JP2019188935A - 軌道状態測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】き裂開口部の形状を定量的に測定することが可能な軌道状態測定装置を提供する。【解決手段】レールＲの頭頂面Ｒ２の状態を測定する軌道状態測定装置１である。そして、レールの頭頂部Ｒ１に装着されて頭頂面と対峙する長方形の枠が形成される枠本体部２と、枠本体部にレールの延伸方向（Ｙ方向）に移動可能に取り付けられるとともに、Ｙ方向の移動量の測定手段（３１）を有する横断支持部３と、横断支持部に沿って移動可能に取り付けられるとともに、Ｙ方向と直交する幅方向（Ｘ方向）の移動量の測定手段（４１）を有するスライダ部４と、スライダ部に取り付けられて先端が頭頂面に向けて突出されるプローブ部６と、プローブ部によって特定された頭頂面の座標データを取得する座標取得部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、レールの頭頂面の状態を測定する軌道状態測定装置に関するものである。

レールの車輪との接触部である頭頂部は、車輪からの荷重、摩擦等の影響によって金属疲労を受ける。そして、この金属疲労が進行すると、きしみ割れと呼ばれるき裂を生じることが知られている。主に曲線区間の外軌レールのゲージコーナー部において、列車の進行方向に対してある角度をもって狭間隔に並んだきしみ割れと呼ばれるき裂が生じることが知られている。

また、レールには、車輪との転がり接触によってその頭部表層にシェリングと呼ばれるき裂を生じることが知られている。このシェリングは、主に直線区間で連続あるいは単発的にレール頭頂面に観察される。

一方、特許文献１には、レールにレーザ光の照射部を固定するとともに、同じレール上で受光部を備えた走行部を移動させることによって、レールの上下及び左右方向の変位を測定する軌道変位測定装置が開示されている。

特開２０１７−５３７７３号公報

しかしながら特許文献１に開示された軌道変位測定装置は、きしみ割れやシェリングなどのき裂開口部の形状を測定できるものではない。きしみ割れ等の発生状況を定量的に把握するためには、き裂開口部の形状を正確に測定する必要がある。
そこで、本発明は、き裂開口部の形状を定量的に測定することが可能な軌道状態測定装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の軌道状態測定装置は、レールの頭頂面の状態を測定する軌道状態測定装置であって、前記レールの頭頂部に装着されて前記頭頂面と対峙する長方形の枠が形成される枠本体部と、前記枠本体部に前記レールの延伸方向に移動可能に取り付けられるとともに、前記延伸方向の移動量の測定手段を有する横断支持部と、前記横断支持部に沿って移動可能に取り付けられるとともに、前記延伸方向と直交する前記頭頂面の幅方向の移動量の測定手段を有するスライダ部と、前記スライダ部に取り付けられて先端が前記頭頂面に向けて突出されるプローブ部と、前記プローブ部によって特定された前記頭頂面の座標データを取得する座標取得部とを備えていることを特徴とする。

ここで、前記スライダ部には、前記幅方向に照射範囲が広がるスキャンレーザ部が取り付けられている構成とすることができる。また、前記座標取得部によって得られた複数の座標データから、長さ及び前記延伸方向に対する角度を演算する形状演算部を備えた構成とすることもできる。さらに、前記枠本体部の下面側には、スペーサが取り付けられている構成とすることもできる。

このように構成された本発明の軌道状態測定装置は、レールの延伸方向の移動量の測定手段を有する横断支持部と、頭頂面の幅方向の移動量の測定手段を有するスライダ部とを備えている。そして、スライダ部に取り付けられたプローブ部によって特定された頭頂面の座標データを取得する座標取得部を有している。
このため、き裂開口部の始点及び終点をプローブ部の先端で特定するなどして座標データにすることが容易にできるようになり、き裂開口部の形状を定量的に測定することが可能になる。

また、スライダ部に幅方向に照射範囲が広がるスキャンレーザ部が取り付けられていれば、横断支持部を移動させるだけで頭頂面に発生した深さ方向の凹凸形状を面状に迅速に測定することができる。

さらに、座標取得部によって得られた複数の座標データから、長さ及び延伸方向に対する角度を演算する形状演算部を備えていれば、き裂開口部などの正確な形状を容易に把握することができるようになる。また、スペーサを枠本体部の下面側に取り付けておくことで、枠本体部とレールの頭頂面との間に離隔が確保されるようになって、プローブ部による位置の特定がし易くなる。

