(57)【要約】【課題】この発明は、鉄道のバラスト軌道を形成しているバラストの状態を正確に検出することができ、これによって鉄道軌道の維持管理を容易に行うことができる、軌道バラストの摩耗判定方法及び摩耗判定装置を提供する。【解決手段】バラスト２に打撃を与える打撃過程と、該打撃過程で与えられた打撃によりバラスト２を伝播した振動を検出する振動検出過程と、該振動検出過程で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較してバラスト２の摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定過程と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バラストに打撃を与える打撃過程と、
該打撃過程で与えられた打撃によりバラストを伝播した振動を検出する振動検出過程と、
該振動検出過程で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較して前記バラストの摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定過程と、
を有することを特徴とする軌道バラストの摩耗判定方法。
【請求項２】
前記打撃過程は、枕木をハンマーで叩くことにより実行され、
前記振動検出過程は、前記ハンマーで与えられた打撃によりバラストを伝播した振動を、該バラスト内に埋設した加速度センサで検出することにより実行されることを特徴とする請求項１に記載の軌道バラストの摩耗判定方法。
【請求項３】
前記加速度センサは、前記枕木近くのバラストに挿入された棒状部材に設置されることを特徴とする請求項２に記載の軌道バラストの摩耗判定方法。
【請求項４】
前記打撃過程は、前記バラストに挿入される第１の棒状部材からの発振により実行され、
前記振動検出過程は、前記第１棒状部材から離れた前記バラスト内に挿入される第２の棒状部材にて、前記バラストの振動を加速度センサで検出することにより実行されることを特徴とする請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載の軌道バラストの摩耗判定方法。
【請求項５】
前記打撃過程は、バラストが収容された容器に打撃を与えることにより実行され、
前記振動検出過程は、該容器に伝達されたバラストからの振動を加速度センサで検出することにより実行されることを特徴とする請求項１に記載の軌道バラストの摩耗判定方法。
【請求項６】
バラストに打撃を与える打撃手段によりバラストを伝播した振動を検出する振動検出手段と、
該振動検出手段で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較して前記バラストの摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定手段と、を有することを特徴とする軌道バラストの摩耗判定装置。
【請求項７】
前記振動検出手段は、枕木に与えられた打撃によりバラストに伝播した振動を、該バラスト内で検出する加速度センサからなることを特徴とする請求項６に記載の軌道バラストの摩耗判定装置。
【請求項８】
前記加速度センサは、前記枕木近くのバラストに挿入された棒状部材に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の軌道バラストの摩耗判定装置。
【請求項９】
前記打撃手段は、前記バラストに挿入される加振器を有する第１の棒状部材により構成され、
前記振動検出手段は、前記第１棒状部材から離れた前記バラスト内に挿入されて、前記バラストに伝達された振動を検出する加速度センサを有する第２の棒状部材により構成されることを特徴とする請求項６又は請求項８のいずれか１項に記載の軌道バラストの摩耗判定装置。
【請求項１０】
前記バラストを収容する容器を具備し、
前記打撃手段は、前記容器に設置されて該容器に打撃を与える加振器又はハンマーにより構成され、
前記振動検出手段は、前記容器に設置されて該容器に伝達されたバラストからの振動を検出する加速度センサにより構成されることを特徴とする請求項６に記載の軌道バラストの摩耗判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道のバラスト軌道の維持管理を容易に行うことができる  軌道バラストの摩耗判定方法及び摩耗判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国の鉄道軌道の大部分となるおよそ２万キロに、砕石と枕木とからなるバラスト軌道が採用されている。このバラスト軌道は建設コストが安価で維持補修が容易であり、しかも、列車走行時の著大な衝撃荷重を効率良く吸収しかつ低減することから、鉄道沿線の振動、騒音対策としても効果がある。
