JPH05164534A - 鉄道レールの疲労損傷評価装置とその評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は敷設レール頭表面の疲労損傷の種
類、進展度および発生場所をリアルタイムで評価する装
置およびその評価方法を提供できるようにする。 【構成】 車両走行時に車輪２とレール頭表面４ａとが
摩擦接触することにより前記レール頭表面４ａが発熱す
る現象を利用し、前記レール頭表面４ａの温度分布状態
を赤外カメラ５を用いて検出し、その温度濃淡の状態を
解析装置１４で解析するとともに、前記レール頭表面４
ａの温度分布の検出位置を距離算出手段（距離計８，補
正装置９よりなる）で監視し、温度濃淡の状態を解析し
た温度分布情報および位置情報に基づいて前記レール頭
表面の疲労損傷評価を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車輪と接触する鉄道レ
ール頭表面の疲労損傷を評価する鉄道レール疲労損傷の
評価装置とその評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、レール頭表面の疲労は車両
の通過に伴い進行する。例えば、超高速鉄道では約１億
トン以上の累積通トンで疲労損傷が発生する。前記疲労
損傷とは、レール頭表面のき裂、黒っぽい凹み斑点、貝
殻状の剥離面等であり、それは頭表面中央シェリング、
車輪のフランジと接触部のゲージコーナシェリング、或
いはきしみ割れ等に大別される。それらは、当然、疲労
進行によって進展するが、このことは、例えば鉄道総合
技術研究所発刊：Ｒ．Ｒ．Ｒ．（１９８７）の２８頁に
記載されている。

【０００３】このような疲労損傷が進むと大きな事故に
つながる恐れがあるので、鉄道レールの保全や補修等を
従来より行っている。従来より行われている鉄道レール
の保全や補修等の仕方は、前記した鉄道総合技術研究所
発刊：Ｒ．Ｒ．Ｒ．（１９８６）の３６頁に記載されて
いるように、先ず、超音波探傷車を走行させて車上から
傷の有無を評価するようにしている。そして、疲労損傷
が検出されると係員がその現場に赴き、超音波探傷器厚
み計により傷の有無、種類、進展度等を詳細に調査する
ようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】超音波法では、超音波
の発・受信器と試験片との間に媒体（例えば水）を置い
た状態でレールに超音波を入射し、その頭表面や裏面以
外のエコーを受信することによって内部に欠陥や傷があ
ることを確認するものである。すなわち、従来より行わ
れている超音波探傷は、本来はレールの内部欠陥の存在
を評価するものであった。

【０００５】このため、従来の超音波探傷車により傷の
有無を評価する仕方には次のような問題があった。すな
わち、（１）レール表面からのエコーが乱反射するの
で、レール頭表面の疲労損傷を正確に検出することは困
難であった。また、（２）測定に長い時間を要するの
で、長い距離にわたって敷設されたレール頭表面の疲労
損傷を迅速に評価することは不可能であった。更に、
（３）過密ダイヤのために調査時間に制限が加えられこ
とが多く、超音波探傷車を頻繁に走行させるのが困難で
あった。

【０００６】本発明の目的は従来法の難点を解消し、敷
設レール頭表面の疲労損傷の種類、進展度および発生場
所をリアルタイムで評価することができる装置とその評
価方法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、車輪の後方に設けられていて、前記車輪が
通過したあとのレール頭表面を撮影してその温度分布を
検出する赤外カメラと、前記赤外カメラより与えられる
撮像信号に基づいて前記レール頭表面における疲労損傷
の種類や進展度を検出する解析装置と、前記赤外カメラ
が前記レール頭表面を撮像している位置を特定するため
の距離算出手段とを具備している。

【０００８】また、本発明の他の特徴とするところは、
車両が走行しているときのレール頭表面の温度分布を連
続的に検出するとともに、前記温度分布検出を行ってい
る位置を特定するための位置情報を生成し、前記温度分
布情報と前記位置情報とに基づいて前記レール疲労損傷
の種類、進展度および発生場所を評価するようにしてい
る。

