(57)【要約】【課題】第１の部材と第２の部材との間の境界部の接触状態を簡単に測定することができる接触状態評価装置を提供する。【解決手段】部材１と部材２との間の境界部Ｂに向かって超音波測定装置３が超音波を送信したときに、境界部Ｂで反射した超音波を超音波測定装置３が受信する。境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波測定装置３が検出すると、超音波測定装置３が検出した超音波強度情報が超音波測定装置３から接触状態評価装置８に送信される。無負荷時の部材１，２間の反射超音波の波高と、負荷時の部材１，２間の反射超音波の波高とから透過波高比を接触状態評価装置８が演算し、接触状態評価装置８が超音波透過率を演算する。摩擦係数と超音波透過率との相関関係を表す相関関係情報を接触状態評価装置８が参照して、超音波透過率に対応する部材１，２間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が特定する。【選択図】図１
2018112436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と第２の部材との間の境界部に向かって伝搬する弾性波によって、この境界部の接触状態を評価する接触状態評価装置であって、
前記境界部で反射する弾性波の強度を検出する検出部の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数を評価する評価部を備えること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項２】
第１の部材と第２の部材との間の境界部に向かって伝搬する弾性波によって、この境界部の接触状態を評価する接触状態評価装置であって、
前記境界部を透過する弾性波の強度を検出する検出部の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数を評価する評価部を備えること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の接触状態評価装置において、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材とが実際に接触している前記境界部の真実接触部を透過する前記弾性波の透過率を演算する演算部を備え、
前記評価部は、前記演算部の演算結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数を評価すること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項４】
請求項３に記載の接触状態評価装置において、
前記評価部は、前記弾性波の透過率と前記摩擦係数との間の相関関係と、前記演算部が演算する前記弾性波の透過率とに基づいて、この摩擦係数を評価すること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、
前記第１の部材は、車輪であり、
前記第２の部材は、前記車輪が転動するレールであるときに、
前記評価部は、前記車輪と前記レールとの間の摩擦係数を評価すること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、
前記第１の部材は、摺動部であり、
前記第２の部材は、前記摺動部が摺動する電車線路であるときに、
前記評価部は、前記摺動部と前記電車線との間の摩擦係数を評価すること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【請求項７】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、
前記第１の部材は、回転軸であり、
前記第２の部材は、前記回転軸を回転自在に支持する軸受であるときに、
前記評価部は、前記回転軸と前記軸受との間の摩擦係数を評価すること、
を特徴とする接触状態評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、第１の部材と第２の部材との間の境界部に向かって伝搬する弾性波によって、この境界部の接触状態を評価する接触状態評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、摩擦係数を評価する場合には、法線力及び接線力を測定して摩擦係数を評価する手法が一般的ある。従来の同定装置は、物体を把持して持ち上げるロボットハンドの各指とこの物体との間に作用する法線力及び接線力を検知する力覚センサと、この力覚センサの検知結果に基づいて各指と物体との間の摩擦係数を算出する制御部とを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の同定装置では、ロボットハンドを上昇させて各指を物体の表面に沿って動かして、力覚センサが検知する法線力及び接線力が一定となってから摩擦係数を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2010-271118号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の同定装置は、ロボットハンドを上昇させながら各指を物体の表面に沿って動かして、法線力及び接線力を力覚センサによって検知する必要がある。このため、従来の同定装置は、法線力及び接線力を力覚センサによって測定することが前提であるため、法線力及び接線力を測定することができなかった場合には摩擦係数も測定することができない問題点がある。また、従来の同定装置は、物体を上昇させるためのロボットセンサが必要になるとともに、法線力及び接線力を測定するための力覚センサが必要になり、装置が大型化するとともに複雑化してコストが高くなってしまう問題点がある。
【０００５】
この発明の課題は、第１の部材と第２の部材との間の境界部の接触状態を簡単に測定することができる接触状態評価装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１及び図２に示すように、第１の部材（１）と第２の部材（２）との間の境界部（Ｂ）に向かって伝搬する弾性波によって、この境界部の接触状態を評価する接触状態評価装置であって、前記境界部で反射する弾性波の強度を検出する検出部（５）の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数（μ）を評価する評価部（１４）を備えることを特徴とする接触状態評価装置（８）である。
【０００７】
請求項２の発明は、図６及び図７に示すように、第１の部材（１）と第２の部材（２）との間の境界部（Ｂ）に向かって伝搬する弾性波によって、この境界部の接触状態を評価する接触状態評価装置であって、前記境界部を透過する弾性波の強度を検出する検出部（５）の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数を評価する評価部（１４）を備えることを特徴とする接触状態評価装置（８）である。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の接触状態評価装置において、図１及び図６に示すように、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材とが実際に接触している前記境界部の真実接触部（Ｂ1）を透過する前記弾性波の透過率（Ｅdif）を演算する演算部（１１）を備え、前記評価部は、前記演算部の演算結果に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の摩擦係数を評価することを特徴とする接触状態評価装置である。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項３に記載の接触状態評価装置において、図２、図４及び図７に示すように、前記評価部は、前記弾性波の透過率と前記摩擦係数との間の相関関係と、前記演算部が演算する前記弾性波の透過率とに基づいて、この摩擦係数を評価することを特徴とする接触状態評価装置である。