JP6719111B2 - 渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法及びその測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道軌道に用いられるレールの変位を検出する際に渦電流形センサを用いてレールの摩耗を測定する測定技術に係り、特に車両を走行させながらレールに接触することなく、このレールの変位と摩耗を検出することができる渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法及びその測定装置に関する。
毎日数百回と通過する列車等の車両を支える軌道（レール）は、列車の車輪との摩擦によって摩耗が生ずる。レールの摩耗は、列車通過時のレールに印加される重量、列車の種類、運転条件及びレールの保守状態、レール塗油の有無、勾配、降雨・降雪、湿度、気温等の様々な環境要因に起因している。また、レールは列車等の走行により横方向のズレが生じる。即ちレール頭頂面と側面の位置がずれてくる。列車等の走行の安全性を高めるために保線作業を実施する必要が生じる。
このように鉄道軌道のレールは、毎日少しずつ摩耗している。安全の観点から、そのレールの摩耗程度を定期的に数値で管理し効果的に維持、補修することが必要である。レールの摩耗が大きく進行すると、レールを交換する必要がある。
このように鉄道軌道のレールは、毎日少しずつ摩耗している。安全の観点から、そのレールの摩耗程度を定期的に数値で管理し効果的に維持、補修することが必要である。レールの摩耗が大きく進行すると、レールを交換する必要がある。
従来のレールの摩耗量を測定する方法としては、現地に出向きレール摩耗定規などの測定器で人の手によって行う方法がある。摩耗によるレール形状の変化は、千差万別であり、かつ測定対象であるレールは数多く存在することから、検測車などの鉄道車両走行中にレール摩耗を測定する方法が望ましい。例えば鉄道の軌道メンテナンスにおいて、レールの軌間や通り狂いを測定する軌道検測車に降雨や積雪に影響が少ない渦電流形レール変位センサが用いられる。この渦電流形レール変位センサは、非接触でレールの横方向のズレに対応した電圧を出力するセンサである。渦電流形レール変位センサはコイル、同軸ケーブル及び出力電圧回路から構成されている。これまでレールの摩耗による形状変化が渦電流形レール変位センサの出力に影響を及ぼすことも確認されている。
レールのズレ、即ち変位量について車両を走行させながらレールに非接触で検出する方法に関する技術が種々提案されている。例えば特許文献１の特開２０１３−２３８５１６号公報「渦電流式レール左右変位検出方法及び装置」のように、レール長手方向中心線から一定間隔を隔てて左右に設置された１対の検知コイル手段を高周波の共振電流で励磁し、前記１対の検知コイル手段のインピーダンス変化を直流電圧に変換し、その直流電圧をディジタル信号に変換し、変換後のディジタル信号の電圧値に基づいて前記レールと前記１対の検知コイル手段との間の左右変位を検出する渦電流式レール左右変位検出方法が提案されている。
しかし、特許文献１の「渦電流式レール左右変位検出方法及び装置」では鉄道の車輪とレールとの接触部の摩擦から生じるレール頭頂部の摩耗量の大きさにより、レール変位出力が影響することがあり、精度の高い測定ができないという問題を有していた。例えば、鉄道軌道におけるカーブ箇所では、このカーブの外側に位置するレールの内側に、荷重の偏在により摩耗量が大きくなりやすい。
本発明の発明者らは、鉄道の車輪とレールとの接触部の摩擦から生じるレール頭頂部の摩耗量の大きさにより、レール変位出力が影響することに着目した。そこで、レール変位とレールの摩耗を同時に測定すればレール摩耗についてより正確に測定できると考えた。摩耗によるレール形状の変化は千差万別であり、かつ数多く存在する測定対象であるレールについて、その変位と摩耗を迅速に検出できると考えた。
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、レール変位を測定するコイルと摩耗を測定するコイルを併せて用い、その測定結果を演算処理することで、軌道検測車に搭載して走行中にレール変位とレール摩耗を迅速に、かつ正確に測定することができる渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法及びその測定装置を提供することにある。
本発明のレール摩耗測定方法は、コイルに電流を流してレール（Ｒ）に渦電流を発生させ、該レール（Ｒ）の変位と摩耗を測定する渦電流形センサ（１）を用いたレール摩耗測定方法であって、
レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
該レール変位センサ（２）のコイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別する、ことを特徴とする。
レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
該レール変位センサ（２）のコイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別する、ことを特徴とする。
例えば、前記レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）は、前記レール（Ｒ）の長手方向に対してそれぞれ横変位方向に互いに対向配置して測定する。
本発明のレール摩耗検出装置は、レール（Ｒ）の変位と摩耗について、軌道検測車に装備して走行しながら非接触で測定する渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置であって、
