(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄道車両の車輪の円周に貼り付けた輪重・横圧歪ゲージだけで高価なデータ処理装置を必要とせず、輪重と横圧を連続的に計測可能で、鉄道車両の乗り上がり脱線事故の可能性を大幅に低減可能な輪重・横圧センサとその測定方法を得る。【解決手段】車輪１に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ８ａ及び横圧歪ゲージ９ａからの計測データをホイートストンブリッジ回路４２により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサ８，９による輪重・横圧測定装置とその測定方法に於いて、車輪１の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に複数の輪重歪ゲージ８ａを連続的に配設し、車輪１の表裏両面の所定の輪重歪ゲージ８ａの配設位置とは異なる円周上に複数の横圧歪ゲージを連続的に配設し、輪重及び横圧測定データをリアルタイムに連続的に出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサに於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧センサ。
【請求項２】
前記車輪の表裏両面の円周上に配設された前記複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させてなることを特徴とする請求項１記載の輪重・横圧センサ。
【請求項３】
前記車輪の外面及び内面に配置した、前記複数の直列接続された前記輪重歪ゲージと、前記直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、該外面及び該内面の該複数の直列接続された該輪重歪ゲージ同士と、該直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続して前記ブリッジ手段を構成してなることを特徴とする請求項２記載の輪重・横圧センサ。
【請求項４】
前記車輪の外周位置に２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、該車輪の内周位置に１２個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことを特徴とする請求項３記載の輪重・横圧センサ。
【請求項５】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサの測定方法に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧センサの測定方法。
【請求項６】
前記車輪の表裏両面の円周上に配設された複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させてなることを特徴とする請求項５記載の輪重・横圧センサの測定方法。
【請求項７】
前記車輪の外面及び内面に配置した、前記複数の直列接続された前記輪重歪ゲージと、前記直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、該外面及び該内面の該複数の直列接続された該輪重歪ゲージ同士と、該直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続して前記ブリッジ手段を構成してなることを特徴とする請求項６記載の輪重・横圧センサの測定方法。
【請求項８】
前記車輪の外周位置に、２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、該車輪の内周位置に１２個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことを特徴とする請求項７記載の輪重・横圧センサの測定方法。
【請求項９】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧測定装置に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧測定装置。
【請求項１０】
前記車輪の表裏両面の円周上に配設された前記複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させてなることを特徴とする請求項９記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項１１】
前記車輪の外面及び内面に配置した、前記複数の直列接続された前記輪重歪ゲージと、前記直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、該外面及び該内面の該複数の直列接続された該輪重歪ゲージ同士と、該直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続して前記ブリッジ手段を構成してなることを特徴とする請求項１０記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項１２】
