(57)【要約】【課題】車輪踏面のフラットや剥離及び熱亀裂を正確に自動検出することができる車輪踏面の損傷状態検出方法及び装置を提供する。【解決手段】振動検出装置により、鉄道車両が走行する際の軌道の振動を車輪別に検出し、検出信号から積分時間の短い短時間実効値と積分時間の長い長時間実効値とを演算する。例えば短時間実効値の積分時間は車輪踏面の移動距離に換算して１００〜３００mm、長時間実効値の積分時間は車輪踏面の移動距離に換算して全周長とする。図６のグラフに示すように、これらの短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて、車輪踏面の状態を損傷の種類、例えば単独のフラットと熱亀裂とに区別して検出する。熱亀裂を早期に発見して対処することができるから、車輪の削正量を小さくできる。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道の軌道またはその近傍に設置した振動検出装置により、鉄道車両が走行する際の振動を車輪別に検出し、検出信号から積分時間の短い短時間実効値と積分時間の長い長時間実効値とを演算し、これらの短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて、車輪踏面の状態を損傷の種類により区別して検出することを特徴とする車輪踏面の損傷状態検出方法。
【請求項２】
短時間実効値の積分時間を、車輪踏面の移動距離に換算して１００〜３００mmとし、長時間実効値の積分時間を、車輪踏面の移動距離に換算して半周〜全周長とした請求項１記載の車輪踏面の損傷状態検出方法。
【請求項３】
短時間実効値と長時間実効値とを両軸とした平面上を、単独のフラット損傷領域、全周損傷領域、半周損傷領域、熱亀裂領域、正常領域に区画し、検出信号の演算値がどの領域に属するかによって損傷の種類及び程度を識別する請求項１または２記載の車輪踏面の損傷状態検出方法。
【請求項４】
短時間実効値と長時間実効値から得られた損傷の判定値をコンピュータ上の車輪台帳に書き込み、損傷の種類別に取り出し可能とした請求項１〜３のいずれかに記載の車輪踏面の損傷状態検出方法。
【請求項５】
鉄道車両が走行する際の振動を車輪別に検出するために鉄道の軌道またはその近傍に設置される振動検出装置と、その検出信号から積分時間の短い短時間実効値と積分時間の長い長時間実効値とを演算する手段と、短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて損傷の種類及び程度を識別する手段とを備えたことを特徴とする車輪踏面の損傷状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の振動や騒音の原因となる車輪踏面の損傷を精度よく自動検出することができる車輪踏面の損傷状態検出方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−１０７３４８号公報
【非特許文献１】「車両と機械」、２００１年４月号、２５〜３２頁、平成１２年度全国研究発表会論文
【０００３】
鉄道車両の車輪がレールと接する車輪踏面には、降雨や急ブレーキなどによる滑走に起因してフラットと呼ばれる損傷が発生することがある。また車輪踏面には、制輪子との摩擦熱に起因する熱亀裂と呼ばれる損傷や、これらが進行して表面層が脱落した剥離と呼ばれる損傷が発生することがある。これらの車輪踏面の損傷は安全性、乗り心地、騒音、軌道保守などさまざまな点で問題となるので、全車両の車輪踏面の損傷状態を把握し、車輪削正などの対策を講ずる必要がある。
【０００４】
そこで従来からレールや枕木などの振動加速度を測定し、この振動加速度のピーク値の大小に基づいて車輪踏面の損傷状態を検出する方法が用いられてきた。しかし車輪と軌道は複雑な共振系を構成していることもあり、振動加速度ピーク値の大小と実際の損傷状態とが必ずしも一致しないという問題が残されていた。
【０００５】
そこで本発明者は、振動の検出信号を周波数特性補正曲線を用いて周波数軸上で重み付けを行うことにより、振動の検出信号からフラットを正確に検出する方法を開発した。その内容は特許文献１及び非特許文献１に示すとおりである。またこれらの文献には、振動の検出信号の実効値を演算して連続するフラットや剥離を検出する方法も開示されている。ここでは実際の車輪踏面損傷の大きさを考慮して、積分時間を車輪踏面の移動距離に換算して１００〜３００mmとした実効値を用いている。
【０００６】
