JP4913498B2 - 鉄道車両車輪計測装置 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両車輪計測装置に係り、特に、距離センサにより鉄道車両の車輪までの距離を非接触で計測して、車輪径，フランジ厚さ，フランジ高さなどの車輪の形状を演算で求めて、車輪のフランジや踏面の摩耗状況を正確に把握する鉄道車両車輪計測装置に関する。

鉄道車両（以下、車両と略記する）の車輪は、その内側部分のフランジに案内されてレール面（踏面）上を走行しているが、特に、曲線通過時にはフランジ外面とレール内側面との間に横圧とすべりが発生し、徐々にフランジ摩耗が生ずる。この車輪のフランジ摩耗がさらに進み、一定限界を超えると車両が脱線するという重大事故につながるので、このフランジの摩耗状態を監視しておかなければならない。

また、ブレーキ作動時に車輪とレールのすべりが生じると、車輪の踏面にフラットと称する削れが生じ、車輪が回転するに従い、フラットを生じた箇所で衝撃を生じ、車両の乗り心地に悪影響を及ぼす。そこで、このフラット検出のため、車輪の踏面の摩耗状態を監視しておかなければならない。

車輪の踏面の摩耗状態などを監視するにあたり、人手と労力を軽減するために、下記の特許文献に見られるように、レールの外側に設置した第１距離センサで車輪の外側のフランジ面までの距離を非接触で計測し、レールの内側に設置した第２距離センサで車輪の内側のバック面までの距離を非接触で計測し、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪の車輪径，フランジ厚さ，フランジ高さなどの車輪の形状を演算により得る装置が提案されている。

特開２００１−８８５０３号公報

ところが、上述の従来装置では、走行してくる車両の前方に設置してある第１，第２の両距離センサは、車輪に対し真横の方向（レールに対し直交する方向）から照射光などの計測波を発しており、車輪の僅かに傾斜している踏面は距離センサの計測波とほぼ平行状態となるため、第１の距離センサから照射した計測波が車輪面で反射し第１の距離センサに戻ってこないことがあり、測定できない部分が生じるなど、車輪摩耗量の測定精度の面で問題がある。

それゆえ、本発明の目的は、計測波が車輪において距離センサに向けて確実に反射し、測定精度が高く、車輪の摩耗状況を正確に把握することができる鉄道車両車輪計測装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪の形状を演算する処理部を備えた鉄道車両車輪計測装置において、第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサは、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射して距離を計測するものであり、第１距離センサからの計測波の照射方向がレールと水平に交差する角度が、車輪の踏面の先端位置での第１距離センサから照射する計測波とその計測点における車輪の踏面の法線とがなす角が最小となるように設置されていることにある。

また、上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪の形状を演算する処理部を備えた鉄道車両車輪計測装置において、第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサは、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する鉄道車両の走行方向の前方の位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射し、距離を計測する距離センサであって、第１距離センサからの計測波の照射方向がレールと水平に交差する角度を迎え角とすると、該迎え角が、車輪の踏面の先端位置での第１距離センサから照射する計測波とその計測点における車輪の踏面の法線とがなす角が最小となるように設置されている第１の距離センサ群と、第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサが、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する鉄道車両の走行方向の後方の位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射し、距離を計測する第２の距離センサ群とから構成されることにある。

上記本発明によれば、距離センサから照射した計測波は車輪のフランジ面やバック面で距離センサに向けて確実に反射するので、測定できない箇所を生じることは無く、従って、測定精度は高く、車輪の摩耗状況を正確に把握することができる。

以下、本発明になる鉄道車両車輪計測装置の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明になる鉄道車両車輪計測装置１の一実施形態を示しており、図１において、１０はレール１１の踏面１１ａ上を車輪１００で走行する車両である。なお、１２は架線、２００はパンタグラフである。

図２は車輪１００の断面を示しており、車輪１００は図において右側を外側、左側を内側（バック面側）と呼ぶ。車輪１００は、外側の部分から内側の部分までの外周面の外径が徐々に大となるように形成された踏面１０１と内側の部分に一体に設けたフランジ102とからなる。

フランジ１０２は、外周面が踏面１０１から連続し、軸中心側から半径方向の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している。

