JP4151482B2

JP4151482B2 - 輪重計測装置

Info

Publication number: JP4151482B2
Application number: JP2003163679A
Authority: JP
Inventors: 到岩崎; 維史金山; 貴弘島田; 昭宏柏崎; 宏次谷田; 清一渡辺; 敬治井上; 義博藤井; 雅彦堀内
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-06-09
Also published as: JP2005003375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の車輪にかかる荷重（＝輪重）を計測する輪重計測装置に係り、特に、特殊車両を構成する必要がなく、いつでも輪重計測ができる輪重計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道などの軌道上を走行する車両においては、軌道の状態により１台の車両本体を支持している複数の車輪のうちのいずれか限られた車輪に著しく偏って荷重がかかることがある。限られた車輪に著しく偏って荷重がかかるのは安定走行を図る上で好ましくない。そこで、車輪にかかる荷重（以下、輪重という）を計測し、その計測結果に基づいて軌道の状態を保繕（メンテナンス）することが重要となる。
【０００３】
従来の輪重計測方法・装置には次のようなものがある。
【０００４】
１）軌道にセンサを置いて計測する方法。軌道の計測対称位置に歪みゲージ或いはロードセルを設置し、車輪から軌道にかかる荷重を計測して輪重とする。
【０００５】
２）車輪に歪みゲージを付けたＰＱ軸荷重計。車輪に８個から１６個の歪みゲージを周方向に並べて貼り付け、車輪に生じている歪みを検出し、この歪みから輪重を求める。
【０００６】
３）特殊バネ受け式台座を用いる方法。ロードセルを組み込んだ特殊なバネ受け式台座を構成し、このロードセルで輪重を計測する。
【０００７】
荷重計測に関する先行技術文献として、圧電素子を用いた座金型荷重センサが特許文献１に示されている。また、導電ゴムを用いた感圧抵抗素子が特許文献２に示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１４５８１８号公報
【特許文献２】
特開昭５４−９３４９８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の１）の方法では、軌道の定点でしか計測できず、軌道の長手方向に長い範囲で計測するのが困難である。また、車両が静止しているときに計測する静的或いは車両がゆっくり移動する程度のときに計測する準静的な輪重計測しかできない。また、営業運転中におけるリアルタイムの計測は実施できない。
【００１０】
従来の２）の装置では、車輪が回転しているため歪みゲージの信号を車両本体に置いた信号処理装置に伝送するために、車軸を中空にして配線を収容したり、スリップリングのような大掛かりの設備を取り付けたりする必要がある。また、歪みゲージの個数と同じ数の動歪みアンプなどの信号処理回路が必要になり、装置全体が大掛かりとなる。このため、営業車両に取り付けるのは困難である。
【００１１】
従来の３）の装置では、特殊なバネ受け式台座を製作しなければならないし、その特殊なバネ受け式台座を装備した車両も特殊な車両ということになる。本来のバネ受け式台座を装備した車両に特殊なバネ受け式台座を装備し替えるには、車両本体をジャッキアップした状態で車輪やバネを台座から外す必要があり、かなりの労力を要するので、営業車両に取り付けたり外したりすることを頻繁に行うわけにはいかない。従って、鉄道を営業運転しながら営業車両において計測を行うことはできない。
【００１２】
営業車両において簡単に計測を行うことができれば、営業運転しながらでも輪重計測が可能になり、従来よりも迅速・的確に軌道の状態を保繕できることが期待できる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、特殊車両を構成する必要がなく、いつでも輪重計測ができる輪重計測装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、車軸受け上で車両本体の荷重を支持しているバネ受け式台座と前記車軸受けとの接触面間に前記バネ受け式台座からの圧力を検知する圧力センサを介設した輪重計測装置において、前記バネ受け式台座のバネ長を調整するために前記バネ受け式台座と前記車軸受けとの間に挟み込まれる調整板を２枚の薄型調整板で分割構成し、これら２枚の薄型調整板で上記圧力センサを挟むようにしたものである。
