JP3967942B2 - レール変動量測定方法と、レール変動量及びレールの遊間測定方法と、それら測定に使用される測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道用ロングレールの変動量(可動区間の伸縮量及びふく進量)測定方法と、ロングレールの変動量と鉄道用定尺レールの遊間とを一台の測定装置で同時に測定可能なレール変動量及びレールの遊間測定方法と、それら測定に使用される測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉄道用レールには通常の長さの定尺レールと、ロングレール(通常200m以上)とがある。定尺レールの継目には遊間がある。ロングレールは継目に遊間がなく、受レールとトングレールとが突き合わされている。いずれにしても鉄道用レールは外気温度の変化に伴って伸縮する。その伸縮により、定尺レールの場合は遊間長が伸縮する。ロングレールの場合はレール両端部(可動区間)が伸縮する。ロングレール中央部(不動区間)は、本来は外気温度の変化ではレールの伸縮も移動も発生しないはずであるが、車両の推進力や制動力、或は衝撃とか他の物理的原因によりレール全体が移動する場合がある。レール全体の移動は「ふく進」と称され、その移動量は「ふく進量」と称されている。
【0003】
遊間が小さ過ぎるとレールの僅かな伸びで遊間がなくなり、いわゆる盲遊間となる。この状態でレールが更に温度上昇するとレールはそれ以上伸びることができないため、レールの内部に大きな軸圧が生じ、レール座屈の原因となる。逆に、遊間が大き過ぎると、車両が遊間を通過する際に大きな衝撃力が生じて乗り心地が悪くなるばかりでなく、軌道に継目落ちが生じて継目の軌道破壊が促進される。この状態でレール温度が低下すると遊間は更に大きくなり、遊間が開口限度に達した以後は継目板ボルトにレールの収縮による力がかかり、継目板ボルトが破断することになる。
【0004】
上記問題やレール張り出し事故等を防止するため、遊間は適正な間隔にしておく必要がある。そのため従来から遊間管理が行われている。遊間管理は遊間測定、遊間の判定、不良箇所の遊間整正という一連の作業を通じて常に良好な状態に遊間を保つようにしている。
【0005】
ロングレールの場合は、伸縮継目で異常伸縮が発生すると、軌間拡大や軌間縮小が発生したり、不動区間に軸圧が付加されてレールの張り出し(座屈)が発生し、伸縮継目や座屈箇所で乗り心地が悪くなったり、脱線したりする虞れがある。それらを予防するために鉄道各社では、前記伸縮量を定期的に測定してレール管理を行っている。また、ふく進量が一定量を超えるとレールが座屈変形して車両が脱線することがあるため、不動区間におけるふく進量も定期的に測定してレール管理を行っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記遊間測定は高速走行列車にセンサと信号処理器を搭載して自動測定が行われている。この自動測定は従来の手作業による測定に比して効率がよく、特別問題はない。ロングレールの変動量測定は依然として手作業により行われている。昨今は継目のある定尺レールと継目のないロングレールとが混在して敷設されているため、ロングレールの変動量測定も遊間測定と同様に、高速走行列車で測定できるようにすることが望まれている。更に、ロングレールの変動量と遊間とが一台の測定装置で同時に測定できるようになると、測定作業の効率が飛躍的に向上する。しかし、そのような測定方法や測定装置は未だに開発されていない。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、レール上を走行する車両(例えば営業列車や測定専用列車、測定用トロッコ等)内でレール変動量の測定を行うことができ、又、レール変動量と遊間の測定を一台で同時に行うことができ、メンテナンスの手間がかからず、ローコストである測定方法とその測定装置を提供し、レールを適正に管理できるようにすることにある。
【0008】
本件発明のレール変動量測定方法は、図1の車上の送信機1から送信される駆動信号aにより、レール2の外側に固定された基準物3に取り付けてあるレーザ発振器4を駆動してそれから水糸代替レーザ光5を出力し、この水糸代替レーザ光5を、レール2を挟んで前記レーザ発振器4と反対側のレール外側に設けられている遮光板18に向けて照射して当該水糸代替レーザ光5がレール2を横断するようにし、レール2を走行する車上の受光センサ7で前記水糸代替レーザ光5を受光して水糸代替信号を出力し、レール2に設けたポンチマーク代替物8を車上の識別センサ9により検知して同センサ9よりポンチマーク代替信号を出力し、車上のレーザ・ドップラ・センサ12からドップラ信号を出力し、前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりレールの変動量を計測する方法である。前記測定において、車上の温度センサ15によりポンチマーク代替物8付近のレール温度を測定し、その測定値によりレール変動量の計測値を判定することもできる。前記測定において、車上のレーザ・ドップラ・センサ12により車両の移動距離をも検知し、それに基づいて基準物3、ポンチマーク代替物8等の位置も算出できるようにした。前記測定において水糸代替レーザ光5をレール2の上下方向に縦長とした。
【0009】