【０００９】

【作用】上記のように構成された本発明によれば、車両
走行時に車輪２と摩擦接触することによりレール頭表面
４ａが発熱する現象を利用し、前記レール頭表面４ａの
温度分布を赤外カメラ５で撮影し、その温度濃淡の状態
を解析装置１４で解析することにより、疲労損傷の「種
類」や「進展度」の評価を可能にする。また、前記温度
分布検出を行っている位置を距離計８，補正装置９，運
転制御器１０などよりなる距離算出手段で監視し、ここ
から与えられる位置情報に基づいて前記レール疲労損傷
の「発生場所」の評価を可能にする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って詳
述する。本発明は赤外カメラの特徴、すなわち物体やそ
の動きを温度差（−１０度Ｃ〜２０００度Ｃ）により二
次元画像化できること、およびその熱をリアルタイムか
つ連続的に高感度で検出できること等を利用した基礎的
な調査によって、車輪の輪転直後のレール頭表面の摩擦
熱温度分布が疲労損傷分布と一義的な対応関係にあるこ
とを見いだしたことから完成したものである。

【００１１】すなわち、図５の摩擦熱の温度と疲労損傷
の進展度との特性図に示すように、車輪とレールとの摩
擦熱温度と疲労損傷の「種類」および「進展度」とは密
接な関係をもっている。そして、接触摩擦熱は数十度か
ら数百度と高く、赤外カメラはその赤外線エネルギーを
検出してレール頭表面の温度分布を容易に二次元画像化
でき、その画像は通常の光学写真のそれと１対１の対応
関係にある。

【００１２】すなわち、赤外カメラ像の疲労損傷部では
摩擦熱が低くなっていて、この温度低下の度合いは損傷
が大きいほど顕著となる。その理由は、疲労損傷部では
き裂や凹み、および剥離面等が生じるが、このような部
位は車輪との接触が少なく、かつ放熱が早いため摩擦熱
が低くなっているものである。

【００１３】図２は凹みによる疲労損傷を示し、図３は
割れによる疲労損傷を示している。また、これらの図２
および図３において、（ａ）は断面を示し、（ｂ）は平
面を示している。また、（ｃ）は二次元赤外画像を示し
ている。これらの図から明らかなように、凹み４ｂや割
れ４ｃでは車輪と接触しないので、その周囲のレール頭
表面４ａよりも温度が低い。それゆえに、車輪の輪転直
後のレール頭表面４ａの接触摩擦による温度分布を赤外
カメラで撮影すると、図２の（ｃ）および図３の（ｃ）
で示したように、その画像の中には疲労損傷部と一対一
に対応した鮮鋭な二次元画像が得られる。

【００１４】したがって、本発明では前記制御装置から
の画像や、これを録画した画像等を解析することによ
り、疲労損傷の「種類」および「進展度」を定量的に求
めることができる。また、赤外カメラの敷設レール上の
撮影場所は接触式の回転距離計の走行距離で求められる
が、その確度を高めるために列車の速度や走行時間から
算出した走行距離、赤外カメラが撮影した敷設場所が既
知のレールの伸縮継目の場所（距離）、或いは車両の停
車駅（距離）等の情報から補正される。

【００１５】以上から、本発明では車両走行時に撮影さ
れた赤外カメラ像と、撮影に至るまでの走行距離情報等
から、敷設レール頭表面の疲労損傷の「発生場所」を評
価するようにした。したがって、本発明では通常ダイヤ
で走行する車両に本発明装置を取り付けて疲労損傷の検
査が可能である。

【００１６】以下、本発明の具体的な一実施例を図面を
参照して説明する。先ず、図１の鉄道レール疲労損傷の
評価装置を鉄道車両に組み込み、赤外カメラで車両走行
時の車輪２が輪転直後の敷設レール頭表面を４ａを撮影
する。そして、その「接触摩擦熱の温度分布」と回転距
離計８の「補正走行距離」とを対応させて画像化し、解
析装置１４により直ちに解析する。なお、この画像を録
画しておいて後から画像解析するようにしてもよい。

【００１７】図４はその表示結果の一例であり、次のよ
うにして生成される。すなわち、図１に示すように、鉄
道車両１の車輪２が矢印３で示す回転方向で敷設レール
４と転がり接触する際、車輪２が輪転した直後のレール
頭表面４ａを、矢印５ａで示すように赤外カメラ５で撮
影するようにしている。なお、本実施例における赤外カ
メラ５は、ジャイロスコープを備えたスタビライザー６
に固定されている。

