JP7253186B2 - 軌道狂い測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、軌道狂い測定装置に関する。

鉄道の軌道の狂いを測定する装置として、手押し式の小型の測定装置（いわゆるトロリー）が公知である。このような測定装置において、１つのレール上を走行しながら軌道の狂いを測定するものが考案されている（特許文献１参照）。

この測定装置は、レールの鉛直方向及び水平方向の不整を測定するための慣性計測装置と、測定装置の走行方向と平行な回転軸を中心とした測定装置の回転（つまりローリング）を抑制する複数の転動輪とを有する。複数の転動輪がレールの頭部に当接することで、測定装置のふらつきによる測定精度の低下が抑制される。

特開２０１６－１５０６８６号公報

上述の測定装置は、ふらつき防止手段として転動輪を備えるため、装置を構成する部品点数が多く、構造が複雑になる。また、転動輪を備えていても、測定装置のふらつきを完全に抑えることはできない。

本開示の一局面は、構造を簡略化しつつ、測定精度を高められる軌道狂い測定装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、２つのレールを有する軌道の狂い測定装置である。軌道狂い測定装置は、２つのレールのうち、少なくとも１つのレールに沿って走行する測定部と、測定部に配置された角速度及び加速度を測定する慣性計測装置と、慣性計測装置の出力を処理する処理装置と、を備える。処理装置は、慣性計測装置の出力を用いて、少なくとも１つのレールの状態に起因しない慣性計測装置の傾きを補正しつつ、少なくとも１つのレールの状態を算出する。

このような構成によれば、測定部のローリングによる慣性計測装置の傾きが補正されるため、ふらつき防止手段を設けることなく、レールの鉛直方向及び水平方向の不整に対する測定精度を高められる。

また、本開示では、測定部の走行方向と鉛直方向との双方に垂直な回転軸を中心とした回転（つまりピッチング）による慣性計測装置の傾きも補正できる。そのため、測定部を２つのレールに跨って走行させることで、２つのレールの高低差を高い精度で測定することができる。

本開示の一態様では、測定部は、慣性計測装置が固定された棒状の本体と、本体に取り付けられると共に、少なくとも１つのレールの上面に当接する少なくとも１つの転動体と、を有してもよい。測定部は、本体が２つのレールに跨って走行する第１走行と、２つのレールのうち１つのレール上を本体の長手方向に沿って本体が走行する第２走行とが可能であってもよい。処理装置は、測定部の第１走行中に、測定部の走行方向及び鉛直方向の双方と垂直な回転軸における慣性計測装置の傾きを補正しつつ、慣性計測装置の出力から２つのレールの高低差を算出する第１モードと、測定部の第２走行中に、測定部の走行方向と平行な回転軸における慣性計測装置の傾きを補正しつつ、慣性計測装置の出力から本体が走行しているレールの鉛直方向不整及び水平方向不整を算出する第２モードと、を有してもよい。このような構成によれば、１つの軌道狂い測定装置によって、少なくとも、鉛直方向不整、水平方向不整及び２つのレールの高低差を検出することができる。そのため、軌道の狂い測定において、複数の軌道狂い測定装置を用いる必要がなくなる。

本開示の一態様では、測定部は、第１走行時に２つのレールそれぞれに当接する少なくとも２つの軌間補助ローラと、第２走行時に本体が走行しているレールに当接する少なくとも１つの通り補助ローラと、をさらに有してもよい。このような構成によれば、測定部の向きを変えることで、第１走行に適した姿勢と、第２走行に適した姿勢とを容易に切り替えることができる。

本開示の一態様では、測定部の本体は、第１走行時に軌道の敷設面と対向する第１面と、第２走行時に敷設面と対向する第２面と、を有してもよい。処理装置は、第１面と第２面との位置関係によって、第１モード及び第２モードを切り替えてもよい。このような構成によれば、測定部の向きを変えることで、自動的に処理装置の第１モード及び第２モードが切り替わるため、測定作業の効率が向上する。

図１は、実施形態における軌道狂い測定装置の第１走行時の模式的な平面図である。 図２Ａは、図１の軌道狂い測定装置の模式的な正面図であり、図２Ｂは、図１の軌道狂い測定装置の模式的な側面図である。 図３は、図１の軌道狂い測定装置の第２走行時の模式的な平面図である。 図４Ａは、図３の軌道狂い測定装置の模式的な正面図であり、図４Ｂは、図３の軌道狂い測定装置の模式的な側面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す軌道狂い測定装置１は、２つのレールＯ１，Ｏ２を有する鉄道用の軌道の狂い（つまり不整量）を測定するための可搬式の装置である。

