JP3944300B2 - レール応力測定用治具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気異方性センサを用いてレール応力を測定する際に使用するレール応力測定用治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道軌道を構成するレールは両端が自由に伸縮できないため、温度変化により伸縮力が生じた場合、その伸縮力は圧縮力または引張力として内部に潜在する。これが内部応力であり、この内部応力のうちレールの長手方向の成分をレール応力と呼ぶ。なお、内部応力には、レールの製造過程の外力の一部が残留する残留応力もある。
【０００３】
ところで、低温のためにレールにおいて大きな引張力が発生すると、レール自身に切れ目が入るおそれがあり、逆に、高温のために大きな圧縮力が発生すると、いわゆる座屈現象がおきるおそれがある。このため、例えば所定の最適温度において軌道整備を行うことにより、このような問題が発生するのを防止することがある。
【０００４】
しかしながら、最適に調整された軌道においても、温度のほか種々の要因の変化によりレールに異常をきたすことが考えられる。このため、レール応力を適宜測定して、上記のような問題が発生するのを未然に防ぐことが必要とされる。
このようなレール応力を適宜測定するための測定器としては、磁気異方性センサを利用したものが提案されている。図４（ａ）、（ｂ）は磁気異方性センサの説明図であるが、この図を用いて、レール応力の測定原理を簡単に説明する。一軸応力の作用するレール上に磁気異方性センサが置かれている場合を考える。この磁気異方性センサは二つのコの字形のコア７１、７２が直交するように組み合わされ、それらの脚には巻線Ｅ１、Ｅ２および巻線Ｄ１、Ｄ２が巻かれている。そして、巻線Ｅ１、Ｅ２は直列に接続されて磁化コイルを構成し、巻線Ｄ１、Ｄ２は直列に接続されて検出コイルを構成している。そして、磁気異方性センサとレールとにより一種のトランスが形成され、磁化コイルの両端子間に交流電圧Ｖｅをかけて巻線Ｅ１、Ｅ２に適当な周波数の交流電流ｉｅを流すと、検出コイルである巻線Ｄ１、Ｄ２には電圧Ｖｄが誘起される。
【０００５】
磁束は巻線Ｅ１から巻線Ｅ２へ直接向かうものだけでなく、広がりをもっている。この広がった磁束について考える。巻線Ｅ１から出た磁束は巻線Ｄ１または巻線Ｄ２に達すると、磁束の通りやすい（透磁率の高い）検出用のコア７２中を経て巻線Ｅ２に入る。その経路を図４（ａ）に実線と破線で示す。磁化コイルには一定振幅の交流電流ｉｅが供給されているので、検出コイルには実線と破線で示した磁束の差に比例した電圧が発生する。この差は応力の作用方向とそれに垂直な方向の透磁率μ１およびμ２の差に比例する。上で述べたように、引張応力が作用する場合にはμ２が減少し、圧縮応力が作用する場合にはμ１が減少する。引張と圧縮の区別は、同期整流によって検出電圧が正および負になることでわかる。検出電圧と作用電力の関係を予め求めておけば、このセンサで応力が測定できる。
【０００６】
ところで、このように磁気異方性センサを利用してレール応力を測定する測定用治具としては、例えば図５に示すように、磁気異方性センサをレールの底面上部に取り付けるための取付具８０が知られていた（特開昭５８−２１６９２４号参照）。この取付具８０は、非磁性材料製であり、レールの底面に外方より挿入し、蝶ネジ８２、８２で締め付けてレールに固定するものである。また、取付具８０の円筒部８１には、磁気異方性センサが内蔵される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５の取付具８０では、蝶ネジ８２、８２の締め具合によってセンサ面とレール面との距離が微妙に変化するおそれがあり、これによって測定するたびに測定結果が変動するおそれがあった。
【０００８】
また、取付具８０をレールの底面に外方から挿入する場合、その前処理としてレール底面周囲に存在するバラスト（砕石）を取り除く必要があり、後処理としてバラストをもとに戻す作業が必要なため、レールへの取り付けや取り外しが煩雑であった。
【０００９】