【００１８】この場合、スタビライザー６は車両１に固
定されているので、車両の走行時の振動はスタビライザ
ー６には伝わるが、スタビライザー６の作用により除去
されるので、赤外カメラ５が大きく振動するのが防止さ
れる。したがって、赤外カメラ５は敷設レール２の頭表
面をブレのない画像として撮ることができる。さらに、
本実施例においては車輪２の放射熱を遮蔽するガード７
を車両１に取り付けており、放射熱による誤差要因を除
去して摩擦熱の温度分布を鮮明に撮影できるようにして
いる。

【００１９】また、撮影場所を示す車両走行距離は、車
両１に固定された接触式の回転距離計８によって検出す
るようにしている。本実施例では、接触車輪の磨耗を考
慮し、車両制御出力１０かられて与えられる車両速度
と、走行時間から求めた走行距離、車両停車駅の場所
（距離）、或いは赤外カメラ５が既知場所（距離）に敷
設されている伸縮継目を感知することにより検出される
情報等に基づいて、車両走行距離を補正装置９で補正す
るようにしている。

【００２０】赤外カメラ５、距離計８および補正装置９
等の各種条件は制御装置１１により制御される。この制
御装置１１は、赤外カメラ５が撮影した画像と補正装置
９の補正走行距離とを対応させて画像化し、その画像を
解析装置１４に随時転送するとともに、モニターテレビ
１２に映し出すようにする。また、車両走行速度に応じ
た録画速度でビデオ装置１３に録画できるようにする制
御を行っている。

【００２１】解析装置１４では、制御装置１１から転送
されてきた画像、或いは走行後にビデオ装置１３から供
給される録画画像から、疲労損傷の「種類」、「進展
度」および「発生場所」等を定量的に解析しており、そ
の結果は表示装置１５に表示するようにしている。演算
装置１６は、解析装置１４による解析結果を記憶すると
ともに、赤外カメラ５、スタビライザー６、回転距離計
８、補正装置９、運転制御器１０、制御装置１１、モニ
ターテレビ１２、ビデオ装置１３、解析装置１４および
表示装置１５を連続的にかつ自動的に制御する。

【００２２】図４は、表示装置１５に表示される解析結
果の一例であり、縦軸に頭表面中央シェリング（凹みの
疲労損傷のこと）の数、およびそのシェリングの平均サ
イズ、横軸にＡ駅とＢ駅間の距離（３．５Ｋｍ）を示し
ており、図２および図３のような各駅間の連続的な二次
元画像から、レールの１０ｃｍ長さ当たりに分布するシ
ェリングの数およびその平均サイズを画像解析して求め
たものである。

【００２３】これらの図から明らかなように、疲労損傷
は駅の近傍で多く発生している。また、駅の近傍で発生
する疲労損傷は、サイズが大きいことが分かった。さら
に、トンネル内では疲労損傷の分布が駅近傍と逆に減少
する傾向を示すことが明らかになった。

【００２４】なお、本実施例においては上述した構成で
あるので、以下に示すような本実施例特有の作用効果が
得られる。すなわち、本実施例においてはスタビライザ
ー６を介して赤外カメラ５を車両１に取り付けているの
で、車両１の振動を吸収することができ、ブレの少ない
良好な赤外画像が得られる。

【００２５】赤外カメラ５と車輪２との間にガード７を
設けたので、車輪２からの放射熱が赤外カメラ５に入射
されないようにすることができ、車輪２からの放射熱に
よる誤差を軽減して正確な温度分布検出を行うことがで
きる。

【００２６】レール４の頭表面４ａに接触させた状態で
回転距離計８を車両１に取り付けるとともに、回転距離
計の走行距離を補正する補正装置を設けて距離算出手段
を構成したので、簡単な構成で高精度な距離検出を行う
ことができる。

【００２７】赤外カメラ５から送出されるレール頭表面
４ａの温度分布情報、および前記距離算出手段から送出
される距離情報を録画するためのビデオ装置１３を設け
たので、レール頭表面４ａの疲労損傷をリアルタイムで
評価できるばかりでなく、走行後に評価することが可能
である。なお、長時間録画のビデオ装置や容量の大きい
演算装置等を用いれば、敷設レールの疲労損傷の検査を
長距離にわたって行うことができ、疲労損傷の評価作業
を容易化できる。

