JP5681512B2

JP5681512B2 - レール破断検知装置

Info

Publication number: JP5681512B2
Application number: JP2011019562A
Authority: JP
Inventors: 英孝 ▲高▼村
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: JP2012158919A

Description

本発明は、列車が走行するレールの破断を検知するレール破断検知装置に関する。

従来、軌道回路により列車が検知されている列車軌道において、列車が走行するレールの破断検知は、一般的に列車を検知する軌道回路装置を用いて行われている。

この軌道回路装置は、レールを列車走行方向に沿って所定長さに区分して形成された軌道回路の一端側から列車検知用の信号を送信するとともに、その軌道回路の他端側でその列車検知用の信号を受信できるように構成されており、各閉そく区間に列車が進入したとき、車軸により平行するレール間が短絡され、受信側に電圧が発生しなくなり、リレーを落下するなどして列車を検知する（特許文献１参照）。また、この軌道回路装置は、レールが破断したとき、受信側に電圧が発生しないため、レールの破断も検知できるようになっている。この様に、軌道回路装置は、列車を検知すると共にレールの破断も検知することができるため、レール破断検知装置としても用いられている。

特開２００９−２０８５４５号公報

しかしながら、この種の軌道回路装置を用いたレール破断検知装置においては、境界点付近において軌道回路が構成されない箇所が存在する場合がある。したがって、この種の軌道回路装置を用いたレール破断検知装置においては、電気回路構成上、境界点付近において、レールの破断を検知することができない場合がある。

また、軌道回路装置は、各種ケーブル、インピーダンスボンド及びレール絶縁体等の軌道回路を構成する多くの部品が必要であり、それらのメンテナンスも必要であるため、メンテナンスが容易な新たな列車検知システムが望まれている。近年、例えば、軌道回路を用いず、ループコイルや無線により列車を検知することが可能なＣＢＴＣ（Communication Based Train Control）が採用され始めているが、このＣＢＴＣは軌道回路を持たないため、軌道回路装置を用いたレール破断検知装置とは別の方式によりレール破断を検知可能なレール破断検知装置の構築が望まれている。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、軌道回路がなくてもレールの破断を検知することができ、かつ、どのような箇所のレールの破断でも検知可能なレール破断検知装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレール破断検知装置は、レールの振動を測定する振動センサと、前記振動センサからの出力に基づいて、レール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数を算出する周波数分析部と、前記周波数分析部により算出された前記ピーク周波数が材質及び敷設方法等によって定まるレールの共振周波数を中心周波数として予め定めた許容範囲外のときに、前記レールは破断していると判定する判定部と、を備えたことを特徴とする。

本発明のレール破断検知装置によれば、レール振動の周波数分析を行ってピーク周波数を算出し、算出したピーク周波数が材質及び敷設方法等によって定まるレールの共振周波数を中心周波数として予め定めた許容範囲外のときに、レールは破断していると判定し、レールの破断を検知する構成としたので、レール振動によってレールの破断を検知することができるため、軌道回路がなくてもレールの破断を検知することができ、かつ、どのような箇所のレールの破断でも検知可能なレール破断検知装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るレール破断検知装置の概略構成を示すブロック図である。上記実施形態のレール破断検知装置の設置例を示す概略図である。上記図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。上記実施形態において、レール振動の周波数毎の振動強度を示すグラフである。上記実施形態に係るレール破断検知装置の検知動作を示すフロー図である。第２実施形態に係るレール破断検知装置におけるピーク周波数、第１許容範囲及び第２許容範囲の関係を示すグラフである。上記実施形態に係るレール破断検知装置の検知動作を示すフロー図である。

以下、本発明に係るレール破断検知装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るレール破断検知装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、レール破断検知装置の設置例を示す概略図である。
図１において、本実施形態のレール破断検知装置１は、平行してそれぞれ敷設されるレール２ａ，２ｂ（図２及び図３参照）の振動をそれぞれ測定する振動センサ３ａ，３ｂと、レール振動の周波数分析をする周波数分析部４と、判定部５と、送信部６と、電源部７とを備えて構成されている。

