(57)【要約】【課題】計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた、車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法及び装置、並びに鉄道車両を提供する。【解決手段】鉄道車両の車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法であって、左右車輪間の車軸１３に作用する軸力と、車軸軸受に作用するアキシアル荷重とを元に左右車輪のそれぞれからレールに作用する各横圧を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両において、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法であって、
それぞれの前記軸受に作用する各アキシアル荷重を測定し、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定し、
前記測定された前記各アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める、
ことを特徴とする荷重測定方法。
【請求項２】
前記各横圧は、以下の式（１）、（２）により算出される、
Ｆｑ１＝Ｆａ３−Ｆａ１・・・（１）
Ｆｑ２＝Ｆａ３−Ｆａ２・・・（２）
ここで、Ｆｑ１は一方の車輪の横圧、Ｆｑ２は他方の車輪の横圧、Ｆａ１は一方の軸受に作用するアキシアル荷重、Ｆａ２は他方の軸受に作用するアキシアル荷重、Ｆａ３は前記軸力である、
請求項１に記載の荷重測定方法。
【請求項３】
左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両に適用され、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定装置であって、
それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、
測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、
を備えたことを特徴とする荷重測定装置。
【請求項４】
前記軸力測定部は、前記左右の車輪の間で前記車軸に設けられて前記軸力を測定する歪みゲージを有する、請求項３に記載の荷重測定装置。
【請求項５】
前記軸受を収納する軸箱をさらに備えた鉄道車両に適用可能な荷重測定装置であって、
前記アキシアル荷重測定部は、前記軸箱での前記車軸の軸方向における変位、又は台車枠に対する前記軸箱の前記軸方向における変位を検出する左右変位検出センサを有し、
前記演算部は、前記左右変位検出センサで検出された値をそれぞれの前記アキシアル荷重に変換する、請求項３又は４に記載の荷重測定装置。
【請求項６】
台車枠または前記軸受に設けられ、前記軸受に作用するラジアル荷重を測定するラジアル荷重測定部をさらに備え、
前記演算部は、前記測定されたラジアル荷重を元に、それぞれの前記車輪から前記レールに作用する各輪重をさらに求める、請求項３から５のいずれかに記載の荷重測定装置。
【請求項７】
前記軸受を収納する軸箱と、この軸箱と台車枠との間に設ける軸ばねとをさらに備えた鉄道車両に適用可能な荷重測定装置であって、
前記ラジアル荷重測定部は、前記軸ばねの上下変位を検出する上下変位検出センサを有し、
前記演算部は、前記上下変位検出センサで検出された値をそれぞれの前記輪重に変換する、請求項３から６のいずれかに記載の荷重測定装置。
【請求項８】
請求項３から７のいずれかに記載の荷重測定装置を備えたことを特徴とする鉄道車両。
【請求項９】
左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを有する鉄道車両の前記車輪からレールに作用する荷重を管理する荷重管理システムであって、
それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、
測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、
前記演算部により求められた前記横圧を示す横圧情報、前記求められた横圧に対応する時間情報、軌道情報、及び運行情報の少なくとも１つを格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された各前記情報に基づいて、前記横圧情報の経時的変化を取得する分析部と、
を備えたことを特徴とする、荷重管理システム。
【請求項１０】
台車枠または前記軸受に設けられ、前記軸受に作用するラジアル荷重を測定するラジアル荷重測定部をさらに備え、
前記演算部は、前記測定されたラジアル荷重を元に、それぞれの前記車輪から前記レールに作用する各輪重をさらに求め、
前記記憶部は、前記演算部により求められた前記輪重を示す輪重情報と、前記求められた輪重に対応する時間情報、軌道情報及び運行情報の少なくとも１つを記憶し、
前記分析部は、前記記憶部に格納された各前記情報に基づいて、前記輪重情報の経時的変化を取得する、請求項９に記載の荷重管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車輪とレールとの間の荷重を測定する荷重測定方法及び装置、荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びに荷重管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
