(57)【要約】      （修正有）【課題】コスト及び労力を抑制しつつ、周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定できる鉄道車輪を提供する。【解決手段】本開示は、レール上を走行する鉄道車輪１である。鉄道車輪１は、円環状のリム部２を備える。リム部２は、レールと接触する踏面２Ａと、踏面２Ａと交差する側面２Ｃとを有する。側面２Ｃは、リム部２の回転軸Ｐ１を含む仮想面での断面形状がリム部２の周方向に沿って変化する凹凸パターン４を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール上を走行する鉄道車輪であって、
レールと接触する踏面と、前記踏面と交差する側面とを有する円環状のリム部を備え、
前記側面は、前記リム部の回転軸を含む仮想面での断面形状が前記リム部の周方向に沿って変化する凹凸パターンを有する、鉄道車輪。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車輪であって、
前記凹凸パターンは、前記リム部の回転軸を囲うように前記側面に形成される少なくとも２つの溝又は少なくとも２つの凸条によって構成され、
前記少なくとも２つの溝又は前記少なくとも２つの凸条は、前記リム部の径方向における互いの距離が前記リム部の周方向に沿って変化するように構成される、鉄道車輪。
【請求項３】
レールと接触する踏面と、前記踏面と交差する側面とを有する円環状のリム部を備える鉄道車輪の形状測定装置であって、
リム部の回転軸を含む仮想面での踏面の断面形状を測定するように構成された測定部を備え、
前記踏面の前記断面形状は、前記リム部の側面に設けられた凹凸パターンの断面形状を含み、
前記凹凸パターンは、前記断面形状が前記リム部の周方向に沿って変化するように構成される、鉄道車輪の形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記測定部は、レーザ光を用いた光切断法によって前記踏面の断面形状を計測する、鉄道車輪の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、鉄道車輪及び鉄道車輪の形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車輪は、走行安定性、及び乗り心地の観点からその踏面の形状管理が重要である。踏面の形状管理の方法としては、レーザを踏面に照射し、踏面の形状を測定する方法が考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１５２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉄道車輪は、滑走の影響などによって、必ずしも周方向に均一に摩耗しない。そのため、車輪の周方向全体における路面形状の把握が求められる。しかしながら、従来技術では、踏面の形状は測定できるが、形状を測定した位置（つまり位相）を特定することが困難である。
【０００５】
従来技術で周方向における測定位置を特定するには、複数の装置によって踏面形状を連続的に測定する、装置を鉄道車両と並走させながら測定する、車体から台車、車軸、及び車輪をこの順に取り外してから車輪を測定する、などの必要がある。これらの方法はいずれも、コスト又は労力が著大である。
【０００６】
本開示の一局面は、コスト及び労力を抑制しつつ、周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定できる鉄道車輪を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様は、レール上を走行する鉄道車輪である。鉄道車輪は、円環状のリム部を備える。リム部は、レールと接触する踏面と、踏面と交差する側面とを有する。側面は、リム部の回転軸を含む仮想面での断面形状がリム部の周方向に沿って変化する凹凸パターンを有する。
【０００８】
このような構成によれば、踏面の断面形状の測定時に凹凸パターンの断面形状も測定することで、凹凸パターンの断面形状に基づいて踏面の断面形状の周方向の位置を特定することができる。したがって、鉄道車輪を車両に取り付けたまま、かつ比較的簡便な測定機器を用いて、鉄道車輪における周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定することができる。
【０００９】
本開示の一態様では、凹凸パターンは、リム部の回転軸を囲うように側面に形成される少なくとも２つの溝又は少なくとも２つの凸条によって構成されてもよい。少なくとも２つの溝又は少なくとも２つの凸条は、リム部の径方向における互いの距離がリム部の周方向に沿って変化するように構成されてもよい。このような構成によれば、周方向の位置を特定するための凹凸パターンを容易かつ確実に設けることができる。
