JP7779710B2 - レール設置型の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサを備えたレール設置型の測定装置に関し、例えば列車が走行する鉄道軌道におけるレールの軸力を測定するレール軸力測定装置に適用して有効な技術に関するものである。

鉄道軌道では、温度上昇に伴う熱応力（レール軸力）の増加を原因としてレールの張り出しや座屈が起こる場合がある。レールの張り出しや座屈が起こると、列車の運行に支障をきたすおそれがある。そこで、このような不具合を防ぐため、レールの軸力を測定して適切に管理し、保守作業を実施することが行われている。
特に、ロングレールは、枕木と道床の間の縦方向抵抗力に阻止されて自由に伸縮できない状態になっているため比較的大きな熱応力が蓄積されるので、レール軸力を正確に把握することが重要である。ロングレールの管理における検査査項目として「ふく進検査」と「道床横抵抗力調査」がある。

現在、ふく進検査は、線路まくら木方向に糸を張り、その糸に対してレール長手方向のレール移動を測定する。その際に基準杭間のレールの伸縮から軸力を推定している。しかし、現行の方法は、検測時に多大な労力が必要であるとともに、レール移動量の読み間違いといった人的エラーが発生するおそれがある。
一方、従来、レール軸力測定装置に関する発明としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている発明がある。このうち、特許文献１に記載されている発明は、レールの中立軸と高さ方向軸に沿って配置し添着した複数のひずみゲージ素子でホイートストンブリッジを構成した検出部と、ブリッジ回路の軸力発生状態の不平衡出力から無軸力状態の不平衡出力を減算してレール軸力を算出する演算手段を備えたディジタル処理器とからレール軸力測定装置を構成したものである。

また、特許文献２に記載されているレール軸応力測定装置は、レール側面に貼り付けられた歪みゲージセンサおよび温度センサからなる軸圧センサと、軸圧変換器、データ収集装置を有し、軸圧変換器は、検出値測定ブリッジ回路と、ソーラーパネルと、ソーラーパネルの発生した電力を蓄積供給する電力蓄積供給デバイスと、測定データのサンプリング間隔、データの演算、記憶その他のデータ制御プログラムを内蔵したＩＣチップ、測定位置を識別するＩＤタグとにより構成したものである。

特開昭６２－１０３５３３号公報 特開２０１１－０３３３４８号公報

特許文献１に記載の発明は、レール側面にひずみゲージ素子で構成された検出部（センサ）のみを添着し、ひずみゲージ素子から延長ケーブルを引き出してディジタル処理器を接続するコネクタを設け、このコネクタを軌道敷近くの鉄柱に固定するように構成している。そのため、延長ケーブルの設置作業が面倒であるとともに、各センサによる測定値を取得するためには、センサが設置されている場所に赴いてコネクタにディジタル処理器を接続する必要があるため、多くの時間と多大な手間や労力を要するという課題がある。

一方、特許文献２に記載の発明は、レール側面に歪みゲージセンサおよび温度センサからなる軸圧センサを貼付するとともに、軸圧センサから引き出されたケーブルに接続された軸圧変換器を軌道上に設置しておくようにしたもので、測定値を取得するためには、センサおよび軸圧変換器が設置されている場所に赴いて軸圧変換器にデータ収集装置を接続する必要があるため、多くの時間と労力を要するという課題がある。また、特許文献２のレール軸力測定装置は、電源としてのソーラーパネルを備えた軸圧変換器を軌道上に設置しておくようにしているため、道床整備作業を行う際の妨げになるという課題がある。

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、レールに関連する物理量を検出するためのセンサが設置されている場所に赴いてデータ収集装置を接続して測定値を取得する手間を省き、効率よくセンサの検出値を収集することができるレール設置型の測定装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、軌道作業車による道床整備作業を妨げることがないレール設置型の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、
レールの側面に接合され所定の物理量を検出するための検出手段と、前記検出手段からの信号を受けデータ処理を行う電子基板を内蔵した本体ケースと、前記本体ケースをレールに装着するための取付け手段と、前記本体ケースに設けられた表示手段と、を備えたレール設置型の測定装置において、
前記表示手段は、前記取付け手段によって前記本体ケースがレールに装着された状態で、表示面が鉛直面に対して傾斜しかつ斜め上向きになるように配設され、
前記電子基板は、前記検出手段からの信号に基づいて検出した値を前記表示手段に表示可能に構成したものである。