新たな車両の製造時及び鉄道新線の建設時には、その安全性を確認する必要がある。また、車輪とレールとの間に作用する力の状態は、その摩擦係数及び軌道の状態の変化等により、新車製造時あるいは新線開業時から経時的に変化する。このため、営業線でもその安全性を確認する必要がある。
【０００３】
鉄道車両の走行安全性の評価方法の一つとして、脱線係数を用いる方法がある。脱線係数とは、車輪とレールとの間に作用する水平方向の力、換言すると車軸に沿う方向の力である横圧（Ｑ）と、車輪とレールとの間に作用する垂直方向の力である輪重（Ｐ）とを用いて、Ｑ／Ｐで表した値である。この式が示すように、この脱線係数の大小が走行安全性評価の一つの指標になることから、輪重（Ｐ）及び横圧（Ｑ）の計測が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８８９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、輪重及び横圧の計測には、従来、車輪に特殊な歪ゲージを貼り付けた特殊な輪軸であるＰＱ輪軸が必要であり、その製造及び計測は容易ではなく、その製造及び試験コストも高額になる。さらに踏面ブレーキを作動させると、その発生熱等の要因で測定値に影響が生じるという問題もある。さらにまた、ディスクブレーキを採用した場合、前記特殊歪ゲージの貼付が難しくなり測定自体が困難になる。たとえ測定が可能な場合でも、測定値がヒステリシスを有し、輪重及び横圧を正確に求めることができないという問題がある。
【０００６】
前記特許文献１の技術では、車輪リム部に対向して非接触変位計を配置する構成を採ることで、計測を容易にし測定信頼性の向上が可能である。しかしながら、リム部を全周にわたりうねり無く成形する必要があり、かつ微小値測定を要することから非常に高額な非接触変位計を用いなければならず、製造及びコスト面での問題が依然として存在する。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた、車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法及び装置、荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びに荷重管理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における荷重測定方法は、左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両において、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法であって、それぞれの前記軸受に作用する各アキシアル荷重を測定し、前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定し、前記測定された前記各アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める、ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２態様における荷重測定装置は、左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両に適用され、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定装置であって、それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
このような荷重測定方法及び装置によれば、輪軸の車軸の軸方向に作用する軸力及びアキシアル荷重を用いることで、左右の各車輪からレールに作用する横圧をそれぞれ求めることができる。ここで軸力及びアキシアル荷重は、汎用の計測器を用いて通常の輪軸で測定することができ、いわゆるＰＱ輪軸のような特殊な輪軸及び測定器を必要としない。したがって、大幅なコストダウンを図ることができ、かつ計測用に特別な走行試験時間を取ることもない。また、踏面ブレーキを作動させてもその影響が出現せず、安定した測定が可能であり、最新の中央締結ディスクブレーキを装備した場合でも横圧測定が可能になる。
このように第１態様における荷重測定方法及び第２態様における荷重測定装置によれば、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた荷重測定装置を提供可能である。
【００１１】
また、本発明の第３態様における鉄道車両は、前記第２態様における荷重測定装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第４態様における荷重管理システムは、左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを有する鉄道車両の前記車輪からレールに作用する荷重を管理する荷重管理システムであって、それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、前記演算部により求められた前記横圧を示す横圧情報、前記求められた横圧に対応する時間情報、軌道情報、及び運行情報の少なくとも１つを格納する記憶部と、前記記憶部に格納された各前記情報に基づいて、前記横圧情報の経時的変化を取得する分析部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた、車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法及び装置、荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びに荷重管理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１における荷重測定方法の動作を説明するフローチャートである。
