JP6768486B2 - レール検査システム - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、鉄道レールの欠陥を正確に検出できるレール検査システムを提供することを目的とする。
〈第1実施形態の外観構成〉
図1は、本発明の第1実施形態によるレール検査システム1の模式図である。
図1においてレール検査システム1は、検出装置2と、処理装置3と、両者を接続するケーブル60とを有している。レール検査システム1は、例えば自走式の検測車両200に装着されるものであり、検出装置2は、検査対象物である鉄道レール100に対向する位置に設置され、処理装置3は、検測車両200の室内に設置される。
図2において検出装置2は、中空の直方体状に形成された筐体20と、筐体20の上面に固定された矩形板状のフランジ25とを有する。フランジ25の四隅には貫通孔25aが形成されている。また、検測車両200において検出装置2を配置する箇所には、貫通孔25aに対向する位置にネジ穴(図示せず)を備える。貫通孔25aにボルトを挿入し、ネジ穴に当該ボルトを締め付けることで、検出装置2が検測車両200の所定位置に固定される。検出装置2をこの所定位置に固定すると、鉄道レール100の中心と、検出装置2の中心とが一致する。そのため、フランジ25は鉄道レール100に対する検出装置2を所定位置に設置するための冶具となっている。筐体20の底面には、センサ部群21と増幅・フィルタ部群22とが固定されている。
図3において、センサ部群21は、鉄道レール100の幅方向に列をなすように複数配列されたN個(Nは複数)のセンサ部21−1〜21−Nを有している。また、増幅・フィルタ部群22は、同数の増幅・フィルタ部22−1〜22−Nを有している。センサ部21−1〜21−Nは、それぞれ、発振コイル5A−1〜5A−N(第1の発振コイル)と、発振コイル5B−1〜5B−N(第2の発振コイル)と、受信コイル6−1〜6−Nと、を有している。これらのコイルは、被服銅線を巻回して構成されている。
検出装置2に上述した交流磁界を発生させるため、筐体20は非磁性体とすることが好ましく、屋外使用を考慮してガラスエポキシ等の耐衝撃性および耐環境性に優れた材質を用いることが好ましい。筐体20内の内部空間は、振動や衝撃による各センサ部の位置が変わることを防ぐために、樹脂モールド構造にすることが好ましい。また、N個のセンサ部21−1〜21−Nの中心線CLは、検出装置2の中心に対応させることが好ましい。
図4(a),(b)は、本実施形態における欠陥検出の原理説明図である。
発振コイル5A−k,5B−kは、被覆銅線の巻き始め同士もしくは巻き終り同士が直列(または並列)に接続されており、処理装置3から電流が供給されると、位相が反転した交流磁界を発生させる。より具体的には、発振コイル5A−k,5B−kを直列(または並列)に接続し、この直列回路(または並列回路)に交流電圧を印加するとよい。発振コイル5A−k,5B−kによって生じる磁束ΦA,ΦBは、空気を介して、鉄道レール100の踏面に伝播され、鉄道レール100の内部に磁束の流れを生じさせる。
磁束ΦA,ΦBのうち受信コイル6−kに鎖交する成分は、磁束の向きが逆向きであるため、相互に打ち消しあう。従って、受信コイル6−kの鎖交磁束はほぼ零になり、受信コイル6の誘起電圧もほぼ零になる。ここで、検測車両200(図1参照)が走行すると、検査装置2は移動しながら鉄道レール100に磁束の流れを発生させる。そして、欠陥が無い箇所では当該磁束の流れが一定であるため、受信コイル6の誘起電圧はほぼ一定値(0)になる。
磁荷量mは、一様磁化を受ける強磁性体中に存在する回転楕円体の内部磁場に対する古典電磁気学的解を用いて、下式(3)で近似される。
図5は、本実施形態によるレール検査システム1の全体構成を示すブロック図である。
上述したように、レール検査システム1は、検出装置2と、処理装置3とを有する。そして、検出装置2は、センサ部群21センサ部21−1〜21−Nと、増幅・フィルタ部22−1〜22−Nとを有し、各センサ部21−k(但し、1≦k≦N)は、発振コイル5A−k,5B−kと、受信コイル6−kとを有する。
また、処理装置3は、増幅部31−1〜31−Nと、デジタルアナログ変換部32と、発振部33と、検波部34−1〜34−Nと、アナログデジタル変換部35と、メモリ部36と、評価装置4とを備えている。なお、検波部34−1〜34−Nを総称して検波部群34と呼ぶ。
評価装置4は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、HDDには、OS(Operating System)、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。OSおよびアプリケーションプログラムは、RAMに展開され、CPUによって実行される。図5において、評価装置4の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。