車輪１００には、内側（バック面側）に基準溝１０３を有しており、この直径Ｗｓは基準で定められている。なお、車輪１００の外側のフランジ面１０４をフランジ外面と称し、また車輪１００の内側におけるフランジ内面１０５から車輪１００の内側のバック面
１０６までを車輪内面１０７と称する。

車輪１００は、踏面１０１がレール１１の踏面（レール面）１１ａ（図１参照）上を走行する際、車輪１００のフランジ外面１０４がレール１１の内側の側面で案内される。

フランジ１０２は、フランジ厚Ｆｄと半径Ｒｆで表す外径を有している。基準で定められた位置で計測する踏面１０１の外径Ｗｄとフランジ１０２の外径（２×Ｒｆ）の差の半分をフランジ高さＦｈ（＝Ｗｄ／２−Ｒｆ），踏面１０１の外径Ｗｄと基準溝１０３の直径Ｗｓの差の半分をタイヤ厚Ｗｔ（＝（Ｗｄ−Ｗｓ）／２）として計測する。

フランジ１０２における摩耗状態の監視のためにフランジ厚Ｆｄの算出が必要であり、踏面１０１における摩耗状態の監視のために踏面１０１の外径Ｗｄやタイヤ厚Ｗｔの算出が必要で、そのために図１に示す鉄道車両車輪計測装置１を用いる。

図１において、２ａ及び２ｂは一方のレール１１の外側と内側に設置し、レール１１上を走行して来る車両１０における一方の車輪１００との距離（最短距離）を測定する非接触式の第１距離センサ及び第２距離センサで、図示していない枕木などに設置されている。

なお、他方の車輪１００については他方のレール１１の外側と内側に第１距離センサ及び第２距離センサを設置してあり、構成やフランジ厚Ｆｄなどの算出は全く同一であるので、説明の簡略化のために一方の車輪１００について説明を進める。

この第１距離センサ２ａはレール１１の外側に設置され、車輪１００の外側における踏面１０１やフランジ外面１０４までの距離Ｌ３を時系列に計測し出力するものである。また、第２距離センサ２ｂはレール１１の内側に設置され、車輪１００の内側におけるフランジ内面１０５やバック面１０６などの車輪内面１０７までの距離Ｌ４を計測し出力する。

この距離センサ２ａ，２ｂとしては、内部のコイルに高周波電流を流して高周波磁界を発生させ、その磁界内に測定対象の金属が入ってくると電磁誘導作用によって金属表面に渦電流が発生し、この渦電流の大小でセンサと対象物の距離を測定することを利用した渦電流式変位センサや、発光ダイオードや半導体レーザを用いた発光素子と光位置検出素子の組合せで構成された光学式変位センサや、超音波を測定対象物に向けて照射し、その音波が対象物から反射波として戻ってくるまでの時間を計測することでセンサと対象物の距離を測定する超音波式変位センサ等が利用できる。

この実施例においては各距離センサ２ａ，２ｂとして光学式変位センサを用いており、図３に示すように各距離センサ２ａ，２ｂはレール１１の踏面１１ａの位置より距離ｈＧだけ下で計測波（光）の照射方向がレール１１の上方から見てレール１１の延びる方向に対し斜めに交差する位置に設置され、車輪１００に対し斜めに計測光（波）を照射している。

従って、これらが発せられる計測光（波）がレール１１で遮られることはなく、仰ぎ角θ１，θ２及び迎え角（計測光を上方から見て、レール１１と水平に交差する角度）φ１，φ２の設置角度を持っている。ここで、迎え角φ１，φ２は、計測光の照射方向をレール１１の上方から見てレール１１の延びる方向に対し斜めに交差する角度となっている。

この第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂにおける仰ぎ角θ１，θ２及び迎え角
φ１，φ２は、同一であっても良いし、異なっていても良い。第２距離センサ２ｂは反射波をうけ易いので迎え角φ２は９０度、つまり、レール１１の延びる方向に対し直交する位置に第２距離センサ２ｂを設置してもよいが、第１距離センサ２ａは図３の配置とする。

また、各距離センサ２ａ，２ｂは車両１０の走行方向の前方に設置（配置）しているが、車輪１００の後方から仰ぎ角θ１，θ２及び迎え角φ１，φ２の設置角度を持って設置してもよい。

