JP7231903B2 - レール摩耗量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レールの上面および頭側部の摩耗量を測定するのに用いるレール摩耗量測定装置に関する。

鉄道軌道においては、列車の走行頻度の高い路線において、規定以上摩耗した部位を切断して切り取り、新しいレールを溶接して継ぎ足すことが実施されている。このようなレールの切断、継ぎ足しの際に新レールをそのまま溶接すると、旧レールとの溶接部に段差が生じ、走行する車両の乗り心地が低下する。そこで、新レールの端部の高さを旧レールの端部の高さに合致させるため、予め工場にて新レールの端部の表面を切削して高さを合わせてから溶接するようにしており、その前提としてレール表面の摩耗量を知る必要があり、従来はゲージと呼ばれる工具を用いて摩耗量を測定していた。

従来、レール表面の摩耗量を測定するゲージ（定規）に関する発明としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。しかし、従来のゲージ（定規）は、１点のみの測定に限られるが、レールの延設方向の摩耗量の変化を検出するには複数点の測定が必要であることから測定器の盛り替え（再設置）を行なっており、作業効率が低下する要因になっていた。また、ゲージを用いた測定は、技術者の技量に依存する部分が大きいため、精度の高い摩耗量の測定が困難であった。

特許文献２には、装置の基準点を回転中心として被測定物の回りを回転する測定部と、装置を被測定物に固定する取付け部とを有し、測定部に、被測定物に検査波（レーザ）を放射する放射部と、被測定物の表面からの反射波を受信する受信部と、受信波の受信位置を示す信号を出力する出力部とを設けることで、レールの断面形状を測定し、基準画像と対比してレールのあご部が重なり合うように画像を移動して断面形状の変化を測定するようにした測定装置の発明が提案されている。しかし、この測定装置も、ゲージと同様に一点測定方式であるため、レールの延設方向に連続して断面形状を測定することができないという課題がある。

一方、連続してレールの断面形状を測定する装置に関する発明として、例えば特許文献３に開示されているものがある。
特許文献３の測定装置は、車輪が直接接触しないレール外側の側面を基準とし、同じく車輪が直接接触しないレール内側のあごの下部を基準として、レール上面および側面の形状をレーザ変位計で測定し、得られた変位データをコンピュータ上で結合させて、レール断面形状を測定するものであり、走行しながら測定することで連続してレールの断面形状を測定できることが記載されている。

特開２００２－２７７２０１号公報 特開２００１－３３０４２６号公報 特開２００３－２０７３１９号公報

しかしながら、上記特許文献３の測定装置は、車輪が接触しないレール外側の側面およびレール内側のあごの下部の２箇所を基準としてレーザ変位計で測定するため、高い測定精度が得られるものの、レール上面を測定するレーザ変位計とレール側面を測定するレーザ変位計を、水平方向と垂直方向へ移動させる機構を設けているため、装置が大掛かりとなってしまい小型化が困難であるという課題がある。

また、特許文献３には、走行しながら測定することで連続してレールの断面形状を測定できることが記載されているものの、具体的な移動手段についての記載がなく、大型であるが故に安定した移動が可能な測定装置を実現するのは難しいという課題がある。
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、精度の高いレールの摩耗量の測定を、装置を移動させながら連続して行うことが可能なレール摩耗量測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、
レール上面を転動する移動用ローラを有する筐体と、レールの頭部側面に接触して左右の揺れを抑制する横揺れ抑制手段と、レールの上面と頭側部の摩耗量を測定する摩耗量測定手段と、を備えたレール摩耗量測定装置であって、
前記横揺れ抑制手段は、前記筐体の一方の側面より垂下されたプレートと、該プレートに設けられたレール側面接触手段と、を備え、
前記摩耗量測定手段は、
前記プレートに取り付けられレールの頭側部までの距離を測定する第１変位測定手段と、
前記プレートに取り付けられレールの顎下部の所定箇所までの距離を測定する第２変位測定手段と、を備えるように構成したものである。

