JP5334187B2 - 発条転てつ機の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、発条転てつ機の状態監視装置、さらに詳しくは、発条転てつ機の転換力（復帰力）を監視する装置に関する。

転換鎖錠装置の一部を構成する転てつ機の故障は、列車運行に対する影響が大きいので、転てつ機の状態の監視により、適切な障害予防と保全が必要である。そのため、これまでは、電気転てつ機については、状態監視装置が開発・実用化されている（非特許文献１，２）。

転てつ機には、電気転てつ機と発条転てつ機がある。図９は電気転てつ機の設置状態を示す斜視図、図１０は発条転てつ機の構成を示す図である。
電気転てつ機は、図９に符号ＳＭで示すものであり、電気で駆動されるモータＭの回転力を図示されていないクラッチ（フリクションクラッチ又はマグネットクラッチ）、中間歯車、転換歯車、転換ローラを介して動作かん１０１を往動又は復動させ、その動作かん１０１に連結されているスイッチアジャスターロッド１０２及びスイッチアジャスタ１０３を介してトングレール１０４を転換させるものである（非特許文献３）。

一方、発条転てつ機は、図１０に符号ＳＰで示すものであり、下端部にチェックバルブ２０１を、上端部にニードルバルブ２０２を備えた油圧シリンダ２０３とバネ２０４とを有し、その油圧シリンダのピストンロッド２０５と前記バネ２０４の上端及びそのバネの下端と前記油圧シリンダ２０３の下端とをそれぞれ上部クランク２０６及び下部クランク２０７で連結し、下部クランク２０７の回動力をアーム２０８を介して図９に示したスイッチアジャスタ１０３と同様のスイッチアジャスタに伝達させて、そのスイッチアジャスタを介してトングレールを転換させるものであり、対向列車に対しては、バネ圧でトングレールの基本レールに対する密着状態（定位）を確保し、列車が背向で通過するときは、車輪がバネ圧を圧してトングレールを割出し（転換し）、通過後はバネの力で自動的に定位側に復帰するように作用する（非特許文献４）。

電気転てつ機ＳＭに関わる障害の一つとして、転換動作が終了しない「転換不能」がある。転換不能の兆候の一つとして、モータに対して通常の転換とは異なる負荷等が見られる場合がある。この点に着目して、上記の実用化された状態監視装置には、モータの電流・電圧（駆動電力）を検出し、その検出した駆動電力から転換力を推定して、監視するものがある。

発条転てつ機ＳＰにおいても、電気転てつ機と同様の障害として、錆や傷等により、トングレールと床板の摩擦等の負荷力が増大して、復帰動作が完了しない「復帰不能」が発生する場合がある。しかし、発条転てつ機は、上記のように動作に電力を用いないので、駆動電力により転換力の推定を行う上記の実用化された状態監視装置を、発条転てつ機にそのまま適用して復帰力のモニタリングを行うことはできない。また、電気転てつ機も、動作電流が流れない密着時には、状態の測定ができない。

京三サーキュラー Vol.41，No.4，pp3-13，1990 鉄道技術研究所速報 No.A-86-102，pp1-20，1986 鉄道技術者のための電気概論 信号シリーズ ４、転てつ装置、 ｐｐ．３８−５４、日本鉄道電気技術協会、１９９２ 鉄道技術者のための電気概論 信号シリーズ ４、転てつ装置、 ｐｐ．７６−８２、日本鉄道電気技術協会、１９９２

本発明者らは、上記事情に鑑みて、特願２００８−３１５２１８号明細書において、駆動電力を検出対象とせずに転換力の計測が可能な転てつ機の状態監視装置を提案した。その提案に係る転てつ機の状態監視装置は、スイッチアジャスタの歪みを検出対象とし、その検出した歪みを所定の換算率により転換力に換算することを基本原理としている。そこで、本発明者らは、上記のスイッチアジャスタの歪みを検出対象とする点を利用し、発条転てつ機の復帰時間の推定が可能な発条転てつ機用状態監視装置を同明細書において提案した。さらに、同明細書において発条転てつ機の転換力の測定と復帰時間の推定が可能な発条転てつ機用状態監視装置を提案した。