本件発明のレール変動量及び遊間測定方法は、車上の送信機1から送信される駆動信号aにより、レール2の側方に固定された基準物3に取り付けてあるレーザ発振器4を駆動してそれから水糸代替レーザ光5を出力し、その水糸代替レーザ光5を、レール2を挟んで前記レーザ発振器4と反対側のレール外側に設けられている遮光板18に向けて照射して水糸代替レーザ光5がレールを横断するようにし、レール2を走行する車上の受光センサ7で前記水糸代替レーザ光5を受光して水糸代替信号を出力し、レール2に設けたポンチマーク代替物8と遊間/ロング識別体11(図4)を車上の識別センサ9により検知して同センサ9よりポンチマーク代替信号と遊間/ロング判別信号とを出力し、この遊間/ロング判別信号により遊間測定とロング測定を切替え、前記車上のレーザ・ドップラ・センサ12からドップラ信号を出力し、車上の遊間識別センサ13からレール2の各継目における遊間の幅に応じた遊間識別信号を出力し、前記遊間/ロング判別信号によりロング測定に切替えられたときは前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりレールの変動量を計測し、遊間測定に切替えられたときは各遊間識別信号のパルス幅を前記ドップラ信号により測定して遊間測定する方法である。前記測定において、車上の温度センサ15によりポンチマーク代替物8、遊間位置付近のレール温度を測定し、その測定値によりレール変動量の計測値および遊間計測値を判定することもできる。車上のレーザ・ドップラ・センサ12により車両の移動距離をも検知し、それに基づいて、ロングレール測定の場合は基準物3、ポンチマーク代替物8等の位置を算出し、遊間測定の場合はレール長及び遊間の位置を測定することもできる。前記測定において、水糸代替レーザ光5をレール2の上下方向に縦長とし、遊間識別用レーザ光14をレール2の幅方向に細長とするのが適する。
【0010】
本件発明のレール変動量測定装置は、レール2の外側に固定した基準物3に取り付けられたレーザ発振器4と、レール2を挟んでレーザ発振器4と反対側のレール外側に設けられた遮光板18と、レールに取り付けたポンチマーク代替物8とが地上に設けられ、前記レーザ発振器4を発光させるための駆動信号aを送信する送信機1と、レーザ発振器4から出力される水糸代替レーザ光5を受光して水糸代替信号を出力する受光センサ7と、前記ポンチマーク代替物8を検知してポンチマーク代替信号を出力する識別センサ9と、ドップラ信号を出力するレーザ・ドップラ・センサ12と、前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりロングレールの変動量を計測する信号処理器17が車両6に搭載され、前記レーザ発振器4はレールを横断するように水糸代替レーザ光を前記遮光板18に向けて照射するようにした測定装置である。この場合、車両6にポンチマーク代替物8付近のレール温度を測定する温度センサ15をも搭載することができる。車上の送信機1はレーザを発する光学式又は電波を発する無線式とすることができる。
【0011】
本発明のレール変動量及びレールの遊間測定装置は、レール2の近くに固定した基準物3に取り付けられたレーザ発振器4と、レールに取り付けたポンチマーク代替物8と、レール2を挟んでレーザ発振器4と反対側のレール外側に配置される遮光板18と、遊間/ロング識別体11が地上に設けられ、前記レーザ発振器4を発光させるための駆動信号を送信する送信機1と、レーザ発振器4から出力される水糸代替レーザ光5を受光して水糸代替信号を出力する受光センサ7と、前記ポンチマーク代替物8と遊間/ロング識別体11とを検知して、ポンチマーク代替信号と遊間/ロング判別信号とを出力する識別センサ9と、遊間/ロング判別信号により遊間測定とロングレール測定に切替えられる切替え回路21と、ドップラ信号を出力するレーザ・ドップラ・センサ12と、レール2の継目における遊間の幅に応じたパルス幅の遊間識別信号を出力する遊間識別センサ13と、遊間計測時に前記ドップラ信号と遊間識別信号により遊間を計測し、ロングレール測定時に前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりロングレールの変動量を計測する信号処理器17が車両6に搭載され、前記レーザ発振器4は水糸代替レーザ光がレール2を横断するように水糸代替信号を前記遮光板18に向けて照射するものである。この測定装置においては車両6にポンチマーク代替物8、遊間位置付近のレール温度を測定する温度センサ15を搭載することもできる。また、ポンチマーク代替物8を検知してポンチマーク代替信号を出力する識別センサ9とは別に、遊間/ロング識別体11を検知して遊間/ロング判別信号を出力する遊間/ロング判別センサを設けることもできる。前記遊間/ロング識別体11は左右のレールのいずれか一方又は双方におけるロングレールと定尺レールの境界付近に設ける。遊間/ロング識別体11は幅の異なる部材とし、又は幅が異なる部材或いは幅が同じ部材を二以上組み合わせて形成して、その幅の違いから遊間/ロングの判別を可能とする。遊間/ロング識別体11が左右のレールに取り付けられたときは、両レールの遊間/ロング識別体11の論理積によっても遊間/ロングを判別可能とした。車上の送信機1はレーザを発する光学式又は電波を発する無線式とすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
(レールの変動量測定方法と、変動量及び遊間測定方法の実施形態)
本発明は定尺レールとロングレールとが混在して敷設されている場合に、定尺レールとロングレールとを自動的に識別して、ロングレールの変動量を計測することができ、また、ロングレールの変動量と定尺レールの継目の遊間とを一台の装置で同時に測定することもできるようにした測定方法である。
【0013】
前記遊間測定は、列車に搭載した遊間識別センサからの遊間識別信号と、列車に搭載したレーザ・ドップラ・センサからのレーザ・ドップラ信号とに基づいて行うようにした。
【0014】
前記ロングレールの変動量測定は、測定の基準となる水糸の代わりに水糸代替レーザを使用し、計測点であるレールのポンチマークの代わりに、レールに取り付けたポンチマーク代替物(例えば鉄片)を使用し、列車に搭載した識別センサにより、ポンチマーク代替物を識別したポンチマーク代替信号と、水糸代替レーザを受光センサで受光した水糸代替信号とを検知し、それら信号に基づいて計測するようにした。
【0015】
以下に本発明のレール変動量測定方法の一例を説明する。
(1)レール2(図1)を走行する車両6(図3)に搭載された送信機1から駆動信号(レーザ光或は電波:図1a)を送信して、レール2の側方に固定されている基準物(基準杭)3に取り付けてあるレーザ発振器(レーザポインタ)4に送信する。
(2)前記送信によりレーザ発振器4から水糸代替レーザ光5(図1)が出力され、レール2を挟んでレーザ発振器4と反対側に設けられている基準物3に取り付けてある遮光板18に向けて照射される。この水糸代替レーザ光5は車両に搭載された受光センサ7で受光され、受光センサ7から測定の始点となる水糸代替信号(図5▲1▼)が出力される。