前記レール（Ｒ）の変位を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）から成るレール変位センサ（２）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）に隣接する位置に備えられた、前記レール（Ｒ）の摩耗を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル３（Ｃｏ３）から成る摩耗センサ（３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の出力信号と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を演算処理する変換器（２２）と、を備え、
前記変換器（２２）により、前記コイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
前記コイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
前記コイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別するように構成された、ことを特徴とする。
前記レール（Ｒ）の変位を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）から成るレール変位センサ（２）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）に隣接する位置に備えられた、前記レール（Ｒ）の摩耗を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル３（Ｃｏ３）から成る摩耗センサ（３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の出力信号と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を演算処理する変換器（２２）と、を備え、
前記変換器（２２）により、前記コイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
前記コイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
前記コイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別するように構成された、ことを特徴とする。
例えば、前記レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）は、三角形状のコイルであり、
前記摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）は、長方形状のコイルである。
前記摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）は、長方形状のコイルである。
本発明のレール摩耗測定方法では、レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）、摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）の各コイルに高周波電流を供給し、レール（Ｒ）の表面に渦電流を発生させる。渦電流により、それぞれのコイル（Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３）のインピーダンスが変化するので、その変化に対応した直流電圧信号が出力される。レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の二個のコイルがレール（Ｒ）の長手方向に対して横変位方向に互いに対向して配置されているため、コイル１（Ｃｏ１）又はコイル２（Ｃｏ２）の一方がレール（Ｒ）に近づく方向に動くと、他方のコイル（Ｃｏ１又はＣｏ２）は遠ざかる方向に動く。そのためコイル１（Ｃｏ１）の出力信号とコイル２（Ｃｏ２）の出力信号は、レール（Ｒ）の中心（ＲＣ）を対称軸として特性的に逆の変化をする。
これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レール（Ｒ）とコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）間の高さ補正・リニアライズ）することにより、レール（Ｒ）の中心（ＲＣ）に対するコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の横変位（×）に対してリニアな出力信号として取り出すことによりレール（Ｒ）の変位（ズレ）を検出することができる。
これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レール（Ｒ）とコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）間の高さ補正・リニアライズ）することにより、レール（Ｒ）の中心（ＲＣ）に対するコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の横変位（×）に対してリニアな出力信号として取り出すことによりレール（Ｒ）の変位（ズレ）を検出することができる。
