JP5453130B2 - アタック角測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車輪とレールとのアタック角を測定するためのアタック角測定装置及びアタック角測定方法に関する。

従来、鉄道車両の脱線現象に大きく関わるとされている因子であるアタック角を、走行中に連続して測定できるアタック角測定装置が知られている。
このようなアタック角測定装置の一例として、例えば下記特許文献１に記載されたものが提案されている。
即ち、特許文献１に記載されたアタック角測定装置では、図７に示すように、半導体レーザーなどの光源１からレンズを介してレール２の踏面２ａにレーザー光を細長い線状ビーム６としてレール２を横切るように照射する。そして、レール２の踏面２ａで乱反射する一部の反射光をレール２の真上に設けたラインセンサカメラ４で受光し、撮影する（図８参照）。検出ヘッド３は光源１とラインセンサカメラ４を収容しており、軸箱に支持されて車輪の前後方向に張り出した保持フレームにおける車輪の前後方向両側にそれぞれ設けられている。

図９はレール２の踏面２ａにおける線状ビーム６の像の輝度分布を示すものであり、枕木方向の位置をＸ軸とし、レール２の幅方向に亘って検出される線状ビーム６の反射光の輝度を反射光レベルとしてＹ軸にとる。そして、２つの検出ヘッド３の各ラインセンサカメラ４で測定した線状ビーム６の輝度分布に対して、踏面２ａを仕切るためのしきい値を設定する。
図９で示す線状ビーム６の輝度分布に対して、しきい値を下回る位置をレール２の踏面２ａの両側端面２ｂ、２ｂとする。そして、しきい値を踏面２ａの内側端面として、端面２ｂの各位置情報により内側端面からの距離Ｘａ、Ｘｂを測定し、次式により車輪に対するレール２の相対角度をアタック角として演算することができる。なお、Ｙはラインセンサカメラ４，４間の距離である。
アタック角＝ｔａｎ^−１（Ｘａ−Ｘｂ）／Ｙ

また、特許文献２に記載されたアタック角測定方法では、図１０に示すように、軸箱の底部に取り付けられた車台が車輪の前後方向に張り出しており、車輪の両側で車台に設けた２台のカメラ８をレール２の真上に設置する。また、照明９によってレール２の踏面２ａを照射して踏面２ａでの反射光をカメラ８で撮影し、踏面２ａの端面２ｂの反射光をカメラ８で捉えて軸箱側から見たレール２の横方向変位を検出して、レール２のアタック角を測定するようにしている。

特開平６−２３５６０９号公報 特開２００３−２４６２６６号公報

しかしながら、上述した各アタック角測定方法では、車輪が走行するレールの踏面は摩耗によって微細な凹凸が形成されたり汚れ等のため、ラインセンサカメラやカメラ等の受光部で検知する反射光が変動してしまうことがあり、反射光のしきい値の検出が困難になる場合がある。また、レール２の踏面２ａを仕切る端面２ｂは走行する車輪との摩擦による摩耗によって変動してしまい、受光部で検知する反射光が変動してしまうために正確な端面２ｂを検出できない欠点がある。