【図２】図１に示す荷重測定方法において、さらにラジアル荷重を用いた場合の動作を説明するフローチャートである。
【図３】実施の形態２における荷重測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態３における荷重測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２、３の荷重測定装置を輪軸に設置した状態を示す図である。
【図６】図５に示すＡ−Ａ部の断面を示し、車軸における軸力センサの設置位置を示す図である。
【図７】実施の形態２、３の荷重測定装置に備わる左右変位検出センサの構成例を示す図である。
【図８】実施の形態３の荷重測定装置に備わるラジアル荷重センサの構成例を示す図である。
【図９】実施の形態４における荷重測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態４の荷重測定装置を台車に設置した状態を示す車両の側面図である。
【図１１】実施の形態４の荷重測定装置を台車に設置した状態を示す台車部分の平面図である。
【図１２】実施の形態５における荷重管理システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】実施の形態６における鉄道管理システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】鉄道総研報告、Vol.25,No.1, Jan.2011内、図３である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施形態である、鉄道車両における車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法及び装置、この荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びにこのような鉄道車両を備えた荷重管理システムについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１６】
実施の形態１：
まず、実施形態１における前記荷重測定方法の基本的な考え方について説明する。
上述した特許文献等に開示されるように、鉄道車両の車輪における輪重及び横圧の計測方法が提案される一方で、測定された輪重及び横圧を利用して、輪軸の車軸軸受に作用する荷重を推定することの論文も報告されている（高橋、他、「輪重・横圧を利用した車軸軸受に作用する荷重の推定法」、鉄道総研報告、Vol.25,No.1, Jan.2011）。この論文では、輪重及び横圧と、車軸軸受に作用するラジアル荷重及びアキシアル荷重との関係が式で示されており、輪重・横圧値から車軸軸受に作用するラジアル荷重、アキシアル荷重を算出できると記載されている。
【００１７】
この開示された関係式によれば、逆に、車軸軸受に作用するラジアル荷重及びアキシアル荷重を測定することで、輪重値及び横圧値を求めることができることが予測される。実際、輪重については、開示された式から逆変換することで、左右の各車輪の輪重値を求めることができる。
一方、横圧値については、たとえ逆変換しても、前記論文内の（６）、（７）式から明らかなように、左右車輪のそれぞれに作用する横圧の合算値しか得ることができない。
このことは、左右車輪に作用する横圧（Ｑ）が輪軸内の内力であることから、輪軸の外に作用する力をどのように測定しても得ることができないことより容易に理解できる。
【００１８】
以下、本実施の形態における荷重測定方法の詳細について説明する。図１は荷重測定方法のフローチャート、図２は、ラジアル荷重を用いた場合の荷重測定方法のフローチャートである。
尚、図１４は、前記論文の図３に相当し、この図１４に示されている各記号の説明は、前記論文における記載のように次の通りである。つまり、図１４には走行する車両の輪軸に作用する各荷重を示し、Ｆｒは台車枠から車軸軸受に作用する上下方向の荷重であり軸受のラジアル荷重に相当し、Ｆａは台車枠から車軸軸受に作用する左右方向の荷重であり軸受のアキシアル荷重に相当し、Ｆｐは車輪がレールから受ける輪重の反力であり、Ｆｑは車輪がレールから受ける横圧の反力であり、Ｗｊは輪軸に作用する重力（一輪軸当たりのばね下重量）であり、添字の１、２はそれぞれ１位側、２位側を示し、図の上から下向きを正、左から右向き（１位側→２位側）を正とし、図中での力は全て正方向の矢印で示し、Ｌｇは車輪／レールの接触点間隔、Ｌｂは車輪／レールの接触点から車軸軸受中心までの距離、Ｌｗは車輪半径である。
【００１９】
また以下に、前記論文内の前記（６）、（７）式、及び下記（３）、（５）式を記す。
（６）式：
Ｆａ１＋Ｆａ２＝−（Ｆｑ１＋Ｆｑ２）、
（７）式：
Ｆａ１＝Ｆａ２＝−（１／２）・（Ｆｑ１＋Ｆｑ２）、
（３）式：