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、図９に示すように、前記第１の部材は、車輪（１９）であり、前記第２の部材は、前記車輪が転動するレール（２０）であるときに、前記評価部は、前記車輪と前記レールとの間の摩擦係数を評価することを特徴とする接触状態評価装置である。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、図１０及び図１１に示すように、前記第１の部材は、摺動部（２３ａ；２５ａ）であり、前記第２の部材は、前記摺動部が摺動する電車線路（２１ａ；２４）であるときに、前記評価部は、前記摺動部と前記電車線との間の摩擦係数を評価することを特徴とする接触状態評価装置である。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接触状態評価装置において、前記第１の部材は、回転軸（２６）であり、前記第２の部材は、前記回転軸を回転自在に支持する軸受（２７）であるときに、前記評価部は、前記回転軸と前記軸受との間の摩擦係数を評価することを特徴とする接触状態評価装置である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によると、第１の部材と第２の部材との間の境界部の接触状態を簡単に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の評価手法を模式的に示す概念図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の構成図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の超音波透過率演算部の演算処理を説明するための波形図であり、（Ａ）は無負荷時の反射超音波の波形であり、（Ｂ）は負荷時の反射超音波の波形である。
【図４】この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の相関関係情報記憶部が記憶する相関関係を模式的に示すグラフである。
【図５】この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】この発明の第２実施形態に係る接触状態評価装置の評価手法を模式的に示す概念図である。
【図７】この発明の第２実施形態に係る接触状態評価装置の構成図である。
【図８】この発明の第２実施形態に係る接触状態評価装置の超音波透過率演算部の演算処理を説明するための波形図であり、（Ａ）は無負荷時の送信超音波の波形であり、（Ｂ）は負荷時の透過超音波の波形である。
【図９】この発明の第３実施形態に係る接触状態評価装置を車輪／レール間に適用する場合の模式図であり、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図１０】この発明の第４実施形態に係る接触状態評価装置をトロリ線／すり板間に適用する場合の模式図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。
【図１１】この発明の第５実施形態に係る接触状態評価装置を導電レール／集電靴間に適用する場合の模式図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。
【図１２】この発明の第６実施形態に係る接触状態評価装置を軸受／回転軸間に適用する場合の模式図である。
【図１３】、接触状態測定試験で使用した車輪／レール接触試験機を模式的に示す外観図である。
【図１４】接触状態測定試験で使用した超音波測定装置の超音波プローブを模式的に示す外観図であり、（Ａ）は超音波プローブの外観図であり、（Ｂ）は超音波プローブの設置状態を示す断面図である。
【図１５】接触状態測定試験において車輪／レール間の接触部に生じる力を模式的に示す断面図である。
【図１６】接触状態測定試験による左右接線力係数と超音波透過率（平均）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１に示す部材１，２は、互いに接触する固体である。部材１，２は、内部を振動が伝搬する鋼又はアルミニウムなどの金属材料、ガラス、セラミック又は合成樹脂などの非金属材料である。部材１，２は、同質又は異質の部材である。境界部Ｂは、部材１と部材２との接触界面（境目）である。境界部Ｂは、図１に示すように、部材１と部材２とが接触している真実接触部Ｂ1と、部材１と部材２とが接触していない空隙部Ｂ2とが実際には混在している。境界部Ｂは、部材１と部材２とを押し付けて接触させたときに、これらの部材１，２の表面に微細な凹凸が存在するため、この境界部Ｂの表面全体が接触しておらず、この境界部Ｂの限られた部分である真実接触部Ｂ1のみが接触している。
【００１６】
超音波測定装置３は、部材１と部材２との間に超音波を伝搬させて境界部Ｂで反射する超音波を測定する装置である。図１に示す超音波測定装置３は、部材１から部材２に向かって超音波のパルスを送信し、境界部Ｂから反射する超音波を受信するパルス反射法による測定装置である。超音波測定装置３は、図２に示すように、超音波送受信部４と、超音波強度検出部５と、検出結果送信部６と、制御部７などを備えている。超音波測定装置３は、図１に示すように、接触状態評価装置８からの超音波送信指令を有線又は無線によって受信して超音波送受信部４から超音波を送信する。
【００１７】
図２に示す超音波送受信部４は、超音波を送受信する手段である。超音波送受信部４は、圧電セラミックスのような圧電素子（振動子）に電圧が加わったときに、この圧電素子が振動して超音波を発生するとともに、この圧電素子に振動が加わったときに、この圧電素子が電圧を発生する。超音波送受信部４は、例えば、超音波を発生するとともに反射超音波を探知する超音波プローブなどを備えている。超音波送受信部４は、図１に示すように、部材１に超音波を送信して部材１を振動させ、部材１から部材２に向かって超音波（入射波）を伝搬させるとともに、境界部Ｂから反射して部材１を伝搬する超音波（反射波）を受信する。超音波送受信部４は、受信した超音波信号を電気信号に変換して制御部７に出力する。
【００１８】
図２に示す超音波強度検出部５は、境界部Ｂで反射する超音波の強度を検出する手段である。超音波強度検出部５は、超音波送受信部４が受信する超音波の強度を検出し、この検出結果を超音波強度情報（超音波強度信号）として制御部７に出力する。超音波強度検出部５は、例えば、図３（Ａ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させていない状態で超音波を送信したときに、境界部Ｂで反射する超音波の強度と、図３（Ｂ）に示すように部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させた状態で超音波を送信したときに、境界部Ｂで反射する超音波の強度とを検出する。
【００１９】
図２に示す検出結果送信部６は、超音波強度検出部５の検出結果を送信する手段である。検出結果送信部６は、超音波強度検出部５が出力する超音波強度情報を無線又は有線によって接触状態評価装置８の検出結果受信部９に送信する。
【００２０】
制御部７は、超音波測定装置３に関する種々の動作を制御する手段(中央処理部(CPU))である。制御部７は、例えば、超音波送受信部４に超音波の送信を指令したり、超音波送受信部４が出力する電気信号を超音波強度検出部５に出力したり、超音波送受信部４が受信した超音波の強度の検出を超音波強度検出部５に指令したり、超音波強度検出部５が出力する超音波強度情報を検出結果送信部６に出力したり、超音波強度検出部５が出力する超音波強度情報の送信を検出結果送信部６に指令したりする。制御部７には、超音波送受信部４、超音波強度検出部５及び検出結果送信部６が相互に通信可能に接続されている。
【００２１】