上記提案に係る転てつ機の状態監視装置又は発条転てつ機用状態監視装置は、いずれも、転換動作及び密着に伴うスイッチアジャスタの歪みから転換力を測定し、また、その測定値を温度センサの検出した外気温に応じて補正するものである。

しかしながら、上記提案に係る転てつ機の状態監視装置又は発条転てつ機用状態監視装置は、復帰時間及び転換力の測定にはスイッチアジャスタに貼付した歪みゲージ及び温度センサが必要であるが、上記歪みゲージは測定可能範囲が１０〜２０με／mmで、出力信号も小さいため、その出力信号を増幅するためのアンプにはフィルタ性能及び分解性能が高いものを使用する必要がある。そして、その歪みゲージは、軌道回路やインバータ電車等のノイズ源に近い位置に設けられることから、耐ノイズ性能の高い、高性能で高価格のアンプを使用する必要があるという新たな問題が発生した。

本発明は、上記の点に鑑みて、復帰力の推定が可能な、より安価な発条転てつ機用状態監視装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、発条転てつ機の機内か機外に設けられ、発条転てつ機の変位要素の変位量又は回転要素の回転角度（又は回転角速度）を測定し、もしくは動作要素の復帰開始・終了を検知する手段（以下、測定・検知手段という。）と、その測定・検知手段の測定値又は検知時点から転換動作の復帰時間を算出する演算手段と、発条転てつ機の油圧シリンダの油温を測定する検温手段と、前記演算手段が得た復帰時間を前記検温手段が測定した油温を用いて所定の関係式により補正して推定復帰力を求める補正手段とから発条転てつ機用状態監視装置を構成したことを特徴としている（請求項１）。

そして、前記測定・検知手段には、発条転てつ機の変位要素としてのスイッチアジャスタのストローク、発条転てつ機内のばねの変位、油圧シリンダの変位、分岐器のトングレールのストロークを測定する変位計、発条転てつ機の回転要素としての発条転てつ機内の下部クランクの回転角度を測定する測定器、もしくは発条転てつ機の動作要素により定位密着時に動作される第１スイッチと反位側に割出された時に動作される第２スイッチとの組み合わせのいずれかを用いることができる（請求項２）。

前記演算手段は、前記測定・検知手段が発条転てつ機の変位要素の変位量又は回転要素の回転角度（又は回転角速度）を測定するものである場合は、その測定値から緩速復帰開始時点と復帰終了時点を求め、両時点から復帰時間を算出するものであることを特徴としている（請求項３）。

前記演算手段は、前記測定・検知手段が発条転てつ機の動作要素の復帰開始・終了を検知する手段である場合は、前記測定・検知手段の第１スイッチと第２スイッチの出力に基づいて緩速復帰開始時点と復帰終了時点を求め、両時点から復帰時間を算出するものであることを特徴としている（請求項４）。

前記補正手段は、前記演算手段が得た復帰時間と前記検温手段の測定値とを復帰力が一定の場合の油温と復帰時間の関係式に代入し、当該油温における復帰力を求めるものであることを特徴としている（請求項５）。

請求項１の発明によれば、発条転てつ機の変位要素の変位量又は回転要素の回転角度（又は回転角速度）を測定し、もしくは動作要素の復帰開始・終了を検知する測定・検知手段と、その測定・検知手段の測定値又は検知時点から転換動作の復帰時間を算出する演算手段と、発条転てつ機の油圧シリンダの油温を測定する検温手段と、前記演算手段が得た復帰時間と前記検温手段が測定した油温を用いて所定の補正方法により推定復帰力を求める補正手段とから発条転てつ機用状態監視装置を構成したので、復帰力の推定が可能な状態監視装置をより安価に提供することができる。
また、測定・検知手段に、発条転てつ機の変位要素としてのスイッチアジャスタのストローク、発条転てつ機内のばねの変位、油圧シリンダの変位、分岐器のトングレールのストロークを測定する変位計、発条転てつ機の回転要素としての発条転てつ機内の下部クランクの回転角度を測定する測定器、変位要素又は回転要素により定位密着時に動作される第１スイッチと反位側に割出された時に動作される第２スイッチとの組み合わせのいずれかを用いる場合は、出力信号が比較的大きいため、ノイズに対して強い状態監視装置を提供することができる。

