(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄道車両用車輪の踏面部及びフランジ部の形状や、車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さ、左右車輪間隔の距離等の車輪寸法を迅速、正確に計測する車輪形状測定装置を提供する。【解決手段】車両が走行する線路近傍に、車輪が計測位置に到達したことを検出する車輪計測位置検出センサー、該センサーの信号をトリガーとし車輪の内側からフランジ部と基準溝に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う内側面レーザー変位計及び前記センサーの信号をトリガーとし車輪の外側から踏面部とフランジ部に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う踏面レーザー変位計を設けると共に、前記２つのレーザー変位計により形状測定されたデータを受信し補正処理を行い記録保存する計算機部を有してなる車輪形状測定装置。【選択図】図１
2010181216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両が走行する線路近傍に、車輪が計測位置に到達したことを検出する車輪計測位置検出センサー、該センサーの信号をトリガーとし車輪の内側からフランジ部と基準溝に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う内側面レーザー変位計及び前記センサーの信号をトリガーとし車輪の外側から踏面部とフランジ部に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う踏面レーザー変位計を設けると共に、前記２つのレーザー変位計により形状測定されたデータを受信し補正処理を行い記録保存する計算機部を有してなる車輪形状測定装置。
【請求項２】
前記計算機部は、内側面レーザー変位計により得られたフランジ部と基準溝の形状データ及び踏面レーザー変位計により得られた踏面部とフランジ部の形状データに対し、車輪の大小による半径方向の角度補正、計測時の温度による温度特性変動の補正及び取り付け位置・角度の設計位置変動補正を行い、得られた補正後の前記２つの形状データを、フランジ先端部を共通にしてつなぎ合わせ車輪中心を通過する面における車輪断面形状データを算出し、この形状データから車輪計測の基準となる踏面部に存在する計測基準点を求め、該計測基準点に基づき車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さを含む車輪寸法を取得する請求項１の車輪形状測定装置。
【請求項３】
前記車輪計測位置検出センサーは、発光部よりレール上面を通過する光線を受光部にて検知し、計測対象の車輪の進入による光線の遮断または受光により、レーザー変位計のトリガーとなる信号を発生する請求項１又は２の車輪形状測定装置。
【請求項４】
前記計算機部は、車輪の直径差により車輪半径方向に生ずるレーザー光照射位置の誤差を内包した内側面レーザー変位計の形状データを、演算により求めた車輪の半径方向の角度により補正処理し、車輪直径値及び車輪中心位置を得る請求項１〜３いずれかの車輪形状測定装置。
【請求項５】
前記手段により求めた車輪中心位置とレーザー光照射位置から、車輪中心に向かう角度を演算により求め、車輪直径差により生ずる車輪半径方向のレーザー光照射角度の誤差を内包する踏面レーザー変位計の形状データを補正して踏面形状値を得る請求項１〜４いずれかの車輪形状測定装置。
【請求項６】
温度特性変動による補正が、計測時に校正基準となる距離と計測車輪の距離とを比較することによりなされる請求項２〜５いずれかの車輪形状測定装置。
【請求項７】
前記設計位置変動補正は、所定位置に設けた校正作業用基準板を計測してレーザー変位計の実際の取り付け位置・角度を求め、当該レーザー変位計の設計された基準位置に対する変動量を登録し、当該レーザー変位計により計測した車輪の形状データの補正を行うものである請求項２〜６いずれかの車輪形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
