JP2019104389A - 鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム及び予兆検知方法 - Google Patents
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Abstract
Description
波状摩耗は、特に曲線半径の小さな曲線軌道の内軌側レールで発生し易い。曲線軌道の曲率半径が、外軌側の車輪と内軌側の車輪との輪径差で吸収できないほど小さくなると、内軌側レールと車輪との間にいわゆるスティックスリップ現象が生じ、これにより内軌側レールの頭頂面が摩耗することが、波状摩耗発生の原因であると考えられている。
このため、波状摩耗が発生した場合には、波状摩耗の進展を抑制するために、水や油等の摩擦係数調整材をレールの頭頂面に供給(散布)して、レールの頭頂面の摩擦係数を低下させる対策が施される場合がある。また、波状摩耗が進展して凹凸が大きくなった場合には、レールを補修(削正)したり、新品レールに交換するといった対策が施される場合もある。
このため、過度に摩擦係数調整材を供給してしまうことで、ランニングコストが増加したり、車輪の空転や滑走が生じるおそれがある。また、健全なレールを交換することで、無駄なメンテナンスコストが発生するおそれもある。
本発明は、本発明者らの上記知見に基づき完成したものである。
なお、本発明における「左右振動加速度測定手段」としては、内軌側レールの左右振動加速度を直接測定する加速度計に限るものではなく、例えば、変位計と該変位計で測定した内軌側レールの左右変位を2階微分することで左右振動加速度を算出する演算手段との組み合わせを採用することも可能である。また、例えば、速度計と該速度計で測定した内軌側レールの左右速度を1階微分することで左右振動加速度を算出する演算手段との組み合わせを採用することも可能である。
すなわち、好ましくは、前記検知手段は、前記入力された左右振動加速度信号を周波数解析して周波数スペクトルを生成する生成手段と、前記生成手段によって生成された周波数スペクトルから、前記予め決定された周波数帯域のスペクトル成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段によって抽出されたスペクトル成分の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する判定手段と、を具備する。
なお、上記の好ましい構成における「周波数スペクトル」には、横軸が周波数で縦軸がパワー(左右振動加速度の2乗)であるパワースペクトルと、横軸が周波数で縦軸がパワースペクトル密度(左右振動加速度の2乗/周波数)であるパワースペクトル密度分布とが含まれる。
すなわち、より好ましくは、前記生成手段は、前記入力された左右振動加速度信号を周波数解析してパワースペクトル密度分布を生成し、前記抽出手段は、前記生成手段によって生成したパワースペクトル密度分布から、前記予め決定された周波数帯域のパワースペクトル密度を抽出し、前記判定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記予め決定された周波数帯域のパワースペクトル密度の積分値の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する。
すなわち、好ましくは、前記検知手段は、前記入力された左右振動加速度信号から、前記予め決定された周波数帯域の信号成分を透過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した信号成分の振幅の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する判定手段と、を具備する。
したがい、好ましくは、前記検知手段は、前記摩擦係数調整手段による摩擦係数調整材の供給時点を管理しており、前記摩擦係数調整手段による摩擦係数調整材の供給時点から、該摩擦係数調整材の効果が維持されると考え得る予め決定された所定時間内において、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を検知した場合、前記内軌側レールの補修又は交換が必要であるか、或いは、前記摩擦係数調整手段が故障していると判定する。
なお、上記の好ましい構成における「所定時間」とは、時間単位で表わされる数値に限られるものではなく、曲線軌道を走行する鉄道車両の本数(編成本数)とすることも可能である。