上記手段によれば、移動用ローラを有するためレールの摩耗量の測定を、装置を移動させながら連続して行うことができる。また、筐体の左右の揺れを抑制する横振れ抑制手段を備えるとともに、レール側面接触手段を介してレール側面に沿って移動するプレートに設けられた第１変位測定手段と第２変位測定手段によってレールの頭側部までの距離とレールの顎下部の所定箇所までの距離を測定する構成であるため、レール上を走行する車両の車輪が直接接触しないレール側面と顎下部を基準として測定した値から摩耗量を算出することができ、レール頭側部および上面の摩耗量を高い精度で検出することができる。

ここで、望ましくは、前記第２変位測定手段は、斜め下方へ向かってレーザを出射するレーザ変位センサと、該レーザ変位センサより出射されたレーザをレールの顎下部の前記所定箇所に対して直角に照射させる角度に設定されて設置された反射ミラーと、を備えているようにする。
かかる構成によれば、レーザ変位センサから出射されたレーザをレールの顎下部の所定箇所に対して直角に照射させる角度に設定されて設置された反射ミラーを備えるため、レーザ変位センサから出射されたレーザを直接レールの顎下部の所定箇所に照射させるものに比べて、装置の大型化を回避しつつ精度よくレール表面までの距離を測定することができ、それによってレール上面の摩耗量を高い精度で検出することができる。

また、望ましくは、前記レール側面接触手段は、前記プレートの下部内面に貼着されレールの側面に面接触する摺接パッドであり、
前記プレートの内面には、レール側面との隙間を測定するセンサが取り付けられているようにする。
かかる構成によれば、レール側面接触手段としてレール側面を転動するローラを用いるものに比べて、装置の大型化を回避することができるとともに、レール側面との隙間を測定するセンサを備えるため、摺接パッドが摩耗して測定値に誤差が生じたとしても補正することができ、より精度の高いレールの摩耗量の検出を行うことができる。

さらに望ましくは、前記プレートの前記摺接パッドの背部に当たる部位には、前記摺接パッドをレールの側面に押し付ける力を付与する吸着手段が設けられているようにする。
かかる構成によれば、移動中における変位測定手段の姿勢を安定化させることができ、それによってレールの摩耗量を高い精度で検出することができる。

また、望ましくは、測定対象のレールを軌道に固定するために設置されているレール締結装置の所定部位を検出する検出手段を備えるようにする。
かかる構成によれば、レールとレール締結装置の相対位置関係を検出することができるため、レール切断箇所を変更する場合に、容易にレール締結装置のある個所を外して切断箇所を決定することができる。

また、望ましくは、前記筐体の他方の側面には、下方へ向かって突出してレールの側面に対向可能なプレートと、該プレートに取り付けられてレールの顎下部の表面までの距離を測定する補正用の変位測定手段と、が設けられているようにする。
かかる構成によれば、レール上面の摩耗に伴い変位測定手段の高さ位置が変化したとしても、その変化を反対側の補正用変位センサの測定値から算出することができ、それによって、変位測定手段の高さ位置の変化に伴う測定値の誤差を補正することができる。

本発明に係るレール摩耗量測定装置によれば、精度の高いレールの摩耗量の測定を、装置を移動させながら連続して行うことができるという効果がある。

本発明に係るレール摩耗量測定装置の第１実施形態を示す側面図である。 第１実施形態のレール摩耗量測定装置の底面図である。 第１実施形態のレール摩耗量測定装置の図１と反対側の側面の構成を示す側面図である。 第１実施形態のレール摩耗量測定装置の正面図である。 第１実施形態のレール摩耗量測定装置におけるレーザ変位計と反射ミラーとレール表面との関係を示す拡大図である。 本発明に係るレール摩耗量測定装置の第２実施形態を示す正面図である。