図１に示す接触状態評価装置８は、部材１と部材２との間の境界部Ｂに向かって伝搬する超音波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する装置である。接触状態評価装置８は、図１に示すように、二つの部材１，２の境界部Ｂに向かって超音波を伝搬させたときに、境界部Ｂから反射する超音波の強度に基づいて部材１，２の摩擦係数μを評価する。接触状態評価装置８は、例えば、パーソナルコンピュータなどによって構成されており、接触状態評価プログラムに従って所定の処理を実行する。接触状態評価装置８は、図２に示すように、検出結果受信部９と、超音波強度情報記憶部１０と、超音波透過率演算部１１と、超音波透過率情報記憶部１２と、相関関係情報記憶部１３と、摩擦係数評価部１４と、摩擦係数情報記憶部１５と、接触状態評価プログラム記憶部１６と、表示部１７と、制御部１８などを備えている。
【００２２】
図１に示すように、音響インピーダンスの異なる部材１，２の境界部Ｂでは、音波は一部しか透過せず、残りは反射して帰ってくる。このときの反射率Ｒは、以下の数１によって表される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
ここで、数１に示すＺ1，Ｚ2は、接触物質の音響インピーダンス（密度及び音速によって決まる値）である。従って、接触する二つの部材１，２の音響インピーダンスＺ1，Ｚ2が等しい場合、全ての音波がロスなく透過するので反射は生じない（Ｒ＝０)。一方で気体と固体のように音響インピーダンスが著しく異なる場合、音響は完全に反射する（Ｒ≒１）。このため、同質の部材１，２同士の境界部Ｂでは超音波は良く透過することになるが、実際の境界部Ｂでは真実接触部Ｂ1と空隙部Ｂ2とが混在しているため、超音波の反射強度は真実接触面積の大きさに依存する。言い換えれば、境界部Ｂで反射する超音波の強度を測定することにより、境界部Ｂに存在する真実接触部Ｂ1の大きさを評価することができる。接触状態評価装置８は、境界部Ｂで反射する超音波の強度を測定することによって、境界部Ｂにおける部材１，２の摩擦係数μを評価する。
【００２５】
図２に示す検出結果受信部９は、超音波強度検出部５の検出結果を受信する手段である。検出結果受信部９は、超音波強度検出部５が出力する超音波強度情報を受信して制御部１８に出力する。
【００２６】
超音波強度情報記憶部１０は、超音波強度検出部５の検出結果を記憶する手段である。超音波強度情報記憶部１０は、例えば、検出結果受信部９が受信する超音波強度情報を記憶するメモリなどである。超音波強度情報記憶部１０は、例えば、図３（Ａ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させていない状態で超音波を送信したときに検出される超音波強度情報と、図３（Ｂ）に示すように部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させた状態で超音波を送信したときに、検出される超音波強度情報とを記憶する。
【００２７】
図２に示す超音波透過率演算部１１は、超音波強度検出部５の検出結果に基づいて、部材１と部材２とが実際に接触している境界部Ｂの真実接触部Ｂ1を透過する超音波の超音波透過率を演算する手段である。超音波透過率演算部１１は、超音波の反射強度が真実接触面積の大きさに依存するため、境界部Ｂで反射する超音波の強度に基づいて、真実接触部Ｂ1を透過する超音波の超音波透過率を演算する。ここで、真実接触面積とは、面接触における実際の接触部である。超音波透過率演算部１１は、真実接触面積の大きさを評価するための指標となる評価指標値として、以下の数２に示す超音波透過率Ｅdifを演算する。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
ここで、数２に示すＨ0は、無負荷時の反射超音波の波高（反射超音波の強度）であり、Ｈは負荷時の反射超音波の波高（反射超音波の強度）である。超音波透過率演算部１１は、図３（Ａ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させていない状態で超音波を送信したときに、境界部Ｂから反射する超音波の波高Ｈ0を演算する。また、超音波透過率演算部１１は、図３（Ｂ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させた状態で超音波を送信したときに、境界部Ｂから反射する超音波の波高Ｈを演算する。超音波透過率演算部１１は、波高Ｈ0と波高Ｈとから反射波高比Ｈ／Ｈ0を演算し、数２に示す超音波透過率Ｅdifを演算する。超音波透過率演算部１１は、演算後の超音波透過率Ｅdifを超音波透過率情報（超音波透過率信号）として制御部１８に出力する。
【００３０】
図２に示す超音波透過率情報記憶部１２は、超音波透過率演算部１１の演算結果を記憶する手段である。超音波透過率情報記憶部１２は、例えば、超音波透過率演算部１１が出力する超音波透過率情報を記憶するメモリなどである。
【００３１】
相関関係情報記憶部１３は、超音波透過率Ｅdifと摩擦係数μとの間の相関関係を記憶する手段である。相関関係情報記憶部１３は、例えば、図４に示すような超音波透過率Ｅdifと摩擦係数μとの相関関係を相関関係情報として記憶するメモリなのである。ここで、図４に示す縦軸は、摩擦係数μであり、横軸は超音波透過率Ｅdifである。
【００３２】
図２に示す摩擦係数評価部１４は、境界部Ｂで反射する超音波の強度を検出する超音波強度検出部５の検出結果に基づいて、部材１と部材２との間の摩擦係数μを評価する手段である。摩擦係数評価部１４は、超音波透過率演算部１１の演算結果に基づいて、図１に示す部材１と部材２との間の摩擦係数μを評価する。摩擦係数評価部１４は、超音波透過率演算部１１が演算する超音波透過率Ｅdifと、相関関係情報記憶部１３が記憶する相関関係とに基づいて摩擦係数μを評価する。摩擦係数評価部１４は、図４に示すような相関関係情報記憶部１３が記憶する相関関係を参照して、超音波透過率演算部１１が演算した超音波透過率Ｅdifに対応する摩擦係数μを特定する。摩擦係数評価部１４は、摩擦係数μを摩擦係数情報として制御部１８に出力する。
【００３３】
図２に示す摩擦係数情報記憶部１５は、摩擦係数評価部１４の評価結果を記憶する手段である。摩擦係数情報記憶部１５は、例えば、摩擦係数評価部１４が出力する摩擦係数情報を記憶するメモリなどである。摩擦係数情報記憶部１５は、部材１，２の材質などに対応させて摩擦係数情報を記憶する。
【００３４】
接触状態評価プログラム記憶部１６は、部材１と部材２との間の境界部Ｂに向かって伝搬する弾性波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する接触状態評価プログラムを記憶する手段である。接触状態評価プログラム記憶部１６は、情報記録媒体から読み取った接触状態評価プログラム、又は電気通信回線を通じて取り込まれた接触状態評価プログラムなどを記憶する。
【００３５】
表示部１７は、種々の情報を表示する手段である。表示部１７は、例えば、超音波透過率Ｅdif、摩擦係数μ及び相関関係などの種々の情報を表示画面上に表示する表示装置である。
【００３６】
制御部１８は、接触状態評価装置８に関する種々の動作を制御する手段(中央処理部(CPU))である。制御部１８は、接触状態評価プログラム記憶部１６から接触状態評価プログラムを読み出してこの接触状態評価プログラムに従って所定の評価処理を実行する。制御部１８は、例えば、検出結果受信部９が出力する超音波強度情報を超音波強度情報記憶部１０に出力したり、超音波強度情報の記憶を超音波強度情報記憶部１０に指令したり、超音波強度情報記憶部１０から超音波強度情報を読み出して超音波透過率演算部１１に出力したり、超音波透過率演算部１１に超音波透過率Ｅdifの演算を指令したり、超音波透過率演算部１１が出力する超音波透過率情報を超音波透過率情報記憶部１２に出力したり、超音波透過率情報の記憶を超音波透過率情報記憶部１２に指令したり、超音波透過率情報記憶部１２から超音波透過率情報を読み出して摩擦係数評価部１４に出力したり、相関関係情報記憶部１３から相関関係情報を読み出して摩擦係数評価部１４に出力したり、摩擦係数評価部１４に摩擦係数μの評価を指令したり、摩擦係数評価部１４が出力する摩擦係数情報を摩擦係数情報記憶部１５に出力したり、摩擦係数情報記憶部１５に摩擦係数情報の記憶を指令したり、摩擦係数情報記憶部１５から摩擦係数情報を読み出して表示部１７に出力したり、摩擦係数情報の表示を表示部１７に指令したりする。制御部１８には、検出結果受信部９、超音波強度情報記憶部１０、超音波透過率演算部１１、超音波透過率情報記憶部１２、相関関係情報記憶部１３、摩擦係数評価部１４、摩擦係数情報記憶部１５、接触状態評価プログラム記憶部１６及び表示部１７などが相互に通信可能なように接続されている。
