(57)【要約】【課題】可動レールの動作開始のタイミングを正しく把握し、かつ、見かけひずみの補償を、温度センサを用いずに行う転てつ機モニタ装置を提供する。【解決手段】転てつ機モニタ装置は、スイッチアジャスタ等のひずみを検出するひずみ検出手段と、転換動作ごとの検出信号を増幅する増幅手段と、増幅された検出信号を時系列的に記録する記録手段と、記録手段に記憶された転換動作毎のひずみの変化量から、スイッチアジャスタのナットと腕金具が接触していない状態の箇所(転換負荷ゼロ区間)を抽出する抽出手段と、転換負荷ゼロ区間の平均値を見かけひずみバイアスの大きさとして記憶し、その記憶したひずみ測定値から前記見かけひずみバイアスを引いて負荷零点補正を行い、事前に実験等で得たひずみに対する対象部位への荷重の近似式等から補正後のひずみを転換負荷に変換する演算手段とを備える。そして、転換毎のデータに対して、上記抽出、平均値算出、負荷零点補正並びに転換負荷への変換処理を実施する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転換動作に伴い変化する、スイッチアジャスタ等のひずみを検出するひずみ検出手段と、ひずみ検出手段が出力する転換動作ごとの検出信号を増幅する増幅手段と、
増幅された検出信号を時系列的に記録する記録手段と、
前記記録手段に記憶された転換動作毎の前記スイッチアジャスタ等のひずみの変化量から、前記スイッチアジャスタのナットと腕金具が接触していない状態の箇所を抽出する抽出手段と、
接触していない状態の開始点と終了点から区間内の平均値を算出し、見かけひずみバイアスの大きさとして記憶し、その記憶したひずみ測定値から前記見かけひずみバイアスを引いて負荷零点補正を行い、事前に実験等で得たひずみに対する対象部位への荷重の近似式等から補正後のひずみを転換負荷に変換する演算手段とを有し、
転換毎のデータに対して、上記抽出、平均値算出、負荷零点補正並びに転換負荷への変換処理を実施することを特徴とする転てつ機モニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道の転てつ機の状態を監視するモニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気転てつ機を監視するモニタ装置は、既に開発され、かつ実用化されている（非特許文献１，２)。このモニタ装置では、転換動作に伴う負荷の大きさを動作電流と電圧値から推定する方法を採用している。すなわち、転てつ機の動作かんの動作開始および動作終了のタイミングを電流の有無から判定している。以下、これを第１先行技術という。
【０００３】
また、発条転てつ機をはじめとする電気動力を用いない転てつ機にも適用可能なモニタ装置が知られている (例えば、特許文献１)。このモニタ装置は、スイッチアジャスタ等の転換動作時に力が作用する部分において、要素部品のひずみ量から転換動作に伴う負荷を推定し、温度変化による誤差を是正するため、温度補正方法を用いる。以下、これを第２先行技術という。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】京三サーキュラー Vol.41, No.4, pp3-13, 1990
【非特許文献２】鉄道技術研究所速報 No.A-86-102, pp1-20, 1986
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５３４３２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
転てつ機および分岐器の動作状態を評価する指標として、可動レールが転てつ機により動作している間の負荷（以下、転換負荷という。）の大きさがある。第１、第２先行技術は、ともに、この転換負荷の取得を目的としている。
【０００７】
転換負荷の大きさの時間的変化を示す波形の形状は、大きく分けて、２種類ある。その１つは、図７に示すように、電気転てつ機や手動転換のように、定位から反位および反位から定位へ転換動作を行う転てつ機の場合の波形の形状である。もう１つは、図８に示すように、発条転てつ機のように、車両により反位側へ割り出し転換を受けた後に定位に復帰する転てつ機の場合の波形の形状である。
【０００８】