本実施の形態の軌道状態測定装置の構成を模式的に示した説明図である。 本実施の形態の軌道状態測定装置の概略構成を示した斜視図である。 本実施の形態の軌道状態測定装置の機能的な構成を示したブロック図である。 軌道状態測定装置を使用した凹凸形状の測定時の動作を説明する図である。 軌道状態測定装置を使用した座標データの取得時の動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１，２は、本実施の形態の軌道状態測定装置１の外形的な構成を説明する図である。また、図３は、本実施の形態の軌道状態測定装置１の機能的な構成を説明するブロック図である。

軌道を構成するレールＲの頭頂部Ｒ１は、レールＲに沿って走行する車両の車輪との接触部であり、車輪からの荷重や摩擦等の影響を受けて金属疲労が生じることになる。そして、この金属疲労が進行すると、図１に模式的に示すように、きしみ割れと呼ばれるき裂開口部Ｋ，・・・が頭頂面Ｒ２に発生することがある。なお、このき裂開口部Ｋは、シェリングと呼ばれるき裂であってもよい。

また、図示はしていないが、頭頂面Ｒ２には、摩耗などによって深さ方向（図２のＺ方向参照）の凹凸が生じる。この凹凸形状ときしみ割れなどのき裂開口部Ｋの発生状況の関係性が判明すれば、き裂開口部Ｋが発生する前に凹凸形状からその発生を予測できるようになる可能性がある。

本実施の形態の軌道状態測定装置１は、図１，２に示すようにレールＲの頭頂部Ｒ１に装着して使用されるものである。詳細には、長方形の枠が形成される枠本体部２と、枠本体部２にレールＲの延伸方向（Ｙ方向）に移動可能に取り付けられる横断支持部３と、横断支持部３に沿って幅方向（Ｘ方向）に移動可能に取り付けられるスライダ部４と、スライダ部４に取り付けられるスキャンレーザ部５とを主に備えている。

また、スライダ部４には、先端６１が頭頂面Ｒ２に向けて突出されるプローブ部６が取り付けられる。そして、本実施の形態の軌道状態測定装置１は、プローブ部６の先端６１によって特定された頭頂面Ｒ２の座標データ（ＸＹ座標）を取得する座標取得部１２（図３参照）を備えている。

枠本体部２は、レールＲの頭頂面Ｒ２と対峙するように装着される。枠本体部２は、レールＲの延伸方向（Ｙ方向）に延びる一対の平行な縦枠２１，２１と、レールＲの幅方向（Ｘ方向）に延びる一対の平行な横枠２２，２２とによって、長方形に形成される。この枠本体部２は、枠内に頭頂面Ｒ２の幅方向の半分以上が露出する大きさに形成される。すなわち、き裂開口部Ｋは、頭頂面Ｒ２の平らな部分に発生することが多く、頭頂部Ｒ１の両側縁の曲面部は測定範囲外となっていても問題はない。

この枠本体部２の縦枠２１には、図２に示すように、下方に向けて突出する脚部２３が取り付けられる。この脚部２３は、頭頂部Ｒ１の側面に内側面が接触する位置に取り付けられる。例えば頭頂部Ｒ１の両側の４箇所に脚部２３，・・・が配置されていれば、枠本体部２の幅方向（Ｘ方向）の移動が規制されて、ずれを防ぐことができる。

一方、枠本体部２の横枠２２の下面側には、スペーサ２４が取り付けられる。このスペーサ２４の下面は、レールＲの頭頂面Ｒ２に接触させる。枠本体部２と頭頂面Ｒ２との間にスペーサ２４を介在させることで、枠本体部２が頭頂面Ｒ２から離隔した状態を維持することができるようになる。

横断支持部３は、図１に示すように、枠本体部２の縦枠２１，２１に直交するように差し渡される。横断支持部３の両側の端部３２，３２は、例えば縦枠２１，２１の下面側に設けられた図示しないガイドレールに挿し込まれて、横枠２２に平行に縦枠２１に沿ってスライド移動が可能な構成となっている。