Ｆｒ１＋Ｆｒ２＋Ｗｊ＋Ｆｐ１＋Ｆｐ２＝０、
（５）式：
−Ｌｂ・Ｆｒ１＋（Ｌｇ＋Ｌｂ）Ｆｒ２＋Ｌｗ（Ｆａ１＋Ｆａ２）＋（１／２）・Ｌｇ・Ｗｊ＋Ｌｇ・Ｆｐ２＝０
【００２０】
前記論文の（６）式を変形すると、Ｆａ１＋Ｆｑ１＝−（Ｆａ２＋Ｆｑ２）  となる。つまり、輪軸の左側車輪と左側軸受との組の合力：Ｆａ１＋Ｆｑ１と、輪軸の右側車輪と右側軸受との組の合力：Ｆａ２＋Ｆｑ２とは、車軸を通して釣り合っていることが理解できる。
一方、左側の合力Ｆａ１＋Ｆｑ１、及び右側の合力Ｆａ２＋Ｆｑ２は、共に、車軸軸方向（前記左右方向）に沿った力である。これらのことから、車軸に作用している軸方向の力（軸力）で、Ｆａ１＋Ｆｑ１とＦａ２＋Ｆｑ２とは釣り合っている。
【００２１】
即ち、車軸に作用している軸方向力（軸力）をＦａ３としたとき、
Ｆａ１＋Ｆｑ１＝Ｆａ３
Ｆａ２＋Ｆｑ２＝Ｆａ３
となり、各車輪からレールに作用する横圧Ｆｑ１、Ｆｑ２は、それぞれ、下記の「Ａ」式にて求めることができる。
「Ａ」式：
Ｆｑ１＝Ｆａ３−Ｆａ１、  Ｆｑ２＝Ｆａ３−Ｆａ２  
したがって、車軸に作用している軸方向の力、つまり軸力、Ｆａ３が明らかになることで、Ｆｑ１とＦｑ２とは分離できる。これにより、左右の各車輪からレールに作用する各横圧を得ることができる。
【００２２】
このように本実施の形態に係る荷重測定方法により、測定で得られたあるいは既知である、車軸軸受に作用するアキシアル荷重と、測定で得られたあるいは既知である、車軸に作用する軸方向の軸力とを用いて、左右の各車輪からレールに作用する横圧を分離して得ることができる。
但し実際には、車軸には前記軸力のみならず、曲げ応力も作用することから、前記軸力を得るには、曲げ応力成分をキャンセルする必要がある。この点については後述している。
【００２３】
また、輪重Ｆｐ１、Ｆｐ２は、各横圧Ｆｑ１、Ｆｑ２が求まれば、各車軸軸受に作用するラジアル荷重Ｆｒ１、Ｆｒ２を用いて、下記の「Ｂ」式によって逆算することができる。即ち、「Ｂ」式：
Ｆｐ２＝（Ｌｂ／Ｌｇ）Ｆｒ１−｛（Ｌｇ＋Ｌｂ）／Ｌｇ｝Ｆｒ２−｛（Ｌｗ／Ｌｇ）（Ｆａ１＋Ｆａ２）｝−（１／２）Ｗｊ
Ｆｐ１＝−（Ｆｒ１＋Ｆｒ２＋Ｗｊ＋Ｆｐ２）
【００２４】
以上の算出式により、例えば図１に示すフローチャートに基づいて各車輪の横圧を得ることができる。すなわち、ステップＳ１において、「Ａ」式に基づいて車軸の軸力Ｆａ３を得た後、ステップＳ２において、車軸軸受に作用するアキシアル荷重Ｆａ１，Ｆａ２を得て、最後にステップＳ３において、軸力Ｆａ３及びアキシアル荷重Ｆａ１，Ｆａ２により、各車輪の横圧Ｆｑ１，Ｆｑ２が求められる。
ここで車軸における軸力、及びアキシアル荷重は、上述したように、測定によって取得したものであってもよいし、既知のものであってもよい。図１に示され、また上述の、ステップＳ１とステップＳ２とは図示の便宜上、先後を付したものであり、その順序は問わず、また同時でもよい。
【００２５】
また、以上の算出式により、例えば図２に示すフローチャートに基づいて各車輪における輪重を得ることができる。すなわち、ステップＳ２−２において、車軸軸受に作用するラジアル荷重Ｆｒ１、Ｆｒ２を得て、ステップＳ３−２において、「Ｂ」式に基づいて各輪重Ｆｐ１，Ｆｐ２が求められる。
ここで、ラジアル荷重は、測定によって取得したものであってもよいし、既知のものであってもよい。また、図１と同様に、ステップＳ１、ステップＳ２及びステップＳ２−２の順序は問わず同時でもよく、ステップＳ３とステップＳ３−２との順序も問わず同時でもよい。
【００２６】
以上により得られた横圧値及び輪重値から、脱線係数Ｆｑ１／Ｆｐ１、Ｆｑ２／Ｆｐ２を得ることができる。
尚、上述した荷重測定方法による横圧及び輪重は、演算装置等により求めてもよいし、人が計算により求めてもよい。
【００２７】
実施の形態２：
図３、図５から図７を参照して、上述の荷重測定方法を実行可能な荷重測定装置について説明する。
図３は、図１に示す荷重測定方法を実行可能な荷重測定装置１０２の概略構成を示している。荷重測定装置１０２は、軸力測定部１１０と、アキシアル荷重測定部１２０と、演算部１５０とを備える。
【００２８】
軸力測定部１１０は、左右車輪間の車軸１３において、その軸方向（左右方向）１３ａに作用する力（軸力）を測定する装置であり、軸力センサ１１１と、出力部１１２とを有する。
軸力センサ１１１は、車軸１３の変形を検知する、例えば歪ゲージを用いることができる。このような軸力センサ１１１は、図５及び図６に示すように、左右の車輪１１，１２間における車軸１３の軸方向１３ａの一箇所において、車軸１３の周面の対向位置の２点に一対を取り付け可能である。即ち、軸力センサ１１１として例えば歪ゲージを用いて、車軸１３の軸方向１３ａにおける一箇所において、軸方向１３ａに第１の歪ゲージ、つまり軸力センサ１１１−１が貼付され、この第１歪ゲージと同じ軸断面で周方向に１８０度の位置に、軸断面中心に対して対称の位置に、軸方向１３ａに第２の歪ゲージ、つまり軸力センサ１１１−２が貼付される。
出力部１１２は、車軸１３に固定可能で、例えばテレメータにて構成され、各軸力センサ１１１とはリード線で接続され、各軸力センサ１１１の出力データを無線で演算部１５０へ送信する。
【００２９】
アキシアル荷重測定部１２０は、左右の車軸軸受２１，２２（図５）において車軸１３の軸方向１３ａに作用するアキシアル荷重を測定する装置であり、左右変位検出センサ１２１を有する。図５では、各車軸軸受２１，２２部分にアキシアル荷重測定部１２０をそれぞれ設けた構成を示している。尚、図５は、本実施の形態２と、以下に記す実施の形態３とで共用しており、本実施の形態２では、ラジアル荷重測定部１３０の図示を除いた構成となる。