本発明に係る発条転てつ機用状態監視装置の基本的構成を示すブロック図である。 測定・検知手段が変位センサである場合の測定部位を例示する概念図である。 測定・検知手段が回転センサである場合の測定部位を例示する概念図である。 測定・検知手段が動作検知スイッチである場合の設置例及び作用を経時的に示す概念図である。 センサの測定値と復帰時間の関係を示すグラフである。 発条転てつ機の割出し・復帰動作と動作かんに加わる力、復帰力の定義をするための図である。 油温と復帰時間の関係を示すグラフである。 本発明による復帰時間から復帰力を推定するフローを示すチャートである。 一般的な電気転てつ機の設置状態を示す斜視図である。 一般的な発条転てつ機の構成を示す図である。

続いて、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
先願発明はスイッチアジャスタの歪みを測定し、その測定値から復帰力を推定する。また、スイッチアジャスタの歪みもしくは復帰力を測定し、その測定値から復帰時間を推定する。すなわち、先願発明は、測定対象がスイッチアジャスタの歪みであったのに対し、本願発明の測定対象は構成要素の変位量、回転角度（角速度）又は復帰開始と終了である。これらを測定して復帰力を得るため、本発明では、図１に示すように、基本的構成要件として、測定・検知手段１と、演算手段２と、検温手段３と、補正手段４とを有している。以下に、各構成要件について詳述する。

（１）発条転てつ機の構成要素のうちの変位要素には、例えば、スイッチアジャスタ１０３（動作かん）、ばね２０４、油圧シリンダ２０３、分岐器がある。本発明では、最終的な保守対象である復帰力を求めるための原始的測定対象として、上記変位要素の転てつ機の転換・復帰時の変位を測定する手段（以下、変位センサＳａという。）を発条転てつ機の機内か機外に設けた。

変位センサＳａには、図２に例示するように、スイッチアジャスタ１０３のストロークを測定するものＳａ１、発条転てつ機内のばね２０４の変位を測定するものＳａ２、油圧シリンダ２０３の変位を測定するものＳａ３、分岐器のトングレール１０４のストロークを測定するものＳａ４のいずれか一つ又は複数を用いる。このような変位センサＳａには、既知の歪み形変位計（例えば、共和電業株式会社製ＤＴＰシリーズ、東京測器研究所製ＣＤＰ−Ｂシリーズなど）を用いることができる。歪み形変位計は、変位によって電気抵抗値が変わるもので、２０〜５００με/mmの大きい信号を出力するので、耐ノイズ性能やフィルタ性能の高いアンプを用いる必要が無い。全体の価格は、半分程度である。

（２）発条転てつ機の構成要素のうちの回転要素には、例えば、発条転てつ機内のばね２０４と油圧シリンダ２０３により動作される下部クランク２０７がある。したがって、本発明では、最終的な保守対象である復帰力を求めるための原始的測定対象として、上記回転要素の転てつ機の転換・復帰時の回転角度もしくは回転角速度を測定する手段（以下、回転センサという。）Ｓｂを発条転てつ機の機内か機外に設け、図３に示すように、その回転センサＳｂ１により下部クランク２０７の回転角度を測定する。このような回転センサＳｂ１には、ロータリーエンコーダや角度計を用いることができる。上記変位センサＳａ１により測定された変位量と時間の関係及び回転センサＳｂ１により測定された回転角度（又は角速度）と時間の関係は、図５（ａ）に例示された通りである。

（３）本発明では、最終的な保守対象である復帰力を求めるための原始的測定（検知）対象として、発条転てつ機の転換動作の際の復帰動作の開始と終了を検知する手段（以下、動作検知スイッチという。）Ｓｃを、上記変位センサや回転センサの代替手段として、発条転てつ機の機内又は機外に設けてもよい。

