JP5228599B2 - 横圧の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車輪とレール間に作用する横圧を測定する方法に関するものである。

新たな車両の製造時や鉄道新線の建設時には、その安全性を確認する必要がある。また、車輪とレール間に作用する力の状態は、その摩擦係数や軌道の状態の変化等により、新車製造時や新線開業時から経時的に変化する。このため、営業線でもその安全性を確認する必要がある。

鉄道車両の走行安全性は、車輪とレール間に作用する水平方向（車軸に沿う方向）の力（横圧）をＱ、車輪とレール間に作用する垂直方向の力（輪重）をＰとした場合、Ｑ／Ｐ（脱線係数）で表される。従って、この脱線係数は横圧Ｑと輪重Ｐを計測することにより求めることができる。

従って、前述の安全性を評価するために、車両から輪重や横圧の計測を行っているが、これらの輪重や横圧の計測には、特殊な輪軸（ＰＱ輪軸）が必要で、簡単には計測することができない。
運輸省鉄道局監修、鉄道総合技術研究所編「在来鉄道運転速度向上試験マニュアル・解説」財団法人鉄道総合技術研究所、平成５年５月１０日、ｐ６７〜７６ 「つうしん」住友金属テクノロジー株式会社、２００２年４月１日、２００２年春号ＮＯ．３５

すなわち、ＰＱ輪軸を用いた計測は、車輪に歪みゲージを貼り付けて車輪の変形歪みを計測することで、車輪に作用する輪重や横圧を計測するものである。このため、板部が真っ直ぐなＣ種一体圧延車輪を製造し、その車輪の板部に開けた孔の中に歪みゲージを貼り付け、車輪がレールと接触することで、前記孔が楕円変形したときの変形量を捕らえて車輪に作用する垂直方向の力を計測する。また、車輪に作用する横圧は、横圧によって曲げ変形する車輪の板部の変形量を、車輪の板部に貼り付けた歪みゲージによって捕らえることで計測する。

しかしながら、ＰＱ輪軸を用いた方法は、回転する輪軸から非回転系に信号を取り出す必要があるため、車軸に孔を開けて測定配線を貫通させているので、営業線では、特別な処理を施し強度計算もなされている中ぐり車軸以外では疲労強度を確保できない。

また、回転する輪軸から非回転系に信号を取り出すためにスリップリングを用いているが、このスリップリングが摩耗した場合には計測が不可能となる。また、定期的に歪みゲージを校正する必要もある。更に、ＰＱ軸には制動力を加えることができないため、減速度に影響を及ぼすことになる。

これとは別にＦＭテレメータ方式があるが、この方法では、車軸にセンサーからの信号を無線送信するテレメータ送信部を取り付ける必要があり、送信のための電力供給源が必要となる。

以上の理由から、ＰＱ輪軸を用いた方法では、営業線で、長期間に亘って車両から軌道の状況変化に関わる安全性を診断することができなかった。このため、営業線でのこれらの力を簡易に測定し、特に軌道の状態を観察し、車両からその安全性を診断することが望まれている。

そこで、出願人は、輪軸を回転自在に支持する部材に非接触変位計を配置し、走行中に計測した車輪のリム部または板部の変位量と、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から、横圧を求める方法を提案した（特許文献１）。
特開２００６−８８９６７号公報

この出願人が提案した方法によれば、走行時における車輪に作用する横圧の計測が、営業線で長期間に亘って可能となる。

しかしながら、前記変位計で計測する値には、横圧により発生する車輪の左右変位と、車輪測定面の加工精度による変位の両方が含まれている。

車輪は剛性が高く、横圧により発生する車輪の左右変位量は微小である。一方、車輪測定面の加工精度による変位量は１回転内で車輪の左右変位量と同等程度発生し、この値が車輪１回転毎に前記横圧による変位量に加算される。

これら横圧により発生する車輪の左右変位量と、車輪測定面の加工精度による変位量の桁数は、前記のように似ていることから、計測された値を見ただけでは、車輪の左右変位量のみの値を知ることは困難である。