【００１６】
上記圧力センサは、圧電素子で構成してもよい。
【００１７】
上記圧力センサは、コンデンサで構成してもよい。
【００１８】
上記圧力センサは、導電ゴムで構成してもよい。
【００１９】
上記圧力センサは、圧電素子とコンデンサと導電ゴムのうちのいずれか２つ以上を複合して構成してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る輪重計測装置は、車軸受け１上で車両本体の荷重を支持しているバネ受け式台座２と車軸受け１との接触面間に圧力センサ３を介設したものである。バネ受け式台座２と車軸受け１との間には、従来より車輪の磨り減りに対処してバネ受け式台座２のバネ長を調整するために厚みの異なる複数種類の調整板４を１枚ないし複数枚挟み込むようになっている。そこで、本発明では、シート状に形成された圧力センサ３を調整板４に重ねるように取り付け、圧力センサ３を調整板４と共にバネ受け式台座２と車軸受け１との間に差し込むようにした。
【００２２】
図２に示されるように、車両の車輪２１と一体回転する車軸２２は車軸受け２３に軸承されており、車軸受け２３上に載置されたバネ受け式台座２４の上に図示しない台車が支持され、さらにその台車の上に図示しない車両本体が支持される。一般に、１両の車両には２基の台車が設けられ、１基の台車には４個の車輪２１が設けられる。各々の車輪２１にかかる荷重は、車軸受け２３とバネ受け式台座２４との間にかかる荷重に等しい。そこで、本発明では、車軸受け２３とバネ受け式台座２４との接触面間に圧力センサを介設した。１両の車両にある８個の車輪２１に対して圧力センサを設ける車輪２１の個数は１以上任意である。
【００２３】
図１に示されるように、バネ受け式台座２には鉛直方向に働く軸バネ（コイルバネ）５が収容されており、軸バネ５の下端は軸バネ５を支持する軸バネ座６の内底面に当接され、軸バネ５の上端は軸バネ座６に対して自由に設けられたハウジング７の天井面に当接されている。このハウジング７上に台車が載せられる。一方、車軸受け１には軸バネ座６の外底面に対向する対向台８が車軸受け１と一体的に設けられている。対向台８には軸バネ５の中空軸芯部に挿通された垂直軸９が一体的に設けられている。従来より調整板４は、この対向台８と軸バネ座６との間に適宜挿入される。
【００２４】
図３に示されるように、調整板４は略円盤状の金属板に垂直軸９を回避するためのＵ字状の切り欠き４ａを形成したものである。台車を僅かに（後述する隙間が開く程度）ジャッキアップさせてバネ受け式台座２と車軸受け１との間、詳しくは対向台８と軸バネ座６との間に数ミリメートル程度の隙間を開け、その隙間に垂直軸９が切り欠き４ａに入るよう垂直軸９の径方向から調整板４を差し込むようになっている。シート状に形成された圧力センサ３は、調整板４の一部ないし全部の面を覆うように任意の平面形状とすることができる。圧力センサ３の厚さは、数十〜百数十マイクロメートル程度とする。
【００２５】
また、図４に示されるように、調整板４を２枚の薄型調整板１０で分割構成し、これら薄型調整板１０で圧力センサ３を挟むようにすれば、可撓性のある圧力センサ３を容易に取り扱うことができる。
【００２６】
図５に示されるように、圧力センサ３は、対向する２枚のシート状の電極１１，１１と、電極１１，１１間に挟まれたシート状の感圧部材１２と、両電極１１をそれぞれ覆うシート状の絶縁部材１３とを積層してなる。この圧力センサ３を２枚の薄型調整板１０で挟み込むとよい。感圧部材１２には種々の材料を用いることができる。圧力センサ３の材料・詳細構造や好適な計測回路については後に詳述する。
【００２７】
図５のように圧力センサを薄型調整板で挟み込んだもの全体を１枚の調整板４とし、その調整板４全体の厚みが、例えば、１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，…となる複数種類の調整板４を用意しておけば、バネ長調整の必要に応じて任意の厚さの調整板４を使用することができる。
【００２８】
