬して透過波受信振動子１２２ｉが超音波を受信するが、反射波受信振動子１２２ｇが超音波を受信したため、入射波ＩＷの延長線上に横裂３０が存在するものと判別できることになる。そして、図３に示すように、反射波ＲＷを受信した反射波受信振動子が受信側探触子１２０の中央部に位置する反射波受信振動子１２２ｅよりも図示上右側に位置する場合、横裂３０上の反射点ＲＰの幅方向位置は、Ｄ１＞Ｄ２となる位置であると推定できる。

次に、図４に示すように、黒斑２０の位置が長手方向Ｌにさらに距離ｄ１だけシフトした位置Ｐ３となるように、レール１０と送信側探触子１１０及び受信側探触子１２０のセットとを相対移動させる。この位置関係で送信振動子１１２から超音波を送信すると、入射波ＩＷは、図２の場合と同様に、側面１１に対して４５度の角度で入射して伝搬し、幅方向にＤ１だけ進んだ位置でレール１０の内部の横裂３０に到達する。そして、入射波ＩＷは、横裂３０と交差する反射点ＲＰにおいてレール１０の長手方向に対して４５度の角度をなす方向に反射波ＲＷとして反射される。

反射された反射波ＲＷは、レール１０の内部を幅方向にＤ２だけ伝搬し、他方の側面１２に接触する受信側探触子１２０の反射波受信振動子１２２ｅがこの反射波ＲＷを受信する。すなわち、黒斑２０が位置Ｐ３にあるとき、入射波ＩＷの延長線上に横裂３０が存在しない場合には、入射波ＩＷは仮想波ＶＷの方向に伝搬して透過波受信振動子１２２ｉが超音波を受信するが、反射波受信振動子１２２ｅが超音波を受信したため、入射波ＩＷの延長線上にも横裂３０が存在するものと判別できることになる。このように、図４に示すように、反射波ＲＷを受信側探触子１２０の中央部に位置する反射波受信振動子１２２ｅが受信した場合、横裂３０上の反射点ＲＰの幅方向位置は、Ｄ１＝Ｄ２となる位置すなわち中間位置であると推定できる。

続いて、図５に示すように、黒斑２０の位置が長手方向Ｌにさらに距離ｄ１だけシフトした位置Ｐ４となるように、レール１０と送信側探触子１１０及び受信側探触子１２０のセットとを相対移動させる。この位置関係で送信振動子１１２から超音波を送信すると、入射波ＩＷは、図２の場合と同様に、横裂３０とは交差せずに真っすぐレール１０内を伝搬し、入射波ＩＷがそのまま側面１２側に接触する透過波受信振動子１２２ｉで受信される。すなわち、黒斑２０が位置Ｐ４にあるときは、入射波ＩＷの伝搬経路上には横裂３０が存在しないと判別できることになる。

このように、本発明の代表的な一例によるレール探傷装置１００によれば、レール１０の内部に発生した亀裂が横裂３０のように幅方向に所定の範囲に形成されたものであっても、その存在範囲を特定することが可能となる。すなわち、レール探傷装置１００において、送信側探触子１１０は、レール１０の一方の側面１１から長手方向Ｌに対して鋭角となる傾斜角度をなす方向に超音波を進行させるように送信振動子１１２を配向させて設けられ、受信側探触子１２０は、送信振動子１１２からの超音波を直接受信するよう配向及び位置させた透過波受信振動子１２２ｉと、該超音波の反射波を受信するよう配向及び位置させた反射波受信振動子１２２ａ乃至１２２ｈと、を複数個アレイ状に配置し、受信側探触子１２０における複数の受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉのうちのいずれが超音波を受信したかを把握することにより横裂３０のレール頭部における発生位置を特定する。

すなわち、受信側探触子１２０とレール１０を挟んで対向する送信側探触子１１０との位置関係を固定とした状態で、レール１０とレール探傷装置１００とを長手方向Ｌに対して相対移動させるとともに、移動した毎に送信振動子１１２から超音波を送信して受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉで受信する。このとき、入射波ＩＷを透過波受信振動子１２２ｉで受信した場合、入射波ＩＷの伝搬経路上には横裂３０が存在しないと判別できる。

一方、送信振動子１１２から入射波ＩＷを送信した際に、アレイ状に配置された受信側探触子１２０の反射波受信振動子１２２ａ乃至１２２ｈのいずれかで超音波を受信した場合、入射波ＩＷが横裂３０によって反射されて反射波ＲＷとなったものと判断できる。このとき、受信した反射波受信振動子１２２ａ乃至１２２ｈの長手方向Ｌにおける位置に応じて、横裂３０がレール１０の内部の幅方向におけるどの位置にあるかを特定することも可能となる。