更に、磁気異方性センサは軸回転可能に支持されているため、磁気異方性センサを位置固定した状態で測定しようとすると、測定するたびに測定結果が変動するおそれがあった。これは、４つの接点すなわちコア７１の両端７１ａ、７１ｂとコア７２の両端７２ａ、７２ｂが四角形を形成するように配置されたセンサ面（図５（ｂ）参照）が測定するたびに微妙に軸回転して、これら４つの接点７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの対角線と水平線とのなす角度が変動し、これによって測定するたびに測定結果が変動したものと考えられる。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、レールへの取り付けや取り外しが容易で、しかも再現性のよい測定結果が得られるレール応力測定用治具を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、本発明のレール応力測定用治具は、
開閉動作可能であり、レールを左右両側から挟み込むことが可能な一対のアームと、
前記一対のアームに取り付けられ、該一対のアームが閉じるように付勢する付勢部材と、
前記一対のアームの一方に設けられ、磁気異方性センサのセンサ面をレールの被測定面に向けた状態で前記磁気異方性センサを支持可能なホルダと
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の測定用治具では、まず、ホルダに磁気異方性センサを支持させ、その状態で付勢部材の付勢力に抗して一対のアームを開く。そして、開いた状態の測定用治具をレールの上方から被せ、付勢部材の付勢力により両アームを閉じる。すると、測定用治具の一対のアームは、付勢部材の付勢力によりレールを挟み込んだ状態で堅固に保持される。このように保持されたアームのホルダには、センサ面をレール被測定面に向けた状態で磁気異方性センサが支持されている。その後、磁気異方性センサによりレール応力の測定を行う。
【００１３】
本発明の測定用治具によれば、磁気異方性センサはレールを挟み込んだ状態で堅固に保持された一対のアームの一方に設けられたホルダに支持されているので、レールの被測定面に対するセンサ面の姿勢が測定ごとに変化するのを抑えられる。このため、測定ごとにレール応力の値が変動することが少なく、再現性のよい測定結果が得られる。また、付勢部材の付勢力によりレールを左右両側から一対のアームによって挟み込む構成のため、レールへの取り付けや取り外しが容易である。
【００１４】
本発明の測定用治具においては、一対のアームのうちホルダが設けられたアームには、レール頭頂面に当接する頭頂面当接部およびレール側面（例えばレール腹部やレール底部側面など）に当接する側面当接部を有していることが好ましい。この場合、一対のアームは少なくとも頭頂面当接部と側面当接部の２点で位置決めされるため、レールに対する一対のアームの姿勢がほぼ一義的に決まる。このため、レールの被測定面に対するセンサ面の姿勢が測定ごとに変化するのを一層抑えることができ、より再現性のよい測定結果が得られる。
【００１５】
このとき、ホルダ内には磁気異方性センサのセンサ面をレールの被測定面に向かって付勢する弾性部材が設けられ、センサ面はレールの被測定面との間隔を所定距離に保つ介在部材を介して弾性部材の付勢によりレールの被測定面に押し付けられるように構成してもよい。この場合、前述のとおりレールに対する一対のアームの姿勢がほぼ一義的に決まるうえ、磁気異方性センサは弾性部材の付勢によりそのセンサ面が介在部材を介してレールの被測定面に押し付けられるため、レールに対するセンサ面の姿勢もほぼ一義的に決まる。この結果、磁気異方性センサをホルダに支持する際のバラツキを解消でき、より再現性のよい測定結果が得られる。なお、センサ面とレールの被測定面との間隔ｄは例えば０＜ｄ＜１ｍｍとするのが好ましい。
【００１６】
ところで、一般にセンサ面は通常４つの接点が四角形を形成するように配置されているが、これら４つの接点の対角線と水平線とのなす角度が測定ごとに変動するとすれば、レール応力の測定値も変動する。この点に鑑み、本発明の測定用治具においては、断面略多角形状または断面略楕円状の磁気異方性センサを用い、ホルダをこの磁気異方性センサと略同形状の孔として形成するのが好ましい。この場合、ホルダ内に支持された磁気異方性センサは軸回転不能であるため、上記４つの接点の対角線と水平線とのなす角度が測定ごとに変化することがない。このため、より再現性のよい測定結果が得られる。なお、上記角度は４５°前後であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の測定用治具においては、レールの被測定面はレール腹部であることが好ましい。この場合、レール腹部はレールの他の箇所に比べて広範囲に平面を有するため、センサ面を設置しやすい。