そのため、車両の走行によって刻々と変化するレール２の汚れや摩耗等のレールの状態や日射しの変化に対して、レール２を仕切るための反射光レベルの適切なしきい値を設定することが困難であり、測定誤差の原因になっていた。
また、軸箱に受光部を固定するために、受光部を支持する固定治具を軸箱から車輪前後方向に大きく張り出させる構成であるから、走行時における固定治具の振動によるブレや輪軸軸受と軸箱とのガタが測定精度低下の原因になっていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、レール踏面の摩耗や振動の影響を排除して、アタック角を精度良く測定できるようにしたアタック角測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアタック角測定装置は、レールに接触しない車輪の面に光ビームを照射して車輪との距離情報を測定する、少なくとも２台の第一の測長センサーと、車輪に接触しないレールの面に光ビームを照射してレールとの距離情報を測定する、少なくとも２台の第二の測長センサーと、第一の測長センサーと第二の測長センサーで得られた車輪までの距離情報とレールまでの距離情報から車輪とレールのアタック角度を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、レールに接触しない車輪の面と車輪に接触しないレールの面とに光ビームを照射してそれぞれの反射光によって、車輪との距離情報とレールとの距離情報を得て、これらの距離情報に基づいて演算手段によって車輪とレールのアタック角を演算することができる。特に、レールに接触しない車輪の面と車輪に接触しないレールの面とに光ビームを照射することで、走行によってレールが摩耗してもその影響を受けることなくアタック角を検出できる。
また、車輪との距離情報とレールとの距離情報をそれぞれ測定することで、走行中の振動によるアタック角測定装置自体のブレや輪軸軸受の軸箱への取付位置の遊びによるガタに対する影響をキャンセルした精度の良い測定が行える。

また、第一の測長センサーから照射される光ビームは車輪の側面に照射され、第二の測長センサーから照射される光ビームはレールの頭部の側面に照射されることが好ましい。
光ビームを車輪の側面とレールの側面に照射して反射光を第一及び第二測長センサーで検知することで、走行によって車輪とレールの踏面が摩耗してもその影響を受けることなく距離を精度良く測定できる。

また、少なくとも２台の第一の測長センサーと少なくとも２台の第二の測長センサーとを設けた支持部を、車輪の側面に対向する位置で軸箱に取り付けてなることが好ましい。
第一及び第二測長センサーを支持部に固定して、車輪の側面に対向する位置に設けたから、支持部と第一及び第二測長センサーが車輪の前後方向に張り出さないので短く形成できてアタック角測定装置を車両限界に収めてコンパクトに形成でき、距離の測定に際して振動やガタによる影響を低減できる。

また、２台の第一の測長センサーによってそれぞれ測定した車輪の面との距離情報をＡ１、Ａ２とし、２台の第二の測長センサーによってそれぞれ測定したレールの面との距離情報をＢ１、Ｂ２として、演算手段は、下記（１）式と（２）式によって車輪とレールの傾き角αａ、αｂを算出する第一演算部と、第一演算部で得られた車輪とレールの傾き角αａ、αｂの差から下記（３）式によってアタック角を算出する第二演算手段とを備えていることが好ましい。
αａ＝ｔａｎ^−１{（Ａ１−Ａ２）／Ｌａ} …（１）
αｂ＝ｔａｎ^−１{（Ｂ１−Ｂ２）／Ｌｂ} …（２）
α＝αａ−αｂ …（３）
但し、Ｌａ；２台の第一の測長センサー間の距離
Ｌｂ；２台の第二の測長センサー間の距離。
なお、アタック角測定装置では、第一及び第二の測長センサーは少なくとも各３台設けられていて、第一の測長センサーと第二の測長センサーで得られた距離情報から車輪とレールの反りを測定するようにしてもよい。

本発明によるアタック角測定方法は、第一の測長センサーによって光ビームをレールに接触しない車輪の面に照射して車輪との距離情報を複数箇所測定し、第一の測長センサーに対する車輪の傾き角を演算すると共に、第二の測長センサーによって光ビームを車輪に接触しないレールの面に照射して、レールとの距離情報を複数箇所測定し、第二の測長センサーに対するレールの傾き角を演算し、その後、車輪の傾き角とレールの傾き角の差からアタック角を演算するようにしたことを特徴とする。
本発明では、車輪との距離情報とレールとの距離情報をそれぞれ測定して、第一及び第二の測長センサーに対する車輪とレールの傾き角をそれぞれ算出した上で、アタック角を算出するようにしたから、従来技術のように、走行中の車両の振動による車輪に設けたアタック角測定装置自体のブレや車輪への取付位置の遊びによるガタによって生じる測定誤差をキャンセルして、精度の良いアタック角の測定が行える。

