(57)【要約】【課題】レール軸力の変化量を簡易に高精度で推定することができるレール軸力推定装置及びレール軸力推定プログラムを提供する。【解決手段】レール軸力推定装置は、レール軸力の変化量を推定する。振動数変化量演算部は、レール頭部の複数の測定点の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と軌道パッドの温度ｔとに基づいて、レールの固有振動数の変化量ΔＦを演算する。軸力変化量演算部は、レールの固有振動数の変化量ΔＦに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する。振動数変化量演算部は、レール頭部の頭頂面の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と、このレール頭部の頭部側面の摩耗量ｗ0°，ｗ45°とに基づいて、レールの固有振動数の変化量ΔＦを演算する。軸力変化量演算部は、レールの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0，ｆと、レールの固有振動数の変化量ΔＦとに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する。【選択図】図１５
2019066437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール軸力の変化量を推定するレール軸力推定装置であって、
レール頭部の複数の測定点の摩耗量と軌道パッドの温度とに基づいて、レールの固有振動数の変化量を演算する振動数変化量演算部と、
前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レール軸力の変化量を演算する軸力変化量演算部と、
を備えるレール軸力推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレール軸力推定装置において、
前記振動数変化量演算部は、前記レール頭部の頭頂面の摩耗量と、このレール頭部の頭部側面の摩耗量とに基づいて、前記レールの固有振動数の変化量を演算すること、
を特徴とするレール軸力推定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のレール軸力推定装置において、
前記軸力変化量演算部は、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係と、前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算すること、
を特徴とするレール軸力推定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレール軸力推定装置において、
前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係を補正する相関関係補正部を備え、
前記軸力変化量演算部は、補正後の前記相関関係と前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算すること、
を特徴とするレール軸力推定装置。
【請求項５】
レール軸力の変化量を推定するレール軸力推定プログラムであって、
レール頭部の複数の測定点の摩耗量と軌道パッドの温度とに基づいて、レールの固有振動数の変化量を演算する振動数変化量演算手順と、
前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レール軸力の変化量を演算する軸力変化量演算手順と、
をコンピュータに実行させるレール軸力推定プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、
前記振動数変化量演算手順は、前記レール頭部の頭頂面の摩耗量と、このレール頭部の頭部側面の摩耗量とに基づいて、前記レールの固有振動数の変化量を演算する手順を含むこと、
を特徴とするレール軸力推定プログラム。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、
前記軸力変化量演算手順は、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係と、前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算する手順を含むこと、
を特徴とするレール軸力推定プログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、
前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係を補正する相関関係補正手順を含み、
前記軸力変化量演算手順は、補正後の前記相関関係と前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算する手順を含むこと、
を特徴とするレール軸力推定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レール軸力の変化量を推定するレール軸力推定装置及びレール軸力推定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レールを加振して固有振動数を測定しこの固有振動数からレール軸力を推定する方法が提案されている。従来のレール軸力測定装置は、レールを所定の周波数で振動する加振器と、レールの振動状態を検出する受信器と、この受信器から出力される振動状態のデータに基づいてレールの固有振動数を演算する分析装置と、この固有振動数からレール軸力を算出する算出装置とを備えている（例えば、特許文献１参照）。この従来のレール軸力測定装置では、実際のレールを模擬した解析モデルにレール軸力を作用させた状態で解析したレール軸力と固有振動数との対応関係に基づいて、分析装置によって演算したレールの固有振動数からレール軸力を推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2011-033348号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレール軸力の推定装置では、レール軸力を正確に測定するために、レール軸力と固有振動数との対応関係について補正する必要がある。しかし、従来のレール軸力の推定装置では、補正計算のためには現場の軌道の締結間隔やレール頭部の摩耗形状などを軌道の有限要素モデルで正確に再現し、振動解析を行わなければならず、実用面での課題があった。
【０００５】
この発明の課題は、レール軸力の変化量を簡易に高精度で推定することができるレール軸力推定装置及びレール軸力推定プログラム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、図７、図１２及び図１５に示すように、レール軸力の変化量を推定するレール軸力推定装置であって、レール頭部（２ａ）の複数の測定点（Ｐ0°，Ｐ45°）の摩耗量（ｗ0°，ｗ45°）と軌道パッド（４ａ）の温度（ｔ）とに基づいて、レール（２Ａ）の固有振動数の変化量（ΔＦ）を演算する振動数変化量演算部（２７）と、前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レール軸力の変化量（Ｐ−Ｐ0）を演算する軸力変化量演算部（２９）とを備えるレール軸力推定装置（２６）である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載のレール軸力推定装置において、図７に示すように、前記振動数変化量演算部は、前記レール頭部の頭頂面（２ｄ）の摩耗量（ｗ0°）と、このレール頭部の頭部側面（２ｅ）の摩耗量（ｗ45°）とに基づいて、前記レールの固有振動数の変化量を演算することを特徴とするレール軸力推定装置である。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のレール軸力推定装置において、図１５に示すように、前記軸力変化量演算部は、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係（ｆ0，ｆ）と、前記レールの固有振動数の変化量（ΔＦ）とに基づいて、前記レール軸力の変化量（Ｐ−Ｐ0）を演算することを特徴とするレール軸力推定装置である。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項３に記載のレール軸力推定装置において、図１２及び図１５に示すように、前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係（ｆ0）を補正する相関関係補正部（２８）を備え、前記軸力変化量演算部は、補正後の前記相関関係（ｆ）と前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算することを特徴とするレール軸力推定装置である。
【００１０】
請求項５の発明は、図１、図７、図１２、図１５及び図２０に示すように、レール軸力の変化量を推定するレール軸力推定プログラムであって、レール頭部（２ａ）の複数の測定点（Ｐ0°，Ｐ45°）の摩耗量（ｗ0°，ｗ45°）と軌道パッド（４ａ）の温度（ｔ）とに基づいて、レールの固有振動数の変化量（Δ）Ｆを演算する振動数変化量演算手順（Ｓ２４０）と、前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レール軸力の変化量（Ｐ−Ｐ0）を演算する軸力変化量演算手順（Ｓ２６０）とをコンピュータに実行させるレール軸力推定プログラムである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項５に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、図７に示すように、前記振動数変化量演算手順は、前記レール頭部の頭頂面（２ｄ）の摩耗量（ｗ0°）と、このレール頭部の頭部側面（２ｅ）の摩耗量（ｗ45°）とに基づいて、前記レールの固有振動数の変化量を演算する手順を含むことを特徴とするレール軸力推定プログラムである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、図１５に示すように、前記軸力変化量演算手順は、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係（ｆ0，ｆ）と、前記レールの固有振動数の変化量(ΔＦ）とに基づいて、前記レール軸力の変化量（Ｐ−Ｐ0）を演算する手順を含むことを特徴とするレール軸力推定プログラムである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項７に記載のレール軸力推定プログラムにおいて、図１２、図１５及び図２０に示すように、前記レールの固有振動数の変化量に基づいて、前記レールの固有振動数と前記レール軸力との相関関係（ｆ0）を補正する相関関係補正手順（Ｓ２５０）を含み、前記軸力変化量演算手順は、補正後の前記相関関係（ｆ）と前記レールの固有振動数の変化量とに基づいて、前記レール軸力の変化量を演算する手順を含むことを特徴とするレール軸力推定プログラムである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によると、レール軸力の変化量を簡易に高精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの構成図である。