しかしながら、繰り返し加わる列車の動荷重が原因となって、砕石稜角の欠損や摩耗が生じて、徐々に形状が丸くなったり、細粒化が進み、軌道が基準位置より傾くなどの軌道劣化が生じる。
【０００３】
バラストにおける劣化の進む具合については、現在、検測車による加速度測定値を基に間接的に軌道形状の変化量を推定し、劣化が進んだ軌道の概略位置を調べている。検測車で劣化が進んでいると把握できるのは、数１０ｍ〜数１００ｍの単位のかなり長い区間に関する軌道情報である。
実際の移動維持管理作業では、その現場にて当該区間のどの位置のバラストがどの程度劣化しているかを現場担当者が的確に判断する必要がある。しかしながら、現状では、バラスト劣化に関する判定手法が乏しく、主に目視による現場担当者の勘と経験に多く頼っている。
【０００４】
バラストに関する技術として、非特許文献１〜４が知られている。
非特許文献１では、道床バラストとしての使用に際して、砕石の硬度、吸水率、吸水耐圧強度、単位容積重量、摩損率、圧縮粉砕率などを評価している。
非特許文献２では、道床バラストとしての使用に際して、砕石粒子の粒度、形状（扁平度、細長度）、粒状集合体の単位容積重量、摩損率、圧縮粉砕率などを評価している。
非特許文献３では、道床バラストとしての使用に際して、砕石の単位容積重量、吸水率、摩損率、硬度、吸水耐圧強度、単位容積重量及び圧縮粉砕率などを評価している。
【０００５】
バラスト軌道で使用される砕石は，硬質な岩石を用いているものの，長期の使用に際して、劣化・細流化は免れない消耗品である．
このため、非特許文献４では、道床バラストの経年風化についての研究を行っている。具体的には、鉄道の営業線軌道で実際に使用されていた道床バラストについて，実軌道よりサンプルを回収し，それに物理試験を実施した．その結果，バラスト砕石は経年劣化により摩耗が進み、摩耗率では年１％前後の増加、平均粒径では年３ｍｍ程度減少することが明らかになっている。 
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大島洋志「道床バラストの石質と技術的問題点」，鉄道総研報告，Ｖｏｌ.４, Ｎｏ.４, ｐｐ.１８−２６, １９９０.４.
【非特許文献２】名村明：「軌道を構成する材料と構造」道床バラスト，鉄道技術講座  軌道構造の設計・施工と保守，日本鉄道施設協会誌，Ｖｏｌ.４５, Ｎｏ.２, ｐｐ.６６−６８, ２００７.２.
【非特許文献３】鈴木惠開，遠藤栄，「道床バラストのできるまで」，新線路，２００６年５月号, ｐｐ.４５−４７，鉄道現業社
【非特許文献４】大島洋志，高木盛男，榎本秀明，「道床バラストの経年風化  ―経年の異なる道床バラストの摩損率試験等の結果―」，鉄道技術研究所速報，Ｎｏ.Ａ―８７−３７，昭和６２ 年２月１６日発行，鉄道技術研究所発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非特許文献４に示される研究では、砕石の摩損率、平均粒径の変化を調査することにより、道床バラストの経年風化を観察しているが、砕石の風化耐久性については，経年により大きく異なり、砕石の摩損率、平均粒径の変化の評価だけでは劣化状態を正確に判断し難いという問題があった。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、鉄道のバラスト軌道を形成しているバラストの劣化状態を簡易な方式にて正確に検出することができ、これによって鉄道軌道の維持管理を容易に行うことができる、軌道バラストの摩耗判定方法及び摩耗判定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明に示す軌道バラストの摩耗判定方法では、バラストに打撃を与える打撃過程と、該打撃過程で与えられた打撃によりバラストを伝播した振動を検出する振動検出過程と、該振動検出過程で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較して前記バラストの摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定過程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に示す軌道バラストの摩耗判定装置では、バラストに打撃を与える打撃手段によりバラストを伝播した振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較して前記バラストの摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の軌道バラストにおける摩耗判定方法によれば、打撃過程の打撃によりバラストに伝播した振動を、振動検出過程で検出した後、劣化分析及び判定過程にて、該振動検出過程で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較することにより、当該バラストの摩耗の程度を推定する。