そして、この横断支持部３のレールＲの延伸方向（Ｙ方向）の移動量は、測定手段となるＹ座標測定部３１によって測定される。Ｙ座標測定部３１は、例えばロータリエンコーダと連結線３１１とによって構成することができる。すなわちロータリエンコーダに一端が接続された連結線３１１の他端を横断支持部３に連結しておくことで、横断支持部３がＹ方向に移動するとモータ（軸）が回転してロータリエンコーダによって回転角が検出される。この回転角を演算することで、横断支持部３の移動量、すなわちＹ座標を測定することができるようになる。

スライダ部４は、Ｘ方向に延びる横断支持部３に沿ってスライド移動できるように取り付けられる。このスライダ部４のＸ方向（幅方向）の移動量も、測定手段となるＸ座標測定部４１によって測定される。Ｘ座標測定部４１も、例えばロータリエンコーダと連結線４１１とによって構成することができる。すなわちロータリエンコーダに一端が接続された連結線４１１の他端をスライダ部４に連結しておくことで、スライダ部４がＸ方向に移動するとモータ（軸）が回転してロータリエンコーダによって回転角が検出される。その回転角を演算することで、スライダ部４の移動量、すなわちＸ座標を測定することができるようになる。

ここで、図２に示すように、スライダ部４に取り付けられる円柱状のプローブ部６は、鉛直方向に延びて水平方向に延びる横断支持部３と交差することになる。このため、横断支持部３には、Ｘ方向に延びる長穴３３がプローブ部６を水平移動可能に通すために設けられる。

また、スライダ部４の横枠２２に対向する側の側面には、図４に示すように、幅方向（Ｘ方向）に照射範囲５ａが広がるスキャンレーザ部５が取り付けられる。スキャンレーザ部５は、レーザ光が照射された範囲のＺ方向（図２参照）の凹凸変位が測定可能なレーザ式の変位計である。すなわちスキャンレーザ部５は、頭頂面Ｒ２の凹凸形状を測定するために取り付けられる。

スキャンレーザ部５の照射範囲５ａは、Ｙ方向の幅が狭小であっても、Ｘ方向の頭頂面Ｒ２の凹凸形状が測定したい範囲が入っていれば、一度のＹ方向の移動によって凹凸測定領域５ｂの全域を測定することができる。スキャンレーザ部５のレーザ光は、スキャンレーザ部５を中心にＸ方向の両側に広がるため、スペーサ２４の高さを調節することによって照射範囲５ａの広さを調節することができる。

本実施の形態の軌道状態測定装置１は、機能的には図３に示すように、凹凸測定部１１と、座標取得部１２と、記憶部１３と、形状演算部としての開口演算部１４とを備えている。凹凸測定部１１は、スキャンレーザ部５による検出結果に基づいて、頭頂面Ｒ２のＺ方向の凹凸形状の演算結果を出力して記憶部１３に記憶させる。

一方、座標取得部１２は、ロータリエンコーダの検出結果に基づいてＹ座標の演算結果を出力するＹ座標測定部３１と、ロータリエンコーダの検出結果に基づいてＸ座標の演算結果を出力するＸ座標測定部４１とを備えている。この座標取得部１２によって測定された頭頂面Ｒ２上のＸＹ座標のデータ（座標データ）は、記憶部１３に記憶される。記憶部１３は、ハードディスクドライブ等の大容量記憶媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体記憶媒体などによって構成することができる。

開口演算部１４は、座標取得部１２によって取得された例えば２点の座標から、２点間の距離と向きとを演算処理する。例えば、き裂開口部Ｋの始点Ｋ１と終点Ｋ２（図１参照）を２点とすると、き裂開口部Ｋの長さ（距離）とＹ方向に対する角度（向き）とを算出することができる。

ここで、始点Ｋ１の座標データを（x1,y1）、終点Ｋ２の座標データを（x2,y2）とすると、き裂開口部Ｋの長さＬは以下の式によって算出することができる。
Ｌ= √((x2 - x1)² + (y2 - y1)²)

また、き裂開口部ＫのＹ方向に対する角度θは、次の式で算出することができる。
θ = tan^-1((y2 - y1)/ (x2 - x1))