本発明による偏倚量測定装置は、レールに接触しない車輪の側面に光ビームを照射して車輪との距離情報を測定する複数の第一の測長センサーと、車輪に接触しないレールの側面に光ビームを照射してレールとの距離情報を測定する複数の第二の測長センサーと、第一の測長センサーと第二の測長センサーで得られた車輪までの距離情報とレールまでの距離情報から下記（４）式により車輪のレールに対する偏倚量Ｗを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
Ｗ＝（Ｂ１＋Ｂ２）／２−（Ａ１＋Ａ２）／２ …（４）

本発明によるアタック角測定装置及び測定方法によれば、第一及び第二の測長センサーによって車輪とレールが互いに接触したり摩耗したりしない面にレーザー光を照射して、車輪からの距離情報とレールからの距離情報とをそれぞれ測定するようにしたから、レールの摩耗やサビ等の汚れの影響を受けることなく、正確に車輪とレールのアタック角を測定できる。また、車輪とレールからの各距離情報をそれぞれ測定することで、走行中の振動によるアタック角測定装置のブレや取付位置に関連する遊びによるガタが生じても、その影響をキャンセルした精度の良い測定が可能である。
しかも、レールの端面を特定するために反射光のしきい値を設定する必要がなく、複雑な演算アルゴリズムを必要としないため、変動するアタック角の変化を高速なサンプリング周期で測定できる。

本発明の実施形態に係るアタック角測定装置の要部側面図である。 図１に示すアタック角測定装置の要部正面図である。 レールと車輪に対するアタック角測定装置のレーザー変位計の位置関係を示す要部構成図である。 レールと車輪に対するアタック角測定装置のレーザー変位計の位置関係を示す平面模式図である。 レールと車輪に対するレーザー変位計の設置可能範囲を示す図である。 レールと車輪の接触部分を示す要部拡大図である。 従来技術によるアタック角測定装置を示す要部斜視図である。 図７に示すアタック角測定装置におけるカメラとレールの関係を示す図である。 枕木方向におけるレール位置と反射光レベルとしきい値との関係を示す図である。 別の従来技術におけるカメラとレールとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態によるアタック角測定装置を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２において、レール１０に鉄道車両の車輪１１が設置されている。車輪１１の車軸１２には軸受９を介して軸箱１３が固定されている。軸箱１３の下部にはステー１４がボルト等で固定され、ステー１４の下方には支柱１５を介して支持台１６が取り付けられている。ステー１４と支持台１６は車軸１２に直交する方向に配設されている。
そして、支持台１６上には、アタック角測定装置１８における複数台のレーザー変位計１９、２０が取り付けられている。図１に示す例では、４台のレーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが所定間隔で支持台１６に一列に取り付けられている。これら支持台１６及びレーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは車輪１１の側面１１ａに対向する位置に設けられている。

本実施形態によるアタック角測定装置１８では、図１乃至図４に示すように、外側の２台のレーザー変位計１９ａ、１９ｂは車輪１１の側面１１ａにレーザー光を照射してレーザー変位計１９ａ、１９ｂから車輪１１までの距離を距離情報Ａ１、Ａ２として測定するものである。また、内側の２台のレーザー変位計２０ａ、２０ｂはレール１０にレーザー光を照射してレーザー変位計２０ａ、２０ｂからレール１０までの距離を距離情報Ｂ１、Ｂ２として測定するものである。

レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂは、車両限界Ｓより上方に納まるように支持台１６上に配列されて固定されている（図５参照）。そのため、レール１０にレーザー光を照射するレーザー変位計２０ａ、２０ｂはレール１０より上方に設置され、レール１０に向けて斜め下方にレーザー光を照射するように保持される。車輪１１にレーザー光を照射するレーザー変位計１９ａ，１９ｂも斜め下方または水平方向にレーザー光を照射するように保持される。
そのため、距離情報Ａ１，Ａ２，Ｂ１．Ｂ２は、レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂから車輪１１やレール１０へ向けて斜め下方に照射したレーザー光の照射距離と照射角度から演算した水平距離である。なお、レーザー変位計１９ａ，１９ｂから車輪１１に水平方向にレーザー光を照射した場合には照射角度０°である。
各レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂの設置領域は、例えば図５に示すように、水平線に対して１１．６°〜２９．８°の範囲であって一点鎖線で示す車両限界Ｓより上方の領域Ｍである。