【図２】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報収集装置を模式的に示す側面図である。
【図３】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの加振装置の模式図である。
【図４】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道状態測定装置の移動距離測定部の模式図である。
【図５】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道状態測定装置の支持点検出部の模式図である。
【図６】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道状態測定装置の摩耗量測定部の模式図である。
【図７】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道状態測定装置の摩耗量測定部による摩耗量の測定点を概略的に示す縦断面図である。
【図８】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道状態測定装置の温度測定部の模式図である。
【図９】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報収集装置の構成図である。
【図１０】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの加振装置の加振動作を説明するための模式図である。
【図１１】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報収集装置の軌道情報記憶部のデータ構造の模式図である。
【図１２】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報処理装置の構成図である。
【図１３】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置におけるレール軸力の変化量の推定に使用されるレールの固有振動数とレール軸力との相関関係を一例として模式的に示すグラフである。
【図１４】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置における軌道パッドの温度変化及びレール頭部の摩耗量変化によるレールの固有振動数とレール軸力との相関関係の変化を一例として模式的に示すグラフである。
【図１５】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置のレール軸力の変化量の演算動作を説明するための模式図である。
【図１６】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置の固有振動数とレール軸力との相関関係を求めるときに使用される軌道の有限要素モデルの模式図である。
【図１７】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置の軸力変化量情報記憶部のデータ構造の模式図である。
【図１８】この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置の軸力情報記憶部のデータ構造の模式図である。
【図１９】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報収集装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図２０】この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムのレール軸力推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図２に示す測定者Ｍは、軌道１に沿って歩行しながら軌道情報収集装置８を走行させる作業者である。図１〜図６及び図８に示す軌道１は、車両が走行する通路（線路）である。軌道１は、例えば、電車、気動車、機関車、客車又は貨車などの鉄道車両を１両又は複数両編成されて組成された列車を走行させる。軌道１は、レール２Ａ，２Ｂと、まくらぎ３と、レール締結装置４と、道床５などを備えている。図１〜図６及び図８に示す軌道１は、鉄道線路に敷設される一般的な軌道構造であり、主としてレール２Ａ，２Ｂ、まくらぎ３及び道床バラスト５ａによって構成されているバラスト軌道である。
【００１７】
図１〜図６及び図８に示すレール２Ａ，２Ｂは、車両の車輪を支持し案内してこの車両を走行させる部材である。レール２Ａ，２Ｂは、図２〜図８に示すように、レール頭部２ａと、レール底部（フランジ部）２ｂと、レール腹部（ウェブ部）２ｃなどを備えている。レール頭部２ａは、車両の車輪と接触する部分である。レール頭部２ａは、図３〜図８に示すように、車輪を直接支持する頭頂面（頭部上面）２ｄと、レール頭部２ａの左右の側面部分を構成し頭頂面２ｄと連続する頭部側面２ｅと、急曲線通過時に車両の車輪のフランジ面と頭部側面２ｅとが接触するゲージコーナ面２ｆなどを備えている。レール底部２ｂは、レール締結装置４によってまくらぎ３に支持されて取り付けられる部分である。レール底部２ｂは、レール締結装置４によって押さえ付けられる底部上面２ｇなどを備えている。レール腹部２ｃは、レール頭部２ａとレール底部２ｂとを繋ぐ部分である。図３〜図８に示すレール２Ａ，２Ｂは、通常25mの定尺レールを基地又は現地で複数本溶接することによって所定の長さに接合されており、一本の長さが200m以上のロングレール又は50〜200mの長尺レールである。
【００１８】
図２〜図６及び図８に示すまくらぎ３は、レール２Ａ，２Ｂを支持する支持体（支承体）である。まくらぎ３は、左右のレール２Ａ，２Ｂの間隔（軌間）を正確に保持するとともに、レール２Ａ，２Ｂから伝達される列車荷重を道床５に分散させるために、レール２Ａ，２Ｂと道床５との間に設置されている。まくらぎ３は、レール２Ａ，２Ｂに対して直角に並べて敷設される横まくらぎ（一般区間で使用される並まくらぎ）である。まくらぎ３は、例えば、緊張材として使用される鋼材によってプレストレスが与えられたプレストレストコンクリート製まくらぎ(PC(Prestressed concrete)まくらぎ)である。まくらぎ３は、図２に示すように、レール２Ａ，２Ｂの長さ方向に所定の間隔をあけて配置されており、レール２Ａ，２Ｂを離散的に支持している。
【００１９】
図４及び図５に示すに示すレール締結装置４は、レール２Ａ，２Ｂをまくらぎ３に締結する装置である。レール締結装置４は、レール２Ａ，２Ｂとまくらぎ３との間に挿入されて車両走行時に発生する衝撃を緩和する軌道パッド４ａと、レール２Ａ，２Ｂの底部上面２ｇを押さえ付けてまくらぎ３に締結する締結ばね４ｂなどを備えている。
【００２０】
図２〜図６及び図８に示す道床５は、まくらぎ３を支持する構造体である。道床５は、道床バラスト５ａを積層したバラスト層によって構成されたバラスト道床である。道床バラスト５ａは、まくらぎ３と路盤との間に敷き詰められる砂利又は砕石などの粒状体である。
【００２１】
図１に示すレール軸力推定システム６は、軌道１のレール軸力の変化量を推定するシステムである。レール軸力推定システム６は、図２及び図４に示す走行装置７と、図１〜図６、図８及び図９に示す軌道情報収集装置８と、図１及び図１２に示す軌道情報処理装置２４などを備えている。レール軸力推定システム６は、軌道１に沿って移動する軌道情報収集装置８にこの軌道１に関する種々の情報を収集させ、軌道情報収集装置８から軌道情報処理装置２４にこの軌道１に関する種々の情報を送信し、この軌道１に関する種々の情報に基づいて軌道情報処理装置２４がレール軸力の変化量を推定する。ここで、レール軸力とは、図３〜図６及び図８に示すレール２Ａ，２Ｂ内に蓄積されるレール２Ａ，２Ｂの長さ方向の力である。レール軸力は、夏季高温時には圧縮力としてレール２Ａ，２Ｂに作用するため軌道座屈を引き起こす要因となり、冬季低温時には引張力としてレール２Ａ，２Ｂに作用するため横裂の進展を促進する要因となる。レール軸力は、レール２Ａ，２Ｂの両端部（伸縮区間）ではレール温度変化によってレール２Ａ，２Ｂを伸縮させるように作用するが、レール２Ａ，２Ｂの両端部以外の中間部（不動区間）ではレール２Ａ，２Ｂの温度が変化してもレール２Ａ，２Ｂを伸縮させるように作用しない。
【００２２】
図２及び図４に示す走行装置７は、軌道１上を走行する装置である。走行装置７は、軌道１上を走行する鉄道車両と同様に軌道１上を移動可能な機構を備えており、機械的な動力を必要とせずに測定者Ｍの人力によって走行する。走行装置７は、軌道情報収集車両として軌道情報収集装置８を機能させる。走行装置７は、例えば、可搬式の作業台車に近似した構造であり、図２に示すように測定者Ｍによって押し出されることによって軌道１に沿って移動可能である。走行装置７は、図２〜図６及び図８に示す搭載部７ａと、図２及び図４に示す車輪７ｂと、軸受部７ｃと、図２に示す手動操作部７ｄなどを備えている。
【００２３】
図２〜図６及び図８に示す搭載部７ａは、軌道情報収集装置８を搭載する部分である。搭載部７ａは、軌道面に対して平行に配置される板状部材である。図２及び図４に示す車輪７ｂは、左右のレール２Ａ，２Ｂとそれぞれ回転接触する部材である。車輪７ｂは、図４に示すように、鉄道車両の車輪と同様に、レール頭部２ａの頭頂面２ｄと接触して摩擦抵抗を受ける踏面と、脱輪を防止するために車輪７ｂの外周部に連続して形成されたフランジ面などを備えている。図２及び図４に示す軸受部７ｃは、車輪７ｂの車軸を回転自在に支持する部分である。軸受部７ｃは、車輪７ｂの車軸を支持した状態で搭載部７ａに固定されている。図２に示す手動操作部７ｄは、軌道情報収集装置８を測定者Ｍが手動で手押し操作する部分である。手動操作部７ｄは、測定者Ｍが把持するハンドルであり、軌道情報収集装置８の進行方向後側の搭載部７ａの端部に固定されている。
【００２４】
図１及び図９に示す軌道情報収集装置８は、軌道１に関する情報を収集する装置である。軌道情報収集装置８は、レール軸力を推定するために必要な軌道１に関する種々の情報を、軌道１上を走行しながら連続して取得するレール軸力の連続測定機である。軌道情報収集装置８は、例えば、図２に示すように、まくらぎ３の間隔、レール２Ａの摩耗量、レール２Ａの温度及びレール２Ａの固有振動数などの軌道情報を移動しながら連続して自動的に測定し収集する。軌道情報収集装置８は、軌道１の状態を検査する検測車のように軌道１に沿って走行する。軌道情報収集装置８は、例えば、0.5〜1.0m/s程度の速度で移動しながら、1mm程度の一定距離を進む毎に軌道１に関する情報を収集する。軌道情報収集装置８は、図２及び図３に示す加振装置９と、図１及び図９に示す加振条件設定装置１０と、軌道状態測定装置１１と、記憶装置２０と、送受信装置２１と、表示装置２２と、制御装置２３などを備えている。
【００２５】