従って、横圧による車輪の左右変位量が最大のときに、車輪測定面の加工精度による変位量が重なった場合には、この変位が重なったために判断の閾値を超える場合が起こり得る。このような時は、実際には脱線の危険性がなくても、脱線の危険性があると誤った判断をする場合がある。

ちなみに、特許文献１の方法で求めた低速走行区間における曲線走行時の横圧を図３（ａ）に、同じく高速走行区間における曲線走行時の横圧を図３（ｂ）に示すが、車輪の１回転毎に波打った変動幅の大きい値となっていることが分かる。

本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１の方法で求めた横圧には、横圧により発生する車輪の左右変位と、車輪測定面の加工精度による変位の両方が加算された値となっており、脱線の危険性の判断を誤る場合が起こり得るという点である。

本発明に係る横圧の測定方法は、
横圧により発生する車輪の左右変位と、車輪測定面の加工精度による変位の両方が加算された値に基づいて求められた横圧であっても、より正確な値を求めることで脱線の危険性の判断を誤ることを防止するために、
輪軸を回転自在に支持する部材に非接触変位計を配置し、走行中に計測した車輪の変位量と、予め求めてある車輪の変位量と横圧との換算値から、走行中の鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法であって、
走行中に計測した前記車輪の変位量を一定時間分記憶させておき、この記憶させておいた前記変位量のうち、車輪１回転当たりの最新データの平均値から横圧を求めることを最も主要な特徴としている。

本発明は、走行中に計測した車輪の変位量をそのまま使用して横圧を求めるのではなく、車輪１回転当たりの最新データの平均値から横圧を求めるので、車輪測定面の加工精度による変位に起因する変動が抑制されるという利点がある。

従って、横圧による車輪の左右変位が最大のときに、車輪測定面の加工精度による変位が重なった場合にも、判断の閾値を超えるということを効果的に防止でき、脱線の危険性の判断の誤りが減少する。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための最良の形態を、図１及び図２を用いて説明する。

変位計で計測する値には、横圧により発生する車輪の左右変位だけでなく、車輪測定面の加工精度による変位が含まれているが、この車輪測定面の加工精度を向上させることには限度があり、ゼロにすることは不可能である。また、加工精度を向上させるには、加工に要する費用が高額になる。

そこで、発明者等は、変位計で計測した、車輪の１回転毎に波打っている振動幅の大きい値を平滑化することについて検討した。

振動波形を平滑化する方法として、測定値を記憶しておき、最新データから一定個数のデータを抽出して平均し、それを結果とする移動平均処理がある。

この移動平均処理は、一定のサンプリング周期による一定サンプリング数のデータにて計算を行っているので、例えばサンプリング周期を５ミリ秒、サンプリング数を５００個、車輪径を８６０mmとすると、時速５０kmの高速走行時には車輪５．１回転の平均、時速５kmの低速走行時には車輪約半回転の平均となる。

前記図３（ａ）（ｂ）に示した横圧を、低速走行区間では２００ミリ秒分のサンプリング数で、高速走行区間では２秒分のサンプリング数で移動平均処理した結果を図２（ａ）（ｂ）に示す。

高速走行時に適したサンプリング数で移動平均処理を行った低速走行区間では、少ないデータを平均しているので、図２（ａ）の線図は紙面右に行くにつれて減速しているものの、図３（ａ）の線図と略同じものとなって、平均化の意味がなくなっている。

一方、低速走行時に適したサンプリング数で移動平均処理を行った高速走行区間では、多くのデータを平均しているので、図２（ｂ）の線図は、定常的な値は見えているものの、細かい変化（例えば横軸の１０〜１１秒の間）が消えてしまっている。また、曲線の出入口における変動のタイミングも遅くなっている。

このように、一定のサンプリング周期による一定サンプリング数のデータにて計算を行う移動平均処理の場合、低速走行時或いは高速走行時の何れか一方の平滑化が行えず、鉄道車両の速度変化に対応することができない。