図７は、第１先行技術における電気転てつ機の転換負荷特性図であり、電気転てつ機に流れる動作電流と分岐器の可動レール（トングレール等）に結合された動作かんの定位から反位までのストローク(動作かんストローク)との関係を示す。この図では、動作電流が上昇すると同時に動作かんが定位から離れ、その動作かんが反位に到達すると同時に動作電流が降下する。この場合、可動レールの実際の動作量は、６０ｍｍから２００ｍｍまでである(なお、図７の動作かんストロークは、新幹線の場合の例である。他の線路においては異なる。)。したがって、第１先行技術では、可動レールの正確な動作量は得ることができない。
【０００９】
そこで、電流電圧により転換負荷を推定する第１先行技術では、動作開始後の経過時間もしくは回転数から、スイッチアジャスタの動作が分岐器の可動レールに伝達を開始するタイミングを「推定」している。しかし、可動レールの動作開始のタイミングは、スイッチアジャスタの調整状態によって変化するため、実際に転換動作が行われたときの負荷を観測するには十分ではない。たとえば、図７の駆動電源投入開始時点ｔ１から動作かん移動開始時点t２までの間に異常が発生しても、検知されない。
【００１０】
第１先行技術に関しては、以上の問題点がある。
【００１１】
図８は、第２先行技術における発条転てつ機の転換負荷特性図、すなわち、転換負荷の時間における変動を示す図である。図８に示すように、発条転てつ機では、スイッチアジャスタは密着時、割り出し転換時、復帰動作時ともに常時、転てつ機側に引き寄せる方向、もしくは転てつ機から離す方向（分岐器に対する転てつ機の設置場所で決まる）に作用するため、負荷が零になる箇所は得られない。しかし、調整状態が適正であれば、密着時に作用する力は一定であり、かつ転換動作中に転てつ機が作用させることが可能な力は密着時の力にほぼ等しい。
【００１２】
スイッチアジャスタ等の要素部品のひずみ量から転換負荷を得る第２先行技術においては、負荷の大きさ（たとえば１ｋＮ〜３ｋＮ）に対して、要素部品のひずみが小さい（たとえば数十μｍ）。そのため、負荷の絶対値を得るためには、ひずみゲージの材料と部材の線膨張係数差によって生じる見かけひずみの影響を除去する手段が必要である。
【００１３】
そこで、第２先行技術については、温度測定を別途実施し、温度補償を行う方法が提案されている。しかし、温度の検出手段が必要になるとともに、温度と見かけひずみの特性の校正値を実験等の方法により事前に得る必要がある。
【００１４】
第２先行技術に関しては、以上の問題点がある。
【００１５】
本発明は、上述した問題点を解決することを目的とする。すなわち、可動レールの動作開始のタイミングを正しく把握し、かつ、見かけひずみの補償を、温度センサを用いずに行うことで、上記課題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
電気転てつ機の転換負荷の変動と電気転てつ機の転換動作との関係を、図９を参照しながら考察する。図９は、図７の波形に電気転てつ機の転換部材の動作状態を示す図を付加したものである。図９に示されているように、可動レールを駆動させる動作かんに結合されている腕金具１００にはスイッチアジャスタロッド１０１が軸方向に移動自在に貫通され、そのスイッチアジャスタロッド１０１に前後のナット１０２，１０３が腕金具１００との間に遊びを持って固定されている。
【００１７】
電気転てつ機の定位状態においては、図９の左の枠Ａ内に示されているように、腕金具１００は、前ナット１０２に接触している。電気転てつ機に駆動用電源が供給されると、図９の中央の枠Ｂ内に示されているように、スイッチアジャスタロッド１０１は図９において右方向に移動されるが、腕金具１００は前１０２と後ナット１０３のいずれにも接触しない位置にあるため、可動レールはまだ動作されない。スイッチアジャスタロッド１０１の右方向の移動が続くと、図９の右の枠Ｃ内に示されているように、後ナット１０３が腕金具１００に接触するため、可動レールは反位[スイッチアジャスタロッド１０１のストロークの末端（動作かんのストロークの末端に対応)]まで移動される。すなわち、図９において、後ナット１０３が腕金具１００に接触した位置から反位まで、換言すると、動作かんストロークの６０から２００ｍｍまでの範囲が、可動レールの動作に使用されている領域であることが判る。
【００１８】
