JP2022003194A - レール保全システム - Google Patents

Abstract

【課題】レールの頭頂面に生じる波状摩耗は従来、専用のレール削正車で頭頂面を研摩することで解消させていたが、営業時間以外で作業を行わなければならないうえに、研摩作業はかなりの時間を有していた。【解決手段】鉄道車両における客車に搭載されるレール保全システムであって、レールの異常状態を検出する異常状態検出器と、前記レールの頭頂面に研摩子を当てるレール研摩装置と、前記異常状態検出器で異常状態を検出したら前記研摩子を前記レールの頭頂面に当てるように前記レール研摩装置を制御する制御器を有することを特徴とするレール保全システムは、波状摩耗の存在を検知し、研摩子をレール頂面に押し当てることで、営業車両が少しずつ研摩作業をおこなうので、レール削正車を用いなくても波状摩耗を解消することができる。【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両における各車の走行状態を常に把握し、レール頭頂部に発生する凹凸傷（特に波状摩耗やレール削正車によるグラインダ跡）を維持・改善するためのシステムに関するものである。

鉄道車両には、自動車等に搭載されているディファレンシャルギアといった仕組みが搭載されていない場合が多く、車軸で繋がれているため内側の車輪と外側の車輪の回転数が同じだが、カーブでは、摺動経路がより少ない内側の車輪の踏面はスティックスリップ状態となることが考えられる。その結果、特に内軌のレールの頭部には波状摩耗という一定周期の凹凸が生じる原因の一つとなることが多い。

この波状摩耗を解消するには、レール自体の頭部を削正または研摩するのが確実と考えられ、特許文献１には、鉄道レール頭部の再整形装置として、レール上をゆっくりと走行させながら、レールの頭部を再整形ユニット（といし）で研摩する装置およびいわゆるレール削正車が開示されている。

しかし、このような装置で、レールの頭部を削正または研摩するのは、低速でなければ作業ができないため、鉄道車両の営業時間が終了してから、次の営業開始時間までの間に作業を行う必要がある。したがって、作業の進みが遅く、営業路線長が長い場合は、全線に対してレールの頭部を再整形するのは、時間とコストがかかりすぎるという問題があった。

一方、営業車両で波状摩耗を解消しようとする発明も提案されている。特許文献２には、主輪軸とは別に、径の異なる車輪を同軸でつないだ補助車輪を設け、走行させることで、常にスティックスリップ状態にしてレールを強制的に摩耗させることで、営業運転において、レールを研摩するレール削正装置が開示されている。このような研摩は、１回の研摩によってレールの波状摩耗を解消できるものではないが、走行回数の多さによって、研摩量を補充しようとするものである。

特開昭６０−１８１４０２号公報 特開２００４−３００６６７号公報

特許文献２のように、営業車両にレール頭頂面を軽く研摩させる方法は、特許文献１のような研摩車両を走行させるより、簡便でコストもかからない。しかし、特許文献２のように常にレール頭頂面を研摩し続けるのは、走行抵抗が大きくなり、消費電力が必要以上に多くなることや、３軸となることで軸距が長くなれば、曲線走行上不利であること、直線走行では不要で反って余計なものであることも考えられる。

また、基本的に常にスティックスリップ状態で走行するため、線路の痛みの大きい箇所やそうでない箇所との区別がつきにくい。保線作業は、走行データ等を利用して保線箇所を特定することもあるが、最終的には目視で確認する。したがって、保線すべき箇所が視認しやすいことが求められる。

本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものであり、波状摩耗を検出したら、その部分だけ研摩体を当てて、軽い研摩を行うレール保全システムを提供する。

より具体的に本発明に係るレール保全システムは、
鉄道車両における客車に搭載されるレール保全システムであって、
レールの異常状態を検出する異常状態検出器と、
前記レールの頭頂面に研摩子を当てるレール研摩装置と、
前記異常状態検出器で異常状態を検出したら前記研摩子を前記レールの頭頂面に当てるように前記レール研摩装置を制御する制御器を有することを特徴とする。