以下、本発明に係るレール摩耗量測定装置の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態のレール摩耗量測定装置は、レールの頭部に載置した状態でレール上を移動させながら、摩耗することのないレール頭部の顎下部（上首部）を基準にして、レールの頭頂面およびレールの頭側部すなわち頭部の側面上部（ゲージコーナー）の摩耗量を、レーザ変位計を用いて連続して測定するものであり、レーザ変位計や移動用ローラなどを有する装置本体部１０と、装置本体部１０とケーブル２１を介して接続される操作記録部２０と、装置本体部１０の上面に着脱可能に連結され装置本体部１０をレール上面に沿って移動させるための手押し棒（図示省略）とから構成される。

操作記録部２０は、表示部やデータ記憶部を有し、装置本体部１０側のレーザ変位計により測定されたデータを収集し記憶したり、測定開始位置（キロ程）を入力したり測定を開始させるための指令を入力したり機能を備える。
装置本体部１０は、図１および図３に示すように、長方形の箱型形状を有しレール摩耗量を測定するためのレーザ変位センサを保持したり移動距離を算出するためのロータリエンコーダなど測定に必要な各種部品やバッテリを収納したりするための筐体１１と、筐体１１の前後に設けられレール上面を転動して装置本体部１０をレールに沿って移動させるための一対の移動用ローラ１２Ａ，１２Ｂと、筐体１１の側壁面に接合して固定され下方へ向かって突出してレール頭部側面と所定の間隔をおいて対向する短冊状の垂下プレート１３とを備える。

上記筐体１１は、シャーシと該シャーシを覆う箱状のカバーとから構成され、筐体１１内には、移動用ローラ１２Ａに対応して移動距離を算出するためのロータリエンコーダ２３が設けている。また、筐体１１の上面後部には、手押し棒（図示省略）の先端の矩形状の結合プレートが係合可能な係合凹部１１ａが形成されている。さらに、図示しないが、係合凹部１１ａの近傍にはロック片が、係合凹部１１ａの底面にはノブが設けられており、係合凹部１１ａに手押し棒の先端の結合プレートが係合されると、ノブが押圧されてロック片が作動し、結合プレートの係合が外れないように構成されている。手押し棒と結合プレートとは水平方向のピンによって回動可能に結合され、手押し棒の角度を変えられるように構成されている。

垂下プレート１３の下部内面すなわちレール頭部側面と対向する面には、破線で示すように、レール頭部側面に接触して装置本体部１０をレールに沿って案内する前後一対の摺接パッド１４Ａ，１４Ｂが貼着されている。摺接パッド１４Ａ，１４Ｂもしくはその表面層は、例えばテフロン（登録商標）のような摩擦抵抗の小さな合成樹脂で形成されており、摺接パッド１４Ａ，１４Ｂの背部に当たる垂下プレート１３の外面にはマグネット１５Ａ，１５Ｂが固着され、マグネット１５Ａ，１５Ｂの吸着力でレール側面に押圧されて摺接パッド１４Ａ，１４Ｂが常時レール頭部側面に接触して装置本体部１０の横揺れを抑制するように構成されている。

筐体１１の底壁には、図３に示すように、移動用ローラ１２Ａ，１２Ｂに対応して矩形状の開口部１１ｂがそれぞれ形成され、この開口部１１ｂよりローラの一部が露出してレールの頭頂面に接触可能に構成されている。また、筐体１１の底壁上面には、破線で示すように、筐体１１をレール上面に吸着させるためのマグネット１５Ｃが設けられており、筐体１１の底壁がレール頭頂面に向かって押圧された状態で移動可能にされている。

一方、筐体１１の上記垂下プレート１３の配設側と反対の側面下部には、図２に示すように、一対の蝶番２２Ａ，２２Ｂによって短冊状のガイドプレート１６が上下方向回動可能に装着されているとともに、ガイドプレート１６を上方へ回動させるように付勢するトーションバネ（図示省略）が設けられている。なお、このガイドプレート１６のレール頭部側面と対向する面にも、破線で示すように、一対の摺接パッド１４Ｃ，１４Ｄが貼着されている。