上記のような構成を有する測定装置によれば、表示面が鉛直面に対して傾斜しかつ斜め上向きになるように配設された表示手段に検出値が表示されるため、走行する車両に搭載された画像カメラで表示手段に表示されている検出値を読み取って画像処理することで、レール軸力等のレールに関連する物理量を取得することができるので、検出手段（センサ）が設置されている場所に赴いて測定値を取得する手間を省き、複数箇所に設置されているセンサの検出値を効率よく収集することができる。

ここで、望ましくは、前記電子基板はコード変換機能を有し、前記表示手段には表示情報が２次元コードとして表示されるように構成する。
かかる構成によれば、比較的解像度の低い表示手段であってもセンサの検出情報（測定値）を表示し、走行する車両に搭載された画像カメラで検出情報を取得することができ、複数箇所に設置されているセンサの検出値を効率よく収集することができる。

また、望ましくは、前記電子基板は前記表示手段の表示を更新した回数を計数する計数手段を備え、
前記表示手段には、前記検出手段による検出値および前記計数手段による計数値が表示されるようにする。
かかる構成によれば、測定装置を構成する電子部品が故障したり電源が供給されなくなって表示内容の更新が行えなくなったりした場合には、計数手段によるカウント値が変化しなくなるため、測定装置に異常があることを把握することができ、誤った情報に基づく誤った判断がなされるのを防止することができる。

また、望ましくは、前記表示手段は電子ペーパーであり、
前記本体ケースには、前記電子基板に電源電圧を供給する電池を収納する収納部が設けられ、
前記電子基板は前記電池からの電力で動作するように構成され、所定の時間間隔で前記検出手段からの信号に基づいて検出値を取得し、所定の条件を満たすものあるいは所定の条件を満たしたときに前記検出値を前記表示手段に表示するように構成する。
かかる構成によれば、常時表示を行う表示手段における消費電力を減らすことができるため電源として電池を使用することができるとともに、電池を使用することでソーラーパネルを設置して電源ケーブルを敷設する必要がなくなり、測定装置の設置作業を簡単に行なえるようにすることができる。

また、望ましくは、前記本体ケースの前面部の上端と下端がレールの頭側部と底部フランジの側部とを結んだ接線よりもレール側に位置するように、前記本体ケースが形成されているようにする。
かかる構成によれば、測定装置のケースが軌道作業車による道床整備作業を妨げることがないようにすることができる。

また、望ましくは、前記取付け手段はマグネットであり、
前記本体ケースはレールに接合される面がレールの側面に対応して湾曲され、その湾曲された面の一部にレールの側面に貼着された前記検出手段を収容可能な凹部が形成されているようにする。
かかる構成によれば、測定装置のレール側面への設置および取り外しが簡単に行えるとともに、本体ケースのレールに接合される面がレールの側面に対応して湾曲されているため、マグネットの吸着力のみで測定装置をしっかりとレール側面に固定することができる。また、センサおよび電子基板とセンサとを接続するケーブルが本体ケースの後壁に干渉しないようにすることができ、本体ケースとレールとの密着性を高めることができる。

本発明に係るレール設置型の測定装置によれば、レール軸力を検出するためのセンサが設置されている場所に赴いてデータ収集装置を接続して測定値を取得する手間を省き、効率よくレール軸力を収集することができる。また、軌道作業車による道床整備作業を妨げることがないという効果がある。

