JP5405280B2 - 軸力測定用レール加振方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸力増加が原因となり発生するレールの張り出しや座屈を予防するために、レールに作用している軸力を現場で測定する軸力測定用レール加振方法及びその装置に関するものである。

レールは温度変化によって膨張・収縮する。しかし、レールはまくらぎによって固定されているため、特にロングレールの場合は自由に伸縮することができない。そのため、レールは長手方向に圧縮または引張の軸力を受けることになる。この軸力は、レールの座屈・破断の原因となるために、レールの受けている軸力を把握することは軌道管理上重要である。

従来、例えば、下記特許文献１に示されるように、レールの透磁率を用いてレール軸力を測定する方法が提案されている。
また、本願発明者らは、軸力を受けるレールの波動伝播特性について、下記非特許文献１として発表している。

特開平７−２８０６６９号公報

清水紗希 他，「軸力を受けるレールの波動伝播特性」，土木学会第６４回年次学術講演会講演概要集，社団法人土木学会，ｐｐ．６８７〜６８８（２００９） 清水紗希 他，「軸力を受けるレールの波動モード解析」，第２７回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会論文集，社団法人土木学会関東支部新潟会，ｐｐ．６８７〜６８８（２００９）

レールに圧縮軸力が加わるとレールの固有振動数が低下することを利用した軸力測定用の加振装置があり、ある振動モードの固有振動数の低下を現場にて正確に測定できれば、レール軸力を予測することは概ね可能である。
従来の固有振動数の測定は、例えば、インパルスハンマー試験により実施されている。インパルスハンマーによる打撃試験は、レールに加速度センサを貼り付けて打撃を与え応答加速度を測定し、さらに実験モード解析により、応答波形の中より特定の固有モードを分離・抽出するものである。このインパルスハンマー試験は、現場で容易に行うことができ、特に、レール単体、まくらぎ単体など、単独の部材の場合は非常に簡単にモードを特定できる。しかし、実際の軌道は、レール、まくらぎ、締結装置などからなる複合構造であり、非常に多くの固有モードが錯綜して存在しており、実験モード解析のみでは、それらを分離することが難しい。

図７は、３本のまくらぎ上にレールを渡した軌道構造に関する固有モードの数値解析結果である。ここで、新幹線用（３Ｔ）軌きょうで、まくらぎ、締結装置、レールをそれぞれソリッド要素とした軌きょうモデルを作成し、モーダル解析を実施した。解析は、まくらぎ下面にバラストを模擬した単一特性のばねを入れ、そのばね下を完全拘束した状態で行った。図７は中央のまくらぎ１０１とレール１０２部分の変形モードを図示したものである。なお、両端のまくらぎは固定しているだけであるのでここでは図示していない。３本のまくらぎ上にレール１０２を渡しただけでも１０００Ｈｚまでに３０個近くのモードが存在する。図７（ａ）に１１８．４Ｈｚ、図７（ｂ）に１１９．４Ｈｚ、図７（ｃ）に１５３．４Ｈｚ、図７（ｄ）に１９８．９Ｈｚ、図７（ｅ）２５６．５Ｈｚのモードをそれぞれを代表例として示した。

さらに実軌道では、数多くのまくらぎによる影響や締結装置のばらつきなどにより、打撃試験結果を用いた実験モード解析では非常に多くのモードが錯綜してしまい、モードの分離は難しくなる。
また、スピーカー等の音響機材などに用いられる磁石とコイルに交流電圧を加えて加振する方法では、内部に強力な磁石が使われているため、レールに対して磁性の影響が生じる。しかも、電気信号から振動エネルギーへの変換効率が１０％に満たない程度であり非常に低い。また、コーン紙や振動部分の挙動に均質性がなく、さまざまな局所的な振動モードを含むため、安定な加振ができない。

一方、セラミックや水晶等の振動子では磁性の影響がなく、振動子の固有振動数近傍において高効率の安定した振動が得られる。しかし、振動子の固有振動数は、通常数ＭＨｚと非常に高周波であり、軸力測定のために行うレールの加振で必要とされる低周波領域では、変換効率が１％未満で実用にならない。
さらに、モーター、クランク、ばねを用いたメカニックな振動方法では、高周波領域での正確な加振が難しい上、騒音を発生し実用的ではない。