そして、劣化分析及び判定過程での判定結果に基づき鉄道軌道における現在のバラストの摩耗、劣化状態を正確に認識することができ、当該バラストの交換時期を正確に知り、かつ鉄道軌道の維持管理を容易に行うことができる。
【００１２】
本発明の軌道バラストにおける摩耗判定装置によれば、打撃手段の打撃によりバラストに伝播した振動を、振動検出手段で検出した後、劣化分析及び判定手段にて、該振動検出手段で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較することにより、当該バラストの摩耗の程度を推定する。
そして、劣化分析及び判定手段での判定結果に基づき鉄道軌道における現在のバラストの摩耗、劣化状態を正確に認識することができ、当該バラストの交換時期を正確に知り、かつ鉄道軌道の維持管理を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態として示される摩耗判定装置を示す概略構成図である。
【図２】バラストの摩耗判定試験を具体的に説明するための概略構成図である。
【図３】（Ａ）新品バラスト、（Ｂ）摩耗バラストを示す図である。
【図４】新品バラストと摩耗バラストのアクセレランスを測定した結果を示すグラフである。
【図５】新品バラストと種々の年度使用した摩耗バラストのアクセレランスを測定した結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態として示される摩耗判定装置を示す概略構成図であって、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は発振及び振動検出手段を具体的に示す平面図である。
【図７】本発明の第３実施形態として示される摩耗判定装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態１）
本発明の実施形態１について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に符号１で示すものは、多数の砕石Ｂからなるバラスト層２，バラスト層２上の枕木３、及び枕木３上に設置された線路４から構成されるバラスト軌道である。
【００１５】
このバラスト軌道１には、本発明に係る軌道バラストの摩耗判定方法が適用された摩耗判定装置１０が設置されている。
この摩耗判定装置１０は、バラスト層２に打撃を与える打撃手段１１によりバラスト層２を伝播した振動を検出する振動検出手段１２と、該振動検出手段１２で検出された振動の周波数特性を分析し、分析した周波数特性を基準値（基準となるアクセレランス）と比較してバラスト層２の摩耗の程度を推定する劣化分析及び判定手段１３と、を有する。
なお、この摩耗判定装置１０において、打撃手段１１により「打撃過程」が行われ、振動検出手段１２により「振動検出過程」が行われ、劣化分析及び判定手段１３により「劣化分析及び判定過程」が行われる。
【００１６】
具体的には、本実施形態では、打撃手段１１は、枕木３を叩くインパルスハンマーＨにより構成されるものであり、これによりバラスト層２に打撃を与える。
振動検出手段１２は、細長に形成された棒状部材１４の先端部に位置し、枕木３に与えられた打撃によりバラスト層２に伝播した振動を検出する加速度センサＳからなるものであり、打撃が与えられる枕木３近くのバラスト層２内に挿入される。
【００１７】
劣化分析及び判定手段１３は、具体的には、応答倍率及びＦＦＴ器（高速フーリエ変換器）２０、ハイパスフィルタ２１、Ａ／Ｄ変換器２２及び表示装置２３から構成される。
応答倍率及びＦＦＴ器２０は、加速度センサＳで検出したバラスト層２の振動データを、予め設定した応答倍率に基づきフーリエ変換して、バラスト劣化検出用の振動波形を形成するための手段である。
具体的には、応答倍率及びＦＦＴ器２０では、ＦＦＴアナライザで計測した周波数応答関数データから、固有振動数における大きさ（アクセレランス）と位相の情報を利用して、振動モード形状を作成するものである。