鉄道車両用車輪の車輪踏面は、レールや制動時の踏面ブレーキシューによる摩擦により摩耗を生じ踏面の形状が崩れる。このように車輪の踏面形状が崩れると走行時の蛇行動が大きくなり乗り心地の悪化や車輪フランジ部の摩耗を生ずる。また、レール曲線部の通過やポイント通過の際にも車輪フランジ部が摩耗して形状が崩れ、このため曲線部の通過、ポイント通過などにあたりフランジ部とレール側面の摩擦が一層増大し、レールへの乗り上げ脱輪、脱線事故に至る可能性を生じる。また左右の車輪は車軸に圧入方式で嵌め合いにより組み立てられており、左右車輪間隔の距離測定も安全に関わる重要な管理項目である。このように鉄道車両の車輪の形状変化に起因した事故の予防保全をはかるには、車輪の寸法測定による摩耗量の確認、車輪削正による寸法修正、車輪の交換作業といった各種検査、保守管理が重要であり、これら車輪寸法の充分な管理はより安全で快適な車両の運行に不可欠であり鉄道輸送事業において極めて重要である。
【０００２】
この発明は、例えば鉄道車両用車輪の踏面部及びフランジ部の形状や、車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さ、左右車輪間隔の距離等の車輪寸法を測定する車輪形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、鉄道車両用車輪の形状や車輪寸法を計測するには、個別のレーザー発光器やカメラを使用した複雑な画像処理などが必要であった。撮像手段を用いて車輪形状を測定する従来の車輪測定装置としては下記の特許文献に開示のものが知られている。たとえば、特許文献１では、車輪に対して２方向から別々にレーザー光を照射して、車輪表面に車輪の断面輪郭形状を表示し、その断面輪郭形状を前記レーザー光照射方向と同方向から別々のカメラで撮影し、両カメラで撮影された夫々の撮影画像を３次元処理し、合成画像を作成して測定箇所の寸法を測定する車輪測定方法が記載されている。
また、特許文献２には、ラインビームを車輪踏面に向けて照射し、その反射光の静止画像を撮影して得られた画像を画像処理する車輪の計測を行う車輪測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開 ２００８−１８０１６９号公報
【特許文献２】特許第 ３９８００２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、鉄道車両用車輪の踏面部及びフランジ部の形状や、車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さ、左右車輪間隔の距離等の車輪寸法を精度良く計測することにある。また、他の目的は走行中の車両の車輪形状を迅速、正確に計測することができ、設置調整も容易な装置の提供にある。本発明の装置は個別のレーザー発光器やカメラ撮影を行い得られた画像を複雑な画像処理を行うなどせず、レーザー変位計で得られる２次元処理された距離数値を用いて簡単な構成で精度の高い計測値を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は２次元レーザー変位計を用いて、車輪形状のデータを取得し車輪寸法を計測測定するものである。すなわち、本発明は車両が走行する線路近傍に、車輪が計測位置に到達したことを検出する車輪計測位置検出センサー、該センサーの信号をトリガーとし車輪の内側からフランジ部と基準溝に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う内側面レーザー変位計及び前記センサーの信号をトリガーとし車輪の外側から踏面部とフランジ部に向けて帯状の広がりを有するレーザー光を照射して車輪の半径方向の形状測定を行う踏面レーザー変位計を設けると共に、前記２つのレーザー変位計により形状測定されたデータを受信し補正処理を行い記録保存する計算機部を有してなる車輪形状測定装置を提供するものである。
【０００７】
前記の計算機部は、内側面レーザー変位計及び踏面レーザー変位計により得られた形状データに対し、角度補正、温度特性変動の補正及び取り付け位置・角度の設計位置変動補正を行い、補正後の前記２つの形状データを、フランジ先端部を共通にしてつなぎ合わせ車輪中心を通過する面における車輪断面形状データを算出し、この形状データから車輪計測の基準となる踏面部に存在する計測基準点を求め、該計測基準点に基づき車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さを含む車輪寸法を取得する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の装置によれば、鉄道車両用車輪の踏面部及びフランジ部の形状や、車輪直径、フランジ高さ、フランジ厚さ、左右車輪間隔の距離等の車輪寸法を精度よく計測することができる。本発明の装置は走行中の車両の車輪形状を迅速、正確に計測することができ、また装置の設置調整も容易である。本発明装置を用いることにより、車輪寸法の充分な管理が容易でき、車輪の摩耗など形状変化に基づく事故の予防保全が充実し、より安全で快適な車両の運行に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例の車輪形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】実施例の車輪形状測定装置の車輪計測位置検出センサーを示す図である。