各種フィルター処理を行うとして、フィルター処理のカットオフ周波数を速度に応じて適時変更する方法もあるが、周波数の変更時に値が急激に変化してしまう可能性がある。また、フィルター設定用定数の個数が膨大となり、メモリー容量を圧迫すると共に演算に要する負荷も大きくなる。

そこで、発明者等は、取り出すデータ数を走行速度により変化させることを考えた。すなわち、従来の移動平均処理では時間系のデータとして取り扱って平均化していたものを、距離系のデータとして取り扱って平均化することを考えた。

この際、データ数が多くなりすぎると、低速走行時に適した周期で高速走行区間を移動平均処理した場合のように、平滑化しすぎて変動が隠れてしまうのと共に、演算に要する負荷も大きくなる。

一方、車輪測定面の加工精度による変位は、車輪１回転ごとに同じ変位が繰り返され、鉄道車両の車輪１回転のデータ数は、サンプリング周期を5ミリ秒、車輪径を８６０mmとすると時速７０kmでは約２８個、時速２kmでは約９８０個となって、データ数として多すぎることもなく、また少なすぎることもない。

このようなことから、発明者等は、計測した変位値を、最新データから一定時間分メモリーに記憶させておき、このなかから車輪１回転当たりの最新データを取り出し、これらの平均値を結果とする、本発明方法を成立させた。

すなわち、本発明の横圧の測定方法は、
輪軸を回転自在に支持する部材に非接触変位計を配置し、走行中に計測した車輪の変位量と、予め求めてある車輪の変位量と横圧との換算値から、走行中の鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法であって、
走行中に計測した前記車輪の変位量を一定時間分記憶させておき、この記憶させておいた前記変位量のうち、車輪１回転当たりの最新データの平均値から横圧を求めるものである。

前記図３（ａ）（ｂ）に示した横圧を、この本発明方法により平均化した結果を図１（ａ）（ｂ）に示す。

本発明方法により車輪１回転当たりの最新データの平均値から横圧を求めた場合、低速走行区間では、図１（ａ）のように、線図は紙面右に行くにつれて減速しているが、低速時においても車輪の加工精度による変位と思われる値の変動が消えていることが分かる。

また、本発明方法では、図１（ｂ）に示す高速走行区間でも横圧値の変動が分かる（例えば横軸の１０〜１１秒の間）と共に、車輪の加工精度による変位のみと思われる単調な変動部分（例えば横軸の１６秒以降）では、横圧値の変動は少なくなっていることが分かる。

ところで、前記本発明の横圧の測定方法では、極低速走行時には必要なデータ数が無限大に近づくことになる。従って、記憶データ数を制限しておいたり、走行速度が一定速度、例えば時速２km以下となった場合には、計算を行わないようにしても良い。

このようにすることで、車輪測定面の変位の計測を、高精度の加工精度を要求することなく、演算に要するメモリー容量や負荷を抑えつつ、演算することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

例えば、本発明方法で採用する計測値は、特許文献１で開示された方法で計測したものに限らず、どのような方法で計測した値でも良い。

以上の本発明は、鉄道車両の車輪に作用する横圧測定に限らず、他の車両の横圧測定にも適用できる。

（ａ）は本発明方法で求めた低速走行区間における曲線走行時の横圧を示した図、（ｂ）は同じく高速走行区間における曲線走行時の横圧を示した図である。 （ａ）（ｂ）は、図３（ａ）（ｂ）の図に移動平均処理を施した結果を示した図である。 （ａ）（ｂ）は、特許文献１の方法で求めた図１、図２の元データを示した図である。

Claims (1)

1. 輪軸を回転自在に支持する部材に非接触変位計を配置し、走行中に計測した車輪の変位量と、予め求めてある車輪の変位量と横圧との換算値から、走行中の鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法であって、
   走行中に計測した前記車輪の変位量を一定時間分記憶させておき、この記憶させておいた前記変位量のうち、車輪１回転当たりの最新データの平均値から横圧を求めることを特徴とする横圧の測定方法。

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