図２及び図３に示す加振装置９は、レール２Ａの頭部側面２ｅを加振する装置である。加振装置９は、図２、図３及び図１０に示すように、左右一対のレール２Ａ，２Ｂのうち一方のレール２Ａを加振する。加振装置９は、図９に示す軌道状態測定装置１１の中間点検出部１５の検出結果に基づいて、図１０に示すように支持点ＰS間の中間点ＰHをレール２Ａの頭部側面２ｅを加振する。加振装置９は、中間点検出部１５が検出した支持点ＰS間の中間点ＰHのうち、加振条件設定装置１０によって設定された各加振点Ｐ1，…，ＰNでレール２Ａの頭部側面２ｅを加振する。ここで、図１０に示す支持点ＰSは、レール２Ａを加振したときにこのレール２Ａの振動の節となる位置である。加振点Ｐ1，…，ＰNは、レール２Ａを加振したときにこのレール２Ａの振動の腹となる位置であり、レール締結装置４間の中心となる支持点ＰS間の中間点ＰHである。加振装置９は、図３に示すように、インパルスハンマーのような加振器によってレール２Ａの頭部側面２ｅを打撃して、この頭部側面２ｅに加振力（打撃荷重）を作用させるインパルス加振装置などである。加振装置９は、支持点ＰS間の中間点ＰHを通過する瞬間に、支持点検出部１３が特定したレール締結装置４の位置に基づいて自動制御によって、レール頭部２ａをインパルス加振する。加振装置９は、図３に示すような振り子式の加振器であり、図２、図３、図９及び図１０に示すハンマー部９ａと、図２、図３及び図９に示す駆動部９ｂなどを備えている。
【００２６】
図２、図３、図９及び図１０に示すハンマー部９ａは、レール２Ａの頭部側面２ｅに衝突する部分である。ハンマー部９ａは、支持点を支点として揺動自在に支持される金属製、合成樹脂製又は天然樹脂製の部材である。図２、図３及び図９に示す駆動部９ｂは、ハンマー部９ａを駆動する手段である。駆動部９ｂは、図３及び図１０において二点鎖線で示す待機位置でハンマー部９ａを固定解除してレール２Ａの頭部側面２ｅに衝突させ、衝突後のハンマー部９ａを待機位置まで復帰させ、ハンマー部９ａを待機位置で固定する。駆動部９ｂは、図１０に示す各加振点Ｐ1，…，ＰNにハンマー部９ａが到達したときに、待機位置でハンマー部９ａを固定解除して駆動し、ハンマー部９ａが衝突した後にこのハンマー部９ａを待機位置まで逆方向に駆動する。
【００２７】
図１及び図９に示す加振条件設定装置１０は、レール２Ａの頭部側面２ｅを加振装置９によって加振する条件を設定する装置である。加振条件設定装置１０は、レール２Ａの頭部側面２ｅを加振装置９によって加振するタイミングを設定する。加振条件設定装置１０は、レール２Ａの伸縮区間であるレール２Ａの両端部のレール軸力を推定するときには、このレール２Ａの両端部における中間点ＰHが加振点Ｐ1，…，ＰNとなるような加振条件を設定する。加振条件設定装置１０は、所定区間内のレール２Ａの中間点ＰHを連続的に加振するときには、図１０に示すようにこの所定区間内の全ての中間点ＰHが加振点Ｐ1，…，ＰNとなるような加振条件を設定する。加振条件設定装置１０は、所定区間内のレール２Ａの中間点ＰHを離散的に加振するときには、この所定区間内の任意の中間点ＰHが加振点Ｐ1，…，ＰNとなるような加振条件を設定する。加振条件設定装置１０は、所定区間内のレール２Ａの中間点ＰHを一定間隔で加振するときには、この所定区間内の一定間隔の中間点ＰHが加振点Ｐ1，…，ＰNとなるような加振条件を設定する。加振条件設定装置１０は、例えば、測定者Ｍの手動操作によって加振条件を入力する入力装置又は補助入力装置などである。加振条件設定装置１０は、設定後の加振条件を加振条件情報として制御装置２３に出力する。
【００２８】
図１及び図９に示す軌道状態測定装置１１は、軌道１のレール軸力を推定するために、この軌道１に沿って移動しながらこの軌道１の状態を測定する装置である。軌道状態測定装置１１は、軌道１の状態を所定の間隔をあけて連続して測定する。軌道状態測定装置１１は、例えば、加振装置９の移動距離を測定したり、レール２Ａの支持点ＰSを検出したり、レール２Ａの支持点ＰS間の間隔を測定したり、支持点ＰS間の中間点ＰHを検出したり、レール２Ａから発生する音を測定したり、レール２Ａの固有振動数を測定したり、レール２Ａのレール頭部２ａの複数の測定点の摩耗量を測定したり、軌道パッド４ａの温度を測定したりする。軌道状態測定装置１１は、図２，図４及び図９に示す移動距離測定部１２と、図２、図５及び図９に示す支持点検出部１３と、図９に示す間隔測定部１４と、中間点検出部１５と、図３及び図９に示す音測定部１６と、図９に示す固有振動数測定部１７と、図２、図６及び図９に示す摩耗量測定部１８と、図２、図８及び図９に示す温度測定部１９などを備えている。
【００２９】
図２，図４及び図９に示す移動距離測定部１２は、加振装置９の移動距離を測定する手段である。移動距離測定部１２は、図２に示す車輪７ｂの１回転毎に所定数のパルス信号（距離パルス信号）を発生して回転数検出情報（回転数検出信号）として出力するエンコーダと、このパルス信号に基づいて加振装置９の移動距離（走行距離）を演算する演算部などを備えている。移動距離測定部１２は、車輪７ｂの回転数に応じて出力される回転数検出信号に基づいて、起点（測定開始地点）からの加振装置９の移動距離を演算し、軌道情報収集装置８の移動距離を移動距離情報として制御装置２３に出力する。
【００３０】
図２、図５及び図９に示す支持点検出部１３は、レール２Ａを支持する支持点ＰSを検出する手段である。支持点検出部１３は、まくらぎ３にレール２Ａが締結される締結位置を支持点ＰSとして検出する。支持点検出部１３は、レール締結装置４を検出する支持点検出用の変位計である。支持点検出部１３は、図２及び図５に示すように、軌道１に向かってレーザ光を照射する照射部と、軌道１から反射する反射レーザ光を受光する受光部と、照射部が照射するレーザ光と受光部が受光する反射レーザ光との位相差に基づいてレーザ光の反射位置までの距離を演算する距離演算部などを備えている。支持点検出部１３は、図２に示すように、隣接する２つの支持点ＰSを検出した後にこの２つの支持点ＰS間の中間点ＰHを加振装置９が加振するように、軌道情報収集装置８の進行方向に向かって加振装置９よりも前方側に配置されている。支持点検出部１３は、まくらぎ３又は道床バラスト５ａまでの距離と、レール締結装置４までの距離とが異なる点を利用して、レール締結装置４を検出する。支持点検出部１３は、支持点ＰSを検出する毎に支持点検出情報（支持点検出信号）を制御装置２３に出力する。
【００３１】
図９に示す間隔測定部１４は、レール２Ａを支持する支持点ＰS間の間隔を測定する手段である。間隔測定部１４は、移動距離測定部１２の測定結果と支持点検出部１３の検出結果とに基づいて、レール２Ａを支持する支持点ＰS間の間隔を測定する。間隔測定部１４は、図２に示すように、支持点検出部１３が支持点ＰSを検出してからこの支持点検出部１３が次の支持点ＰSを検出するまでに、移動距離測定部１２が測定する移動距離を支持点ＰS間の間隔として演算する。間隔測定部１４は、図２及び図５に示すように、支持点検出部１３がレール締結装置４にレーザ光を照射したときに、移動距離測定部１２が測定する加振装置９の移動距離に対する支持点検出部１３が出力する支持点検出信号の変位波形に基づいてレール締結装置４の位置を特定し、まくらぎ３の間隔に相当する支持点ＰS間の間隔を測定する。間隔測定部１４は、測定後の支持点ＰS間の間隔を間隔情報として制御装置２３に出力する。
【００３２】
図９に示す中間点検出部１５は、レール２Ａを支持する支持点ＰS間の中間点ＰHを検出する手段である。中間点検出部１５は、移動距離測定部１２の測定結果と、支持点検出部１３の検出結果と、間隔測定部１４の測定結果とに基づいて、レール２Ａを支持する支持点ＰS間の中間点ＰHを測定する。中間点検出部１５は、例えば、加振装置９が支持点ＰSを通過してから、支持点ＰS間の間隔の半分の距離までこの加振装置９が到達したときに、支持点ＰS間の中間点ＰHにこの加振装置９が位置していると検出する。中間点検出部１５は、各中間点ＰHを検出したときに移動距離測定部１２が出力する移動距離情報に基づいて、起点から各中間点ＰHまでの距離を中間点検出情報として出力する。中間点検出部１５は、加振装置９が支持点ＰS間の中間点ＰHに到達したことを検出したときには、中間点検出情報を制御装置２３に出力する。
【００３３】
図３及び図９に示す音測定部１６は、レール２Ａの頭部側面２ｅが加振されたときに発生する音を測定する手段である。音測定部１６は、音響エネルギーを電気エネルギーに変換する音響電気変換部であり、音圧に応じた電気信号を出力するマイクロホンなどの集音装置である。音測定部１６は、図３に示すように、レール２Ａの頭部側面２ｅとの間に所定の隙間をあけて対向して配置されている。音測定部１６は、図１０に示すように、支持点ＰS間の中間点ＰHから発生する音を測定し、図３に示すようにレール２Ａの頭部側面２ｅが加振されたときに発生する音を非接触で測定する。音測定部１６は、レール２Ａの頭部側面２ｅから発生する音を音情報として制御装置２３に出力する。
【００３４】
図９に示す固有振動数測定部１７は、音測定部１６の測定結果に基づいてレール２Ａの固有振動数を測定する手段である。固有振動数測定部１７は、音測定部１６が出力する音測定信号の固有振動数（共振周波数）を演算し、レール２Ａが加振されたときのレール２Ａの振動の固有振動数を特定する。固有振動数測定部１７は、レール２Ａが支持される支持点ＰSが節になり、この支持点ＰS間の中間点ＰHが腹となるレール２Ａの水平方向及び／又は上下方向のpinned-pinnedモードの振動モードの固有振動数を測定する。固有振動数測定部１７は、例えば、音測定部１６が出力する音測定信号を高速フーリエ変換(Fast Fourier Transformation(以下、FFTという))処理して、この音測定信号の共振周波数を演算する。固有振動数測定部１７は、例えば、レール２Ａの頭部側面２ｅを加振したときの加速度応答をFETアナライザによって周波数分析し、レール２Ａの固有振動数を演算する。固有振動数測定部１７は、音測定部１６が出力する音測定信号のピークに対応する周波数をレール２Ａの固有振動数として特定する。固有振動数測定部１７は、測定後の固有振動数を固有振動数情報として制御装置２３に出力する。
【００３５】
図２、図６及び図９に示す摩耗量測定部１８は、レール頭部２ａの複数の測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定する手段である。摩耗量測定部１８は、レール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定するレール摩耗測定器である。ここで、測定点Ｐ0°は、図７に示すように、レール頭部２ａの頭頂面２ｄの中心である。測定点Ｐ0°は、非摩耗時のレール表面の法線Ｌ1とレール２Ａの中心軸Ｌ0とがなす角度が0°になる位置である。摩耗量ｗ0°は、測定点Ｐ0°における法線Ｌ1方向のレール表面の摩耗量である。摩耗量ｗ0°は、レール頭部２ａの頭頂面２ｄの摩耗の程度を表す指標として使用される。測定点Ｐ45°は、レール頭部２ａのゲージコーナ面２ｆである。測定点Ｐ45°は、非摩耗時のレール表面の法線Ｌ2とレール２Ａの中心軸Ｌ0とがなす角度が45°になる位置である。摩耗量ｗ45°は、測定点Ｐ45°における法線Ｌ2方向のレール表面の摩耗量である。摩耗量ｗ45°は、レール頭部２ａの頭部側面２ｅの摩耗の程度を表す指標として使用される。
【００３６】