次いで、本発明に係る予兆検知方法によれば、測定工程において、鉄道車両が走行する際に左右振動加速度測定手段によって波状摩耗が発生しているか否かが未知である内軌側レールの左右振動加速度を測定する。この波状摩耗が発生しているか否かが未知である内軌側レール(波状摩耗発生の予兆検知対象である内軌側レール)としては、前記波状摩耗が発生している周波数帯域決定用内軌側レールを補修したレールや、交換した新品のレール(波状摩耗が発生している周波数帯域決定用内軌側レールと構造が同種のレール)を例示できる。
最後に、本発明に係る予兆検知方法によれば、検知工程において、測定工程によって得られた左右振動加速度信号から、準備工程によって予め決定された波状摩耗に関連する周波数帯域の信号成分が抽出されることで、波状摩耗の発生の予兆を自動的に検知可能である。
また、上記の好ましい構成によれば、帯域幅決定工程において、周波数帯域決定用内軌側レールの左右振動加速度信号を周波数解析して生成された周波数スペクトルのスペクトル成分の大きさに基づき、波状摩耗に関連する周波数帯域の帯域幅を決定する。具体的には、例えば、前記決定した中心周波数fc及びその近傍の周波数を含む周波数帯域であって、スペクトル成分が所定のしきい値以上の大きさを有する周波数帯域の帯域幅を基準として、波状摩耗に関連する周波数帯域の帯域幅を決定可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係る鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム(以下、適宜、単に「予兆検知システム」という)の概略構成を説明する模式図である。図1(a)は全体の概略構成を示す図であり、図1(b)は左右振動加速度測定手段の設置状態を示す図であり、図1(c)は検知手段の概略構成を示す図である。
図1(a)に示すように、本実施形態に係る予兆検知システム100の適用対象である曲線軌道(内軌側レールRa、外軌側レールRb)を走行する鉄道車両は、車体1と、車体1の前後(鉄道車両の走行方向の前後)に配置された一対の台車2と、各台車2の左右に配置され車体1を支持する空気ばね3とを有する。各台車2の前後には、一対の輪軸4が配置されている。
具体的には、図1(b)に示すように、本実施形態の左右振動加速度測定手段10としては、加速度計が用いられ、曲線軌道を走行する鉄道車両の輪軸4(図1(b)では図示省略)に干渉しないように、内軌側レールRaの頭部R1のフィールド側(軌道外側)の頭部側面R11に取り付けられている。より具体的には、例えば、加速度計の頭部側面R11に対向する側の面に絶縁板(例えば、ベークライト板)を貼り付け、接着剤を用いてこの絶縁板を頭部側面R11に固着させることで、加速度計を内軌側レールRaに取り付ける。その後、加速度計、絶縁板及び内軌側レールRaの頭部側面R11に対してコーティングによる防水処置を施せばよい。
生成手段21は、入力された左右振動加速度信号を周波数解析して周波数スペクトルを生成する。本実施形態の生成手段21は、好ましい構成として、入力された左右振動加速度信号を周波数解析してパワースペクトル密度分布を生成するように構成されている。図2(b)は、生成手段21によって生成されるパワースペクトル密度分布の一例を示す図であり、具体的には、図2(a)に示す左右振動加速度信号を周波数解析して生成したパワースペクトル密度分布である。
判定手段23は、抽出手段22によって抽出されたスペクトル成分の大きさに基づき、内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を判定することが可能である。本実施形態の判定手段23は、好ましい構成として、抽出手段22によって抽出された予め決定された周波数帯域のパワースペクトル密度の積分値の大きさに基づき、内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を判定することが可能である。図2(b)に示す例では、400〜500Hzの周波数帯域のパワースペクトル密度が400〜500Hzの周波数帯域で積分される。積分値の単位は、パワーの単位である(m/s2)2となる。
バンドパスフィルタ24は、入力された左右振動加速度信号から、予め決定された周波数帯域(内軌側レールRaの波状摩耗に関連する周波数帯域)の信号成分を透過させる。図2(a)に示す左右振動加速度信号の例では、内軌側レールRaの波状摩耗に関連する周波数帯域として、400〜500Hzの周波数帯域(中心周波数450Hz±50Hz)が予め決定されており、バンドパスフィルタ24は、この決定された周波数帯域の信号成分を透過させる。図2(c)は、バンドパスフィルタ24を透過した信号成分の一例を示す図であり、具体的には、図2(a)に示す左右振動加速度信号から透過した信号成分である。