図１〜図３において、レーザー変位計１９ａ、１９ｂによる車輪１１の照射領域は、車輪１１の外側の側面１１ａであり、側面１１ａを照射してその乱反射光を反射光として受光する。
また、レーザー変位計２０ａ、２０ｂによるレール１０の照射領域は、レール１０の頭部１０ａにおける外側の側面１０ｂであり、側面１０ｂを照射してその乱反射光を反射光として受光する。レーザー変位計２０ａ、２０ｂによるレール１０へのレーザー光照射位置は、図３に示すようにレール１０の上面である踏面１０ｃや凸曲面状角部をなすその端部１０ｄより下方側の車輪１１が接触しない側面１０ｂの領域であるから車輪１１が走行しても摩耗されず、踏面１０ｃやその端部１０ｄの摩耗に影響を受けないで距離情報Ｂ１，Ｂ２の測定が行える。
レール１０は、図６に示すように、頭部１０ａの頭頂部から端部１０ｄを含む高低差Ｌ（例えば５０ＮレールでＬ＝約２０ｍｍ）下側で外軌側の側面１０ｂをレーザー光照射領域とする。図６に示す例では、側面１０ｂは垂線に対して１：４０の勾配が設けられている。

そして、アタック角測定装置１８では、各レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが配線を介して演算手段２２に接続されている。演算手段２２では各レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂで測定された距離情報Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を入力して演算し角度情報を出力する。
演算手段２２は、測定された距離情報Ａ１，Ａ２、Ｂ１，Ｂ２からレール１０と車輪１１のレーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂに対する水平方向の傾き角を算出する第一演算部２３と、レール１０と車輪１１の傾き角からアタック角を算出する第二演算部２４と、レール１０と車輪１１の偏倚量（変位量）を演算する偏倚量演算手段２５とが設けられている。

演算手段２２におけるレール１０と車輪１１のアタック角（相対角度）αの演算は次のように行われる。図４において、各レーザー変位計１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが支持台１６上に車軸１２に直交する方向へ一列に配列されているとして、レーザー変位計１９ａ、１９ｂ間の距離をＬａ、レーザー変位計２０ａ、２０ｂ間の距離をＬｂとする。
そして、演算手段２２の第一演算手段２３において、レーザー変位計１９ａ、１９ｂの配列方向に対する車輪１１の傾き角αａは次式で求められる。
αａ＝ｔａｎ^−１{（Ａ１−Ａ２）／Ｌａ} …（１）
また、レーザー変位計２０ａ、２０ｂの配列方向に対するレール１０の傾き角αｂは次式で求められる。
αｂ＝ｔａｎ^−１{（Ｂ１−Ｂ２）／Ｌｂ} …（２）
そのため、第二演算手段２４において、レール１０と車輪１１の相対角度であるアタック角αは次式で得られる。
α＝αａ−αｂ …（３）

また、演算手段２２の偏倚量演算手段２５では、距離情報Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２から、車輪１１のレール１０に対する偏倚量Ｗ、即ちレーザー変位計１９ａ、１９ｂ，２０ａ、２０ｂの配列方向に直交する方向でレール１０に対する車輪１１の変位量は次式により算出される。
偏奇量Ｗ＝（Ｂ１＋Ｂ２）／２−（Ａ１＋Ａ２）／２ …（４）