本発明に係るレール軸力測定装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の実施形態のレール軸力測定装置の内部構成を示す分解斜視図である。 図１の実施形態のレール軸力測定装置の検出手段（温度センサおよび歪みセンサ）をレール側面へ取り付けた状態を示す外観図である。 図１の実施形態のレール軸力測定装置における表示パネルへの表示の形態を示す斜視図である。 図１の実施形態のレール軸力測定装置をレール側面へ装着した状態を示す図である。 レール側面へ取り付けたレール軸力測定装置の表示パネルからの表示情報の読み取りの仕方を示す図である。

以下、本発明に係るレール設置型の測定装置をレール軸力測定装置に適用した場合の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１には本発明を適用したレール軸力測定装置の一実施形態の斜視図が、また図２にはその分解斜視図が示されている。本実施形態のレール軸力測定装置１０は、歪みを検出する歪みセンサを備え測定対象のレールのウェブ側面に装着されて、レール軸力を測定する機能を有する測定器である。

図１および図２に示すように、本実施形態のレール軸力測定装置１０は、一面が開口した箱形をなす前側ケース１１Ａ及び後側ケース１１Ｂを備え、前側ケース１１Ａの後部開口と後側ケース１１Ｂの前部開口を突き合わせた状態で両者の４隅をネジで結合することによって、本体ケース１１が構成されている。
また、前側ケース１１Ａの開口と後側ケース１１Ｂの開口との間にＯリングなどのシール材１２（図２参照）が介挿されることで、本体ケース１１の内部空間が密閉された構造になるように構成されている。さらに、本体ケース１１の高さが、レール頭部の顎下と底部フランジとの間隔よりも小さくなるように、ケースの大きさが設計されている。

前側ケース１１Ａは、前面側が上向きの傾斜を有するように形成され、この前面傾斜部に、電子ペーパーのような表示内容を書き換え可能な表示パネル１３が上向きに傾斜した姿勢で配設され、表示パネル１３の前面側にはアクリル板などからなる保護用の透明パネル１４が配設されている。また、表示パネル１３の背後には、表示パネル１３を駆動制御したりセンサからの信号を受けて測定値を２次元コードに変換したりする機能を備えたＭＰＵ（マイクロプロセッサ）や測定値その他のデータを記憶するＩＣメモリなどの電子部品が実装された電子基板１５が配設され、ネジによって前側ケース１１Ａ内に固定されるように構成されている。

また、後側ケース１１Ｂには、電子基板１５へ電源を供給する電池を収納する凹部１６と、電子基板１５と歪みセンサおよび温度センサとを接続するケーブル２０を通す挿通孔１７が設けられている。さらに、後側ケース１１Ｂの背面の上部にはネオジウム磁石のような短冊状のマグネット１８Ａ，１８Ｂが、また後側ケース１１Ｂの背面の下部には同様なマグネット１８Ｃ，１８Ｄがそれぞれ横並びの状態でネジによって固着されている。

また、図３に示すように、レール腹部側面の中立軸Ｎ.Ａの高さ位置に装着されている歪みセンサ２１および温度センサ２２とケース内から引き出されたケーブル２０が、本体ケース１１の後壁と干渉しないように逃がすための凹部１９が、図１に示すように、後側ケース１１Ｂの上下方向中央部に設けられている。なお、ケーブル２０には、電子基板１５上のＩＣメモリから直接ログデータを取得するための信号線（コード）を含ませるようにしても良い。

なお、下側のマグネット１８Ｃ，１８Ｄは、例えば列車走行頻度の少ない箇所などの条件によっては省略することも可能であり、マグネット１８Ｃ，１８Ｄを省略した場合には、マグネット１８Ａ，１８Ｂのみでレール側面に吸着されるため、前側ケース１１Ａの外側下部に指を掛けて本体ケース１１を持ち上げるようにすることによって、レール軸力測定装置１０をレール側面から容易に取り外すことができるようになるという利点がある。

また、後側ケース１１Ｂの背面は、図５に示すように、レールＲの腹部の湾曲形状に対応して、上下方向中央部が外側へ膨らむような湾曲した形状に形成されている。これにより、マグネット１８Ａ，１８Ｂおよび１８Ｃ，１８Ｄがレール表面と平行になって接触面積が増加して吸着力が大きくなり、列車の走行に伴うレールの振動で装置がレールの側面から脱落するのを防止することができる。
特に限定されるものでないが、本実施形態のレール軸力測定装置１０においては、図４に示すように、表示パネル１３に測定値がＱＲコード（登録商標）のような２次元コードで表示されるように、電子基板１５上のＭＰＵがコード変換機能を有するようにプログラムが作成されている。