各距離センサ２ａ，２ｂから車輪１００に向けて照射した計測光は、フランジ１０２の内外各面や踏面１０１を直射して反射し各距離センサ２ａ，２ｂに戻って来て照射点Ｐ１，Ｐ２までの距離（Ｌ３，Ｌ４）を計測する。なお、照射点Ｐ１，Ｐ２は車輪１００の走行に合わせて車輪１００の曲面上を移動するので、計測した距離は曲面に合わせて変化する。

各距離センサ２ａ，２ｂでの計測結果（計測した距離）Ｌ３及びＬ４は、図１に示す第１増幅部３ａ及び第２増幅部３ｂで増幅し、第１Ａ／Ｄ変換部４ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部４ｂで逐次Ａ／Ｄ変換していく。

図１において、５は第１距離センサ２ａ及び第２距離センサ２ｂによって距離Ｌ３，
Ｌ４を計測される車輪１００の速度を（車両１０の走行方向イに沿った車輪１００の移動速度）を検出する速度検出部である。

この速度検出部５は、例えば距離センサ２ａ，２ｂのような渦電流式，光学式或は超音波式のもので、２個の検出部５ａ，５ｂを車両１０の走行方向イにおいて車輪１００が間に入るように配置している。

この速度検出部５は、上記２個の検出部５ａ，５ｂ間（一方の検出部５ａから他方の検出部５ｂまでの間）を通過する車輪１００の通過時間からその車輪１００の速度を得るものである。

また、この速度検出部５は、検査対象の車両１０が２個の検出部５ａ，５ｂ間を通過する時の経過時間を得るものである。

速度検出部５での計測結果は、距離センサ２ａ，２ｂでの計測結果とともに第１制御部６ａ，第２制御部６ｂに送られる。

この第１制御部６ａ及び第２制御部６ｂでは、第１Ａ／Ｄ変換部４ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部４ｂからの計測データと上記速度検出部５からの車輪１００の速度及び経過時間とを逐次取込み、内蔵の記憶部に格納させる制御を行う。また、第１制御部６ａ及び第２制御部６ｂは、速度検出部５で得られた車輪１００の速度に応じて、第１Ａ／Ｄ変換部４ａ及び第２変換部４ｂから出力されるデータをサンプリングする周期を適宜変えるように構成されている。

７は処理部で、第１制御部６ａ及び第２制御部６ｂの内蔵の記憶部に格納された計測データと予め固定して設置されている第１距離センサ２ａ，第２距離センサ２ｂの間の距離Ｌ０（図３参照）と第１距離センサ２ａや第２距離センサ２ｂの各設置角度θ１，θ２，φ１，φ２と速度検出部５で検出される車輪速度から後述する数式によって、逐次車輪
１００のフランジ１０２の厚さＦｄ，フランジ１０２の高さＦｈ，車輪１００の直径Ｗｄ（図２参照）などを演算し、車輪の形状を求める。

また、処理部７は、上記のようにして得られる車輪１００における車輪の形状に係るデータを車輪１００の測定順番と共に内蔵の記憶部に格納する。さらに、速度検出部５で得られた車輪１００の速度と経過時間と上記のようにして得られる車輪１００における車輪の形状に係るデータから車輪１００における各部の３次元的な位置を演算して形状を再現し、出力画面表示部８で表示させたり図示していない出力印字部でハードコピーを得るようにする。

なお、図１において、９は処理部７における内蔵の記憶部に第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂの間の距離Ｌ０（図３参照）などを格納したり各種の処理指令を入力するキーボードである。

以下、鉄道車両車輪計測装置１の動作について説明する。
先ず、図１に示すように、車両１０をレール１１上を矢印の方向に走行させ、先頭の車輪１００から順次速度検出部５の２個の検出部５ａ，５ｂ間を通過させ、さらに第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂとの間を走行させる。

すると、図３に示すように、第１距離センサ２ａから発した計測光の計測点Ｐ１はフランジ外面１０４から踏面１０１にかけてそれらの面上を車両１０の走行に従って推移し、踏面１０１やフランジ外面１０４までの距離Ｌ３を計測し、第２距離センサ２ｂは同様に車輪内面１０７までの距離Ｌ４を計測する。

