(57)【要約】【課題】超音波によって、レール中央部だけでなくレール頭側部の傷も検知するとともに、表層部水平裂によって隠れた頭部横裂を検知する。【解決手段】探傷装置１は、レール４の内部を超音波探傷する装置である。探傷装置１は、複数の探触子２（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、装置本体３とを備える。探触子２は、超音波を送信するとともに、送信した超音波の反射波を受信する。装置本体３は、各々の探触子２ａ、２ｂ、２ｃが受信した反射波に基づいてレール内部の傷を検知する。複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、並列に配置される。これにより、探触子２による超音波の送信範囲を拡大することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールの内部を超音波探傷する探傷装置であって、
超音波を送信するとともに、送信した超音波の反射波を受信する複数の探触子と、
前記各々の探触子が受信した反射波に基づいてレール内部の傷を検知する装置本体とを備え、
前記複数の探触子は、並列に配置されることを特徴とする探傷装置。
【請求項２】
前記複数の探触子の個数は、３以上の奇数であることを特徴とする請求項１に記載の探傷装置。
【請求項３】
前記装置本体は、前記各々の探触子に個別に超音波を送信させる機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の探傷装置。
【請求項４】
前記装置本体は、前記複数の探触子に同期して超音波を送信させる送信状態と、送信している時間が互いに異なるように前記各々の探触子に超音波を送信させる送信状態とを切替可能であることを特徴とする請求項３に記載の探傷装置。
【請求項５】
前記探触子の少なくとも一つは、超音波を送信する方向が、真下に対してレール長手方向に偏角を有する斜め下方向に設定可能であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の探傷装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の探傷装置を用いて鉄道のレールの内部を超音波探傷するレール探傷方法であって、
前記複数の探触子がレールの幅方向に並列に配置された状態でレールの頭頂面に配置される工程と、
レールの頭頂面に配置された前記探触子が、超音波をレール内部に送信し、送信した超音波の反射波を受信する工程と、
受信された前記反射波に基づいて前記装置本体がレール内部の傷を検知する工程とを有し、
中央に位置する前記探触子は、レールの頭頂面の中央部に配置され、超音波の送信範囲の幅が、レールの腹部幅と略同じであり、
前記全ての探触子による超音波の送信範囲の全幅は、レールの前記腹部幅より大きいことを特徴とするレール探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波によりレール内部を探傷する探傷装置、及びその探傷装置を用いたレール探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道のレールは、車両の走行による疲労によって劣化し、その内部に傷が発生することがある。レール内部の傷を検知するために、超音波を用いた非破壊検査である超音波探傷が行われる。
【０００３】
一般的に、超音波探傷を行うことができる領域は、第１に、探触子の構造から決まる超音波の送信範囲の幅（ビーム幅）、第２に、検査対象物の構造により決まる探触子を接触できる表面の範囲、第３に、検査対象物の構造により決まる多重反射等の影響の無い探傷位置、その他の要因により限定される。
【０００４】
鉄道のレールは、頭部、腹部及び底部の３つの部位を有する（例えば、非特許文献１参照）。レールの超音波探傷において、レール頭部の一方の側面に送信用の探触子を接触させ、レール頭部の他方の側面に受信用の探触子を接触させて用いる探傷装置が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。しかしながら、このような探傷装置は、レール頭部の超音波探傷はできるが、腹部の超音波探傷ができない。
【０００５】
レールの超音波探傷において、送信用の探触子及び受信用の探触子の一方をレール頭部に配置し、他方をレール底部に配置して用いる探傷装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、このような探傷装置は、レール腹部の超音波探傷はできるが、レールの底部に探触子を配置するので、レール長手方向に移動しながら用いることが容易ではない。
【０００６】
上記の探傷装置は、いずれも二探触子法の探触子を有する。探傷装置において、二探触子法ではなく、一探触子法の探触子をレールの頭部の頭頂面に接触させる構成が考えられる。一探触子法の探触子は、超音波を送信するとともに、送信した超音波の反射波を受信する。このような一探触子法の探触子を有する探傷装置をレールの超音波探傷に用いることができれば、探触子をレールの頭頂面に摺動させることにより、レール長手方向に移動しながら超音波探傷をすることが容易になる。