次に、図１の輪重計測装置の動作を説明する。
【００２９】
既に述べたように、従来より車輪の磨り減りに対処してバネ受け式台座２のバネ長を調整するために厚みの異なる複数種類の調整板４を１枚ないし複数枚挟み込むようになっている。本発明により圧力センサ３を取り付けた調整板４は、従来からある金属板のみの調整板４と厚みも外形も全く同じなので、容易にバネ受け式台座２と車軸受け１との間に差し込むことができる。図２で説明したように、車輪２１にかかる荷重、即ち、輪重は車軸受け２３とバネ受け式台座２４との間にかかる荷重に等しいので、調整板４には輪重がかかることになる。よって、圧力センサ３には、輪重に比例する圧力が印加され、この圧力に応じた電気量が感圧部材１２に生じる。この電気量を図示しないリード線で取り出して後述する計測回路で計測し、輪重に換算することができる。
【００３０】
本発明の輪重計測装置は、従来よりバネ長調整に使用していた調整板４に圧力センサ３を取り付けたものなので、車輪・車軸やバネ受け式台座などの機構部分に特殊加工を施したり特殊仕様品を製作する必要がない。
【００３１】
本発明の輪重計測装置を装着した車両は、通常の車両と何等変わりがないので、営業車両として使用することができる。また、本発明の輪重計測装置は、車両に対する着脱が容易であるため、営業車両に取り付けたり外したりすることを頻繁に行うのにも適している。さらに、本発明の輪重計測装置は、車両の静止・走行にかかわらず常に輪重を受けて信号を出すので、車両が静止しているときでも、高速で走行しているときにも使用することができる。つまり、営業運転しながらでも輪重計測が可能になり、従来よりも迅速・的確に軌道の状態を保繕して車両の安定走行を図れることが期待できる。
【００３２】
圧力センサ３には、圧電素子、コンデンサ、導電ゴムのいずれか１つ又は２つ以上を複合して用いることができる。以下、それぞれの種類について詳しく説明する。
【００３３】
１）圧電素子からなる圧力センサ
圧電フィルム（ＰＶＤＦ）や固体圧電素子（ＰＶＺＴ，水晶）などの圧電素子は感応面に圧力（応力）を印加すると、電荷を発生するものである。そこで、図４で示した感圧部材１２としてシート状の圧電素子を用いる。即ち、図６に示されるように、圧電素子１２ａの両面を構成する電極１１，１１間に電荷・電圧増幅器を接続すると、圧力印加によって発生した電荷或いはその電荷に基づく電圧を検知して圧力を計測することができる。
【００３４】
図７は、電荷増幅器の一例である。この電荷増幅器は、差動アンプ６１に圧力センサ３の信号を入力し、差動アンプ６１の出力を抵抗値Ｒの抵抗６２及びコンデンサ６３で帰還するようになっている。帰還容量をＣ_f 、出力をＶＯＵＴとすると、圧力センサ３から得られた電荷Ｑに対し、ＶＯＵＴ＝−Ｑ／Ｃ_f となる。差動アンプ６１の電圧利得は−Ｑ／Ｃ_f である。一方、時定数はＲＣ_f である。遮断周波数は、１／（２πＲＣ_f ）となる。
【００３５】
図８は、電圧増幅器の一例である。この電圧増幅器は、圧力センサ３と並列な抵抗７１（抵抗値Ｒ）の両端に現れる電圧をアンプ７２で増幅して出力するようになっている。アンプ７２の電圧利得は１＋（Ｒ₂ ／Ｒ₁ ）であり、圧力センサ３の静電容量をＣとすると、時定数はＲＣである。
【００３６】
図７、図８の回路は上記した特性式からわかるように、圧電素子１２ａの電荷に基づく電圧を検知する回路は時定数を持っている。このため、印加される圧力が静的（時間的に一定）であると、出力がなくなってしまう。しかし、過渡的なレスポンスが良好であるため、動的な輪重計測には好適である。
【００３７】
２）コンデンサからなる圧力センサ
ポリエステル、ポリプロピレン等の誘電体フィルムの両面に電極を設けた平板コンデンサは圧力を受けて誘電体フィルムの厚みが変化すれば電極間距離に応じて静電容量が変化するので圧力センサとなる。図９に示されるように、コンデンサ８１は、感圧部材１２としての誘電体フィルム１２ｂの両面に電極１１として金属を蒸着するか、金属平板で誘電体フィルム１２ｂを挟み付けることで構成することができる。誘電体フィルム１２ｂは平板でなくてもよく、表面が波打った形状にしてもよい。静電容量は、図１０又は図１１のように直接的に静電容量計で検出するか、発振周波数から換算することができる。
【００３８】
図１０の構成では、両電極１１，１１に静電容量計９１を接続し、直接的に静電容量を検出するようになっている。