そして、図９に示すように、電気転てつ機等では、スイッチアジャスタが転換動作に伴って動作するため、密着状態から可動レールが動作を開始するまでの間で、負荷が零になることが特徴的である。本発明は、上記の電気転てつ機の転換負荷の変動の特徴に着眼してなされたものである。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明による転てつ機モニタ装置は、転換動作に伴い変化する、スイッチアジャスタ等のひずみを検出するひずみ検出手段と、ひずみ検出手段が出力する転換動作ごとの検出信号を増幅する増幅手段と、増幅された検出信号を時系列的に記録する記録手段と、記録手段に記憶された転換動作毎のスイッチアジャスタ等のひずみの変化量から、スイッチアジャスタのナットと腕金具が接触していない状態の箇所を抽出する抽出手段と、接触していない状態の開始点と終了点から区間内の平均値を算出し、「見かけひずみバイアス」の大きさとして記憶し、記憶したひずみ測定値から「見かけひずみバイアス」を引いて負荷零点補正を行い、事前に実験等で得たひずみに対する対象部位への荷重の近似式等から補正後のひずみを転換負荷に変換する演算手段とを有し、転換毎のデータに対して、上記抽出、平均値算出、負荷零点補正並びに転換負荷への変換処理を実施することを特徴とする（請求項１）。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、転換負荷波形のうち、転換動作に用いられる領域が明確になるため、転換負荷増加の判断が容易になる。また、強密着力の調整状態にある設備における、「負荷増加」の誤検知を防止できる。さらに、見かけひずみの影響によって生じるバイアスを補正できるため、ひずみ測定による転換負荷測定手法を用いて、発条転てつ機以外の転換負荷の絶対値を温度センサ無しで得ることができる。 
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る転てつ機モニタ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ひずみ検出手段から記録手段までの具体的構成の一例を示すブロック図である。
【図３】歪みゲージのスイッチアジャスタに対する貼付位置についての説明図である。
【図４】実施の形態に係る転てつ機モニタ装置によるひずみ検出から転換負荷への変換までの処理手順を示す図である。
【図５】スイッチアジャスタのひずみから負荷ゼロ区間の開始点と終了点を探索する方法を説明する図である。
【図６】負荷ゼロ区間の開始点と終了点の抽出処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】電気転てつ機等の転換負荷特性図である。
【図８】発条転てつ機の転換負荷特性図である。
【図９】電気転てつ機の転換負荷特性と転換動作との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
続いて、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る転てつ機モニタ装置は、図１に示すように、ひずみ検出手段１と、増幅手段２と、記録手段３と、演算処理装置４と、記憶手段５と、出力手段６とを有する。
【００２４】
ひずみ検出手段１は、転換動作に伴い変化する、スイッチアジャスタ１０１等のひずみを測定するものである。そして、図２に示すように、ひずみ検出手段1は、たとえば、ひずみゲージ１１から構成される。増幅手段２は、たとえばブリッジ回路２１と動ひずみアンプ２２により構成され、また、記録手段３は、たとえばロガ３１により構成される。
【００２５】
ひずみゲージ１１は、スイッチアジャスタ１０１に加わる力による伸縮の割合を電気抵抗の変化に変換するセンサである。
【００２６】
ひずみゲージ１１は、その抵抗の変化を増幅するため、ブリッジ回路２１に接続されている。ブリッジ回路２１の出力は、ケーブルを介して器具箱(図示省略)に収容されている動ひずみアンプ２２に入力され、その動ひずみアンプ２２の出力するひずみ測定値は、同じ器具箱に収容されているロガ３１に順次記録されるように構成されている。
【００２７】
ブリッジ回路２１および動ひずみアンプ２２によるひずみの増幅率は、ひずみゲージ１１の貼付形態により異なる。使用するスイッチアジャスタ１０１は、一例として、直径３６ｍｍ、密着力・転換力は２ｋＮ（２００ｋｇｆ）程度であるので、スイッチアジャスタ１０１の軸方向のひずみは、１０με程度の低い値である。そこで、好ましい実施の形態においては、ひずみゲージ１１の取付態様として、図３（ａ）に示すように、スイッチアジャスタ１０の軸方向と周方向に２枚ずつ貼付する、比較的感度の高い「４ゲージ法」を採用した。