【００１０】
本開示の別の態様は、円環状のリム部を備える鉄道車輪の形状測定装置である。リム部は、レールと接触する踏面と、踏面と交差する側面とを有する。鉄道車輪の形状測定装置は、リム部の回転軸を含む仮想面での踏面の断面形状を測定するように構成された測定部を備える。踏面の断面形状は、リム部の側面に設けられた凹凸パターンの断面形状を含む。凹凸パターンは、断面形状がリム部の周方向に沿って変化するように構成される。
【００１１】
このような構成によれば、測定部によって踏面の断面形状と凹凸パターンの断面形状とを同時に測定することで、凹凸パターンの断面形状に基づいて踏面の断面形状の周方向の位置を特定することができる。
【００１２】
本開示の一態様では、測定部は、レーザ光を用いた光切断法によって踏面の断面形状を計測してもよい。このような構成によれば、高精度に踏面の断面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施形態における鉄道車輪の模式的な側面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線での模式的な断面図である。
【図３】図３は、図１の鉄道車輪における溝間の距離と周方向の位相との関係を示すグラフである。
【図４】図４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ，４Ｇ，４Ｈは、それぞれ、図１とは異なる実施形態における側面の凹凸パターンの模式的な説明図である。
【図５】図５は、実施形態における鉄道車輪の形状測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６】図６Ａは、図１とは異なる実施形態における側面の凹凸パターンの模式的な説明図であり、図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線での模式的な断面図であり、図６Ｃは、図６ＡのＶＩＣ−ＶＩＣ線での模式的な断面図であり、図６Ｄは、図６ＡのＶＩＤ−ＶＩＤ線での模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．鉄道車輪］
図１に示す鉄道車輪１は、鉄道車両用の車輪である。鉄道車輪１は、軌道を構成するレール上を走行する。軌道は２つのレールで構成され、２つの鉄道車輪１が１つの車軸の両端に組み付けられて使用される。
【００１５】
鉄道車輪１は、円環状のリム部２と、リム部２の内側に配置された円盤状の板部３とを備える。
リム部２は、図２に示すように、踏面２Ａと、フランジ２Ｂと、側面２Ｃとを有している。
【００１６】
＜踏面＞
踏面２Ａは、鉄道車輪１がレール上を走行する際に、レールと接触する面である。リム部２の回転軸Ｐ１を含む仮想面での踏面２Ａの断面（つまり、回転軸Ｐ１を含む踏面２Ａの断面）は、鉄道車輪１の回転軸Ｐ１と概ね平行な方向、つまり鉄道車輪１がレール上に設置された状態における概ね水平方向に延伸している。
【００１７】
＜フランジ＞
フランジ２Ｂは、リム部２の周方向全体にわたって、踏面２Ａよりもリム部２の径方向外側に突出した円環状の部位である。フランジ２Ｂは、レールの内側の側面、つまりレール同士が対向する面に接触する。
【００１８】
＜側面＞
側面２Ｃは、踏面２Ａと交差する面である。本実施形態では、側面２Ｃは、鉄道車輪１がレール上に設置された状態で、鉛直方向に延伸している。つまり、側面２Ｃは、鉄道車輪１の回転軸Ｐ１に対し垂直な面である。また、側面２Ｃは、鉄道車輪１の軸方向（図２中左右方向）において、フランジ２Ｂとは反対側（つまりレールの外側）に配置された面である。
【００１９】
（凹凸パターン）
側面２Ｃは、図１に示すように、凹凸パターン４を有する。凹凸パターン４は、リム部２の回転軸Ｐ１を囲うように側面２Ｃに形成された３つの溝（第１溝４Ａ、第２溝４Ｂ、及び第３溝４Ｃ）によって構成されている。
【００２０】
第１溝４Ａは、リム部２の回転軸Ｐ１を中心とした真円を構成する環状の溝である。第２溝４Ｂは、第１溝４Ａと同心で、第１溝４Ａよりも大径の真円を構成する環状の溝である。つまり、第２溝４Ｂは、第１溝４Ａの外側に配置されている。
【００２１】
第３溝４Ｃは、第１溝４Ａと第２溝４Ｂとの間に配置され、リム部２の回転軸Ｐ１の周りを一周する渦巻き曲線状の溝である。第３溝４Ｃの第１端４Ｄは第１溝４Ａに接続され、第３溝４Ｃの第２端４Ｅは第２溝４Ｂに接続されている。第３溝４Ｃは、第１端４Ｄから第２端４Ｅに向かって、リム部２の回転軸Ｐ１からの距離が大きくなる。