動作検知スイッチＳｃには、例えば接触式のリミットスイッチや非接触式の光電スイッチを用いることができる。動作検知スイッチＳｃは、変位センサ又は回転センサと同一測定対象に対して図４に例示するように定位密着時に動作する定位検知スイッチＳｃ1と、反位側に割出された時点で動作する割出し検知スイッチＳｃ２の２個を設けて、動作を検知する。定位検知スイッチＳｃ１と割出し検知スイッチＳｃ２は、発条転てつ機の構成要素のうち、発条転てつ機の転換動作に伴って往復移動をする部材を収容する容器、例えば、転てつ鎖錠器や回路制御器などに設置することができる。

図４の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ定位密着時、割出し時、復帰開始時における２つの定位検知スイッチＳｃ１と割出し検知スイッチＳｃ２の状態を示す。（ｂ）は復帰過渡期の状態、（ａ）は復帰終了時の状態をも示す。発条転てつ機の転換動作の際の上記動作検知スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２）の出力は、図５（ｂ）に例示されたとおりである。

上記変位センサＳａ、回転センサＳｂ又は動作検知スイッチＳｃにより、本発明の第１の構成要件である測定・検知手段１が構成されている。

（４）本発明の第２の構成要件である演算手段２は、上記変位センサＳａ及び回転センサＳｂにより得られた図５に示された測定値に基づいて、緩速復帰時間及び復帰時間を算出するものである。演算手段２は、各センサＳａ、Ｓｂの出力を入力されて演算処理し、その演算結果として緩速復帰時間ｔ１及び復帰時間ｔ２を出力する中央処理装置（ＣＰＵ）で構成される。
演算手段２は、変位センサＳａ又は回転センサＳｂから入力する変位（測定値）及び変位の微分である作動加速度を得、定位密着状態から割出しを開始した時点及び緩速復帰状態の開始・終了点、復帰動作が終了し、定位密着状態に戻る点を、図５（ａ）に記載したように得ることができる。
これにより、演算手段２では、「緩速復帰開始」から「緩速復帰終了」までの時間、つまり、「緩速復帰時間ｔ１」を、また、「緩速復帰開始」から「復帰終了」までの時間、つまり「復帰時間ｔ２」が得られる。

一方、動作検知スイッチＳｃ１，Ｓｃ２を用いる場合は、各スイッチの設置位置と作動点により「定位密着である」と検知する地点、「緩速復帰状態である」と検知する地点を、図５（ｂ）に例示するように得ることができる。これにより、演算手段２では「緩速復帰開始付近」から「緩速復帰終了付近」までの時間、つまり、「おおよその緩速復帰時間ｔ２」が簡易に得られる。

（５）「緩速復帰時間」もしくは「復帰時間」は、分岐器側の負荷の大小により時間の長短が変化することが実験により知られている。一方、「緩速復帰時間」もしくは「復帰時間」は、季節によっても変化することが知られている。これは主として、発条転てつ機の油圧シリンダ２０３の動作流体（油）の粘性係数が油温により変化することによるものと考えられている。そこで、本発明では、上記測定手段及び演算手段により得られる復帰時間から正確な復帰力を推定（復帰時間から分岐器の負荷に正しく換算）するため、油圧シリンダ２０３の油温を測定する検温手段３を備え、その検温測定値をパラメータとして復帰時間を補正して、復帰力を得る補正手段４を付加した。

図７は、復帰力が一定（Ｆｋｇｆ）の場合の油温と復帰時間の関係（実測値）を示す。この関係は、ｔを復帰時間、Ｔを油温とすると、ｔ＝ａＴ＋ｂの近似式で表すことができる。
補正手段４は、ＣＰＵで構成されていて、上記関係式において、測定された復帰時間をｔmes、測定された油温をＴmes、油温Ｔmesのときの復帰力をｆとし、復帰力がＦｋｇｆのときの復帰時間をｔＦとすると、ｔＦ＝ａＴmes＋ｂとなり、Ｆ：ｆ=ｔＦ：ｔmesであるから、