【００３０】
左右変位検出センサ１２１の構成としては様々な既知の構成を採ることができる。ここでは例えば図７に示すように、左右変位検出センサ１２１は、永久磁石製のエンコーダ１２１１と、一対のセンサ１２１２ａ，１２１２ｂとを有する。概説すると、エンコーダ１２１１は、車軸軸受２１，２２部分にて、車軸１３の周面全周にわたりリング状に延在し、車軸１３と共に軸周り方向に回転する。一対のセンサ１２１２ａ，１２１２ｂは、エンコーダ１２１１に対向して軸方向１３ａに沿って並設し、車軸軸受２１，２２部分に固定する。各センサ１２１２ａ，１２１２ｂは、演算部１５０に接続される。
【００３１】
演算部１５０は、上述のように軸力測定部１１０とは無線で接続され、アキシアル荷重測定部１２０とはリード線で接続され、鉄道車両の車体に設置される。このような演算部１５０は、軸力及びアキシアル荷重から左右車輪１１，１２のそれぞれからレールに作用する各横圧を分離して求める装置であり、演算処理部１５１と記憶部１５２とを有する。
【００３２】
演算部１５０における演算処理部１５１は、上述の軸力とアキシアル荷重とを求め、さらに各横圧を求める。
即ち、上述の軸力について、演算処理部１５１は、軸力測定部１１０から供給される各軸力センサ１１１−１，１１１−２の出力データである、車軸１３の一対の歪みデータから、車軸１３に作用する曲げ応力成分をキャンセルして、軸方向１３ａの軸力を求める。
【００３３】
詳しく説明すると、車軸１３の周面に設けた１個の歪ゲージからは、「軸力による歪み」と、「車軸１３の曲げモーメントによる歪み」とを含んだ値が出力される。一方、車軸１３は鉛直方向へ湾曲する。よって上述のように、一対の歪ゲージを同一断面の周面上における直径方向の対向位置に貼付して、２つの歪ゲージ線を直列に結線した場合には、演算処理部１５１は、各歪ゲージの出力を用いて車軸１３の曲げモーメントによる歪みを相殺することができる。つまり、車軸１３の「曲げモーメントによる歪み」出力は、車軸１３の回転周波数のサイン波である。よって、直径方向の対向位置に一対の歪ゲージを貼付することで、各歪ゲージからは、同じ周波数で同じ振幅のサイン波で、位相が逆のサイン波が出力される。よってこれらを足し合わすことで、「曲げモーメントによる歪み」成分は、キャンセルすることができる。
【００３４】
また、直径方向の対向位置に一対の歪ゲージを貼付し、直列結線するのではなく、演算処理部１５１がそれぞれの出力データを取り込み、デジタル的に「曲げモーメントによる歪み」を打ち消すデータ処理を行ってもよい。
【００３５】
アキシアル荷重については、一対のセンサ１２１２ａ，１２１２ｂの各出力信号の差を求め、この差の変化量とアキシアル荷重の大きさとの関係から、車軸軸受２１，２２におけるアキシアル荷重を求める。尚、前記差の変化量とアキシアル荷重の大きさとの関係は、予め計測して得た計測値データから、あるいは演算によって求める。
そして、演算処理部１５１は、上述した「Ａ」式を用いて、求めた軸力及びアキシアル荷重から各車輪１１，１２がレールに作用している各横圧を求める。
【００３６】
このような演算処理部１５１は、実際にはコンピュータを用いて実現され、上述した動作、機能に対応するソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）及びメモリ等のハードウェアから構成されている。よって各横圧値は、演算処理部１５１において、軸力及びアキシアル荷重値から計算により、あるいはプログラムに従い求められる。
【００３７】
記憶部１５２は、演算処理部１５１にて上述のように求められた各横圧値を、時間情報さらには軌道情報、運行情報等とともに格納する。よって、検査時のみならず、営業運行時においても常時、各横圧値を格納可能である。
【００３８】
以上説明したように構成される荷重測定装置１０２によれば、左右の各車輪１１，１２のそれぞれがレールに作用する横圧を分離して検出することが可能になる。このような荷重測定装置１０２によれば、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた荷重測定装置を提供可能である。特に、従来のように、車輪に特殊な歪ゲージを貼り付けた、いわゆるＰＱ輪軸を用いる必要がなく、汎用の計測器が使用可能なことから、１．計測が容易で横圧測定コストが大幅に低減可能であり、２．走行中に踏面ブレーキを作動させてもその影響が出現せず、安定した測定が可能であり、３．通常の営業車両の輪軸を用いて横圧の測定が可能であり、大幅な走行試験時間の短縮が可能となり、４．ディスクブレーキ（例えば、中央締結ディスクブレーキ等）を装備した場合でも、横圧測定が可能になる。
【００３９】
また本実施形態では、図５に示すように、左右の車軸軸受２１，２２の両方にアキシアル荷重測定部１２０を設置した構成を採るが、該構成に限定されない。即ち、両方のアキシアル荷重測定部１２０の各アキシアル荷重値が同一であることが分かっている場合には、左右いずれかの車軸軸受のみに、アキシアル荷重測定部１２０を設置してもよい。
【００４０】
実施の形態３：
上述した実施の形態２の荷重測定装置１０２は、軸力測定部１１０とアキシアル荷重測定部１２０とを備え、左右の各車輪１１，１２の各横圧のみを求めた。本実施の形態３の荷重測定装置では、既に述べたが、さらにラジアル荷重を取得することで、横圧のみならず車輪１１，１２の各輪重も求めるものである。
