JP4319614B2 - 車輪形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両の車輪の形状を測定し、その測定結果を用いて車輪の摩耗状態を検出する車輪形状測定装置に関する。

従来、鉄道車両の車輪踏面形状を測定するものとして、２つの距離センサを車輪を挟むように配置してフランジ厚やフランジ高さ等を測定する装置が特許文献１に開示されている。

また、撮像手段を用いて車輪形状を測定するものとして特許文献２に開示のものがある。

特開２００１−８８５０３号公報

特開平０５−５２５３６号公報

特許文献１の方法は、距離センサーを用いて、車輪形状を計測するというものであるが、この方法では距離センサーと踏面との角度関係から、踏面からの十分な戻り光が得られないため踏面部分を正確に測定することはできない。また、特許文献２の方法は、画像処理を用いて、車輪形状を計測するというものであるが、相対的な位置関係は簡単に計測できるが、実寸法を知るのは大変困難である。

そこで、本発明の目的は、正確に車輪踏面形状の寸法を求め、車輪の摩耗量やその状態を正確に検出できる車輪形状測定装置を提供するにある。

上記目的を達成するため、本発明では、鉄道車両の車輪踏面形状を測定して、フランジの摩耗量や踏面の摩耗状態を検査するため、走行する車輪のフランジ形状を車輪にレーザ光を照射し、その反射光より求める第１及び第２の距離センサと、車両上の反射部材を介して走行する車輪にレーザ光を照射し、その反射光より求める第３の距離センサと、前記第１、第２及び第３の距離センサからのデータを処理し摩耗量を求める制御部とを設けた構成とした。

鉄道車両の形状・寸法を正確に測定することで、車輪フランジ部及び踏面部の摩耗量を精度よく検出できる。

以下図面を用いて本願発明を説明する。図１に車輪の断面図を示す。

図１に示すように、車輪１は、外側の部分(レールの外側を向いている部分で以後表面と称する場合もある）１１から内側の部分（以後裏面と称する場合もある)１２までの外周面の外形が徐々に大きくなるように形成された踏面１３と、内側に一体に設けられているフランジ１４とからなる。フランジ１４の外周面は、踏面から連続し、且つ内側から外側に行くに従って肉厚が徐々に薄くなるような凸曲面をなす。また、車輪の裏面１２側の直径がＷｓの位置に基準溝１５が設けてある。なおこの直径Ｗｓは基準により定められている。フランジ１４の外側面１６をフランジ外面と称し、フランジ１４の内側面１７を車輪内面と称する。

ここで、車輪直径をＷｄでフランジ高さをｆｈで、フランジ厚さをｄで車輪直径Ｗｄと基準溝直径Ｗｓとの間をＷｔで表している。

図２に車輪形状測定装置の全体の配置構成を示す。
図２に示すように、レール２の外側に車輪までの距離を計測するための第１の距離センサ２１、第３の距離センサ２３、またレール２の内側に第２の距離センサ２２を設けてある。反射板５は、光の減衰が少なく且つ光路を９０度曲げる反射部材であって、三角プリズムやガラス表面に金属膜を蒸着した反射鏡、あるいは表面を鏡面仕上げした材料で構成されたものである。反射板５は図３に示すように、車両（台車枠）上に設けてあり車輪と一体で移動する。また車両の侵入を検知する車両進入検知センサ２５ａと２５ｂ、車両の退出を検知する車両退出検知センサ２６ａと２６ｂ、一つの車輪に対して計測開始タイミングを決めるための車輪検知センサ２７ａと２７ｂ、計測終了のタイミングを決めるための車輪退出検知センサ２８ａと２８ｂがそれぞれ設けてある。なお、車両の地上側には、列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器３０が、図示していない車両の先頭部の車体には、列車編成番号等の車両情報を発信する発信機が設けてある。

図３に車輪踏面の測定のために車両上に設けた反射板の配置を示す。
図３に示すように、車両上の台車枠３に取付けアーム４を介して反射板５を設けてある。本図において反射板５の設置高さは、反射板５の中心軸が車軸中心の高さｈｓになるように設けてある。また、その設置距離は車軸中心から水平方向にＬ６だけ離れた位置に設置してある。台車枠３への反射板５の取付位置はできるだけ車輪１と反射板５間に光をさえぎるものがない位置になればよく、高さや水平距離は一意に決める必要はないが、台車枠は車輪の動きに追従するものではないため多少大きめにして設ける必要がある。