また、ガイドプレート１６の側面には、ガイドプレート１６を回動させてレール側面と対向するように垂下させた姿勢に維持させる半円形状をなすロックプレート１７が設けられている。このロックプレート１７は、ガイドプレート１６に植設されたピン１７ａによってガイドプレート１６の表面に接しながら回転可能であり、ガイドプレート１６を回動させて垂下させた状態でロックプレート１７を、図２の２点鎖線の状態から１８０°回転させて実線のような状態にすると、その一部が筐体１１の側壁面と重なることでガイドプレート１６を垂下した姿勢に維持させるように構成されている。なお、筐体１１の側面には、ロックプレート１７のストッパピン１６ａが、またロックプレート１７の表面には、一対の回転操作用のツマミ１７ｂが設けられている。

さらに、図１および図４に示すように、垂下プレート１３の外側には、レール頭部側面の摩耗量を測定するための変位センサ１８Ａと、レール頭頂面の摩耗量を測定するための変位センサ１８Ｂと、レール頭部側面と垂下プレート１３とのギャップを測定するためのギャップセンサ１８Ｃと、レール締結装置の所定部位（タイプレート、板バネ、固定用ボルト等のいずれか）を検出するためのセンサ１８Ｄと、レール表面にチョーク等で記されたラインマーク（白線）を検出するためのセンサ１８Ｅが取り付けられている。
上記センサのうち、変位センサ１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと１８Ｄには例えばレーザ変位センサを、ギャップセンサ１８Ｃには例えば渦電流式変位センサを、センサ１８Ｅには例えばイメージセンサを使用することができる。

また、上記センサのうち、変位センサ１８Ａはレーザ出射方向が下向きとなるとように取り付けられ、レーザ出射方向の前方にすなわち変位センサ１８Ａの下方に反射ミラー１９Ａが配設されている。変位センサ１８Ｂはレーザ出射方向がレール側へ斜め下向きとなるように取り付けられ、反射ミラー１９Ｂがレーザ出射方向の前方に配設されている。
反射ミラー１９Ａは、変位センサ１８Ａから出射されたレーザがレール頭部側面に直角に当たるように水平面に対して４５°の傾斜角で設置され、反射ミラー１９Ｂは、変位センサ１８Ｂから出射されたレーザがレールの顎下部（上首部）の所定箇所に直角に当たるような角度に設定されて設置されている。反射ミラー１９Ａは支持台１３Ａによって、反射ミラー１９Ｂは支持片１３Ｂによって、それぞれ垂下プレート１３に取り付けられている。

本実施形態のレール摩耗量測定装置においては、上記のように２つの変位センサ１８Ａ，１８Ｂが設けられているため、例えばレール頭側部が摩耗すると、図５に破線Ａで示すように、レール側面が後退して変位センサ１８Ａからの距離が変わるので、変位センサ１８Ａの測定結果と摩耗していないレールについての測定値とからレール頭側部の摩耗量を算出することができる。
また、レール頭頂面が摩耗すると、レール摩耗量測定装置の高さが変わることで、図５に破線Ｂで示すように、レール顎下の高さが変わり変位センサ１８Ｂからの顎下部の表面までの距離が変わるので、変位センサ１８Ｂの測定結果からレール頭頂面の摩耗量を算出することができる。

ここで、レールの顎下は、図５に示すように、レール頭部側面に連なる湾曲部Ｃ１と、レール腹部に連なる湾曲部Ｃ２と、２つの湾曲部Ｃ１，Ｃ２に挟まれ平坦部Ｆとからなり、上記「顎下部の所定箇所」はそのうち平坦部Ｆを指す。
レール頭頂面が摩耗すると、レール摩耗量測定装置がレールの頭部に載置された状態で、レール顎下部の表面から変位センサ１８Ｂまでの距離が変わり、反射ミラー１９Ｂで反射されたレーザ光の照射位置も少しずれることになる。そのため、変位センサ１８Ｂで湾曲部Ｃ１またはＣ２の変位を測定するようにすると、測定箇所が湾曲している影響によって変位センサ１８Ｂの測定値が変化して高精度の摩耗量測定が行えなくなるおそれがある。