一方、摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）が、レール（Ｒ）とこの摩耗センサ（３）（コイル３（Ｃｏ３））との間隔を測定し、間隔が広い（長い）ときは、コイル３（Ｃｏ３）の出力信号が変化し、その部分は摩耗されたことを意味する。これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レール（Ｒ）と摩耗センサ（３）間の高さ補正・リニアライズ）することにより、レール（Ｒ）の摩耗量としてリニアな出力信号として取り出す。これによりレール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）を検出することができる。
更に、レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）に関する電圧ＶＴと、摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）に関する電圧ＶＲの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ（αは定数））をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得る。この摩耗検出電圧ＶＬａからレール（Ｒ）の摩耗の有無を判別することができる。
更に、レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）に関する電圧ＶＴと、摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）に関する電圧ＶＲの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ（αは定数））をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得る。この摩耗検出電圧ＶＬａからレール（Ｒ）の摩耗の有無を判別することができる。
本発明のレール摩耗検出装置では、渦電流形センサ（１）はレール変位センサ（２）と摩耗センサ（３）とを備えているので、このレール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）でレール変位を測定し、摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）で摩耗を測定する。それぞれのコイルで出力された出力信号を変換器（２２）で演算処理することにより、レール（Ｒ）の変位と摩耗量を検出することができる。従来のように、現地に出向きレール摩耗定規などの測定器で人の手によって行なう煩雑な作業を省くことができる。
本発明のレール摩耗検出装置は、軌道検測車に搭載することにより走行中にレール変位とレール摩耗を併せて測定することができる。
本発明のレール摩耗検出装置は、軌道検測車に搭載することにより走行中にレール変位とレール摩耗を併せて測定することができる。
本発明は、コイルに電流を流してレールに渦電流を発生させ、インピーダンス変化を出力電圧として出力させることにより、レールの変位と摩耗を測定する渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法とその測定装置である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜レール摩耗測定方法の構成＞
図１は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略正面図である。図２は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略平面図である。図３は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略側面図である。図４はレール変位センサのコイル１及びコイル２により摩耗有りのレールを測定する状態を示す説明図であり、（ａ）はコイル１で測定する状態、（ｂ）はコイル２で測定する状態である。
本発明の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法には、レール変位センサ２と摩耗センサ３とから成る渦電流形センサ１を用いる。レール変位センサ２によるレール変位を測定するコイルの他に、摩耗を測定する摩耗センサ３のコイルを併せて用い、その測定結果を演算処理してレール変位とレール摩耗を迅速にかつ正確に測定する方法である。この渦電流形センサ１は軌道検測車に搭載して走行しながらレール変位とレール摩耗を測定する。
＜レール摩耗測定方法の構成＞
図１は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略正面図である。図２は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略平面図である。図３は実施例１の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法を説明するレールの概略側面図である。図４はレール変位センサのコイル１及びコイル２により摩耗有りのレールを測定する状態を示す説明図であり、（ａ）はコイル１で測定する状態、（ｂ）はコイル２で測定する状態である。
本発明の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法には、レール変位センサ２と摩耗センサ３とから成る渦電流形センサ１を用いる。レール変位センサ２によるレール変位を測定するコイルの他に、摩耗を測定する摩耗センサ３のコイルを併せて用い、その測定結果を演算処理してレール変位とレール摩耗を迅速にかつ正確に測定する方法である。この渦電流形センサ１は軌道検測車に搭載して走行しながらレール変位とレール摩耗を測定する。