本発明では、上記状況に鑑みて、電磁的な影響がないセラミック振動子を用いてレールの鉛直加振及び又は水平加振を行い、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定することにより、軸力評価の信頼性を向上を図ることができる軸力測定用レール加振方法及びその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に、
〔１〕軸力測定用レール加振方法において、セラミック振動子をレールの頭頂面及び又は頭部側面に配置し、前記セラミック振動子を用いて前記レールを鉛直方向及び又は水平方向に振動させ、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の軸力測定用レール加振方法において、前記セラミック振動子は、このセラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を入力させ、かつ数Ｈｚ〜数ｋＨｚの正弦波波形で加振させることを特徴とする。
〔３〕軸力測定用レール加振装置において、レールの頭頂面及び又は頭部側面に配置されるセラミック振動子と、このセラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を出力する基本周波数発生器と、低周波数の正弦波波形を発生させる低周波数の発振器と、前記基本周波数発生器からの出力と前記低周波数の発振器からの出力とを混合する混合器とを備え、前記混合器からの出力波形に基づいて前記セラミック振動子を駆動してこのセラミック振動子を前記レールの鉛直方向及び又は水平方向に振動させて、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定することを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の軸力測定用レール加振装置において、前記基本周波数発生器は、前記セラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を出力することを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の軸力測定用レール加振装置において、前記パルス波形の周波数が１ＭＨｚ近傍であることを特徴とする。

〔６〕上記〔３〕記載の軸力測定用レール加振装置において、前記低周波数の発振器は数Ｈｚ〜数ｋＨｚの正弦波波形を出力することを特徴とする。
〔７〕上記〔３〕記載の軸力測定用レール加振装置において、前記混合器と前記セラミック振動子との間にバイポーラ増幅器を設け、前記混合器からの出力波形の正方向もしくは負方向のみのパルスに変換することを特徴とする。

本発明によれば、電磁的な影響がないセラミック振動子をレールの頭頂面及び又は頭部側面に配置してレールの鉛直加振及び又は水平加振を行うことにより、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を把握することができる。

本発明の実施例を示す軸力測定用レール加振装置のセラミック振動子の駆動波形生成のブロック図である。 本発明の実施例を示す軸力測定用レール加振装置の混合器の出力波形及びバイポーラ増幅器の出力波形を示す図である。 本発明の実施例を示す軸力測定用レール加振装置のレールへのセラミック振動子の配置を示す斜視図である。 本発明の実施例を示す軸力測定用レール加振装置のレールへのセラミック振動子の装着状態を示す断面図である。 本発明の軸力測定用レール加振装置の試験装置を示す図面代用写真である。 本発明の軸力測定用レール加振装置の試験装置におけるセラミック振動子によるレールの共振時のインピーダンスの測定結果を示す図である。 従来の３本のまくらぎ上にレールを渡した軌道構造に関する固有モードの数値解析結果を示す図である。

本発明の軸力測定用レール加振方法において、セラミック振動子をレールの頭頂面及び又は頭部側面に配置し、前記セラミック振動子を用いて前記レールを鉛直方向及び又は水平方向に振動させ、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定する。
また、本発明の軸力測定用レール加振装置において、レールの頭頂面及び又は頭部側面に配置されるセラミック振動子と、このセラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を出力する基本周波数発生器と、低周波数の正弦波波形を発生させる低周波数の発振器と、前記基本周波数発生器からの出力と前記低周波数の発振器からの出力とを混合する混合器とを備え、前記混合器からの出力波形に基づいて前記セラミック振動子を駆動してこのセラミック振動子を前記レールの鉛直方向及び又は水平方向に振動させて、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す軸力測定用レール加振装置のセラミック振動子の駆動波形生成のブロック図、図２はその軸力測定用レール加振装置の混合器の出力波形及びバイポーラ増幅器の出力波形を示す図であり、図２（ａ）は混合器の出力波形、図２（ｂ）はバイポーラ増幅器の出力波形（セラミック振動子への入力波形）を示している。図３はその軸力測定用レール加振装置のレールへのセラミック振動子の配置を示す斜視図、図４はその軸力測定用レール加振装置のレールへのセラミック振動子の装着状態を示す断面図である。