続いて、本実施の形態の軌道状態測定装置１を使用したレールＲの状態の測定方法について、図４，５を参照しながら説明する。ここでは、保線作業におけるレールＲの状態の測定対象として、頭頂面Ｒ２の凹凸形状と、中きしみ割れなどのきしみ割れであるき裂開口部Ｋの形状とを例に説明する。

まず、図４に示すように、軌道状態測定装置１の枠本体部２を、レールＲの状態測定を行う位置の頭頂部Ｒ１に装着する。枠本体部２を装着するに際しては、頭頂部Ｒ１の両側縁を４箇所の脚部２３，・・・で挟むようにして設置する。そして、スペーサ２４，２４の下面が頭頂面Ｒ２に接触するように、枠本体部２をレールＲ上に載置する。

頭頂面Ｒ２の凹凸形状を測定する際には、横断支持部３を枠本体部２の一方の横枠２２側に寄せる。図４では、上方の横枠２２に横断支持部３を近接させた状態を示している。また、スライダ部４の位置は、横断支持部３の中央に合せる。この結果、プローブ部６の円錐状の先端６１は、頭頂面Ｒ２の幅方向（Ｘ方向）の中央にセットされる。

この状態でスキャンレーザ部５のスイッチを入れ、レーザ光を照射範囲５ａに照射させる。この照射範囲５ａには、頭頂面Ｒ２の水平面の幅の大部分が含まれることになる。そして、横断支持部３を図４の下側の横枠２２に向けてスライド移動させる。

横断支持部３を移動させたときのＹ座標の位置は、Ｙ座標測定部３１のロータリエンコーダで検出された回転角から算出することができる。また、スキャンレーザ部５が通過した任意のＹ座標におけるＸ方向に広がる凹凸の帯状分布は、スキャンレーザ部５の検出結果から得ることができる。すなわち、スキャンレーザ部５からレーザ光を照射させながら、一方の横枠２２側から他方の横枠２２側まで横断支持部３を移動させると、図４に２点鎖線で図示した長方形の凹凸測定領域５ｂにおける頭頂面Ｒ２の凹凸形状が測定できる。この測定された凹凸形状のデータは、記憶部１３に記憶される。

一方、頭頂面Ｒ２に発生したき裂開口部Ｋの形状を測定する際には、枠本体部２の枠内に測定対象となるき裂開口部Ｋが露出するように枠本体部２をレールＲの頭頂部Ｒ１に装着する。この枠本体部２の装着に際しては、予めき裂開口部Ｋの始点Ｋ１と終点Ｋ２に目印を付けておくこともできる。

そして、図５に示すように、横断支持部３を移動させるとともにスライダ部４を移動させることで、プローブ部６の先端６１がき裂開口部Ｋの始点Ｋ１上に配置されるように位置合わせをする。

横断支持部３とスライダ部４の移動量は、Ｙ座標測定部３１とＸ座標測定部４１の検出値からＹ座標とＸ座標として座標取得部１２によって取得できるので、き裂開口部Ｋの始点Ｋ１の座標データとして記憶部１３に記憶させる。

再び横断支持部３とスライダ部４を移動させて、図５の左下に２点鎖線で示すように、プローブ部６の先端６１をき裂開口部Ｋの終点Ｋ２上に配置する。このときのき裂開口部Ｋの終点Ｋ２の座標データも座標取得部１２によって取得できるので、記憶部１３に記憶させる。

そして、開口演算部１４においては、記憶部１３からき裂開口部Ｋの始点Ｋ１及び終点Ｋ２の座標データを読み込み、き裂開口部Ｋの長さＬとＹ方向に対する角度θとを、上述した式に基づいて算出させる。このようにして算定された演算結果と座標データは、き裂開口部Ｋの形状の測定結果として記憶部１３に記憶される。

次に、本実施の形態の軌道状態測定装置１の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の軌道状態測定装置１は、レールＲの延伸方向（Ｙ方向）の移動量を測定するＹ座標測定部３１を有する横断支持部３と、頭頂面Ｒ２の幅方向（Ｘ方向）の移動量を測定するＸ座標測定部４１を有するスライダ部４とを備えている。そして、スライダ部４に取り付けられたプローブ部６によって特定された頭頂面Ｒ２の座標データを出力する座標取得部１２を有している。