(3)車両6の走行が進行すると、車両6に搭載されている識別センサ9(図1)が、レール2に取り付けてあるポンチマーク代替物8(図1)を検知してポンチマーク代替信号(図5▲3▼)を出力する。
(4)識別センサ9は、レール2に取り付けてある幅の異なる遊間/ロング識別体11(図4)をも検知し、検知した遊間/ロング識別体11の幅に基づいて、遊間区間とロングレール区間を判別し、遊間/ロング判別信号を出力する。この遊間/ロング判別信号に基づいて遊間/ロング切替回路が遊間測定とロングレールの変動量測定とに切替える。
(5)前記水糸代替信号(図5▲1▼)と、ポンチマーク代替信号(図5▲3▼)とを合成して合成信号(図5▲4▼)を作る。
(6)車両に搭載されたレーザ・ドップラ・センサ12(図1)から常時ドップラ信号(一定距離間隔のパルス)を出力する。
(7)車両に搭載された遊間識別センサ13(図3)から定尺レールの遊間の幅に対応した遊間識別信号を出力する。
(8)遊間/ロング切替回路が遊間測定に切替えられているときは、遊間識別信号のパルス幅を前記ドップラ信号のパルス数に基づいて計測し、遊間幅を測定する。
(9)遊間/ロング切替回路がロングレール測定に切替えられているときは、合成信号中の水糸代替信号(図5▲1▼)と、ポンチマーク代替信号(図5▲3▼)と、前記ドップラ信号のパルス数に基づいてロングレールの変動量を計測する。
(10)検知されたデータや測定されたデータは信号処理器17(図1)に接続されているパソコンやICカードに入力され、保存される。
【0016】
(レールの遊間及び変動量測定装置の実施形態)
本発明の前記測定方法に使用される測定装置の実施形態を以下に説明する。以下の説明ではロングレール、定尺レール、他の長さのレールといった、あらゆる長さのレールを単にレールと記す。ポンチマーク代替物8(図1)を検知する識別センサ9(図1)は、遊間/ロング識別体11(図4)を検知する遊間/ロング判別センサと別のものとすることができるが、この実施形態は識別センサ9が遊間/ロング判別センサと兼用の場合である。
【0017】
図1の左右のレール2は道床Eに敷設されている。レール2は図4のようにロングレール2(2a)と定尺レール2(2b)とが混在して敷設されており、ロングレール2の軸方向一端には図4のように受レールBが、他端にはトングレールCが溶接されている。
【0018】
これらレール2にはポンチマーク代替物8(図1)がレール2の外側に突出するように取付けられている。その取付け位置は図5のように、左右のレール2に表示されている既存のポンチマークPの両外側又はその近くとしてある。ポンチマーク代替物8には細長の鉄片とか、金属片や耐候性を有する樹脂板等に反射剤を塗布したものとか、それらに反射テープを張り付けたもの等々とすることができる。そのサイズは特に制約はないが、列車に搭載されている識別センサ9で識別し易いサイズがよく、例えば、幅20mm、長さ50〜60mm程度がよい。ポンチマーク代替物8の形状、取付け位置、取付け方法、材質等は種々考えられる。ポンチマーク代替物8はレール2の側面とか、他の位置に溶接、接着剤、磁石といった任意の取付け手段で取付けることができる。
【0019】
図4のようにロングレールの両端(ロングレールと定尺レールの境界付近)には遊間/ロング識別体11が取り付けられている。遊間/ロング識別体11は幅の異なるものを2種類用意し、その一方をロングレール2の一端に、他方をロングレール2の他端に取り付ける。一例としては幅40mmのものと60mmのものを用意し、その一方をロングレール2の一端に、他方を他端に取り付ける。このようにすることにより、列車が上り走行の場合は、図4の左側の40mmの遊間/ロング識別体11が識別センサ9で検知されたら、それより先はロングレール区間(図4(b))と判別され、60mmの遊間/ロング識別体11が識別センサ9で検知されたらそれより先は定尺区間、すなわち、遊間のある区間(遊間区間)と判別されるようにしてある。列車が下り走行の場合は前記とは逆に、60mmの遊間/ロング識別体11が検知されたらそれより先はロング区間と判別され、40mmの遊間/ロング識別体11が検知されたらそれより先は遊間区間(図4(c))と判別される。図4(a)では、ロングレールの両端に取り付けられる遊間/ロング識別体11に、幅の異なる部材、例えば金属片を単体で使用してあるが、遊間/ロング識別体11は幅の異なる部材又は幅の同じ部材を複数個組合わせて形成することできる。その場合は組合わされた部材のトータルの幅に基づいて遊間/ロングを判別することができ、判別が確実になり、誤動作しにくくなる。遊間/ロング識別体11として幅の異なる部材を単体で使用する場合も、幅の異なる部材や同じ部材を組み合わせて使用する場合も、ロングレール2の両端に取付けられる遊間/ロング識別体11は異なる幅とする。遊間/ロング識別体11は左右のレールのいずれか一方にだけ取り付けることも、双方に取り付けることもできる。遊間/ロング識別体11を左右のレールに取り付けたときは両レールの遊間/ロング識別体11の論理積によって遊間/ロングを判別することができ、より一層、精度の高い判別が可能となる。
【0020】
図1のように、左右のレール2の外側で、レール2を挟んだ対向位置には基準物3が固定されている。基準物3には従来から設置されている基準杭とか、基準杭の代わりに新たに設置した他のものが使用される。基準物3は図2のように、対向するポンチマーク代替物8を結んだ線上から少し(数cm程度)ずれた位置に設置してある。基準物3の形状、材質、寸法等は種々考えられる。一例として図1に示す基準物3は縦長の杭であり、左右のレール2の外側に固定してある。基準物3はレールを挟んで対向する2つのポンチマーク代替物8を結んだ線上の位置に固定することもできる。
【0021】
図1のようにレール2を挟んで対向位置に固定されている基準物3のうち、一方の基準物3の上面にはレーザ発振器(レーザポインタ)4が取り付けられ、他方の基準物3の上面には遮光板18が取付けられている。レーザ発振器4の仕様は特に限定されないが、電流消費が少なく、長期間(例えば3年程度)メンテナンスが不要であり、防水型のものが望ましい。例えば次のようなものを使用することができる。
レーザ波長:670mm
出力 :10mw
ビーム形状:出射端面から2.0mにおいてライン長35mm、ライン幅1mmの縦長