【００３７】
次に、この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
以下では、図２に示す制御部１８の動作を中心に説明する。
図５に示すステップ（以下、Ｓという）１００において、接触状態評価プログラム記憶部１６から接触状態評価プログラムを制御部１８が読み込む。接触状態評価プログラム記憶部１６から接触状態評価プログラムを制御部１８が読み出して、この接触状態評価プログラムに従って一連の接触状態評価処理を制御部１８が実行する。
【００３８】
Ｓ１１０において、超音波強度情報記憶部１０に超音波強度情報の記憶を制御部１８が指令する。図１に示すように、超音波測定装置３の超音波送受信部４が境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂで反射した超音波を超音波送受信部４が受信し、この境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波強度検出部５が検出する。超音波強度検出部５が検出した超音波強度情報を検出結果送信部６から接触状態評価装置８の検出結果受信部９に送信すると、検出結果受信部９がこの超音波強度情報を受信して、この超音波強度情報を検出結果受信部９が制御部１８に出力する。その結果、この超音波強度情報を超音波強度情報記憶部１０に制御部１８が出力し、超音波強度情報記憶部１０に超音波強度情報の記憶を制御部１８が指令すると、超音波強度情報を超音波強度情報記憶部１０が記憶する。
【００３９】
Ｓ１２０において、超音波透過率演算部１１に超音波透過率Ｅdifの演算を制御部１８が指令する。超音波強度情報記憶部１０から超音波強度情報を制御部１８が読み出して、この超音波強度情報を制御部１８が超音波透過率演算部１１に出力し、超音波透過率演算部１１に超音波透過率Ｅdifの演算を制御部１８が指令する。その結果、無負荷時の反射超音波の波高Ｈ0と、負荷時の反射超音波の波高Ｈとから反射波高比Ｈ／Ｈ0を超音波透過率演算部１１が演算する。超音波透過率演算部１１が超音波透過率Ｅdifを数２によって演算し、超音波透過率情報を超音波透過率演算部１１が制御部１８に出力すると、この超音波透過率情報を制御部１８が超音波透過率情報記憶部１２に出力する。超音波透過率情報記憶部１２に超音波透過率情報の記憶を制御部１８が指令すると、超音波透過率情報を超音波透過率情報記憶部１２が記憶する。
【００４０】
Ｓ１３０において、摩擦係数μの評価を摩擦係数評価部１４に制御部１８が指令する。超音波透過率情報記憶部１２から超音波透過情報を制御部１８が読み出して、この超音波透過情報を制御部１８が摩擦係数評価部１４に出力するとともに、相関関係情報記憶部１３から制御部１８が相関関係情報を読み出して、この相関関係情報を制御部１８が摩擦係数評価部１４に出力する。摩擦係数評価部１４に摩擦係数μの評価を制御部１８が指令すると、図４に示すような相関関係情報を摩擦係数評価部１４が参照して、超音波透過率Ｅdifに対応する摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が特定し、摩擦係数評価部１４が摩擦係数情報を制御部１８に出力する。摩擦係数情報を制御部１８が摩擦係数情報記憶部１５に出力し、摩擦係数情報記憶部１５に摩擦係数情報の記憶を制御部１８が指令すると、摩擦係数情報を摩擦係数情報記憶部１５が記憶する。
【００４１】
Ｓ１４０において、表示部１７に摩擦係数情報の表示を制御部１８が指令する。摩擦係数情報記憶部１５から摩擦係数情報を制御部１８が読み出して、この摩擦係数情報を制御部１８が表示部１７に出力するとともに、この摩擦係数情報の表示を表示部１７に制御部１８が指令する。その結果、表示部１７が表示画面上に摩擦係数μなどを表示する。
【００４２】
この発明の第１実施形態に係る接触状態評価装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、境界部Ｂで反射する超音波の強度を検出する超音波強度検出部５の検出結果に基づいて、部材１と部材２との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、従来の同定装置のような法線力及び接線力を測定することが困難な場合であっても、境界部Ｂの真実接触面積の大きさを演算することによってこの境界部Ｂにおける接触状態を測定し、摩擦係数μを簡単に評価することができる。
【００４３】
(2) この第１実施形態では、超音波強度検出部５の検出結果に基づいて、部材１と部材２とが実際に接触している境界部Ｂの真実接触部Ｂ1を透過する超音波の超音波透過率Ｅdifを超音波透過率演算部１１が演算する。また、この第１実施形態では、超音波透過率演算部１１の演算結果に基づいて、部材１と部材２との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、境界部Ｂで反射する超音波の強度を測定することによって、この境界部Ｂに存在する真実接触部Ｂ1の大きさを測定し、この境界部Ｂにおける摩擦係数μを簡単に評価することができる。例えば、無負荷時の反射超音波の波高Ｈ0と負荷時の反射超音波の波高Ｈとから反射波高比Ｈ／Ｈ0を演算し、この反射波高比Ｈ／Ｈ0を評価指標として使用することによって、超音波プローブの固有の特性や超音波の散乱などの影響を低減することができる。
【００４４】
(3) この第１実施形態では、超音波透過率Ｅdifと摩擦係数μとの間の相関関係と、超音波透過率演算部１１が演算する超音波透過率Ｅdifとに基づいて、この摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、超音波の反射波強度が真実接触面積の大きさに依存することを利用して、超音波透過率Ｅdifと摩擦係数μとの間の相関関係を参照して、超音波透過率Ｅdifからを簡単に特定することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
以下では、図１〜図４に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示す超音波測定装置３は、部材１と部材２との間に超音波を伝搬させて境界部Ｂを透過する超音波を測定する装置である。図６に示す超音波測定装置３は、図１に示すパルス反射法による超音波測定装置３とは異なり、図６に示すように部材１から部材２に向かって超音波を送信し、境界部Ｂを透過する超音波を受信する透過法による測定装置である。図６に示す超音波測定装置３は、図１に示す超音波送受信部４とは異なり、超音波送信部４Ａと超音波受信部４Ｂとを備えている。超音波測定装置３は、図６に示すように、接触状態評価装置８からの超音波送信指令を有線又は無線によって受信して超音波送信部４Ａから超音波を送信する。
【００４６】
図６に示す超音波送信部４Ａは、超音波を送信する手段である。超音波送信部４Ａは、圧電セラミックスのような圧電素子（振動子）に電圧が加わったときに、この圧電素子が振動して超音波を発生する。超音波送信部４Ａは、部材１に超音波を送信して部材１を振動させ、部材１から部材２に向かって超音波（入射波）を伝搬させる。
【００４７】