また、本実施形態のレール軸力測定装置１０において、表示パネル１３が設けられた前側ケース１１Ａの前面が上向きの傾斜を有するように構成されているのは、図６に示すように、上記表示パネル１３に表示された２次元コードを、走行する列車の車両に搭載されている画像カメラ２３により撮影できるようにするためである。
ここで、前側ケース１１Ａの前面の上向きの傾斜角θが小さいほど表示された２次元コードを画像カメラ２３による撮影画像のゆがみが小さくなるが、傾斜角θが小さいほど保護用の透明パネル１４で反射した光が画像に映り込んで撮影画像が不鮮明になるとともに、本体ケース１１のレール側方への突出量が大きくなり、道床整備作業の際に損傷を受けるリスクが大きくなる。ただし、撮影画像のゆがみは画像処理で簡単に補正することができる。

従って、図６に示すように、本体ケース１１の上端と下端がレールＲの頭側部と底部フランジの側部とを結んだ接線Ａよりもレール側に位置するように、本体ケース１１の形状を設計するのが望ましい。
また、画像カメラ２３により鮮明な画像を取得して測定値の誤読込みを回避できるようにするために、透明パネル１４の表面には、反射防止機能および雨水をはじく撥水機能のある被膜を形成しておくようにするのが望ましい。

次に、本実施形態のレール軸力測定装置１０における表示パネル１３への測定値の表示のさせ方について説明する。
前述したように、本実施形態のレール軸力測定装置は、本体ケース１１に内蔵した電池を電源として用いている。従って、電池交換の頻度を少なくするために、できるだけ消費電力を減らすことが重要である。そこで、本実施形態においては、表示パネル１３として、表示内容を更新するときにのみ電力を消費する電子ペーパーを使用している。また、表示内容の更新回数を少なくするため、工夫を行なっている。具体的には、センサによる検出動作を例えば１時間に１度のような頻度に設定するとともに、所定の条件を満たした場合に表示パネル１３の表示内容を更新するようにした。

所定の条件としては、例えば７２回の測定値の中から１つを代表値として決定することがあり、これにより３日に１度の頻度で表示内容を更新することができる。レールの座屈発生に対する安全度の評価手法では、最小座屈強度と最大発生軸力との比で表わされる安全度αなる指標を用いて、α＝１．２以上を確保するように管理されており、最大発生軸力はレール最大温度と中立温度の差に比例することが知られている。

従って、上記代表値の決定の仕方としては、中立温度（＝レール温度＋ひずみ／線膨張係数）を活用するのが効率的であるので、例えば温度センサ２２による測定値をＴ、歪みセンサ２１による測定値をε、レールの線膨張係数をβ（1.14×１０^-5）とした場合、Ｔ＋(ε／β)が最小になるものを代表値とすることが考えられる。
また、中立温度が低いほど安全度は小さくなり、安全側にあると判断できることが知られている。従って、所定の条件として、上記「７２回の測定値の取得と代表値の決定」の代わりに、中立温度の１℃を閾値として、つまり中立温度が１℃変化した場合に、表示パネル１３の表示内容を更新するようにしても良い。

次に、上記表示パネル１３に表示させる内容（情報の種類）の例について説明する。
本実施形態のレール軸力測定装置においては、上記電子基板１５が表示パネル１３の表示を更新した回数をカウント値として計数する計数手段を備え、表示パネル１３の表示内容として、死活監視用のカウント値とセンサにより測定した温度および歪みの値の３つを選択している。カウント値は、表示内容を更新する度にインクリメントされる値であり、このカウント値が所定期間以上更新されていない場合には、回路の故障、電池切れなど装置に異常が発生していると判定することができる。