(車両の上下動に対応できるようにするため)
動作電流 :65mA
動作電圧 :3.0V
出射時間 :駆動信号受信後約10秒間連続出射
【0022】
レーザ発振器4は車両6(図3)に搭載されている送信機1から送信される駆動信号aを受信するとスイッチが作動し、乾電池から電源が供給されて、水糸代替レーザ光5(図1)が出力されるようにしてある。この水糸代替レーザ光5は図1のようにレール2を挟んだ対向位置の他方の基準物3の遮光板18に向けて照射されて、左右の基準物3を結ぶ線上に位置し、従来の水糸の代用となるようにしてある。
【0023】
レール2の上を走行する車両6(図3)には、レーザ発振器4を発光させるための信号を送信する送信機1(レーザポインタ駆動装置)と、レーザ発振器4から出力される水糸代替レーザ光5(図1)を受ける受光センサ7と、レール2に取り付けてあるポンチマーク代替物8を識別する識別センサ9(遊間/ロング識別体11を検知して遊間/ロング判別信号を出力する遊間/ロング識別センサと兼用)と、レーザ光をレール2又は車両6の車輪19に照射してレール2又は車輪19から反射する反射光を受けてドップラ信号を出力するレーザ・ドップラ・センサ12と、レーザ光をレール2に照射してレール2から反射する反射光を受光して、定尺レールの遊間幅に対応したパルス幅の遊間信号を出力する遊間識別センサ13と、ポンチマーク代替物8付近のレール温度を測定する温度センサ15と、前記の各種センサからの信号に基づいてレール変動量、レール長、遊間等を算出する信号処理器17と、その他の必要な機器が搭載されている。前記識別センサ9、遊間識別センサ13、温度センサ15は、左右のレール用に二つずつ設置してある。送信機1、受光センサ7、識別センサ9、レーザ・ドップラ・センサ12、遊間識別センサ13、温度センサ15、信号処理器17は次のような構成にしてある。
【0024】
送信機1は基準体3に取り付けられているレーザポインタ4を駆動するためのトリガ信号(駆動信号)を送信するためのものであり、レーザを出力する光学式、電波を出力する無線式のいずれでも使用することができる。
【0025】
受光センサ7はレーザポインタ4から出射される水糸代替レーザ光5を受けて信号処理器17に水糸代替信号(図5▲1▼)を送るものである。水糸代替信号は基準物3の位置を示す信号であり、水糸の代わりとなる。受光センサ7の取付け位置は図6のようにレール2の幅方向中心付近として、車両の傾きに対する誤差を軽減できるようにするのがよい。ちなみに車両の傾きは最大で2°である。図6において車両の傾きlが大きくなると受光センサ7の位置がずれる。レールが複線の場合は、レーザポインタ4が取り付けられる基準物3がレール2の外側の基準物3と決まっているため、受光センサ7は進行方向左右のいずれから投光されても受光可能でなければならない。また、受光センサ7には高速応答が要求される。120km/hで1mmを測定するには0.1mm程度の応答でなければならない。このためには約3μs以下の応答が必要となる。
【0026】
図1の識別センサ9はポンチマーク代替物8と遊間/ロング識別体11とを検知するセンサである。このセンサも高速応答が必要である。例えば、120km/hで0.1mmの応答が必要である。この識別センサ9には図7のような反射型センサを使用することができる。この場合、外乱光を防止して高速応答を実現するために、レーザ光に高周波(数10MHz)の変調がかかっていることが必要である。識別センサ9はポンチマーク代替物8を検知したときはポンチマーク代替信号を出力する。また、遊間/ロング識別体11を検知したときは遊間/ロング判別信号を出力する。この場合、遊間/ロング識別体11の幅から遊間区間とロング区間を判別する。
【0027】
図1のレーザ・ドップラ・センサ12は図8のようにレール2の上面(被測定物)10(車両の車輪でも可)にドップラ用レーザ光cを照射して、その散乱光がドップラ効果により元の光周波数よりもずれることを利用して車輪の回転速度を測定し、車輪の周速に比例した周波数に変換し、ドップラ信号(距離パルス:0.1mm/p:図9▲5▼)を出力するものである。このドップラ信号がレール変動量測定の基準パルスとなり、また、列車移動距離(キロ程)計測の基準パルスとなる。
【0028】
図1のレーザ・ドップラ・センサ12は、図8のようにレーザ光源30から出射されるレーザ光cをビームスプリッタBSで二分して、走行する車輪面やレールといった被測定物10に交差角φで照射するようにしてある。この場合、被測定物10からの散乱光dは光電変換器(APD)でヘテロダイン検波される。このとき光電変換器から得られるドップラ信号の周波数は次式で示される。
【0029】
【数1】
fd:ドップラ周波数
ν:被測定物の表面速度
λ:レーザ波長
φ:ビ−ム交差角
Δθ:ビ−ム法線と被測定物の直角からのずれ角
前記式のようにドップラ周波数fdは走行する被測定物の表面速度νに比例した周波数となる。このため、ある時間におけるドップラ周波数のパルス数を積算すれば、その時間における被測定物の長さを求めることができる。前記パルス間隔はビ−ム交差角φとレーザの波長λとにより定まる。
【0030】
図1の遊間識別センサ13はレール2の上面に遊間識別用レーザ光を照射し、その反射光に基づいて遊間を検出すると共に、その遊間の幅に対応したパルス幅の遊間識別信号(図14▲1▼)を出力するものである。この遊間識別信号は各レール2の後端部の位置で立ち下がり、先端部の位置で立ち上がるようにしてある。この立ち下り、立ち上りは遊間識別センサを搭載した列車の走行スピ−ドや、必要な分解能等に高速応答(例えば2μsec)できるようにするため急峻であることが望ましい。そのためにはレール2の上面に照射される遊間識別用レーザ光のビ−ム径を絞る必要がある。ビ−ム径を絞り過ぎるとレール2の上面の凸凹とか、細かい傷等により乱反射して遊間からの反射光との識別が難しくなるので絞り過ぎないようにする。また、ビ−ム径を絞り過ぎると、レール2の上面からの反射光の面積が狭くなるため、レール2が傾斜してレール2の上面に照射される遊間識別用レーザ光の照射角度が例えば5.6°(曲線部で最大カウント105mmの状態)以上に大きくなると、レール上面からの反射光が遊間識別センサから外れて同センサに受光されないことがある。そこで本発明では遊間識別用レーザ光のビ−ム径をレール2の幅方向に横長にして、前記傾き照射角度が5.6°以上になっても、レール2からの反射光が遊間識別センサに確実に受光されて、遊間がある箇所では遊間識別信号が確実に出力されるようにしてある。