超音波受信部４Ｂは、超音波を受信する手段である。超音波受信部４Ｂは、圧電セラミックスのような圧電素子（振動子）に振動が加わったときに、この圧電素子が電圧を発生する。超音波受信部４Ｂは、超音波送信部４Ａが部材１に超音波を発信したときに、境界部Ｂを透過して部材２を伝搬する超音波（透過波）を受信する。超音波受信部４Ｂは、受信した超音波信号を電気信号に変換して制御部７に出力する。
【００４８】
超音波強度検出部５は、境界部Ｂを透過する超音波の強度を検出するとともに、超音波送信部４Ａが送信する超音波の強度を検出する手段である。超音波強度検出部５は、超音波送信部４Ａが送信する超音波の強度を検出するとともに、超音波受信部４Ｂが受信する超音波の強度を検出し、これらの検出結果を超音波強度情報（超音波強度信号）として制御部７に出力する。超音波強度検出部５は、例えば、図８（Ａ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させていない状態で超音波を発信したときに、境界部Ｂに向かって送信する超音波の強度と、図８（Ｂ）に示すように部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させた状態で超音波を発信したときに、境界部Ｂを透過する超音波の強度とを検出する。
【００４９】
図７に示す制御部７は、例えば、超音波送信部４Ａに超音波の発信を指令したり、超音波受信部４Ｂが出力する電気信号を超音波強度検出部５に出力したり、超音波受信部４Ｂが受信した超音波の強度の検出を超音波強度検出部５に指令したりする。制御部７には、超音波送信部４Ａ、超音波受信部４Ｂ、超音波強度検出部５及び検出結果送信部６が相互に通信可能に接続されている。
【００５０】
接触状態評価装置８は、図６に示すように、二つの部材１，２の境界部Ｂに向かって超音波を伝搬させたときに、境界部Ｂを透過する超音波の強度に基づいて部材１，２の摩擦係数を評価する。超音波透過率演算部１１は、真実接触面積の大きさを評価するための指標となる評価指標値として、以下の数３に示す超音波透過率Ｅdifを演算する。
【００５１】
【数３】
2018112436.tif 000005
【００５２】
ここで、数３に示すｈ0は、無負荷時の送信超音波の波高（送信超音波の強度）であり、ｈは負荷時の透過超音波の波高（透過超音波の強度）である。超音波透過率演算部１１は、図８（Ａ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させていない状態で超音波を発信したときに、境界部Ｂに向かって送信される超音波の波高ｈ0を演算する。また、超音波透過率演算部１１は、図８（Ｂ）に示すように、部材１と部材２とを押し付けるための負荷を作用させた状態で超音波を発信したときに、境界部Ｂを透過する超音波の波高ｈを演算する。超音波透過率演算部１１は、波高ｈ0と波高ｈとから透過波高比ｈ／ｈ0を演算し、この透過波高比ｈ／ｈ0を数３に示す超音波透過率Ｅdifとして演算する。摩擦係数評価部１４は、境界部Ｂを透過する超音波の強度を検出する超音波強度検出部５の検出結果に基づいて、部材１と部材２との間の摩擦係数μを評価する手段である。
【００５３】
次に、この発明の第２実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
以下では、図５に示す処理と同一の処理については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図５に示すＳ１１０において、超音波強度情報記憶部１０に超音波強度情報の記憶を制御部１８が指令する。図６に示すように、超音波測定装置３の超音波送信部４Ａが境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂを透過する超音波を超音波受信部４Ｂが受信し、この境界部Ｂを透過した超音波の強度を超音波強度検出部５が検出する。超音波強度検出部５が検出した超音波強度情報が検出結果送信部６から検出結果受信部９を通じて制御部１８に出力されると、この超音波強度情報を超音波強度情報記憶部１０に制御部１８が出力し、超音波強度情報を超音波強度情報記憶部１０が記憶する。
【００５４】
Ｓ１２０において、超音波透過率演算部１１に超音波透過率Ｅdifの演算を制御部１８が指令する。その結果、無負荷時の送信超音波の波高ｈ0と、負荷時の透過超音波の波高ｈとから透過波高比ｈ／ｈ0を超音波透過率演算部１１が数３によって演算する。超音波透過率演算部１１から制御部１８を通じて超音波透過率情報記憶部１２に超音波透過率情報が出力されると、超音波透過率情報を超音波透過率情報記憶部１２が記憶する。この第２実施形態には、第１実施形態と同様の効果がある。
【００５５】
（第３実施形態）
図９に示す超音波測定装置３は、車輪１９からレール２０に向かって超音波のパルスを送信し、境界部Ｂから反射する超音波を測定する。超音波測定装置３は、車輪１９側に設置されており、超音波強度情報を接触状態評価装置８に有線又は無線で送信する。超音波測定装置３は、例えば、超音波強度情報を有線で送信する場合には、可動体である車輪１９側から固定体である車体側にスリップリングなどの回転コネクタによって超音波強度情報を送信する。接触状態評価装置８は、車輪１９とレール２０との間の境界部Ｂに向かって伝搬する超音波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する。接触状態評価装置８は、車体側に設置されており、車輪１９とレール２０との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４によって評価する。
【００５６】
車輪１９は、レール２０と回転接触する部材である。車輪１９は、レール頭部２０ａの頭頂面２０ｄと接触して摩擦抵抗を受ける踏面１９ａと、脱輪を防止するために車輪１９の外周部に連続して形成されたフランジ面１９ｂなどを備えている。車輪１９は、例えば、高炭素鋼を圧延して製造される一体圧延車輪、又は鋳鋼を素材として鋳造法により製造される鋳鋼車輪などである。
【００５７】
レール２０は、車輪１９が転動する部材である。レール２０は、車輪１９を支持し案内して鉄道車両を走行させる。レール２０は、レール頭部２０ａと、レール底部（フランジ部）２０ｂと、レール腹部（ウェブ部）２０ｃなどを備えている。レール頭部２０ａは、車輪１９と接触する部分である。レール頭部２０ａは、車輪１９を直接支持する頭頂面（頭部上面）２０ｄと、レール頭部２０ａの左右の側面部分を構成し頭頂面２０ｄと連続する頭部側面２０ｅと、頭頂面２０ｄと頭部側面２０ｅとの間に形成されて急曲線通過時に車輪１９のフランジ面１９ｂと接触するゲージコーナ面２０ｆなどを備えている。レール底部２０ｂは、レール２０を支持する支持体（支承体）に取り付けられる部分である。レール底部２０ｂは、レール２０を支持体に締結するレール締結装置によってこの支持体上に設置されて取り付けられる。レール腹部２０ｃは、レール頭部２０ａとレール底部２０ｂとを繋ぐ部分である。レール腹部２０ｃは、レール頭部２０ａに作用する輪重及び横圧をレール底部２０ｂに伝達する。レール２０は、例えば、高炭素鋼を圧延して所定の形状に製造される。
【００５８】
次に、この発明の第３実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
図９に示すように、超音波測定装置３が車輪１９とレール２０との間の境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂで反射した超音波を超音波測定装置３が受信する。境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波測定装置３が検出すると、超音波測定装置３が検出した超音波強度情報が接触状態評価装置８に送信される。無負荷時の車輪／レール間の反射超音波の波高Ｈ0と、負荷時の車輪／レール間の反射超音波の波高Ｈとから透過波高比Ｈ／Ｈ0を接触状態評価装置８が数２によって演算し、接触状態評価装置８が超音波透過率Ｅdifを数２によって演算する。図４に示すような相関関係情報を接触状態評価装置８が参照して、超音波透過率Ｅdifに対応する車輪／レール間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が特定し、この車輪／レール間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が表示画面上に表示する。