即ち、図４、図５及び図８に示すように、本実施の形態３の荷重測定装置１０３は、実施の形態２の荷重測定装置１０２の構成に、さらにラジアル荷重測定部１３０を加えた構成を有する。よって以下では、主にラジアル荷重測定部１３０について説明を行う。
また、ラジアル荷重測定部１３０の追加に伴い、上述した演算部１５０について、本実施の形態３の荷重測定装置１０３では演算部１５５とする。演算部１５５は、演算処理部１５６と記憶部１５２とを有し、上述した軸力及びアキシアル荷重に加えてラジアル荷重を用いて、左右車輪１１，１２のそれぞれからレールに作用する各横圧、及び、各輪重を求める。
【００４１】
ラジアル荷重測定部１３０は、車軸軸受２１，２２（図５）において車軸１３の上下方向３１、つまり軸方向１３ａに直角方向の重力方向、に作用するラジアル荷重を測定する装置であり、ラジアル荷重センサ１３１を有する。図５では、各車軸軸受２１，２２部分にラジアル荷重測定部１３０をそれぞれ設けた構成を示している。
ラジアル荷重センサ１３１の構成としては様々な既知の構成を採ることができる。ここではラジアル荷重センサ１３１は、例えば図８に示すような、永久磁石１３１１と、一対のセンサ１３１２ａ，１３１２ｂとを有する。概説すると、永久磁石１３１１は、車軸軸受２１，２２を含む各軸箱２５の外面にそれぞれ取り付ける。一対のセンサ１３１２ａ，１３１２ｂは、永久磁石１３１１に対向して上下方向３１に沿って並設し、軸箱２５に対して不動である支持部材３２に固定する。
【００４２】
このように構成された荷重測定装置１０３における演算部１５５、特に演算処理部１５６は、以下のような演算を行う。
上述した演算部１５０と同様に、上述した軸力及びアキシアル荷重から各車輪１１，１２の横圧を求める。
さらにラジアル荷重について、一対のセンサ１３１２ａ，１３１２ｂの各出力信号からその差を求め、この差の変化量とラジアル荷重の大きさとの関係から、車軸軸受２１，２２におけるラジアル荷重を求める。尚、前記差の変化量とラジアル荷重の大きさとの関係は、予め計測して得た計測値データから、あるいは演算によって求める。
そして、演算処理部１５６は、求めた各横圧と各ラジアル荷重とを元に、上述した「Ｂ」式を用いて各車輪１１，１２における輪重をそれぞれ求める。尚、「Ｂ」式に含まれ輪重を求めるのに必要な、車輪／レールの接触点から車軸軸受中心までの距離Ｌｂや、車輪／レールの接触点間隔Ｌｇ等の項目の値は、予め演算処理部１５６に入力されている。
【００４３】
このように演算部１５５は、各車輪１１，１２における横圧（Ｑ）及び輪重（Ｐ）を求めることから、これらを元にさらに脱線係数（Ｑ／Ｐ）を求めても良い。
このように求まった横圧及び輪重、並びに脱線係数は、検査時のみならず、営業運行時においても常時、演算部１５５の記憶部１５２に記憶される。
【００４４】
以上説明した荷重測定装置１０３においても荷重測定装置１０２と同様に、計測が容易であり測定信頼性を確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れているという効果を奏することができる。さらに荷重測定装置１０３は、各車輪１１，１２における輪重、さらに脱線係数を求めることが可能であり、走行試験時間を大幅に短縮することができ、より容易に走行安全性の評価を行うことができる。
【００４５】
尚、本実施形態の荷重測定装置１０３でも、図５に示すように、左右の車軸軸受２１，２２の両方にアキシアル荷重測定部１２０及びラジアル荷重測定部１３０を設置した構成を採るが、左右でのアキシアル荷重値及びラジアル荷重値が同一であることが分かっている場合には、左右いずれかの車軸軸受のみに、アキシアル荷重測定部１２０及びラジアル荷重測定部１３０を設置してもよい。
【００４６】
実施の形態４：
上述した各荷重測定装置１０２、１０３では、車軸軸受２１，２２部分にアキシアル荷重測定部１２０及びラジアル荷重測定部１３０を設置し、車軸１３に作用する軸力はテレメータを介して伝送する構成を採った。しかしながら荷重測定装置の構成は、勿論これらに限定されるものではない。本実施の形態４の荷重測定装置では、その変形例の一例を示す。
【００４７】
即ち、図９から図１１に示すように、本実施の形態４の荷重測定装置１０４は、軸力測定部１１５と、アキシアル荷重測定部１２５と、ラジアル荷重測定部１３５と、演算部１６０とを備える。
【００４８】
軸力測定部１１５は、上述の軸力測定部１１０と同様に、車軸１３においてその軸方向１３ａに作用する力を測定する装置であり、例えば歪ゲージである上述の軸力センサ１１１と、出力部１１６とを有する。出力部１１６は、本荷重測定装置１０４では図１１に示すように、例えばスリップリング１１６１を用いる。軸力センサ１１１とスリップリング１１６１とはリード線１１６２で接続し、リード線１１６２は、車輪１１及び車軸１３に設けたリード線穴内を通りスリップリング１１６１へ導かれる。出力部１１６は、車体５０（図１０）に設置される演算部１６０に結線される。
【００４９】
アキシアル荷重測定部１２５は、車軸軸受２１，２２の例えば各軸箱２５における軸方向１３ａの変位量を、アキシアル荷重への変換用情報として測定する装置であり、左右変位検出センサ１２６を有する。左右変位検出センサ１２６としては、例えば近接センサが使用可能であり、台車枠３０に固定した支持部材３２に軸箱２５に対向して取り付けられる。尚、図１１では、アキシアル荷重測定部１２５は、一方の軸箱２５のみに対して設置した図示であるが、通常、軸方向１３ａにおける両側の軸箱２５に対応して設置する。左右での測定値が同一であることが既知の場合には、片側のみに設置してもよい。