図４に車輪を挟んで設けられる各種センサの配置を示す。
図４に示すように、距離センサ２１は、車輪表側にθ１の角度で光を照射して、その反射光を受光し距離を測定する。その設置距離は、車輪１のフランジ１４から水平方向にＬ１だけ離れた位置にしてある。また距離センサ２２は、車輪裏面側に水平方向にＬ２だけ離れて、かつ車輪裏面側に対してθ２の角度で光を照射する位置に設置してある。両センサの設置高さは車輪踏面（車輪とレールの接触点）からｈＧ離れた地上側に設けてある。このように車輪に直接光を照射してその距離を測定する第１の距離測定装置では、車輪のフランジ部分１４や車輪の表面１１や車輪の裏面１２までの距離は略正確に測定できるが、車輪踏面１３部分を測定することは難しい。そこで、台車枠に設けた反射板を介して踏面までの距離を測定する第２の距離測定装置である、距離センサ２３を設けて踏面までの距離を求めるようにしたものである。距離センサ２３の設置距離は、車輪幅の中心線５１から水平方向にＬ５だけ離れた位置に設定してある。またその設置高さは車軸踏面からｈｓ（車軸の中心高さ）離れた地上側に設けてある。

図５に車輪踏面測定を行うための反射板及び距離センサの配置を示す。
図５に示すように、反射板５は対面する車輪１の踏面１３a（レール２と垂直な面で且つ踏面１３に接する面）と平行面１３ｂと車輪幅の中心線５１との交点を回転軸として斜め４５度だけ、距離センサ２３のある外側に向けて（車両上に）設置してある。また反射板５の板幅は車輪幅のおよそ１．５倍の長さであり、反射板５の中心が車輪幅の中心線５１上に配置してある。距離センサ２３は、車輪表側から車両上の反射板５に水平方向に且つ車両進行方向とおよそ直角方向に光を照射し、反射板５上で直角方向に曲げられた光は車輪１の踏面１３aに照射する。その踏面１３aからの戻り光は、反射条件が満たされるとき入射経路とほぼ同一の経路を辿り、反射板５を介して距離センサ２３へ戻る。距離センサ２３は、車輪１の踏面１３aまでの距離を測定する。

次に、図５で車両が左から右方向へ移動するとき、車輪幅にわたり踏面測定を行う動作を説明する。反射板５は台車枠上に設けてあり車輪１と略一体で移動する。ここでは、実線で示した位置から順次破線で示した位置までの車輪が移動した場合を例に説明する。車輪１と反射板５が実線で示した位置にあると、距離センサ２３の照射光は反射板５の手前側（距離センサ２３側）へ入射する。この光の入射位置は、距離センサ２３の位置が固定されているため、車両の移動に伴って順次反射板の傾きに沿って移動する。すなわち、破線で示す反射板５のように車輪のフランジ側に入射するように入射点が移動する。踏面１３aからの戻り光も反射条件を満たすものについては、入射経路とほぼ同一の経路を辿り、反射板５を介して距離センサ２３まで戻る。距離センサ２３は、このように車輪幅の手前側から奥フランジ側までの踏面１３aまでの距離を測定する。実際には車輪１が回転して行くため、同一踏面１３a上ではなく、踏面１３上を螺旋状に測定することになる。

図６に車輪踏面計測装置の全体構成の概要を示す。
図６に示すように、本装置では大きく区分するとフランジ測定部１０１と、踏面測定部１０２との２つの形状測定部と、２つの形状測定部からの情報を受け取り、車輪形状を求めたり、求めたデータを蓄積する情報処理装置１０３とから構成されている。

フランジ測定部１０１は、フランジ外面までの距離を測定する第１距離センサ２１と、車輪内面までの距離を測定する第２距離センサ２２と、測定開始及び測定終了を決定するための車輪進入検知センサ２７ａと２７ｂと、車輪退出検知センサ２８ａと２８ｂと、前記センサを制御するためのフランジ測定制御部１０４とからなる。

また、踏面測定部１０２は、車輪踏面までの距離を測定する第３距離センサ２３と、測定開始及び測定終了を決定するための車輪進入検知センサ２７ａと２７ｂと、車輪退出検知センサ２８ａと２８ｂ（図示せず）と、前記センサを制御するための踏面測定制御部１０５とからなる。

