(57)【要約】【課題】簡単な構成によりアタック角を連続的に測定可能なアタック角測定装置等を提供する。【解決手段】アタック角測定装置を、車軸１２０の両端部にそれぞれ設けられた第１、第２の車輪１１０を有する輪軸１００と、第１の車輪への第１のレールＲからの荷重入力箇所の位相を検出する第１の位相検出手段２４０と、第２の車輪への第２のレールＲからの荷重入力箇所の位相を検出する第２の位相検出手段２４０と、第１、第２の位相検出手段が検出した荷重入力箇所の位相の偏差Δφに基づいて輪軸が軌道に対してなすアタック角を算出するアタック角算出手段２６０とを備える構成とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車軸の両端部にそれぞれ設けられた第１の車輪及び第２の車輪を有する輪軸と、
前記第１の車輪への第１のレールからの荷重入力箇所の位相を検出する第１の位相検出手段と、
前記第２の車輪への第２のレールからの荷重入力箇所の位相を検出する第２の位相検出手段と、
前記第１の位相検出手段が検出した前記荷重入力箇所の位相と前記第２の位相検出手段が検出した前記荷重入力箇所の位相との偏差に基づいて前記輪軸が軌道に対してなすアタック角を算出するアタック角算出手段と
を備えることを特徴とするアタック角測定装置。
【請求項２】
前記第１の位相検出手段、及び、前記第２の位相検出手段は、それぞれ前記第１の車輪、及び、前記第２の車輪のひずみを検出する複数のひずみゲージを含むブリッジ回路を、前記ひずみゲージの前記車軸回りにおける角度位置を相互に異ならせて複数配置して構成されること
を特徴とする請求項１に記載のアタック角測定装置。
【請求項３】
前記ブリッジ回路は、前記レールと前記車輪との間に作用する横圧に応じて出力電圧が変化するよう構成されること
を特徴とする請求項２に記載のアタック角測定装置。
【請求項４】
前記車輪の横方向変位と上下方向変位との少なくとも一方を検出又は推定する車輪変位情報取得手段を備え、
前記アタック角算出手段は、前記横方向変位と前記上下方向変位との少なくとも一方を用いて前記アタック角の算出を行うこと
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアタック角測定装置。
【請求項５】
車軸の両端部にそれぞれ設けられた第１の車輪及び第２の車輪を有する輪軸を軌道上を走行させ、
前記第１の車輪への第１のレールからの荷重入力箇所の位相である第１の位相を検出し、
前記第２の車輪への第２のレールからの荷重入力箇所の位相である第２の位相を検出し、
前記第１の位相と前記第２の位相との偏差に基づいて前記輪軸が前記軌道に対してなすアタック角を算出すること
を特徴とするアタック角測定方法。
【請求項６】
前記第１の位相、及び、前記第２の位相は、それぞれ前記第１の車輪、及び、前記第２の車輪のひずみを検出する複数のひずみゲージを含むブリッジ回路を、前記ひずみゲージの前記車軸回りにおける角度位置を相互に異ならせて複数配置し、前記ブリッジ回路の出力電圧に基づいて検出すること
を特徴とする請求項５に記載のアタック角測定方法。
【請求項７】
前記ブリッジ回路は、前記レールと前記車輪との間に作用する横圧に応じて出力電圧が変化するよう構成されること
を特徴とする請求項６に記載のアタック角測定方法。
【請求項８】
前記アタック角の算出は、前記車輪の横方向変位と上下方向変位との少なくとも一方を検出又は推定して行うこと
を特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のアタック角測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の輪軸がレールに対してなす角度であるアタック角を測定する装置及び方法に関し、特に簡単な構成によりアタック角を連続的に測定可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両が曲線を通過する際には、一般に、車輪とレールとの間の相対的なヨー角であるアタック角が発生する。
アタック角が過度に大きくなると、車輪がレールを横方向に押す力である転向横圧が大きくなり、乗り上がり脱線の懸念が生じるなど走行安全上好ましくない。
アタック角、あるいは、アタック角に相当する情報を測定することができれば、より精度の高い走行安全性評価を行うことが可能となる。
【０００３】
アタック角、あるいはそれに相当する情報を測定する方法について、過去様々な手法が提案されている。
例えば、特許文献１には、地上に設置した非接触距離センサを用いてアタック角を測定することが記載されている。
また、非接触距離センサを車上に設置することも提案されている。
また、非接触距離センサを用いることに代えて、車輪及びレールを撮像した画像に画像処理を施してアタック角を検出することも提案されている。
また、アタック角そのものではないが、アタック角に相当する情報として、車輪とレールとの間の接触点の前後移動量がある。