となる。

こうして、補正手段４は、測定された復帰時間と油温を上記式１に代入して、当該油温における補正処理を行なって推定復帰力５を出力する。

以上により、図８に示すように、測定・検知手段１の変位センサＳａ及び回転センサＳｂ又は動作検知スイッチＳｃによる測定値を入力（Ｐ１）し、演算手段２により「復帰時間」もしくは「緩速復帰時間」を算出し（Ｐ２）、その「復帰時間」もしくは「緩速復帰時間」を検温手段３による油圧シリンダ２０３の油温の入力（Ｐ３）に基づいて補正手段４により補正して（Ｐ４）、復帰力を推定（Ｐ５，Ｐ６）することが可能となる。

一般的に、変位を測定するための歪み測定器、もしくはその他の変位センサ、接触式スイッチ又は非接触式スイッチは、スイッチアジャスタの歪み測定器材に比べて安価であり、また、出力が大きいことからノイズに対しても比較的強い。一方、発条転てつ機の復帰時間は従来より季節的な温度変化によって変化することが知られている。さらに、ほぼ同時刻（ほぼ同温度の下）において，分岐器側の負荷を小さくした場合に、通常の負荷状態の場合と比べて復帰時間が有意に短くなることが最近の測定試験よりわかってきた。変位測定もしくは動作の開始検知と終了検知とから復帰時間が測定できる。また、同一温度条件下においては復帰時間と復帰力に相関性があり、また、同一復帰力条件下においては、復帰時間とシリンダ油温には相関性がある。
以上より、変位測定もしくは動作の開始・終了検知及びシリンダ油温測定を併用することにより、従来からの保守指標である復帰時間に加えて、復帰力の推定が可能となり、本発明に係る発条転てつ機用状態監視装置は、本発明者らの上記提案に係る「転てつ機の状態監視装置」に比べて安価になる。

１ 測定・検知手段
Ｓａ 変位センサ
Ｓｂ１ 回転センサ
Ｓｃ１ 定位検知スイッチ
Ｓｃ２ 割出し検知スイッチ
２ 演算手段
３ 検温手段
４ 補正手段
５ 推定復帰力

Claims (5)

1. 発条転てつ機の機内か機外に設けられ、発条転てつ機の変位要素の変位量又は回転要素の回転角度（又は回転角速度）を測定し、もしくは動作要素の復帰開始・終了を検知する測定・検知手段と、その測定・検知手段の測定値又は検知時点から転換動作の復帰時間を算出する演算手段と、発条転てつ機の油圧シリンダの油温を測定する検温手段と、前記演算手段が得た復帰時間を前記検温手段が測定した油温を用いて所定の関係式により補正して推定復帰力を求める補正手段とからなることを特徴とする発条転てつ機用状態監視装置。
2. 前記測定・検知手段には、発条転てつ機の変位要素としてのスイッチアジャスタのストローク、発条転てつ機内のばねの変位、シリンダの変位、分岐器のトングレールのストロークを測定する歪み形変位計、発条転てつ機の回転要素としての発条転てつ機内の下部クランクの回転角度を測定する測定器、もしくは発条転てつ機の動作要素により定位密着時に動作される第１スイッチと反位側に割出された時に動作される第２スイッチとの組み合わせのいずれかを用いていることを特徴とする請求項１に記載の発条転てつ機用状態監視装置。
3. 前記演算手段は、前記測定・検知手段が発条転てつ機の変位要素の変位量又は回転要素の回転角度（又は回転角速度）を測定するものである場合は、その測定値から緩速復帰開始時点と復帰終了時点を求め、両時点から復帰時間を算出するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発条転てつ機用状態監視装置。
4. 前記演算手段は、前記測定・検知手段が発条転てつ機の動作要素の復帰開始・終了を検知する手段である場合は、前記測定・検知手段の第１スイッチと第２スイッチの出力に基づいて緩速復帰開始時点と復帰終了時点を求め、両時点から復帰時間を算出するものであることを特徴とする請求項２に記載の発条転てつ機用状態監視装置。
5. 前記補正手段は、前記演算手段が得た復帰時間と前記検温手段の測定値とを復帰力が一定の場合の油温と復帰時間の関係式に代入し、当該油温における復帰力を求めるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発条転てつ機用状態監視装置。

Images