これらの図において、１は基本周波数ジェネレータ（１ＭＨｚ近傍出力）、２は低周波数の発振器（数Ｈｚ〜２０００Ｈｚ出力）、３は混合器（ミクサ）、４はバイポーラ増幅器、５はレールの頭頂面に配置されるセラミック振動子、５′はレールの頭部側面に配置されるセラミック振動子、５Ａ，５Ｂ，５Ａ′，５Ｂ′はセラミック振動子５，５′のリード線である。６はレール、６Ａはレール６の頭部、６Ｂはレール６の頭頂面、６Ｃはレール６の腹部、６Ｄはレール６の底部、６Ｅはレール６の頭部側面、７はレール６の腹部６Ｃに配置される受信機、８は受信機７に接続されるレール軸力計測装置である。

このように、この実施例では、振動子としては電磁的な影響のないセラミック振動子を用いた。このセラミック振動子５，５′をレール６の頭頂面６Ｂ及び又は頭部側面６Ｅに装着して固有振動モードを用いてレール６を振動させる。
また、セラミック振動子５，５′を共振モードで用いると、ほぼ９５％以上の電力から振動への変換効率が得られる。非常に高いエネルギー変換効率が得られ、小型のセラミック振動子５，５′でも、発熱の影響を考慮することなく、大きな電力を供給できる。高効率変換が可能なので装置（発信機自体）を小型化でき、セラミック振動子５，５′をレール６の頭頂面６Ｂ及び又は頭部側面６Ｅに装着したことにより、レール６の鉛直方向の加振及び又は水平方向の加振を行うことができる。なお、セラミック振動子５をレール６の頭頂面６Ｂに配置して、レール６の鉛直方向の加振による測定を行った後に、そのセラミック振動子５をレール６の頭部側面６Ｅに配置してレール６の水平方向の加振による測定を行うようにしてもよい。つまり、レールの敷設状況に対応したレール６の加振態様を選定してレール６の合成した振動試験を行うことができる。

また、セラミック振動子５，５′の固有振動モードが生じる周波数は、セラミック振動子５，５′の大きさにより異なってくるが、概ね数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの高周波である。後述の試験結果で用いた振動数では、約１ＭＨｚ程度の周波数を入力することで達成できる。しかし、加振に必要な周波数帯（数Ｈｚから数ｋＨｚ）と大きく異なるので、以下のような工夫を行う。

セラミック振動子５，５′自体には、図２に示すように、セラミック振動子５，５′の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形（矩形波）を入力させるものとする。この状態で、別途、本来加振したい数Ｈｚ〜数ｋＨｚの正弦波波形を低周波数の発振器２で発生させる。そこで、基本周波数ジェネレータ１で発生させるパルス波形と、低周波数の発振器２で発生させる低周波数の正弦波波形の両者を混合器（ミクサ）３で混合し、パルス波形の電圧ピーク値を結んだ形状が、加振波形に一致するパルス波形を生成し、それをセラミック振動子５，５′に入力する。

丁度１ＭＨｚの搬送波で、ＡＭ変調して、低周波の音声波形を伝送する、ラジオなどの方法に似ている。ＡＭ変調の場合は、搬送波の周波数で高速にプラス・マイナスの電圧変動を加えることになり、そのままでは低周波の再現はできない。そのためＡＭ伝播の場合も、音声信号を復調するには、ダイオードを用いた検波により、正負いずれか片方の電圧成分のみを抽出する。通常のＡＭ変調方式では、正弦波形の片側成分を取り出した加振となる。

本発明では、ＡＭ変調の代わりに、ピークの包絡線が加振波形に一致する高周波のパルス波を使うところが大きく異なる。すなわち、加振波形がプラスの場合は、パルス波形は電圧０Ｖもしくはプラスの電圧成分しかもたず、一方、加振波形がマイナスの場合は、パルス波形は電圧０Ｖもしくはマイナスの電圧成分しかもたない。
本発明においては、基本周波数ジェネレータ１で混合したパルス波形を、超低インピーダンスの高出力のバイポーラ増幅器４を導入することにより、加振波形に一致して正方向〔図２（ｂ）参照〕もしくは負方向のみにパルスを含む波形を生成して、そのままセラミック振動子５，５′に入力できるようにした。