前記振動センサ３ａ，３ｂは、レール２ａ，２ｂの振動をそれぞれ測定するものであり、振動の強度（例えば、振幅等）を電圧に変換し、レール振動のデータとして出力する一般的なものである。振動センサ３ａ，３ｂは、レール振動のデータを測定結果として周波数分析部４に出力する。振動センサ３ａ，３ｂは、例えば、レール２ａ，２ｂを列車走行方向に沿って所定の長さに区分された各区間（区間Ｔ、区間Ｔ’、区間Ｔ”・・・）の、平行したそれぞれのレール２ａ，２ｂに、少なくとも１個ずつ設置される。本実施形態においては、例えば、図２に示すように、同一区間Ｔの一方のレール２ａに１個の振動センサ３ａを、他方のレール２ｂに１個の振動センサ３ｂを設置する。図の簡略化のため図２には、区間Ｔの振動センサ３ａ，３ｂだけ示したが、実際には、他の区間（Ｔ’、Ｔ’’等）にも同様に振動センサ３ａ，３ｂがそれぞれ設置されている。また、振動センサ３ａ，３ｂは、具体的には、図３に示すように、レール２ａ，２ｂの側面にそれぞれ当接させて取付けるとよい。これにより、レールの振動を効率的に測定することができる。

前記周波数分析部４は、振動センサ３ａ，３ｂからの出力に基づいて、レール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数ｆｐを算出するものである。レール振動の周波数毎の強度分布は、例えば、図４に示すように、ピーク性を有している。周波数分析部４は、例えば、判定部５及び送信部６と共に、一つのユニット８として構成され、図２及び図３に示すように、枕木上等に設置されている。このユニット８は、例えば、図示省略するが、複数の区間の振動センサ３ａ，３ｂからのデータが入力可能になっており、周波数分析部４の処理能力等を考慮した所定の区間数毎に設けられている（図２では、ユニット８は、図の簡略化のため一つのみ記載しているが、実際は複数設けられている）。周波数分析部４は、例えば、どの区間のどの振動センサ３ａ，３ｂの測定結果に基づいて算出したピーク周波数ｆｐなのかが分かる情報（以下において、「センサ位置情報」と言う。）と共に、ピーク周波数ｆｐの算出結果を判定部５に出力する。具体的には、周波数分析部４は、例えば、図２に示す区間Ｔに列車が進入した場合、振動センサ３ａ及び振動センサ３ｂからのデータをそれぞれ周波数分析し、区間Ｔの振動センサ３ａにおけるピーク周波数ｆｐａと、区間Ｔの振動センサ３ｂにおけるピーク周波数ｆｐｂと、をそれぞれのセンサ位置情報と共に判定部５に出力する。

前記判定部５は、周波数分析部４により算出されたピーク周波数ｆｐが予め定める破断検知用の許容範囲（以下において、「第１許容範囲」と言う）外のときに、レールは破断していると判定するものである。判定部５は、レールは破断していると判定した場合、レール破断有りの判定結果を、例えば、前述したセンサ位置情報と共に送信部６に出力する。第１許容範囲は、図４に示すように、予め定める上下限値ｆ１，ｆ２によって定まる範囲である。例えば、レールの材質及び敷設方法等によって定まるレールの共振周波数を中心周波数ｆ０とし、この中心周波数ｆ０より予め定める周波数ｄｆだけ低い周波数を下限値ｆ１と定め、中心周波数ｆ０より予め定める周波数ｄｆだけ高い周波数を上限値ｆ２と定め、これら上下限値ｆ１，ｆ２により、第１許容範囲を設定する。この第１許容範囲は、例えば、各区間のレール毎に定めるとよい。なお、各区間のレールの共振周波数の差が無視できる程度であれば、各レール共通の第１許容範囲を定めてもよい。

前記送信部６は、判定部５の判定結果を無線により外部のシステム等へ送信するものであり、例えば、アンテナ部６ａ等を備えて構成されている。これにより、外部のシステムとの配線施工をする必要がない。また、送信部６は、判定結果に加えて、センサ位置情報を送信可能に構成されている。これにより、レールが破断した場合、その破断場所（区間等）を特定可能に、判定結果を外部に送信することができる。なお、送信部６は、無線式に限らず、有線で判定結果を外部へ送信する構成としてもよい。

前記電源部７は、レール振動により発電して各部（振動センサ３ａ，３ｂ、周波数分析部４、判定部５及び送信部６）へ電源を供給するものである。これにより、電源部７は、自ら発電することができるため、受電したり電池を内蔵したりする必要がないため、受電用の配線や電池交換の手間もなくなる。なお、電源部７は、発電可能な構成としたが、これに限らず、例えば、外部から受電したり、電池を内蔵したりして構成してもよい。また、電源部７は、例えば、各ユニット８共通のものとしてもよいし、ユニット８毎に設けてもよい。また、電源部７は、レール振動のエネルギーを効率的に電気に変換できるように、例えば、図３に示した振動センサ３ａ，３ｂのように、レールの側面に取り付けるとよい。