前記車輪の外周位置に、２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、該車輪の内周位置に１２個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことを特徴とする請求項１１記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項１３】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧測定方法に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧測定方法。
【請求項１４】
前記車輪の表裏両面の円周上に配設された前記複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させてなることを特徴とする請求項１３記載の輪重・横圧測定方法。
【請求項１５】
前記車輪の外面及び内面に配置した、前記複数の直列接続された前記輪重歪ゲージと、前記直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、該外面及び該内面の該複数の直列接続された該輪重歪ゲージ同士と、該直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続して前記ブリッジ手段を構成してなることを特徴とする請求項１４記載の輪重・横圧測定方法。
【請求項１６】
前記車輪の外周位置に、２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、該車輪の内周位置に１２個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことを特徴とする請求項１５記載の輪重・横圧測定方法。
【請求項１７】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する脱線係数測定装置に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする脱線係数測定装置。
【請求項１８】
前記車輪の表裏両面の円周上に配設された前記複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させてなることを特徴とする請求項１７記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項１９】
前記車輪の外面及び内面に配置した、前記複数の直列接続された前記輪重歪ゲージと、前記直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、該外面及び該内面の該複数の直列接続された該輪重歪ゲージ同士と、該直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続して前記ブリッジ手段を構成してなることを特徴とする請求項１８記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項２０】
前記車輪の外周位置に、２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、該車輪の内周位置に１２個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことを特徴とする請求項１９記載の輪重・横圧測定装置。
【請求項２１】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する脱線係数測定装置に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする脱線係数測定装置。
【請求項２２】
前記脱線係数測定装置に基き前記連続的な輪重及び横圧測定データを入力し、横圧データ／輪重データで求まる安全脱線係数が０．８以上のとき車両の速度を減速するようになしたことを特徴とする請求項２１記載の脱線係数測定装置。
【請求項２３】
前記脱線係数測定装置に基き前記連続的な輪重及び横圧測定データを入力し、横圧データ／輪重データで求まる安全脱線係数が０．８以上のとき車両の姿勢を制御するようになしたことを特徴とする請求項２１記載の脱線係数測定装置。
【請求項２４】
車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する脱線係数測定方法に於いて、
前記車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、
前記車輪の表裏両面の所定の前記輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記横圧歪ゲージと、
を具備し、
