JP7025382B2 - レール保全システムおよび鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両における各車の走行状態を常に把握し、レール頭頂面に発生する凹凸傷（特に波状摩耗）を維持・改善するためのシステムに関するものである。

鉄道車両には、自動車等に搭載されているディファレンシャルギアといった仕組みが搭載されていない場合が多く、カーブでは、内側の車輪と外側の車輪はスティックスリップ状態となる。その結果、特に内軌のレールの頭部には波状摩耗という一定周期の凹凸が生じることが多い。

この波状摩耗を解消するには、レール自体の頭部を削正または研摩するしか手がないと考えられ、特許文献１には、鉄道レール頭部の再整形装置として、レール上をゆっくりと走行させながら、レールの頭部を再整形ユニット（砥石）で研摩する装置およびいわゆる削正車が開示されている。

しかし、このような装置で、レールの頭部を削正または研摩するのは、低速でなければ作業ができないため、鉄道車両の営業時間が終了してから、次の営業開始時間までの間に作業を行う必要がある。したがって、作業の進みが遅く、営業路線が長い場合は、全線に対してレールの頭部を再整形するのは、時間とコストがかかりすぎるという問題があった。

一方、営業車両で波状摩耗を解消しようとする発明も提案されている。特許文献２には、主輪軸とは別に、径の異なる車輪を同軸でつないだ補助車輪を設け、常にスティックスリップ状態で走行させることで、営業運転において、レールを研摩するレール削正装置が開示されている。このような研摩は、１回の研摩によってレールの波状摩耗を解消できるものではないが、走行回数の多さによって、研摩量を補充しようとするものである。

特開昭６０－１８１４０２号公報 特開２００４－３００６６７号公報

特許文献２のように、営業車両にレール頭頂面を軽く研摩させる方法は、特許文献１のような研摩車両を走行させるより、簡便でコストもかからない。しかし、特許文献２のように常にレール頭頂面を研摩し続けるのは、走行抵抗が大きくなり、消費電力が必要以上に多くなることや、３軸となることで軸距が長くなれば、曲線走行上不利であることも考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものであり、波状摩耗を検出したら、その部分だけ研摩体を当てて、軽い研摩を行うレール保全システムを提供する。

より具体的に本発明に係るレール保全システムは、
鉄道車両における客車に搭載されるレール保全システムであって、
音でレールの波状摩耗を検出する波状摩耗検出器と、
前記レールに研摩体を当てるレール研摩手段と、
車両のカーブの方向を検出するカーブ検出器を有し、
前記カーブ検出器で車両がカーブを進行中であることを検出し、
前記波状摩耗検出器で波状摩耗を検出したら、
前記レール研摩手段により、内軌側の前記レールに前記研摩体を当て、レール研摩することを特徴とする。

本発明に係るレール保全システムは、通常の営業車両に搭載することができる。通常運転の客車が本レール保全システムを搭載することで、波状摩耗部分を通過するたびに、少しずつレール頭頂面を研摩することで波状摩耗を解消させることができる。そのため、いわゆる削正車を用いなくても、波状摩耗を解消することができる。

本発明のレール保全システムの構成を示す図である。 ディレイの構成を示す図である。 制御装置の処理のフローを示すフロー図である。 周波数分析器の分析信号の様子を示す概念図である。

以下に本発明に係るレール保全システムについて図面を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係るレール保全システム１の構成図を示す。本発明に係るレール保全システム１を搭載する客車６０は、乗客を乗せて所定の区間を運行する客車である。鉄道の営業時間が終了した後に、特別に走行させる車両ではない。したがって、客車６０が通常有する、台枠６２、側構体、妻構体、屋根構体といった、車体に係る構成や、車軸で連結された輪軸やモータが組み込まれた台車６４といった走行上必要な構成はもとより、座席、網棚、吊皮、乗降口、窓、天井ユニットといった公知の構成は有していてよい。