このため、き裂開口部Ｋの始点Ｋ１及び終点Ｋ２をプローブ部６の先端６１で特定するなどして座標データにすることが容易にできるようになり、き裂開口部Ｋの形状を定量的に測定することが可能になる。

例えば、き裂開口部Ｋの長さＬによって開口の大きさが明確になり、レールＲの交換などの対処案の判断がし易くなる。また、き裂開口部Ｋの頭頂面Ｒ２上の位置や角度によって、きしみ割れの発生に影響を与える接線力の方向が推定できるようになり、きしみ割れの発生要因を明らかにしてレールＲの保守管理に役立てることができる。すなわち、大きな接線力が生じないように軌道修正するなどの保守管理に利用することができる。

特に、座標取得部１２によって得られた複数の座標データ（始点Ｋ１，終点Ｋ２）から、き裂開口部Ｋの長さ及び延伸方向（Ｙ方向）に対する角度θを演算する開口演算部１４を備えていれば、き裂開口部Ｋの正確な形状を数値データとして容易に得ることができる。

また、スペーサ２４を枠本体部２の下面側に取り付けておくことで、枠本体部２とレールＲの頭頂面Ｒ２との間に離隔が確保されるようになって、プローブ部６を上下させて先端６１で位置を特定する作業がし易くなる。

また、スライダ部４に幅方向（Ｘ方向）に照射範囲５ａが広がるスキャンレーザ部５が取り付けられていれば、横断支持部３を移動させるだけで頭頂面Ｒ２に発生した深さ方向（Ｚ方向）の凹凸形状を面状に迅速に測定することができる。

さらに、凹凸形状の発生状況ときしみ割れなどのき裂開口部Ｋの発生状況との関係性が判明すれば、き裂開口部Ｋが発生していない段階で、凹凸形状の測定結果からきしみ割れなどの発生を予測することができるようになる。例えば凹凸形状だけであれば、通常の保守管理の際にも測定することがあるので、そのような高頻度で得られるデータからきしみ割れの発生が予測できるようになれば、有用である。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば前記実施の形態では、車輪などの走行手段を持たない枠本体部２を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えばスペーサ２４を、停止機能（ロック機能）を備えた車輪に置き換えて、レールＲに沿って走行移動が容易にできる構成とすることも可能である。

また、前記実施の形態では、ロータリエンコーダを利用したＹ座標測定部３１及びＸ座標測定部４１について説明したが、これに限定されるものではなく、Ｙ方向の移動量とそれに直交するＸ方向の移動量が測定できるセンサ又は計器であれば、どのような測定手段の構成とすることもできる。

１ ：軌道状態測定装置
１１ ：凹凸測定部
１２ ：座標取得部
１４ ：開口演算部（形状演算部）
２ ：枠本体部
２４ ：スペーサ
３ ：横断支持部
３１ ：Ｙ座標測定部（測定手段）
４ ：スライダ部
４１ ：Ｘ座標測定部（測定手段）
５ ：スキャンレーザ部
５ａ ：照射範囲
６ ：プローブ部
６１ ：先端
Ｒ ：レール
Ｒ１ ：頭頂部
Ｒ２ ：頭頂面
Ｙ ：延伸方向
Ｘ ：幅方向

Claims (4)

1. レールの頭頂面の状態を測定する軌道状態測定装置であって、
   前記レールの頭頂部に装着されて前記頭頂面と対峙する長方形の枠が形成される枠本体部と、
   前記枠本体部に前記レールの延伸方向に移動可能に取り付けられるとともに、前記延伸方向の移動量の測定手段を有する横断支持部と、
   前記横断支持部に沿って移動可能に取り付けられるとともに、前記延伸方向と直交する前記頭頂面の幅方向の移動量の測定手段を有するスライダ部と、
   前記スライダ部に取り付けられて先端が前記頭頂面に向けて突出されるプローブ部と、
   前記プローブ部によって特定された前記頭頂面の座標データを取得する座標取得部とを備えていることを特徴とする軌道状態測定装置。
2. 前記スライダ部には、前記幅方向に照射範囲が広がるスキャンレーザ部が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の軌道状態測定装置。
3. 前記座標取得部によって得られた複数の座標データから、長さ及び前記延伸方向に対する角度を演算する形状演算部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の軌道状態測定装置。
4. 前記枠本体部の下面側には、スペーサが取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軌道状態測定装置。