【０００７】
図５に示すように、レール４に発生する代表的な傷に、表層部水平裂Ｆ１と頭部横裂Ｆ２がある。表層部水平裂Ｆ１は、レール４の表層部に発生する傷であり、車輪と接触する頭頂面４１１の中央部に発生し、シェリングとも呼ばれる。シェリングの外観は、凹んだ黒斑状である。シェリングが発生する要因は、車輪との繰り返し接触による頭頂面４１１の表層における金属疲労、及び、車輪が空転・滑走した時の摩擦熱によって頭頂面４１１に生成する熱変態層である。頭部横裂Ｆ２は、表層部水平裂Ｆ１から成長する傷である。頭部横裂Ｆ２は、レール折損の原因になりうるので、検知することが非常に重要である。表層部水平裂Ｆ１及び頭部横裂Ｆ２は、レール頭部４１に発生するので、これらを検知するためには、探触子がレール頭部４１に配置される。なお、図５において、レール断面のハッチングを省略している（図６においても同様）。
【０００８】
図６に示すように、探傷装置の探触子をレール４の頭頂面４１１に配置する構成において、幅の広い探触子１０２を用いると、レール頭部４１の下部のアゴと呼ばれる部分４４や、側面４５で反射した超音波がノイズとなり、本来検知すべき傷を検知できなくなる場合がある。また、レール４の頭頂面４１１の曲率の影響により、探触子１０２は、頭頂面４１１との間に隙間ができ、隙間がある箇所からはレール４の内部に超音波を送信できない。
【０００９】
このため、図７に示すように、探傷装置の探触子２０２をレール４の頭頂面４１１に配置する構成において、探触子２０２は、レール４の幅方向の中央部に配置され、超音波の送信範囲の幅Ｗ２０２をレール腹部４３の幅Ｗ４３と同程度にされる。しかしながら、このような構成では、超音波探傷を行うことができる領域がレール中央部のレール腹部の幅Ｗ４３程度に限定されるため、レールの頭側部４１２の傷を検知することができない。このため、溶接欠陥などのレール中心から外れた欠陥を検知することができない。なお、図７において、探触子２０２による超音波の送信範囲及び頭側部の検知できない範囲をそれぞれハッチングで示し、レール断面のハッチングを省略している。さらに、図８に示すように、超音波の送信範囲（幅Ｗ２０２）において、頭部横裂Ｆ２が表層部水平裂Ｆ１の下に隠れた位置にある場合、頭部横裂Ｆ２を検知することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１８３３４９号公報
【特許文献２】特開２０１７−１６１３２４号公報
【特許文献３】特開２００５−１８０９９１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｅ  １１０１：２００１  「普通レール及び分岐器類用特殊レール」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記問題を解決するものであり、超音波によって、レール中央部だけでなくレール頭側部の傷も検知するとともに、表層部水平裂によって隠れた頭部横裂を検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の探傷装置は、レールの内部を超音波探傷する装置であって、超音波を送信するとともに、送信した超音波の反射波を受信する複数の探触子と、前記各々の探触子が受信した反射波に基づいてレール内部の傷を検知する装置本体とを備え、前記複数の探触子は、並列に配置されることを特徴とする。
【００１４】
この探傷装置において、前記複数の探触子の個数は、３以上の奇数であることが好ましい。
【００１５】
この探傷装置において、前記装置本体は、前記各々の探触子に個別に超音波を送信させる機能を有することが好ましい。
【００１６】
この探傷装置において、前記装置本体は、前記複数の探触子に同期して超音波を送信させる送信状態と、送信している時間が互いに異なるように前記各々の探触子に超音波を送信させる送信状態とを切替可能であることが好ましい。
【００１７】
この探傷装置において、前記探触子の少なくとも一つは、超音波を送信する方向が、真下に対してレール長手方向に偏角を有する斜め下方向に設定可能であることが好ましい。
【００１８】
本発明のレール探傷方法は、前記の探傷装置を用いて鉄道のレールの内部を超音波探傷するレール探傷方法であって、前記複数の探触子がレールの幅方向に並列に配置された状態でレールの頭頂面に配置される工程と、レールの頭頂面に配置された前記探触子が、超音波をレール内部に送信し、送信した超音波の反射波を受信する工程と、受信された前記反射波に基づいて前記装置本体がレール内部の傷を検知する工程とを有し、中央に位置する前記探触子は、レールの頭頂面の中央部に配置され、超音波の送信範囲の幅が、レールの腹部幅と略同じであり、前記全ての探触子による超音波の送信範囲の全幅は、レールの前記腹部幅より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、探傷装置が複数の探触子を備え、その複数の探触子は、並列に配置されるので、大きな一つの探触子と比べて、レールの頭頂面への接触が容易になる。これにより、探触子による超音波の送信範囲を拡大することができ、レール中央部だけでなくレール頭側部の傷も検知することが可能となる。狭い送信範囲では頭部横裂が表層部水平裂の下に隠れた位置にあっても、送信範囲を拡大することによって、頭部横裂を検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る探傷装置のブロック構成図。