この時、第１距離センサ２ａから発した計測光の計測点Ｐ１は、図４（ａ）に２点鎖線で示す位置ＰＰ１を車両１０の走行に従って推移し、車輪１００のフランジ外面１０４のａ−ｂ間の部分，車輪１００の踏面１０１のｂ−ｃ間の部分，車輪１００の外側の面のｃ−ｄ間の部分，車輪１００の踏面１０１のｄ−ｅ間の部分，及びフランジ外面１０４のｅ−ｆ間の部分までの距離Ｌ３を計測し、第１距離センサ２ａからの出力（計測結果）は、速度検出部５で得てある車両１０の速度とサンプリング周期とサンプリング数を参照して描くと、図４（ｂ）に示すような形となる。

同様に、第２距離センサ２ｂから発した計測光の計測点Ｐ２は、図５（ａ）に２点鎖線で示す位置ＰＰ２を車両１０の走行に従って推移し、第２距離センサ２ｂは、図５（ａ）に示す車輪１００における内側のフランジ内面１０５のａ−ｂ間の部分，バック面１０６のｂ−ｅ間の部分及びフランジ内面１０５のｅ−ｆ間の部分までの距離Ｌ４を計測し、第２距離センサからの出力（計測結果）は、速度検出部５で得てある車両１０の速度とサンプリング周期とサンプリング数を参照して描くと、図４（ｂ）に示すような形となる。

なお、図５（ｂ）に示したｃ，ｄの箇所は、第２距離センサ２ｂから発した計測光の計測点Ｐ２が基準溝１０３を横切った箇所になる。

次に、上記第１距離センサ２ａ及び第２距離センサ２ｂの出力（計測結果）は第１増幅部３ａ及び第２増幅部３ｂで増幅されてから第１Ａ／Ｄ変換部４ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部４ｂでＡ／Ｄ変換され、第１制御部６ａ及び第２制御部６ｂの制御によって内蔵の記憶部に格納される。

一方、速度検出部５で得られた速度は、経過時間と共に両制御部６ａ，６ｂの制御によって内蔵の記憶部に格納される。

それから、処理部７において、両制御部６ａ，６ｂの各内蔵の記憶部に格納されたデータ及び第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂ間の設置距離Ｌ０（図３参照）及び第１，第２各距離センサ２ａ，２ｂの諸設置角度θ１，θ２，φ１，φ２と第１，第２各距離センサ２ａ，２ｂ設置高さｈＧ（図３参照）と速度検出部５で得られた速度から下式によってフランジ１０２のフランジ厚Ｆｄ及びフランジ高さＦｈや車輪１００の踏面１０１の外径Ｗｄが演算され、演算で得られた諸データは、車輪１００の測定順番と共に記憶部に格納される。

そして、必要に応じて出力画面表示部８によって、その演算結果が画面に表示されたり、または図示していない出力印字部によって、その演算結果が印字出力されたりする。

図３に示すように、第１，第２両距離センサ２ａ，２ｂは予め距離Ｌ０及び設置角度
θ１，φ１，θ２，φ２及び設置高さｈＧに設置されているので、第１距離センサ２ａ及び第２距離センサ２ｂで計測した距離Ｌ３及び距離Ｌ４から、車輪１００のフランジ厚さＦｄは数式１〜３で算出できる。

また、図５（ｂ）で示す第２距離センサ２ｂの出力波形において、第２距離センサ２ｂから照射した計測光の計測点Ｐ２（図３参照）が車輪１００の基準溝１０３を横断する距離Ｌｓを図上のｃ点からｄ点までの経過時間と車輪速度から求め、既知である基準溝103の直径Ｗｓ及び第２距離センサ２ｂで計測した距離Ｌ４と設置角度θ２とその設置高さ
ｈＧより、タイヤ厚Ｗｔと踏面１０１の外径Ｗｄを数式４〜７で算出できる。

さらに図４（ｂ）で示す第１距離センサ２ａの出力波形において、第１距離センサ２ａから照射した計測光の計測点Ｐ１（図３参照）が車輪１００を横断する距離Ｌｆを図上のａ点からｆ点までの経過時間と車輪速度などから求め、数４や数７で得た諸データを利用してフランジ１０２の外径（２×Ｒｆ）及びフランジ高さＦｈを数式８，９で算出できる。