摩耗量測定部１８は、図２及び図６に示すように、レール頭部２ａに向かってレーザ光を照射する照射部と、レール頭部２ａの表面から反射する反射レーザ光を受光する受光部と、照射部が照射するレーザ光と受光部が受光する反射レーザ光との位相差に基づいてレーザ光の反射位置までの距離を演算する距離演算部と、この距離演算部の演算結果に基づいてレール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を演算する摩耗量演算部などを備えている。摩耗量測定部１８は、例えば、レール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°が摩耗していないときのレーザ光の光路長とこれらの測定点Ｐ0°，Ｐ45°が摩耗しているときのレーザ光の光路長との差からこれらの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を演算する。
【００３７】
摩耗量測定部１８は、図６に示すレール頭部２ａの頭頂面２ｄ及びゲージコーナ面２ｆと対向するように、これらの表面と所定の間隔をあけて配置されている。摩耗量測定部１８は、図２に示すように、加振装置９が加振する中間点ＰH付近のレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定可能なように、この加振装置９の近くに配置されており、レール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を非接触で測定する。摩耗量測定部１８は、測定後のレール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を摩耗量情報として制御装置２３に出力する。
【００３８】
図２、図８及び図９に示す温度測定部１９は、軌道パッド４ａの温度ｔを測定する手段である。温度測定部１９は、まくらぎ３の直上のレール底部２ｂの温度と軌道パッド４ａの温度ｔとが概ね等しいため、レール２Ａを支持する支持点ＰS付近のレール底部２ｂの温度を軌道パッド４ａの温度ｔとみなして測定する。温度測定部１９は、例えば、図８に示すように、支持点ＰS付近のレール底部２ｂの底部上面２ｇの温度を測定する。温度測定部１９は、レール２Ａの底部上面２ｇから放射される放射赤外線を測定する放射温度計である。温度測定部１９は、レール２Ａの支持点ＰS付近から放射される赤外線放射エネルギーを受光する受光部と、この受光部が出力する電気信号に基づいてこのレール２Ａの支持点ＰS付近の表面温度を演算する表面温度演算部などを備えている。温度測定部１９は、軌道パッド４ａの温度ｔがレール２Ａの底部上面２ｇの温度と相違するときには、この底部上面２ｇの温度を補正することによって軌道パッド４ａの温度ｔを演算する。温度測定部１９は、レール２Ａと所定の間隔をあけて配置されており、レール２Ａの温度を非接触で測定する。温度測定部１９は、測定後の軌道パッド４ａの温度ｔを温度情報として制御装置２３に出力する。
【００３９】
図１及び図９に示す記憶装置２０は、種々の情報を記憶する装置である。記憶装置２０は、例えば、加振条件設定装置１０の設定結果及び軌道状態測定装置１１の測定結果などを記憶するメモリ又はハードディスクなどである。記憶装置２０は、図９に示すように、軌道情報記憶部２０ａと、加振条件情報記憶部２０ｂと、軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃなどを備えている。
【００４０】
図９に示す軌道情報記憶部２０ａは、軌道１に関する種々の情報を記憶する手段である。軌道情報記憶部２０ａは、軌道状態測定装置１１の測定結果を記憶する。軌道情報記憶部２０ａは、例えば、図１１に示すように、加振点Ｐ1，…，ＰN毎の固有振動数情報Ｄ11，…，Ｄ1Nと、加振点Ｐ1，…，ＰN毎のレール頭部２ａにおける測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°に相当する摩耗量情報Ｄ21，…，Ｄ2Nと、加振点Ｐ1，…，ＰN毎の軌道パッド４ａの温度ｔに相当する温度情報Ｄ31，…，Ｄ3Nと、起点から各加振点Ｐ1，…，ＰNまでの移動距離に相当する移動距離情報Ｄ41，…，Ｄ4Nとを対応させて軌道情報として記憶する。
【００４１】
図９に示す加振条件情報記憶部２０ｂは、加振条件設定装置１０が設定した加振条件情報を記憶する手段である。加振条件情報記憶部２０ｂは、加振条件設定装置１０が出力する加振条件情報を記憶する。軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃは、軌道１に関する種々の情報を収集する軌道情報収集プログラムを記憶する手段である。軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃは、情報記録媒体から読み取った軌道情報収集プログラム、又は電気通信回線を通じて取り込まれた軌道情報収集プログラムなどを記憶する。
【００４２】
図１及び図９に示す送受信装置２１は、軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道情報を送信する手段である。送受信装置２１は、例えば、軌道情報処理装置２４側の送受信装置２５からの指令を受信して、軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道情報をこの軌道情報処理装置２４側の送受信装置２５に送信する。送受信装置２１は、軌道情報処理装置２４側の送受信装置２５と有線又は無線によって相互に通信可能に接続されている。
【００４３】
図１及び図９に示す表示装置２２は、軌道１に関する種々の情報を表示する装置である。表示装置２２は、例えば、加振条件設定装置１０が設定する加振条件情報を表示したり、軌道状態測定装置１１が出力する軌道情報を表示したり、音測定部１６が出力するレール２Ａを加振したときの振動伝達量の波形を表示したり、固有振動数測定部１７が測定する固有振動数を表示したり、軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道情報などを表示したりする。
【００４４】
図１及び図９に示す制御装置２３は、軌道情報収集装置８に関する種々の動作を制御する中央処理部（CPU）である。制御装置２３は、例えば、加振条件設定装置１０が出力する加振条件情報を加振条件情報記憶部２０ｂに出力したり、軌道状態測定装置１１が出力する軌道情報を軌道情報記憶部２０ａに出力したり、軌道情報記憶部２０ａに軌道情報の記憶を指令したり、加振条件情報記憶部２０ｂに加振条件情報の記憶を指令したり、加振条件情報記憶部２０ｂが記憶する加振条件情報と中間点検出部１５が出力する中間点検出情報とに基づいて加振装置９の駆動部９ｂに加振動作を指令したり、軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃから軌道情報収集プログラムを読み出してこの軌道情報収集プログラムに従って所定の軌道情報収集処理を実行したり、記憶装置２０から軌道情報を読み出して送受信装置２１及び表示装置２２に出力したり、送受信装置２１に軌道情報の送信を指令したり、表示装置２２に軌道情報の表示を指令したりなどする。制御装置２３は、加振装置９、加振条件設定装置１０、軌道状態測定装置１１、記憶装置２０、送受信装置２１及び表示装置２２などが相互に通信可能なように接続されている。
【００４５】
図１及び図１２に示す軌道情報処理装置２４は、軌道１に関する情報を処理する装置である。軌道情報処理装置２４は、軌道情報収集装置８が収集した軌道情報について所定の処理を実行してこの軌道情報を解析する。軌道情報処理装置２４は、例えば、軌道１上を移動しながら現場で軌道情報を収集する軌道情報収集装置８とは異なり地上側に設置されており、軌道情報収集装置８が収集した軌道情報を後処理によって解析する。軌道情報処理装置２４は、図１及び図１２に示すように、送受信装置２５と、レール軸力推定装置２６と、記憶装置３２と、表示装置３３などを備えている。
【００４６】
図１及び図１２に示す送受信装置２５は、軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道情報を受信する手段である。送受信装置２５は、例えば、軌道情報収集装置８側の軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道情報を、この軌道情報収集装置８側の送受信装置２１から受信する。
【００４７】
図１及び図１２に示すレール軸力推定装置２６は、レール軸力の変化量を推定する装置である。レール軸力推定装置２６は、レール２Ａの固有振動数の変化量に基づいてこのレール２Ａのレール軸力の変化量を推定する。レール軸力推定装置２６は、軌道情報収集装置８の軌道状態測定装置１１が測定するレール２Ａの固有振動数に基づいてレール軸力の変化量を推定する。レール軸力推定装置２６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、レール軸力推定プログラムに従って所定の処理を実行する。
【００４８】
図１３〜図１５は、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0，ｆを一例として模式的に示すグラフである。図１３〜図１５に示す縦軸は、レール軸力(kN)であり、横軸は固有振動数(Hz)である。レール軸力は、引張が正であり圧縮が負である。相関関係ｆ0，ｆは、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との関係である。相関関係ｆ0は、基準となるある状態における軌道パッド４ａの温度ｔ0及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°0，ｗ45°0であるときのレール２Ａの固有振動数とレール軸力との関係である。相関関係ｆは、軌道パッド４ａの温度ｔ及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°であるときのレール２Ａの固有振動数とレール軸力との関係である。レール軸力Ｐ0は、基準となるある状態における軸力(基準レール軸力）である。固有振動数Ｆ0は、基準となるある状態において測定した振動数(基準固有振動数）である。レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0は、レール軸力Ｐ0からの変化量である。
【００４９】
レール軸力推定装置２６は、図１５に示すように、レール軸力Ｐ0からのレール軸力Ｐの変化量（推定値）Ｐ−Ｐ0を、この固有振動数Ｆ0の測定位置と同じ測定位置で測定した固有振動数（測定値）Ｆの変化量Ｆ−Ｆ0'から推定する。レール軸力推定装置２６は、実際の軌道１の有限要素モデルを使用した振動解析結果に基づいて、軌道パッド４ａの温度変化（ｔ0→ｔ）による固有振動数の変化量ΔＦt0→tと、レール頭部２ａの摩耗量変化（ｗ0→ｗ）による固有振動数の変化量ΔＦw0→wとを、現場で簡易に取得できる軌道パッド４ａの温度ｔ及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°から推定してレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推定する。
【００５０】