【図３】(ａ)実施例の車輪形状測定装置の内側面用レーザー変位計を示す図である。        (ｂ)上記レーザー変位計で得られた形状データをグラフで表した図である。
【図４】(ａ)実施例の車輪形状測定装置の踏面用レーザー変位計を示す図である。         (ｂ)上記レーザー変位計で得られた形状データをグラフで表した図である。
【図５】実施例の車輪形状測定装置の車輪内側の計測の補正を示す図である。
【図６】実施例の車輪形状測定装置の車輪中心を求める図である。
【図７】(ａ)実施例の車輪形状測定装置の車輪踏面の計測の補正を示す図である。         (ｂ)上記(ａ)による車輪踏面の計測の補正をグラフで表した図である。
【図８】実施例の車輪形状測定装置の温度補正の方法を示す図である。
【図９】実施例の車輪形状測定装置の車輪内側の計測の温度補正の方法を示す図である。
【図１０】実施例の車輪形状測定装置の車輪踏面の計測の温度補正の方法を示す図である。
【図１１】実施例の車輪形状測定装置の校正作業用基準板の構造を示す図である。
【図１２】実施例の車輪形状測定装置の校正作業の方法を示す図である。
【図１３】実施例の車輪形状測定装置の計測形状の合成を示す図である。
【図１４】車輪測定基準を示す図である。
【図１５】実施例の車輪形状測定装置の機器構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、図面を参照しながら本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明する。
【実施例】
【００１１】
図１は本発明による一実施例の車輪形状測定装置の構成を示す説明図である。本発明の車輪形状測定装置は、車輪計測位置検出センサー１２、内側面レーザー変位計１０及び踏面レーザー変位計１１が車両の走行する線路の近傍に設けられると共に、前記２つのレーザー変位計１０，１１により形状測定されたデータを処理・保存する計算機部２３を備える。
（測定車輪の検出）
図１及び図２に示す車輪計測位置検出センサー１２は計測対象の車輪１が計測位置に到達したことを検出する。該センサー１２は、レール上面の僅か上をレールと直角でかつ水平方向に発光部から受光部へ細い光１２ａが通るように設けられる。このセンサー１２は車両が無いときは常に光を受光し、計測する車両の車輪が進入すると光が遮断され、さらに車両が走行すると再び光を受光する。光が遮断されセンサー１２が再び光の受光を検知した瞬間をトリガーとしてレーザー変位計により車輪形状の計測を行う。
【００１２】
（車輪内側の計測計の取り付け）
図１及び図３(ａ)に示すように、車輪計測位置検出センサー１２により進入の検知された前記車輪１の中心付近のレール内側には内側面用レーザー変位計１０が設置される。このレーザー変位計１０は、レーザー光１０ａを車輪内側面に向け斜め上に照射する。レーザー光１０ａの照射方向は枕木の長さ方向でかつ、帯状の広がりを有するレーザー光面が車輪側面に垂直になるように、さらに車輪のフランジ部３と基準溝４が含まれる範囲を照射するように設置する。このようなレーザー変位計１０により計測すると形状データが数値で出力され、図３(ｂ)に示すようなグラフが得られる。なお、ここで用いられるレーザー変位計は、三角測距方式を応用した計測装置であり、レーザー発光部より帯状に広げられたレーザー光を照射し、対象物の表面で拡散反射した反射光を受光部の受光素子上に結像させ、位置・形状の変化を検出する計測装置である。基準溝４とは、直径を計測するための基準となる車輪内側に設けられた円周状の溝である。
【００１３】
（車輪踏面の計測計の取り付け）
一方、図４(ａ)に示すように、進入の検知された前記車輪１の進行方向前方のレール外側には、踏面用レーザー変位計１１が設置される。レーザー変位計１１のレーザー光１１ａは、帯状に広がりを有する光面を前記車輪１の車軸と平行となるように向け、照射角度を車輪中心方向に向けて車輪踏面を照射する。さらに車輪１の踏面２とフランジ部３が含まれる範囲を照射するように設置すれば、レーザー変位計１１により計測すると形状データが数値で出力され、図４(ｂ)のようなグラフが得られる。
【００１４】
（形状データの補正）