さらにまた、図４（ｂ）や図５（ｂ）で示す両距離センサ２ａ，２ｂによる計測結果について図３の水平成分距離Ｌ１，Ｌ２に変換した波形を背中同士で重ね合わせると、図２に示す車輪１００の形状に関する図形（車軸を通る中心線で車輪１００を切断した断面図形状）を得ることができ、図形の持つ諸数値が数１〜数９で得た諸データと一致していることを確認できる。

ここで、第１距離センサ２ａの迎え角φ１の最適値を求める方法について述べる。
図６（ａ）は迎え角（計測光がレール１１と水平に交差する角度）φ１を持つ第１距離センサ２ａから照射する計測光とその計測点における車輪面（踏面）の法線となす角αの採り方を示している。また、図６（ｂ）は横軸に迎え角φ１、縦軸に車輪面（踏面）の法線となす角αを採り、図６（ａ）に示す踏面１０１の先端位置イ，中央位置ロ及びフランジ１０２の根元位置ハについて、迎え角φ１を変えると法線となす角αがどのように変化するかを示している。

この法線とのなす角αが小さいほど、距離センサへ戻る反射光の量が増えるため、最も小さくなる点のφ１を採用することが精度，計測範囲の向上に有効である。

３本の線のうち、踏面１０１の先端位置イでの距離センサへ戻る反射光の量の変化が極端で、この位置イへの計測光の照射が一番厳しい条件であるため、先端位置イでの距離センサへ戻る反射光量の変化を示す曲線で角度最小値を示す場合における迎え角φ１ｍを迎え角φ１として取る様に第１距離センサ２ａを配置することが有効である。

この場合、迎え角φ１を大きく取るほど、踏面１０１の幅方向の測定範囲が狭くなることを考慮し、迎え角φ１の最も大きくなる位置に第１距離センサ２ａを設置することが有効である。

適度な迎え角φ１とするとサンプリング回数が多くなり、その分精度よく車輪１００の形状を得ることができる。

なお、第２距離センサ２ｂについては、車輪内面１０７がレール１１とほぼ平行になるから、迎え角φ２を９０度、つまり、第２距離センサ２ｂの計測光を上方から見たときにレール１１と直交するように設置しても構わないが、第２距離センサ２ｂについても図６（ｂ）のごとき計測データを得て最適な設置を行うことが望ましい。

第１距離センサ２ａによる計測において、迎え角φ１が大きくなると、車輪１００の後側、即ち、図４（ｂ）で示す車輪１００の踏面１０１のｄ−ｅ間の部分及びフランジ外面１０４のｅ−ｆ間の部分に対する計測が困難になる。

しかしながら、車輪１００での摩耗はフラットを除けばほぼ均等に生じることやフランジ外面１０４のａ−ｂ間の部分と踏面１０１のｂ−ｃ間の部分での計測を正確に実施できることに基づいて、フランジ外面１０４のａ−ｂ間の部分と踏面１０１のｂ−ｃ間の部分での計測結果を車輪１００の外側の面のｃ−ｄ間の部分を基準として、フランジ外面104のｅ−ｆ間の部分及び踏面１０１のｄ−ｅ間の部分にそれぞれ形状パターンを鏡面対照的に反転させて利用すれば、図４（ｂ）の波形を得ることができる。

迎え角φ１が大きくなると、車輪１００の後側で踏面１０１までの距離を計測し難くなる。
そこで、図７により走行する車両１０における車輪１００の前側でも後側でも踏面１０１までの距離を正確に計測することができる鉄道車両車輪計測装置１について説明する。

図７において、図１に示したものと同一物には同一符号を付けている。
図７に示す鉄道車両車輪計測装置１において、車両１０の進行方向について車輪１００の前側に設置した第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂは図１に示した実施形態のものと同じであるが、車両１０の進行方向について車輪１００の後側となる位置に第１距離センサ２ｃと第２距離センサ２ｄを、図３に示すような位置関係で設置してある。

第１距離センサ２ｃは第１距離センサ２ａと同様にレール１１の外側で踏面１１ａの位置より下で計測波の照射方向がレール１１の上方から見てレール１１の延びる方向に対し斜めに交差する位置に設置し、第２距離センサ２ｄは第２距離センサ２ｂと同様にレール１１の内側で踏面１１ａの位置より下で計測波の照射方向がレール１１の上方から見てレール１１の延びる方向に対し斜めに交差する位置に設置してある。この場合、迎え角φ１，φ２は、計測光を上方から見てレール１０と水平に交差する見送り角と呼ぶべき角度である。