これらの文献に記載の方法によれば、車輪踏面の大きな損傷や連続した損傷を、従来の加速度ピーク値による方法よりもはるかに精度よく検出することができる。ところが、制輪子との摩擦熱に起因して車輪踏面全周に生じ易い熱亀裂は、個々の検出信号が小さいためにうまく検出することができないという問題があった。このため、熱亀裂の初期段階で発見して車輪削正を行えば削正量もわずかで済むにもかかわらず、熱亀裂から剥離などにまで損傷が進行した後に車輪削正を行うこととなり、削正量が大きく無駄が多くなっていた。また車輪削正に際しては１両またはユニット単位で全車輪の直径を一定範囲に揃える必要があるため、どれか１つの車輪の削正量が大きくなると、その他の正常な踏面の車輪も削らねばならず無駄が大きかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決して、車輪踏面のフラットや剥離を正確に検出することができるのみならず、剥離の前段階の熱亀裂をも他の損傷と区別し、さらには損傷の種類及び程度まで正確に自動検出することができる車輪踏面の損傷状態検出方法及び装置を提供するためになされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明の車輪踏面の損傷状態検出方法は、鉄道の軌道またはその近傍に設置した振動検出装置により、鉄道車両が走行する際の振動を車輪別に検出し、検出信号から積分時間の短い短時間実効値と積分時間の長い長時間実効値とを演算し、これらの短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて、車輪踏面の状態を損傷の種類により区別して検出することを特徴とするものである。
【０００９】
なお、短時間実効値の積分時間を、車輪踏面の移動距離に換算して１００〜３００mmとし、長時間実効値の積分時間を、車輪踏面の移動距離に換算して半周〜全周長とすることができる。また、短時間実効値と長時間実効値とを両軸とした平面上を、単独のフラット損傷領域、全周損傷領域、半周損傷領域、熱亀裂領域、正常領域に区画し、検出信号の演算値がどの領域に属するかによって損傷の種類及び程度を識別することができる。さらに、短時間実効値と長時間実効値から得られた損傷の判定値をコンピュータ上の車輪台帳に書き込み、損傷の種類別に取り出し可能とすることができる。
【００１０】
また本発明の車輪踏面の損傷状態検出装置は、鉄道車両が走行する際の振動を車輪別に検出するために鉄道の軌道またはその近傍に設置される振動検出装置と、その検出信号から積分時間の短い短時間実効値と積分時間の長い長時間実効値とを演算する手段と、短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて損傷の種類及び程度を識別する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
このように、本発明では検出信号の短時間実効値と長時間実効値とを組み合わせることにより、車輪踏面の損傷の種類及び程度を区別して自動検出することができ、熱亀裂を早期に発見して対処することができる。またその結果をコンピュータ上の車輪台帳に書き込み、損傷程度の大きい車輪から順次車輪削正を行うなどの合理的な対策を講ずることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１に示すように、鉄道の軌道１またはその近傍に振動検出装置２を設置して、鉄道車両３が走行する際の振動を検出する。軌道１は営業運転用のものをそのまま用い、鉄道車両３がほぼ一定速度で走行する区間を選択することが好ましい。しかし検査用の特別な軌道１を用いても差し支えない。この実施形態では振動検出装置２として片側レールにつき３個の加速度検出器をレールに固定して走行時の振動を検出しているが、走行時の振動を検出できるものであれば、下記のような各種の振動検出装置２を用いることができる。
【００１３】
すなわち、振動検出装置２としては加速度検出器のほか、振動速度検出器や変位検出器を用いることもできる。加速度、速度、変位は微分または積分により相互に変換できるものであるから、どの検出手段２を用いても実質的に等価な検出信号を取り出すことができる。このほか、軌道１またはその近傍に車号検出器４や車輪検出器５を設置し、振動検出装置２により検出された振動の検出信号がどの車両のどの車輪によるものかを特定できるようにしておく。図１の実施形態では４個の車輪検出器５が配置され、車輪の移動につれて信号を取り出す振動検出装置２を順次切り替えている。なお、営業運転における鉄道車両３の走行時刻は別途把握することができるため、車号検出器４は省略することもできる。車号検出器４としては例えば電波式のものを、また車輪検出器５としては例えば光電式または磁気式のものを使用することができる。
【００１４】
振動検出装置２による検出信号は図２に示すようにアナログフィルタ回路でノイズを除去されたうえディジタル信号に変換され、測定装置６に入力される。これと平行して車号検出器４及び車輪検出器５からの信号も測定装置６に入力され、振動検出装置２の検出信号を各車輪ごとの信号に分離するとともに、３個の振動検出装置２の検出信号を合成して車輪１周分の信号とする。