(１)車輪内側の計測の補正
レーザー変位計は、帯状のレーザー光で車輪を平面に切断したかのように断面形状を得ることができるが、大きい車輪や小さい車輪を固定の位置で計測しているため、車輪中心を通る面では計測できていない。車輪径やフランジ高さなどは車輪の中心を通る断面以外は歪んだ寸法となり、正確な寸法を得るには計測方向と中心方向の角度による補正が必要となる。
図５に示すように、内側面用レーザー変位計は固定の位置に設置されているので、車輪計測位置検出センサーにより車輪を検出したとき、当該車輪の直径と標準のフランジ直径との差異が大きいと計測位置が車輪中心部から外れる。この距離Ｑを短く抑えるため平均的なフランジ直径を持つ車輪を基準にし、その車輪の中心位置の真下に内側面用レーザー変位計を設置するのが好ましい。
基準溝の半径は定数で既知の値であるので、この基準溝の半径とフランジ先端の距離Ｓの値を得ることにより、フランジ直径の変動を知ることができる。Ｓが変化すればＱも変化し一定の関係が成り立っている。さらにＳは計測位置と車輪の半径方向に向けた線の角度θとも一定の関係にある。従ってＳ’もＳと一定の関係にあり、Ｓ’に対するＳは決まった値となる。あらかじめＳ’に対するＳの値をＣＡＤなどで調べ対応表を用意しておき、計測時はレーザー変位計で得られたＳ’からＳを求めると容易に正確な値へ補正ができる。
【００１５】
(２)車輪中心位置の補正
図６に示すように、前記距離Ｓと基準溝の半径Ｅ(既知の値)を加算するとフランジ半径Ｒが得られる。さらにフランジ半径Ｒが得られると、車輪計測位置検出点のフランジ先端位置Ｐ’と、レーザー変位計で得られたフランジ先端位置Ｐを結ぶ直線を底辺とする斜面がフランジ半径Ｒとした二等辺三角形が確定し、頂点Ｏが車輪の中心位置となる。
【００１６】
(３)車輪踏面の計測の補正
踏面用レーザー変位計の照射角度を特定の車輪を用いて車輪の中心方向に設定すると、別の車輪を計測した場合、その車輪のフランジ直径が大きく異なるほど計測方向が車輪中心部から遠ざかり測定の誤差が大きくなる。この誤差を抑制するため平均的なフランジ直径を有する車輪を基準にして、その車輪の中心方向に踏面用レーザー変位計を設置するのが好ましい。図７(ａ)に示すように前記(２)で得られた車輪の中心位置Ｏとフランジ先端を結ぶ直線に対して、レーザー変位計の方向の角度θが計算できる。レーザー変位計で得られた各部の車輪中心方向に対する寸法は、cosθを掛けると車輪中心に向けて測定した値に補正され、それをグラフで表すと図７(ｂ)に示すようになる。
【００１７】
（温度補正）
冬期と夏期、早朝と日中の違いにより屋外の温度差は大きく、屋外にレーザー変位計を設置すると、レーザー変位計に対して前記の校正を行っても、校正時の気温に対し計測時の外気温度が異なり温度特性変動による計測誤差が生ずる。図８に示すように、レーザー変位計の検出エリア内に距離Ｌが既知である物体が存在していれば、校正時の温度においてレーザー変位計の出力が正確な値Ｌになるように校正しておき、計測時は校正時の温度でない場合であっても校正基準板を計測した値Ｌ１と、車輪を測定した値Ｌ２を計算すると、温度上昇ｔにより比例変動した量が補正できる。温度係数をα，校正時の温度からの温度上昇をｔとすると
【数１】
2010181216.tif 000003
となり、温度特性変動を含むＬ２は、比例変動した量が取り除かれたＬｘに補正される。
【００１８】
(１)車輪内側の計測の温度補正
図９のように内側面用レーザー変位計は、検出エリア内にレールの一部を計測して、レールを校正基準板にする。レールに車両が乗るとレールが下側あるいは外側に動くことがあるので、レールに車両が無く荷重が掛かっていないときに、レーザー変位計からレールの一部までの距離を計測し校正基準値として登録する。車輪計測をする度に計測直前または計測直後で無荷重のレールを計測し、その値と校正基準値から前記計算方法により温度補正をする。
【００１９】
(２)車輪踏面の計測の温度補正
図１０のように踏面用レーザー変位計は、検出エリア内に校正基準板を置くことができない。しかし、前記のとおり車輪中心位置及びフランジ半径が判明しているので、フランジ先端位置が既知の位置として扱うことが出来る。計算により得られたフランジ先端位置座標と、既知の踏面用レーザー変位計位置座標から２点間の距離が判り、計測したフランジ先端位置距離を前記計算方法により温度補正をする。
【００２０】
(校正作業)