図１４及び図１５に示すように、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との間には比例関係が成り立ち、かつ、軌道パッド４ａの温度ｔ、レール２Ａの締結間隔及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°により相関関係ｆ0のグラフの切片が変化する。例えば、図１４に示すように、軌道パッド４ａのばね定数の温度依存性により、軌道パッド４ａの温度ｔが高くなると、相関関係ｆ0のグラフの切片が左側に移動し、軌道パッド４ａの温度ｔが低くなると、相関関係ｆ0のグラフの切片が右側に移動する。また、レール２Ａの締結間隔が広くなると相関関係ｆ0のグラフの切片が左側に移動し、レール２Ａの締結間隔が狭くなると相関関係ｆ0のグラフの切片が右側に移動する。さらに、レール頭部２ａの頭部側面２ｅが摩耗すると相関関係ｆ0のグラフの切片が左側に移動し、レール頭部２ａの頭頂面２ｄが摩耗すると相関関係ｆ0のグラフの切片が右側に移動する。軌道パッド４ａの温度ｔ、レール２Ａの締結間隔及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°の変化によって、相関関係ｆ0のグラフの切片が変化する。しかし、軌道パッド４ａの温度ｔ、レール２Ａの締結間隔及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°の変化にかかわらず、このグラフの勾配βについては一定値（比例定数）となることが分かっている。例えば、軌道パッド４ａの温度ｔ、レール２Ａの締結間隔及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°が変わらなければ、相関関係ｆ0のグラフに基づいて固有振動数の変化量Ｆ−Ｆ0に勾配βを乗ずることによって、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推定することができる。しかし、軌道パッド４ａの温度ｔは、外気温や日射により常に変化し、レール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°も１年間に数ミリ程度の進行がみられる箇所もある。このため、軌道パッド４ａの温度ｔ及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°の変化を考慮して相関関係ｆ0を補正し、補正後の相関関係ｆに基づいてレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推定する必要がある。
【００５１】
レール軸力推定装置２６は、図１５に示すように、軌道パッド４ａの温度変化による固有振動数の変化量ΔＦt0→tと、レール頭部２ａの摩耗量変化による固有振動数の変化量ΔＦw0→wを演算する。レール軸力推定装置２６は、軌道パッド４ａの温度変化による固有振動数の変化量ΔＦt0→tと、レール頭部２ａの摩耗量変化による固有振動数の変化量ΔＦw0→wとから、補正後の相関関係ｆに基づいてレール軸力Ｐ0からのレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する。レール軸力推定装置２６は、図１２に示すように、振動数変化量演算部２７と、相関関係補正部２８と、軸力変化量演算部２９と、軸力演算部３０と、制御部３１などを備えている。
【００５２】
図１２に示す振動数変化量演算部２７は、レール頭部２ａの複数の測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と軌道パッド４ａの温度ｔとに基づいて、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを演算する手段である。振動数変化量演算部２７は、図７に示すレール頭部２ａの頭頂面２ｄの摩耗量ｗ0°と、このレール頭部２ａの頭部側面２ｅの摩耗量ｗ45°とに基づいて、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを演算する。振動数変化量演算部２７は、温度ｔ0から温度ｔに軌道パッド４ａが変化したときに、この軌道パッド４ａの温度変化（ｔ0→ｔ）による固有振動数の変化量ΔＦt0→tを以下の数１によって演算する。
【００５３】
【数１】
2019066437.tif 000003
【００５４】
ここで、数１に示すａ，ｂは、軌道パッド４ａの温度ｔ0，ｔに関する補正パラメータ（定数）である。補正パラメータａ，ｂは、一例として、レール２Ａ，２Ｂが60kgレールであり、レール締結装置４が5N形締結装置である場合の組み合わせであって、軌道パッド４ａの温度30℃を温度ｔ0として固有振動数の変化量ΔＦ30℃→tに変換した値を数１によって近似したときには、ａ＝750.0，ｂ＝39.36である。補正パラメータａ，ｂは、軌道パッド４ａの温度変化による固有振動数の変化量Δt0→tが軌道パッド４ａのばね定数によって変化するため、レール締結装置４の種類毎に設定される。
【００５５】
レール頭部２ａの摩耗量変化（ｗ0→ｗ）による固有振動数の変化量ΔＦwは、軌道１が直線又は曲線の別によらず単一の式である以下の数２によって表される。振動数変化量演算部２７は、レール頭部２ａの摩耗が摩耗量ｗ0°0，ｗ45°0から摩耗量ｗ0°，ｗ45°に変化したときに、このレール頭部２ａの摩耗量変化（ｗ0°0，ｗ45°0→ｗ0°，ｗ45°）による固有振動数の変化量ΔＦw0→wを数２より以下の数３によって演算する。
【００５６】
【数２】
2019066437.tif 000004
【００５７】
【数３】
2019066437.tif 000005
【００５８】
ここで、数２及び数３に示すｃ〜ｅは、レール頭部２ａの摩耗に関する補正パラメータである。補正パラメータｃ〜ｅは、一例として、レール２Ａ，２Ｂが60kgレールである場合であって、実際の軌道１で測定したレール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と、これらの摩耗量ｗ0°，ｗ45°を軌道１の有限要素モデルに入力して演算した摩耗による固有振動数の変化量ΔＦwとの関係を、数２によって近似することによって演算したときには、ｃ＝0.955，ｄ＝-0.0605，ｅ＝-0.278である。
【００５９】
振動数変化量演算部２７は、数１に示す軌道パッド４ａの温度変化による固有振動数の変化量ΔＦt0→tと、数２に示すレール頭部２ａの摩耗量変化による固有振動数の変化量ΔＦw0→wとに基づいて、図１５に示す相関関係ｆ0のグラフの切片ずれに相当する固有振動数の変化量ΔＦ=ΔＦt0→t+ΔＦw0→wを以下の数４によって演算する。振動数変化量演算部２７は、演算後の固有振動数の変化量ΔＦ，ΔＦw，ΔＦt0→t，ΔＦw0→wを振動数変化量情報として制御部３１に出力する。
【００６０】
【数４】
2019066437.tif 000006
【００６１】
図１２に示す相関関係補正部２８は、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦに基づいて相関関係ｆ0を補正する手段である。相関関係補正部２８は、振動数変化量演算部２７の演算結果に基づいて相関関係ｆ0を補正する。相関関係補正部２８は、レール頭部２ａの複数の測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と軌道パッド４ａの温度ｔとに基づいて相関関係ｆ0を補正する。相関関係補正部２８は、図１６に示すような軌道パッド４ａのばね定数の温度依存性、実際の軌道１のレール頭部２ａの摩耗形状及びレール２Ａの締結間隔を考慮でき、かつ、任意の軸力作用下での振動解析を実施可能な軌道１の有限要素モデルを使用した振動解析結果に基づいて相関関係ｆ0を補正する。相関関係補正部２８は、例えば、図１５に示すように、実際の軌道１を有限要素モデル化して求めた相関関係ｆ0をレール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦだけずらして、相関関係ｆ0と勾配βが同じである補正後の相関関係ｆを生成する。相関関係補正部２８は、軌道パッド４ａの温度変化による固有振動数の変化量Δt0→tが軌道パッド４ａのばね定数によって変化することを考慮して、レール締結装置４の種類毎にレール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを演算する。相関関係補正部２８は、補正後の相関関係ｆを相関関係情報として制御部３１に出力する。
【００６２】
図１２に示す軸力変化量演算部２９は、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する手段である。軸力変化量演算部２９は、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦと相関関係ｆ0，ｆとに基づいてレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する。軸力変化量演算部２９は、相関関係補正部２８が相関関係ｆ0を補正したときには、この補正後の相関関係ｆとレール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦとに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算する。軸力変化量演算部２９は、軌道パッド４ａが温度ｔ0から温度ｔに変化し、レール頭部２ａが摩耗量ｗ0°0，ｗ45°0から摩耗量ｗ0°，ｗ45°に変化したときには、図１５に示すレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を以下の数５によって演算する。
【００６３】
【数５】
2019066437.tif 000007
【００６４】
ここで、数５に示すβは、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0，ｆを表すグラフの勾配である。軸力変化量演算部２９は、演算後のレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を軸力変化量情報として制御部３１に出力する。
【００６５】
軸力演算部３０は、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0に基づいて、レール軸力Ｐを演算する手段である。軸力演算部３０は、レール軸力Ｐ0とレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0とに基づいて、レール軸力Ｐを演算する。軸力演算部３０は、演算後のレール軸力Ｐを軸力情報として制御部３１に出力する。
【００６６】