【００５９】
この発明の第３実施形態に係る接触状態評価装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第３実施形態では、車輪１９とレール２０との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、レール２０上に車輪１９を転動させた状態で、軌道上を走行しながら車輪１９とレール２０との間の摩擦係数μを簡単に評価することができる。
【００６０】
（第４実施形態）
図１０に示す超音波測定装置３は、すり板２３ａからトロリ線２１ａに向かって超音波のパルスを送信し、境界部Ｂから反射する超音波を測定する。超音波測定装置３は、すり板２３ａ側に設置されており、超音波強度情報を接触状態評価装置８に有線又は無線で送信する。接触状態評価装置８は、トロリ線２１ａとすり板２３ａとの間の境界部Ｂに向かって伝搬する超音波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する。接触状態評価装置８は、車体２２ａの屋根上に設置されており、トロリ線２１ａとすり板２３ａとの間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４によって評価する。
【００６１】
架線２１は、線路上空に架設される架空式電車線路である。架線２１は、所定の間隔をあけて架線金具によって支持点で支持されている。トロリ線２１ａは、集電装置２３のすり板２３ａが摺動する電車線（電線）である。トロリ線２１ａは、集電装置２３が摺動することによって、車両２２に負荷電流を供給する。車両２２は、電車又は電気機関車などの電気車である。車体２２ａは、乗客又は貨物を積載し輸送するための構造物である。
【００６２】
集電装置２３は、架線２１のトロリ線２１ａと摺動するすり板２３ａによってこのトロリ線２１ａから集電する装置である。集電装置２３は、すり板２３ａと、集電舟（舟体）２３ｂと、枠組２３ｃと、台枠２３ｄと、碍子（がいし）２３ｅなどを備えている。すり板２３ａは、トロリ線２１ａと摺動する部材である。すり板２３ａは、例えば、カーボン（炭素）を主原料とするカーボン系すり板、鉄又は銅などを主成分とする焼結合金すり板であり、車両２２の進行方向と直交する方向に伸びた板状部材である。集電舟（舟体）２３ｂは、すり板２３ａを取り付けて支持する部材である。集電舟２３ｂは、一般にトロリ線１ａと直交する方向（まくらぎ方向）に伸びた細長い金属製の柱状部材である。枠組２３ｃは、集電舟２３ｂを支持する部材である。枠組２３ｃは、集電舟２３ｂを舟支え部によって支持した状態で上下方向に動作可能なリンク機構である。台枠２３ｄは、枠組２３ｃを支持する部材であり、碍子２３ｅ上に設置される。碍子２３ｅは、車体２２ａと台枠２３ｄとの間を電気的に絶縁する部材であり、車体２２ａの屋根上に設置される。
【００６３】
次に、この発明の第４実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
超音波測定装置３がトロリ線２１ａとすり板２３ａとの間の境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂで反射した超音波を超音波測定装置３が受信する。境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波測定装置３が検出すると、超音波測定装置３が検出した超音波強度情報が超音波測定装置３から接触状態評価装置８に送信される。無負荷時のトロリ線／すり板間の反射超音波の波高Ｈ0と、負荷時のトロリ線／すり板間の反射超音波の波高Ｈとから透過波高比Ｈ／Ｈ0を接触状態評価装置８が数２によって演算し、接触状態評価装置８が超音波透過率Ｅdifを数２によって演算する。図４に示すような相関関係情報を接触状態評価装置８が参照して、超音波透過率Ｅdifに対応するトロリ線／すり板間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が特定し、このトロリ線／すり板間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が表示画面上に表示する。
【００６４】
この発明の第４実施形態に係る接触状態評価装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第４実施形態では、トロリ線２１ａとすり板２３ａとの間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、トロリ線２１ａに対してすり板２３ａを摺動させた状態で、軌道上を走行しながらトロリ線２１ａとすり板２３ａとの間の摩擦係数μを簡単に評価することができる。
【００６５】
（第５実施形態）
図１１に示す超音波測定装置３は、導電レール２４から集電靴２５ａに向かって超音波のパルスを送信し、境界部Ｂから反射する超音波を測定する。超音波測定装置３は、集電靴２５ａ側に設置されており、超音波強度情報を接触状態評価装置８に有線又は無線で送信する。接触状態評価装置８は、導電レール２４と集電靴２５ａとの間の境界部Ｂに向かって伝搬する超音波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する。接触状態評価装置８は、車体側に設置されており、導電レール２４と集電靴２５ａとの間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４によって評価する。
【００６６】
導電レール２４は、集電装置２５の集電靴２５ａが摺動する電車線路（第三軌条式電車線路（第三レール))である。導電レール２４は、支持碍子によって支持された状態で軌道の側方に沿って軌道と平行に敷設されている。導電レール２４は、図９に示す車両２２の車輪１９を支持する通常の走行用レールとは異なり、車両２２に電力を供給するための集電用レールであり、車両２２に負荷電流を供給することを目的として使用される。
【００６７】
図１１に示す集電装置２５は、導電レール２４と摺動する集電靴２５ａによってこの導電レール２４から集電する装置である。集電装置２５は、導電レール２４の頭頂面に集電靴２５ａの下面を摺動させて集電する第三軌条式集電装置である。集電靴２５ａは、導電レール２４と摺動する部材である。集電靴２５ａは、鋳鉄製又は鋳鋼製の板状部材である。集電靴２５ａは、軌道上を走行する台車に集電装置２５によって絶縁材を介して取り付けられており、図示しないばねによって導電レール２４に押し付けられている。
【００６８】
次に、この発明の第５実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
超音波測定装置３が導電レール２４と集電靴２５ａとの間の境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂで反射した超音波を超音波測定装置３が受信する。境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波測定装置３が検出すると、超音波測定装置３が検出した超音波強度情報が超音波測定装置３から接触状態評価装置８に送信される。無負荷時の導電レール／集電靴間の反射超音波の波高Ｈ0と、負荷時の導電レール／集電靴間の反射超音波の波高Ｈとから透過波高比Ｈ／Ｈ0を接触状態評価装置８が数２によって演算し、接触状態評価装置８が超音波透過率Ｅdifを数２によって演算する。図４に示すような相関関係情報を接触状態評価装置８が参照して、超音波透過率Ｅdifに対応する導電レール／集電靴間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が特定し、この導電レール／集電靴間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が表示画面上に表示する。