本発明のレール摩耗測定方法では、レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）、摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）の各コイルに高周波電流を供給し、レールＲの表面に渦電流を発生させる。レールＲの変位ｘ及びリフトオフｚに依拠して変化するインピーダンス変化を出力電圧Ｖｏとして出力させ、この出力電圧Ｖｏを測定する。このとき図１に示すように、レール変位を測定する際に、レール変位ｘ＝０ｍｍはコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）のインピーダンスが一致する値として調整する。リフトオフｚ＝２５ｍｍを基準とする。なお、これらの数値に限定されないことは勿論である。
これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レールＲとレール変位センサ２間の高さ補正・リニアライズ）する。
これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レールＲとレール変位センサ２間の高さ補正・リニアライズ）する。
図２の平面図に示すように、レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）は、レールＲの長手方向に対して横変位方向に互いに対向して配置されている。コイル１（Ｃｏ１）又はコイル２（Ｃｏ２）の一方がレールＲに近づく方向に動くと、他方のコイル（Ｃｏ１又はＣｏ２）は遠ざかる方向に動く。そのためコイル１（Ｃｏ１）の出力信号とコイル２（Ｃｏ２）の出力信号は、レールＲの中心ＲＣを対称軸として特性的に逆の変化をする。そこで、コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）からなるレール変位センサ２によりレールＲの変位ｘを測定することができる。
本発明のレール摩耗測定方法では、更に摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）を用いて、レールＲの摩耗量Ｌａに依拠して変化するインピーダンス変化を出力電圧Ｖｏとして出力させ、この出力電圧Ｖｏを測定する。摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）が、レールＲとこの摩耗センサ３（コイル３（Ｃｏ３））との間隔を測定し、間隔が広い（長い）ときは、コイル３（Ｃｏ３）の出力信号が変化し、その部分は摩耗されたことを意味する。これらの出力された信号を増幅して出力信号として取り出す。この信号を演算処理（レールＲと摩耗センサ３間の高さ補正・リニアライズ）することにより、レールＲの摩耗量としてリニアな出力信号として取り出す。これによりレールＲの摩耗量Ｌａを検出することができる。
なお、図示例では１個の摩耗センサ３に構成したコイル３（Ｃｏ３）は、この１個に限定されない。レール変位センサ２を挟むように２個配置することも可能である。測定精度を高めるために３個以上配置することも可能である。
なお、図示例では１個の摩耗センサ３に構成したコイル３（Ｃｏ３）は、この１個に限定されない。レール変位センサ２を挟むように２個配置することも可能である。測定精度を高めるために３個以上配置することも可能である。
特に本発明ではレール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）に関する直線化電圧ＶＴと、摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）に関する反転電圧ＶＲの差分をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得る。この摩耗検出電圧ＶＬａからレールＲの摩耗の有無を判別することができる。
＜レール変位センサの出力回路の構成＞
図５はレール変位センサを構成するコイル１の出力回路の一例を示す回路図である。
レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）は、例えば図５に示すような構成のものを用いる。センサ部にコイル１（Ｃｏ１）が組み込まれ、同軸ケーブル１１、整流回路で構成される。コイル１（Ｃｏ１）はインダクタンスＬｓ及び、抵抗Ｒｓの直列回路である。同軸ケーブル１１は、インダクタンスＬｃａ（Ｈ）、及び、抵抗Ｒｃａ（Ω）、及び静電容量Ｃｃａ（Ｆ）からなる系とする。レール変位センサ２には、発振器から励磁角周波数ω（rad/s）の高周波励磁電圧Ｖｉ（Ｖ）、電流Ｉｃ（Ａ）がある付加インピーダンスＺａ（＝１／（ωＣ１））（Ω）を通して供給される。
図５はレール変位センサを構成するコイル１の出力回路の一例を示す回路図である。
レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）は、例えば図５に示すような構成のものを用いる。センサ部にコイル１（Ｃｏ１）が組み込まれ、同軸ケーブル１１、整流回路で構成される。コイル１（Ｃｏ１）はインダクタンスＬｓ及び、抵抗Ｒｓの直列回路である。同軸ケーブル１１は、インダクタンスＬｃａ（Ｈ）、及び、抵抗Ｒｃａ（Ω）、及び静電容量Ｃｃａ（Ｆ）からなる系とする。レール変位センサ２には、発振器から励磁角周波数ω（rad/s）の高周波励磁電圧Ｖｉ（Ｖ）、電流Ｉｃ（Ａ）がある付加インピーダンスＺａ（＝１／（ωＣ１））（Ω）を通して供給される。
レール変位センサ２は、レールＲとの距離(ギャップ)に比例した電圧を出力し、直流(静止した状態の距離)から高い周波数まで応答するため、非接触で変位・振動を測定する。レールＲの表面に渦電流を発生させることで測定が可能となるため、レールＲのような良導体である金属に限られる。また、その原理よりレールＲの固有抵抗と透磁率の違い、つまり材質の違いにより特性が変わる。原理的に電流の流れない絶縁物は感知しないので、油や水がかかっても影響を受けないで測定が可能である。