【0031】
図1、図3の温度センサ15にはポンチマーク代替物8付近(図1のレール内側スカート部16)のレール温度を非接触で測定できるものが好ましく、一例としては非接触式の赤外線放射温度計が適する。
【0032】
前記した受光センサ7、識別センサ9、レーザ・ドップラ・センサ12、遊間識別センサ13、温度センサ15は、図10のように信号処理器17と接続されている。
【0033】
信号処理器17は図10のように制御回路31、温度コントローラ32、ドップラ信号処理器33、電源回路34、カウンタ(I)、カウンタ(II)、カウンタ(III)を備えて、各種センサから得られた信号を処理し、遊間、レール変動量、温度等を計測し、計測した各種データをICカード、メモリーカード等の記録媒体に記録し、パソコンに出力するものである。前記の各種回路、カウンタ、パソコン等には電源回路34を通して必要な電源(+B)が供給されるようにしてある。
【0034】
カウンタ(I)、(II)、(III)はドップラ信号(距離パルス)を計測して、ロングレールの伸縮量の測定、ふく進量の測定、遊間測定、それらの位置の計測、列車の走行距離(キロ程)の計測等に使用される。各カウンタによる計測は表1のようになる。
【0035】
【表1】
【0036】
図10のカウンタ(I)は遊間測定において遊間識別信号(図14▲1▼)のパルス幅内におけるドップラ信号(図14▲2▼)のパルス数(図14▲3▼)を積算して遊間の長さを計測する。カウンタ(II)はレール長の測定において一本のレール2の先端部と後端部の間(図14▲4▼)におけるドップラ信号のパルス数を積算して算出する。ちなみに、遊間の長さは一般的には数mm〜数10mmであるが、場合によっては零の場合もある。このため、遊間の長さだけを測定したのでは遊間の長さが零と計測された場合に、本当に遊間の長さが計測されたのか、遊間ではなくレール2が計測されたのかを判別することができず、遊間を見落すことがある。そこで本発明では遊間の長さの他に、レール2の長さをも測定することにより、遊間の位置を正確に検出できるようにしてある。
【0037】
図10の信号処理器17の制御回路31は識別センサ9からの信号に基づいて定尺レールの遊間とロングレールを判別して(遊間/ロングを判別して)遊間/ロング判別信号を出力する遊間/ロング判別回路22、遊間/ロング判別信号に基づいて定尺レールの遊間測定とロングレール測定とに切替える遊間/ロング切替回路21を備えている。また、識別センサ9からの信号からポンチマーク代替信号を抽出するポンチマーク代替信号抽出回路及び合成回路23、受光センサ7、識別センサ9からの信号に基づいて関連機器を制御する制御回路24も備え、送信機電源25をも備えている。信号処理器17は上り下り切替えスイッチ26、その他の必要機器も備えている。
【0038】
図10の制御回路24の一例を図13に示す。これは、受光センサ7の出力信号(水糸代替信号)を図11▲1▼のパルスに波形整形する波形整形回路35、識別センサ9の出力信号(ポンチマーク代替物検知信号)を図11▲2▼のパルスに波形整形する波形整形回路36、波形整形回路36からの出力信号を処理して図11▲3▼のポンチマーク代替信号を出力する長さのウインド回路37、図11▲1▼の信号と、図11▲3▼の信号のORをとって図11▲4▼の合成信号を出力するOR回路38、図11▲5▼−1、▲5▼−2の信号を出力する制御回路A、図11▲6▼−1、▲6▼−2の信号を出力する制御回路B、図11▲7▼の書き込み指令信号(ICへの書き込み)を出力する制御回路Cを備えている。前記▲5▼−1、▲6▼−1はメモリ信号、▲5▼−2、▲6▼−2はリセット信号である。
【0039】
図1、図3の識別センサ9はポンチマーク代替物8だけでなく、図5の踏み切りD、伸縮継目、受レールB、軌道敷内にある反射物等をも検知するため、それらが識別センサ9の出力信号に不必要な信号として現れる。また、出力信号には外部ノイズも含まれる。このため、識別センサ9の出力信号(図9▲1▼の信号)をそのまま使用したのでは後段のデータ処理ができない。そこで本発明では、識別センサ9の出力信号(図9▲1▼)から、図10のポンチマーク代替信号抽出回路23により不要な信号を除去して所定幅のパルス信号(ポンチマーク代替信号:図9のA)だけを取り出すようにしてある。
【0040】
図10のポンチマーク代替信号抽出回路23の一例を図12に示す。図12のポンチマーク代替信号抽出回路は、識別センサ9からの識別センサ出力信号(図9▲1▼)を、単安定マルチバイブレータ(M・M)40を通して図9▲2▼の信号を作り、その信号と、図12の単安定マルチバイブレータ(M・M)45からの信号とをフリップ・フロップ(F・F)41に入れて図9▲4▼の信号を得る。その信号と移動距離パルス(ドップラ信号:図9▲5▼)とを図12のAND回路42に入れて図9▲6▼の信号を得る。その信号と単安定マルチバイブレータ(M・M)45からの信号とをカウンタ43に入れ、カウンタ43からの出力をウインドコンパレータ44に入れて図9▲7▼の信号を得る。その信号と識別センサ出力信号(図9▲1▼)とをAND回路46に入れて図9▲8▼の信号を得、それを図12の反転回路47で反転させて図9▲9▼の反転信号を得る。その反転信号と図9▲7▼の信号とをAND回路48に入れて図9のポンチマーク代替信号Aを得る。図9のポンチマーク代替信号Aのパルス幅は、図9▲1▼の識別センサ出力信号の立ち下がりから、ウインドコンパレータ44の上限設定値(図9▲7▼の信号の立下り)までの幅となる。一例としてはポンチマーク代替物8の幅20mm、ウインドウの下限15mm、上限25mmのとき、出力幅は25-20=5mmとなる。
【0041】
図1、図3の識別センサ9はポンチマーク代替物8だけでなく、遊間/ロング識別体11(図4)をも検知する。この識別センサ9のセンサ出力信号(検知信号)に基づいて遊間/ロング識別体11を識別する。また、遊間/ロング識別体11の幅(この実施例では40mm、60mm)を判別して、遊間測定とロングレール測定とに切り替えるために、図10の遊間/ロング判別回路22と遊間/ロング切替え回路21を用意してある。遊間/ロング判別回路22及び遊間/ロング切替え回路21は図13の構成にしてある。