【００２８】
図３（ｂ）は、ひずみゲージ１１をスイッチアジャスタ１０の軸方向に１枚のみ貼付した場合の「１ゲージ法」のブリッジ回路の構成を示す。「４ゲージ法」の場合は、軸方向貼付ゲージ（ε1，ε3）の伸縮による抵抗変化はΔＲ、周方向貼付ゲージ（ε2，ε4）の伸縮による抵抗変化はΔＲｖ（ｖ＝０．３）となり、４ゲージと１ゲージのひずみの増幅率の比は、２．６：１となる。「４ゲージ法」が最も増幅率が高く、温度影響も小さいことが実験によっても確認された。
【００２９】
動ひずみアンプ２２は、ひずみゲージ１１を接続したブリッジ回路２１の出力を増幅し、これを直流電圧の変化に変換するためのものである。動ひずみアンプ２２は、ブリッジ回路２１に流す電流の種類によって、直流式と交流式とがある。直流式ひずみアンプは、交流式に比べて経済面で優れている。直流式ひずみアンプを使用する場合は、電池又は絶縁アンプを使用し、これにローパスフィルタを用いることで、商用周波数のノイズの影響が抑えられる。また、交流式アンプを使用し、内蔵ローパスフィルタを用いる場合は、商用周波数のノイズの影響を最も受けにくい。
【００３０】
上記のひずみ検出手段１、増幅手段２、記録手段３に関する記載は、特許文献１から引用したものである。
【００３１】
実施の形態においては、ひずみ検出手段1と、動ひずみアンプ２２が交流式アンプおよびローパスフィルタの組合せからなる増幅手段２とを用いて、スイッチアジャスタ１０１のひずみを測定している。増幅されるひずみ測定値は、ロガ３１に与えられる。ロガ３１は、動ひずみアンプ２２により増幅されたひずみを時系列的に記録するものであり、入力する直流電圧が変化した時点をトリガーとして、ひずみゲージによって一定時間測定されるひずみを記録するように構成されている。
【００３２】
ロガ３１に記録されたひずみ測定値は、演算処理装置４に入力される。演算処理装置４は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)で構成されており、抽出手段４１と演算手段４２を含む。演算処理装置４に入力されるひずみ測定値は、演算処理装置４に接続されているＲＡＭなどの記憶手段５に記憶される。抽出手段４１は、記憶手段５に記憶された転換動作毎のスイッチアジャスタ等のひずみの変化量から、図４(ａ)に示すように、スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態の箇所を抽出(探索)する。
【００３３】
図４(ａ)は、スイッチアジャスタ１０１のひずみと、時間または動作かんストロークの関係を示す。図４(ａ)のｂとｃは、スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態の開始点と終了点である。
【００３４】
スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態を抽出（探索）する方法の一例を、図５及び図６を用いて説明する。図５は、記憶手段５に記憶された転換動作毎のスイッチアジャスタ等のひずみの変化量と時間との関係を示す。
【００３５】
抽出手段４１は、抽出のための第１処理として、図５に丸１で示すように、定位(または反位)密着状態となっている点Ａを得る（図６のＳ１)。次に、第２処理として、図５に丸２で示すように、ひずみが急激に大きくなった後、ひずみの変化率が一定以下となる点Ｂを探す（図６のＳ２)。この点Ｂを転換負荷ゼロ区間の開始点、すなわち、スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態の開始点とする。続いて、第３処理として、図５に丸３で示すように、ひずみの変化率が一定以上となる点Ｃを探す（図６のＳ３)。この点Ｃを転換負荷ゼロ区間の終了点、すなわち、スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態の終了点とする。抽出手段４１は、開始点Ｂまたは終了点Ｃを抽出するたびに、または開始点Ｂ及び終了点Ｃを抽出したときに、そのデータを演算手段４２に与える（図６のＳ４)。
【００３６】