評価装置4は、検出装置2、検波部34−1〜34−N、アナログデジタル変換部35またはメモリ部36から受信した検査データに基づいて鉄道レール100の欠陥を特定する検査処理プログラムを実行する。なお、本実施形態において、「検査データ」とは、検出装置2の受信コイル6から評価装置4に至るまでの全ての段階でのデータが該当するものとする。
増幅・フィルタ部22−kからの受信信号SSは、位相比較器74,76に供給される。また、発振部33(図5参照)から供給された参照信号SR1は、遅延回路72によって、発振周波数fの90°の位相に相当する時間だけ遅延される。遅延された参照信号SR1を参照信号SR2と呼ぶ。参照信号SR1は位相比較器76に供給され、参照信号SR2は位相比較器74に供給される。位相比較器76は、受信信号SSにおいて参照信号SR1に同期する成分を抽出する。抽出された信号は、LPF(ローパスフィルタ)80によってフィルタ処理され、LPF80は、その結果を余弦信号X(第1の検査信号,表示対象信号)として出力する。
図7は、評価装置4のデータ処理部43によって実行される検査処理プログラムのフローチャートである。
図7において処理がステップS2に進むと、データ処理部43は、検査データを記憶部47から取得する。次に、処理がステップS4に進むと、データ処理部43は、検測車両200(図1参照)の位置履歴情報と、検査データとの対応付けを行う。検測車両200は位置測定機能を有しており、軌道上の位置が、時刻とともに逐次記録される。また、検査データは、データ測定時刻と対応付けて記憶部47に記憶されている。従って、ステップS4では、これらのデータによって、検査データと、軌道上における位置とが対応付けられる。
図8(a)は、鉄道レール100に形成された欠陥部102の具体例を示す平面図である。図示の例において、欠陥部102は、鉄道レール100を横切る方向に形成された溝状の欠陥であるとする。
図8(b)は、欠陥部102の近傍における余弦信号X、振幅信号R、位相差信号θの波形図の例である。なお、正弦信号Yについては図示を省略するが、正弦信号Yは余弦信号Xと同様の形状の波形になる(但し、一般的には両者の振幅は異なる)。
以上のように、本実施形態は、センサ部群(21)が鉄道レール(100)の敷設方向に移動する際、受信コイルの各々から出力される出力信号に対して、出力信号の第1の位相(0°)に対応する第1の検査信号(X)と、出力信号の第2の位相(90°)に対応する第2の検査信号(Y)と、を検出する複数の検波部(34−1〜34−N)を有する検波部群(34)を設けたので、鉄道レールの欠陥を正確に検出できる。
〈第2実施形態の構成〉
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図1〜図8の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の構成を説明する前に、上述した第1実施形態について再び検討する。図4(a)において説明したように、鉄道レール100に亀裂等の欠陥が無い場合、磁束ΦA,ΦBのうち受信コイル6−kに鎖交する成分は相互に打ち消しあい、鎖交磁束は理想的には零になる。
(メインルーチン)
次に、本実施形態の動作を説明する。図10は、図9に示した評価装置4(より詳細には、図5に示すデータ処理部43)にて実行されるメインルーチンのフローチャートである。
図10において処理がステップS20に進むと、評価装置4は所定の初期設定を行う。次に、処理がステップS22に進むと、評価装置4は、メモリ部36との間で通信を開始させる。次に、処理がステップS24に進むと、評価装置4は、記憶部47から、装置設定データを読み取る。この装置設定データには、上述した修正信号の振幅および位相等のデータが含まれる。
図11〜図13は、上述したステップS30にて実行される修正パラメータ計測サブルーチンのフローチャートである。
この処理を実行させる場合には、図1に示す鉄道レール100として、欠陥が無い(新品に近い)ものを準備し、検出装置2に対向させておく。図11〜図13に示す修正パラメータ計測サブルーチンは、修正信号発生部50−1〜50−Nの各々に対して順次実行される。但し、図11〜図13においては、一つの修正信号発生部50−k(但し、1≦k≦N)に対する修正パラメータを計測する処理内容を示す。すなわち、図11〜図13に示す処理は、N回繰り返されることにより、修正信号発生部50−1〜50−Nの全てに対して、修正パラメータが計測される。
以上のように、本実施形態は、発振信号と同一の周波数を有し、発振信号とは振幅および位相が異なる修正信号を複数の受信コイル(6−1〜6−N)にそれぞれ対応して出力する複数の修正信号発生部(50−1〜50−N)と、複数のセンサ部(21−1〜21−N)の出力信号から対応する修正信号を各々減算し、各々の減算結果を対応する検波部(34−1〜34−N)に供給する減算部(52−1〜52−N)と、をさらに有する。