【００２８】また、解析装置の解析結果を表示するため
の表示装置が設けられているので、解析結果をすぐに知
ることができる。なお、前述の実施例では示していない
が解析結果をプリントアウトする装置を設けるのがよ
い。更に、レール頭表面４ａの温度分布情報や距離情報
等を映し出すモニターテレビ１２が設けられているの
で、解析結果と実際のレール頭表面４ａの状態とを視認
することができ、評価結果の確認が容易となる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、車両走行
時に車輪と摩擦接触することによりレール頭表面が発熱
する現象を利用し、前記レール頭表面の温度分布を検出
し、その温度濃淡の状態を解析するとともに、前記レー
ル頭表面の温度分布の検出位置を監視し、温度濃淡の状
態を解析した情報および位置情報に基づいて前記レール
疲労損傷の評価を行うようにしたので、レールの疲労損
傷の種類、進展度および発生場所を容易にかつ正確に評
価することができるようになり、レール交換時期を確実
に知ることができる。したがって、レールの疲労損傷に
基づく事故を防止して車両運行の安全性を大幅に高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す鉄道レールの疲労損傷
評価装置の構成図である。

【図２】凹みによる疲労損傷と二次元赤外画像との対応
関係を示す図である。

【図３】割れによる疲労損傷と二次元赤外画像との対応
関係を示す図である。

【図４】疲労損傷のシェリングの数、およびシェリング
の平均サイズと走行距離との対応関係を示す特性図であ
る。

【図５】摩擦熱に対する疲労損傷の大きさの図である。

【符号の説明】

１ 車両 ２ 車輪 ３ 車輪の回転方向を示す矢印 ４ 敷設レール ５ 赤外カメラ ６ スタビライザー ７ ガード ８ 接触式の回転距離計 ９ 補正装置 １０ 車両制御器 １１ 制御装置 １２ モニターテレビ １３ ビデオ装置 １４ 解析装置 １５ 表示装置 １６ 演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 修治 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 影山 英明 北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新日本製 鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 杉野 和男 北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新日本製 鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車輪の後方に設けられていて、前記車輪
   が通過したあとのレール頭表面を撮影してその温度分布
   を検出する赤外カメラと、 前記赤外カメラより与えられる撮像信号に基づいて前記
   レール頭表面における疲労損傷の種類および進展度を評
   価する解析装置と、 前記赤外カメラが前記レール頭表面を撮像している位置
   を特定するための距離算出手段とを具備することを特徴
   とする鉄道レールの疲労損傷評価装置。
2. 【請求項２】 レール頭表面を撮影するための赤外カメ
   ラと、 前記赤外カメラに伝わる振動を吸収しながら前記赤外カ
   メラを車両に支持固定するスタビライザーと、 前記車両の車輪からの放射熱が前記赤外カメラに入射さ
   れるのを防止するために前記赤外カメラと前記車輪との
   間に設けられたガードと、 前記車両の走行距離を検出するために、前記レールと接
   触させて前記車両に取り付けられた接触式の回転距離計
   と、 前記回転距離計で検出される走行距離値を補正するため
   の補正装置と、 前記補正装置に距離情報および位置情報を提供する車両
   制御器と、 前記赤外カメラから送出されるレール頭表面の温度分布
   情報、および前記赤外カメラが前記レール頭表面を撮像
   している位置を算出する距離算出手段から送出される距
   離情報を録画するためのビデオ装置と、 前記レール頭表面の温度分布情報および前記距離情報を
   画像として映し出すモニターテレビと、 前記赤外カメラ，接触式の回転距離計，補正装置，ビデ
   オ装置，モニターテレビを制御する制御装置と、 前記制御装置およびビデオ装置から供給される画像を解
   析する解析装置と、 前記解析装置の解析結果を表示するための表示装置と、 前記解析装置の解析結果を記憶したり、前記赤外カメ
   ラ，接触式の回転距離計，補正装置，ビデオ装置，モニ
   ターテレビを連続的に、かつ自動的に動作させる演算装
   置とを具備することを特徴とする鉄道レールの疲労損傷
   評価装置。
3. 【請求項３】 車両が走行しているときのレール頭表面
   の温度分布を連続的に検出するとともに、前記温度分布
   検出が行われている位置を特定するための位置情報を生
   成し、前記温度分布情報と前記位置情報とに基づいて前
   記レール疲労損傷の種類、進展度および発生場所を評価
   するようにしたことを特徴とする鉄道レールの疲労損傷
   の評価方法。