【００１８】
ハイパスフィルタ２１（High-pass filter: HPF）は、応答倍率及びＦＦＴ器２０から出力された振動波形を示す信号のうち、遮断周波数より高い周波数の成分を減衰させず、かつ遮断周波数より低い周波数の成分を逓減させるローカットフィルタである。
Ａ／Ｄ変換器２２は、バイパスフィルタ２１を通過した振動波形をＡ／Ｄ変換し、その変換結果を表示装置２３する。
【００１９】
そして、上記のように構成された摩耗判定装置１０では、打撃手段１１により打撃によりバラスト２に伝播した振動を、振動検出手段１２で検出した後、劣化分析及び判定手段１３にて、該振動検出手段１２で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値（基準となるアクセレランス）と比較することにより、当該バラスト２の摩耗の程度を推定する。
【００２０】
図２〜図５を参照して人工的に与えた振動によるバラストの摩耗判定試験について説明する。
図２に示すものは模擬道床３０であって、端部に設けられた側壁３１と、ブロック隔壁３２との間の床面３３に、バラスト層３４となる砕石Ｂ（本例ではセンシングストーン）が収容されたものであって、ブロック隔壁３２上には、検出素子となる加速度センサＳが設置されている。
また、側壁３１の内側と床面３３との間には減衰マットＳが設置され、該減衰マット３５上にバラスト層３４が設けられている。
【００２１】
そして、上記模擬道床３０において、インパルスハンマーＨによりブロック隔壁３２を叩き、これにより生じた砕石Ｂの振動を、該ブロック隔壁３２上の加速度センサＳで検出することにより、砕石Ｂの劣化状態を判定した。
なお、ここで使用する砕石Ｂとしては、図３（Ａ）に示す新品バラスト、及び図３（Ｂ）に示す数年間バラストとして使用した摩耗バラストの２種類を用意し、これらによりバラストの摩耗試験を行った。
【００２２】
そして、上記加速度センサＳで検出したバラスト２の振動データを劣化分析及び判定手段１３に出力し、該劣化分析及び判定手段１３にて、図４及び図５に示すような、「新品バラスト」と、「摩耗バラスト」との固有振動数におけるアクセレランス（大きさ）を比較した。
その結果、図４に「新品バラスト（符号Ｍで示す）」、「摩耗バラスト（符号Ｎで示す）」ように、砕石Ｂの劣化が進んだ場合に、各周波数（Ｈｚ）におけるアクセレランス（ｍ/ｓ２/Ｎ）が上昇することが確認されている。
さらに、詳細に試験した結果を図５に示す。この試験では、「新品バラスト（符号Ｍ１で示す）」、「４年経過バラスト（符号Ｎ１で示す）」、「８年経過バラスト（符号Ｎ２で示す）」、「１２年経過バラスト（符号Ｎ３で示す）」、「１６年経過バラスト（符号Ｎ４で示す）」を用いて、各バラストにおいて固有振動数におけるアクセレランス（大きさ）を比較した。
そして、図５に示す結果を参照して分かるように、使用年数に応じて砕石Ｂの劣化が進んだ場合に、各周波数（Ｈｚ）におけるアクセレランス（ｍ/ｓ２/Ｎ）が徐々に上昇することが確認されている。
【００２３】
そして、劣化分析及び判定手段１３における応答倍率及びＦＦＴ器２０及びハイパスフィルタ２１にて、予め設定した基準値（基準となるアクセレランス）を越えたか否かにより、バラスト層に使用されている砕石Ｂが、劣化した状態にあるか否かを判定することが可能となる。
【００２４】
以上詳細に説明したように第１実施形態に示される摩耗判定装置１０によれば、打撃手段１１により打撃によりバラスト２に伝播した振動を、振動検出手段１２で検出した後、劣化分析及び判定手段１３にて、該振動検出手段１２で検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較することにより、当該バラスト２の摩耗の程度を推定する。
そして、劣化分析及び判定手段１３での判定結果に基づき鉄道軌道における現在のバラスト２の摩耗、劣化状態を正確に認識することができ、当該バラスト２の交換時期を正確に知り、かつ鉄道軌道の維持管理を容易に行うことができる。
【００２５】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について図６（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。
実施形態２に示す摩耗判定装置４０が、実施形態１に示される摩耗判定装置１０と構成を異にする点は、バラスト層２に打撃を与える打撃手段４１、及び該打撃手段４１によりバラスト層２を伝播した振動を検出する振動検出手段４２に関する構成である。