【図２】同探傷装置における探触子の配置を示す図。
【図３】同探触子とレール内部の傷との位置関係を例示する図。
【図４】同探触子が超音波を送信する方向を示す図。
【図５】内部に傷を有するレールの断面図。
【図６】従来の幅が広い探触子とレール頭部の断面形状を示す図。
【図７】従来の通常幅の探触子とレールの断面形状を示す図。
【図８】従来の探触子とレール内部の傷との位置関係を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態に係る探傷装置を図１乃至図４を参照して説明する。この探傷装置１は、レールの内部を超音波探傷する装置である。図１に示すように、探傷装置１は、複数の探触子２（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、装置本体３とを備える。探触子２は、超音波を送信するとともに、送信した超音波の反射波を受信する。装置本体３は、各々の探触子２ａ、２ｂ、２ｃが受信した反射波に基づいてレール内部の傷を検知する。図２に示すように、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、並列に配置される。
【００２２】
複数の探触子２の個数は、３以上の奇数であることが望ましい。本実施形態では、探触子２の個数は、３である。
【００２３】
装置本体３は、各々の探触子２ａ、２ｂ、２ｃに個別に超音波を送信させる機能を有する（図１参照）。
【００２４】
装置本体３は、複数の探触子２に同期して超音波を送信させる送信状態（同期モード）と、互いに送信している時間が異なるように各々の探触子２ａ、２ｂ、２ｃに超音波を送信させる送信状態（単独モード）とを切替可能である。
【００２５】
探傷装置１の各構成をさらに詳述する。各探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、振動子２１を有し、一探触子法の探触子である（図２参照）。一探触子法とは、一個の探触子で超音波の送信と受信の双方を兼ね、探傷する方法である。一探触子法は、既存技術であり、例えば、特開平１０−２０６３９７号公報等に開示されている。振動子２１は、両面に電極を有し、電極間に電圧が印加されると、逆圧効果によって印加電圧に比例して伸縮し、それが振動となって超音波を生じる。超音波は指向性を有するので、各探触子２が超音波を送信する範囲の幅は、振動子２１の幅であり、ほぼ各探触子２の幅となる。図２において、探触子２ａ、２ｂ、２ｃによる超音波の送信範囲は、それぞれ領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃであり、ハッチングで示す。レール断面のハッチングは省略している。並列に配置される複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、レール４の頭頂面４１１の形状に合わせて予め配置された構成にしてもよいし、使用時に並列に配置してもよい。
【００２６】
装置本体３は、探触子２とのインターフェース３１、ＣＰＵ（中央処理装置）３２、半導体メモリ等の記憶装置３３、ユーザからの入力操作を受ける入力装置３４、検知結果等のデータを表示するディスプレイ等の出力装置３５等を有し、筐体に収容される（図１参照）。この装置本体３は、記憶装置３３に記憶されたソフトウェアをＣＰＵ３２が実行することによって動作する。なお、装置本体３の出力装置３５を省略し、記憶装置３３に保存されたデータを外部のノート型コンピュータ等に表示してもよい。装置本体３は、超音波の反射波に基づいてレール内部の傷を検知するので、反射法を用いている。反射法とは、送信された超音波が傷で反射して直角にはねかえる性質を利用した探傷方法である。
【００２７】
上記のように構成された探傷装置１を用いたレール探傷方法を説明する。このレール探傷方法は、鉄道のレール４の内部を超音波探傷する方法である（図２参照）。先ず、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃがレール４の幅方向に並列に配置された状態でレール４の頭頂面４１１（レール頭部４１の上面）に配置される。全ての探触子２ａ、２ｂ、２ｃがレール４の頭頂面４１１に接触する。中央に位置する探触子２ｂは、レール４の頭頂面４１１の中央部に配置される。
【００２８】
次に、レール４の頭頂面４１１に配置された探触子２が、超音波をレール４内部に送信する。各探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、下方向、すなわちレール４の底部４２に向かって超音波を送信する。この下方向は、真下方向に限定されず、斜め下方向であってもよい。中央に位置する探触子２ｂによる超音波の送信範囲の幅Ｗｂは、レール４の腹部４３の幅（腹部幅Ｗ４３）と略同じである。全ての探触子２ａ、２ｂ、２ｃによる超音波の送信範囲の全幅（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）は、レール４の腹部幅Ｗ４３より大きい。探触子２が、送信した超音波の反射波を受信する。