そこで、本実施形態のレール摩耗量測定装置においては、レールの顎下の平坦部Ｆの変位を測定することで、レール側部の摩耗の影響を受けて変位センサ１８Ｂの位置が変位したとしても高精度の測定が行えるようにしている。
なお、変位センサ１８Ｂによってレールの顎下の平坦部Ｆの変位を測定するように構成したとしても、平坦部Ｆが水平面に対して若干傾斜しているため、レールの摩耗に伴い変位センサ１８Ｂの位置が変位すると測定値が僅かに変化して誤差が生じるおそれがある。そこで、後に説明する第２実施形態では、誤差を補正することができるようにするための工夫が施されている。

さらに、図１～図４に示す第１実施形態のレール摩耗量測定装置においては、レール頭部側面と垂下プレート１３とのギャップを測定するためのギャップセンサ１８Ｃを設けているので、摺接パッド１４Ａ，１４Ｂが摩耗してレール側面から変位センサ１８Ａからの距離が変わったとしても、ギャップセンサ１８Ｃの測定値に基づいて、変位センサ１８Ａの測定結果から算出したレール頭側部の摩耗量を補正し、精度の高い摩耗量を得ることができる。

また、第１実施形態のレール摩耗量測定装置においては、ラインマーク（白線）を検出するためのセンサ１８Ｅを設けているため、作業員が予め決定してラインマークを付したレール切断位置を検出してその位置におけるレール高さを測定することができ、その高さに基づいて交換する新しいレールの表面切削量を決定し、レール交換、溶接後に段差が生じるのを回避することができる。
さらに、レール締結装置の所定部位を検出するためのセンサ１８Ｄおよび移動距離を算出するためのロータリエンコーダ２３（図１、図３参照）を設けているため、レール摩耗量の測定値を見て切断箇所を変更する場合にも、既に得られている測定結果から、レール切断箇所として適切でないレール締結装置の位置を外して切断箇所を決定することが可能であり、再度摩耗量の測定作業を実施する手間を省くことができる。

次に、本発明に係るレール摩耗量測定装置の第２の実施形態について、図６を用いて説明する。
第２の実施形態は、レール頭頂面の摩耗に伴い変位センサ１８Ｂの位置が変位することで生じる測定値の誤差を補正できるようにしたものである。
具体的には、図５に示すように、レールＲを挟んで変位センサ１８Ｂと反対側すなわちガイドプレート１６の外側面に、一対の補正用のレーザ変位センサ１８Ｆ，１８Ｇを設けるとともに、該変位センサ１８Ｆ，１８Ｇのレーザ出射方向の前方にすなわち変位センサ１８Ｆ，１８Ｇの下方に反射ミラー１９Ｆ，１９Ｇを配設している。

ここで、反射ミラー１９Ｃと１９Ｄは、それぞれ異なる高さ位置に配設されており、レールＲの顎下部の表面の位置を測定できるように構成されている。これにより、レール上面の摩耗に伴い変位センサ１８Ｂの相対位置が変化したとしても、その変化量を反対側の変位センサ１８Ｆ，１８Ｇの測定値から算出することができ、それによって、測定値の誤差を補正することができる。

なお、この実施形態においては、変位センサ１８Ｆ，１８Ｇのレーザ出射方向は鉛直方向下向きであるので、反射ミラー１９Ｆ，１９Ｇは水平面に対して４５°の角度をなすように設置されている。図６においては、変位センサ１８Ｆと１８Ｇの設置高さが異なるように示されているが、反射ミラー１９Ｆと１９Ｇの設置高さが異なっていれば良く、変位センサ１８Ｆと１８Ｇの設置高さは同一であっても良い。また、反射ミラー１９Ｆ，１９Ｇの設置角度は４５°に限定されるものでなく、顎下部の異なる部位の表面位置までの距離を測定できるように設定されていれば良い。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものでなく適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、５種類のセンサ１８Ａ～１８Ｅを搭載したレール摩耗量測定装置について説明したが、少なくとも変位センサ１８Ａと１８Ｂを備えていれば良く、他のセンサは省略しても良い。また、レーザ変位センサ１８Ａを出射方向が下向きとなるように配設しているが、レール側面に向けて直接レーザを出射するように配設しても良い。その場合、反射ミラー１９Ａは不要となる。