以上、本発明による代表的な実施例及びこれに伴う変形例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、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。

例えば、超音波を受信する受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉの長手方向の幅を適宜選択することにより、レール１０の幅方向における横裂３０の存在範囲をより正確に特定することができる。すなわち、受信振動子１２２ａ乃至１２２ｉの長手方向の幅（例えば、図１に示した符号ｄ）を狭くすることにより、反射波ＲＷの検出幅が狭くなるため、亀裂検出における位置精度を高めることが可能となる。

１０レール
２０黒斑
３０横裂
１００レール探傷装置
１１０送信側探触子
１１２送信振動子
１１４、１２４信号配線
１２０受信側探触子
１２２ａ〜１２２ｉ受信振動子

Claims

超音波をレール内部に送信する送信振動子を有し該レールの一方の側面にあてがわれる送信側探触子と、レール内部からの超音波を受信する受信振動子を有し該レールの他方の側面にあてがわれる受信側探触子と、を備えたレール内部の探傷装置であって、
前記送信側探触子は、前記レールの側面から前記レールの長手方向に対して鋭角となる傾斜角度をなす方向に前記超音波を進行させるように前記送信振動子を配向させて設けられ、
前記受信側探触子は、前記受信振動子を複数個アレイ状に配置しつつ、前記受信振動子のうちの１つである透過波受信振動子を前記送信側探触子からの前記超音波を直接受信するよう配向及び位置させ、他の前記受信振動子である反射波受信振動子を前記超音波の反射波を受信するよう配向及び位置させて設けられており、
前記受信側探触子における複数の前記受信振動子のうちのいずれが前記超音波を受信したかを把握することにより、横裂のレール頭部における発生位置を特定することを特徴とするレール内部の探傷装置。
前記反射波受信振動子は、前記透過波受信振動子よりも、前記レールの前記長手方向に沿って前記送信振動子側にアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１記載のレール内部の探傷装置。
前記反射波受信振動子は、前記レールの長手方向に対して前記傾斜角度をなす方向に進行する前記超音波を受信するように配向させて設けられていることを特徴とする請求項２記載のレール内部の探傷装置。
前記送信側探触子及び前記受信側探触子のセットを前記レールの前記側面にあてがいながら前記長手方向に移動自在であることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のレール内部の探傷装置。
前記送信側探触子及び前記受信側探触子のセットを前記レールの前記側面にあてがいながら前記レールの上下方向に移動自在であることを特徴とする請求項４記載のレール内部の探傷装置。
前記傾斜角度は４５度であることを特徴とする請求項１乃至５うちの１つに記載のレール内部の探傷装置。
超音波をレール内部に送信する送信振動子を有し該レールの一方の側面にあてがわれる送信側探触子と、レール内部からの超音波を受信する受信振動子を有し該レールの他方の側面にあてがわれる受信側探触子と、を用いてレール内部における横裂の発生位置を特定するレール内部の探傷方法であって、
前記送信側探触子は、前記レールの側面から前記レールの長手方向に対して鋭角となる傾斜角度をなす方向に前記超音波を進行させるように前記送信振動子を配向させて設けられるとともに、前記受信側探触子は、前記受信振動子を複数個アレイ状に配置しつつ、前記受信振動子のうちの１つである透過波受信振動子を前記送信側探触子からの前記超音波を直接受信するよう配向及び位置させ、かつ他の前記受信振動子である反射波受信振動子を前記超音波の反射波を受信するよう配向及び位置させて構成されており、
前記受信側探触子における複数の前記受信振動子のうちのいずれが前記超音波を受信したかを把握することにより、前記横裂のレール頭部における発生位置を特定することを特徴とすることを特徴とするレール内部の探傷方法。
前記反射波受信振動子は、前記透過波受信振動子よりも、前記レールの前記長手方向に沿って前記送信振動子側にアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項７記載のレール内部の探傷方法。
前記反射波受信振動子は、前記レールの長手方向に対して前記傾斜角度をなす方向に進行する前記超音波を受信するように配向させて設けられていることを特徴とする請求項８記載のレール内部の探傷方法。
前記送信側探触子及び前記受信側探触子のセットを前記レールの前記側面にあてがいながら前記長手方向に移動させ、その移動毎に前記超音波を送信及び受信することを特徴とする請求項７乃至９のうちの１つに記載のレール内部の探傷方法。
前記送信側探触子及び前記受信側探触子のセットを前記レールの前記側面にあてがいながら前記レールの上下方向に移動させ、その移動毎に前記超音波を送信及び受信することを特徴とする請求項１０記載のレール内部の探傷方法。
前記傾斜角度は４５度であることを特徴とする請求項７乃至１１うちの１つに記載のレール内部の探傷方法。