【0042】
図13の遊間/ロング判別回路22はドップラ信号(0.1mm/p)と、識別センサ出力信号を受けるカウンタ、メモリ50、識別センサ出力信号を受ける制御回路51、幅40mmの遊間/ロング識別体11(図4)を判別するための40mm用ウインドコンパレータ52、幅60mmの遊間/ロング識別体11(図4)を判別するための60mm用ウインドコンパレータ53、両ウインドパレータ52、53の出力を外部からの上り/下りの信号によって論理処理して、遊間/ロング判別信号を出力する論理回路54、論理回路54から出力される遊間/ロング判別信号が入力されると遊間測定とロング測定とに切り替える遊間/ロング切替回路21を備えている。遊間/ロング切替回路21が遊間測定に切替えられると、同回路21に入力される遊間信号が同回路21から出力され、ロング測定に切替えられると同回路21に入力される合成信号(ポンチマーク代替信号と水糸代替信号との合成信号:図11▲4▼)が同回路21から出力されて、制御回路24に出力されるようにしてある。
【0043】
(本発明の測定装置の動作説明)
本発明の前記測定装置で遊間測定し、ロングレールの変動量を測定する場合の一例を以下に説明する。この測定では、遊間/ロング判別信号に基づいて遊間/ロング切替回路21(図10、図13)を遊間測定とロング測定とに切替えて、ロング測定時には水糸代替信号と、ポンチマーク代替信号と、ドップラ信号を用いてロングレールの変動量、ふく進量を測定し、遊間測定時には遊間識別信号とドップラ信号を用いて遊間を測定する。説明の便宜上、以下には、左右いずれか一方のレールの変動量と遊間を測定する場合について説明するが、実際は左右両方のレールを同時に測定する。
【0044】
図1、図2のように、地上に、レーザ発振器が取付けられた基準物3、ポンチマーク代替物8、遊間/ロング識別体11が設けられ、列車に受光センサ7と識別センサ(遊間/ロング識別センサと兼用)9が配置され、列車が図2の矢印方向に進行した場合、水糸代替信号とポンチマーク代替信号の間隔は図2のXL、XRである。この場合、受光センサ7と識別センサ9の設置間隔をHとすると、実際の測定値LはH+XL、H+XRとなる。
∴ XL=L−H、 XR=L−H
すなわち、実際の測定値から設置間隔Hを減算したものがXL、XRの値となり、この値と基準測定値(温度条件を一定にした時の測定値)との変化量が本来のレール変動量となる。
【0045】
以下に前記測定装置を使用した測定の動作を記述する。
1.図5において2はレール、Pはポンチマーク、3は基準物、4は基準物に取り付けられているレーザポインタ、8はポンチマーク代替物、Dは踏み切りである。
2.測定に先立って、上りレールを測定するか、下りレールを測定するかにより、図10の上り/下り切替えスイッチ26を手動操作で切替える。
3.本発明の測定装置が搭載されている列車6(図3)を、レール2上を走行させて、識別センサ9により、レール2に取り付けられている遊間/ロング識別体11を検知する。その検出幅に基づいて図10の遊間/ロング判別回路22により定尺レール(遊間区間)に差し掛かったか、ロングレールに差し掛かったかが判別されて、遊間/ロング判別信号が出力される。その信号に基づいて図10の遊間/ロング切替回路21が遊間測定かロング測定かに切替え選択する。
4.レール2上を走行する列車が進行して基準物3に近付いたら(約30m以内に)、その列車の先頭車両に搭載されている送信機1からレーザ光a(又は電波)等の駆動信号が出力され、それを受けてレーザ発振器(レーザポインタ)4が駆動されて水糸代替レーザ光5(図1)が出力される。その発光時間は約10秒とし、その後は発光が停止する。水糸代替レーザ光が列車に搭載されている受光センサ7で受光されると、受光センサ7から水糸代替信号(図5▲1▼)が出力される。
5.列車が更に進行すると、列車に搭載されている識別センサ9がレールのポンチマーク代替物8を検知して図5▲2▼の検知信号が得られる。識別センサ9はポンチマーク代替物8だけでなく、踏み切りとか外部ノイズ等をも検知し、それらの信号も検知信号に含まれるので、ポンチマーク代替信号抽出回路23(図10)により前記検知信号から余分な不要信号が除去されてポンチマーク代替信号(図5▲3▼)だけが出力される。
6.前記ポンチマーク代替信号(図5▲3▼)が、受光センサ7から出力される水糸代用信号と合成されて合成信号(図5▲4▼)が作られる。
7.レールに「ふく進量」や「ストローク量」が発生していると、ポンチマーク代替物8(図1)の位置が水糸代替レーザ光5(図2)の位置からずれる。そのずれ量を信号処理器17(図1)で演算処理して、ふく進量とストローク量を算出する。この場合、前記合成信号(図5▲4▼)中、水糸代替信号(図5▲1▼)とポンチマーク代替信号(図5▲3▼)との間の間隔a、b、c、dを距離パルス(0.1mm/p)でカウントすることにより、伸縮量、ふく進量(変動量)を測定することができる。レールのふく進量は温度条件がレール敷設時の温度、或は基準温度時のレールの変動量であるため、不動区間の変動量は、求められた測定値から温度変化に起因する変動量を除去したり、基準温度と異なる温度下で求められた変動量を、予め求められている基準温度時の値に換算してふく進量とすることができる。
8.列車の走行距離に応じて、レーザ・ドップラ・センサ(図3)により得られたキロ程(移動距離)に基づいて、検知されたポンチマーク識別体8、水糸代替レーザ光がどの位置にあるものかを算出することもできる。
9.算出されたふく進量、ストローク量、レール温度、キロ程(移動距離)は、所望フォームの帳票に表示することができる。
【0046】
【発明の効果】
本発明の遊間及びレール変動量測定方法と測定装置は次の様な効果がある。
1.これまで基準杭間に水糸を張り、その水糸とポンチマークの間隔をノギス等で測定していたロングレールの変動量が、高速走行する列車の車上から測定することができ、測定作業の効率が飛躍的に向上する。
2.これまで、別々の測定装置で、別々に行っていた遊間測定とロングレールの変動量測定とを、一台の測定装置で、同時に行うことができ、作業能率が向上する。