また、カウント値は例えば「０」～「９９」の２桁の数字で表すとともに、温度を３桁の数字、歪みを４桁の数字でそれぞれ表わすようにする。ＱＲコード（登録商標）の仕様には複数のものがあり、そのうち２５セル×２５セルのコードであれば、４８文字をコード化できるので、上記３種類のデータを上記桁数で表わすようにしたとすると、最大で６回分のデータを表示させることができる。

さらに、現在走行している営業列車の中には、プロファイルカメラ（レーザーを使用した距離計）および画像カメラを備えた軌道材料モニタリング装置を搭載しているものがあり、本実施形態のレール軸力測定装置の上記表示パネル１３に上記仕様のＱＲコード（登録商標）を表示させることで、既存の軌道材料モニタリング装置の画像カメラにより、表示内容を読み取ることができることを試験走行により確認できている。
上記のような構成を有するレール軸力測定装置によれば、車両に搭載された画像カメラでレール軸力を検出するための温度センサおよび歪みセンサの測定値を取得することができるため、センサが設置されている場所に赴いてデータ収集装置をレール軸力測定装置に接続して測定値を取得する手間を省き、効率よくレール軸力を収集することができる。

なお、ロングレールの軸力を測定して軌道を監視する場合、情報としてレール軸力測定装置の位置情報があるのが望ましい、そこで、表示パネル１３の表示内容にレール軸力測定装置の設置位置情報（例えばキロ程や緯度経度）を含ませることが考えられる。
ただし、既存の軌道材料モニタリング装置においては、プロファイルカメラおよび画像カメラで取得したデータを記憶する際にキロ程情報を合わせて記憶するようにしているものがある。従って、そのようなモニタリング装置を搭載している列車が走行する路線のレールに装着するレール軸力測定装置にあっては、表示パネル１３の表示内容にレール軸力測定装置の位置情報を含ませる必要がない。そのため、本実施形態のレール軸力測定装置においては、表示内容をカウント値とセンサで測定した温度と歪みの値のみとした。

なお、カウント値の表示は省略しても良い。また、モニタリング装置を搭載している列車が走行しない路線のレールに装着するレール軸力測定装置にあっては、電子基板上にキロ程を設定するための入力モード用スイッチもしくは設定用スイッチを設けて測定装置が設置される位置の情報（例えばキロ程）を入力もしくは設定し、設定された位置情報と測定した温度と歪みの値を表示パネル１３に表示するようにしても良い。ここで、位置の情報の入力は、ケーブル２０に含まれるケース内部のＩＣメモリからのログデータの取得用信号線を利用して行うように構成することもできる。
さらに、取得した測定値と測定装置との紐付けの方法としては、位置情報（キロ程）の代わりに測定装置の識別コードを表示パネル１３に表示させ、取得した測定値を管理する装置の記憶装置に識別コードと設置位置情報（キロ程）との関係を示すテーブルを記憶しておいて、そのテーブルを参照して測定位置を把握するように構成しても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態のレール軸力測定装置１０においては、表示パネル１３として電子ペーパーを使用しているが、液晶パネルであっても良い。また、上記実施形態では、電源として電池を使用しているが、太陽光パネルと２次電池を電源装置として使用するようにしても良い。さらに、上記実施形態では、レール軸力測定装置１０をレール側面に装着する手段としてマグネットを使用したが、レールのフランジを把持する手段（レールキャッチャ）を備えた取付け金具を用いるようにしても良い。

また、以上、本発明を、レール軸力（歪みおよび温度）を測定して表示するレール軸力測定装置に適用したものについて説明したが、本発明は、例えばレール表面に波状摩耗が発生し易い箇所等に設置されてレールの振動や音を測定して表示することで波状摩耗を検出するための測定装置にも利用することができる。

１０ レール軸力測定装置
１１ 本体ケース
１１Ａ 前側ケース
１１Ｂ 後側ケース
１２ シール材
１３ 表示パネル（表示手段）
１４ 保護用の透明パネル
１５ 電子基板
１６ 電池収納凹部
１７ ケーブル挿通孔
１８Ａ～１８Ｄ マグネット（取付け手段）
１９ センサとケースとの干渉防止用の凹部
２０ ケーブル
２１ 歪みセンサ
２２ 温度センサ
２３ 画像カメラ