これ以外のコイル２（Ｃｏ２）又は摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）も同様な構成である。
これ以外のコイル２（Ｃｏ２）又は摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）も同様な構成である。
＜摩耗検出方法のフローチャート＞
図６は本発明の摩耗検出方法を示すフローチャートである。
図６に示す摩耗検出方法のフローチャートでは変位ｘ、リフトオフｚ及び摩耗量Ｌａに依存するコイルの抵抗をＲｓ，インダクタンスをＬｓとしている。電源からはＥＥ１０Ｖｐｐの電圧を印加した。また、コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の三角形状のコイルの励振周波数はｆ＝４５０ｋＨｚ、コイル３（Ｃｏ３）の長方形状のコイルはｆ＝６００ｋＨｚとした。レール変位センサ２の出力電圧ＶoはコンデンサＣ４の電圧を測定した値である。
図６は本発明の摩耗検出方法を示すフローチャートである。
図６に示す摩耗検出方法のフローチャートでは変位ｘ、リフトオフｚ及び摩耗量Ｌａに依存するコイルの抵抗をＲｓ，インダクタンスをＬｓとしている。電源からはＥＥ１０Ｖｐｐの電圧を印加した。また、コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の三角形状のコイルの励振周波数はｆ＝４５０ｋＨｚ、コイル３（Ｃｏ３）の長方形状のコイルはｆ＝６００ｋＨｚとした。レール変位センサ２の出力電圧ＶoはコンデンサＣ４の電圧を測定した値である。
コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）に電流を流して磁束を生じさせてレールＲに渦電流を発生させ、この渦電流による磁束により各コイル（Ｃｏ１，Ｃｏ２）のインピーダンスが変化し、コイル（Ｃｏ１，Ｃｏ２）のインピーダンスは、測定するレールＲの変位ｘ，リフトオフｚ及び摩耗量Ｌａに依存して変化するので、このインピーダンス変化を出力電圧Ｖｏとして出力させ、レールＲを測定することができる。
図６に示すように、レール変位センサ２（コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２））について出力電圧（Ｖo）を測定する。次に、この測定結果について変位補正Ｖo’を行い、直線化電圧ＶＴを得る。
一方、摩耗センサ３（コイル３（Ｃｏ３））について出力電圧（Ｖo）Ｖo’を測定する。次に、この測定結果について変位補正Ｖo’を行い、直線化電圧ＶＴと反転電圧ＶＲを得る。
図６に示すように、レール変位センサ２（コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２））について出力電圧（Ｖo）を測定する。次に、この測定結果について変位補正Ｖo’を行い、直線化電圧ＶＴを得る。
一方、摩耗センサ３（コイル３（Ｃｏ３））について出力電圧（Ｖo）Ｖo’を測定する。次に、この測定結果について変位補正Ｖo’を行い、直線化電圧ＶＴと反転電圧ＶＲを得る。
その後，レール変位センサ２（コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２））に関する直線化電圧ＶＴと摩耗センサ３（コイル３（Ｃｏ３））に関する電圧ＶＲの差分をとることで摩耗検出電圧ＶＬａを得る。この摩耗検出電圧ＶＬａから摩耗量Ｌａを検出し、摩耗の有無を判別することができる。なお、図６における「α」は後述するように任意の定数（＝１９．５）である。
＜レール変位センサによる出力電圧特性について＞
図７は本発明のレール変位センサで測定したレールの出力電圧特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しのレールの場合、（ｂ）は摩耗有りのレールの場合である。
図７（ａ）に、本発明のレール変位センサ２の三角形状のコイル（コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２））を用いた場合の摩耗無しのレールＲに対向したレール変位センサ２の出力電圧特性を示す。
コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力電圧Ｖoは変位ｘ＝０ｍｍにおいて１％以下で一致した。なお、出力電圧Ｖｏはレール変位ｘ＝−３０−３０ｍｍ、リフトオフz＝２２−２８ｍｍの範囲で測定した。
図７は本発明のレール変位センサで測定したレールの出力電圧特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しのレールの場合、（ｂ）は摩耗有りのレールの場合である。
図７（ａ）に、本発明のレール変位センサ２の三角形状のコイル（コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２））を用いた場合の摩耗無しのレールＲに対向したレール変位センサ２の出力電圧特性を示す。
コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力電圧Ｖoは変位ｘ＝０ｍｍにおいて１％以下で一致した。なお、出力電圧Ｖｏはレール変位ｘ＝−３０−３０ｍｍ、リフトオフz＝２２−２８ｍｍの範囲で測定した。
図７（ｂ）に、本発明のレール変位センサ２の三角形状のコイル（コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２））を用いた場合の摩耗有りのレールＲに対向したレール変位センサ２の出力電圧特性を示す。摩耗無しのレールＲと比較すると、コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の電圧一致点がｘ方向に２．７ｍｍ変位したことを示している。