本発明に係るレール保全システムは、通常の営業車両に搭載することができる。通常運転の客車が本レール保全システムを搭載することで、波状摩耗部分を通過するたびに、少しずつレール頭頂面を研摩することで波状摩耗を解消させることができる。そのため、いわゆるレール削正車を用いなくても、波状摩耗を解消することができる。

また、本発明においてレール保全システムに搭載される研摩子に蛍光体を含有させておくことで、営業車両がレールの異常個所を通過する毎に研摩子をレールに当て、蛍光体がレール周辺に飛散させられるので、夜間であっても、レール保全システムが稼働した場所を目視で容易に発見することができる。

本発明のレール保全システムの構成を示す図である。 異常状態検出器の構成を示す図である。 レール研摩装置の構成を示す図である。 制御器の構成を示す図である。 制御器の処理のフローを示す図である。

以下に本発明に係るレール保全システムについて図面を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係るレール保全システム１の構成を示す。本発明に係るレール保全システム１を搭載する車両６０は、乗客を乗せて所定の区間を運行する客車（営業車両）である。車両６０は、バラスト７０上に敷設された枕木６８で支持されたレール６６上を走行する。鉄道の営業時間が終了した後に、特別に走行させる車両ではない。

したがって、客車が通常有する、台枠６２、側構体、妻構体、屋根構体といった、車体に係る構成や、車軸で連結された輪軸やモータが組み込まれた台車６４といった走行上必要な構成はもとより、座席、網棚、吊皮、乗降口、窓、天井ユニットといった公知の構成は有していてよい。

本発明に係るレール保全システム１は、異常状態検出器１０と、レール研摩装置１２と、制御器１４を有する。異常状態検出器１０は、制御器１４と接続されている。そして、異常状態検出器１０はレール６６の異常状態を検出したら異常状態を通知する信号Ｓｅを制御器１４に送信する。

なお、ここでレール６６の異常状態とは、レール６６の頭頂面に波状摩耗が、許容できない程度に成長した状態を指す。「容認できない程度」は、使用する車両６０の特性や、レール６６が敷設されている状況などから営業者の判断で決められてよい。レール６６の異常状態は、車内若しくは車輪付近での騒音状態が一定レベル以上になった場合や、車両６０の振動量若しくは固有な特定周波数の検出レベルアップが生じたことで検出する。

レール研摩装置１２は、台枠６２若しくは台車６４に固定され、研摩子３６をレール６６に当接させる。レール研摩装置１２も、制御器１４に接続されており、制御器１４からは、駆動関係の指示信号Ｃ_Ｌが送信され、レール研摩装置１２からは、レール研摩装置１２の状態を表す信号Ｓｓが送信される。

制御器１４は、異常状態検出器１０と、レール研摩装置１２を接続され、異常状態検出器１０から異常状態を通知する信号Ｓｅを受信したら、レール研摩装置１２を稼働させ、レール６６の頭頂面を軽く研摩させる。以下、各構成要素について詳説する。

＜異常状態検出器＞
図２に異常状態検出器１０の構成を示す。異常状態検出器１０は、音響若しくは振動によってレール６６の頭頂面の形状の異常を検出する。なお、ここでは、レール６６の頭頂面の形状の異常は、容認できないレベルの波状摩耗をいう。

異常状態検出器１０は、マイク２０と音響解析器２２で構成される音響分析系および振動センサ２４と振動解析器２６で構成される振動分析系の少なくとも何れかを有する。もちろん、両方備えていてもよい。また、異常状態検出制御器２８が設けられていてもよい。

マイク２０は、車内および車外のどこに設置されていてもよいが、波状摩耗に特有の周波数の検出が好適に行える場所がよい。たとえば、車外の車輪の近傍は、異音の発生源に近いので好ましいが、走行における風切り音などの雑音も音として拾ってしまう。

一方、車両内部は車輪から離れているが、車両自体が共鳴器となり、車輪で発生した音を増幅した状態で記録することもできる。音響解析器２２は、マイク２０で記録した音声の電気信号を周波数解析するもので、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）装置が好適に利用できる。