更に、本発明の測定用治具においては、一対のアームのうち少なくとも一方は、レールの外観形状に沿って形成されていることが好ましい。この場合、アームがレールの外観形状に沿って形成されているため、測定用治具をレール上に位置決めする際に、位置決めしやすい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態の正面図、図２は同じく右側面図である。
本実施形態のレール応力測定用治具（以下、単に治具という）１は、主として、一対のアームすなわち第１アーム２及び第２アーム３、両アーム２、３間に掛け渡された一対のレール挟み用バネ（本発明の付勢部材に相当）４、４、第２アーム３に設けられたホルダ５などから構成されている。
【００１９】
第１アーム２と第２アーム３は、非磁性のプラスチック製であり、互いに蝶番６を介して連結されている。この第１アーム２と第２アーム３は、蝶番６を軸として開閉可能であり、レール５０の左右両側から挟み込むことが可能である。
第１アーム２は図１に示されるように略コの字状に形成され、先端面に設けられたＶ溝２ａにアルミ丸棒７が固着されている。このアルミ丸棒７はレール５０の腹部（被測定面と反対側の面）と直接接触する部材である。
【００２０】
第２アーム３は、レール５０に面する側に、頭頂面当接部８、頭側面当接部９、底側面当接部１０（後二者が本発明の側面当接部に相当）を有している。頭頂面当接部８は、レール頭頂面５１に当接する板部材であり、第２アーム３の上部下面から下向きに延び出した支持部材１１の端面に設けられている。頭側面当接部９は、レール頭側面５２に当接する板部材であり、第２アーム３の内側面の上方から水平に延び出した支持部材１２の端面に設けられている。底側面当接部１０は、レール底側面５３に当接する板部材であり、第２アーム３の内側面の下方から水平に延び出した支持部材１３の端面に設けられている。これらの当接部８、９、１０は、測定しようとするレール５０の規格に応じてその位置関係が決められている。また、第２アーム３の表側および裏側には、レール頭側面５２からレール底側面５３にかけての曲線形状に沿って形成された板状部材１４がそれぞれ設けられている。
【００２１】
各レール挟み用バネ４は、第１アーム２のバネ挿通孔２ｂに一端が固定され、支持部材１１のバネ挿通孔１１ｂを通って、第２アーム３のバネ挿通孔３ｂに他端が固定されており、第１アーム２と第２アーム３とが蝶番６を軸として閉じるように付勢している。
【００２２】
ホルダ５は、第２アーム３のうち頭側面当接部９と底側面当接部１０の中間に、直方体形状（断面略四角形）の磁気異方性センサ３０と同形状の内部空間として形成されている。この内部空間のうちレール５０側の開口は開放されているが、レール５０と反対側の開口は閉塞板１５によって閉じられている。このホルダ５は、センサ面３１をレール５０に向けた状態で磁気異方性センサ３０を支持するものである。また、ホルダ５内にはセンサ押付け用バネ１６（本発明の弾性部材に相当）が配設され、このセンサ押付け用バネ１６はその付勢力により磁気異方性センサ３０をホルダ５のレール５０側の開口から外方に突出するように作用している。
【００２３】