このようなアキシアル荷重測定部１２５は、車体５０に設置される演算部１６０に結線される。
【００５０】
ラジアル荷重測定部１３５は、車軸軸受２１，２２における各軸箱２５の軸ばね３３の上下方向３１における変位量を、ラジアル荷重への変換用情報として測定する装置であり、上下変位検出センサ１３６を有する。上下変位検出センサ１３６は、台車枠３０と軸箱２５との間の相対上下変位を測定することにより、軸ばね３３の上下変位を取得するものであり、種々のセンサを適用可能である。例えば、上下変位検出センサ１３６には、非接触で測定可能な磁歪式リニアセンサや、差動トランス式リニアセンサ、磁気式リニアスケール等のリニア変位センサを用いてもよい。また、テコ機構を用いて、軸ばね３３の上下変位を軸の回転変位に変換して、ロータリーエンコーダ（レゾルバ）の回転角を検出し、これを上下変位量に換算してもよい。尚、上下変位検出センサ１３６は、通常、軸方向１３ａにおける両側の軸箱２５の軸ばね３３に対応して設置する。左右での測定値が同一であることが既知である場合には、片側のみに設置してもよい。
このようなラジアル荷重測定部１３５は、車体５０に設置される演算部１６０に結線される。
【００５１】
演算部１６０は、軸力測定部１１５から供給される車軸１３に作用する歪みデータ、アキシアル荷重測定部１２５から供給される軸箱２５の軸方向１３ａの変位量データ、及びラジアル荷重測定部１３５から供給される軸ばね３３の上下方向３１における変位量データから、左右車輪１１，１２のそれぞれからレールに作用する各横圧及び各輪重を求める装置であり、演算処理部１５６と、記憶部１５２と、変換部１６１とを有する。
【００５２】
変換部１６１は、軸方向１３ａの変位量データをアキシアル荷重に、上下方向３１における変位量データをラジアル荷重にそれぞれ変換する。即ち、変換部１６１は、例えば、軸箱左右変位量とアキシアル荷重値との関係を予め計測し例えばテーブル形態で格納しておくことで、アキシアル荷重測定部１２５から供給される軸方向１３ａの変位量データをアキシアル荷重に変換する。あるいは、演算式Ｆａ１＝ｇ（ｙ）、ここで、ｙ：軸箱左右変位量、ｇ（  ）：軸箱の左右特性の関数、を変換部１６１が有することで、この式からアキシアル荷重を算出してもよい。ラジアル荷重についても同様に、軸ばね上下変位量とラジアル荷重値との関係を予め計測し例えばテーブル形態で格納しておくことで、ラジアル荷重測定部１３５から供給される上下方向３１における変位量データをラジアル荷重に変換する。あるいは、演算式Ｆｒ１＝ｆ（ｚ）、ここで、ｚ：軸ばね上下変位量、ｆ（  ）：軸箱の上下特性の関数、を変換部１６１が有することで、この式からラジアル荷重を算出してもよい。
【００５３】
演算部１６０も演算部１５０と同様であり既に説明したようにコンピュータを用いて実現される。よって、変換部１６１における上述した動作、機能は、対応するソフトウェアにより実行される。
【００５４】
演算処理部１５６は、実施形態３の演算処理部１５６、詳しくは実施形態２の演算処理部１５１と同様に、軸力測定部１１５から供給される車軸１３に作用する歪みデータから車軸１３の軸方向１３ａにおける軸力を求める。さらに、変換部１６１による変換動作にてそれぞれ求めた、アキシアル荷重及びラジアル荷重を用いて、演算処理部１５６は、既に説明したように、左右車輪１１，１２のそれぞれからレールに作用する各横圧（Ｑ）及び各輪重（Ｐ）を求める。またさらに脱線係数（Ｑ／Ｐ）を求めてもよい。
【００５５】
記憶部１５２は、演算処理部１５６にて求めた各横圧値及び各輪重値を、時間情報さらには軌道情報、運行情報等とともに格納する。よって、検査時のみならず、営業運行時においても常時、各横圧値及び各輪重値を格納可能である。また、脱線係数を格納してもよい。
【００５６】
以上説明したように構成される荷重測定装置１０４においても荷重測定装置１０２、１０３と同様に、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れているという効果を奏することができる。
【００５７】
各実施の形態２〜４で説明した荷重測定装置１０２〜１０４における構成を、さらには従来のいわゆるＰＱ輪軸の構成を、それぞれ適宜組み合わせた新たな構成の荷重測定装置（説明の便宜上、１０９と符番する）を作製することもできる。尚、従来のＰＱ輪軸と組み合わせる場合、少なくとも横圧取得には荷重測定装置１０２等の構成を用いる。
このような組み合わせ構成としては、例えば、ラジアル荷重については、実施の形態４の荷重測定装置１０４で説明した軸ばねの上下変位量から換算により求め、一方、アキシアル荷重については実施の形態２の荷重測定装置１０２で説明した軸受内蔵型の左右変位検出センサ１２１を用いて求めるように構成した荷重測定装置を作製してもよい。あるいはまた、輪重については、従来のＰＱ輪軸の測定法で測定し、横圧のみを実施の形態２等で説明した構成を用いて求めるように構成してもよい。
【００５８】
また、上述の説明内で記載したように、実施の形態２〜４で説明した各荷重測定装置１０２〜１０４、あるいは前記荷重測定装置１０９のいずれかを備えた鉄道車両２００（例えば図１０）を構成することができる。このような鉄道車両２００によれば、荷重測定装置１０２〜１０４のいずれかを装備する場合には、既に説明したように計測の容易さ及び測定信頼性を確保しながら、通常の営業車両にて、少なくとも横圧計測が可能であり、従来に比べ大幅に試験時間及びコストを削減可能である。