本実施形態によるアタック角測定装置１８は上述の構成を備えており、次にアタック角の測定方法について説明する。
鉄道車両の走行時に、図１及び図２に示すように、車輪１１の側面１１ａに対向して設けたアタック角測定装置１８において、２台のレーザー変位計１９ａ、１９ｂからレーザー光を車輪１１の側面１１ａの異なる部位にそれぞれ照射する。すると、車輪１１の側面１１ａ上で反射する各反射光が各レーザー変位計１９ａ、１９ｂで受光されて距離情報Ａ１，Ａ２を出力する。
これと同時に、レーザー変位計２０ａ、２０ｂからレーザー光をレール１０の頭部１０ａにおける側面１０ｂの異なる部位にそれぞれ照射する。そして、レール１０の側面１０ｂ上で反射した各反射光が各レーザー変位計２０ａ、２０ｂで受光されて距離情報Ｂ１，Ｂ２を出力する。

得られた各距離情報Ａ１，Ａ２、Ｂ１，Ｂ２は配線を通って演算手段２２へ出力される。演算手段２２では、第一演算部２３で、レーザー変位計１９ａ、１９ｂの配列方向に対する車輪１１の傾き角αａが（１）式で求められ、レーザー変位計２０ａ、２０ｂの配列方向に対するレール１０の傾き角αｂが（２）式で求められる。そして、第二演算部２４で、（３）式により、車輪１１の傾き角αａとレール１０の傾き角αｂの差をとることで、レール１０に対する車輪１１のアタック角αを算出できる。
そして、車両の走行状態で、車輪１１とレール１０の各距離情報Ａ１，Ａ２、Ｂ１，Ｂ２を連続して測定することで車輪１１とレール１０のアタック角αを連続して測定できる。

上述のように、本実施形態によるアタック角測定装置１８及びアタック角測定方法によれば、レーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂによってレール１０と車輪１１が互いに接触したり摩耗したりしない側面１０ｂ、１１ａにレーザー光を照射して、レール１０からの距離と車輪１１からの距離を距離情報Ａ１，Ａ２、Ｂ１，Ｂ２としてそれぞれ測定するようにしたから、レール１０の踏面１０ｃやその端面１０ｄの摩耗やサビ等の汚れの影響を受けることなく、正確に車輪１１とレール１０のアタック角αを連続して測定できる。これにより、車輪１１のレール１０に対する挙動の変化を正確に把握できる。
しかも、レール１０の端面１０ｄを特定するために反射光の輝度分布に対してしきい値を設定する必要がなく、複雑な演算アルゴリズムを必要としないため、変動するアタック角αの変化を高速なサンプリング周期で測定できる。例えば、サンプリング周期を１msに設定した場合、１００ｋｍ／ｈの走行でも、３０ｍｍ間隔以下でのアタック角変化が測定できる。そのため、本線上を通常の営業車両で走行させての計測も可能である。

また、レール１０と車輪１１に対する距離Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２をそれぞれ測定することで、走行中の振動によるアタック角測定装置１８自体のブレや軸箱１３の構造上の遊びによるアタック角測定装置１８と車輪１１間の取り付け位置に関連するガタ、例えば車軸１２の軸受９と軸箱１３のガタに対する影響をキャンセルした精度の良い測定が可能である。
更に、レーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを、支持台１６を介して軸箱１３に連結して車輪１１の側面１１ａに対向して設けたから、従来の装置のように、装置を車輪の前後まで伸ばす必要がなく、支持台１６の長さが短くてアタック角測定装置１８がコンパクトになる。
また、近年のセンサ技術向上により、走行中に刻々と変化するレール状況にリアルタイムで感度調整することが可能なレーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを用いることが可能となり、安定性の高い測定ができる。

なお、上述の説明では、車輪１１との距離を測定するレーザー変位計１９ａ、１９ｂと
レール１０との距離を測定するレーザー変位計２０ａ、２０ｂとをそれぞれ２台づつ設置したが、それぞれまたはいずれかのレーザー変位計１９，２０を３台以上設けてもよい。車輪１１との距離を測定するレーザー変位計１９を３台以上設ければアタック角αだけでなく車輪１１のそりを検出でき、レール１０との距離を測定するレーザー変位計２０を３台以上設ければアタック角αだけでなくレール１０のそりを検出できる。
また、上述の実施形態では、レール１０の頭部１０ａの側面１０ｂにレーザー光を照射するようにしたが、車輪１１と接触しない位置であればレール１０の他の領域でもよい。
また、アタック角測定装置１８の各レーザー変位計１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの配列方向は車軸１２に直交する方向に限定されることはなく、支持台１６上で任意の角度に設定できる。