本発明に係るレール保全システム１は、レール研摩手段１０、波状摩耗検出器２０、カーブ検出器３０、およびこれらを制御する制御装置４０を有する。また、通信手段３２を有していてもよい。

レール研摩手段１０は、研摩体１２と、押付装置１４で構成される。研摩体１２は、砥石、研摩子といったもので、少なくともレール６６よりも硬い材料を含むのが良いが、形態は特に限定されるものではなく、少なくともレール６６の頭頂面６６ａを研摩することができる。

研摩体１２は押付装置１４でレール６６の頭頂面６６ａに押し付けられる。押付装置１４は、押付圧センサ１６を有しており、所定の押付圧Ｐで研摩体１２をレール６６の頭頂面６６ａに押し付ける。レール研摩手段１０の動作は、押付圧Ｐを含め、後述する制御装置４０からの信号Ｃｐで制御することができる。

波状摩耗検出器２０は、マイク２２とローパスフィルタ２４とディレイ２６と周波数分析器２８で構成されている。波状摩耗は、レール６６の頭頂面６６ａに周期的に生じた凹凸傷である。そこを、走る客車６０（車輪）には、波状摩耗に起因する周期音が生じる。波状摩耗検出器２０は、その周期音を検出することで、波状摩耗の存在と波状摩耗の程度を知る。

マイク２２は、客車６０の内部に設けられていてもよいが、台車６４の付近の台枠６２に取り付けるのがよい。客車６０内にマイク２２を配置すると、客室の共鳴効果によって、波状摩耗以外の原因によるノイズも多く検出される。すると、波状摩耗検出器２０の精度が低下するからである。

マイク２２からの出力Ｓはローパスフィルタ２４を通過し、信号ＬＳとなる。波状摩耗は曲線外軌側や直線でも見られる。多いのは曲線内軌側で、曲線半径などにより異なるが、数ｃｍ～数十ｃｍ程度の波長のものが生じているとよく言われている。客車６０の曲線での営業速度が３０ｋｍ／ｈ～６０ｋｍ／ｈとすると、波状摩耗による振動が主に５０Ｈｚ～５００Ｈｚとなり、さらには、１００Ｈｚ～１ｋＨｚ程度の音として聞こえる場合もある。したがって、それ以上の周波数の信号は、不要である。

ローパスフィルタ２４を通過した信号ＬＳは、ディレイ２６に入力される。図２にディレイ２６の詳細構成を示す。ディレイ２６は、分岐２６ａと、時間Ｔｄの遅延素子２６ｂと、位相反転素子２６ｃと、加算器２６ｄを有する。ディレイ２６では、所定の時間Ｔｄ（これをディレイタイムＴｄとする。）前の信号を位相反転した信号ＬＳｐが、入力された信号ＬＳに加算される。ディレイ２６の出力を信号ＤＳとする。

再び図１を参照する。周波数分析器２８は、通常のＦＦＴ（高速フーリエ変換）測定器が好適に利用できる。ディレイ２６の出力信号ＤＳは、周波数分析器２８に入力され、周波数分析が行われる。この結果は、分析信号ＡＳとして出力される。分析信号ＡＳは、後述する制御装置４０に送られる。

カーブ検出器３０は、車両進行方向に対して直角方向（枕木方向）の加速度を検出する。カーブ検出器３０はフィルタ若しくは時定数を大きく設定し、大きな駅に入駅する際にポイント切り替え部分を通過する時等で、瞬間的に大きく生じる横揺れには反応しないように設定するのが望ましい。また、カーブ検出器３０は、カーブの内側（内軌）がどちらになるかも決定できる。カーブ検出器３０の出力信号Ｓｃは制御装置４０に送られる。

制御装置４０は、通常のコンピューター（ＭＰＵとメモリ）で構成することができる。また、レール研摩手段１０、波状摩耗検出器２０、カーブ検出器３０、およびこれらを制御する制御装置４０は、客車６０に供給される電力の一部を利用することができる。また、制御装置４０は、客車６０が連結された電車の速度ｖを、運転席の速度計等から知ることができる。