特許文献２には、車輪に取り付けられたひずみゲージを有する荷重測定用輪軸（ＰＱ輪軸）を用いて輪重（車輪からレールに作用する鉛直方向荷重）を検出し、輪重がピークとなるときの車輪の回転角度位置から車輪とレールとの接触位置の車輪周方向移動量を求め、これに基づいてアタック角を推定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４５３５０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２２９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術のように、地上にセンサを設置した場合、定点以外では測定ができず、連続的な測定ができないという欠点がある。
また、非接触距離センサを車上に設ける場合、例えば軸箱体に複数の距離センサを装着する必要があり、センサ本体や配線の着脱が煩雑である。また、他部品との干渉などにより、センサ等を装着するスペースが確保できないこともあり得る。
さらに、このような非接触距離センサは、一般にレーザ変位計である場合が多く、測定対象物やセンサが直射日光に曝されると、測定に支障が生じる場合がある。
また、画像処理を用いる場合にも、軸箱体等に撮像装置等を装着する必要があることから、機材の着脱が煩雑であり、設置スペースの確保が困難である。さらに、照明条件が変化すると測定に支障を生じる場合がある。
【０００６】
これに対し、特許文献２に記載された技術のように、ＰＱ輪軸を用いて輪重のピーク位置からレールとの接触点の周方向移動を検出する場合、軸箱体等にセンサ類を設置する必要がなく、直射日光や照明条件の影響を受けることはない。
しかし、この場合、輪重波形のピーク値を利用することから、測定点は車輪円周上の離散的な点となり、時間的に連続した測定はできず、瞬間的に発生するアタック角のピーク値を適切に取得できないことが懸念される。
また、輪重測定用のひずみゲージは、車輪踏面の接線方向力に対しても感度を有するため、特に曲線通過中は前後接線力によるピーク点のずれの影響を受けるという欠点がある。
さらに、急激な輪重変動が生じた場合にも、輪重波形のピーク点のずれが生じ、測定に支障が生じる。
また、この場合の測定精度は、輪軸の回転角度位置を検出するロータリエンコーダの分解能によって決まるため、高分解能化に限界がある。
例えば、一般に連続ＰＱ測定に用いられるロータリエンコーダは、６００パルス３相のものが多いが、利用可能なエッジを全て読んだとしても２４００カウント（１１ｂｉｔ強）が限界である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡単な構成によりアタック角を連続的に測定可能なアタック角測定装置及びアタック角測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明のアタック角測定装置は、車軸の両端部にそれぞれ設けられた第１の車輪及び第２の車輪を有する輪軸と、前記第１の車輪への第１のレールからの荷重入力箇所の位相を検出する第１の位相検出手段と、前記第２の車輪への第２のレールからの荷重入力箇所の位相を検出する第２の位相検出手段と、前記第１の位相検出手段が検出した前記荷重入力箇所の位相と前記第２の位相検出手段が検出した前記荷重入力箇所の位相との偏差に基づいて前記輪軸が軌道に対してなすアタック角を算出するアタック角算出手段とを備えることを特徴とする。
これによれば、左右のレールから第１、第２の車輪への荷重入力箇所（レールとの接触点）の位相を検出し、これらの位相の偏差（位相差）に基づいて左右接触点の前後差を求め、アタック角を算出することによって、既存のＰＱ輪軸を用いた簡素な構成により、直射日光等の入射や照明条件に関わらず、アタック角を連続的に測定することができる。
【０００８】
本発明において、前記第１の位相検出手段、及び、前記第２の位相検出手段は、それぞれ前記第１の車輪、及び、前記第２の車輪のひずみを検出する複数のひずみゲージを含むブリッジ回路を、前記ひずみゲージの前記車軸回りにおける角度位置を相互に異ならせて複数配置して構成される構成とすることができる。
これによれば、既存のＰＱ輪軸と共通する簡素な装置構成によって、上述した効果を得ることができる。
【０００９】
本発明において、前記ブリッジ回路は、前記レールと前記車輪との間に作用する横圧に応じて出力電圧が変化するよう構成される構成とすることができる。
これによれば、車輪に作用する力が変動した場合であってもレールとの接触点が同じである限り複数の横圧測定用のブリッジ回路の出力の比は変化することがなく、また、曲線通過中の前後接線力による横圧測定用のブリッジ回路の出力変化が小さく、位相に与える影響が小さいため、精度よくアタック角を検出することができる。
本発明において、前記車輪の横方向変位と上下方向変位との少なくとも一方を検出又は推定する車輪変位情報取得手段を備え、前記アタック角算出手段は、前記横方向変位と前記上下方向変位との少なくとも一方を用いて前記アタック角の算出を行う構成とすることができる。
これによれば、第１，第２の位相検出手段がそれぞれ検出した荷重入力箇所の位相の偏差と、上記情報とを併用することによって、アタック角を幾何学的計算により一意に定めることができる。