軌道狂い測定装置１は、２つのレールＯ１，Ｏ２上、又は１つのレールＯ１上を作業者の手押しによって走行可能に構成されている。

軌道狂い測定装置１は、測定部２と、慣性計測装置３と、第１ロータリエンコーダ４Ａと、第２ロータリエンコーダ４Ｂと、ポテンショメータ５と、処理装置６と、押し棒７と、操作部８と、バッテリ９とを備えている。

＜測定部＞
測定部２は、棒状の本体２１と、第１車輪２２Ａと、第２車輪２２Ｂと、第３車輪２２Ｃと、第４車輪２２Ｄと、連結部２３と、第１軌間補助ローラ２４Ａと、第２軌間補助ローラ２４Ｂと、第１通り補助ローラ２５Ａと、第２通り補助ローラ２５Ｂとを有する。

測定部２は、２つのレールＯ１，Ｏ２のうち、少なくとも１つのレールに沿って走行する。具体的には、測定部２は、本体２１が２つのレールＯ１，Ｏ２に跨って走行する第１走行（図１及び図２Ａ，２Ｂ参照）と、２つのレールＯ１，Ｏ２のうち１つのレール上を本体２１の長手方向（つまりレールの延伸方向）に沿って本体２１が走行する第２走行（図３及び図４Ａ，４Ｂ参照）とが可能である。

（本体）
本体２１は、平面視で中心軸が直線状である（つまり、直線状に延伸した）形状を有する。本体２１の内部には、後述する慣性計測装置３等が配置されている。また、本体２１には、各車輪、各ローラ及び押し棒７が取り付けられている。

本体２１の長手方向の長さは、図１及び図２Ａ，２Ｂに示す第１走行時において、第１レールＯ１の中心軸と第２レールＯ２の中心軸との距離よりも大きく、第１レールＯ１の幅方向の外縁から第２レールＯ２の幅方向の外縁までの距離よりも小さい。

つまり、本体２１の長手方向の第１端部２１Ａ及び第２端部２１Ｂは、それぞれ、第１走行時に２つのレールＯ１，Ｏ２のどちらかに対し上下方向に重なる。なお、第２端部２１Ｂは、本体２１の中央部分とは離間しており、連結部２３によって中央部分と連結されている。

また、本体２１は、図２Ａに示すように、第１走行時に軌道の敷設面Ｓと対向する第１面２１Ｃと、第２走行時に敷設面Ｓと対向する第２面２１Ｄとを有する。本実施形態では、第１面２１Ｃと第２面２１Ｄとは平行である。そのため、図３及び図４Ａ，４Ｂに示す第２走行時の測定部２の姿勢は、図１及び図２Ａ，２Ｂに示す第１走行時の測定部２の姿勢を、本体２１の長手方向と平行な軸を中心に１８０°回転させたものである。

（車輪）
第１車輪２２Ａは、第１走行時に、第１レールＯ１の上面に当接する転動体である。第１車輪２２Ａは、本体２１の第１端部２１Ａにおいて、本体２１の第１面２１Ｃから突出している。

第２車輪２２Ｂは、第１走行時に、第２レールＯ２の上面に当接する転動体である。第２車輪２２Ｂは、本体２１の第２端部２１Ｂにおいて、本体２１の第１面２１Ｃから突出している。

第３車輪２２Ｃ及び第４車輪２２Ｄは、第２走行時に、測定部２が走行する第１レールＯ１又は第２レールＯ２の上面に当接する転動体である。第３車輪２２Ｃ及び第４車輪２２Ｄは、本体２１の第１端部２１Ａ及び第２端部２１Ｂを除いた中央部分において、本体２１の第２面２１Ｄから突出している。第３車輪２２Ｃ及び第４車輪２２Ｄは、本体２１の長手方向に離間して配置されている。

第１車輪２２Ａの回転軸は、第２車輪２２Ｂの回転軸と並行である。第３車輪２２Ｃの回転軸は、第４車輪２２Ｄの回転軸と並行である。また、第１車輪２２Ａ及び第２車輪２２Ｂの回転軸と、第３車輪２２Ｃ及び第４車輪２２Ｄの回転軸とは直交している。