各制御部にはこの他に、車両進入検知センサ２５ａ、２５ｂ、車両退出検知センサ２６ａ，２６ｂの信号及び列車編成番号等の車両情報を受信するための受信器から信号を取り込むようになっている。なお、この車両情報は情報処理装置１０３にのみ取り込みそこから、フランジ測定制御部１０４と踏面測定制御部１０５に送信する構成となっている。

情報処理装置１０３では、フランジ測定部１０１のデータと踏面測定部１０２のデータを併合し車輪形状を求め、車両編成番号、計測日時を加えて保存する機能を有している。また異常摩耗を起した車輪を検出する機能に加え、異常摩耗の車輪を検出すると警報を発すると共に、摩耗状態から車輪の寿命時期を予測する機能と、それを監視者に報知する機能を備えている。また車輪の切削時期のデータを自動生成する機能を備えている。

次にそれぞれの動作を説明する。
まず、計測位置に車両の進入を車両進入検知センサ２５ａと２５ｂが検知すると、その検知信号に基づいて車輪進入検知センサ２７ａと２７ｂ、車輪退出検知センサ２８ａと２８ｂが起動され、車輪の有無の検出を開始する。同時に第１距離センサ２１、第２距離センサ２２及び第３距離センサが起動され計測可能状態になる。この状態で、車輪進入検知センサ２７ａと２７ｂが車輪を検知すると、第１距離センサ２１、第２距離センサ２２及び第３距離センサ２３は計測を開始し、車輪退出検知センサ２８ａと２８ｂが車輪を検出すると１つの車輪の計測を終了する。但し、車両退出センサ２６ａ，２６ｂが車両の退出を検出するまでは、各センサ等は起動状態を保持している。

最初にフランジに関する計測データはフランジ測定制御部１０４のメモリに取り込まれる。取り込んだ計測データは、フランジ測定制御部１０４で演算処理され、フランジの各部位の位置関係とフランジ厚さを計算する。このとき、計測開始から終了までの時間から車両速度を計算し前記計算に用いている。次に踏面部に関する計測データは、踏面制御部１０５で演算処理され、踏面部の位置関係を計算する。フランジ測定制御部１０４で計算されたフランジ各部位の位置関係とフランジ厚さ１１０、踏面制御部１０５で計算された踏面部形状１１１は、情報処理装置１０３に転送される。転送されたデータは、情報処理装置１０３で併合し車輪形状１１２を求める。例えば、踏面部形状１１１は、距離センサ２３と反射板５までの既知距離L５から予め計算されるが、車両の揺動などによる位置変化はフランジ測定制御部１０４で測定されており、その計測データに基づいて距離Ｌ５を補正し、踏面部形状１１１が補正される。さらに車輪形状１１２へ反映される。

次に、フランジ厚さ１１０の計算の詳細を説明する。

図７に第１距離センサ２１、第２距離センサ２２の出力波形を示す。
第１距離センサ２１は、図７（ａ）に示すフランジ外面のＢ−Ｃ間の部分、車輪外側面のＣ−Ｄ間の部分、及びフランジ外面のＤ−Ｅ間の部分までの距離Ｌ３を計測する。第１距離センサ２１からの出力波形は、図７（ｃ）に示すような波形である。第２距離センサ２２は、図７（ａ）に示す車輪内面のＡ−Ｆ間の部分までの距離Ｌ４を計測する。

フランジ厚さｄは、第１距離センサ２１及び第２距離センサ２２で計測した距離Ｌ３及び距離Ｌ４から、数１〜３により算出できる。

ｄ＝Ｌ０−（Ｌ１＋Ｌ２） 数１
Ｌ１＝Ｌ３＊ｓｉｎθ１ 数２
Ｌ２＝Ｌ４＊ｓｉｎθ２ 数３
ここで、ｄ，Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，θ１，θ２はそれぞれ図３に示した距離や角度である。

車輪径Ｗｄ及び車輪フランジ高さｆｈは、既知である車輪基準溝の直径Ｗｓと、第２距離センサ２２で計測した距離Ｌ４と設置角度θ２とその設置高さｈＧから、数４〜９により算出できる。距離Ｌｆは、図７（ｂ）に示す第２距離センサ２２の出力波形における立ち上りから立ち下りまでの経過時間と車両速度から求める。車輪基準溝間横断距離Ｌｓは、第２距離センサ２２の出力波形上の車輪基準溝を示すＧ点からＨ点までの経過時間と車両速度から求める。