磁気異方性センサ３０は、図示しない測定器本体に接続されている。その測定器本体は、図示しないスイッチを押すと磁気異方性センサ３０が作動してレール応力の測定が行われ、その測定結果がプリントアウトされるものである。磁気異方性センサ３０は、［従来の技術］の欄で説明したとおり、図４（ａ）に示すような二つのコの字形のコア７１、７２が直交するように組み合わされ、図２に示すように、そのコア７１、７２の両端である４つの接点７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂがセンサ面３１上に四角形を形成するように露出している。そして、ホルダ５内にこの磁気異方性センサ３０を挿入したとき、これら４つの接点７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの対角線ＣＬと水平線ＨＬとのなす角度が、約４５°に固定されるように設計されている。また、センサ面３１は磁気異方性センサ３０の外郭をなすケース３２（本発明の介在部材に相当）を介してレール腹部５４（本発明のレール被測定面に相当）に接触するように構成されている。つまり、センサ面３１はケース３２を介してレール腹部５４と所定間隔（コンマ数ｍｍ）をもって配置される。
【００２４】
次に、本実施形態の治具１の使用方法について説明する。まず、直方体状の磁気異方性センサ３０を治具１のホルダ５内に挿入する。このとき、磁気異方性センサ３０のセンサ面３１側は、センサ押付け用バネ１６の付勢によってホルダ５のレール５０側の開口から外方向に突出した状態となる。
【００２５】
続いて、レール挟み用バネ４、４の付勢力に抗して、第１アーム２と第２アーム３を蝶番６を軸として開いた状態とし、測定しようとするレール５０の上方から被せる。そして、頭頂面当接部８をレール頭頂面５１に当接させ、頭側面当接部９をレール頭側面５２に当接させ、底側面当接部１０をレール底側面５３に当接させた状態すなわち位置決めした状態で、レール挟み用バネ４、４の付勢力により両アーム２、３を閉じる。すると、レール５０は治具１の第１アーム２と第２アーム３によって挟み込まれた状態となる。
【００２６】
このとき、レール挟み用バネ４、４のバネ力により、第１アーム２のアルミ丸棒７及び第２アーム３の各当接部８、９、１０はレール５０に押し付けられた状態となり、堅固に保持される。第２アーム３は３点で位置決めされるため、レール５０に対する第１及び第２アーム２、３の姿勢がほぼ一義的に決まる。また、磁気異方性センサ３０のセンサ面３１は、センサ押付け用バネ１６のバネ力により、ケース３２を介してレール腹部５４に押し付けられた状態となる。このため、レール５０に対するセンサ面３１の姿勢は、レール腹部５４から所定距離だけ隔てた位置にて、ほぼ一義的に決まる。なお、レール挟み用バネ４のバネ力は、センサ押付け用バネのバネ力よりも大きい。
【００２７】
この状態で、磁気異方性センサ３０に接続された図示しない測定器本体のスイッチをオンしてレール応力の測定を行う。測定結果はこの測定器本体からプリントアウトされる。
次に、実際に、本実施形態の治具１を用いて磁気異方性センサ３０を実験用レール（長さを短く切断したレール）に取り付け、この実験用レールの腹部の応力を測定し、その後この治具を取り外すという測定作業を複数回繰り返した。一方、比較対照として、ゴムバンドで周りを巻くようにして磁気異方性センサ３０を実験用レールに取り付け、この実験用レールの腹部の出力電圧を測定し、その後磁気異方性センサ３０を取り外すという測定作業を複数回繰り返した。
【００２８】
その結果を下記表１に示す。この表１から明らかなように、本実施形態の治具１を用いた場合には、測定ごとの出力電圧値にばらつきが少なく、再現性が極めて高かった。これに対して比較対照ではばらつきが大きく、再現性が乏しかった。
【００２９】
なお、本発明の測定器出力電圧は実際の応力値と比例関係にあり、応力値の明確なレールを用意すること、あるいは、レールに応力をかけて測定することにより、簡単に電圧値−応力値の更正ができる。
【００３０】
【表１】

【００３１】
以上詳述した本実施形態の治具１によれば、以下の効果が得られる。
▲１▼第２アーム３は頭頂面当接部８、頭側面当接部９、底側面当接部１０の３点で位置決めされているため、レール５０に対する第１及び第２アーム２、３の姿勢がほぼ一義的に決まる。このため、レール腹部５４に対するセンサ面３１の姿勢が測定ごとに変化するのを抑えることができ、再現性のよい測定結果が得られる。
【００３２】
▲２▼ホルダ５内には磁気異方性センサ３０のセンサ面３１をレール腹部５４に向かって付勢するセンサ押付けバネ１６が設けられ、センサ面３１はレール腹部５４との間隔を所定距離に保つケース３２を介してセンサ押付けバネ１６の付勢によりレール腹部５４に押し付けられているため、レール５０に対するセンサ面３１の姿勢はほぼ一義的に決まる。この結果、磁気異方性センサ３０をホルダ５に支持する際のバラツキを解消でき、より再現性のよい測定結果が得られる。