図4は、本発明の一実施形態に係る鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知方法(以下、適宜、単に「予兆検知方法」という)の概略手順を説明するフロー図である。図4に示すように、本実施形態に係る予兆検知方法は、準備工程S1と、測定工程S2と、検知工程S3とを含んでいる。また、好ましい態様として、本実施形態に係る予兆検知方法は、表示工程S4と、供給工程S5とを含んでいる。以下、各工程S1〜S5の内容について順に説明する。
準備工程S1では、鉄道車両が走行する曲線軌道の内軌側レールRaであって波状摩耗が発生している内軌側レールRaを周波数帯域決定用内軌側レールとして用い、該周波数帯域決定用内軌側レールに左右振動加速度測定手段10を設置する。波状摩耗が発生しているか否かは、例えば、保全者が実際に曲線軌道に赴いて周波数帯域決定用内軌側レールの頭頂面の状態を目視観察することで判断可能である。
図5(a)は、摩擦係数調整材を供給していない状態(摩擦係数調整材の効果が維持されていない状態)の周波数帯域決定用内軌側レールを鉄道車両が走行した際に周波数帯域決定用内軌側レールの左右振動加速度を測定して得られた左右振動加速度信号の一例を示す図である。図5(a)に示す例は、図2(a)に示す左右振動加速度信号が得られた内軌側レールRaの削正前の内軌側レールを周波数帯域決定用内軌側レールとして用いて得られた左右振動加速度信号である。
中心周波数決定工程S11では、周波数帯域決定用内軌側レールの波状摩耗のピッチ(波長)λと、周波数帯域決定用内軌側レールを走行する鉄道車両の走行速度vとを測定し、該測定結果に基づき、周波数帯域の中心周波数fcを以下の式(1)によって決定する。
fc=v/λ ・・・(1)
なお、周波数帯域決定用内軌側レールの波状摩耗のピッチ(平均ピッチ)λは、例えば、保全者が実際に曲線軌道に赴いて、周波数帯域決定用内軌側レールの頭頂面の凹凸のピッチを定規や巻尺等を用いて測定してその平均値を算出したり、距離計を用いて凹凸の高さを測定した結果から凹凸の平均ピッチを算出すること等によって測定可能である。また、鉄道車両の走行速度vは、例えば、鉄道車両が一般的に具備する速度計を用いて測定可能である。
具体的には、例えば、前記決定した中心周波数fc及びその近傍の周波数を含む周波数帯域であって、スペクトル成分が所定のしきい値以上の大きさを有する周波数帯域の帯域幅を基準として、波状摩耗に関連する周波数帯域の帯域幅を決定可能である。
測定工程S2では、波状摩耗が発生しているか否か未知である曲線軌道の内軌側レールRaを鉄道車両が走行する際に左右振動加速度測定手段10によって内軌側レールRaの左右振動加速度を測定する。この波状摩耗が発生しているか否かが未知である内軌側レールRa(波状摩耗発生の予兆検知対象である内軌側レールRa)としては、前述の波状摩耗が発生している内軌側レールRa(周波数帯域決定用内軌側レール)を補修(削正)したレールや、交換した新品のレール(周波数帯域決定用内軌側レールと構造が同種のレール)を例示できる。この測定工程S2によって、前述の図2(a)で例示したような左右振動加速度信号が得られ、検知手段20に入力される。
検知工程S3では、検知手段20が、測定工程S2によって得られた左右振動加速度信号から、準備工程S1によって予め決定された周波数帯域(図2(b)に示す例では400〜500Hz)の信号成分を抽出し、該抽出した信号成分の大きさに基づき、内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を自動的に検知する。
具体的には、前述のように、検知手段20が具備する判定手段23が、抽出手段22によって抽出されたスペクトル成分の大きさ(パワースペクトル密度の積分値の大きさ)に基づき、波状摩耗の発生の予兆を自動的に判定する。すなわち、例えば、図2(b)に示すような抽出されたパワースペクトル密度の積分値が所定のしきい値以上の大きさを有する場合、波状摩耗の発生の予兆が生じていると判定することになる。
或いは、前述のように、検知手段20が具備する判定手段23が、バンドパスフィルタ24を透過した信号成分の振幅の大きさに基づき、波状摩耗の発生の予兆を自動的に判定する。すなわち、例えば、図2(c)に示すようなバンドパスフィルタ24を透過した信号成分の振幅が所定のしきい値以上の大きさを有する場合、波状摩耗の発生の予兆が生じていると判定することになる。
表示工程S4では、表示手段50が、検知工程S3の結果(判定手段23による判定結果)の他、図2(a)に示すような測定工程S2によって得られた左右振動加速度信号(検知手段20に入力された左右振動加速度信号)、図2(b)に示すような検知工程S3によって得られた周波数スペクトル(生成手段21によって生成された周波数スペクトル)、及び、図2(c)に示すような検知工程S3によって得られた信号成分(バンドパスフィルタ24を透過した信号成分)を、同時に又は何れかを選択して表示する。