図１２に示す制御部３１は、レール軸力推定装置２６に関する種々の動作を制御する中央処理部（CPU）である。制御部３１は、例えば、レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇからレール軸力推定プログラムを読み出してこのレール軸力推定プログラムに従って所定のレール軸力推定処理を実行したり、軌道情報収集装置８側の送受信装置２１からの軌道情報の送信を送受信装置２５に指令したり、送受信装置２５が出力する軌道情報を軌道情報記憶部３２ｂに出力したり、軌道情報の記憶を軌道情報記憶部３２ｂに指令したり、相関関係情報記憶部３２ａから相関関係情報を読み出して相関関係補正部２８、軸力変化量演算部２９及び軸力演算部３０に出力したり、演算条件情報記憶部３２ｃから演算条件情報を読み出して振動数変化量演算部２７及び軸力変化量演算部２９に出力したり、軌道情報記憶部３２ｂから摩耗量情報及び温度情報を読み出して振動数変化量演算部２７に出力したり、固有振動数の変化量ΔＦの演算を振動数変化量演算部２７に指令したり、振動数変化量情報記憶部３２ｄに振動数変化量情報を出力したり、振動数変化量情報の記憶を振動数変化量情報記憶部３２ｄに指令したり、振動数変化量情報記憶部３２ｄから振動数変化量情報を読み出して相関関係補正部２８に出力したり、相関関係情報の補正を相関関係補正部２８に指令したり、補正後の相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａに出力したり、補正後の相関関係情報の記憶を相関関係情報記憶部３２ａに指令したり、補正後の相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａから読み出して軸力変化量演算部２９及び軸力演算部３０に出力したり、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0の演算を軸力変化量演算部２９に指令したり、軸力変化量演算部２９が出力する軸力変化量情報を軸力変化量情報記憶部３２ｅに出力したり、軸力情報記憶部３２ｆに軸力情報の記憶を指令したり、軸力変化量情報を軸力変化量情報記憶部３２ｅから読み出して軸力演算部３０に出力したり、レール軸力Ｐの演算を軸力演算部３０に指令したり、軸力演算部３０が出力する軸力情報を軸力情報記憶部３２ｆに出力したり、軸力情報記憶部３２ｆに軸力情報の記憶を指令したり、軌道１に関する種々の情報の表示を表示装置３３に指令したりする。制御部３１は、送受信装置２５、振動数変化量演算部２７、相関関係補正部２８、軸力変化量演算部２９、軸力演算部３０、記憶装置３２及び表示装置３３などが相互に通信可能なように接続されている。
【００６７】
記憶装置３２は、種々の情報を記憶する装置である。記憶装置３２は、例えば、軌道情報収集装置８側から送信される軌道情報、レール軸力推定装置２６から送信される種々の情報などを記憶するメモリ又はハードディスクなどである。記憶装置３２は、図１２に示すように、相関関係情報記憶部３２ａと、軌道情報記憶部３２ｂと、演算条件情報記憶部３２ｃと、振動数変化量情報記憶部３２ｄと、軸力変化量情報記憶部３２ｅと、軸力情報記憶部３２ｆと、レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇなどを備えている。
【００６８】
図１２に示す相関関係情報記憶部３２ａは、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0，ｆに関する相関関係情報を記憶する手段である。相関関係情報記憶部３２ａは、相関関係補正部２８によって相関関係情報が補正されたときには、この補正後の相関関係情報も記憶する。相関関係情報記憶部３２ａは、例えば、図１３〜図１５に示すようなレール２Ａの固有振動数とレール軸力との対応関係を記憶する。相関関係情報記憶部３２ａは、図１６に示すような軌道１の有限要素モデルに基づいて生成される相関関係ｆ0，ｆを記憶する。
【００６９】
図１６に示す解析モデルは、軌道１の有限要素モデルの１締結分の構造である。この解析モデルは、軌道パッド４ａのばね定数の温度依存性、現場の軌道１のレール頭部２ａの摩耗形状及びレール２Ａの締結間隔を考慮でき、かつ、任意のレール軸力の作用下での振動解析を実施可能な軌道１の有限要素モデルである。図１６に示すレール２Ａは、ソリッド要素でモデル化された振動解析の対象となる解析レールである。レール２Ｂは、ビーム要素でモデル化された反対側レールである。レール２Ａ，２Ｂは、いずれも60kgレールに相当する断面形状でモデル化した。まくらぎ３は、PCまくらぎに相当する断面形状でモデル化した。レール締結装置４は、レール２Ａ、２Ｂとまくらぎ３とを結合するばね要素でモデル化した。道床５は、バラスト道床でありまくらぎ３の下に配置したばね要素でモデル化した。ここで、図１６に示すｋfは、レール締結装置４のばね係数である。ηfは、レール締結装置４の減衰係数である。ｋeは、まくらぎ３の端部と道床５との間のばね係数である。ηeは、まくらぎ３の端部と道床５との間の減衰係数である。ｋcは、まくらぎ３の中央部と道床５との間のばね係数である。ηcは、まくらぎ３の中央部と道床５との間の減衰係数である。相関関係情報記憶部３２ａは、例えば、図１６に示すように、実際の軌道１を有限要素モデル化して求めた相関関係ｆ0，ｆを相関関係情報として記憶する。
【００７０】
図１２に示す軌道情報記憶部３２ｂは、軌道１に関する種々の情報を記憶する手段である。軌道情報記憶部３２ｂは、軌道情報収集装置８側の軌道情報記憶部２０ａと同一構造であり、軌道情報記憶部２０ａが記憶する軌道１に関する種々の情報を軌道情報として記憶する。
【００７１】
演算条件情報記憶部３２ｃは、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦ及びレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算するための演算条件情報を記憶する手段である。演算条件情報記憶部３２ｃは、振動数変化量演算部２７の演算結果を記憶する。演算条件情報記憶部３２ｃは、数１〜数４に示す固有振動数の変化量ΔＦ，ΔＦw，ΔＦt0→t，ΔＦw0→wを演算するために必要な補正パラメータａ〜ｅと、数５に示すレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算するために必要な勾配βなどを演算条件情報として記憶する。
【００７２】
振動数変化量情報記憶部３２ｄは、固有振動数の変化量ΔＦ，ΔＦw，ΔＦt0→t，ΔＦw0→wに関する振動数変化量情報を記憶する手段である。振動数変化量情報記憶部３２ｄは、振動数変化量演算部２７の演算結果を記憶する。振動数変化量情報記憶部３２ｄは、例えば、振動数変化量演算部２７が演算する固有振動数の変化量ΔＦ，ΔＦw，ΔＦt0→t，ΔＦw0→wを振動数変化量情報として記憶する。
【００７３】
軸力変化量情報記憶部３２ｅは、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0に関する振動数変化量情報を記憶する手段である。軸力変化量情報記憶部３２ｅは、軸力変化量演算部２９の演算結果を記憶する。軸力変化量情報記憶部３２ｅは、例えば、図１７に示すように、加振点Ｐ1，…，ＰN毎の軸力変化量情報Ｄ51，…，Ｄ5Nと、起点から各加振点Ｐ1，…，ＰNまでの移動距離に相当する移動距離情報Ｄ41，…，Ｄ4Nとを対応させて記憶する。
【００７４】
軸力情報記憶部３２ｆは、レール軸力Ｐに関する軸力情報を記憶する手段である。軸力情報記憶部３２ｆは、軸力変化量演算部２９の演算結果を記憶する。軸力情報記憶部３２ｆは、例えば、図１８に示すように、加振点Ｐ1，…，ＰN毎の軸力情報Ｄ61，…，Ｄ6Nと、起点から各加振点Ｐ1，…，ＰNまでの移動距離に相当する移動距離情報Ｄ41，…，Ｄ4Nとを対応させて記憶する。
【００７５】
レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇは、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推定するレール軸力推定プログラムを記憶する手段である。レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇは、情報記録媒体から読み取ったレール軸力推定プログラム又は電気通信回線を通じて取り込まれたレール軸力推定プログラムなどを記憶する。
【００７６】
表示装置３３は、軌道１に関する種々の情報を表示する装置である。表示装置３３は、例えば、相関関係情報記憶部３２ａが記憶する相関関係情報、軌道情報記憶部３２ｂが記憶する軌道情報、演算条件情報記憶部３２ｃが記憶する演算条件情報、振動数変化量情報記憶部３２ｄが記憶する振動数変化量情報、及び軸力変化量情報記憶部３２ｅが記憶する軸力変化量情報などを表示画面上に表示する。
【００７７】
次に、この発明の実施形態に係るレール軸力推定システムの軌道情報収集装置の動作を説明する。
以下では、図９に示す制御装置２３の動作を中心に説明する。
図１９に示すステップ（以下、Ｓという）１００において、軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃから軌道情報収集プログラムを制御装置２３が読み込む。図２に示すように、軌道情報収集装置８を現場に搬送し、走行装置７の車輪７ｂを軌道１のレール２Ａ，２Ｂ上に設置すると、軌道１に沿って軌道情報収集装置８が移動可能な状態になる。図９に示す軌道情報収集装置８の電源を測定者ＭがON操作すると、軌道情報収集プログラム記憶部２０ｃから軌道情報収集プログラムを制御装置２３が読み込み、軌道御情報収集処理を制御装置２３が実行する。
【００７８】
Ｓ１１０において、加振条件情報記憶部２０ｂから加振条件情報を制御装置２３が読み込む。加振条件設定装置１０を測定者Ｍが操作して加振条件を設定するとこの加振条件が加振条件情報記憶部２０ｂに記憶される。例えば、図１０に示すレール２Ａ，２Ｂがロングレールである場合には、このロングレールの両端部から30〜40mまでの区間内でレール軸力を連続して測定したいときには、この区間内の全ての中間点ＰHが加振点Ｐ1，…，ＰNとして設定される。この場合には、加振条件情報記憶部２０ｂから加振条件情報を制御装置２３が読み出して、ロングレールの両端部から所定区間内でレール軸力を連続して測定すると制御装置２３が認識する。
【００７９】
Ｓ１２０において、支持点ＰS間の中間点ＰHが検出されたか否かを制御装置２３が判定する。例えば、図２に示すように、レール２Ａ，２Ｂがロングレールである場合に、このロングレールの一方の端部から他方の端部に向かって軌道情報収集装置８が軌道１上で移動を開始すると、図２及び図４に示す移動距離測定部１２が加振装置９の移動距離の測定を開始するとともに、図２及び図５に示す支持点検出部１３が支持点ＰSの検出を開始する。軌道情報収集装置８が軌道１上を移動して支持点ＰS上を通過する度に、支持点検出部１３が間隔測定部１４に支持点検出信号を出力する。支持点検出部１３が支持点検出信号を出力してから次の支持点検出信号を出力するまでの間に、移動距離測定部１２が間隔測定部１４に出力する移動距離情報に基づいて、支持点ＰS間の間隔を間隔測定部１４が測定する。間隔測定部１４が間隔情報を中間点検出部１５に出力すると、図１０に示す支持点ＰSから中間点ＰHまでの中間距離（支持点ＰS間の間隔の半分の距離）を中間点検出部１５が演算する。図９に示す支持点検出部１３が中間点検出部１５に支持点検出信号を出力してから加振装置９が移動する移動距離の計測を、移動距離測定部１２が中間点検出部１５に出力する移動距離情報に基づいて中間点検出部１５が演算する。加振装置９の移動距離が中間距離に達したと中間点検出部１５が判断したときには、中間点検出部１５が中間点検出情報を制御装置２３に出力する。中間点検出部１５から中間点検出情報が入力したと制御装置２３が判断したときにはＳ１３０に進む。一方、中間点検出部１５から中間点検出情報が入力していないと制御装置２３が判断したときには、Ｓ１２０の判断を制御装置２３が繰り返す。
【００８０】