第２距離センサ２ｄは、第２距離センサ２ｂと同様に、計測波の照射方向がレール１１の上方から見てレール１１の延びる方向に対し直交する位置に設置してもよい。

車両１０の進行方向について車輪１００の前側に設置した第１距離センサ２ａと第２距離センサ２ｂを第１の距離センサ群とすれば、車両１０の進行方向について車輪１００の後側に設置した第１距離センサ２ｃと第２距離センサ２ｄは第２の距離センサ群となる。

第１距離センサ２ｃと第２距離センサ２ｄで得た計測データは第１増幅部３ｃ及び第２増幅部３ｄで増幅し、第１Ａ／Ｄ変換部４ｃ及び第２Ａ／Ｄ変換部４ｄで逐次Ａ／Ｄ変換し、速度検出部５での計測結果とともに第１制御部６ｃ，第２制御部６ｄに送る。

この第１制御部６ｃ及び第２制御部６ｄでは、第１Ａ／Ｄ変換部３ｃ及び第２Ａ／Ｄ変換部３ｄからの計測データと上記速度検出部５からの車輪１００の速度及び経過時間とを逐次取込み、内蔵の記憶部に格納させる制御を行う。また、第１制御部６ｃ及び第２制御部６ｄは、速度検出部５で得られた車輪１００の速度に応じて、第１Ａ／Ｄ変換部３ｃ及び第２変換部３ｄから出力されるデータをサンプリングする周期を適宜変えるように構成されている。

処理部７では、第１制御部６ｃ及び第２制御部６ｄの内蔵の記憶部に格納された計測データと予め固定して設置されている第１距離センサ２ｃ，第２距離センサ２ｄの間の距離Ｌ０（図３参照）と第１距離センサ２ｃや第２距離センサ２ｄの各設置角度θ１，θ２，φ１，φ２（図３参照）と速度検出部５で検出される車輪速度から、前述した数式によって逐次車輪１００のフランジ１０２の厚さＦｄ，フランジ１０２の高さＦｈ，車輪１００の直径Ｗｄ（図２参照）などを演算し、車輪１００の形状を求める。

即ち、第１の距離センサ群の第１距離センサ２ａで、図８（ｂ）に示す計測結果を得、第２の距離センサ群の第１距離センサ２ｃで、図８（ｃ）に示す計測結果を得て、車輪
１００の外側の面のｃ−ｄ間の部分を基準として計測結果を接続して合成すると、図８
（ｄ）の計測結果を得ることができる。

また、第１の距離センサ群の第１距離センサ２ｂで、図９（ｂ）に示す計測結果を得、第２の距離センサ群の第１距離センサ２ｄで、図９（ｃ）に示す計測結果を得て、車輪
１００の内側の面のｃ−ｄ間の部分を基準として、各計測結果を接続して合成すると、図９（ｄ）の計測結果を得ることができる。

図８（ｄ）と図９（ｄ）の各計測結果は、車輪１００のフランジ外面から踏面に掛けての前方側と後方側、及び車輪１００における車輪内面１０７前方側と後方側の形状をそれぞれきわめて正確に計測した結果を示しており、前述の数式１〜数式９に基づいて、車輪１００の形状を精度よく求めることができる。

以上説明した各実施形態によれば、非接触状態で車輪１００のフランジ厚さＦｄ，踏面１０１の外径Ｗｄ，タイヤ厚Ｗｔ，フランジ１０２の外径（２×Ｒｆ）及び車輪フランジ高さＦｈなどを算出でき、各距離センサ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを車両１０の前方または後方から車輪１００に対し迎え角や見送り角と仰ぎ角を持つように斜めに設置していることにより、車輪面の法線に対し各距離センサから照射する計測波が直角から離れる方向になり、計測精度の向上と計測範囲の拡大をすることができる。

そして、速度検出部５で得られ逐次制御部６ａ，６ｂまたは６ａ〜６ｄに内蔵の記憶部に格納された車輪１００の速度と経過時間とから車輪１００の各部位を演算し、車輪100の形状を出力画面表示部８によって再現表示し、車輪１００の摩耗の判定をより確実にすることができる。

