(57)【要約】【課題】  剛体電車線用導電鋼レールの如き10数mの長尺体の凹凸を高精度に測定できる長尺体の凹凸測定装置を提供すること。【解決手段】  剛体電車線用導電鋼レールの凹凸測定装置は、支持台６に敷設されている一対のリニアレール４上を移動する測定移動体３と、剛体電車線用導電鋼レール１をリニアレール４に平行に配置し且つ横向きに支持する受け台５と、測定移動体３に搭載されて剛体電車線用導電鋼レール１を端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力するレーザ変位計２と、前記凹凸変位信号を処理し剛体電車線用導電鋼レール１の凹凸波長毎の凹凸変位を含む凹凸データを出力するデータ処理装置３０と、データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置４０とで構成されている。【選択図】  図１
2005134182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアレール上を移動する測定移動体と、被測定体である長尺体を前記リニアレールに平行に且つ横向きに支持する受け台と、前記測定移動体に搭載されて前記長尺体を端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力する非接触式変位計と、前記凹凸変位信号を処理し前記長尺体の凹凸データを出力するデータ処理装置と、前記データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置とから構成された長尺体の凹凸測定装置。
【請求項２】
前記凹凸変位信号を処理し前記長尺体の凹凸データを出力するデータ処理装置は、前記リニアレールの直線性校正用の凹凸変位信号を用いて前記長尺体の凹凸データを補正することを特徴とする請求項１の長尺体の凹凸測定装置。
【請求項３】
前記リニアレールの直線性校正用の凹凸変位信号は、前記リニアレールに平行に且つ張力をかけた鋼尺の変位を前記非接触式変位計で測定して取得し、前記データ処理装置のメモリに記憶されることを特徴とする請求項２の長尺体の凹凸測定装置。
【請求項４】
前記非接触式変位計はレーザ変位計であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の長尺体の凹凸測定装置。
【請求項５】
前記長尺体は剛体電車線用導電鋼レールであり、前記データ処理装置は前記剛体電車線用導電鋼レールとパンタグラフとの接触力変動を前記剛体電車線用導電鋼レールの凹凸評価値として出力するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の長尺体の凹凸測定装置。
【請求項６】
前記接触力変動は、前記剛体電車線用導電鋼レールの凹凸変位信号にパンタグラフの条件で与えられるインパルス応答関数を重畳積分して得られるものであることを特徴とする請求項５の長尺体の凹凸測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は剛体電車線用導電鋼レールの如き長尺体の凹凸測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願の出願人は、先に、特開平１１−１７３８３８号公報（特許文献１）に開示されている長尺体の凹凸測定装置を開発した。この長尺体の凹凸測定装置は、長区間にわたる現地測定に適したものであるが、出荷前の剛体電車線用導電鋼レールの凹凸測定には適さない。出荷前の剛体電車線用導電鋼レールは長さが10数mであり、上記の長尺体の凹凸測定装置では端部数mの計測が出来ないからである。
【０００３】
そこで、従来は剛体電車線用導電鋼レールの両端と中央点の３箇所の凹凸変位のみを計測し、これらの測定値によって出荷前の剛体電車線用導電鋼レールの良否を判定していた。或いは、水糸を張って剛体電車線用導電鋼レールの大きな曲がりを記録していた。
【０００４】
しかしながら、このような従来の凹凸測定では、Ｓ状に変形したものや波長の短い凹凸は正しく測定できないという問題があった。また、計測された測定値の良否判断基準はあいまいであるため、営業線で剛体電車線用導電鋼レールが実際に架設されて、パンタグラフの離線や電車線波状磨耗などが発生する場合もあった。
【０００５】
パンタグラフの離線や電車線波状磨耗などの発生を防止するためには、10数mもの長尺体である剛体電車線用導電鋼レールの凹凸を0.1mm程度の高精度で曲がり（凹凸）を測定する必要がある。しかしながら、従来の方法では、このような高精度の長尺体の凹凸測定は不可能であった。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１７３８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする第１の課題は、剛体電車線用導電鋼レールの如き10数mの長尺体の凹凸を高精度で測定できる長尺体の凹凸測定装置を提供することである。