【００３９】
図１１の構成では、発振回路１０１の容量要素として圧力センサ３のコンデンサ１２ｂを用い、発振回路１０１の発振信号の周波数を周波数カウンタ（又は周波数電圧変換器）からなる周波数検出器１０２で検出し、検出した周波数から静電容量を求めるようになっている。
【００４０】
コンデンサ１２ｂは電極間距離に応じて静電容量が変化するので静的な輪重計測には好適である。ただし、静電容量の計測に時間を要するので、輪重が高周波数で変動する場合には不向きである。
【００４１】
３）導電ゴムからなる圧力センサ
シリコンゴム等のゴム樹脂材料中に導電性微粒子を含有させた導電ゴムは長さ当たりの抵抗値が一定であり、圧力をかけて変形を生じさせると、長さの変化のために抵抗値が変化する。図１２に示されるように、この圧力センサ３は、感圧部材１２として導電ゴムシート１２ｃを電極１１としての金属平板で挟み付けることで構成する。また、図１３に示されるように、導電ゴムのシートは一面に形成せず、複数片に分割形成し、これら分割片１２１と弾性体（金属バネやプラスチック）１２２とを交互に配置して電極１１としての金属平板で挟み付けてもよい。
【００４２】
導電ゴムシート１２ｃの抵抗値の変化は、図１４又は図１５のように電圧降下を検出することで求められる。
【００４３】
図１４の構成では、圧力センサ３と並列抵抗１３１に定電流電源１３２より定電流を印加し、圧力センサ３両端の電圧を検出する。
【００４４】
図１５の構成では、圧力センサ３と直列抵抗１４１に定電圧電源１４２より定電圧を印加し、圧力センサ３両端の電圧を検出する。
【００４５】
荷重を受けた導電ゴムは、圧力を受けて変形した後、その変形が残留するというヒステリシス性或いはクリープ性を有する。また、変形により厚みが減少すると同時に面が広がることで受圧面積が増加する。これらの性質は、印加する圧力と取り出される電気量との関係を非線形にする。従って、導電ゴムからなる圧力センサ３は、広い圧力範囲では推奨できないが、線形性の良い圧力範囲に限って使用するのであれば実用に支障はない。
【００４６】
４）２種類の圧力センサを複合した圧力センサ（組み合わせ例▲１▼）
これまで説明した３種類の圧力センサ３は、いずれも薄いシート状に形成されている。これらの圧力センサ３を２種類重ね合わせると、各々の圧力センサ３に同じ荷重がかかる。そして、それぞれの圧力センサ３による計測結果を組み合わせ、複合させることで、より正確な輪重を求めることができる。複合とは、以下の図では２つの出力信号を加算するイメージで示したが、２つの出力信号を切り替えたり補正に用い、各々の圧力センサ３の弱点を補完させることである。
【００４７】
図１６に示されるように、圧電素子１２ａを図７の電荷増幅器又は図８電圧増幅器からなる信号処理回路１５１に接続し、図１０の誘電体フィルム１２ｂを用いたコンデンサ８１を静電容量計９１に接続し、これら２つの計測回路の出力信号を複合させ、圧力、即ち、輪重を表す電圧Ｖを得る。具体的には、静的な輪重は静電容量変化で計測し、動的な輪重は圧電効果で計測する。
【００４８】
５）２種類の圧力センサを複合した圧力センサ（組み合わせ例▲２▼）
図１７に示されるように、圧電素子１２ａを図７の電荷増幅器又は図８電圧増幅器からなる信号処理回路１５１に接続し、図１０の誘電体フィルム１２ｂを用いたコンデンサ８１を発振回路１０１及び周波数検出器１０２に接続し、これら２つの計測回路の出力信号を複合させる。
【００４９】
６）２種類の圧力センサを複合した圧力センサ（組み合わせ例▲３▼）
図１８に示されるように、圧電素子１２ａを図７の電荷増幅器又は図８電圧増幅器からなる信号処理回路１５１に接続し、図１２の導電ゴムシート１２ｃによる圧力センサ３を抵抗値計測回路１７１に接続し、これら２つの計測回路の出力信号を複合させる。具体的には、静的な輪重は導電ゴムの抵抗変化で計測し、導電ゴムの非線形性を圧電効果による計測で補う。
【００５０】
７）２種類の圧力センサを複合した圧力センサ（組み合わせ例▲４▼）
図１９に示されるように、図１２の導電ゴムシート１２ｃによる圧力センサ３を抵抗値計測回路１７１に接続し、図１０の誘電体フィルム１２ｂを用いたコンデンサ８１を静電容量計９１に接続し、これら２つの計測回路の出力信号を複合させる。具体的には、静的な輪重は静電容量変化で計測し、動的な輪重は導電ゴムの抵抗変化で計測し、導電ゴムの非線形性を静電容量による計測で補う。