【００１０】
本発明のアタック角測定方法は、車軸の両端部にそれぞれ設けられた第１の車輪及び第２の車輪を有する輪軸を軌道上を走行させ、前記第１の車輪への第１のレールからの荷重入力箇所の位相である第１の位相を検出し、前記第２の車輪への第２のレールからの荷重入力箇所の位相である第２の位相を検出し、前記第１の位相と前記第２の位相との偏差に基づいて前記輪軸が前記軌道に対してなすアタック角を算出することを特徴とする。
本発明において、前記第１の位相、及び、前記第２の位相は、それぞれ前記第１の車輪、及び、前記第２の車輪のひずみを検出する複数のひずみゲージを含むブリッジ回路を、前記ひずみゲージの前記車軸回りにおける角度位置を相互に異ならせて複数配置し、前記ブリッジ回路の出力電圧に基づいて検出する構成とすることができる。
本発明において、前記ブリッジ回路は、前記レールと前記車輪との間に作用する横圧に応じて出力電圧が変化するよう構成されるようにすることができる。
本発明において、前記アタック角の算出は、前記車輪の横方向変位と上下方向変位との少なくとも一方を検出又は推定して行う構成とすることができる。
これらの各発明においても、上述したアタック角測定装置の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によれば、簡単な構成によりアタック角を連続的に測定可能なアタック角測定装置及びアタック角測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したアタック角測定装置の実施形態におけるＰＱ輪軸の車輪の構成を示す図である。
【図２】図１の車輪における横圧測定用ブリッジ回路の結線を示す図である。
【図３】図１のＰＱ輪軸において横圧相当の力を車輪円周上の測定点に加えた際のｑ１，ｑ２系統の出力例を示す図である。
【図４】横圧測定用ひずみゲージを用いた１車輪の接触点位置測定原理を示す図である。
【図５】内外軌の接触点位相差測定によるアタック角検出の原理を示す図である。
【図６】本発明を適用したアタック角測定装置の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】ブリッジ回路出力から各車輪の位相を求め、左右車輪の位相差を算出する手法を示す図である。
【図８】実施形態のアタック角測定装置が有するＰＱ輪軸の検定結果を用いて計算した位相差バイアスの一例を示す図である。
【図９】実施形態のアタック角測定装置を有する車両がＲ１６０の曲線部を走行した際の接触点位相差の推移を示す図である。
【図１０】実施形態のアタック角測定装置を有する車両がＲ１００の曲線部を走行した際の接触点位相差の推移を示す図である。
【図１１】実施形態の幾何学計算により求めたアタック角と接触点位相差の関係を示す図である。
【図１２】図１１の場合における外軌側車輪上昇量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したアタック角測定装置及びアタック角測定方法の実施形態について説明する。
実施形態のアタック角測定装置は、車軸の左右にひずみゲージが取り付けられた車輪を有するＰＱ輪軸（荷重測定用輪軸）を用いる。
図１は、実施形態のアタック角測定装置における車輪の構成を示す図である。
図１（ａ）は車輪の回転中心軸方向かつ車幅方向外側から見た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
なお、図１（ａ）には、周上における位置を示す符号としてイ、ロ、ハ・・・コの３２文字を、車輪１１０の中心回りに等間隔（中心角にして１０°間隔）に分散して付している。
【００１４】
ＰＱ輪軸１００は、左右一対の車輪１１０を、車軸１２０（図５参照）の両端部近傍に圧入し、固定して構成されている。
車軸１２０の両端部に設けられたジャーナル部は、図示しない軸箱支持装置を介して、台車枠に対して上下方向及びヨー方向（ステア方向）に相対変位可能に支持されている。
【００１５】
図１に示すように、車輪１１０は、ハブ部１１１、リム部１１２，踏面１１３，フランジ１１４、板部１１５等を一体に形成した一体車輪である。
【００１６】
ハブ部１１１は、車輪１１０の中心部に設けられ、車軸１２０が挿入され、圧入により固定される部分である。
ハブ部１１１は、板部１１５に対して回転軸方向の厚みを増して形成され、その中心部には車軸１２０が圧入されるボス孔が形成されている。
【００１７】
リム部１１２は、車輪１１０の外周縁部に設けられ、車軸１２０と同心の円環状に形成された部分である。
リム部１１２は、レールに当接して転動するいわゆるタイヤ部分を構成する。
リム部１１２は、板部１１５に対して回転軸方向の厚みを増して形成されている。
【００１８】
踏面１１３は、リム部１１２の外周面部に形成され、レールＲ（図５参照）の上面と当接する面部である。
踏面１１３には、曲線通過時に左右車輪の回転半径差をもたせて曲線を円滑に通過させるため、所定の円錐形状の踏面勾配が設けられている。
【００１９】
フランジ１１４は、踏面１１３の内側の端部近傍から外径側につば状に張り出した部分である。