【００１５】
このようにして得られた検出信号である振動加速度波形は、例えば図３に示すとおりである。また、図３中のＡ，Ｂ，Ｃに対応する実際の車輪踏面の損傷状態を，熱亀裂とともに図４に示す。図３の例は、説明のために同一車輪の３箇所にフラットや剥離などの損傷が生じている状態を示している。従来の加速度ピーク値を用いた検出方法ではこの波形をそのまま使用しているが、本発明では図２に示す測定装置６の実効値演算回路７によって、検出信号から積分時間の短い短時間実効値と、積分時間の長い長時間実効値とを演算する。
【００１６】
ここで実効値とは、検出値である波形Ｘの二乗平均の平方根を意味するが、特に積分時間をＴとして、数１で定義される実効値（ｒｍｓ値）を用いることが好ましい。これは振動加速度信号を時間幅Ｔを考慮して評価した値を意味するものである。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
なお、上記の説明では、振動検出装置２による検出信号をノイズ除去及びディジタル変換しただけで短時間実効値と長時間実効値とを演算したが、周波数特性補正を行ったうえで短時間実効値と長時間実効値を演算してもよい。この周波数特性補正は、低域周波数を強調することにより振動検出装置２による検出信号の大きさを車輪損傷の程度に合致させるものである。しかしその詳細は特許文献１に示されており、本発明の要部ではないので、説明を省略する。
【００１９】
この実施形態では、短時間実効値の積分時間Tを車輪踏面の移動距離に換算して１００〜３００mmに相当する時間とした。この積分時間Tは、実際の車輪のフラットや剥離等の損傷を周方向の長さを考慮してもっとも適切に検出できるように、経験的に決定した結果である。例えば図３の波形から実効値演算回路７によって演算された短時間実効値の波形は図５のようになる。しかし、実際の車輪には図４に示したような大きな損傷のほか、熱亀裂が発生することは前記したとおりである。図５に示されるような短時間実効値の波形では、熱亀裂は明確に現れない。
【００２０】
そこで本発明では、測定装置６の実効値演算回路７などの演算手段によって、検出信号から積分時間の長い長時間実効値をも同時に演算する。ここでは、長時間実効値の積分時間Ｔを車輪踏面の移動距離に換算して全周長に相当する時間とした。しかし全周長としたのは便宜的なものであり、前記した短時間実効値の積分時間Tよりも十分に長い時間であればよい。例えば、車輪踏面の移動距離に換算して半周長に相当する時間とすることも可能である。
【００２１】
熱亀裂は制輪子との摩擦熱に起因して微細な亀裂が生じたものであるが、フラットとは異なり車輪踏面の全周にわたり発生する傾向がある。このため、熱亀裂のある車輪においては、短時間実効値としては明確な信号を取り出せないが、積分時間を長くした長時間実効値を演算すると、比較的大きな信号となる。しかし短時間実効値の波形として明確に現れるフラットや剥離等を持つ車輪においても長時間実効値は大きくなるため、演算された長時間実効値のみからは損傷の種類や範囲を明確に把握することができない。
【００２２】
そこで本発明では、短時間実効値と長時間実効値との相対関係を利用することによって、各種の損傷を識別する。具体的には、図６に示すように短時間実効値と長時間実効値とを両軸とする平面上に、個々の車輪の短時間実効値の最大値と長時間実効値とをプロットする。なお、長時間実効値の積分時間Ｔを車輪踏面の全周長に相当する時間とした場合には、車輪毎に長時間実効値は単一となり、半周長に相当する時間とした場合には、車輪毎に長時間実効値の最大値を選択する。
【００２３】
本発明者は実際の営業運転車両について多数のデータを採取した結果、損傷状態とこの平面上のプロット位置との間には明確な関係が存在することを見出した。すなわち、単独のフラットのある車輪の場合には、単独のフラットの位置で短時間実効値は大きなピークを描くため短時間実効値の最大値は大きくなるが、長時間実効値は損傷のないその他の部分と平均されるために比較的小さくなる。この結果、単独のフラットの場合には短時間実効値が強めに表れ、図６のグラフに示される平面上の直線ｍと直線ｎとの間に位置することとなる。
【００２４】
これに対して直線ｍと直線ｌとの間に位置する複数のフラットまたは広範囲にわたる損傷領域は、短時間実効値の最大値に比べて長時間実効値が強めに表れる領域である。このように、全ての検出値は図６のグラフに示される平面上の２直線ｌ・ｎ間に位置する。そして直線ｌに近いほど損傷の分布が均一であり、直線ｎに近いほど損傷は局部的である傾向を持つ。なお図６のグラフの目盛から明らかなように、直線ｍの勾配は１ではないので、ここでいう強めとは短時間実効値と長時間実効値との大小を意味するものではない。
【００２５】