マイク２０で取得した音響の周波数信号をどのように分析するかは、限定されるものではないが、明らかに波状摩耗が生じていない軌道上を走行しているときの音響の周波数信号との相違点を検出し、予め設定された閾値と比較することで、容認できない波状摩耗が生じているか否かを判断してよい。容認できない波状摩耗が発生していると判断できる場合は、音響解析器２２が異常状態を通知する信号Ｓ_Ａを発信する。

振動センサ２４は、加速度センサ等が好適に利用できる。振動センサ２４は、車両内部に取り付けることができるが、台枠６２に取り付けるのが好ましい。台車６４と台枠６２は十分強固に固定してあるため、車輪で生じる振動が台枠６２に直接伝わるからである。また、台車６４からの立ち上げケーブルの断線などの振動原因回避をすれば、もちろん、台車６４に直接取り付けることでもよい。

振動解析器２６も振動センサ２４で得た信号の周波数分析するのが好適である。したがって、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）装置が好適に利用できる。振動センサ２４で取得した振動の周波数信号をどのように分析するかは、限定されるものではないが、明らかに波状摩耗が生じていない軌道上を走行しているときの振動の周波数信号との相違点を検出し、予め設定された閾値と比較することで、容認できない波状摩耗が生じているか否かを判断してよい。容認できない波状摩耗が発生していると判断できる場合は、振動解析器２６が異常状態を通知する信号Ｓ_Ｖを発信する。

音響系および振動系での異常状態を判断するための閾値は、それぞれで決定することができる。したがって、信号Ｓ_ＡおよびＳ_Ｖはそれ自体で通知信号Ｓｅとなり得る。

異常状態検出器１０が、音響系および振動系の２系統を有している場合は、異常状態検出制御器２８を設けるのが望ましい。異常状態検出制御器２８は、音響系および振動系からの信号Ｓ_Ａおよび信号Ｓ_Ｖから異常な状態か否かを判断し、異常と判断した場合は、異常状態検出器１０として、制御器１４に信号Ｓｅを送信する。

なお、異常状態検出制御器２８が設けられた場合は、信号Ｓ_Ａおよび信号Ｓ_Ｖは、異常か否かの判断だけでなく、実際のＦＦＴの結果を送ってもよい。異常状態か否かの判断を異常状態検出制御器２８に委ねる趣旨である。

また、異常状態検出器１０は速度情報ｖを参照してもよい。駅の付近で線路の切り替え等が行われる際の異音や異常振動は、波状摩耗に基づく現象とは言えない場合が多いからである。なお、図１では、速度情報ｖは、制御器１４が受け取るとしている。これは異常状態検出制御器２８が制御器１４の代用をすることもできるからである。

＜レール研摩装置＞
図３にレール研摩装置１２の構成を示す。図３（ａ）は、研摩子３６が引き上げられている場合であり、図３（ｂ）は研摩子３６がレール６６に接触させられている状態を示している。レール研摩装置１２は、駆動部３０と、駆動制御部３２と、ホルダー３４と、研摩子３６と、荷重センサ３８および抗力センサ４０で構成される。駆動部３０は、研摩子３６を保持するホルダー３４を所定の圧力でレール６６に押し付けることのできる機構が内蔵された筐体である。

駆動制御部３２は、制御器１４からの指示信号Ｃ_Ｌを受けて、駆動部３０にホルダー３４を降下させ、レール６６の頭頂面に研摩子３６を当接させる、若しくは引き上げる。

レール研摩装置１２は、荷重センサ３８と抗力センサ４０を有する。荷重センサ３８は、研摩子３６とレール６６との接触圧（重力方向上からの押付圧Ｆ_Ｌ）を測定するセンサである。また抗力センサ４０は、研摩子３６がレール６６から受ける走行方向の圧力（抗力Ｆ_Ｒ）を測定するセンサである。

レール研摩装置１２では、研摩子３６のレール６６に対する押付圧Ｆ_Ｌを研摩子３６がレール６６から受ける走行方向の抗力Ｆ_Ｒに基づいて制御することもできる。すなわち、車両６０が低速で走行している際は、研摩子３６とレール６６との押付圧Ｆ_Ｌを強くし、車両６０の走行速度が高い場合は、研摩子３６とレール６６との押付圧Ｆ_Ｌを弱くする。これらの制御は駆動制御部３２が行ってもよい。