フランジ１１４は、ＰＱ輪軸１００の軌道に対する左右移動量を規制し、脱輪を防止する機能を有する。
フランジ１１４は、曲線通過時においては、外軌側においてレールの側面と当接し、ＰＱ輪軸１００の左右方向（まくらぎ方向）変位を規制する機能を有する。
【００２０】
板部１１５は、ハブ部１１１の外周面とリム部１１２の内周面とを接続する、実質的に平板状の部分である。
板部１１５には、開口１１６が形成されている。
開口１１６は、板部１１５を車軸方向に貫通して形成された円形のものである。
開口１１６は、板部１１５の周方向に実質的に等間隔に分散して、例えば８個が設けられている。
【００２１】
車輪１１０には、輪重測定用のひずみゲージ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ、及び、横圧測定用のひずみゲージ１ａ，１ａ’，３ａ，３ａ’，５ａ，５ａ’，７ａ，７ａ’が貼付されている。
【００２２】
輪重測定用のひずみゲージ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂは、開口１１６の内周面に貼付されている。
ひずみゲージ１Ａ，１Ｂは、符号イに相当する箇所（車軸回りにおける位相・角度位置）に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
【００２３】
ひずみゲージ２Ａ，２Ｂは、符号ホに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ３Ａ，３Ｂは、符号リに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ４Ａ，４Ｂは、符号ワに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ５Ａ，５Ｂは、符号レに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ６Ａ，６Ｂは、符号ナに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ７Ａ，７Ｂは、符号ノに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
ひずみゲージ８Ａ，８Ｂは、符号マに相当する箇所に設けられた開口１１６の内周面に、車輪１１０の周方向に対向して配置されている。
【００２４】
横圧測定用のひずみゲージ１ａ，１ａ’，３ａ，３ａ’，５ａ，５ａ’，７ａ，７ａ’は、板部１１５の表面（車輪１１０側面）であって、開口１１６よりも内径側の領域に配置されている。
ひずみゲージ１ａ，１ａ’は、ひずみゲージ１Ａ，１Ｂが設けられた開口１１６の内径側に配置されている。
ひずみゲージ１ａは、車輪１１０における車幅方向外側の面に貼付されている。
ひずみゲージ１ａ’は、車輪１１０における車幅方向内側の面に貼付されている。
ひずみゲージ１ａとひずみゲージ１ａ’とは、板部１１５を挟み、車輪１１０の回転軸方向に対向して配置されている。
【００２５】
ひずみゲージ３ａ，３ａ’は、ひずみゲージ３Ａ，３Ｂが設けられた開口１１６の内径側に配置されている。
ひずみゲージ３ａは、車輪１１０における車幅方向外側の面に貼付されている。
ひずみゲージ３ａ’は、車輪１１０における車幅方向内側の面に貼付されている。
ひずみゲージ３ａとひずみゲージ３ａ’とは、板部１１５を挟み、車輪１１０の回転軸方向に対向して配置されている。
【００２６】
ひずみゲージ５ａ，５ａ’は、ひずみゲージ５Ａ，５Ｂが設けられた開口１１６の内径側に配置されている。
ひずみゲージ５ａは、車輪１１０における車幅方向外側の面に貼付されている。
ひずみゲージ５ａ’は、車輪１１０における車幅方向内側の面に貼付されている。
ひずみゲージ５ａとひずみゲージ５ａ’とは、板部１１５を挟み、車輪１１０の回転軸方向に対向して配置されている。
【００２７】
ひずみゲージ７ａ，７ａ’は、ひずみゲージ７Ａ，７Ｂが設けられた開口１１６の内径側に配置されている。
ひずみゲージ７ａは、車輪１１０における車幅方向外側の面に貼付されている。
ひずみゲージ７ａ’は、車輪１１０における車幅方向内側の面に貼付されている。
ひずみゲージ７ａとひずみゲージ７ａ’とは、板部１１５を挟み、車輪１１０の回転軸方向に対向して配置されている。
【００２８】
図２は、図１の車輪における横圧測定用ブリッジ回路の結線を示す図である。
図１、図２に示すように、横圧測定用ブリッジ回路は、ｑ１系統、ｑ２系統の２系統が設けられている。
【００２９】
ｑ１系統は、ひずみゲージ１ａ，１ａ’，５ａ’，５ａを順次環状に結線して構成されている。
ｑ１系統においては、ひずみゲージ１ａ，５ａの間と、ひずみゲージ１ａ’，５ａ’の間とに入力電力Ｖｉｎを印可するとともに、ひずみゲージ１ａ，１ａ’の間と、ひずみゲージ５ａ，５ａ’の間との電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとする。
【００３０】
ｑ２系統は、ひずみゲージ３ａ，３ａ’，７ａ’，７ａを順次環状に結線して構成されている。