【００６９】
この発明の第５実施形態に係る接触状態評価装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第５実施形態では、導電レール２４と集電靴２５ａとの間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、導電レール２４に対して集電靴２５ａを摺動させた状態で、軌道上を走行しながら導電レール２４と集電靴２５ａとの間の摩擦係数μを簡単に評価することができる。
【００７０】
（第６実施形態）
図１２に示す超音波測定装置３は、回転軸２６から軸受２７に向かって超音波のパルスを送信し、境界部Ｂから反射する超音波を測定する。超音波測定装置３は、回転軸２６側に設置されており、超音波強度情報を接触状態評価装置８に無線又は有線で送信する。超音波測定装置３は、例えば、超音波強度情報を有線で送信する場合には、可動体である回転軸２６側から非可動の固定体側にスリップリングなどの回転コネクタによって超音波強度情報を送信する。接触状態評価装置８は、回転軸２６と軸受２７との間の境界部Ｂに向かって伝搬する超音波によって、この境界部Ｂの接触状態を評価する。接触状態評価装置８は、固定体側に設置されており、回転軸２６と軸受２７との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４によって評価する。
【００７１】
回転軸２６は、中心軸Ｏを中心として回転する部材である。軸受２７は、回転軸２６を回転自在に支持する装置である。軸受２７は、外輪２７ｃと内輪２７ｄとの間で転がる転動体２７ａと、この転動体２７ａを等間隔に保持する保持器２７ｂと、この保持器２７ｂの外側で固定部材側に固定される外輪２７ｃと、この保持器２７ｂの内側で回転軸２６側に固定される内輪２７ｄなどを備えている。図１２に示す軸受２７は、回転軸２６に対して垂直方向の荷重を受けるラジアル軸受である。
【００７２】
次に、この発明の第６実施形態に係る接触状態評価装置の動作を説明する。
超音波測定装置３が回転軸２６と軸受２７との間の境界部Ｂに向かって超音波を送信すると、この境界部Ｂで反射した超音波を超音波測定装置３が受信する。境界部Ｂで反射した超音波の強度を超音波測定装置３が検出すると、超音波測定装置３が検出した超音波強度情報が超音波測定装置３から接触状態評価装置８に送信される。無負荷時の軸受／回転軸間の反射超音波の波高Ｈ0と、負荷時の軸受／回転軸間の反射超音波の波高Ｈとから透過波高比Ｈ／Ｈ0を接触状態評価装置８が数２によって演算し、接触状態評価装置８が超音波透過率Ｅdifを数２によって演算する。図４に示すような相関関係情報を接触状態評価装置８が参照して、超音波透過率Ｅdifに対応する軸受／回転軸間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が特定し、この軸受／回転軸間の摩擦係数μを接触状態評価装置８が表示画面上に表示する。
【００７３】
この発明の第６実施形態に係る接触状態評価装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第６実施形態では、回転軸２６と軸受２７との間の摩擦係数μを摩擦係数評価部１４が評価する。このため、軸受２７に対して回転軸２６を支持させた状態で、回転軸２６を回転させながら回転軸２６と軸受２７との間の摩擦係数μを簡単に評価することができる。
【実施例】
【００７４】
次に、この発明の実施例について説明する。
（試験装置）
図１３に示す車輪／レール接触試験機２８を使用して、踏面１９ａの加工方法が異なる二種類の車輪１９とレール２０とを繰り返し接触させて、左右接線力係数（摩擦係数）を評価するとともに、車輪／レール間の接触状態の変化を測定する接触状態測定試験を実施した。車輪／レール接触試験機２８は、実物の車輪１９と実物のレール２０とを接触させてこれらの接触状態を試験する装置である。車輪／レール接触試験機２８は、レール２０のレール底部２０ｂを支持する支持部材２９Ａと、この支持部材２９Ａと間隔を開けて対向する支持部材２９Ｂと、車輪１９とレール２０との間に横圧が作用するように支持部材２９Ａに水平方向（横圧方向(Ｙ軸方向))の荷重を作用させる油圧シリンダ３０Ａと、レール２０が往復運動するようにこのレール２０に水平方向（横圧方向と直交するレール長手方向(Ｘ軸方向))の荷重を作用させる油圧シリンダ３０Ｂと、車輪１９とレール２０との間に輪重が作用するように支持部材２９Ｂに垂直方向（輪重方向(Ｚ軸方向))の荷重を作用させる油圧シリンダ３０Ｃと、車輪１９とレール２０との間に作用する横圧を検出するロードセル３１Ａと、レール２０を往復駆動する駆動力を検出するロードセル３１Ｂと、車輪１９とレール２０との間に作用する輪重を支持部材２９Ａと支持部材２９Ｂとの間の４隅で検出する４つのロードセル３１Ｃなどを備えている。
【００７５】
車輪／レール接触試験機２８は、図１３に示すように、車輪１９とレール２０とを上下反転した状態で設置し、レール２０を油圧駆動することによりレール２０と車輪１９とを接触させる。車輪／レール接触試験機２８は、垂直方向に最大50kN、水平方向に最大40kN、レール長さ方向に最大20kNの荷重を負荷させて、レール２０を最速100mm/sで約0.8mまで移動可能である。車輪／レール接触試験機２８は、車輪１９を駆動する駆動装置を付帯していないが、レール２０が長手方向に移動するときに、車輪１９とレール２０と間に発生する摩擦力によって、レール２０の往復移動に追従して車輪１９が回転する。
【００７６】
図１４に示す超音波測定装置３２は、レール２０から車輪１９に向かって超音波を送信し、境界部Ｂから反射する超音波の強度を測定する装置である。超音波測定装置３２は、図１〜図３及び図９〜図１２に示す超音波測定装置３と同様のパルス反射法による測定装置である。超音波測定装置３２は、電子操作によるリニアスキャンが可能なフェーズドアレイ超音波測定器（オリンパス株式会社製  OmniScan MX）を使用した。超音波測定装置３２は、超音波プローブ３２ａを備えている。超音波プローブ３２ａは、64素子が0.5mm間隔で長辺方向に配列されており、最大で16素子を一括制御することができるとともに、個々の素子を動かすタイミングをずらすことで焦点を絞ることができ、超音波の中心周波数は10MHzである。超音波プローブ３２ａは、素子が配列されていない非配列方向については超音波照射面にＲ形状を設け、所定の深さにおいて超音波を集束させている。
【００７７】
（試験方法）
接触状態測定試験では、図１４（Ｂ）に示すように、超音波プローブ３２ａによってレール２０のゲージコーナ面２０ｆから車輪１９のフランジ面１９ｂへ超音波を照射した。接触状態測定試験では、超音波プローブ３２ａから測定対象であるゲージコーナ面２０ｆまでの距離をできる限り一定とするため、レール２０の一部を切欠き加工した。切欠き後の超音波プローブ３２ａとゲージコーナ面２０ｆとの間の厚さは約15mm、水中伝搬距離は約10mmとした。
【００７８】
車輪１９は、踏面１９ａの加工方法が異なる二種類のものを用いた。レール２０は、50N形状のものを用いた。接触状態測定試験では、図１４（Ｂ）に示すように、レール２０の切欠き加工部に超音波プローブ３２ａをホルダごと固定したうえでレール２０を長手方向に移動させ、接触式のロータリーエンコーダにより計測するレール２０の移動距離（0.08〜0.1mmピッチ）、超音波の走査位置（0.25mmピッチ）及び超音波の反射波強度より、車輪転動時のフランジ面１９ｂとレール２０との接触状態を測定した。接触状態測定試験の試験条件は、以下の表１に示す通りである。
【００７９】
【表１】
2018112436.tif 000006
【００８０】