すなわち、実施形態２に示す摩耗判定装置４０では、打撃手段４１と振動検出手段４２とが一体となった発振及び振動検出手段４３が使用されている。
【００２６】
この発振及び振動検出手段４３は、図６（Ｂ）に示すように、打撃手段４１となる加振器Ｖと、振動検出手段４２となる加速度センサＳとが、棒状部材４４に共に設置されたものである。
該棒状部材４４は、全体としてＹ字状をなすものであり、前側に位置する分岐部４４Ａ、４４Ｂ（第１、第２棒状部材）に、加振器Ｖと加速度センサＳとがそれぞれ設置され、かつ基端部４４Ｃが作業員が把持する持ち手になっている。
該棒状部材４４の基端部４４Ｃ内には、コントローラ４５が設置されており、該コントローラ４５によって、打撃手段４１による砕石Ｂの加振、振動検出手段４２での振動値の検出、及び振動検出値の劣化分析及び判定手段１３への出力を行う。
【００２７】
そして、上記のように構成された摩耗判定装置４０では、バラスト層２内に、発振及び振動検出手段４３を有する分岐部４４Ａ、４４Ｂを押し込み、挿入した状態で、コントローラ４５により打撃手段４１となる加振器Ｖを作動させて砕石Ｓを振動させ、この振動を、振動検出手段４２となる加速度センサＳで検出する。
その後、劣化分析及び判定手段１３にて、加速度センサＳで検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較することにより、当該バラスト２の摩耗の程度を推定することができる。
また、本実施形態２の摩耗判定装置４０では、バラスト層２内に、発振及び振動検出手段４３を有する分岐部４４Ａ、４４Ｂを挿入するだけで、軌道の各所においてバラストの劣化判定を行うことができ、当該劣化判定作業を容易に行うことが可能となる。
【００２８】
なお、本実施形態では、一体に形成されている棒状部材４４の分岐部４４Ａ、４４Ｂ（第１、第２棒状部材）に、加振器Ｖと加速度センサＳとをそれぞれ設置したが、該分岐部４４Ａ、４４Ｂを別体とした第１、第２棒状部材とし、各棒状部材に、加振器Ｖ及び加速度センサＳをそれぞれ設置しても良い。そして、このような別体とした第１、第２棒状部材とすることにより、振動検出の際に、手作業により加振器Ｖと加速度センサＳとの間隔を適宜調整することができる。
【００２９】
（実施形態３）
本発明の実施形態３について図７を参照して説明する。
実施形態３に示す摩耗判定装置５０が、実施形態１、２に示される摩耗判定装置１０、４０と構成を異にするのは、バラスト層２の劣化検知を、容器５１となるバケツを用いて行うようにした点である。
この容器５１には、打撃手段５２となる加振器Ｖと、振動検出手段５３となる加速度センサＳとが円形のバケツに周方向に沿って離間した位置関係に設置されている。
【００３０】
そして、このような摩耗判定装置５０により、容器５１内に検出対象となるバラスト層２の砕石Ｓを投入した状態で、図示しないスイッチをＯＮとすることにより、打撃手段５２となる加振器Ｖを作動させて砕石Ｓを振動させ、この振動を、振動検出手段５３となる加速度センサＳで検出する。
その後、劣化分析及び判定手段１３にて、加速度センサＳで検出された振動の周波数特性を分析するとともに、分析した周波数特性を基準値と比較することにより、当該バラスト２の摩耗の程度を推定することができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、打撃手段５２に加振器Ｖを使用したが、これに限定されず、インパルスハンマーＨにより容器５１内の砕石Ｓを加振させても良い。また、本実施形態では、打撃手段５２となる加振器Ｖと、振動検出手段５３となる加速度センサＳとを円形のバケツに周方向に沿って離間するように位置させたが、これに限定されず、半径方向に対向する位置関係に配置しても良い。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、鉄道のバラスト軌道の維持管理を容易に行うことができる  軌道バラストの摩耗判定方法及び摩耗判定装置に関する。
【符号の説明】
【００３４】
１  バラスト軌道
２  バラスト層
１０  摩耗判定手段
１１  打撃手段、
１２  振動検出手段、
１３  劣化分析及び判定手段
１４  棒状部材
４０  摩耗判定手段
４１  打撃手段
４２  振動検出手段
４４  棒状部材
４４Ａ  分岐部（第１棒状部材）
４４Ｂ  分岐部（第２棒状部材）
５０  摩耗判定手段
５１  容器
５２  打撃手段
５３  振動検出手段
【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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