JP4151482B2 - 輪重計測装置 - Google Patents
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Description
【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Cf 、出力をV OUTとすると、圧力センサ3から得られた電荷Qに対し、V OUT=−Q/Cf となる。差動アンプ61の電圧利得は−Q/Cf である。一方、時定数はRCf である。遮断周波数は、1/(2πRCf )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 (5)
- 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。
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