本実施形態に係る予兆検知方法では、検知工程S3において、内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を自動的に検知するが、本発明はこれに限るものではなく、表示工程S4で表示される周波数スペクトルやバンドパスフィルタ24を透過した信号成分を鉄道事業者のオペレータが目視確認することで波状摩耗の発生の予兆を検知することも可能である。
供給工程S5では、摩擦係数調整手段30が、内軌側レールRaに摩擦係数を低下させるための摩擦係数調整材を供給する。具体的には、検知工程S3において、検知手段20が内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を検知した場合に、供給工程S5において、摩擦係数調整手段30に対して、摩擦係数調整材を供給すべき旨の制御信号を無線送信する。この制御信号を受信した摩擦係数調整手段30は、制御信号に従って開閉弁等を開くことで、摩擦係数調整材を自動的に供給する。
本実施形態に係る予兆検知方法では、供給工程S5において、検知工程S3の結果に基づき内軌側レールRaに摩擦係数調整材を自動的に供給するが、本発明はこれに限るものではない。例えば、検知工程S3において内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を検知した場合に、判定手段23がアラーム(音によるアラームや、表示手段50での表示によるアラームなど)を発生するだけの構成とし、このアラームに基づき、鉄道事業者のオペレータが手動操作によって摩擦係数調整手段30を駆動して、内軌側レールRaに摩擦係数調整材を供給する態様を採用することも可能である。
供給工程S5において、摩擦係数調整手段30によって内軌側レールRaに摩擦係数調整材を供給することで、前述の図3(b)、(c)に示すように、内軌側レールRaの波状摩耗に関連する周波数帯域400〜500Hzの信号成分の大きさが小さくなる。すなわち、摩擦係数調整材を供給することで、波状摩耗の発生や進展を十分に抑制可能である。
図6に示すように、波状摩耗が発生している周波数帯域決定用内軌側レールのパワースペクトル密度の積分値は121.3(m/s2)2と大きくなる。一方、内軌側レールRa(予兆検知対象内軌側レール)に波状摩耗が発生していなくても、摩擦係数調整材が供給されていない状態で波状摩耗の発生の予兆が生じている場合には、パワースペクトル密度の積分値は68.8(m/s2)2と比較的大きくなる。これに対し、予兆検知対象内軌側レールに摩擦係数調整材が供給された状態で波状摩耗の発生の予兆が生じていない場合には、パワースペクトル密度の積分値は3.6(m/s2)2と小さくなる。したがい、例えば、図6に示す例では、68.8(m/s2)2と3.6(m/s2)2の中間の値をしきい値に設定することにより、パワースペクトル密度の積分値がこのしきい値以上の大きさを有する場合に、波状摩耗の発生の予兆が生じていると判定することが可能である。
上記の好ましい構成によれば、波状摩耗の発生の予兆を検知するだけではなく、内軌側レールRaの補修又は交換が必要であること、或いは、摩擦係数調整手段30が故障していることをも自動的に判定可能であるため、鉄道事業者の保全者の手間が軽減されるという利点が得られる。
なお、上記の好ましい構成における「所定時間」とは、時間単位で表わされる数値に限られるものではなく、曲線軌道を走行した鉄道車両の本数(編成本数)とすることも可能である。すなわち、例えば、摩擦係数調整手段30による摩擦係数調整材の供給時点から、N本(例えば10本)の編成が走行する間に、内軌側レールRaの波状摩耗の発生の予兆を検知した場合、内軌側レールRaの補修又は交換が必要であるか、或いは、摩擦係数調整手段30が故障していると判定することが可能である。
20・・・検知手段
30・・・摩擦係数調整手段
40・・・伝送手段
50・・・表示手段
100・・・予兆検知システム
Claims (8)
- 鉄道車両が走行する曲線軌道の内軌側レールに設置され、鉄道車両が前記内軌側レールを走行する際の前記内軌側レールの左右振動加速度を測定して左右振動加速度信号を出力する左右振動加速度測定手段と、
前記左右振動加速度測定手段から出力された左右振動加速度信号が入力され、該入力された左右振動加速度信号から、予め決定された前記内軌側レールの波状摩耗に関連する周波数帯域の信号成分を抽出し、該抽出した信号成分の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とする鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム。 - 前記検知手段は、
前記入力された左右振動加速度信号を周波数解析して周波数スペクトルを生成する生成手段と、