次に、本実施形態に係るレール破断検知装置１の検知動作について、図５に示すフロー図及び図２を参照して説明する。なお、図２に示す区間Ｔに列車が進入したものとして、以下説明する。

列車が区間Ｔに進入すると（ＳＴＥＰ１）、振動センサ３ａ，３ｂは、レール振動を検知し、振動の強度（例えば、振幅等）を電圧に変換し、レール振動のデータを周波数分析部４にそれぞれ出力する（ＳＴＥＰ２）。そして、周波数分析部４は、振動センサ３ａ及び振動センサ３ｂからのデータをそれぞれ周波数分析し、区間Ｔの振動センサ３ａにおけるピーク周波数ｆｐａと区間Ｔの振動センサ３ｂにおけるピーク周波数ｆｐｂとを算出し、各ピーク周波数ｆｐの算出結果をそれぞれのセンサ位置情報と共に判定部５に出力する（ＳＴＥＰ３）。次に、判定部５は、周波数分析部４により算出されたピーク周波数ｆｐ（ｆｐａ又はｆｐｂ）が予め定める第１許容範囲外のとき（ＳＴＥＰ４；Ｙｅｓ）、レールは破断していると判定し、レール破断有りの判定結果を、例えば、センサ位置情報と共に送信部６に出力する（ＳＴＥＰ５）。そして、送信部６は、レール破断有りの判定結果及びセンサ位置情報を無線により外部に送信する。そして、ＳＴＥＰ２に戻りレール破断の検知を引き続き行う（ＳＴＥＰ６）。なお、ＳＴＥＰ４において、周波数分析部４により算出されたピーク周波数ｆｐ（ｆｐａ又はｆｐｂ）が予め定める第１許容範囲内のときは、ＳＴＥＰ２に戻りレール破断の検知を引き続き行う（ＳＴＥＰ４；Ｎｏ）。

このように、本実施形態によるレール破断検知装置によれば、レール振動の周波数分析を行ってピーク周波数を算出し、算出したピーク周波数が予め定める第１許容範囲外のときに、レールは破断していると判定し、レール破断を検知することができるので、レール振動によってレール破断を検知することができるため、軌道回路がなくてもレール破断を検知することができ、かつ、どのような箇所のレールの破断でも検知可能なレール破断検知装置を提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態によるレール破断検知装置について説明する。
本発明によるレール破断検知装置の第２実施形態の概略構成を示すブロック図は図１と同じである。但し、判定部５における処理内容は第１実施形態と異なる。本実施形態は、レールの破断の前兆であるヒビ等の損傷を検知可能な構成である。なお、第１実施形態と同一の構成については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態においては、第１許容範囲内にヒビ等の損傷検知用の別の許容範囲（以下において、「第２許容範囲」と言う）を予め設定し、判定部５は、ピーク周波数ｆｐが第２許容範囲外のときは、レールにヒビ等の損傷があると判定可能に構成されている。具体的には、例えば、図６に示すように、中心周波数ｆ０と下限値ｆ１との間に第２許容範囲の下限値を定める別の下限値ｆ１’を設定し、この下限値ｆ１’と中心周波数ｆ０との差ｄｆ’と同じ分だけ、中心周波数ｆ０より高い周波数を第２許容範囲の上限値を定める別の上限値ｆ２’と定め、これら上下限値ｆ１’，ｆ２’により、第２許容範囲を設定する。また、判定部５は、具体的には、例えば、ピーク周波数ｆｐが第２許容範囲外であり、かつ、第１許容範囲内のときは、レールにヒビ等の損傷があると判定可能に構成されている。

次に、本実施形態に係るレール破断検知装置１の検知動作について、図７に示すフロー図及び図２を参照して説明する。なお、図２に示す区間Ｔに列車が進入したものとして以下説明する。また、第１実施形態（図５参照）で説明した動作と同じ部分については、説明を簡略化する。