【００２９】
そして、探触子２によって受信された反射波に基づいて、装置本体３がレール４内部の傷を検知する。
【００３０】
以上、本実施形態に係る探傷装置１によれば、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃを備え、その複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃは、並列に配置されるので、大きな一つの探触子（図６参照）と比べて、レール４の頭頂面４１１への接触が容易になる（図２参照）。これにより、探触子２による超音波の送信範囲を拡大することができ、レール中央部だけでなくレール頭側部の傷も検知することが可能となる。図３に示すように、狭い送信範囲（Ｗｂ）では頭部横裂Ｆ２が表層部水平裂Ｆ１の下に隠れた位置にあっても、送信範囲を拡大すること（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）によって、頭部横裂Ｆ２を検知することが可能となる。要するに、探傷装置１は、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃを組み合わせた構成を有するので、レール４の形状に合わせて各探触子２ａ、２ｂ、２ｃを調整し、より確実に傷を検知することができる。なお、図３において、レール断面のハッチングは省略している。
【００３１】
本実施形態では、複数の探触子２の個数は３以上の奇数（例えば３個）であるので、レール頭部４１の断面形状が左右対称であることから、中央の探触子２をレール４の頭頂面４１１の中央部に配置し、それ以外の探触子２をその両側に左右対称に並列に配置することができる。
【００３２】
各々の探触子に個別に超音波を送信させる機能を有するので、個別の送信範囲、すなわち探傷領域における傷を検知することができる。
【００３３】
装置本体３は、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃに同期して超音波を送信させる送信状態（同期モード）と、送信している時間が互いに異なるように各々の探触子２ａ、２ｂ、２ｃに超音波を送信させる送信状態（単独モード）とを切替可能であるので、単独モードでは、特定の１つの探触子２の送信範囲にある傷の検知ができ、同期モードでは、複数の探触子２ａ、２ｂ、２ｃの送信範囲に傷がまたがっていることが容易に確認できる。
【００３４】
本実施形態に係るレール探傷方法によれば、探傷装置１を用い、中央に位置する探触子２ｂは、レール４の頭頂面４１１の中央部に配置され、超音波の送信範囲の幅Ｗｂが、レール４の腹部幅Ｗ４３と略同じであるので、レール頭部の下部のアゴと呼ばれる部分４４や、側面４５で反射した超音波がノイズとなることが避けられる。また、全ての探触子２ａ、２ｂ、２ｃによる超音波の送信範囲の全幅（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）は、レール４の腹部幅Ｗ４３より大きいので、超音波探傷を行うことができる領域がレール腹部４３の幅程度に限定されず、頭部横裂Ｆ２が表層部水平裂Ｆ１の下に隠れた位置にある場合であっても、頭部横裂Ｆ２を検知することができる（図３参照）。
【００３５】
図４に示すように、探傷装置１の探触子２の少なくとも一つは、超音波を送信する方向（矢印で示す方向）が、真下Ｚに対してレール長手方向に偏角θを有する斜め下方向に設定可能である。偏角θは、例えば７０°である。全ての探触子２ａ、２ｂ、２ｃに、同じ偏角θを設定してもよいし、異なる偏角θを設定してもよく、例えば、中央に位置する探触子２ｂだけに偏角θを設定してもよい。また、偏角θを変化させながら探傷してもよい。偏角θを設定することによって、頭部横裂Ｆ２が表層部水平裂Ｆ１の下に隠れた位置にある場合であっても、頭部横裂Ｆ２を検知することができる。また、レール腹部にボルト穴があって、探触子２が送信した超音波がボルト穴より先に進めない場合であっても、偏角θを変えることによって、探傷が可能となる。
【００３６】
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、探傷装置１は、５個の探触子２を有してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  探傷装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  探触子
３  装置本体
Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ  送信範囲の幅
θ  偏角
【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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