図６に、全周損傷領域、半周損傷領域、熱亀裂領域、単フラット領域、正常領域に区画した例を示す。なお、直線ｌは勾配が１の直線であり、理論上この直線ｌよりも左側にデータが位置することはない。また直線ｍ，ｎの勾配は多数の実験データに基づいて決定されたものである。
【００２６】
原点に近い正常領域は、短時間実効値、長時間実効値ともに小さい領域であり、車輪踏面の損傷がほとんどないことを意味している。これに対して熱亀裂のある車輪の場合には、車輪の全周にわたるどの位置でも短時間実効値は小さいため、短時間実効値の最大値はあまり大きくはならないが、熱亀裂は広い範囲に分布するため全周などの長い範囲を積分した長時間実効値は大きくなる。このため、熱亀裂領域は、図６のグラフに示される平面上の直線ｍよりも左側で、正常領域よりも上側に位置する。このような手法により、従来は検出不可能であった熱亀裂を正確に検出することが可能となった。
【００２７】
その上方の半周損傷領域は、熱亀裂領域よりも長時間実効値が大きい領域であり、更にその上方は短時間実効値、長時間実効値ともに大きい全周損傷領域である。ここで半周損傷領域とか全周損傷領域とかの名称は損傷の範囲が比較的狭いか広いかを意味するもので、必ずしも損傷が車輪踏面の半周または全周に及ぶという意味ではない。熱亀裂や複数のフラットから進行した剥離は上記の領域に属するため、従来法では判別不可能であったこれらの損傷を正確に判別することが可能となった。なお、実際の車輪に生ずる損傷の程度は連続的であるから、各領域の境界線は適宜設定すればよい。図７に、実測データをプロットした例を示す。
【００２８】
このようにして、本発明によれば短時間実効値と長時間実効値との相対関係に基づいて、車輪踏面の損傷の種類及び程度を区別して検出することができる。図６のグラフは本発明の内容をビジュアルに表示したものであり、測定装置６あるいは通信回線８を介して接続された管理装置９の画面にこのグラフを表示することができる。さらにこのグラフに編成単位で検出値を表示することにより、その傾き・大きさなどから車輪踏面の損傷状態をより鮮明に容易に把握することができる。車輪削正は１両または数両のユニット単位で損傷の一番深い車輪から順番に実施する必要があるため、編成単位で損傷状態を把握することは作業効率の向上につながる。ただし損傷の判別は短時間実効値と長時間実効値との相対関係をコンピュータで演算することにより行うことができ、画面に表示されたグラフを見て人が判断することは必須ではない。
【００２９】
また上記の説明では、短時間実効値と長時間実効値とを両軸とする平面上を直線ｌ，ｍ，ｎにより区画したが必ずしも直線で区画する必要はなく、適宜の曲線を用いて区画してもよい。また片対数グラフや両対数グラフを用いることもできる。本発明では短時間実効値と長時間実効値との相対関係をコンピュータ内部で演算することにより損傷の種類及び程度を求めることができるので、図６に示したグラフの外観自体は、特に重要なものではない。
【００３０】
上記のようにして検出された損傷の種類及び程度を実際の車輪管理に適用するために、短時間実効値と長時間実効値から得られた損傷の種類及び短時間実効値の評価による段階的判定値をコンピュータ上の車輪台帳に書き込み、損傷の種類別、損傷の程度別、あるいは車両別に取り出し可能とすることが好ましい。これによって車両状態の監視を行い、損傷の程度の大きい順や損傷の早期発見により車輪の削正計画を立てるなどの車輪管理が合理的に行なえるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、車輪踏面のフラットや剥離を正確に検出することができるのみならず、剥離の前段階の熱亀裂をも正確に自動検出することができる。損傷の種類を判定することにより車両状態を監視することができ、車輪削正量を削減することが可能となり、車輪の延命につながる。このように本発明は、車両状態の監視及び車輪の合理的管理を行なううえで、有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる検出システムの説明図である。
【図２】本発明における検出信号の処理手順を示すブロック図である。
【図３】振動加速度波形の一例を示すグラフである。
【図４】実際の車輪踏面の損傷状態の説明図である。
【図５】短時間実効値の波形を示すグラフである。
【図６】短時間実効値と長時間実効値とから損傷を判別するためのグラフである。
【図７】実際のデータをプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１  軌道
２  振動検出装置
３  鉄道車両
４  車号検出器
５  車輪検出器
６  測定装置
７  実効値演算回路
８  通信回線
９  管理装置
【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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