列車が区間Ｔに進入すると、振動センサ３ａ，３ｂは、レール振動を検知しレール振動のデータを周波数分析部４にそれぞれ出力する。そして、周波数分析部４は、振動センサ３ａ，３ｂからのデータに基づき、各ピーク周波数ｆｐの算出結果をそれぞれのセンサ位置情報と共に判定部５に出力する（ＳＴＥＰ１〜３）。次に、判定部５は、ピーク周波数ｆｐ（ｆｐａ又はｆｐｂ）が第１許容範囲外のとき（ＳＴＥＰ４；Ｙｅｓ）、レールは破断していると判定し、レール破断有りの判定結果をセンサ位置情報と共に送信部６に出力し、これらの情報は送信部６により外部へ送信される。そして、ＳＴＥＰ２に戻りレール破断の検知を継続して行う（ＳＴＥＰ５，６）。なお、判定部５は、ＳＴＥＰ４においてピーク周波数ｆｐ（ｆｐａ又はｆｐｂ）が予め定める第１許容範囲内のとき（ＳＴＥＰ４；Ｎｏ）で、かつ、ピーク周波数が第２許容範囲外のとき（ＳＴＥＰ４’；Ｙｅｓ）は、レールにレール破断の前兆であるヒビ等の損傷が有ると判定し、レールにヒビ等の損傷有りの判定結果を、例えば、センサ位置情報と共に送信部６に出力する（ＳＴＥＰ５’）。なお、ＳＴＥＰ４’において、ピーク周波数ｆｐ（ｆｐａ又はｆｐｂ）が予め定める第２許容範囲内のときは、ＳＴＥＰ２に戻りレール破断の検知を継続して行う（ＳＴＥＰ４’；Ｎｏ）。

このように、本実施形態によるレール破断検知装置によっても、第１実施形態と同様に、軌道回路がなくてもレール破断を検知することができ、また、軌道回路によってレールの破断を検知できない箇所でもレールの破断を検知可能なレール破断検知装置を提供することができる。さらに、本実施形態においては、レール破断の前兆であるヒビ等の損傷を検知することができるため、この検知結果に基づきメンテナンスすることにより、レール破断を未然に防止することができる。

なお、上記全ての実施形態において、振動センサ３ａ，３ｂは、図２に示したように、同一区間の平行したそれぞれのレール２ａ，２ｂに１個ずつ設置するものとして説明したが、これに限らず、各レール２ａ，２ｂに複数個ずつ設置してもよい。これにより、より精度よくレール破断やヒビ等の損傷を検知することができる。また、この場合、同じ区間であっても振動センサの設置場所（例えば、枕木の上部、レールの端部付近等）によって共振周波数が異なる場合は、振動センサ毎に第１及び第２許容範囲を設定するとよい。

また、上記全ての実施形態において、ユニット８は、所定の区間数毎に設けられるものとして説明したが、これに限らず、区間毎や振動センサ毎に設けてもよい。ユニット８を区間毎に設ける場合、電源部７はユニット８に対応して区間毎に設けてもよい。この場合、複数の区間をまたいだ電源配線をする必要がないため、配線コストを抑制することができる。ユニット８をセンサ毎に設ける場合、電源部７はユニット８に対応してセンサ毎に設けてもよい。この場合、振動センサをまたいだ電源配線をする必要がないため、さらに配線コストを抑制することができる。

なお、上記全ての実施形態において、振動センサ３ａ，３ｂは、レール振動により発電する電源部７を兼用する構成としてもよい。これにより、装置の部品数を減らすことができる。また、電源部７と振動センサ３ａ，３ｂ間の電源配線が不要となるため、さらに配線コストを低減することができる。

１レール破断検知装置
２ａ，２ｂレール
３ａ，３ｂ振動センサ
４周波数分析部
５判定部
６送信部
７電源部

Claims

レールの振動を測定する振動センサと、
前記振動センサからの出力に基づいて、レール振動の振動強度がピークを示すピーク周波数を算出する周波数分析部と、
前記周波数分析部により算出された前記ピーク周波数が材質及び敷設方法等によって定まるレールの共振周波数を中心周波数として予め定めた許容範囲外のときに、前記レールは破断していると判定する判定部と、
を備えたことを特徴とするレール破断検知装置。
前記振動センサは、複数設けられ、
前記周波数分析部は、前記ピーク周波数の算出結果を、前記振動センサのセンサ位置情報と共に前記判定部に出力することを特徴とする請求項１に記載のレール破断検知装置。
前記許容範囲内に別の許容範囲を予め設定し、前記判定部は、前記ピーク周波数が前記別の許容範囲外のときは、前記レールにヒビ等の損傷があると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレール破断検知装置。
前記判定部の判定結果を無線により外部に送信する送信部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレール破断検知装置。
前記レール振動により発電して各部へ電源を供給する電源部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレール破断検知装置。
前記振動センサは、前記電源部を兼用することを特徴とする請求項５に記載のレール破断検知装置。