演算手段４２は、与えられた開始点（図４(ａ)のｂ)と終了点（図４(ａ)のｃ)から、転換負荷ゼロ区間内の平均値を算出し、その平均値を「見かけひずみバイアス」の大きさとして、記憶手段５に記憶する。続いて、演算手段５は、記憶手段５に記憶したひずみ測定値から「見かけひずみバイアス」を引いて、負荷零点補正を行う。そして、演算手段５は、記憶手段５に記憶されている、事前に実験等で得たひずみに対する対象部位への荷重の近似式等から、補正後のひずみを転換負荷に変換する。図４(ｂ)は、補正後のひずみから変換された転換負荷と時間または動作かんストロークの関係を示す。
【００３７】
図４を例にすると、開始点ｂと終了点ｃの間のスイッチアジャスタひずみの平均値は-68×10^-6である。この区間はスイッチアジャスタのナットと腕金具が接触していない状態であるため、ロッドに引っ張りまたは圧縮方向の力は加わっていない状態である。したがって、測定されたひずみは「見かけひずみ」と判断できる。この平均値を「見かけひずみバイアス」とする。転換動作に伴うロッドの圧縮または引っ張りによるひずみの変化は、「見かけひずみバイアス」を基準としたときの相対的なひずみの変化である。したがって、転換動作にともなうひずみの変化量は、観測されたひずみから「見かけひずみバイアス」を引く負荷零点補正の操作（図４のｅ）)によって得ることができる。
【００３８】
こうして、転てつ機モニタ装置ＭＡは、転換毎のデータに対して、上記スイッチアジャスタ１０１のナット１０２，１０３と腕金具１０４が接触していない状態の開始点と終了点の抽出、区間内の平均値算出および負荷零点補正並びに転換負荷への変換処理を実施する。
【００３９】
本実施の形態に係る転てつ機モニタ装置ＭＡの作用を要約すると、次のとおりである。
（ａ）転換動作に伴い変化する、スイッチアジャスタ等のひずみを、ひずみ検出手段１を用いて測定する。
（ｂ）転換動作ごとのひずみ検出信号を増幅手段２により増幅し、そのひずみ測定値を記録手段３により記録する。
（ｃ）記録手段３に記憶された転換動作毎のスイッチアジャスタ等ひずみの変化量から、スイッチアジャスタのナットと腕金具が接触していない状態の箇所を抽出手段４１により抽出する。
（ｄ）演算手段４２により、接触していない状態の開始点、終了点から区間内の平均値を算出し、「見かけひずみバイアス」の大きさとして記憶する。
（ｅ）演算手段４２により、（ｂ）で記録したひずみ測定値から「見かけひずみバイアス」を引く。（負荷零点補正の終了）
（ｆ）演算手段４２により、事前に実験等で得た、ひずみに対する対象部位への荷重の近似式等から、（ｅ）で得た補正後のひずみを転換負荷に変換する。
（ｇ）転換毎のデータに対して、（ｃ）〜（ｆ）の処理を実施する。
【００４０】
上記処理による転換負荷変換により得られた図４(ｂ)のグラフは、記憶手段５に記憶される。そして、オペレータが出力指令を入力すると、そのグラフは記憶手段５から読み出され、出力手段６に出力される。出力手段６がディスプレイ装置である場合は、そのグラフを表示画面に表示することができる。また、出力手段６がプリンタである場合は、そのグラフを印刷することができる。図４(ｂ)のグラフの転換負荷ゼロ区間の長さ(時間)を基準値と比較して、基準値と等しい場合は、その転てつ機は正常であることが判り、基準値と異なる場合は、その転てつ機は正常でないことが判る。
【００４１】
［他の実施の形態］
ひずみ測定位置は、スイッチアジャスタの他、電気転てつ機の動作かん部、発条転てつ機の下部クランク等の転てつ機内部でもよい。
上記（ａ）〜（ｇ）に記載の処理は、モニタ装置の現場端末（転てつ機等近傍の装置）または表示端末（保守区等に設置するデータ表示装置）のいずれでも実施することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１    ひずみ検出手段
２    増幅手段
３    記録手段
４    演算処理装置
４１    抽出手段
４２    出力手段
【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】
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【図８】
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【図９】
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