【００２２】
なお、第３溝４Ｃの第１端４Ｄと第２端４Ｅとは、リム部２の周方向の同じ位相に位置している。厳密には、溝幅によって、第１端４Ｄと第２端４Ｅとは同じ位相に位置しないが、第１端４Ｄと第２端４Ｅとはリム部２の少なくとも周方向において重なっている。そのため、全周に亘って第１溝４Ａと第３溝４Ｃとの径方向の距離の測定が可能である。
【００２３】
第３溝４Ｃは、第１端４Ｄから第２端４Ｅに向かって、第１溝４Ａとのリム部２の径方向における互いの距離が連続的に大きくなり、かつ第２溝４Ｂとの互いの距離が連続的に小さくなるように構成されている。つまり、凹凸パターン４は、リム部２の回転軸Ｐ１を含む仮想面での断面形状（図２参照）がリム部２の周方向に沿って変化する。
【００２４】
したがって、図３に示すように、リム部２の側面２Ｃ側から視て時計回りの周方向の位相をθとしたとき、第１溝４Ａと第３溝４Ｃとの径方向の距離は、θの関数Ｒ（θ）となる。これにより、Ｒ（θ）を測定することで、Ｒ（θ）を測定した位置における位相θを求めることができる。なお、本実施形態では、Ｒ（θ）は、θの一次関数であり、θに比例する。
【００２５】
第１溝４Ａ、第２溝４Ｂ、及び第３溝４Ｃの延伸方向と垂直な仮想面での断面形状は、特に限定されない。個々の凹部の断面形状としては、例えば、三角形、四角形等の多角形のほか、半円などが挙げられる。
【００２６】
なお、本実施形態では、第１溝４Ａと第３溝４Ｃとの距離の代わりに、第２溝４Ｂと第３溝４Ｃとの距離を測定してもよい。また、第１溝４Ａと第３溝４Ｃとの距離と、第２溝４Ｂと第３溝４Ｃとの距離との両方を測定してもよい。
【００２７】
本開示における凹凸パターン４は図１に示すものに限定されない。例えば、図４Ａに示すように、凹凸パターン４は、第１溝４Ａと第３溝４Ｃとのみから構成されてもよい。また、図４Ｂに示すように、凹凸パターン４は、第２溝４Ｂと第３溝４Ｃとのみから構成されてもよい。
【００２８】
さらに、凹凸パターン４は、図４Ｃに示すように、２つの真円の溝１４Ａ，１４Ｂが中心をずらして配置されたものでもよい。又は、凹凸パターン４は、図４Ｄに示すように、真円と楕円とを組み合わせた２つの溝１４Ｃ，１４Ｄが中心をずらして配置されたものでもよい。
【００２９】
また、凹凸パターン４は、図４Ｅに示すように、真円の溝１４Ａと涙滴型（つまり、円形の一部が他の部分よりも径方向に突出した型）の環状の溝１４Ｅとの組み合わせで構成されてもよい。さらに、図４Ｅの凹凸パターン４を、図４Ｆに示すように、左半分と右半分とで上下を反転させて得られる２つの溝１４Ｆ，１４Ｇの組み合わせで凹凸パターン４を構成してもよい。
【００３０】
さらに、溝の代わりに、リム部２の回転軸Ｐ１を囲うように側面２Ｃに形成された２つ以上の凸条によって、凹凸パターン４を形成してもよい。個々の凸条の断面形状は、溝と同様、任意の形状とすることができる。
【００３１】
例えば、図４Ｇに示すように、第１ライン２４Ａと第２ライン２４Ｂとの間の領域を削って得られる２つの凸条（第１凸条３４Ａ及び第２凸条３４Ｂ）によって、凹凸パターン４を形成してもよい。
【００３２】
第１ライン２４Ａは、図３の第１溝４Ａと重なるラインであり、第２ライン２４Ｂは、図３の第３溝４Ｃと重なるラインである。第１凸条３４Ａは、第１ライン２４Ａよりも径方向内側の領域に設けられており、第２凸条３４Ｂは、第２ライン２４Ｂよりも径方向外側の領域に設けられている。
【００３３】
同様に、図４Ｈに示すように、第２ライン２４Ｂと第３ライン２４Ｃとの間の領域を削って得られる２つの凸条（第３凸条３４Ｃ及び第４凸条３４Ｄ）によって、凹凸パターン４を形成してもよい。ここで、第３ライン２４Ｃは、図３の第２溝４Ｂと重なるラインである。
【００３４】
［１−２．鉄道車輪の形状測定装置］
図５に示す鉄道車輪の形状測定装置（以下、単に「形状測定装置」ともいう。）１０は、鉄道車輪１の形状を測定するための装置である。形状測定装置１０は、測定部１１と、処理部１２とを備える。
【００３５】
＜測定部＞
測定部１１は、リム部２の回転軸Ｐ１を含む仮想面での踏面２Ａの断面形状を測定する。具体的には、測定部１１は、踏面２Ａへのレーザ光の照射及びカメラによる撮像を用いた光切断法によって、図２に示される踏面２Ａの断面形状を測定する。
【００３６】
測定部１１が測定した踏面２Ａの断面形状は、リム部２の側面２Ｃに設けられた凹凸パターン４の断面形状を含んでいる。
なお、測定部１１は、走行中の鉄道車輪１に対して測定を行うことができる。
【００３７】
＜処理部＞
処理部１２は、測定部１１の測定結果から、断面形状と位相θとの関係を演算する。処理部１２は、例えば入出力部を備えるコンピュータにより構成される。
【００３８】