図８はコイル１とコイル２の出力電圧と変位ｘの特性を示すグラフである。
出力電圧Ｖｏ（コイル１）＋Ｖo(コイル２)は変位ｘに対して三角関数的な変化を示した。図７に対して、三角関数を含んだ数１と数２の数式を用いて変位補正をした。
ここに、Ｖｏ（コイル１）：コイル１の出力電圧実測値（Ｖ）、
Ｖｏ（コイル２）：コイル２の出力電圧実測値（Ｖ）、
ｘ：変位（ｍｍ）、
ｃ，ｄ，ｅ：任意の定数を示す。
なお，定数ｃ，ｄ，ｅについては表１の値を用いた。
出力電圧Ｖｏ（コイル１）＋Ｖo(コイル２)は変位ｘに対して三角関数的な変化を示した。図７に対して、三角関数を含んだ数１と数２の数式を用いて変位補正をした。
ここに、Ｖｏ（コイル１）：コイル１の出力電圧実測値（Ｖ）、
Ｖｏ（コイル２）：コイル２の出力電圧実測値（Ｖ）、
ｘ：変位（ｍｍ）、
ｃ，ｄ，ｅ：任意の定数を示す。
なお，定数ｃ，ｄ，ｅについては表１の値を用いた。
図９はレール変位センサのコイル１とコイル２を用いた場合の変位補正した出力電圧Ｖo’−リフトオフｚ特性を示すグラフである。図１０は摩耗無しのレールに対向した場合の変位補正した出力電圧特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しのレールの近似線、（ｂ）はレール変位センサによる直線化電圧ＶＴ−リフトオフｚ特性である。
図１０（ａ）に示すように、リフトオフz−変位補正した出力電圧Ｖo’特性に対して２次関数近似し、直線化電圧ＶＴを求めると数３の数式のようになった。
図１０（ａ）に示すように、リフトオフz−変位補正した出力電圧Ｖo’特性に対して２次関数近似し、直線化電圧ＶＴを求めると数３の数式のようになった。
＜摩耗センサによる出力電圧特性について＞
図１１は摩耗センサのコイル３で測定したレールの出力電圧特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しのレールの場合、（ｂ）は摩耗有りのレールの場合である。
図１１（ａ）に、摩耗センサ３の長方形状のコイルを用いた場合の摩耗無しレールＲに対向した摩耗センサ３の出力電圧特性を示す。なお，出力電圧はレール変位ｘ＝−３０−３０ｍｍ，リフトオフｚ＝２２−２８ｍｍの範囲で測定した。
図１１（ｂ）に、長方形状のコイルを用いた場合の摩耗有りレールに対向した摩耗センサ３の出力電圧特性を示した。長方形状のコイルを用いた摩耗センサ３の出力電圧の変位補正式は数４の数式のようになる。なお，定数ｃ，ｄ，ｅについては表１の値を用いた。
図１１は摩耗センサのコイル３で測定したレールの出力電圧特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しのレールの場合、（ｂ）は摩耗有りのレールの場合である。
図１１（ａ）に、摩耗センサ３の長方形状のコイルを用いた場合の摩耗無しレールＲに対向した摩耗センサ３の出力電圧特性を示す。なお，出力電圧はレール変位ｘ＝−３０−３０ｍｍ，リフトオフｚ＝２２−２８ｍｍの範囲で測定した。
図１１（ｂ）に、長方形状のコイルを用いた場合の摩耗有りレールに対向した摩耗センサ３の出力電圧特性を示した。長方形状のコイルを用いた摩耗センサ３の出力電圧の変位補正式は数４の数式のようになる。なお，定数ｃ，ｄ，ｅについては表１の値を用いた。
図１２は摩耗センサ３の長方形状のコイル３を用いた場合のレール摩耗センサの変位補正した出力電圧Ｖo’−リフトオフｚ特性を示すグラフである。図１３はｘ＝０ｍｍにおける変位補正後出力電圧Ｖo’−リフトオフｚ特性を示すグラフであり、（ａ）は摩耗無しレールの近似線を示し、（ｂ）は反転電圧ＶＲ−リフトオフｚ特性を示す。
図１３（ａ）に示すように，変位補正後出力電圧Ｖo’−リフトオフz特性に対して２次関数近似すると、数５の数式のようになる。同式を用いて変位補正後出力電圧Ｖo’の反転電圧ＶＲを求めた。
図１３（ａ）に示すように，変位補正後出力電圧Ｖo’−リフトオフz特性に対して２次関数近似すると、数５の数式のようになる。同式を用いて変位補正後出力電圧Ｖo’の反転電圧ＶＲを求めた。
図１３（ｂ）に反転電圧ＶＲ−リフトオフｚ特性を示した。
Ｖo’−ｚ特性の傾きが反転したことが示されている。
Ｖo’−ｚ特性の傾きが反転したことが示されている。
＜摩耗センサを用いた摩耗量検出方法について＞
図１４は摩耗量Ｌａに依存する摩耗検出電圧ＶＬａ−摩耗量Ｌa特性を示すグラフである。
摩耗検出電圧ＶＬａは数６の数式を用いて計算した。摩耗有りレールにおいて、リフトオフz及び変位xに依存するばらつきが大きく、最大２９．９％のばらつきがあった。これは、変位補正時に生じたばらつきが原因であると考えられる。摩耗無しにおける出力電圧と摩耗有りにおける出力電圧との差は３．８Ｖあり、摩耗の有無の判定は可能であると考えられる。
図１４は摩耗量Ｌａに依存する摩耗検出電圧ＶＬａ−摩耗量Ｌa特性を示すグラフである。
摩耗検出電圧ＶＬａは数６の数式を用いて計算した。摩耗有りレールにおいて、リフトオフz及び変位xに依存するばらつきが大きく、最大２９．９％のばらつきがあった。これは、変位補正時に生じたばらつきが原因であると考えられる。摩耗無しにおける出力電圧と摩耗有りにおける出力電圧との差は３．８Ｖあり、摩耗の有無の判定は可能であると考えられる。
＜摩耗センサの出力電圧特性について＞
レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）を用いて出力電圧を測定した場合、コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力電圧の和は三角関数的に変化した。三角関数を含んだ変位補正式によってコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）を用いた変位補正電圧が得られた。
摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）を用いて出力電圧を測定した場合，その特性は三角関数的に変化した。三角関数を含んだ変位補正式によって，コイル３（Ｃｏ３）を用いた変位補正電圧が得られた。
レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）を用いて出力電圧を測定した場合、コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力電圧の和は三角関数的に変化した。三角関数を含んだ変位補正式によってコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）を用いた変位補正電圧が得られた。
摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）を用いて出力電圧を測定した場合，その特性は三角関数的に変化した。三角関数を含んだ変位補正式によって，コイル３（Ｃｏ３）を用いた変位補正電圧が得られた。
レール変位センサ２のコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）を用いた直線化電圧と摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）を用いた反転電圧との差分を計算した。その差分は３．８Ｖ、ばらつきは最大で２９．９％となった。即ち軌道検測車でのレール摩耗の測定を可能にした。
＜摩耗検出電圧と摩耗量との関係＞
図１５は摩耗検出電圧ＶＬａと摩耗量Ｌａ特性を示すグラフである。
摩耗検出電圧と摩耗量との関係は、図１５に示すように、摩耗量Ｌａの増大に応じて摩耗検出電圧ＶＬａが比例して増大した。なお，リフトオフｚを２５ｍｍで測定した。
図１５は摩耗検出電圧ＶＬａと摩耗量Ｌａ特性を示すグラフである。
摩耗検出電圧と摩耗量との関係は、図１５に示すように、摩耗量Ｌａの増大に応じて摩耗検出電圧ＶＬａが比例して増大した。なお，リフトオフｚを２５ｍｍで測定した。
＜レール摩耗検出装置の構成＞
図１６は渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置の概略構成図である。
実施例２はレール摩耗測定方法によるレール摩耗検出装置である。レール摩耗測定方法を用いてレールＲの変位と摩耗について、軌道検測車に装備して走行しながら非接触で測定することで、迅速かつ正確に測定と検出が可能になる。そこで、実施例２では、上述したような機能を有するレール変位センサ２と摩耗センサ３から成る渦電流形センサ１を筐体２１に収納し、これを２個１組で軌道検測車の底面からレールＲに対向するように取り付ける。このときレール変位センサ２と摩耗センサ３はレールＲに向ける。非接触で測定するためである。この渦電流形センサ１は同軸ケーブル１１で軌道検測車内にある変換器２２と接続する。
図１６は渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置の概略構成図である。
実施例２はレール摩耗測定方法によるレール摩耗検出装置である。レール摩耗測定方法を用いてレールＲの変位と摩耗について、軌道検測車に装備して走行しながら非接触で測定することで、迅速かつ正確に測定と検出が可能になる。そこで、実施例２では、上述したような機能を有するレール変位センサ２と摩耗センサ３から成る渦電流形センサ１を筐体２１に収納し、これを２個１組で軌道検測車の底面からレールＲに対向するように取り付ける。このときレール変位センサ２と摩耗センサ３はレールＲに向ける。非接触で測定するためである。この渦電流形センサ１は同軸ケーブル１１で軌道検測車内にある変換器２２と接続する。
このレール摩耗検出装置では、渦電流形センサ１を軌道検測車に搭載して使用する。レール変位センサ２の（コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２））と摩耗センサ３のコイル３（Ｃｏ３）はレールＲに高周波電流を流して、高周波磁界を発生させて測定する。各コイル１（Ｃｏ１）、コイル２（Ｃｏ２）、コイル３（Ｃｏ３）には、その出力信号を増幅する増幅器２３を備えている。
実施例１の測定方法で説明したような各処理を用いて、変換器２２では、コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の出力信号と、コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を演算処理する。変換器２２では、コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）に関する電圧ＶＴと、コイル３（Ｃｏ３）に関する電圧ＶＲの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ（αは定数））をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得る。この摩耗検出電圧ＶＬａからレールＲの摩耗の有無を判別する。
なお、本発明は、レール変位を測定するレール変位センサ２（コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２））と摩耗を測定する摩耗センサ３（コイル３（Ｃｏ３））を併せて用い、その測定結果を演算処理することで、軌道検測車に搭載して走行中にレール変位とレール摩耗を迅速かつ正確に検出することができれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