前記ブリッジ手段を介して前記輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする脱線係数測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の車輪に加わる輪重・横圧を測定する輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法に係わり、特に、連続的にデータを測定する直接法の輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄道車両などが走行することによりレールにかかった輪重や横圧の測定をレール側で行う輪重・横圧測定装置として、歪ゲージを用いた装置やロードセルを用いた装置等が使用されている。歪ゲージを用いた装置では、レールに直接歪ゲージからなる歪検出部を貼り付け、車輪がレールに生じさせる「せん断歪」により歪検出部で生じた電気信号を、ケーブルを介してレール脇などに設置されたコンピュータなどに送り、このコンピュータの歪検出部で生じた電気信号を輪重値に変換している。一方、ロードセルを用いた輪重・横圧測定装置では、レールの横にロードセルを配置して、ロードセル上を車輪が通ったときに検出した輪重に応じた信号を、ケーブルを介してレール脇などに設置されたコンピュータなどに送り、このコンピュータで輪重値を演算することで直接輪重値を測定するものが特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、車体側で車輪にかかった輪重や横圧の測定を行う輪重・横圧測定装置としては、車両の車軸や車輪に歪ゲージからなる歪検出部を直接貼り付け、車軸や車輪に生じる歪を検出することによって間接的にレールにかかった輪重値などを求めたものが特許文献２に開示されている。この特許文献２では、長時間に渡って車輪に生ずる歪量の検出を行う際に、スリップリングを用いると、このスリップリングの機械的な摩擦により測定能力が低下してしまうという問題を排除するため、車輪に横圧センサや輪重センサを取り付け、これらのセンサの出力信号をテレメータで送信することを提案している。
【０００４】
さらに、従来から、レールにかかった輪重や横圧の測定を車両側で行う輪重・横圧測定装置として、間欠法または直接法と呼ばれる２通りの方法が用いられているが、間欠法はブッリジ回路からの測定データをデジタル処理することで連続的出力を得るために車輪の中心から０度と１８０度及び９０度と２７０度の位置に歪ゲージを貼り付け別々の検出回路を形成し、４箇所から測定データを取り出すようにしているので、車輪１回転につき４回の測定値しか得られず、直接法では、連続した、出力が得られるものの、車輪の熱歪により、零点が移動し、輪重出力が正負に反転するという言う課題を有しているが、車両の高速化と共に輪重値（以下、輪重値をＰデータと記す）の変動が増大し、輪重値抜けに、横圧値（以下横圧値をＱデータと記す）の発生が加算されると、従来の安全な脱線係数＝Ｑ／Ｐ＝０．８を超える測定値が多発するようになる。此の時の輪重変動は軸箱の振動加速度から計測すると６０Ｈｚ程度とかなりの高周波となる。
【０００５】
従来の重輪・横圧を連続的に測定する方法は、車軸の曲げ応力を基に正弦波発生器を用いて、演算を行う方法であり、車軸の曲げ固有振動数の制約により３０Ｈｚ程度までの現象しか測定することができないため、非特許文献１に於いては、このような課題を解決するために車輪に生じた歪によって、輪重・横圧・接線力・脱線係数を連続的に測定する装置及びその方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−８３６０５号公報（第６〜７頁、第１図）
【特許文献２】特開平１０−１７２０８８号公報（第３〜４頁、第１図、第２図）
【非特許文献１】鉄道総研報告、第７巻、第１３号、１９９３年８月、財団法人、鉄道総合技術研究所刊行、「輪重・横圧・脱線係数連続測定装置の開発」、第２５頁乃至第３２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した、特許文献１は、レールに貼り付けた歪ゲージやロードセルを用いるものであり、車両側で輪重・横圧を測定するものではなく、特許文献２の場合は、車輪に歪ゲージの貼り付けを行っているが、長時間に渡って車輪に生ずる歪量の検出を行う際に、スリップリングを用いると、このスリップリングの機械的な摩擦により測定能力が低下してしまうので、車輪に輪重センサや横圧センサを取り付け、これらのセンサの出力信号をテレメータで送信することを要旨とするものである。また、非特許文献１に開示の間欠式の輪重・横圧測定用センサ及び輪重・横圧測定装置並びに脱線係数測定装置では、スリップリングのロータ軸に取り付けた、ロータリエンコーダを用いて６００パルス／１回転のパルス信号を発生させているが、このパルス信号と１８０度毎に位相が変わる重み関数を使用して波形処理を行っているために車輪が半回転する毎に測定したＰデータとＱデータの波形が反転してしまうため単純に波形の演算を行うことが出来ず、歪センサで計測した間欠測定波形をデジタル処理するために高価な高速演算処理装置やデータ処理ソフトウエアを必要とする課題を有していた。