さらに、上記実施形態では、変位センサ１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと１８Ｄとして、三角測量方式で距離を測定するレーザ変位センサを使用しているが、位相差測定方式のレーザ距離計を用いて距離を測定するようにしても良い。
また、ギャップセンサ１８Ｃも渦電流式に限定されず、静電容量式や超音波方式、レーザ方式など他の方式のものであっても良い。

また、上記実施形態では、レール摩耗量測定装置を手押し棒で押して移動させながら測定を行うようにしているが、筐体１１にモータを内蔵させて、モータで移動用ローラ１２Ａまたは１２Ｂを回転駆動することで移動させるように構成しても良い。
さらに、上記実施形態では、垂下プレート１３の内面に摺接パッド１４Ａ，１４Ｂを設けているが、摺接パッド１４Ａ，１４Ｂの代わりに、レール頭部側面に接触して転動するローラを設けるようにしても良い。また、ガイドプレート１６は、回動可能なものに限定されず、垂下プレート１３と同様に固定式のものであっても良い。

１０ レール摩耗量測定装置の装置本体部
１１ 筐体
１２Ａ，１２Ｂ 移動用ローラ
１３ 垂下プレート（横揺れ抑制手段）
１４Ａ，１４Ｂ 摺接パッド（レール側面接触手段）
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ マグネット（吸着手段）
１６ ガイドプレート
１８Ａ 変位センサ（第１変位測定手段）
１８Ｂ 変位センサ（第２変位測定手段）
１８Ｃ ギャップセンサ
１８Ｄ レール締結装置検出用のセンサ
１８Ｅ ラインマーク検出用のセンサ
１９Ａ，１９Ｂ, １９Ｃ，１９Ｄ 反射ミラー
２０ 操作記録部

Claims (6)

1. レール上面を転動する移動用ローラを有する筐体と、レールの頭部側面に接触して左右の揺れを抑制する横揺れ抑制手段と、レールの上面と頭側部の摩耗量を測定する摩耗量測定手段と、を備えたレール摩耗量測定装置であって、
   前記横揺れ抑制手段は、前記筐体の一方の側面より垂下されたプレートと、該プレートに設けられたレール側面接触手段と、を備え、
   前記摩耗量測定手段は、
   前記プレートに取り付けられレールの頭側部までの距離を測定する第１変位測定手段と、
   前記プレートに取り付けられレールの顎下部の所定箇所までの距離を測定する第２変位測定手段と、を備えることを特徴とするレール摩耗量測定装置。
2. 前記第２変位測定手段は、斜め下方へ向かってレーザを出射するレーザ変位センサと、該レーザ変位センサより出射されたレーザをレールの顎下部の前記所定箇所に対して直角に照射させる角度に設定されて設置された反射ミラーと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレール摩耗量測定装置。
3. 前記レール側面接触手段は、前記プレートの下部内面に貼着されレールの側面に面接触する摺接パッドであり、
   前記プレートの内面には、レール側面との隙間を測定するセンサが取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のレール摩耗量測定装置。
4. 前記プレートの前記摺接パッドの背部に当たる部位には、前記摺接パッドをレールの側面に押し付ける力を付与する吸着手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレール摩耗量測定装置。
5. 測定対象のレールを軌道に固定するために設置されているレール締結装置の所定部位を検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のレール摩耗量測定装置。
6. 前記筐体の他方の側面には、下方へ向かって突出してレールの側面に対向可能なプレートと、該プレートに取り付けられてレールの顎下部の表面までの距離を測定する補正用の変位測定手段と、が設けられていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のレール摩耗量測定装置。

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