１０ レール
１０ａ 頭部
１０ｂ 側面
１０ｃ 踏面
１０ｄ 端部
１１ 車輪
１１ａ 側面
１２ 車軸
１３ 軸箱
１６ 支持台（支持部）
１８ アタック角測定装置
１９，１９ａ，１９ｂ、２０，２０ａ、２０ｂ レーザー変位計
２２ 演算手段
２３ 第一演算部
２４ 第二演算部

Claims (6)

1. レールに接触しない車輪の面に光ビームを照射して車輪との距離情報を測定する、少なくとも２台の第一の測長センサーと、
   車輪に接触しないレールの面に光ビームを照射してレールとの距離情報を測定する、少なくとも２台の第二の測長センサーと、
   前記第一の測長センサーと第二の測長センサーで得られた車輪までの距離情報とレールまでの距離情報から車輪とレールのアタック角度を演算する演算手段と
   を備えたことを特徴とするアタック角測定装置。
2. 前記第一の測長センサーから照射される光ビームは車輪の側面に照射され、前記第二の測長センサーから照射される光ビームはレールの頭部の側面に照射されるようにした請求項１に記載されたアタック角測定装置。
3. 前記少なくとも２台の第一の測長センサーと前記少なくとも２台の第二の測長センサーとを設けた支持部を、車輪の側面に対向する位置で軸箱に取り付けてなる請求項１または２に記載されたアタック角測定装置。
4. ２台の前記第一の測長センサーによってそれぞれ測定した前記車輪の面との距離情報をＡ１、Ａ２とし、２台の第二の測長センサーによってそれぞれ測定した前記レールの面との距離情報をＢ１、Ｂ２として、
   前記演算手段は、下記（１）式と（２）式によって車輪とレールの傾き角αａ、αｂを算出する第一演算部と、
   該第一演算部で得られた車輪とレールの傾き角αａ、αｂの差から下記（３）式によってアタック角を算出する第二演算手段とを
   備えている請求項１乃至３のいずれかに記載されたアタック角測定装置。
   αａ＝ｔａｎ^−１{（Ａ１−Ａ２）／Ｌａ} …（１）
   αｂ＝ｔａｎ^−１{（Ｂ１−Ｂ２）／Ｌｂ} …（２）
   但し、Ｌａ；２台の第一の測長センサー間の距離
   Ｌｂ；２台の第二の測長センサー間の距離。
5. 第一の測長センサーによって光ビームをレールに接触しない車輪の面に照射して車輪との距離情報を複数箇所測定して、第一の測長センサーに対する車輪の傾き角を演算すると共に、
   第二の測長センサーによって光ビームを車輪に接触しないレールの面に照射してレールとの距離情報を複数箇所測定して、第二の測長センサーに対するレールの傾き角を演算し、
   その後、前記車輪の傾き角とレールの傾き角の差からアタック角を演算するようにしたことを特徴とするアタック角測定方法。
6. レールに接触しない車輪の面に光ビームを照射して車輪との距離情報を測定する複数の第一の測長センサーと、
   車輪に接触しないレールの面に光ビームを照射してレールとの距離情報を測定する複数の第二の測長センサーと、
   前記第一の測長センサーと第二の測長センサーで得られた車輪までの距離情報とレールまでの距離情報から下記（４）式により車輪のレールに対する偏倚量Ｗを演算する演算手段と
   を備えたことを特徴とする偏倚量測定装置。
   Ｗ＝（Ｂ１＋Ｂ２）／２−（Ａ１＋Ａ２）／２ …（４）

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