前記生成手段によって生成された周波数スペクトルから、前記予め決定された周波数帯域のスペクトル成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって抽出されたスペクトル成分の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する判定手段と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム。 - 前記生成手段は、前記入力された左右振動加速度信号を周波数解析してパワースペクトル密度分布を生成し、
前記抽出手段は、前記生成手段によって生成したパワースペクトル密度分布から、前記予め決定された周波数帯域のパワースペクトル密度を抽出し、
前記判定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記予め決定された周波数帯域のパワースペクトル密度の積分値の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム。 - 前記検知手段は、
前記入力された左右振動加速度信号から、前記予め決定された周波数帯域の信号成分を透過させるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過した信号成分の振幅の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を判定する判定手段と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム。 - 前記曲線軌道の内軌側レールに摩擦係数を低下させるための摩擦係数調整材を供給する摩擦係数調整手段を更に備え、
前記摩擦係数調整手段は、前記検知手段によって前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆が検知された場合に、前記曲線軌道の内軌側レールに摩擦係数調整材を供給する、
ことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の抑制システム。 - 前記検知手段は、前記摩擦係数調整手段による摩擦係数調整材の供給時点を管理しており、前記摩擦係数調整手段による摩擦係数調整材の供給時点から、該摩擦係数調整材の効果が維持されると考え得る予め決定された所定時間内において、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を検知した場合、前記内軌側レールの補修又は交換が必要であるか、或いは、前記摩擦係数調整手段が故障していると判定する、
ことを特徴とする請求項5に記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知システム。 - 鉄道車両が走行する曲線軌道の内軌側レールであって波状摩耗が発生している内軌側レールを周波数帯域決定用内軌側レールとして用い、該周波数帯域決定用内軌側レールに左右振動加速度測定手段を設置し、鉄道車両が前記周波数帯域決定用内軌側レールを走行する際に前記左右振動加速度測定手段によって前記周波数帯域決定用内軌側レールの左右振動加速度を測定して得られた左右振動加速度信号を周波数解析することで、前記波状摩耗に関連する周波数帯域を予め決定する準備工程と、
波状摩耗が発生しているか否か未知である前記曲線軌道の内軌側レールを鉄道車両が走行する際に前記左右振動加速度測定手段によって前記内軌側レールの左右振動加速度を測定する測定工程と、
前記測定工程によって得られた左右振動加速度信号から、前記準備工程によって予め決定された前記周波数帯域の信号成分を抽出し、該抽出した信号成分の大きさに基づき、前記内軌側レールの波状摩耗の発生の予兆を検知する検知工程と、
を含むことを特徴とする鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知方法。 - 前記準備工程は、
前記周波数帯域決定用内軌側レールの波状摩耗のピッチと、前記周波数帯域決定用内軌側レールを走行する前記鉄道車両の走行速度とを測定し、該測定結果に基づき、前記周波数帯域の中心周波数を決定する中心周波数決定工程と、
前記周波数帯域決定用内軌側レールの左右振動加速度を測定して得られた左右振動加速度信号を周波数解析して周波数スペクトルを生成し、該生成した周波数スペクトルのスペクトル成分の大きさに基づき、前記周波数帯域の帯域幅を決定する帯域幅決定工程と、
を含むことを特徴とする請求項7に記載の鉄道用曲線軌道における波状摩耗の予兆検知方法。
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