ｑ２系統においては、ひずみゲージ３ａ，７ａの間と、ひずみゲージ３ａ’，７ａ’の間とに入力電力Ｖｉｎを印可するとともに、ひずみゲージ３ａ，３ａ’の間と、ひずみゲージ７ａ，７ａ’の間との電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとする。
【００３１】
図３は、図１のＰＱ輪軸において横圧相当の力を車輪円周上の測定点に加えた際のｑ１，ｑ２系統の出力例を示す図である。
横軸は車輪円周上に便宜上設けられた載荷位置（荷重入力箇所の位置）を示す記号（図１（ａ）参照）を示している。
縦軸は、ｑ１系統、及び、ｑ２系統のブリッジ回路の出力を示している。
図４は、横圧測定用ひずみゲージを用いた１車輪の接触点位置測定原理を示す図である。
各系統のブリッジ回路の出力は、概ね載荷位置（レールとの接触点位置）に関する三角関数状となり、かつ、ｑ１系統とｑ２系統との出力位相差は約９０°である。
【００３２】
ｑ１系統のブリッジ回路の出力と、ｑ２系統のブリッジ回路の出力との位相関係は、仮に横圧の大きさが変化したとしても不変である。
すなわち、式１により計算される位相角φは、基本的に車輪円周上の載荷位置のみの関数となる。
φ＝ａｔａｎ２（ｑ２，ｑ１）  ・・・（１）
ここで、車輪とレールとの間で２点接触が生じていない場合には、載荷位置は接触点位置とみなせる。
【００３３】
本実施形態における接触点位相差測定は、上述した１車輪の接触点位相測定を用いて、曲線の内外軌の接触点位相の差を計算することにより実現される。
図５は、内外軌の接触点位相差測定によるアタック角検出の原理を示す図である。
図５に示すように、車輪とレールとの間にアタック角が生じている状態では、内軌側車輪と外軌側車輪とで接触点位相が異なる。
この接触点位相の差は、アタック角の増加に応じて増加するものと考えられ、アタック角に相当する情報として扱うことが可能である。
【００３４】
図６は、実施形態のアタック角測定装置の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、実施形態のアタック角測定装置は、上述したＰＱ輪軸１００に加えて、シグナルコンディショナ２１０、バンドパスフィルタ２２０、位相処理手段２３０、位相差演算手段２４０、位相差バイアス補正手段２５０、アタック角演算手段２６０等を有する。
【００３５】
シグナルコンディショナ２１０は、ＰＱ輪軸１００に設けられた横圧測定用ひずみゲージからなるｑ１系統、ｑ２系統のブリッジ回路の出力を、それぞれ増幅処理する動ひずみアンプを備えている。
シグナルコンディショナ２１０の出力は、バンドパスフィルタ２２０に入力される。
【００３６】
バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２０は、高周波信号の除去及びバイアス除去を目的としたフィルタである。
接触点位相差を測定するために必要なｑ１系統、ｑ２系統の出力は、車輪１回転が１周期となるような信号であり、試験対象とする線区の最大速度を超えるような周波数成分は不要である。
このため、実施形態においては、不要な高周波成分を除去するため、ローパス特性を持つフィルタを設けている。
【００３７】
一方、動ひずみアンプを有するシグナルコンディショナ２１０は、内部温度が変化することにより、出力ドリフトが生じるため、通常一定時間以上暖機運転を行い、ゼロ点調整を行う。
ゼロ点調整は、ＰＱ輪軸１００が列車に装着されて軌道上に載置され、列車荷重が作用した状態で行う。
ゼロ点調整時点では、ＰＱ輪軸１００にどのようなひずみが生じ、どのような抵抗バランスであるかを把握することはできない。
しかし、ゼロ点調整時点でのブリッジ回路の抵抗バランスによって、図３に示す三角関数のゼロ点が変動する。
実施形態では、この影響を除去するために、ハイパス特性を持つフィルタを設けている。
【００３８】
一例として、実施形態においては、ハイパス遮断周波数が０．０５Ｈｚ、ローパス遮断周波数が５０Ｈｚの２次線形バンドパスフィルタを用いた。
なお、実施形態においては、バンドパスフィルタ２２０は、フィルタの状態空間表現を陰的オイラー法で離散化する方法によって実装した。
【００３９】
位相処理手段２３０は、上述した式１により定義される位相φを演算する演算手段である。
上述したシグナルコンディショナ２１０、ＢＰＦ２２０、位相処理手段２３０は、図６に示すように、ＰＱ輪軸１００の両端部（以下、Ａ端、Ｂ端と称する）の車輪１１０について、それぞれ独立して設けられる。
Ａ端、Ｂ端の位相処理手段２３０は、各車輪１１０の位相φＡ，φＢをそれぞれ演算して演算結果を出力する。
【００４０】
位相差演算手段２４０は、Ａ端、Ｂ端の位相処理手段２３０が演算する位相の差分（位相差）を求める演算手段である。
図７は、ブリッジ回路出力から各車輪の位相を求め、左右車輪の位相差を算出する手法を示す図である。
図７に示すように、位相差Δφは、ＰＱ輪軸１００の回転（転動）中、時間的に連続して常時算出することが可能である。
なお、本実施形態の位相計算で用いるａｔａｎ２関数の値域は−πからπまでであり、車輪１周ごとに不連続性を有するため、計算された位相差Δφがこの範囲を超える場合には、オフセットさせる処理を加えている。