本発明のレール保全システム１は、営業走行中の各列車が波状摩耗に遭遇した際に、少しずつレール６６の表面を削正することで、レール頭頂面の成形を図ろうとするもので、一気にレール頭頂面の波状摩耗を解消するほど研摩するのが目的ではない。つまり、研摩子３６の１回の接触で多くの研摩量を得ようとするものではない。また、研摩子３６をレール６６に押し当てることで、電車の走行にブレーキをかけてはいけない。したがって、研摩子３６は軽くレール６６の頭頂面に接触させるだけでよい。

しかし、営業走行でも曲線で大きくは走行速度は変わらないが、特に直線走行での高速移動の際のレール６６の研摩では、レール６６との押圧が一定だと、車両６０の走行速度によって研摩量が変わってしまう。そこで、研摩子３６のレール６６に対する押付圧Ｆ_Ｌを走行中にレール６６に当てた際の研摩子３６が受ける車両進行方向に対する抗力Ｆ_Ｒによって、決めようとするものである。

制御の方法として好適な方法は、研摩子３６が受ける抗力Ｆ_Ｒが車両速度に関わらず一定の範囲になるように制御する。したがって、車両速度と研摩子３６のレール６６への押付圧Ｆ_Ｌは反比例の関係となる。

駆動制御部３２は、この時の押付圧Ｆ_Ｌおよび抗力Ｆ_Ｒに対応する荷重信号ＳＦ_Ｌと抗力信号ＳＦ_Ｒを荷重センサ３８および抗力センサ４０から受け取り、研摩子３６の押付圧を調整する。なお、荷重信号ＳＦ_Ｌと抗力信号ＳＦ_Ｒは、通知信号Ｓｓとして制御器１４にも送信することができる。

また、研摩子３６は、レール６６の保線で使用するグラインダなどの砥石ほど固くはなく、いわゆる車輪踏面を清掃するための研摩子相当であってよい。材料としては、一般に知られているもので構成されていてよい。

また、研摩子３６には蛍光体が含有されるのが望ましい。本発明では、「波状摩耗」が発生したと考えられる地点のレール６６に研摩子３６を接触させるので、研摩子３６の摩耗粉もレール６６の周辺に飛び散る。そしで、全ての営業車両で波状摩耗箇所に研摩子３６を接触させる。したがって研摩子３６が接触したレール６６の付近には、研摩子３６の摩耗粉が堆積する。そこで、研摩子３６の摩耗粉中に蛍光体を存在させておけば、保線作業をする際に対象となるレールが特定しやすくなる。

特に、保線作業は営業車両の走行が終了した後の夜間に行われることが多い。したがって、蛍光体であれば、ライトの照明で発光し、容易に研摩子３６が接触したレール６６を特定することができる。

＜制御部＞
図４には制御器１４の構成を示す。制御器１４は、ＭＰＵ１４ｐ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）とメモリ１４ｍで構成される。制御器１４は、異常状態検出器１０からの通知信号Ｓｅを受け、レール研摩装置１２に研摩子３６をレール６６の頭頂面に接触させるために、指示信号Ｃ_Ｌを送信する。そして、研摩子３６の接触状態（押付圧Ｆ_Ｌおよび抗力Ｆ_Ｒ）を通知信号Ｓｓで受ける。

これらの工程をＭＰＵ１４ｐはメモリ１４ｍ中に発生時刻とともに記録する。したがって、メモリ１４ｍ中には、異常状態発生時刻、研摩子３６の押し当て時刻、研摩子３６の押し当て状態、研摩子３６の引き上げ時刻が記録される。車両６０の走行路線はダイヤによって決められているので、少なくとも異常状態発生時刻、研摩子３６の押し当て時刻、研摩子３６の引き上げ時刻が判れば、線路のどこの部分で異常状態の判断が行われたかがわかる。したがって、保線をする際には、どこの区間のレール６６が対象かがわかる。