【０００８】
本発明が解決しようとする第２の課題は、剛体電車線用導電鋼レールが営業線に架設された場合にパンタグラフの離線が生じないと推定できる凹凸評価値を出力する長尺体の凹凸測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記第１の課題を解決する長尺体の凹凸測定装置を、リニアレール上を移動する測定移動体と、被測定体である長尺体を前記リニアレールに平行に且つ横向きに支持する受け台と、前記測定移動体に搭載されて前記長尺体を端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力する非接触式変位計と、前記凹凸変位信号を処理し前記長尺体の凹凸データを出力するデータ処理装置と、前記データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置とで構成した。
【００１０】
上記第２の課題を解決する長尺体の凹凸測定装置を、リニアレール上を移動する測定移動体と、被測定体である剛体電車線用導電鋼レールを前記リニアレールに平行に且つ横向きに支持する受け台と、前記測定移動体に搭載されて前記剛体電車線用導電鋼レールを端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力する非接触式変位計と、前記剛体電車線用導電鋼レールとパンタグラフとの接触力変動を前記剛体電車線用導電鋼レールの凹凸評価値として出力するデータ処理装置と、前記データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置とで構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明を用いることにより、剛体電車線用導電鋼レールの凹凸を連続的かつ精密に把握することができるので、剛体電車線用導電鋼レールを架設した場合にパンタグラフの離線が発生するかどうかの定量的な判定が可能である。これにより、製品検査の効率化が可能であり、実際に剛体電車線用導電鋼レールを架設した際のパンタグラフの離線や波状磨耗の発生等の問題を回避することができ、保全経費の縮減に効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る長尺体の凹凸測定装置は、リニアレール上を移動する測定移動体と、被測定体である長尺体を前記リニアレールに平行に且つ横向きに支持する受け台と、前記測定移動体に搭載されて前記長尺体を端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力するレーザ変位計と、前記凹凸変位信号を処理し前記長尺体の凹凸データを出力するデータ処理装置と、前記データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置とから構成されている。
【実施例１】
【００１３】
本発明の一実施例の剛体電車線用導電鋼レールの凹凸測定装置は、図１（Ａ）に示す如く、支持台６に敷設されている一対のリニアレール４上を移動する測定移動体３と、被測定体である剛体電車線用導電鋼レール１をリニアレール４に平行に且つ横向きに支持する受け台５と、測定移動体３に搭載されて剛体電車線用導電鋼レール１を端から端まで連続的に測定し凹凸変位信号を出力するレーザ変位計２と、前記凹凸変位信号を処理し剛体電車線用導電鋼レール１の凹凸データを出力するデータ処理装置３０と、データ処理装置の出力信号を記録又は表示する出力装置４０と、制御装置５０とで構成されている。
【００１４】
制御装置５０は、ケーブル７を介してレーザ変位計２とデータ処理装置３０にそれぞれ接続されており、レーザ変位計２の測定のサンプリング周期を制御する。
【００１５】
レーザ変位計２の測定精度はリニアレール４の直線性に依存する。そこで、リニアレール４の凹凸を端から端まで測定して校正用の凹凸変位信号が取得され、データ処理装置３０のメモリに記憶される。前記メモリに記憶されたリニアレール４の校正用の凹凸変位データは、データ処理装置３０において被測定体の長尺体１の凹凸変位信号の補正に用いられる。校正用の凹凸変位信号は、例えば図１（Ｂ）に示す如く、リニアレール４に平行に配置され且つ張力がかけられた鋼尺８の変位をレーザ変位計２で測定し、データ処理装置３０でノイズ除去などの一連の信号処理を施されてメモリに記憶される。支柱９ａと９ｂの間に張り渡され、その端部９ａと９ｂの先端を図示しない固定部に張力をかけて固定された鋼尺８は、図１（Ａ）においては支持台６と被測定体の長尺体１との間に配置される。
【００１６】
ブロック回路図で示した一実施例の凹凸測定装置は、図２に示す如く、レーザ変位計２、係数設定器２０、データ処理装置３０及び出力装置４０とから構成されている。
【００１７】
レーザ変位計２は、センサ１１、増幅器１２及びアナログ／デジタル変換器１３とから構成されている。
【００１８】
係数設定器２０は、剛体電車線用導電鋼レール１にパンタグラフが接触する際の接触力変動を算出するために必要な装置であり、パンタグラフの条件設定部２１とインパルス応答関数発生部２２とから構成されている。