【００４１】
車輪にひずみゲージを貼付する際に、その位置や角度がわずかであってもずれていると、ブリッジ出力がずれ量に応じて変化する。その結果として、内外軌車輪の接触点の位相φＡ，φＢが同じであっても、ブリッジ回路の出力から計算した接触点位相差Δφがゼロとならない場合がある。
位相差バイアス補正手段２５０は、このような位相差バイアスを補正し、影響を除去する演算手段である。
【００４２】
図８は、ＰＱ輪軸の検定結果を用いて計算した位相差バイアスの一例を示す図である。
図８において、横軸はＡ端（進行方向左側）のｑ１，ｑ２出力を示し、縦軸はＡ端とＢ端との接触点位相差を示している。
図８に示すデータにおいては、最大約０．０３ｒａｄの位相差バイアスが生じている。
この程度の位相差バイアスは、曲線通過中に計測される接触点位相差と近いオーダにあり、場合によっては計測結果に無視できない影響を与える。
【００４３】
位相差バイアス補正手段２５０は、予め取得されたＰＱ輪軸１００の校正結果を用いて、位相差バイアスの補正を行う。
位相差バイアス補正手段２５０は、ＰＱ輪軸１００の校正結果に関するデータを保持する記憶媒体であるＰＱ輪軸検定結果保持手段２５１を有する。
【００４４】
位相差バイアス補正手段２５０は、ＰＱ輪軸検定結果保持手段２５１から提供される検定結果ファイル（ｐｉｃファイル）から横圧検定結果を抽出し、Ａ端の位相φＡ及び、Ａ端とＢ端との位相差Δφを計算する。
このようなデータセット（φＡ，Δφ）は、通常３２セット得られる。
次に、（φＡ，Δφ）の関係を、１２次関数でフィッティングする。
これによって、Δφ＝ｆ（φＡ）という、図８に示すような関係が得られる。
ただし、データセットは実際には周期性を持っており、始端と終端はなめらかに繋がる必要がある。
このため、始端と終端とにおいて、位相差Δφ及びその微分値が等しいという拘束を設けた拘束条件付最小二乗法を用いる。
位相差バイアス補正手段２５０は、実走行時のデータから計算されるφＡから位相差バイアスを計算し、実走行時のデータから計算される位相差から差し引く。
【００４５】
アタック角演算手段２６０は、位相差バイアス補正後の位相差Δφに基づく幾何学的計算により、ＰＱ輪軸１００が軌道に対してなすアタック角を算出するものである。
上述した接触点位相差測定で得られる情報は１つだが、１つのＰＱ輪軸１００と２本のレールＲとの間の接触幾何学は、２つの情報が与えられれば一意に定まる。
例えば、接触点位相差Δφに加えて、車輪１１０の上昇量などの変位情報が得られれば、接触幾何情報からアタック角及び輪軸左右変位を推定することが可能である。
このため、アタック角演算手段２６０は、車輪１１０の上下方向変位を検出する図示しない車輪上昇量測定手段を備える構成とすることができる。
【００４６】
また、より簡便な手法としては、例えば、曲線通過時の外軌側では、フランジ１１４がレールＲの内側面に接触するという仮定を行えば、接触点位相差Δφのみからアタック角を一意に求めることが可能である。
また、曲線路などで軌間調整が行われている場合には、事前に軌間に関する情報を取得しておき、演算に利用することができる。
例えば、運転台から得られる情報やＧＰＳ装置等を用いて自車両が走行中の現在位置を検出し、車両が走行中の箇所の軌間データを、事前に蓄積されたデータベースから読みだす構成とすることができる。
【００４７】
以下、本実施形態で用いた接触幾何学計算アルゴリズムについて説明する。
ここでは、輪軸の左右変位及びアタック角が与えられた場合に、内外軌車輪とレールとの接触点を計算する問題を考える。
ここでいう輪軸の左右変位とは、基準座標系原点から輪軸に固定したローカル座標系原点までの、基準座標系ｙ軸方向距離である。
また、アタック角とは、輪軸ローカル座標系を基準座標系に対してロール、ピッチ、ヨーの順番で回転させた際のヨー角度である。
【００４８】
車輪踏面、及び、レールの形状は、それぞれのローカル座標系で、ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）の形で関数表現されているものとする。
接触点を求める問題を、２本のレールと１つの輪軸を、基準座標系に対して与えられた条件の下で配置した際に、「基準座標系でみたｚ軸方向（鉛直方向）の車輪表面とレール表面との間の距離」が、符号も含めて最小になる位置ｘ，ｙを求める問題として、勾配法で解いた。
【００４９】
まず、基準座標系で表現した輪軸座標系、右・左レール座標系の原点位置ベクトルを、次式のように定義する。
０Ｐｗ０＝［ｘｗ０  ｙｗ０  ｚｗ０］Ｔ  （２）
０ＰｒＲ０＝［ｘｒＲ０  ｙｒＲ０  ｚｒＲ０］Ｔ  （３）
０ＰｒＬ０＝［ｘｒＬ０  ｙｒＬ０  ｚｒＬ０］Ｔ  （４）
ただし、各変数の左肩添字は、その変数が表現される座標系を表し、０が基準座標系、ｒＲが右レール、ｒＬが左レール、ｗが輪軸である。
【００５０】
各ローカル座標系で表現した車輪踏面及びレール表面上の任意の点のベクトルは、次式のように表せる。
ｗｐｗ＝［ｘｗ  ｙｗ  ｆｗ（ｘｗ，ｙｗ）］Ｔ  （５）