通信手段３２は、無線通信や電力線を介した通信手段が好適に利用できる。通信手段３２は、主として波状摩耗検出器２０の検出結果を送信することができる。送信先は特に限定されず、同一車両編成内の他の客車であってもよいし、鉄道運行を管理する部門であってもよい。

次に本発明に係るレール保全システム１の動作について説明する。図３には、制御装置４０の処理フローを例示する。処理がスタートすると（ステップＳ１００）、終了判断が行われる（ステップＳ１０２）、終了の場合（ステップＳ１０２のＹ分岐）は、動作を停止する（ステップＳ１０４）。なお、終了判断は、運転が終了した場合で、判断してよい。終了でない場合（ステップＳ１０２のＮ分岐）は、処理を次のフロー（ステップＳ１０６）に移す。

次のフローでは、客車６０が、軌道のカーブ部分を進行しているかどうかを判断する（ステップＳ１０６）。これはカーブ検出器３０からの出力信号Ｓｃによって判断する。カーブ部分を進行していない場合（ステップＳ１０６のＮ分岐）は、終了判断（ステップＳ１０２）に戻る。

カーブ部分を進行している場合（ステップＳ１０６のＹ分岐）は波状摩耗検出器２０からの分析信号ＡＳから、波状摩耗が生じているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

図４には、周波数分析器２８の分析信号ＡＳの概念図を示す。入力信号は、ディレイ２６の入力信号ＬＳの周波数表示である。また、ディレイ反転信号ＬＳｐも周波数表示してある。なお、ディレイ反転信号ＬＳｐは、位相は反転するものの、ＦＦＴの強度としては絶対値表示されているとする。

図４（ａ）は、波状摩耗している区間に入った時の状態を示している。マイク２２で採取した音（出力）Ｓは、ローパスフィルタ２４を通った後、信号ＬＳとなる。この時、波状摩耗に起因する特徴ピークＰＫが観測される。

一方、ディレイ反転信号ＬＳｐは、波状摩耗が生じる前の信号ＬＳであるので、波状摩耗に起因する特徴ピークＰＫは観測されていない。これらを足し合わせると、特徴ピークＰＫ周辺のノイズはキャンセルされ特徴ピークＰＫのＳＮ比が高くなる（図４（ａ）の分析信号ＡＳ）。

このように、ディレイ反転信号ＬＳｐを利用することで、雑音の多い走行中の音から波状摩耗の特徴ピークＰＫを精度よく検出する。この特徴ピークＰＫを観測したことで、波状摩耗が発生していると判断する（図３のステップＳ１０８）。なお、特徴ピークＰＫの大きさは、所定の閾値を設ける、若しくはＣ／Ｎ、Ｓ／Ｎといった方法で決定することができる。

図３のフローに戻って、波状摩耗が生じていると判断されない場合（ステップＳ１０８のＮ分岐）は、ステップＳ１０６に戻り、処理を繰り返す。

一方、波状摩耗検出器２０からの分析信号ＡＳから、波状摩耗が生じていると判断された場合（ステップＳ１０８のＹ分岐）は、制御装置４０は、周波数分析器２８で観測された特徴スペクトルのピーク値（図４のＰＫの強度）に応じた押付圧Ｐを決定し、信号Ｃｐによって、レール研摩手段１０に内軌のレール６６の頭頂面６６ａに研摩体１２を当てさせる（ステップＳ１１０）。

ピーク値が大きければ、研摩体１２の押付圧Ｐを大きくする。制御装置４０で決定した押付圧Ｐは、信号Ｃｐによってレール研摩手段１０に送信され、押付装置１４が、押付圧センサ１６の測定値が押付圧Ｐになるように、研摩体１２を内軌のレール６６の頭頂面６６ａに押し当てる（図１参照）。図３では「研摩体ＤＯＷＮ」と示した。