（連結部）
連結部２３は、本体２１の第２端部２１Ｂに取り付けられている。連結部２３は、本体２１の長手方向に伸縮するバネ等の弾性体とダンパとを有する。連結部２３は、測定部２の第１走行中に２つのレールＯ１，Ｏ２間の距離に合わせて本体２１を伸縮させる。

（ローラ）
第１軌間補助ローラ２４Ａは、第１走行時に、第１レールＯ１の内側の側面に当接する。第１軌間補助ローラ２４Ａは、本体２１の長手方向（つまり第１走行時の枕木方向）において第１車輪２２Ａと重なる位置に配置されている。

第２軌間補助ローラ２４Ｂは、第１走行時に、第２レールＯ２の内側の側面に当接する。第２軌間補助ローラ２４Ｂは、本体２１の長手方向において第２車輪２２Ｂと重なる位置に配置されている。

第１通り補助ローラ２５Ａ及び第２通り補助ローラ２５Ｂは、第２走行時に、第１レールＯ１又は第２レールＯ２の内側の側面に当接する。第１通り補助ローラ２５Ａ及び第２通り補助ローラ２５Ｂは、本体２１の長手方向（つまり第２走行時の走行方向）に離間して配置されている。

第１軌間補助ローラ２４Ａ、第２軌間補助ローラ２４Ｂ、第１通り補助ローラ２５Ａ及び第２通り補助ローラ２５Ｂの回転軸は、全て平行である。また、第１通り補助ローラ２５Ａ及び第２通り補助ローラ２５Ｂは、図２Ａに示すように、本体２１を挟んで、第１軌間補助ローラ２４Ａ及び第２軌間補助ローラ２４Ｂとは反対側に配置されている。

＜慣性計測装置＞
慣性計測装置（ＩＭＵ）３は、３軸の角速度と、３軸の加速度とを計測するセンサである。

慣性計測装置３は、レールＯ１，Ｏ２上を走行する測定部２の鉛直方向及び水平方向に対する傾斜角度を検出して出力する。慣性計測装置３は、測定部２の本体２１において、第１車輪２２Ａと第２車輪２２Ｂとの間、かつ、第３車輪２２Ｃと第４車輪２２Ｄとの間の位置に配置されている。慣性計測装置３は、本体２１の内部に格納されている。

＜ロータリエンコーダ＞
第１ロータリエンコーダ４Ａは、第１走行時に測定部２の位置を検出する機器である。第１ロータリエンコーダ４Ａは、本体２１における第１車輪２２Ａに近接する位置に固定されている。

第２ロータリエンコーダ４Ｂは、第２走行時に測定部２の位置を検出する機器である。第２ロータリエンコーダ４Ｂは、本体２１における第３車輪２２Ｃに近接する位置に固定されている。

＜ポテンショメータ＞
ポテンショメータ５は、２つのレール間の間隔（つまり軌間狂い）を検出する機器である。ポテンショメータ５は、本体２１の第２端部２１Ｂに、連結部２３と並列に配置されている。

＜処理装置＞
処理装置６は、慣性計測装置３、第１ロータリエンコーダ４Ａ、第２ロータリエンコーダ４Ｂ及びポテンショメータ５の出力を処理し、２つのレールＯ１，Ｏ２の状態（つまり不整量）を算出する。

処理装置６は、例えば入出力部を備える演算機により構成される。処理装置６は、各検出器からの出力を各種不整量へ変換するほか、各種不整量等のデータの保存、呼び出し、表示等の処理を行う。また、処理装置６は、後述する操作部８と無線通信を行う通信機能も有している。

処理装置６は、測定部２の本体２１の内部に収納されている。処理装置６は、各検出器と例えばケーブルにより接続されている。なお、処理装置６は本体２１の外側に配置されてもよい。

処理装置６は、第１モードと、第２モードとの２つのモードを有する。第１モード及び第２モードは、それぞれ、測定部２が走行するレールＯ１，Ｏ２の状態を算出するモードである。

第１モードでは、処理装置６は、測定部２の第１走行中に、慣性計測装置３の出力から２つのレールＯ１，Ｏ２の高低差（つまり水準狂い）を算出すると共に、ポテンショメータ５の出力から２つのレールＯ１，Ｏ２の間隔（つまり軌間狂い）を算出する。

第１モードにおいて、処理装置６は、測定部２の走行方向及び鉛直方向の双方と垂直な回転軸における慣性計測装置３の傾きを補正しつつ、水準狂いを算出する。つまり、処理装置６は、レールＯ１，Ｏ２の状態に起因しない本体２１のピッチングＰ（図２Ｂ参照）による慣性計測装置３の傾きを補正する。