3.遊間及びレール変動量の測定を一台で行うことができるにも拘わらず、測定装置の構成が簡潔になる。また、遊間測定装置とロング測定装置とを別々に購入する場合より安価になる。
4.非接触式測定であるため高速走行に対応可能であり、新幹線、在来線等の営業車両に測定装置を搭載して、営業車両の走行中に自動計測が可能となり、効率良く、高精度の計測を行うことができ、大幅な省力化、コストダウンが実現される。
5.ICカード等の記録媒体に測定データを記録しておけば、データが蓄積されて、後日の活用に便利である。
6.レール変動量の測定と同時に、識別体付近のレール温度をも測定できるため、ふく進量を正確に算出することができる。
7.レール変動量の測定と同時に、測定装置を搭載した車両の移動距離をも計測できるため、どの位置の識別体を測定しているかを知ることもできる。
8.レールの変動量測定と同時にレール長の測定も行うことができるので、レ―ル管理に必要なデータ数が豊富になり、的確なレール管理を行うことができる。
9.遊間識別用レーザ光をレールの幅方向に広げてあるので、ビ−ム照射面積が広くなり、レールの上面の凸凹、表面の細かい傷等による乱反射が少なくなり、それらと遊間との識別が確実になる。また、電車の振動等により、センサの角度ずれが生じたり、曲線区間のカントなどでレールに傾斜があっても安定した出力が得られる、という効果がある。
10.水糸代用レーザをレール2の上下方向に広げてあるので、列車が上下に変動しても、水糸代用レーザが列車に搭載されている受光センサから外れることがなく、水糸代用レーザを確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレール変動量測定方法の正面概要図。
【図2】本発明のレール変動量測定方法におけるレールと車両搭載機器の関係を示す平面説明図。
【図3】レールと車両搭載機器の関係を示す説明図。
【図4】(a)は本発明の遊間/ロング識別体のレールへの取付け説明図、(b)は上り時のロング区間の説明図、(c)は下り時のロング区間の説明図。
【図5】ロング区間のレールの敷設状況と各種センサからの出力信号との関係を示す説明図。
【図6】本発明における受光センサの配置平面説明図。
【図7】本発明における識別センサの説明図。
【図8】本発明におけるドップラセンサの説明図。
【図9】本発明の識別センサのタイムチャート。
【図10】本発明の測定装置の概略説明図。
【図11】図13の制御回路のタイムチャート。
【図12】本発明の測定装置におけるポンチマーク代替信号抽出回路の一例の説明図。
【図13】本発明の測定装置における遊間/ロング判別回路と、遊間/ロング切替回路と、制御回路の一例の説明図。
【図14】本発明における遊間測定のタイムチャート。
【符号の説明】
1 送信機
2 レール
3 基準物
4 レーザ発振器
5 水糸代替レーザ光
6 車両
7 受光センサ
8 ポンチマーク代替物
9 識別センサ
11 遊間/ロング判別体
12 ドップラセンサ
13 遊間識別センサ
15 温度センサ
19 車輪
Claims (17)
- 車上の送信機(1)から送信される駆動信号により、レール(2)の外側に固定された基準物(3)に取り付けてあるレーザ発振器(4)を駆動してそれから水糸代替レーザ光(5)を出力し、この水糸代替レーザ光(5)を、レール(2)を挟んで前記レーザ発振器(4)と反対側のレール外側に設けられている遮光板(18)に向けて照射して当該水糸代替レーザ光(5)がレール(2)を横断するようにし、レール(2)を走行する車上の受光センサ(7)で前記水糸代替レーザ光(5)を受光して水糸代替信号を出力し、レール(2)に設けたポンチマーク代替物(8)を車上の識別センサ(9)により検知して同センサ(9)よりポンチマーク代替信号を出力し、車上のレーザ・ドップラ・センサ(12)からドップラ信号を出力し、前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりレールの変動量を計測することを特徴とするレール変動量測定方法。
- 請求項1記載のレール変動量測定方法において、車上に温度センサ(15)を搭載し、それによりポンチマーク代替物(8)付近のレール温度を測定し、その測定値によりレール変動量の計測値を判定することを特徴とするレール変動量測定方法。
- 請求項1又は請求項2記載のレール変動量測定方法において、車上のレーザ・ドップラ・センサ(12)により車両の移動距離をも検知し、それに基づいて基準物(3)、ポンチマーク代替物(8)等の位置を算出することを特徴とするレール変動量測定方法。
- 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のレール変動量測定方法において、水糸代替レーザ光(5)がレール(2)の上下方向に縦長であることを特徴とするレール変動量測定方法。
- 車上の送信機(1)から送信される駆動信号により、レール(2)の側方に固定された基準物(3)に取り付けてあるレーザ発振器(4)を駆動してそれから水糸代替レーザ光(5)を出力し、その水糸代替レーザ光(5)を、レール(2)を挟んで前記レーザ発振器(4)と反対側のレール外側に設けられている遮光板(18)に向けて照射して水糸代替レーザ光(5)がレール(2)を横断するようにし、レール(2)を走行する車上の受光センサ(7)で前記水糸代替レーザ光(5)を受光して水糸代替信号を出力し、レール(2)に設けたポンチマーク代替物(8)と遊間/ロング識別体(11)を車上の識別センサ(9)により検知して同センサ(9)よりポンチマーク代替信号と遊間/ロング判別信号とを出力し、この遊間/ロング判別信号により遊間測定とロング測定を切替え、前記車上のレーザ・ドップラ・センサ(12)からドップラ信号を出力し、車上の遊間識別センサ(13)からレール(2)の各継目における遊間の幅に応じた遊間識別信号を出力し、前記遊間/ロング判別信号によりロング測定に切替えられたときは前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりレールの変動量を計測し、遊間測定に切替えられたときは各遊間識別信号のパルス幅を前記ドップラ信号により測定して遊間測定することを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定方法。