ｒＲｐｒＲ＝［ｘｒＲ  ｙｒＲ  ｆｒＲ（ｘｒＲ，ｙｒＲ）］Ｔ  （６）
ｒＬｐｒＬ＝［ｘｒＬ  ｙｒＬ  ｆｒＬ（ｘｒＬ，ｙｒＬ）］Ｔ  （７）
【００５１】
上記ベクトルを、基準座標系表現に変換すると、次式を得る。
０ｐｗ＝０ｐｗ０＋０Ｒｗｗｐｗ  （８）
０ｐｒＲ＝０ｐｒＲ０＋０ＲｒＲｒＲｐｒＲ  （９）
０ｐｒＬ＝０ｐｒＬ０＋０ＲｒＬｒＬｐｒＬ  （１０）
ただし、行列０Ｒ＊は回転変換行列である。
【００５２】
レール上の任意の点から車輪上の任意の点に向かうベクトルｄＲ，ｄＬを次式のように定義する。
ｄＲ＝０ｐｗ−０ｐｒＲ  （１１）
ｄＬ＝０ｐｗ−０ｐｒＬ  （１２）
【００５３】
接触点を探索するために最小化されるべきなのはベクトルｄＲ，ｄＬのｚ成分であり、その際ｘ成分及びｙ成分がゼロという拘束が付与される。
すなわち、右レール、車輪間の接触点を求める問題は、以下の拘束条件付き最適化問題として表される。
【数１】
2019081458.tif 000003
ただし
【数２】
2019081458.tif 000004
である。
左レール・車輪についても同様であるため、以降は右レール・車輪のみについて記述する。
【００５４】
最小化させるべきコスト関数Ｅは、各ローカル座標系表現の位置ベクトルを用いて次式のように表せる。
Ｅ＝ＳＥ［０ｐｗ０＋０Ｒｗｗｐｗ−{０ｐｒＲ０＋０ＲｒＲｒＲｐｒＲ}］  （１７）
この表現では、コスト関数Ｅは、基準座標系の座標変数ｘ，ｙを陽に含んでおらず、各ローカル座標系の座標変数の関数Ｅ（ｘｗ，ｙｗ，ｘｒＲ，ｙｒＲ）として表現されていることに注意する。
各変数に対する偏微分は、次式のように与えられる。
【数３】
2019081458.tif 000005
【００５５】
一方、輪軸座標系のローカル変数（ｘｗ，ｙｗ）と、レール座標系のローカル変数（ｘｒＲ，ｙｒＲ）は独立には選べず、以下の拘束条件を満たさなければならない。
ｃ＝Ｓｃ［０ｐｗ０＋０Ｒｗｗｐｗ−｛０ｐｒＲ０＋０ＲｒＲｒＲｐｒＲ｝］＝０  （２２）
この拘束条件を満たすローカル座標系変数の集合を
【数４】
2019081458.tif 000006
とすると、コスト関数の偏微分は次式のように修正されるべきである。
【数５】
2019081458.tif 000007
【００５６】
式２２を整理すると、ローカル座標変数に関する次の線形連立方程式を得る。
【数６】
2019081458.tif 000008
【００５７】
係数行列Ａの疑似逆行列をＡ＋とすると、拘束条件を満たすローカル座標変数の一般解は、次式のように表せる。
【数７】
2019081458.tif 000009
ただし、ｋは任意の６次元ベクトルであり、（Ｉ６−Ａ＋Ａ）ｋの部分が拘束条件下でローカル座標変数を動かし得る自由度である。
この自由度は方程式（２７）の直交射影空間内に存在する。
ｋは任意の６次元ベクトルであるから、ｋを、一般に拘束条件を満たさないローカル座標変数ベクトルｐｌｏｃａｌに取ることも可能である。
この場合の一般解は以下のように書ける。
【数８】
2019081458.tif 000010
【００５８】
行列Ａ及びベクトルｂが、今考える問題設定下では定数であることを考慮すると、拘束条件を加味した微分則は次式のように書ける。
【数９】
2019081458.tif 000011
【００５９】
一方、ｐｌｏｃａｌの各成分を改めて書き下すと、次式のようにな表せる。
ｐｌｏｃａｌ
＝［ｘｗ  ｙｗ  ｆｗ（ｘｗ，ｙｗ）  ｘｒＲ  ｙｒＲ  ｆｒＲ（ｘｒＲ，ｙｒＲ）］Ｔ  （３４）
【００６０】
したがって、このベクトルの各ローカル変数による偏微分は、具体的に次式のように書ける。
【数１０】
2019081458.tif 000012
【００６１】
式（３０）から式（３３）を、それぞれのローカル座標変数が関与する成分ごとに分解した３次元ベクトルを作り、式（２３）から式（２６）を用いて勾配を求め、最急降下方向に各ローカル変数を更新する。
この手順を左レールについても行い、ｚ方向の距離最小点を計算する。
計算された左右のｚ方向の距離最小点差と、ｙ方向の接触点距離から、ロール角を更新し、再度ｚ方向距離最小点探索を行う。
このプロセスを３回繰り返し、接触点及び車輪上昇量を計算した。
【００６２】
以下、上述した実施形態のアタック角測定装置を用いて、実際に試験線に車両を走行させてアタック角を測定した結果について説明する。
試験編成は、車両下部に一対の２軸ボギー台車をボギー角付与可能に取り付けた試験車両を、牽引車によって牽引したものである。
試験車両の先頭台車の先頭軸として上述したＰＱ輪軸１００を装着し、半径Ｒ１６０及びＲ１００の円曲線を走行させた。
【００６３】
図９は、Ｒ１６０の曲線部を走行した際の接触点位相差の推移を示す図である。
図１０は、Ｒ１００の曲線部を走行した際の接触点位相差の推移を示す図である。
図９、図１０において、横軸は走行距離を示し、縦軸は接触点位相差を示している。
また、接触点位相差は、位相差バイアス補正を施しかつ５ＨｚのＬＰＦ処理を施したものである。
得られた接触点位相差は、Ｒ１６０円曲線において−０．０５ｒａｄ程度であり、Ｒ１００円曲線において−０．０７ｒａｄ程度であった。