Ｗｄ＝Ｗｓ＋２Ｗｔ 数４
Ｗｔ＝ｈ１＋ｈ２−ｈＧ−Ｗｓ／２ 数５
ｈ１＝sqr（（Ｗｓ／２）^２−（Ｌｓ／２）^２） 数６
ｈ２＝Ｌ４＊ｃｏｓθ２ 数７
ｆｈ＝Ｒｆ−Ｗｄ／２ 数８
Ｒｆ＝sqr（ｈ１^２＋（Ｌｆ／２）^２） 数９
踏面部形状１１１の計算は、距離センサ２３の計測データと、既知距離Ｌ５、既知距離Ｌ６、及び車輪の移動速度を考慮して、螺旋状に計測した結果（所定の角度で移動している）を直線距離に補正する。この補正した踏面距離と既知な初期車輪形状とから踏面形状を求める。

図８に距離センサで計測した車輪形状１１２の例を示す。
情報処理装置１０３では、フランジ厚さ１１０と踏面部形状１１１の共通となる基準点、例えば、フランジ頂点３０２、フランジ外側面と踏面の接点３０３などを参考にして、フランジ厚さ１１０と踏面部形状１１１を併合して車輪形状１１２を作成する。作成した車輪形状１１２は車両編成番号、車輪番号、測定日時等のデータと共に情報処理装置１０３に設けてある記憶部に格納される。また、情報処理装置１０３は作成した車輪形状１１２から、各部の摩耗上状態を検出して、それぞれの部位において所定の値以上の摩耗量となっている場合は、警報を発するようになっている。さらに、情報処理装置１０３では、以前に測定、記憶してある同一の車両編成番号の同一の車輪番号のデータと比較して、車輪の寿命予測を行い、その結果を報知できるようにしてある。なお本測定装置では、局所的な踏面摩耗の状態を測定することは難しいが、踏面に線状に連続する凹摩等の摩耗状態は略正確に求めることが可能である。

以上のように、本発明では車輪のフランジ部を高精度に計測できる距離測定装置のデータと、車両上に設けた反射部材を介して車輪の踏面部を高精度に計測できる距離測定装置のデータとを用いて、車輪踏面形状を高精度に求めて、その求めた形状から車輪の摩耗量を求めることで、車輪踏面の凹摩耗も確実に検出できるものである。

車輪の断面を示す図である。 車輪形状測定装置の全体構成を示す図である。 反射部材の配置を示す図である。 車輪形状測定装置のセンサ配置を示す図である。 車輪踏面測定を行う距離センサの測定位置を示す図である。 車輪形状測定装置の制御システム構成を示す図である。 距離センサの測定位置と出力波形を示す図である。 距離センサで計測した車輪形状を示す図である。

符号の説明

１…車輪、２…レール、３…台車枠、４…取付けアーム、５…反射板、２１…第１の距離センサ、２２…第２の距離センサ、２３…第３の距離センサ、２５ａ、２５ｂ…車両進入検知センサ、２６ａ、２６ｂ…車両退出検知センサ、２７ａ、２７ｂ…車輪検知センサ、２８ａ、２８ｂ…車輪退出検知センサ、３０…受信器。

Claims (3)

1. 鉄道車両の車輪踏面形状を測定して、フランジの摩耗量や踏面の摩耗状態を検査する車輪形状測定装置において、
   地上側に設置され、車輪に光を直接照射してその反射光から距離を求める第１の距離測定装置と
   車両上に設けた反射部材と、
   走行する車輪のフランジ形状を車輪に直接又は前記反射部材を介してレーザ光を照射し、その反射光より求める距離センサを備えた第２の距離測定装置と、
   前記第１の距離測定装置と第２の距離測定装置で求めた車輪各部の距離を合成して車輪形状を求め、該形状から摩耗量を求める情報処理装置とから構成されることを特徴とする車輪形状測定装置。
2. 請求項１に記載の車輪形状測定装置において、
   前記第１の距離測定装置は主に車輪のフランジ部と車輪端部までの距離を求め、
   前記第２の距離測定装置は主に車輪踏面部分の距離を測定することを特徴とする車輪形状測定装置。
3. 請求項１及び２に記載の車輪形状測定装置において、
   前記情報処理装置に表示部を設け、前記表示部に前記合成部で合成した車輪について、車両番号や車輪番号と一緒にプロフィールを表示すると共に、摩耗状態を表示することを特徴とする車輪形状測定装置。
   

Images