- 請求項5記載のレール変動量及びレールの遊間測定方法において、車上の温度センサ(15)によりポンチマーク代替物(8)、遊間位置付近のレール温度を測定し、その測定値によりレール変動量の計測値およびレール遊間計測値を判定することを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定方法。
- 請求項5又は請求項6記載のレール変動量及びレールの遊間測定方法において、車上のレーザ・ドップラ・センサ(12)により車両の移動距離をも検知し、それに基づいて、ロングレール測定の場合は基準物(3)、ポンチマーク代替物(8)等の位置を算出し、遊間測定の場合はレール長と遊間位置を測定することを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定方法。
- 請求項5乃至請求項7のいずれかに記載のレール変動量及びレールの遊間測定方法において、水糸代替レーザ光(5)が、レール(2)の上下方向に縦長であることを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定方法。
- 請求項5乃至請求項8のいずれかに記載のレール変動量及びレールの遊間測定方法において、遊間識別用レーザ光(14)がレール(2)の幅方向に細長であることを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定方法。
- レール(2)の外側に固定した基準物(3)に取り付けられたレーザ発振器(4)と、レール(2)を挟んでレーザ発振器(4)と反対側のレール外側に設けられた遮光板(18)と、レールに取り付けたポンチマーク代替物(8)とが地上に設けられ、前記レーザ発振器(4)を発光させるための駆動信号を送信する送信機(1)と、レーザ発振器(4)から出力される水糸代替レーザ光(5)を受光して水糸代替信号を出力する受光センサ(7)と、前記ポンチマーク代替物(8)を検知してポンチマーク代替信号を出力する識別センサ(9)と、ドップラ信号を出力するレーザ・ドップラ・センサ(12)と、前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりロングレールの変動量を計測する信号処理器(17)が車両(6)に搭載され、前記レーザ発振器(4)はレール(2)を横断するように水糸代替レーザ光を前記遮光板(18)に向けて照射するものであることを特徴とするレール変動量測定装置。
- 請求項10記載のレール変動量測定装置において、車両(6)にポンチマーク代替物(8)付近のレール温度を測定する温度センサ(15)をも搭載したことを特徴とするレール変動量測定装置。
- 請求項10又は請求項11記載のレール変動量測定装置において、車上の送信機(1)がレーザを発する光学式又は電波を発する無線式であることを特徴とするレール変動量測定装置。
- レール(2)の近くに固定した基準物(3)に取り付けられたレーザ発振器(4)と、レールに取り付けたポンチマーク代替物(8)と、レール(2)を挟んでレーザ発振器(4)と反対側のレール外側に配置される遮光板(18)と、遊間/ロング識別体(11)が地上に設けられ、前記レーザ発振器(4)を発光させるための駆動信号を送信する送信機(1)と、レーザ発振器(4)から出力される水糸代替レーザ光(5)を受光して水糸代替信号を出力する受光センサ(7)と、前記ポンチマーク代替物(8)と遊間/ロング識別体(11)とを検知して、ポンチマーク代替信号と遊間/ロング判別信号とを出力する識別センサ(9)と、遊間/ロング判別信号により遊間測定とロングレール測定に切替えられる切替え回路(21)と、ドップラ信号を出力するレーザ・ドップラ・センサ(12)と、レール(2)の継目における遊間の幅に応じたパルス幅の遊間識別信号を出力する遊間識別センサ(13)と、遊間計測時に前記ドップラ信号と遊間識別信号により遊間を計測し、ロングレール測定時に前記水糸代替信号とポンチマーク代替信号とドップラ信号とによりロングレールの変動量を計測する信号処理器(17)が車両(6)に搭載され、前記レーザ発振器(4)は水糸代替レーザ光がレール(2)を横断するように水糸代替信号を前記遮光板(18)に向けて照射するものであることを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定装置。
- 請求項13記載のレール変動量及びレールの遊間測定装置において、車両(6)にポンチマーク代替物(8)、遊間位置付近のレール温度を測定する温度センサ(15)をも搭載したことを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定装置。
- 請求項13又は請求項14記載のレール変動量及びレールの遊間測定装置において、ポンチマーク代替物(8)を検知してポンチマーク代替信号を出力する識別センサ(9)とは別に、遊間/ロング識別体(11)を検知して遊間/ロング判別信号を出力する遊間/ロング判別センサを設けたことを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定装置。
- 請求項13乃至請求項15のいずれかに記載のレール変動量及びレールの遊間測定装置において、遊間/ロング識別体(11)は左右のレールのいずれか一方又は双方におけるロングレールと定尺レールの境界付近に設けられ、遊間/ロング識別体(11)は幅の異なる部材とし、又は幅が異なる部材或いは幅が同じ部材を二以上組み合わせて形成して、その幅の違いから遊間/ロングの判別を可能とし、遊間/ロング識別体(11)が左右のレールに取り付けられたときは、両レールの遊間/ロング識別体(11)の論理積によっても遊間/ロングを判別可能としたことを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定装置。
- 請求項13乃至請求項16のいずれかに記載のレール変動量及びレールの遊間測定装置において、車上の送信機(1)がレーザを発する光学式又は電波を発する無線式であることを特徴とするレール変動量及びレールの遊間測定装置。
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