【００５１】
以上、圧力センサ３の種類について述べたが、この他にも圧力を電気量に変換できるものであれば、材料には制限はない。本発明では、圧力センサ３をバネ受け式台座２と車軸受け１との接触面間に介設することが要点であり、この圧力センサ３を調整板４に重ねて一緒に差し込むよう、圧力センサ３を薄いシート状に形成することが好ましい。
【００５２】
圧力センサ３の具体的構造の一例を図２０に示す。この圧力センサ３は、感圧部材としての誘電体の両面に電極として金属を蒸着したコンデンサ２１と、このコンデンサ２１の電極を覆う絶縁体２２，２２と、これら絶縁体２２，２２を介してコンデンサ２１に力を均等に加えるための弾性体２３，２３と、バネ受け式台座２や車軸受け１との接触面となる金属板２４，２４とからなる。絶縁体２２には、例えば、ＰＥＴフィルムを用いる。弾性体２３には、ＰＥＴ、ゴムなどを用いる。金属板２４は、挟み込んだ各部材を保護するカバーの役割を有すると共に、図３に示した調整板４の平面形状とすることで、従来の調整板との形状的統一を図るものである。
【００５３】
両面の金属板２４，２４は、互いに電気的に導通させ、共に接地電位にしておくことで、これら金属板２４が電気的特性（金属板２４，２４間の静電容量など）を持たないようにするとよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００５５】
（１）特殊車両を構成する必要なく、営業車両で輪重計測ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す輪重計測装置を取り付けた車両要部の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す輪重計測装置を取り付けた車両要部の側面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す輪重計測装置の平面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す輪重計測装置の断面図である。
【図５】本発明に用いる圧力センサの断面構造図である。
【図６】本発明による圧電素子からなる圧力センサの断面構造図である。
【図７】本発明に用いる電荷増幅器の回路図である。
【図８】本発明に用いる電圧増幅器の回路図である。
【図９】本発明によるコンデンサからなる圧力センサの断面構造図である。
【図１０】本発明に用いる静電容量計測のための回路図である。
【図１１】本発明に用いる静電容量計測のための回路図である。
【図１２】本発明による導電ゴムからなる圧力センサの断面構造図である。
【図１３】本発明による導電ゴムからなる圧力センサの断面構造図である。
【図１４】本発明に用いる抵抗値計測のための回路図である。
【図１５】本発明に用いる抵抗値計測のための回路図である。
【図１６】本発明において２種類の圧力センサを複合した場合の回路図である。
【図１７】本発明において２種類の圧力センサを複合した場合の回路図である。
【図１８】本発明において２種類の圧力センサを複合した場合の回路図である。
【図１９】本発明において２種類の圧力センサを複合した場合の回路図である。
【図２０】本発明に用いる圧力センサの断面構造図である。
【符号の説明】
１車軸受け
２バネ受け式台座
３圧力センサ
４調整板
１２感圧部材
１２ａ圧電素子
１２ｂ誘電体フィルム
１２ｃ導電ゴムシート

Claims

車軸受け上で車両本体の荷重を支持しているバネ受け式台座と前記車軸受けとの接触面間に前記バネ受け式台座からの圧力を検知する圧力センサを介設した輪重計測装置において、前記バネ受け式台座のバネ長を調整するために前記バネ受け式台座と前記車軸受けとの間に挟み込まれる調整板を２枚の薄型調整板で分割構成し、これら２枚の薄型調整板で上記圧力センサを挟むようにしたことを特徴とする輪重計測装置。
上記圧力センサは、圧電素子で構成することを特徴とする請求項１記載の輪重計測装置。
上記圧力センサは、コンデンサで構成することを特徴とする請求項１記載の輪重計測装置。
上記圧力センサは、導電ゴムで構成することを特徴とする請求項１記載の輪重計測装置。
上記圧力センサは、圧電素子とコンデンサと導電ゴムのうちのいずれか２つ以上を複合して構成することを特徴とする請求項１記載の輪重計測装置。