【０００８】
さらに、非特許文献１に開示の連続的にＰデータ及びＱデータを得る輪重・横圧センサ及び輪重・横圧測定装置並びに脱線係数測定装置では、Ｐデータ及びＱデータからなる測定データの取得数が４又は８個と極めて少なく、これら測定データを補完しながら連続的出力を得ているために、高周波数の輪重変動や局部的・衝撃的な横圧変動の測定が困難である課題を有していた。本発明は、このような課題を解決した、輪重・横圧センサとその測定方法及輪重・横圧測定装置とその測定方法及び並びに脱線係数測定装置とその測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサに於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧センサとしたものである。
【００１０】
第２の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサの測定方法に於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧センサの測定方法としたものである。
【００１１】
第３の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧測定装置に於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧測定装置としたものである。
【００１２】
第４の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧測定方法に於いて、車輪の表裏両面の所定の前記横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧測定方法としたものである。
【００１３】
第５の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する脱線係数測定装置に於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする脱線係数測定装置としたものである。
【００１４】
第６の本発明は、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する脱線係数測定方法に於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ手段を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする脱線係数測定方法としたものである。
【発明の効果】
【００１５】
斯かる、本発明に依れば、鉄道車両の車輪の円周に貼り付けた輪重・横圧歪ゲージだけで高価なデータ処理装置を必要とせず、Ｐデータ及びＱデータをリアルタイムで連続的に計測可能であり、従来方式の輪重・横圧センサとその測定方法や輪重・横圧測定装置とその測定方法では測定不能な高周波の輪重変動や局部的・衝撃的な横圧変動に充分対応可能であると共にＱ／Ｐで求められる脱線係数の値を０．８以下に保つように、車両の姿勢と走行速度を自動的に制御可能な脱線係数制御装置及びその制御方法を車両に装備することで、鉄道車両の乗り上がり脱線事故の可能性を大幅に低減可能なものが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法を図１乃至図１４によって説明する。図１は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により輪重及び横圧を連続的に測定するための車輪を外側から視た外観配置図、図２（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により輪重を連続的に測定するための車輪を外側から視た車両輪重を測定するセンサ外観配置図及びブリッジ回路図、図３は、本発明の１形態例を示す輪重センサを車輪の内側に貼付けて、直接法により連続的に輪重を測定するための車輪を内側から視た車両輪重を測定するセンサ外観配置図、図４（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す横圧センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により連続的に横圧を測定するための車輪を外側から視た車両横圧を測定するセンサ外観配置図及びブリッジ回路図、図５は、本発明の１形態例を示す横圧センサを車輪の内側に貼付けて、直接法により横圧を連続的に測定するための車輪を内側から視た車両横圧を測定するセンサ外観配置図、図６（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の輪重・横圧測定方法を説明する鉄道車体の車輪部分の正面図及び側面図、図７（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