尚、このような荷重測定装置を備えた鉄道車両２００は、一編成内の少なくとも一両設ければよい。
【００５９】
実施の形態５： 
図１２には、上述の荷重測定装置１０２〜１０４、１０９を装備した鉄道車両２００と、処理装置３１０とを備え、車輪とレールとの間に作用する力の状態の変化を経時的に管理する荷重管理システム３００のブロック図を示している。ここで、処理装置３１０は、分析部３１１と記憶部３１２とを有する。記憶部３１２は、横圧値や輪重値、脱線係数を格納するが、アキシアル荷重やラジアル荷重を格納してもよい。また、これらの各値は、時間情報や軌道情報、運行情報等と関連付けて格納される。分析部３１１は、荷重測定装置１０２等に備わる記憶部１５２が格納している少なくとも横圧値、さらには輪重値及び脱線係数を、時間情報さらには軌道情報、運行情報等とともに取得する。尚、分析部３１１と記憶部１５２間の情報伝達方法は、有線、無線を問わない。
【００６０】
車輪とレール間の力状態は、その摩擦係数、軌道の状態の変化、気温等の環境要因等により、新車製造時及び新線開業時から経時的に変化する。よって営業線においても、常時あるいは定期的に少なくとも横圧値をチェックすることで、鉄道車両運行の安全性をより高いレベルで確保することが可能になる。
そこで分析部３１１は、少なくとも横圧値の経時的変化を監視し、例えば、横圧値が設定値を超えた場合には異常を示す異常信号を出力する。また、あるいは、分析部３１１は、鉄道事業者の指令所等に対して、軌道及び車両の少なくとも一方について修繕の必要性を通知する。記憶部３１２は、このような分析部３１１の分析結果を格納する。
【００６１】
このように、荷重管理システム３００は、荷重測定装置１０２〜１０４を備えた場合、いわゆるＰＱ輪軸のような特殊な計測用輪軸を用いることなく一般的な計測器を通常車両に設置することで、少なくとも上述したような安全性確保に寄与することが可能である。さらにまた荷重管理システム３００は、横圧値、輪重及び脱線係数の少なくとも一つを、軌道情報と絡めて分析することで、例えば、検討対象区間におけるスピードアップの可否等の判断基準を提供することも可能となる。
【００６２】
実施の形態６：
図１３は、実施の形態６に係る鉄道管理システム４００のブロック図である。鉄道管理システム４００は、実施の形態５の荷重管理システム３００とほぼ同様の構成であるが、さらに軌道計測装置４５０を有している点で異なる。以下、実施の形態５の荷重管理システム３００と異なる点を中心に説明する。
【００６３】
軌道計測装置４５０は、自軌道を走行する測定車両から、自軌道及び隣接軌道の各位置を測定して軌道間隔を測定する装置であり、既知の構成を適用可能である。
分析部３１１は、鉄道車両２００の荷重測定装置１０２〜１０４，１０９から出力された横圧値が予め定められた設定値を超え、かつ、軌道計測装置４５０から出力された軌道間隔が予め定められた設定値を超えた場合には、軌道側に異常があると判断し、軌道異常信号を出力する。さらに分析部３１１は、軌道異常信号に基づいて、鉄道車両が安全に走行できる速度を算出し、自車及び後続の鉄道車両に対して減速指示を出力する。
【００６４】
一方、分析部３１１は、横圧値が設定値を超え、かつ、軌道間隔が設定値以下の場合には、鉄道車両側に異常があると判断し、車両異常信号を出力する。さらに、分析部３１１は、車両異常信号に基づいて、走行を継続できるか判断し、走行が継続可能であれば安全に走行できる速度になるよう減速指示を出力、あるいは走行が継続不可能であれば停止指示を出力する。なお、これらの検出信号や減速指示、修繕の通知等は、鉄道事業者の指令所等に通知してもよい。
【００６５】
このように鉄道管理システム４００は、軌道計測装置４５０をさらに備えているので、より高い安全性を確保するとともに、運転ダイヤの乱れを緩和することができる。また、軌道または鉄道車両のいずれの修繕が必要であるか素早く判断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、鉄道車両の車輪とレールとの間の作用力を測定する荷重測定方法及び装置、この荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びにこのような鉄道車両を備えた荷重管理システムに適用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１３…車軸
１０２〜１０４…荷重測定装置、１１０…軸力測定部、
１２０…アキシアル荷重測定部、１２１…左右変位検出センサ、
１２６…左右変位検出センサ、
１３０…ラジアル荷重測定部、１３１…ラジアル荷重センサ、
１３６…上下変位検出センサ、１５０…演算部、
１６０…演算部、１６１…変換部、
２００…鉄道車両、
３００…荷重管理システム、３１０…処理装置。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【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】
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【図１４】
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