処理装置６は、慣性計測装置３の出力（具体的には、３軸の角速度）を用いて慣性計測装置３の姿勢角を補正する。補正後の慣性計測装置３の姿勢角（具体的には、本体２１の走行方向と垂直な面内での水平方向に対する傾斜角）と、２つのレールＯ１，Ｏ２間の距離とに基づいて、水準狂いが算出される。

さらに、処理装置６は、第１モードにおいて上述の手順によって算出された水準狂いから、２つのレールＯ１，Ｏ２のねじれ（つまり平面性狂い）を算出する。

第２モードでは、処理装置６は、測定部２の第２走行中に、慣性計測装置３の出力から本体２１が走行しているレールの鉛直方向不整（つまり高低狂い）及び水平方向不整（つまり通り狂い）を算出する。

第２モードにおいて、処理装置６は、測定部２の走行方向と平行な回転軸における慣性計測装置３の傾きを補正しつつ、高低狂い及び通り狂いを算出する。つまり、処理装置６は、レールＯ１，Ｏ２の状態に起因しない本体２１のローリングＲ（図４Ａ参照）による慣性計測装置３の傾きを補正する。

処理装置６は、第１モードと同様に、慣性計測装置３の３軸の角速度を用いて慣性計測装置３の姿勢角を補正する。補正後の慣性計測装置３の姿勢角（具体的には、枕木方向と垂直な面内での水平方向に対する傾斜角）と、測定部２の第３車輪２２Ｃ及び第４車輪２２Ｄの中心軸間距離とに基づいて、高低狂い及び通り狂いが算出される。

処理装置６は、測定部２の本体２１の第１面２１Ｃと第２面２１Ｄとの位置関係によって、第１モード及び第２モードを切り替える。つまり、第１面２１Ｃが水平に配置され、かつ、第１面２１Ｃが第２面２１Ｄよりも下方にある場合に、第１モードを実行する。また、第２面２１Ｄが水平に配置され、かつ、第２面２１Ｄが第１面２１Ｃよりも下方にある場合に、第２モードを実行する。

なお、第１面２１Ｃと第２面２１Ｄとの位置関係は、予め慣性計測装置３の姿勢角と紐付けることで、慣性計測装置３の出力によって検知できる。このように、本体２１を長手方向と平行な回転軸を中心に１８０°回転させることで、第１モードと第２モードとが自動的に切り替わる。

＜押し棒＞
押し棒７は、測定部２を作業者が走行方向に押すための棒状の部材である。押し棒７は、測定部２の本体２１に取り付けられている。

＜操作部＞
操作部８は、処理装置６を操作するための装置である。操作部８は、例えばタブレット型のコンピュータによって構成されている。操作部８は、押し棒７に取り付けられ、処理装置６と無線通信を行う。

操作部８には、作業者が軌道狂いの測定中に、現在の測定位置をマークする際に押すイベントマークボタンが画面上に設けられている。なお、操作部８として、コンピュータの画面に代えて、物理的なイベントマークボタンを用いてもよい。

＜バッテリ＞
バッテリ９は、処理装置６等に電気を供給する電源である。バッテリ９は、測定部２の本体２１内に収納されている。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）処理装置６において、測定部２のローリングによる慣性計測装置３の傾きが補正されるため、ふらつき防止手段を設けることなく、レールの鉛直方向及び水平方向の不整に対する測定精度を高められる。

また、軌道狂い測定装置１では、測定部２のピッチングによる慣性計測装置３の傾きも補正できる。そのため、測定部２を２つのレールに跨って走行させることで、２つのレールの高低差を高い精度で測定することができる。

（１ｂ）処理装置６が第１モード及び第２モードを有することで、１つの軌道狂い測定装置１によって、鉛直方向不整、水平方向不整、２つのレールの高低差、２つのレールの間隔及び２つのレールのねじれを検出することができる。そのため、軌道の狂い測定において、複数の軌道狂い測定装置を用いる必要がなくなる。

（１ｃ）測定部２が軌間補助ローラ２４Ａ，２４Ｂと、通り補助ローラ２５Ａ，２５Ｂとを有するため、測定部２の向きを変えることで、第１走行に適した姿勢と、第２走行に適した姿勢とを容易に切り替えることができる。