また、Ａ／Ｄ変換されたデータ量は、車輪１００の速度が低速の場合は膨大なものとなるため、制御部６ａ，６ｂで入力された車輪１００の速度に応じてＡ／Ｄ変換されたデータＬ３，Ｌ４をサンプリングする周期を適宜に変えて記憶部に格納するようにしても良い。

さらに、上述の実施例では片側の車輪１００における摩耗について説明したが、車両
１０は車軸（図示せず）で結合された２個の車輪を備えており、レール１１の曲がりや積載状況によって車輪のフランジに掛かる横圧に差が生じ、摩耗の程度に差がある。そこで、両側のレール１１について鉄道車両車輪計測装置を設置し、両輪についてフランジ及び車輪の径の摩耗状況を計測することもできる。

さらに、本発明の鉄道車両車輪計測装置によれば、非接触で車輪のフランジ及び踏面の摩耗状況を正確に把握するために装置の耐久性が向上し、装置の保守による人手と労力を軽減できる。

本発明になる鉄道車両車輪計測装置の一実施形態を示す図である。 鉄道車両における車輪の断面図である。 図１の鉄道車両車輪計測装置における距離センサの設置について説明する図である。 図１の鉄道車両車輪計測装置における第１距離センサで車輪までの距離を計測する状況を説明する図である。 図１の鉄道車両車輪計測装置における第２距離センサで車輪までの距離を計測する状況を説明する図である。 図１の鉄道車両車輪計測装置における距離センサの最適な設置について説明する図である。 本発明になる鉄道車両車輪計測装置の他の実施形態を示す図である。 図７の鉄道車両車輪計測装置における２個の第１距離センサで車輪までの距離を計測する状況を説明する図である。 図７の鉄道車両車輪計測装置における２個の第２距離センサで車輪までの距離を計測する状況を説明する図である。

符号の説明

２ａ，２ｂ…距離センサ、５…速度検出部、６ａ，６ｂ…制御部、７…処理部、８…出力画面表示部、１０…車両、１１…レール、１１ａ…レールの踏面、１００…車輪。

Claims (5)

1. レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪の形状を演算する処理部を備えた鉄道車両車輪計測装置において、
   第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサは、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射して距離を計測するものであり、前記第１距離センサからの計測波の照射方向が前記レールと水平に交差する角度が、前記車輪の踏面の先端位置での前記第１距離センサから照射する計測波とその計測点における前記車輪の踏面の法線とがなす角が最小となるように設置されていることを特徴とする鉄道車両車輪計測装置。
2. 上記請求項１の鉄道車両車輪計測装置において、
   第２距離センサは該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し直交する位置に設置されていることを特徴とする鉄道車両車輪計測装置。
3. レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を計測波の照射により非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪の形状を演算する処理部を備えた鉄道車両車輪計測装置において、
   第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサは、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する鉄道車両の走行方向の前方の位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射し、距離を計測する距離センサであって、前記第１距離センサからの計測波の照射方向が前記レールと水平に交差する角度を迎え角とすると、該迎え角が、前記車輪の踏面の先端位置での前記第１距離センサから照射する計測波とその計測点における前記車輪の踏面の法線とがなす角が最小となるように設置されている第１の距離センサ群と、
   第１距離センサと第２距離センサのうち少なくとも第１距離センサが、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し斜めに交差する鉄道車両の走行方向の後方の位置に設置され、車輪に対し斜めに計測波を照射し、距離を計測する第２の距離センサ群とから構成されることを特徴とする鉄道車両車輪計測装置。
4. 上記請求項３の鉄道車両車輪計測装置において、
   第１の距離センサ群と第２の距離センサ群における各第２距離センサは、該レールの踏面の位置より下で計測波の照射方向がレールの上方から見て該レールの延びる方向に対し直交する位置にそれぞれ設置されていることを特徴とする鉄道車両車輪計測装置。
5. 上記請求項１及び上記請求項３のいずれかの鉄道車両車輪計測装置において、
   さらに、車輪の速度を検出する速度検出部を備え、該処理部は該速度検出部で得られた検査対象の車輪の速度と経過時間とから車輪におけるフランジの各部位の位置を演算して車輪のフランジの形状を再現することができるものであり、前記処理部で得られた車輪の形状を表示する手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両車輪計測装置。

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