以下、測定試験装置による測定結果について説明する。
図５は本発明の測定試験装置を示す図面代用写真、図６は本発明の測定試験装置におけるセラミック振動子によるレールの共振時のインピーダンスの測定の様子を示す図である。
（１）セラミック振動子５に基本周波数ジェネレータ１より約１ＭＨｚ近傍の周波数を入力し、共振時のインピーダンスの測定を行った。図５に示すセラミック振動子５は、直径２４ｍｍ，厚さ３ｍｍ程度と非常に小型である。

（２）図６に示すように、混合器（ミクサ）３からの出力波形をバイポーラ増幅器４で増幅して、その出力をセラミック振動子５，５′に接続した交流抵抗を測定した。つまり、図６は面外方向（水平方向）の共振モード付近の拡大図である。なお、バイポーラ増幅器４としては、例えば、ＤＣ−最高１０ＭＨｚの広帯域・高速・高出力電圧のパワーアンプである高速バイポーラ〔（株）エヌエフ回路設計ブロック製のＨＳＡシリーズ〕を用いることができる。このＨＳＡシリーズは、電圧、電流を正負自由に出力できる象限出力であり、容量性負荷、誘導性負荷に対しても安定して動作する。

（３）今回使ったセラミック振動子５の場合、９８７．２ｋＨｚで、面外方向（水平方向）の圧縮・伸縮のみの振動モードが得られた。バイポーラ増幅器４からの出力電圧は１００Ｖｐ−ｐ、そのときのインピーダンスは１．４８５Ωであった。バイポーラ増幅器４の内部抵抗は非常に小さいので、恐らくセラミック振動子５内部での消費電力は約１００Ｗ程度に達すると想定されるが、発熱等もなく安定な振動モードが得られた。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の軸力測定用レール加振装置は、軸力評価の信頼性を向上させる軸力測定用レール加振装置として利用可能である。

１ 基本周波数ジェネレータ（１ＭＨｚ近辺出力）
２ 低周波数の発振器（数Ｈｚ〜２０００Ｈｚ出力）
３ 混合器（ミクサ）
４ バイポーラ増幅器
５，５′ セラミック振動子
６ レール
６Ａ 頭部
６Ｂ 頭頂面
６Ｃ 腹部
６Ｄ 底部
６Ｅ 頭部側面
７ 受信器
８ レール軸力計測装置

Claims (7)

1. セラミック振動子をレールの頭頂面及び又は頭部側面に配置して前記セラミック振動子を用いて前記レールの鉛直方向及び又は水平方向に振動させ、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定することを特徴とする軸力測定用レール加振方法。
2. 請求項１記載の軸力測定用レール加振方法において、前記セラミック振動子は、該セラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を入力させ、かつ数Ｈｚ〜数ｋＨｚの正弦波波形で加振させることを特徴とする軸力測定用レール加振方法。
3. レールの頭頂面及び又は頭部側面に配置されるセラミック振動子と、該セラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を出力する基本周波数発生器と、低周波数の正弦波波形を発生させる低周波数の発振器と、前記基本周波数発生器からの出力と前記低周波数の発振器からの出力とを混合する混合器とを備え、前記混合器からの出力波形に基づいて前記セラミック振動子を駆動して前記セラミック振動子を前記レールの鉛直方向及び又は水平方向に振動させて、レールの固有振動数を測定し、レールの受ける軸力を測定することを特徴とする軸力測定用レール加振装置。
4. 請求項３記載の軸力測定用レール加振装置において、前記基本周波数発生器は、前記セラミック振動子の固有振動モードに一致する周波数のパルス波形を出力することを特徴とする軸力測定用レール加振装置。
5. 請求項４記載の軸力測定用レール加振装置において、前記パルス波形の周波数が１ＭＨｚ近傍であることを特徴とする軸力測定用レール加振装置。
6. 請求項３記載の軸力測定用レール加振装置において、前記低周波数の発振器は数Ｈｚ〜数ｋＨｚの正弦波波形を出力することを特徴とする軸力測定用レール加振装置。
7. 請求項３記載の軸力測定用レール加振装置において、前記混合器と前記セラミック振動子との間にバイポーラ増幅器を設け、正方向もしくは負方向のみのパルスに変換することを特徴とする軸力測定用レール加振装置。