【００３３】
▲３▼磁気異方性センサ３０の断面を略四角形状とし、ホルダ５もこの形状に合わせて形成したため、ホルダ５内で磁気異方性センサ３０が軸回転してしまうことがなく絶えず一定の姿勢で保持される。このため、レール応力の測定値の変動が抑えられ、再現性のよい測定結果が得られる。
【００３４】
▲４▼治具１は第１アーム２と第２アーム３を開閉してレール５０を挟み込むタイプのため、取り付けや取り外しの作業が簡便で済み、しかも持ち運び易い。
▲５▼比較的広い平面を有するレール腹部５４に磁気異方性センサ３０を押し付けて測定するため、誤差が少ない。
【００３５】
▲６▼第２アーム３の表裏を囲む板状部材１４、１４をレール５０に沿った形状に形成したため、治具１をレール５０に対して位置決めしやすい。
尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【００３６】
例えば、図３に示すように、ホルダ５内にセンサ押付けバネ１６を設ける代わりに、磁気異方性センサ３０を台部材３５を介して閉塞板１５にネジ等で固定するようにし、治具１をレール５０に装着したときのセンサ面３１とレール腹部５４との間隔が所定間隔（コンマ数ｍｍ）となるように設計されていてもよい。この場合も、上記▲１▼、▲３▼〜▲６▼の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態のレール応力測定用治具の正面図である。
【図２】 本実施形態のレール応力測定用治具の右側面図である。
【図３】 別の実施形態のレール応力測定治具の部分説明図である。
【図４】 磁気異方性センサの説明図である。
【図５】 従来の磁気異方性センサの取付用治具の説明図である。
【符号の説明】
１・・・レール応力測定用治具、２・・・第１アーム、３・・・第２アーム、４・・・レール挟み用バネ、５・・・ホルダ、８・・・頭頂面当接部、９・・・頭側面当接部、１０・・・底側面当接部、１６・・・センサ押付け用バネ、３０・・・磁気異方性センサ、３１・・・センサ面、３２・・・ケース、５０・・・レール、５１・・・レール頭頂面、５２・・・レール頭側面、５３・・・レール底側面、５４・・・レール腹部、７１、７２・・・コア、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ・・・接点。

Claims (6)

1. 開閉動作可能であり、レールを左右両側から挟み込むことが可能な一対のアームと、
   前記一対のアームに取り付けられ、該一対のアームが閉じるように付勢する付勢部材と、
   前記一対のアームの一方に設けられ、磁気異方性センサのセンサ面をレールの被測定面に向けた状態で前記磁気異方性センサを支持可能なホルダと
   を備えたことを特徴とするレール応力測定用治具。
2. 前記一対のアームのうち前記ホルダが設けられたアームは、レール頭頂面に当接する頭頂面当接部およびレール側面に当接する側面当接部を有していることを特徴とする請求項１記載のレール応力測定用治具。
3. 前記ホルダ内には前記磁気異方性センサのセンサ面をレールの被測定面に向かって付勢する弾性部材が設けられ、前記センサ面はレールの被測定面との間隔を所定距離に保つ介在部材を介して前記弾性部材の付勢により前記レール被測定面に押し付けられることを特徴とする請求項２記載のレール応力測定用治具。
4. 前記磁気異方性センサは断面略多角形状または断面略楕円状に形成され、前記ホルダは前記磁気異方性センサと略同形状の孔として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレール応力測定用治具。
5. 前記レールの被測定面はレール腹部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレール応力測定用治具。
6. 前記一対のアームのうち少なくとも一方は、レールの外観形状に沿って形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレール応力測定用治具。

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