Ｓ１３０において、加振装置９によって加振点Ｐ1，…，ＰNでレール２Ａを加振するか否かを制御装置２３が判断する。図９に示す中間点検出部１５から制御装置２３に中間点検出情報が入力すると、加振条件情報記憶部２０ｂから読み出した加振条件情報とこの中間点検出情報とを制御装置２３が照合する。その結果、中間点検出部１５が検出した中間点ＰHと、加振条件設定装置１０が設定した加振条件（加振点Ｐ1，…，ＰN）とが一致するか否かを制御装置２３が判断する。中間点ＰHと加振点Ｐ1，…，ＰNとが一致すると制御装置２３が判断したときにはＳ１４０に進む。一方、中間点ＰHと加振点Ｐ1，…，ＰNとが一致しないと制御装置２３が判断したときにはＳ１２０に戻り、Ｓ１２０以降の判断を制御装置２３が繰り返す。
【００８１】
Ｓ１４０において、制御装置２３が加振装置９に加振動作を指令する。図１０に示すように、加振装置９が加振点Ｐ1，…，ＰNに到達すると、支持点ＰS間の中間点ＰHでレール２Ａを加振装置９が加振するように、加振装置９の駆動部９ｂを制御装置２３が制御する。その結果、図２、図３及び図１０に示すように、加振装置９のハンマー部９ａを駆動部９ｂが固定解除し、図３及び図１０に二点鎖線で示す待機位置からハンマー部９ａを落下させて、図１０に示す加振点Ｐ1，…，ＰNでレール２Ａの頭部側面２ｅにハンマー部９ａが衝突する。その結果、レール２Ａの支持点ＰSが節になり、この支持点ＰS間の中間点ＰHが腹となって、レール２Ａが振動する。衝突後にはハンマー部９ａを駆動部９ｂが二点鎖線で示す待機位置まで駆動し、待機位置でハンマー部９ａを駆動部９ｂが固定する。図２、図３及び図１０に示すように、レール２Ａの頭部側面２ｅにハンマー部９ａが衝突すると、この頭部側面２ｅから放射される音を音測定部１６が検出する。図９に示す音測定部１６がプリトリガで音の測定を開始し、音測定部１６が音情報を固有振動数測定部１７に出力すると、固有振動数測定部１７が支持点ＰS間毎に固有振動数を測定する。レール２Ａの固有振動数を固有振動数測定部１７が測定し、固有振動数測定部１７が固有振動数情報を制御装置２３に出力する。
【００８２】
Ｓ１５０において、制御装置２３が摩耗量測定部１８に測定動作を指令する。図１０に示すように、加振装置９が加振点Ｐ1，…，ＰNに到達すると、図２及び図６に示す摩耗量測定部１８がレール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定するように、摩耗量測定部１８を制御装置２３が制御する。その結果、摩耗量測定部１８がレール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°を測定し、摩耗量測定部１８が摩耗量情報を制御装置２３に出力する。
【００８３】
Ｓ１６０において、制御装置２３が温度測定部１９に測定動作を指令する。加振装置９が加振点Ｐ1，…，ＰNに到達すると、図２及び図８に示す温度測定部１９が支持点ＰS付近の温度を測定するように、温度測定部１９を制御装置２３が制御する。その結果、温度測定部１９が支持点ＰS付近のレール底部２ｂの底部上面２ｇの温度を軌道パッド４ａの温度ｔとして測定し、温度測定部１９が温度情報を制御装置２３に出力する。
【００８４】
Ｓ１７０において、軌道情報の記録を軌道情報記憶部２０ａに制御装置２３が指令する。固有振動数情報、摩耗量情報、温度情報及び移動距離情報の記憶を軌道情報記憶部２０ａに制御装置２３が指令する。その結果、図１１に示すように、加振点Ｐ1，…，ＰN毎の固有振動数情報Ｄ11，…，Ｄ1N、摩耗量情報Ｄ21，…，Ｄ2N及び温度情報Ｄ31，…，Ｄ3Nと、起点から各加振点Ｐ1，…，ＰNまでの移動距離情報Ｄ41，…，Ｄ4Nとを対応させて、これらの情報を軌道情報として軌道情報記憶部２０ａが記憶する。
【００８５】
Ｓ１８０において、軌道情報集処理を終了するか否かを制御装置２３が判断する。加振条件情報記憶部２０ｂから読み出した加振条件情報を制御装置２３が参照して、軌道情報集処理を終了するか否かを制御装置２３が判断する。全ての加振点Ｐ1，…，ＰNにおいて軌道情報の収集を完了したと制御装置２３が判断したときには、制御装置２３が一連の軌道情報収集処理を終了する。一方、全ての加振点Ｐ1，…，ＰNにおいて軌道情報の収集を完了していないと制御装置２３が判断したときにはＳ１２０に戻り、Ｓ１２０以降の処理を制御装置２３が繰り返す。
【００８６】
次に、この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置の動作を説明する。
以下では、図１２に示す制御部３１の動作を中心に説明する。
図２０に示すＳ２００において、レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇからレール軸力推定プログラムを制御部３１が読み込む。図１２に示す軌道情報処理装置２４の電源を測定者ＭがON操作すると、レール軸力推定プログラム記憶部３２ｇからレール軸力推定プログラムを制御部３１が読み込み、レール軸力推定処理を制御部３１が実行する。
【００８７】
Ｓ２１０において、軌道情報の送信を送受信装置２５に制御部３１が指令する。図１に示す軌道情報処理装置２４側の送受信装置２５から軌道情報収集装置８側の送受信装置２１に軌道情報の送信が指令されると、図９に示す軌道情報収集装置８の制御装置２３が軌道情報記憶部２０ａから軌道情報を読み出す。その結果、図１に示す制御装置２３が送受信装置２１に軌道情報を出力し、軌道情報収集装置８側の送受信装置２１から軌道情報処理装置２４側の送受信装置２５にこの軌道情報が送信される。
【００８８】
Ｓ２２０において、軌道情報を受信したか否かを制御部３１が判断する。図１２に示す送受信装置２５から制御部３１に軌道情報が入力したと制御部３１が判断したときにはＳ２３０に進み、送受信装置２５から制御部３１に軌道情報が入力していないと制御部３１が判断したときには一連のレール軸力推定処理を終了する。
【００８９】
Ｓ２３０において、軌道情報の記録を軌道情報記憶部３２ｂに制御部３１が指令する。軌道情報収集装置８から受信した軌道情報を軌道情報記憶部３２ｂに制御部３１が出力すると、軌道情報記憶部３２ｂがこの軌道情報を記憶する。
【００９０】
Ｓ２４０において、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦの演算を振動数変化量演算部２７に制御部３１が指令する。相関関係ｆ0に関する相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａから制御部３１が読み出して、この相関関係情報を制御部３１が振動数変化量演算部２７に出力する。また、レール軸力Ｐ0に関する固有振動数情報、レール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°に関する摩耗量情報及び軌道パッド４ａの温度ｔに関する温度情報を軌道情報記憶部３２ｂから制御部３１が読み出して、これらの固有振動数情報、摩耗量情報及び温度情報を制御部３１が振動数変化量演算部２７に出力する。さらに、固有振動数の変化量ΔＦの演算に必要な補正パラメータａ〜ｅに関する演算条件情報を演算条件情報記憶部３２ｃから制御部３１が読み出して、この演算条件情報を制御部３１が振動数変化量演算部２７に出力する。その結果、数１及び数３によって振動数変化量演算部２７が固有振動数の変化量ΔＦを演算し、振動数変化量情報を振動数変化量演算部２７が制御部３１に出力する。振動数変化量情報記憶部３２ｄに振動数変化量情報を制御部３１が出力すると、振動数変化量情報記憶部３２ｄがこの振動数変化量情報を記憶する。
【００９１】
Ｓ２５０において、相関関係ｆ0の補正を相関関係補正部２８に制御部３１が指令する。相関関係情報記憶部３２ａから相関関係ｆ0に関する相関関係情報を制御部３１が読み出して、この相関関係情報を制御部３１が相関関係補正部２８に出力する。また、振動数変化量情報記憶部３２ｄから振動数変化量情報を制御部３１が読み出して、この振動数変化量情報を制御部３１が相関関係補正部２８に出力する。その結果、図１５に示すように、相関関係ｆ0を相関関係ｆに相関関係補正部２８が補正して、固有振動数の変化量ΔＦだけ相関関係ｆ0をシフトさせた相関関係ｆを相関関係補正部２８が生成する。補正後の相関関係情報を相関関係補正部２８が制御部３１に出力すると、この補正後の相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａに制御部３１が出力し、この補正後の相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａが記憶する。
【００９２】
Ｓ２６０において、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0の演算を軸力変化量演算部２９に制御部３１が指令する。補正後の相関関係ｆに関する相関関係情報を相関関係情報記憶部３２ａから制御部３１が読み出して、この補正後の相関関係情報を制御部３１が軸力変化量演算部２９に出力する。また、固有振動数の変化量ΔＦに関する振動数変化量情報を振動数変化量情報記憶部３２ｄから制御部３１が読み出して、この振動数変化量情報を制御部３１が軸力変化量演算部２９に出力する。さらに、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0の演算に必要な勾配βに関する演算条件情報を演算条件情報記憶部３２ｃから制御部３１が読み出して、この演算条件情報を制御部３１が軸力変化量演算部２９に出力する。その結果、数４によって軸力変化量演算部２９がレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を演算し、軸力変化量情報を軸力変化量演算部２９が制御部３１に出力する。軸力変化量情報記憶部３２ｅに軸力変化量情報を制御部３１が出力すると、軸力変化量情報記憶部３２ｅがこの軸力変化量情報を記憶する。
【００９３】
Ｓ２７０において、レール軸力Ｐの演算を軸力演算部３０に制御部３１が指令する。レール軸力Ｐ0に関する軸力情報を軌道情報記憶部３２ｂから制御部３１が読み出して、この軸力情報を制御部３１が軸力演算部３０に出力する。また、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0に関する軸力変化量情報を軸力変化量情報記憶部３２ｅから制御部３１が読み出して、この軸力変化量情報を制御部３１が軸力演算部３０に出力する。その結果、レール軸力Ｐ0とレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0とに基づいて軸力演算部３０がレール軸力Ｐを演算し、軸力情報を軸力変化量演算部２９が制御部３１に出力する。軸力情報記憶部３２ｆに軸力情報を制御部３１が出力すると、軸力情報記憶部３２ｆがこの軸力情報を記憶する。
【００９４】