本発明は、列車等のレールの変位と摩耗の検出に限定されず、その他のレール又は金属製の長尺部材に生じる変位と摩耗について測定・検出に利用することができる。
１ 渦電流形センサ
２ レール変位センサ
３ 摩耗センサ
２１ 筐体
２２ 変換器
２３ 増幅器
Ｃｏ１ コイル１
Ｃｏ２ コイル２
Ｃｏ３ コイル３
Ｒ レール
ｘ レールの変位
ｚ レールのリフトオフ
Ｌａ レールの摩耗量
２ レール変位センサ
３ 摩耗センサ
２１ 筐体
２２ 変換器
２３ 増幅器
Ｃｏ１ コイル１
Ｃｏ２ コイル２
Ｃｏ３ コイル３
Ｒ レール
ｘ レールの変位
ｚ レールのリフトオフ
Ｌａ レールの摩耗量
Claims (4)
- コイルに電流を流してレール（Ｒ）に渦電流を発生させ、該レール（Ｒ）の変位と摩耗を測定する渦電流形センサ（１）を用いたレール摩耗測定方法であって、
レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
該レール変位センサ（２）のコイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別する、ことを特徴とする渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法。
- 前記レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）は、前記レール（Ｒ）の長手方向に対してそれぞれ横変位方向に互いに対向配置して測定する、ことを特徴とする請求項１に記載の渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法。
- レール（Ｒ）の変位と摩耗について、軌道検測車に装備して走行しながら非接触で測定する渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置であって、
前記レール（Ｒ）の変位を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）から成るレール変位センサ（２）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）に隣接する位置に備えられた、前記レール（Ｒ）の摩耗を測定するための、該レール（Ｒ）に高周波電流を流して、高周波磁界を発生させるコイル３（Ｃｏ３）から成る摩耗センサ（３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を増幅する増幅器（２３）と、
前記コイル１（Ｃｏ１）及びコイル２（Ｃｏ２）の出力信号と、前記コイル３（Ｃｏ３）の出力信号を演算処理する変換器（２２）と、を備え、
前記変換器（２２）により、前記コイル１（Ｃｏ１）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）と、
前記コイル２（Ｃｏ２）を用いてレール（Ｒ）の変位（ｘ）及びリフトオフ（ｚ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）と、を加算した電圧Ｖ１２＝Ｖｏ（Ｃｏｉｌ１）＋Ｖｏ（Ｃｏｉｌ２）を、数１、数２と数３の数式を用いて変位補正及び直線化して直線化電圧ＶＴを求め、
前記コイル３（Ｃｏ３）を用いて、前記レール（Ｒ）の摩耗量（Ｌａ）に依拠して変化するインピーダンス変化を出力させた出力電圧Ｖｏ（Ｃｏｉｌ３）を、数４の数式を用いて変位補正及び直線化し、数５の数式を用いて反転電圧ＶＲを求め、
前記直線化電圧ＶＴと、前記反転電圧ＶＲに定数αを掛け算したものとの差分（電圧ＶＴ−α＊電圧ＶＲ）をとり摩耗検出電圧ＶＬａを得て、この摩耗検出電圧ＶＬａから前記レール（Ｒ）の摩耗の有無を判別するように構成された、ことを特徴とする渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置。
- 前記レール変位センサ（２）のコイル１（Ｃｏ１）とコイル２（Ｃｏ２）は、三角形状のコイルであり、
前記摩耗センサ（３）のコイル３（Ｃｏ３）は、長方形状のコイルである、ことを特徴とする請求項３に記載の渦電流形センサを用いたレール摩耗検出装置。
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| JP2016076409A JP6719111B2 (ja) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | 渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法及びその測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2016076409A JP6719111B2 (ja) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | 渦電流形センサを用いたレール摩耗測定方法及びその測定装置 |
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| JP2017187384A JP2017187384A (ja) | 2017-10-12 |
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- 2016-04-06 JP JP2016076409A patent/JP6719111B2/ja active Active
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