Claims (7)

1. レールの側面に接合され所定の物理量を検出するための検出手段と、前記検出手段からの信号を受けデータ処理を行う電子基板を内蔵した本体ケースと、前記本体ケースをレールに装着するための取付け手段と、前記本体ケースに設けられた表示手段と、を備えたレール設置型の測定装置であって、
   前記表示手段は、前記取付け手段によって前記本体ケースがレールに装着された状態で、表示面が鉛直面に対して傾斜しかつ斜め上向きになるように配設され、
   前記電子基板は、前記検出手段からの信号に基づいて検出した値を前記表示手段に表示可能に構成され、
   前記電子基板はコード変換機能を有し、前記表示手段には表示情報が２次元コードとして表示されるように構成されていることを特徴とするレール設置型の測定装置。
2. 前記電子基板は前記表示手段の表示を更新した回数を計数する計数手段を備え、
   前記表示手段には、前記検出手段による検出値および前記計数手段による計数値が表示されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレール設置型の測定装置。
3. レールの側面に接合され所定の物理量を検出するための検出手段と、前記検出手段からの信号を受けデータ処理を行う電子基板を内蔵した本体ケースと、前記本体ケースをレールに装着するための取付け手段と、前記本体ケースに設けられた表示手段と、を備えたレール設置型の測定装置であって、
   前記表示手段は、前記取付け手段によって前記本体ケースがレールに装着された状態で、表示面が鉛直面に対して傾斜しかつ斜め上向きになるように配設され、
   前記電子基板は、前記検出手段からの信号に基づいて検出した値を前記表示手段に表示可能に構成され、
   前記電子基板は前記表示手段の表示を更新した回数を計数する計数手段を備え、
   前記表示手段には、前記検出手段による検出値および前記計数手段による計数値が表示されるように構成されていることを特徴とするレール設置型の測定装置。
4. レールの側面に接合され所定の物理量を検出するための検出手段と、前記検出手段からの信号を受けデータ処理を行う電子基板を内蔵した本体ケースと、前記本体ケースをレールに装着するための取付け手段と、前記本体ケースに設けられた表示手段と、を備えたレール設置型の測定装置であって、
   前記表示手段は、前記取付け手段によって前記本体ケースがレールに装着された状態で、表示面が鉛直面に対して傾斜しかつ斜め上向きになるように配設され、
   前記電子基板は、前記検出手段からの信号に基づいて検出した値を前記表示手段に表示可能に構成され、
   前記表示手段は電子ペーパーであり、
   前記本体ケースには、前記電子基板に電源電圧を供給する電池を収納する収納部が設けられ、
   前記電子基板は前記電池からの電力で動作するように構成され、所定の時間間隔で前記検出手段からの信号に基づいて検出値を取得し、所定の条件を満たすものあるいは所定の条件を満たしたときに前記検出値を前記表示手段に表示するように構成されていることを特徴とするレール設置型の測定装置。
5. 前記表示手段は電子ペーパーであり、
   前記本体ケースには、前記電子基板に電源電圧を供給する電池を収納する収納部が設けられ、
   前記電子基板は前記電池からの電力で動作するように構成され、所定の時間間隔で前記検出手段からの信号に基づいて検出値を取得し、所定の条件を満たすものあるいは所定の条件を満たしたときに前記検出値を前記表示手段に表示するように構成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のレール設置型の測定装置。
6. 前記本体ケースの前面部の上端と下端がレールの頭側部と底部フランジの側部とを結んだ接線よりもレール側に位置するように、前記本体ケースが形成さ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設置型の測定装置。
7. 前記取付け手段はマグネットであり、
   前記本体ケースはレールに接合される面がレールの側面に対応して湾曲され、その湾曲された面の一部にレールの側面に貼着された前記検出手段を収容可能な凹部が形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のレール設置型の測定装置。