もちろん、保線は現場を確認して行われるので、研摩子３６に蛍光体が含まれていれば、なおさら、対象のレール６６を容易に特定できる。

図５には、制御器１４の処理フローを示す。図５を参照して、処理がスタートすると（ステップＳ１００）、終了判定と行う（ステップＳ１０２）。終了判定の基準は営業区間の走行終了であってもよいし、１日の営業走行の終了であってもよい。また、運転者等による強制的な終了であってもよい。

終了する際（ステップＳ１０２のＹ分岐）は、終了する（ステップＳ１０４）。なお、ステップＳ１０４の処理には、制御器１４中のメモリ１４ｍ中のデータをセンター等に転送する終了処理を含めてもよい。

終了しない場合（ステップＳ１０２のＮ分岐）は、異常状態検出器１０から通知信号Ｓｅを受信したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。受信していなければ（ステップＳ１０６のＮ分岐）は、再び処理をステップＳ１０６に戻す。

通知信号Ｓｅを受信した場合（ステップＳ１０６のＹ分岐）は、レール研摩装置１２に指示信号Ｃ_Ｌを送信し、研摩子３６をレール６６に接触させる（ステップＳ１０８）。図５では、「研摩子ＤＯＷＮ」と表した。そして、さらに異常状態検出器１０から異常状態の通知信号Ｓｅが送られているか否かを判断する（ステップＳ１１０）。通知信号Ｓｅを受信していれば（ステップＳ１１０のＹ分岐）、研摩子３６をレール６６に接触させる工程を続ける（ステップＳ１０８）。

通知信号Ｓｅによって異常状態が解消されたと判断した場合（ステップＳ１１０のＮ分岐）は、レール研摩装置１２に研摩子３６を引き上げるように指示信号Ｃ_Ｌを送信する（ステップＳ１１２）。図では、「研摩子ＵＰ」と記載した。そして、処理を再び終了判断（ステップＳ１０２）に戻す。

制御器１４の以上の処理によって、本発明に係るレール保全システム１は、レール６６の状態を異常状態と判断した箇所で研摩子３６がレール６６に接触し、わずかにレール６６を研摩する。しかし、ほぼ全ての営業車両で同様の操作が行われるので、波状摩耗が生じたレール６６は、研摩を受け、波状摩耗の成長の抑制と、削正が行われる。結果、保線の手間を軽減することができる。

本発明はレール保全システムに好適に利用することができる。

１ レール保全システム
１０ 異常状態検出器
１２ レール研摩装置
１４ 制御器
１４ｐ ＭＰＵ
１４ｍ メモリ
２０ マイク
２２ 音響解析器
２４ 振動センサ
２６ 振動解析器
２８ 異常状態検出制御器
３０ 駆動部
３２ 駆動制御部
３４ ホルダー
３６ 研摩子
３８ 荷重センサ
４０ 抗力センサ
６０ 車両
６２ 台枠
６４ 台車
６６ レール
６８ 枕木
７０ バラスト
Ｓｅ 信号
Ｓｓ 信号
Ｓ_Ａ 信号
Ｓ_Ｖ 信号
ｖ 速度情報
Ｃ_Ｌ 指示信号
Ｆ_Ｌ 押付圧
Ｆ_Ｒ 抗力

Claims (3)

1. 鉄道車両における客車に搭載されるレール保全システムであって、
   レールの異常状態を検出する異常状態検出器と、
   前記レールの頭頂面に研摩子を当てるレール研摩装置と、
   前記異常状態検出器で異常状態を検出したら前記研摩子を前記レールの頭頂面に当てるように前記レール研摩装置を制御する制御器を有することを特徴とするレール保全システム。
2. 前記研摩子には蛍光体が含有されていることを特徴とする請求項１に記載されたレール保全システム。
3. 前記研摩子を前記レールに接触させる際の接触圧は、前記研摩子が受ける前記鉄道車両の進行方向に対する抗力に基づいて決定されることを特徴とする請求項１または２の何れかの請求項に記載されたレール保全システム。

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