接触状態測定試験では、車輪１９とレール２０とを接触させたうえで往復運動させているが、試験条件としてアタック角を設定しているため、運動方向によりアタック角の正負が逆転することになる。ここで、アタック角とは、車輪１９とレール２０との相対ヨー角（上下軸回りの回転角）であり、例えば曲線を走行する車両２２の先頭部外軌側車輪のように、注目する車輪１９がレール２０に向かって転がるときの角度を正にとる。通常、車輪１９のフランジ面１９ｂは、曲線外軌と正のアタック角を有して接触する。このため、接触状態測定試験では、正のアタック角を有する運動方向のみで接触状態を測定した。
【００８１】
接触状態測定試験では、図１５に示すように、車輪／レール接触試験機２８によって測定した輪重及び横圧の測定値から、法線力及び左右接線力の値を以下の数４によって算出し、左右接線力を法線力で除すことによって左右接線力係数（摩擦係数）を算出した。
【００８２】
【数４】
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【００８３】
ここで、数４に示すＮは、法線力(kN)であり、ｆyは左右接線力(kN)であり、Ｑは横圧(kN)であり、Ｐは輪重(kN)であり、αは接触角（本試験では65°）である。
【００８４】
（試験結果）
図１６に示すグラフは、左右接線力係数（摩擦係数）と超音波透過率（平均)(超音波の平均透過率）との関係を示す。図１６に示す縦軸は、左右接線力係数であり、横軸は超音波透過率（平均）である。ここで、超音波透過率（平均）とは、見かけ接触面積における超音波透過率Ｅdifの総和を見かけ接触面積内に存在するデータ点数で除した値である。見かけ接触面積とは、明らかに接触以外の領域と考えられる部分における超音波透過率Ｅdifの標準偏差を算出し、この標準偏差の３倍の値（3σ）をしきい値とし、このしきい値を超える領域の大きさである。
【００８５】
図１６に示す供試体１〜４は、車輪１９の踏面１９ａを加工処理したものであり、供試体１，２と供試体３，４とは踏面１９ａの加工方法が異なる。供試体１は、繰り返し試験回数が60回であり、供試体２は繰り返し試験回数が120回である。供試体３は、繰り返し試験回数が120回であり、供試体４は繰り返し試験回数が160回である。ここで、繰り返し試験回数とは、往復運動における両方向の試験回数を積算した値である。図１６に示すように、供試体１〜４のいずれについても、試験回数を繰り返すにつれて真実接触面積が増加して、超音波透過率が増大するとともに摩擦係数も増加しており、ばらつきは認められるものの超音波透過率と摩擦係数との間には正の相関が認められた。その結果、超音波透過率すなわち真実接触面積の増加が摩擦係数の増大に寄与していることが確認された。
【００８６】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、超音波測定装置３が超音波を送信する場合を例に挙げて説明したが、超音波以外の弾性波を送信する場合についてもこの発明を適用することができる。また、この第１実施形態では、超音波の送受信が可能な一つの超音波送受信部４を超音波測定装置３が備える場合を例に挙げて説明したが、超音波を送信する超音波送信部と超音波を受信する超音波受信部とをそれぞれ別部材として超音波測定装置３が備える場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この第２実施形態では、超音波送信部４Ａから超音波を送信して境界部Ｂを透過する超音波を超音波受信部４Ｂによって受信する場合を例に挙げて説明したが、このような配置に限定するものではない。例えば、無負荷時に超音波送受信部４から超音波を送信して境界部Ｂで反射する超音波を超音波送受信部４によって受信するとともに、負荷時に超音波送受信部４からから超音波を送信して境界部Ｂを透過する超音波を超音波受信部４Ｂによって受信することもできる。この場合には、反射超音波の強度と透過超音波の強度とを超音波強度検出部５によって検出して、超音波透過率演算部１１によって超音波透過率Ｅdifを演算することもできる。
【００８７】
(2) この第３実施形態〜第６実施形態では、車輪／レール間、トロリ線／すり板間、導電レール／集電靴間、及び軸受／回転軸間の接触状態を評価する場合を例に挙げて説明したが、この発明をこれらの部材間に限定するものではない。例えば、非可動の固定部材とこの固定部材に対して接触移動可能な可動部材との間の接触状態を評価することもできる。また、この第３実施形態〜第６実施形態では、車輪１９、すり板２３ａ及び回転軸２６に超音波送受信部４を配置する場合を例に挙げて説明したが、レール２０、トロリ線２１ａ及び軸受２７に超音波送受信部４を配置する場合についても、この発明を適用することができる。この場合には、例えば、摩擦係数μを評価する必要がある曲線区間などのレール２０に超音波送受信部４を配置し、この曲線区間を車輪１９が通過するときにレール２０から車輪１９に向かって超音波送受信部４から超音波を送信し、境界部Ｂで反射する超音波を超音波送受信部４によって受信することができる。
【００８８】
(3) この第３実施形態〜第６実施形態では、パルス反射法によって超音波の強度を測定する場合を例に挙げて説明したが、透過法によって超音波の強度を測定する場合についても、この発明を適用することができる。この場合には、車輪１９、すり板２３ａ及び回転軸２６に超音波送信部４Ａを配置し、レール２０、トロリ線２１ａ及び軸受２７に超音波受信部４Ｂを配置することができる。例えば、摩擦係数μを評価する必要がある曲線区間のレール２０に超音波受信部４Ｂを配置し、この曲線区間を車輪１９が通過するときに車輪１９からレール２０に向かって超音波送信部４Ａから超音波を送信し、境界部Ｂを透過する超音波を超音波受信部４Ｂによって受信することができる。反対に、レール２０、トロリ線２１ａ及び軸受２７に超音波送信部４Ａを配置し、車輪１９、すり板２３ａ及び回転軸２６に超音波受信部４Ｂを配置することができる。例えば、摩擦係数μを評価する必要がある曲線区間のレール２０に超音波送信部４Ａを配置し、この曲線区間を車輪１９が通過するときにレール２０から車輪１９に向かって超音波送信部４Ａから超音波を送信し、境界部Ｂを透過する超音波を超音波受信部４Ｂによって受信することもできる。また、この第６実施形態では、軸受２７がラジアル軸受である場合を例に挙げて説明したが、回転軸２６に対して中心軸Ｏ方向に作用する荷重を受けるスラスト軸受などについても、この発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  部材（第１の部材）
２  部材（第２の部材）
３  超音波測定装置
４  超音波送受信部
４Ａ  超音波送信部
４Ｂ  超音波受信部
５  超音波強度検出部（検出部）
８  接触状態評価装置
１１  超音波透過率演算部（演算部）
１３  相関関係情報記憶部
１４  摩擦係数評価部（評価部）
１８  制御部
１９  車輪
１９ａ  踏面
１９ｂ  フランジ面
２０  レール
２０ａ  レール頭部
２０ｂ  レール底部
２０ｃ  レール腹部
２０ｆ  ゲージコーナ面
２１  架線
２１ａ  トロリ線（電車線路）
２２  車両
２３  集電装置
２３ａ  すり板（摺動部）
２４  導電レール（電車線路）
２５  集電装置
２５ａ  集電靴（摺動部）
２６  回転軸
２７  軸受
Ｂ  境界部
Ｂ1  真実接触部
Ｂ2  空隙部
Ｅdif  超音波透過率（弾性波の透過率）
Ｈ0  波高（無負荷時の反射超音波の波高）
ｈ  波高（負荷時の反射超音波の波高）
ｈ0  波高（無負荷時の送信超音波の波高）
ｈ  波高（負荷時の透過超音波の波高）
μ  摩擦係数
【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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【図１５】
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【図１６】
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