の軸端取付部の詳細側断面図及び平面図、図８（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置のデータ及び電力供給部の詳細側断面図及び平面図、図９（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の給電用送電部及びテレメータ用受信部の系統図、図１０（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重センサの１つである輪重歪ゲージのパターンを示す平面図、図１１（ａ）（ｂ）は本発明の１形態例を示す横圧センサの１つである横圧歪ゲージの異なるグリッド長のパターンを示す平面図、図１２（ａ）（ｂ）は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の輪重・横圧測定方法を説明するための輪重・横圧波形図、図１３は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法の全体的系統図、図１４は、本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法の全体的なフローチャートである。
【００１７】
上述の図１乃至図１４に於いて、図１乃至図５の輪重・横圧センサを説明する前に図６（ａ）（ｂ）乃至図９（ａ）（ｂ）及び図１０乃至図１１（ａ）（ｂ）によって、本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置及び輪重・横圧測定方法を説明する。図６（ａ）（ｂ）は、直接法によって連続的に車両の輪重・横圧の測定データを得るための輪重・横圧測定方法を説明する鉄道車体の車輪部分の模式図である。図６（ａ）（ｂ）に於いて、図６（ａ）は鉄道車体の正面の模式図、図６（ｂ）は側面の模式図であり、鉄道車体３の各々の左右車輪１Ｌ、１Ｒには輪重・横圧を検出する輪重・横圧検出部である後述する輪重・横圧センサ８、９（図示せず）が左右車輪１Ｌ、１Ｒの車軸２の中心部１６を中心として同心円の円周に沿って複数個配設されている。鉄道車体３は空気バネ４によって台車５上に支持され、台車５は軸バネ６によって支持されている。この軸バネ６にかかっている荷重は、左右車輪１Ｌ、１Ｒの輪重にほぼ等しい。一般には、１台の鉄道車体３に４組の一体車輪１（１Ｌ、１Ｒ）を有するため１個の車輪１Ｌまたは１Ｒには１台の鉄道車体３の１／８の荷重がかかることになる。左右車輪１Ｌ、１Ｒは車軸２により左右が連結されており、この左右車輪１Ｌ、１Ｒの一体車輪１からなる左右車輪１Ｌ、１Ｒの中心部１６には、車軸２が嵌着され左右車輪１Ｌ、１Ｒと一体化されている。１０は左右車輪１Ｌ、１Ｒのフランジ部を示し、鉄道車体３の左右車輪１Ｌ、１Ｒはレール基礎上に立設された左右レール７Ｌ、７Ｒ上を矢印Ａ−Ｂ方向に回転移動する。
【００１８】
左右レール７Ｌ、７Ｒ上をＡ−Ｂ方向に走行中の左右車輪１Ｌ、１Ｒには図６（ａ）（ｂ）に示すような輪重Ｐ１、横圧Ｑ１、接線力Ｔ１の３分力が作用する。これ等の分力を測定するために、従来の構成では、左右車輪１Ｌ、１Ｒの車軸２の中心を通る左右車輪１Ｌ、１Ｒの対抗する円周上に輪重・横圧歪ゲージを貼付けた位置に対応した二つのブリッジ回路の出力に各々の荷重負荷に対応した重みをつけて両者の和をとることで連続した出力を得ているため、特に、輪重測定では、左右車輪１Ｌ、１Ｒの全周にわたって出力されないため最低、車軸２の中心を通る左右車輪１Ｌ、１Ｒの対抗する円周上に４５°の間隔で四つのブリッジ回路を設けていた。しかし、この構成では、実際に車軸２の端部から歪出力を取り出すスリップリングの端子数の制約から４５°角度で隣接する二つのブリッジ回路をまとめて一個のブリッジ回路としているため連続的な輪重・横圧を測定するためには高価なデータ処理装置を必要とし、Ｐデータ及びＱデータをリアルタイムで連続的に計測することができなかった。さらに、従来の輪重・横圧センサとその測定方法や輪重・横圧測定装置とその測定方法では高周波の輪重変動や局部的・衝撃的な横圧変動が測定不能となる問題があつた。
【００１９】
すなわち、従来の直接法による鉄道車体３の例えば、車輪直径が８６０Φの一個の車輪１Ｒが一回転する間に取得するＰデータ及びＱデータの数は間欠法の場合は夫々２又は４個でありレール７Ｌ、７Ｒ上の１回転時の間隔は１３５１／６７５ｍｍとなり、上述したようにＰデータ及びＱデータを補完しながら連続的に出力する場合でもＰデータ及びＱデータは夫々４又は８個に過ぎず、レール７Ｌ、７Ｒ上の１回転時の間隔では６７５／３３７.７ｍｍとなる。本発明では連続的なＰデータが１４４個、Ｑデータが７２個の出力が可能でレール７Ｌ、７Ｒ上の１回転時の間隔を１８．７６ｍｍとすることが可能な輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法が得られる。
【００２０】