そして、波状摩耗が終了したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。図４を再度参照する。図４（ａ）では、特徴周波数のピークの観測によって、波状摩耗の存在を判断した。客車６０が進行して、ディレイ反転信号ＬＳｐにも波状摩耗による特徴ピークＰＫが現れると、特徴ピークＰＫ同士がキャンセルし、周波数分析器２８の分析信号ＡＳからは特徴ピークＰＫが観測されなくなる（図４（ｂ））。

そして、客車６０が波状摩耗の部分を抜け出すと、今度は信号ＬＳから波状摩耗に起因する特徴ピークＰＫがなくなる。結果、周波数分析器２８の分析信号ＡＳには、再び特徴ピークＰＫが現れる（図４（ｃ））。

したがって、図４（ｂ）および図４（ｃ）の状態を観測したら、波状摩耗は終了したと判断する。

図３のフローに戻る。波状摩耗が終了した場合（ステップＳ１１２のＹ分岐）は、レール研摩手段１０を制御し、研摩体１２をレール６６から離す（ステップＳ１１４）。そして、処理を終了処理（ステップＳ１０２）に戻す。

波状摩耗が終了していない場合（ステップＳ１１２のＮ分岐）は、カーブ検出器３０からの出力信号Ｓｃを確認する（ステップＳ１１６）。カーブ検出器３０の出力があれば（ステップＳ１１６のＹ分岐）、ステップＳ１１０に戻り、研摩体１２のレール６６への押し当てを継続する。

カーブ検出器３０の出力がなければ（ステップＳ１１６のＮ分岐）、波状摩耗は終了したものと判断し、ステップＳ１１４に処理を移す。

以上の処理により、レール保全システム１は、カーブ部分で波状摩耗を検出すると、研摩体１２を内軌側のレール６６の頭頂面６６ａに当てる。この１回の動作だけで、波状摩耗は解消しないと考えられる。しかし、通常運転される客車６０の全てがこのレール保全システム１を有していれば、波状摩耗を解消することができる。その結果、波状摩耗を解消するためのいわゆるレール削正車を走行させる必要がなくなる。

なお、本発明に係るレール保全システム１は、編成された客車６０のうち少なくとも１台に搭載されていればよい。もちろん、全車に搭載されていてもよい。また、波状摩耗検出器２０だけを搭載した客車６０が含まれていてもよい。

本発明は鉄道車両の客車に好適に利用することができる。特に、波状摩耗検出器の検出結果は、その路線を管理している管理部門へ通知されることで、レールの保全作業に寄与できる。

１ レール保全システム
１０ レール研摩手段
１２ 研摩体
１４ 押付装置
１６ 押付圧センサ
２０ 波状摩耗検出器
２２ マイク
２４ ローパスフィルタ
２６ ディレイ
２６ａ 分岐
２６ｂ 遅延素子
２６ｃ 位相反転素子
２６ｄ 加算器
２８ 周波数分析器
３０ カーブ検出器
３２ 通信手段
４０ 制御装置
６０ 客車
６２ 台枠
６４ 台車
６６ レール
６６ａ レールの頭頂面
Ｐ 押付圧
Ｃｐ 信号
Ｓ 出力
ＬＳ 信号
ＤＳ 信号
ＡＳ 分析信号
Ｓｃ 出力信号
ｖ 速度
ＬＳｐ ディレイ反転信号
ＰＫ 特徴ピーク

Claims (3)

1. 鉄道車両における客車に搭載されるレール保全システムであって、
   音でレールの波状摩耗を検出する波状摩耗検出器と、
   前記レールに研摩体を当てるレール研摩手段と、
   車両のカーブの方向を検出するカーブ検出器を有し、
   前記カーブ検出器で車両がカーブを進行中であることを検出し、
   前記波状摩耗検出器で波状摩耗を検出したら、
   前記レール研摩手段により、内軌側の前記レールに前記研摩体を当て、レール研摩することを特徴とするレール保全システム。
2. 前記波状摩耗検出器の検出結果を送信する無線通信手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載されたレール保全システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載されたレール保全システムを搭載した鉄道車両。

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