【００１９】
データ処理装置３０は、変位信号の前処理部３１、長尺体の凹凸変位記憶部３２、リニアレールの凹凸変位記憶部３３、長尺体の凹凸変位補正処理部３４、リニアレールの補正済み凹凸変位記憶部３５、重畳積分処理部３６、大曲り等算出部３７、凹凸変位データ出力部３８、スペクトル分析部３９とから構成されている。
【００２０】
図１及び図２に示した凹凸測定装置で、定格長さ12000mmの剛体電車線用導電鋼レール１の凹凸を測定した実施例を以下に説明する。この場合、データ処理装置３０が出力する凹凸データの波長の最小値は2cmとする。
【００２１】
レーザ変位計２を搭載した測定移動体３は100mm/秒の速度でリニアレール４上を移動する。レーザ変位計２のセンサ１１は、剛体電車線用導電鋼レール１の凹凸変位を端から端まで連続的に測定し、1mm間隔で測定データを出力する。センサ１１のアナログ信号は増幅器１２で増幅され、アナログ／デジタル変換器１３でデジタル信号に変換される。
【００２２】
レーザ変位計２のデジタルの凹凸変位信号は、データ処理装置３０に入力される。入力されたデジタルの長尺体の凹凸変位信号は変位信号の前処理部３１でノイズを除去され、凹凸波長2cm以下の信号成分をフィルタで除去され、１０個の中から９個を除去する間引き処理を施され、更にトレンド処理されて、1cm間隔のデータとして、長尺体の凹凸変位記憶部３２に保存される。上記トレンド処理は、受け台５に載置された剛体電車線用導電鋼レール１がリニアレール４の平行線と一致しない場合に、載置による傾きを補正する処理である。このトレンド処理は、出力装置４０に凹凸データを表示したり記録したりする場合に、表示の基準線を水平にするためである。
【００２３】
一方、リニアレールの校正用凹凸変位信号は、レーザ変位計２から図１の鋼尺８にレーザを当てることによって取得され、データ処理装置３０に入力される。入力されたデジタルの校正用凹凸変位信号は変位信号の前処理部３１でノイズを除去され、凹凸波長2cm以下の信号成分をフィルタで除去され、１０個の中から９個を除去する間引き処理を施され、更にトレンド処理されて、1cm間隔のデータとして、リニアレールの凹凸変位記憶部３３に保存される。リニアレールの校正用凹凸変位信号は、長尺体の測定に先立って予め取得し、リニアレールの凹凸変位記憶部３３に保存されている。因みに、リニアレール４の端から端までの凹凸変位は、図４に示す如くである。
【００２４】
続いて、データ処理装置３０においては、記憶部３２に保存された1cm間隔の長尺体の凹凸変位データ値と記憶部３３に保存された1cm間隔のリニアレールの校正用の凹凸変位データ値を用いて所定の演算を行って、リニアレールの直線性校正の補正が施され、補正済の凹凸変位記憶部３５に保存される。
【００２５】
このようにして補正済の凹凸変位記憶部３５に保存された1cm間隔の補正後のデータ値を用いて、データ処理装置３０は剛体電車線用導電鋼レール１の大曲がり、最大高さ、凹凸パワースペクトル密度などの諸量を算出する。同時に波長1m以下の凹凸、波長0.25m以下の凹凸を選択表示する。
【００２６】
即ち、大曲がり等算出部３７は、補正済の凹凸変位記憶部３５に保存された1cm間隔の長尺体の凹凸データ値を用いて、大曲がり、左端曲がり、右端曲がり、最大高さ、最大高さ平均、中心線平均値を算出する。大曲がりはレール長中心点変位と端部変位との差を表す。なお、前記端部変位は左右端0.1m点変位の平均である。最大高さは凹凸変位のプラス側最大値とマイナス側最大値との差を表す。図５（F）に大曲がり、左端曲がり、右端曲がり、最大高さ、最大高さ平均、中心線平均値の一例を示す。
【００２７】
スペクトル分析部３９は、補正済の凹凸変位記憶部３５に保存された1cm間隔の長尺体の凹凸データ値を用いて分析し、凹凸パワースペクトル密度を算出する。凹凸パワースペクトル密度は、レール長中心点位置を中心に10.24ｍのデータから算出している。即ち、1cm毎に取得された1024個のデータから算出している。図５（E）に凹凸パワースペクトル密度の一例を示す。
【００２８】
また、凹凸変位データ出力部３８は、補正済の凹凸変位記憶部３５に保存された1cm間隔の長尺体の凹凸データ値を用いて、剛体電車線用導電鋼レール１の端から端までの全波長凹凸変位、波長1m以下の凹凸変位、波長0.25m以下の凹凸変位データを出力する。図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に全波長凹凸変位、波長1m以下の凹凸変位、波長0.25m以下の凹凸変位の一例を夫々示す。
【００２９】
本発明においては、更に、剛体電車線用導電鋼レールの凹凸の大きさを表す指標として凹凸評価値を算出している。評価値の大きさは凹凸の程度を表すが、具体的にはパンタグラフが走行した際の接触力変動に換算して表示している。凹凸評価値の算出方法は以下のとおりである。
【００３０】