（１ｄ）測定部２の向きを変えることで、自動的に処理装置６の第１モード及び第２モードが切り替わるため、測定作業の効率が向上する。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の軌道狂い測定装置１において、処理装置６は、少なくとも２つのレールの高低差を算出すれば、必ずしも１つのレールの鉛直方向不整及び水平方向不整を算出しなくてもよい。つまり、測定部２は、第１走行のみを行うように構成されてもよい。

逆に、処理装置６は、少なくとも１つのレールの鉛直方向不整及び水平方向不整を算出すれば、必ずしも２つのレールの高低差を算出しなくてもよい。つまり、測定部２は、第２走行のみを行うように構成されてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の軌道狂い測定装置１において、測定部２は、必ずしも軌間補助ローラ及び通り補助ローラを有しなくてもよい。また、測定部２は、第１走行及び第２走行の双方においてレールに当接する（つまり、第１モード及び第２モードで共通して使用される）補助ローラを有してもよい。

また、測定部２は、レールの上面に当接する転動体として、車輪の代わりにローラを有してもよい。さらに、測定部２は、第１走行及び第２走行の双方においてレールに当接する転動体を有してもよい。

（２ｃ）上記実施形態の軌道狂い測定装置１において、処理装置６は、必ずしも第１面２１Ｃと第２面２１Ｄとの位置関係によって、第１モード及び第２モードを切り替えなくてもよい。処理装置６は、例えば作業者によるモード切り替えの入力操作によって、モードを切り替えてもよい。

（２ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…軌道狂い測定装置、２…測定部、３…慣性計測装置、
４Ａ…第１ロータリエンコーダ、４Ｂ…第２ロータリエンコーダ、
５…ポテンショメータ、６…処理装置、７…押し棒、８…操作部、９…バッテリ、
２１…本体、２１Ａ…第１端部、２１Ｂ…第２端部、２１Ｃ…第１面、
２１Ｄ…第２面、２２Ａ…第１車輪、２２Ｂ…第２車輪、２２Ｃ…第３車輪、
２２Ｄ…第４車輪、２３…連結部、２４Ａ…第１軌間補助ローラ、
２４Ｂ…第２軌間補助ローラ、２５Ａ…第１通り補助ローラ、
２５Ｂ…第２通り補助ローラ。

Claims (3)

1. ２つのレールを有する軌道の狂い測定装置であって、
   前記２つのレールのうち、少なくとも１つのレールに沿って走行する測定部と、
   前記測定部に配置された角速度及び加速度を測定する慣性計測装置と、
   前記慣性計測装置の出力を処理する処理装置と、
   を備え、
   前記処理装置は、前記慣性計測装置の出力を用いて、前記少なくとも１つのレールの状態に起因しない前記慣性計測装置の傾きを補正しつつ、前記少なくとも１つのレールの状態を算出し、
   前記測定部は、
   前記慣性計測装置が固定された棒状の本体と、
   前記本体に取り付けられると共に、前記少なくとも１つのレールの上面に当接する少なくとも１つの転動体と、
   を有し、
   前記測定部は、前記本体が前記２つのレールに跨って走行する第１走行と、前記２つのレールのうち１つのレール上を前記本体の長手方向に沿って前記本体が走行する第２走行とが可能であり、
   前記処理装置は、
   前記測定部の前記第１走行中に、前記測定部の走行方向及び鉛直方向の双方と垂直な回転軸における前記慣性計測装置の傾きを補正しつつ、前記慣性計測装置の出力から前記２つのレールの高低差を算出する第１モードと、
   前記測定部の前記第２走行中に、前記測定部の走行方向と平行な回転軸における前記慣性計測装置の傾きを補正しつつ、前記慣性計測装置の出力から前記本体が走行しているレールの鉛直方向不整及び水平方向不整を算出する第２モードと、
   を有する、軌道狂い測定装置。
2. 請求項１に記載の軌道狂い測定装置であって、
   前記測定部は、
   前記第１走行時に前記２つのレールそれぞれに当接する少なくとも２つの軌間補助ローラと、
   前記第２走行時に前記本体が走行しているレールに当接する少なくとも１つの通り補助ローラと、
   をさらに有する、軌道狂い測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の軌道狂い測定装置であって、
   前記測定部の前記本体は、
   前記第１走行時に前記軌道の敷設面と対向する第１面と、
   前記第２走行時に前記敷設面と対向する第２面と、
   を有し、
   前記処理装置は、前記第１面と前記第２面との位置関係によって、前記第１モード及び前記第２モードを切り替える、軌道狂い測定装置。

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