計測装置の取り付け・交換にあたっては、一般的には最初に設計した通りに取り付け位置・角度の調整後精密に測定し、再度微調整後精密に測定を繰り返して計測精度の維持をはかるべきであるが、このような校正作業には多大の時間と手間を要する。本発明の装置では、取り付けや交換にあたって厳密な位置・角度などの調整は行わず、専用校正作業用基準板を計測して実際に取り付けられた位置や角度を記録保存する。実際に取り付けられた位置と設計した位置に差があればその数値を補正値として登録しておく。毎回車輪計測を行うとき、登録した補正値を用いて補正を掛けることにより正常な車輪計測と演算処理が可能となり、精密な微調整作業を行うことなく校正作業を簡素化できる。
【００２１】
(１)校正作業用基準板
校正作業用の基準板は立体的な図１１(Ａ)のようにピラミッド形状をしていて、傾斜の付いた平面の組み合わせで構成される。この基準板を計測すると(Ｃ)のように設計値に一致した位置で得られたデータに対して、前方向に変位すると(Ｄ)のように下に平行移動し、後方向に変位すると(Ｅ)のように上に平行移動する。上方向に変位すると(Ｆ)のように水平部が短くなり、下方向に変位すると(Ｇ)のように水平部が長くなる。回転すると(Ｈ)のように水平部は傾き斜面の長さが左右違い、左に変位すると(Ｉ)のように右に平行移動する。
【００２２】
(２)校正作業の方法  
上記校正基準板を製作し、それらを一体型に組み立てて校正作業時にそれを図１２のようにレールの所定位置に固定する。レーザー変位計取り付け作業を適当な位置に固定して、この立体校正基準板を計測する。あらかじめ登録された基準板の標準データと、それぞれのレーザー変位計で計測された計測データは設計基準からいくら離れていて、角度がどれだけ設計角度に対してずれているかが判明する。このデータを登録しておき、毎回の測定毎に補正値として使用する。
【００２３】
（計測形状の合成）
内側用レーザー変位計で得られた、基準溝位置情報及びフランジ先端位置情報を持つパターン(ａ)と、踏面用レーザー変位計で得られた、フランジ先端位置情報と車輪踏面情報と車輪外側面情報を持つパターン(ｂ)とに対して、前記のとおり、車輪の大小に関わる車輪の半径方向の角度補正、計測時の温度による温度特性変動の補正、取り付け位置や取り付け角度の設計位置変動補正を行った後、図１３のように結合する。結合は、内側パターンの車輪内側平面と、踏面パターンの外側平面を平行に配置し、フランジ先端を共通にして全体のパターンを完成する。
【００２４】
（車輪測定基準）
図１４は車輪断面形状を示す。Ｃはバック面から水平に一定距離をおいて垂直に引いた線と、車輪踏面が交差する点を車輪測定基準点Ｇとするための定数である。Ａは車輪測定基準点Ｇにおける車輪の直径値、Ｂは左右一対の車輪内側の距離を表すバックゲージである。車輪測定基準点Ｇを通過する水平線から一定距離Ｈを離れた線がフランジと交差する点と、バック面の延長線までの距離をフランジ厚さＤとし、車輪測定基準点Ｇを通過する水平線からフランジ頂点までの距離をフランジ高さＦとする。Ｅは基準溝の半径を示す定数であり、Ａ、Ｄ，Ｆは全体のパターンから求められる。
【００２５】
（バックゲージの計測）
車輪計測位置検出センサーと、内側面用レーザー変位計と、踏面用レーザー変位計で構成された一式の計測装置を、線路中央を中心に線対称的にもう一式設け、左右一対の車輪を個別に計測できる装置とする。左右の内側面用レーザー変位計の取り付け位置を相対的な座標空間の中に既知の値として登録しておき、左右の内側面用レーザー変位計で得られた車輪内側面座標から２点間の水平距離を演算しバックゲージＢの距離を求めることができる。
【００２６】
（車輪形状測定装置の機器構成）
車輪形状測定装置の機器構成ブロック図を図１５に示す。車輪計測位置検出センサー、レーザー変位計、レーザー変位計コントローラ、車番読み取り装置、ホストコンピュータで構成される。
【符号の説明】
【００２７】
１    車輪
２    踏面
３    フランジ
４    基準溝
１０    内側面用レーザー変位計
１０ａ  内側面用レーザー変位計レーザー光
１１    踏面用レーザー変位計
１１ａ  踏面用レーザー変位計レーザー光
１２    車輪計測位置検出センサー
１２ａ  車輪計測位置検出センサーレーザー光
２０、２１、２２    制御部
２３    計算機部
【図１】
2010181216.tif 000004
【図２】
2010181216.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010181216.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010181216.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2010181216.tif 000018