この発明の実施形態に係るレール軸力推定装置及びレール軸力推定プログラムには、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、レール頭部２ａの複数の測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°と軌道パッド４ａの温度ｔとに基づいて、レールの固有振動数の変化量ΔＦを振動数変化量演算部２７が演算し、このレールの固有振動数の変化量ΔＦに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を軸力変化量演算部２９が演算する。例えば、レール頭部２ａの摩耗形状（断面形状）を測定したときには、レール頭部２ａの断面の詳細な摩耗形状を軌道１の有限要素モデルに入力して、現場毎に有限要素法により振動解析し固有振動数の変化量ΔＦを演算する必要がある。この実施形態では、レール頭部２ａの代表する２点の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定するだけで、有限要素法による振動解析を必要としない簡易な手法によって、この固有振動数の変化量ΔＦを簡単に演算することができる。その結果、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を簡易に高精度で推定することができる。例えば、レール２Ａ，２Ｂの固有振動数を定期的に測定して、著大なレール軸力の発生を検知することができる。また、レール２Ａの交換や設定替え直後のようなレール軸力Ｐ0が既知の状態から所定期間経過後に、固有振動数を定期的に測定することによってレール軸力Ｐの絶対値を推定して、レール軸力Ｐを正確に管理することができる。
【００９５】
(2) この実施形態では、レール頭部２ａの頭頂面２ｄの摩耗量ｗ0°と、このレール頭部２ａの頭部側面２ｅの摩耗量ｗ45°とに基づいて、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを振動数変化量演算部２７が演算する。このため、軌道パッド４ａの温度ｔ及びレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°の測定値に基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を短時間で簡単に推定することができる。また、レール頭部２ａの複数の測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定することによって、直線、曲線、緩和曲線、曲線半径、内軌、外軌又はその他の現場の特殊な条件にかかわらず、単一の式によってレール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを推定することができる。
【００９６】
(3) この実施形態では、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0，ｆと、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦとに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を軸力変化量演算部２９が演算する。このため、例えば、実際の軌道１を有限要素モデル化して求めた相関関係ｆ0，ｆと、現場で簡易に取得可能なレール頭部２ａの摩耗量ｗ0°，ｗ45°及び軌道パッド４ａの温度ｔとに基づいて、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦを推定することができ、レール軸力を高精度に推定することができる。
【００９７】
(4) この実施形態では、レール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦに基づいて、レール２Ａの固有振動数とレール軸力との相関関係ｆ0を相関関係補正部２８が補正し、補正後の相関関係ｆとレール２Ａの固有振動数の変化量ΔＦとに基づいて、レール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を軸力変化量演算部２９が演算する。このため、例えば、実際の軌道１を有限要素モデル化して求めた相関関係ｆ0を、現場で簡単に取得可能なデータから推定した固有振動数の変化量ΔＦに基づいて補正し、レール軸力を高精度に推定することができる。
【００９８】
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、レール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を摩耗量測定部１８によってそれぞれ測定する場合を例に挙げて説明したが、このような測定方法にこの発明を限定するものではない。例えば、レール頭部２ａの断面形状を測定した後に、測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を抽出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、この実施形態では、測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を非接触式の摩耗量測定部１８によって測定する場合を例に挙げて説明したが、測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を接触式の摩耗量測定部によって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。例えば、測定点Ｐ0°，Ｐ45°に接触子を接触させてこの接触子の変位量に基づいて摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定することもできる。さらに、この実施形態では、軌道１上を移動しながら軌道情報収集装置８によって測定点Ｐ0°，Ｐ45°の摩耗量ｗ0°，ｗ45°を自動的に測定する場合を例に挙げて説明したが、このような構成にこの発明を限定するものではない。例えば、レール頭部２ａの測定点Ｐ0°，Ｐ45°に摩耗測定定規のような摩耗測定器を着脱自在に装着して摩耗量ｗ0°，ｗ45°を測定し、これらの摩耗量ｗ0°，ｗ45°の測定値をレール軸力推定装置２６に手動で入力することもできる。
【００９９】
(2) この実施形態では、支持点ＰS付近のレール底部２ｂの温度を軌道パッド４ａの温度ｔとして温度測定部１９が測定する場合を例に挙げて説明したが、軌道パッド４ａの温度ｔを温度測定部１９によって直接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。また、この実施形態では、軌道１の一方のレール２Ａのレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推定する場合を例に挙げて説明したが、軌道１の他方のレール２Ｂ又は双方のレール２Ａ，２Ｂのレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0を推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。さらに、この実施形態では、レール軸力Ｐ0とレール軸力の変化量Ｐ−Ｐ0とに基づいて、レール軸力Ｐを推定する場合を例に挙げて説明したが、このような推定手法にこの発明を限定するものではない。例えば、図１５に示す補正後の相関関係ｆとレール２Ａの固有振動数（測定値）Ｆとを照合して、レール２Ａの固有振動数Ｆに対応するレール軸力Ｐを推定することもできる。
【０１００】
(3) この実施形態では、補正パラメータａ〜ｅの値を一例として挙げたが、補正パラメータａ〜ｅをこれらの値に限定するものではなく、レール２Ａ，２Ｂの種類及びレール締結装置４の種類に応じて補正パラメータａ〜ｅを設定することができる。また、この実施形態では、この実施形態では、レール２Ａ，２Ｂを支持する支持体がまくらぎ３である場合を例に挙げて説明したが、まくらぎ３以外の支持体についてもこの発明を適用することができる。例えば、矩形平板状のプレキャストのコンクリート版（スラブ版）によって構成されて道床とまくらぎとを一体化させた省力化軌道の一種である軌道スラブなどの支持体、又はレール２Ａ，２Ｂをそれぞれ支持するプレストレスコンクリート構造(PRC構造)の縦梁を鋼管製の継材によって連結する梯子状のラダーまくらぎなどの支持体についても、この発明を適用することができる。
【０１０１】
(4) この実施形態では、軌道情報収集装置８を測定者Ｍの人力によって走行させる場合を例に挙げて説明したが、軌道情報収集装置８を機械的な動力によって走行させることもできる。また、この実施形態では、軌道情報収集装置８を軌道１に沿って走行させながら自動的に種々の軌道情報を収集する場合を例に挙げて説明したが、これらの軌道情報を自動的に収集する場合にこの発明を限定するものではない。例えば、加振装置９及び軌道情報測定装置１１などを人力で運搬し、加振動作、音測定、温度測定及び摩耗量測定などを人力で行う場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、軌道１上を走行する軌道情報収集装置８と地上に固定されている軌道情報処理装置２４とに分離されている場合を例に挙げて説明したが、軌道情報収集装置８と軌道情報処理装置２４とを一体化して軌道１上を走行させることもできる。
【０１０２】
(5) この実施形態では、支持点検出部１３によってレール締結装置４を検出し、間隔測定部１４によってレール締結装置４間の間隔を測定する場合を例に挙げて説明したが、支持点検出部１３によってまくらぎ３を検出し、間隔測定部１４によってまくらぎ３間の間隔を測定することもできる。また、この実施形態では、支持点ＰS付近のレール底部２ｂの底部上面２ｇの温度を温度測定部１９によって測定する場合を例に挙げて説明したが、測定箇所を底部上面２ｇに限定するものではない。例えば、支持点ＰS付近のまくらぎ３の表面の温度を測定したり、支持点ＰS付近のレール底部２ｂの底部上面２ｇの温度とまくらぎ３の表面の温度との平均値を測定したりすることもできる。さらに、この実施形態では、レール２Ａの支持点ＰS間の中間点ＰHを加振装置９によって加振する場合を例に挙げて説明したが、支持点ＰS間の中間点ＰHからわずかに離れた位置を加振装置９によって加振することもできる。
【符号の説明】
【０１０３】
１  軌道
２Ａ，２Ｂ  レール
２ａ  レール頭部
２ｂ  レール底部
２ｃ  レール側部
２ｄ  頭頂面
２ｅ  頭部側面
２ｆ  ゲージコーナ面
２ｇ  底部上面
３  まくらぎ
４  レール締結装置
５  道床
６  レール軸力推定システム
７  走行装置
８  軌道情報収集装置
９  加振装置
１０  加振条件設定装置
１１  軌道状態測定装置
１２  移動距離測定部
１３  支持点検出部
１４  間隔測定部
１５  中間点検出部
１６  音測定部
１７  固有振動数測定部
１８  摩耗量測定部
１９  温度測定部
２０  記憶装置
２１  送受信装置
２２  表示装置
２３  制御装置
２４  軌道情報処理装置
２５  送受信装置
２６  レール軸力推定装置
２７  振動数変化量演算部
２８  相関関係補正部
２９  軸力変化量演算部
３０  軸力演算部
３１  制御部
３２  記憶装置
３３  表示装置
Ｍ  測定者
ＰS  支持点
ＰH  中間点
Ｐ1，…，ＰN  加振点
Ｐ0°，Ｐ45°  測定点
ｗ0°，ｗ45°，ｗ0°0，ｗ45°0  摩耗量
ｔ，ｔ0  温度
ΔＦ  固有振動数の変化量
Ｐ−Ｐ0  レール軸力の変化量
β  勾配
ΔＦt0→t  軌道パッドの温度変化による固有振動数の変化量
ΔＦw0→w  レール頭部の摩耗量変化による固有振動数の変化量
ｆ0，ｆ  相関関係
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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