図３の質点モデル図に示す如く、集電装置であるパンタグラフが凹凸のある剛体電車線用導電鋼レールを摺動走行したとき、剛体電車線用導電鋼レールとパンタグラフとの間の接触力が変動する。剛体電車線用導電鋼レールとパンタグラフとの間の接触力がゼロになった場合には、パンタグラフは電車線用導電鋼レールから離れる。この状態を離線という。
【００３１】
剛体電車線用導電鋼レールは数式１で表される凹凸ｙを有するものと仮定し、この剛体電車線用導電鋼レールの下面に接触して、質量ｍの質点が速度ｖで走行したときの接触力Ｆは数式２で与えられる。但し、ａは凹凸振幅、λは凹凸波長、ｖは走行速度、ｘは水平方向の距離、ｔは時間である。
【００３２】
【数１】
2005134182.tif 000003
【００３３】
【数２】
2005134182.tif 000004
【００３４】
即ち、接触力Ｆはそれぞれの波長の凹凸に対して数式３で表される係数をかけることにより算出することができる。
【００３５】
【数３】
2005134182.tif 000005
【００３６】
但し、数式３で表される係数には波長λが含まれているので、波長の短い凹凸ほど大きな係数値をかけることになる。これは数式３の特性を持った一種のフィルタを通すことと同じである。また、図３の如くパンタグラフが多質点モデルで表される構造の場合には、パンタグラフの振動周波数に対して等価質量が変化するので、これも考慮して接触変動力Ｆの計算は行われることになる。
【００３７】
上述の接触変動力Ｆの計算は、図２のブロック回路図において、重畳積分処理部３６と係数設定器２０とによって行われる。
【００３８】
具体的な算出条件は、例えば次の通りである。即ち、パンタグラフは図３に示す如く２元系の質点モデルで表し、m１＝8kg，m2＝7.6kg，k＝40kN/m，c１＝50Ns/m，c2＝80Ns/mとしている。また、走行速度は50km/hで、対象とする凹凸の波長は0.3m以上としている。
【００３９】
パンタグラフの定常押上力は60N前後であり、凹凸評価値の最小値が−60Nを下回ることがあれば、パンタグラフは離線することになるので、これを目安とする。なお、凹凸評価値の算出に用いるインパルス応答関数は100次のものを使用しているため、レール端部1m（1cm毎データ100個分）については凹凸評価値に含まれていない。図５（F）に凹凸評価値(接触力変動の推定値)の一例を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、出荷前に剛体電車線用導電鋼レールの製品検査に適用されるものであるが、その他の10数m程度の長尺体の凹凸の測定にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例を模式的に示した構成図である。
【図２】本発明の一実施例のブロック構成図である。
【図３】剛体電車線用導電鋼レールとパンタグラフとの接触力変動を算出するための質点モデル図である。
【図４】リニアレールの凹凸変位の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る長尺体の凹凸測定装置で得られた剛体電車線用導電鋼レールの凹凸変位データ、凹凸評価値、凹凸のスペクトル密度と大曲り、最大高さなどの諸量の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  剛体電車線用導電鋼レール
２  レーザ変位計
３  測定移動体
４  リニアレール
５  受け台
６  支持台
７  ケーブル
８  鋼尺
９ａ，９ｂ  支柱
１１  センサ
１２  増幅器
１３  アナログ／デジタル変換器
２０  係数設定器
２１  パンタグラフの条件設定部
２２  インパルス応答関数発生部
３０  データ処理装置
３１  変位信号の前処理部
３２  長尺体の凹凸変位記憶部
３３  校正用凹凸変位記憶部
３４  長尺体の凹凸変位の補正処理部
３５  補正済の長尺体の凹凸変位記憶部
３６  重畳積分処理部
３７  大曲がりなど算出部
３８  凹凸変位データ出力部
３９  スペクトル分析部
４０  出力装置
５０  制御装置
【図１】
2005134182.tif 000006
【図２】
2005134182.tif 000007
【図３】
2005134182.tif 000008
【図４】
2005134182.tif 000009
【図５】
2005134182.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月29日(2003.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
【数１】
2005134182.tif 000011
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【数２】
2005134182.tif 000012
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
【数３】
2005134182.tif 000013