処理部１２は、例えば、位相θと凹凸パターン４における２つの凹部又は２つの凸部の距離Ｒ（θ）との既知の関係を用い、測定した断面形状における距離からその断面形状の位相θを算出し、踏面２Ａの断面形状と位相θとの紐付けを行う。
【００３９】
また、処理部１２は、１つの鉄道車輪１に対し、測定部１１から位相の異なる複数の断面形状を得ることで、鉄道車輪１の踏面２Ａにおける真円度の算出及び評価を容易に行うことができる。位相の異なる複数の断面形状は、１回の測定で同時に測定されてもよい。また、１つの位相における断面形状の測定を、例えば１か月等の一定期間内で繰り返すことで位相の異なる複数の断面形状を得てもよい。
【００４０】
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）踏面２Ａの断面形状の測定時に凹凸パターン４の断面形状も測定することで、凹凸パターン４の断面形状に基づいて踏面２Ａの断面形状の周方向の位置（つまり位相Θ）を特定することができる。したがって、鉄道車輪１を車両に取り付けたまま、かつ比較的簡便な測定機器を用いて、鉄道車輪１における周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定することができる。
【００４１】
（１ｂ）リム部２の回転軸Ｐ１を囲うように側面２Ｃに形成された少なくとも２つの溝又は少なくとも２つの凸条によって凹凸パターン４を構成することで、位相θを特定するための凹凸パターン４を容易かつ確実に設けることができる。
【００４２】
（１ｃ）測定部１１においてレーザ光を用いた光切断法を用いることで、高精度に踏面２Ａの断面形状を測定することができる。
（１ｄ）車両基地、停車場などの車両が高頻度に走行する線路脇に測定部１１を設置できる。これにより、短期間で多量の踏面２Ａの断面形状を蓄積できる。
【００４３】
（１ｅ）車両の快適性につながる車輪の真円度を測定することができ、乗り心地が悪化する前に真円度の低下を検知して、削正等の補修をすることができる。
（１ｆ）踏面摩耗、フランジ厚さ、車輪径などの検査に替えて、本開示の形状測定装置１０による形状測定を行うことで、大幅な省力化が実現できる。
【００４４】
（１ｇ）蓄積した踏面２Ａの断面形状を解析することによって、摩耗メカニズムを解明することができる。また、検査周期、削正方法、メンテナンス基準等の見直しを行うことができる。
【００４５】
［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００４６】
（２ａ）上記実施形態の鉄道車輪１において、凹凸パターン４は、必ずしも、少なくとも２つの溝又は少なくとも２つの凸条によって構成されなくてもよい。凹凸パターン４は、図６Ａに示すように、ブロック状の複数の凹部４４Ａ及び凸部４４Ｂを組み合わせたものであってもよい。
【００４７】
図６Ａの凹凸パターン４では、図６Ｂ，６Ｃ，６Ｄに示すように、位相によって凹凸パターン４の断面形状が断続的に変化する。したがって、位相と凹凸パターン４の断面形状との関係を表すテーブルを用意しておくことで、踏面２Ａの断面形状の位相を特定することができる。
【００４８】
（２ｂ）上記実施形態の鉄道車輪の形状測定装置１０において、測定部１１は、凹凸パターン４の断面形状が測定できれば、光切断法以外の手法で踏面２Ａの断面形状を測定するように構成されてもよい。
【００４９】
さらに、測定部１１は、鉄道車輪１の形状を測定する複数の機器を有し、これらの機器から得られたデータを組み合わせることで踏面２Ａの断面形状を得るように構成されてもよい。例えば、測定部１１は、凹凸パターン４を除いた踏面２Ａの断面形状を測定する機器と、凹凸パターン４の断面形状を測定する機器とから構成されてもよい。
【００５０】
（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【００５１】
１…鉄道車輪、２…リム部、２Ａ…踏面、２Ｂ…フランジ、２Ｃ…側面、３…板部、
４…凹凸パターン、４Ａ…第１溝、４Ｂ…第２溝、４Ｃ…第３溝、４Ｄ…第１端、
４Ｅ…第２端、１０…形状測定装置、１１…測定部、１２…処理部、
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ…溝、
２４Ａ…第１ライン、２４Ｂ…第２ライン、２４Ｃ…第３ライン、３４Ａ…第１凸条、
３４Ｂ…第２凸条、３４Ｃ…第３凸条、３４Ｄ…第４凸条、
４４Ａ…凹部、４４Ｂ…凸部。
【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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