これにより、発振コイル5A−k,5B−k(図4参照)の加工精度が低い場合であっても、雑音信号を電気的にキャンセルすることができ、鉄道レール100の欠陥を精密に検出することができる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図1〜図13の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図14は、本発明の第3実施形態によるレール検査システム1bの全体構成を示すブロック図である。本実施形態のレール検査システム1bの外観構成は、第1実施形態のもの(図1〜図3参照)と同様である。また、検出装置2の構成も第1実施形態のもの(図5参照)と同様である。但し、第1実施形態の処理装置3(図5参照)に代えて、本実施形態においては、処理装置3bが適用される。なお、図14においては評価装置4の内部は省略するが、評価装置4の構成も図5のものと同様である。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図1〜図14の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
上述した第1〜第3実施形態において、検測車両200(図1参照)の走行速度を上げると、レール検査をより迅速に実行することができる。しかし、検測車両200の走行速度を上げると、検測車両200の振動も大きくなり、この振動が各信号X,Y,R,θに影響を及ぼすようになる。
ここで、欠陥部102から離れた区間(時刻t1以前およびt3以降)において、信号Y,R,θの波形は、余弦信号Xの波形と同様になる。一方、図8(b)にて説明したように、欠陥部102(時刻t1〜t3)における振幅信号R、位相差信号θの波形は余弦信号Xのものとは明らかに相違する。なお、正弦信号Yの波形形状(図示せず)は余弦信号Xと同様になる。
図16において、検波部34−k(但し、1≦k≦N)は、第1〜第3実施形態のもの(図6参照)と同様である。本実施形態においては、各検波部34−kの後段に、ゲイン調整部90,92と、差動増幅器94とが追加される。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
2 検出装置
3,3a,3b 処理装置
4 評価装置
5A−1〜5A−N 発振コイル(第1の発振コイル)
5B−1〜5B−N 発振コイル(第2の発振コイル)
6−1〜6−N 受信コイル
21 センサ部群
21−1〜21−N センサ部
33,33−1〜33−N 発振部
34 検波部群
34−1〜34−N 検波部
44 出力処理部
50−1〜50−N 修正信号発生部
52−1〜52−N 減算部
100 鉄道レール
102 欠陥部
110〜114,121〜124 領域
130 2次元画像
R 振幅信号(表示対象信号)
X 余弦信号(第1の検査信号,表示対象信号)
Y 正弦信号(第2の検査信号,表示対象信号)
θ 位相差信号(表示対象信号)
f,f1〜fN 発振周波数(所定周波数)
Claims (6)
- 受信コイルと前記受信コイルに対応した第1の発振コイルおよび第2の発振コイルとを含んでなるセンサ部が、検査対象である鉄道レールの幅方向に列をなすように複数配列され、前記第1の発振コイルおよび前記第2の発振コイルに同一周波数の磁束を発生させると、相互に干渉が生じる場合があるセンサ部群と、
前記センサ部群の前記第1の発振コイルおよび前記第2の発振コイルの各々に、同一周波数の磁束を発生させる発振信号を供給する発振部と、
前記センサ部群が前記鉄道レールの敷設方向に移動する際、前記受信コイルの各々から出力される出力信号に対して、前記出力信号の第1の位相に対応する第1の検査信号と、前記出力信号の第2の位相に対応する第2の検査信号と、を検出する複数の検波部を有する検波部群と、
を有することを特徴とするレール検査システム。 - 前記第1の検査信号、前記第2の検査信号または前記第1の検査信号と前記第2の検査信号に演算処理を施した結果を表示対象信号とし、複数の前記センサ部に対応する前記表示対象信号の強度分布を2次元画像として出力する出力処理部
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のレール検査システム。 - 前記2次元画像は、前記表示対象信号の強度に対応して表示態様を設定した等高線画像である
ことを特徴とする請求項2に記載のレール検査システム。 - 前記2次元画像は、前記鉄道レールの敷設方向の位置および幅方向の位置を軸とする画像である
ことを特徴とする請求項3に記載のレール検査システム。 - 前記表示対象信号は、前記鉄道レールに形成された欠陥部の深さに応じた強度を有する信号であり、
前記2次元画像は、前記欠陥部の深さを前記表示態様によって示す画像である
ことを特徴とする請求項4に記載のレール検査システム。 - 前記発振信号と同一の周波数を有し、前記発振信号とは振幅および位相が異なる修正信号を複数の前記受信コイルにそれぞれ対応して出力する複数の修正信号発生部と、
複数の前記センサ部の出力信号から対応する前記修正信号を各々減算し、各々の減算結果を対応する前記検波部に供給する減算部と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のレール検査システム。
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