一般に、曲線半径が小さくなるにつれてアタック角絶対値は大きくなることから、定性的にはアタック角に相当する情報が本手法により得られていることがわかる。
なお、計算された接触点位相差のオーダは１０−２ｒａｄのオーダであり、図８に示す位相差バイアス最大値と同等である。
したがって、本手法においては、位相差バイアス補正を適切に行うことが重要となる。
【００６４】
図１１は、幾何学計算により求めたアタック角と接触点位相差の関係を示す図である。
図１１において、横軸はアタック角を示し、縦軸は接触点位相差を示す。
また、ＰＱ輪軸１００の左右変位ｙが進行方向右側に１５．６ｍｍ、１５．８ｍｍ、１６ｍｍ、１６．２ｍｍの場合について示している。
図１２は、図１１の場合における外軌側車輪上昇量を示す図である。
図１２において、横軸はアタック角を示し、縦軸は外軌側車輪上昇量を示している。
例えば、ＰＱ輪軸１００の左右変位が１５．８ｍｍ程度であったと仮定する。
Ｒ１６０曲線の走行試験結果を参考に接触点位相差が０．０５ｒａｄ程度であるとすると、この場合アタック角は１．３５ｄｅｇ程度である。
この値は、既存の手法により過去に測定したアタック角と比較すると妥当である。
また、左右変位１５．６ｍｍ、アタック角１．３５ｄｅｇ程度における外軌側車輪上昇量は０．５ｍｍ程度である。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１）内外軌の車輪１１０へのレールＲからの横圧入力箇所（レールＲとの接触点）の位相φＡ，φＢを検出し、その位相差Δφに基づいてアタック角を算出することによって、既存のＰＱ輪軸１００を用いた簡素な構成により、直射日光等の強い光線の入射や照明条件の変化等に関わらず、アタック角を連続的に測定することができる。
（２）車軸１２０回りの角度位置（位相）を９０°ずらして貼付された２組のひずみゲージを含むｑ１系統、ｑ２系統のブリッジ回路の出力に基づいて、車輪１１０とレールＲとの接触点の位相φＡ，φＢを検出することによって、既存のＰＱ輪軸と共通する簡素な装置構成によって適切に位相φＡ、φＢを検出し、上述した効果を得ることができる。
（３）車輪１１０に作用する横圧に基づいてレールＲとの接触点の位相φＡ、φＢを検出することによって、車輪１１０に作用する力が変動した場合であっても、レールＲとの接触点が同じである限り、横圧測定用のｑ１系統、ｑ２系統のブリッジ回路の出力の比は変化することがなく、また、曲線通過中の前後接線力による横圧測定用のｑ１系統、ｑ２系統のブリッジ回路の出力変化が小さく、位相に与える影響が小さいため、精度よくアタック角を検出することができる。
【００６６】
（他の実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
（１）アタック角測定装置の構成は、上述した実施形態に限定されることなく適宜変更することができる。
例えば、ＰＱ輪軸のブリッジ回路出力の取得からアタック角の算出に至る一連の処理を全て車上で行う必要はなく、一部の処理を地上等の車外に設けられた装置によって行う構成としてもよい。
（２）実施形態においては、車輪に作用する横圧から位相を求めているが、これに限らず、例えば輪重から位相を求めてもよい。また、横圧と輪重とを併用する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ    ひずみゲージ（輪重測定用）
１ａ，１ａ’，３ａ，３ａ’，５ａ，５ａ’，７ａ，７ａ’  ひずみゲージ（横圧測定用）
１００    ＰＱ輪軸                      １１０    車輪
１１１    ハブ部                        １１２    リム部
１１３    踏面                          １１４    フランジ
１１５    板部                          １１６    開口
１２０    車軸                              Ｒ    レール
２１０    シグナルコンディショナ        ２２０    バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２３０    位相処理手段                  ２４０    位相差演算手段
２５０    位相差バイアス補正手段        ２５１    ＰＱ輪軸検定結果保持手段
２６０    アタック角演算手段
【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】
2019081458.tif 000019
【図８】
2019081458.tif 000020
【図９】
2019081458.tif 000021
【図１０】
2019081458.tif 000022
【図１１】
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【図１２】
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