図７（ａ）（ｂ）は、輪重・横圧測定装置の軸端取付部の詳細側断面図及び回転部の平面図を示すもので、例えば、図７（ａ）に於いて、右車輪１Ｒの車軸２の右端には軸箱１１が嵌合され、車軸２の右端面には絶縁板１２が取付けボルト１３によって固定されている。この絶縁板１２は図７（ｂ）及び図８（ａ）に示されているように、円盤状の絶縁板１２の外周に沿って円環状の絶縁体で構成した送信アンテナガイド１４が略円環状に立設されて、該送信アンテナガイド１４に送信アンテナ１５が巻回されている。絶縁板１２上には図７（ｂ）に示す中心部１６を通る上下左右の放射線上に対向するように複数のブリッジ電源回路１７ａ、１７ｂ及び送信機１８ａ、１８ｂが配設されている。
【００２１】
さらに、絶縁板１２上には、二つの略台形状の山形金具１９ａ、１９ｂを互いに十字状に配設して、その上部に受電コイル及び整流回路２０を載置固定する。尚、図８（ａ）で２１は、回転バランス調整ウエイトである。また、このようなＰデータ及びＱデータを測定する測定装置の回転部を覆うように設けられた、ノイズ防止用の鉄製のフランジ付カバー２２の内面側には図８（ａ）のごとく、送電コイルや給電用発振部２３及び受信アンテナ２４が受電コイルと２０との間隔ｔが３ｍｍ乃至７ｍｍ程度になるように配設されていて回転部と固定部のフランジ付カバー２２間で電力給電及び測定データ信号の伝送授受が行われる。このフランジ付カバー２２の外面には、信号伝送用受信機２５が取り付けられている。さらに、また、図８（ｂ）に示すように、受電コイル２０とブリッジ回路電源１７ａ、１７ｂと送信機１８ａ、１８ｂは、リード線２６によって互に接続されている。
【００２２】
上記した構成の給電用送電部及びテレメータ用受信部の系統図を図９（ａ）（ｂ）に示す、図８（ａ）に示す送電コイル及び給電用発振部２３は図９（ａ）に示すように、台車５に配設した安定化電源２７から数ｍ乃至数十ｍの電源線２８を介して接続されて、回転部に電源電圧を供給している。また、回転部側のテレメータ用の送信アンテナ１５は固定部側のフランジ付カバー２２の外面に取り付けられた信号伝送用受信機２５を介して測定したＰデータ及びＱデータをアナログ信号として出力し、数ｍ乃至数十ｍの信号線２９を介して台車５に配設した安定化電源２７で駆動される脱線係数演算部４８ｂ及びアナログの出力モニタ４６並びに信号伝送用受信機２５などの後述する固定部側電気回路３０に接続されている。
【００２３】
上記した、鉄道車体３の一体車輪１の右車輪１Ｒに複数の輪重・横圧歪ゲージからなる複数の輪重センサ８及び横圧センサ９を貼付け、この右車輪１Ｒを外側〔図６（ａ）の矢印Ｃ方向〕から視たものを図１に示す。左右車輪１Ｌ、１Ｒの中心部１６に嵌着された車軸２の軸受部３２とフランジ部１０との間の板部３４には中心部１６を中心とする同心円状の複数の切溝３５、３６を形成するか、略円環状の板部３４に直接的に複数の後述する単位歪ゲージ８ａ、９ａで構成した複数個の輪重センサ８又は横圧センサ９を中心部１６に対し同心円状に貼付けるように成し、上述の切溝３５、３６の内側には単位歪ゲージ８ａ及び９ａで構成した複数個の輪重センサ８及び横圧センサ９を設ける。尚、図１で輪重センサ８の外周側に配設したものは輪重用温度補償抵抗３８である。
【００２４】
上記した図１の輪重センサ８の車輪への取付け方法を図２（ａ）によって説明する。図２（ａ）は、図１と同様の右車輪１Ｒを外側から視た外観配置図であり、右車輪１Ｒの外側に設けた切溝３６内には円周の第１象限乃至第４象限内の夫々の１象限内に６個の単位歪ゲージ８ａが直列に接続されて配設されている。
【００２５】
輪重センサ８用の単位歪ゲージ８ａは図１０に示す様に凹凸パターンの傾きが略５°の角度を持った矩形波状のゲージ抵抗（１２０Ω以下）からなるゲージパターンで形成されている。即ち、単位輪重歪ゲージ８ａからなるパターンゲージは一単位で６つの凸部と５つの凹部からなる６個の矩形波状の凹凸パターン３３で形成され、一つのゲージパターンについてグリッドを２本配設して２個の出力信号が得られるようにしている。また、ゲージパターンの「かど」は応力が集中しないように丸みがつけられている。これにより、１つの凹凸パターン３３で右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に２.５°間隔で歪信号としてのＰデータを測定することが可能となり、右車輪１Ｒの回転時に１単位の輪重歪ゲージ８ａによって６個のＰデータを得ることが出来る。従って、単位歪ゲージ８ａによって右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向にトータル２．５×６＝１５°の角度範囲でＰデータが得られる様にカバーされている。
【００２６】
この様な１単位の歪ゲージ８ａは図２（ａ）では第１象限の０°〜９０°の角度範囲、第２象限の９０°〜１８０°の角度範囲、第３象限の１８０°〜２７０°の角度範囲、第４象限の２７０°〜０°の各々の角度範囲内に夫々６個が貼付けられ、３６０°の切溝３６の全周内には４×６＝２４個の単位の歪ゲージ８ａが貼付けられている。従って、従来の文献３に記載の取得可能なＰデータが最大４〜８であるのに比べ本発明では、車輪の１回転で１４４のＰデータが取得可能となる。
【００２７】
また、１単位当たりの輪重歪ゲージ８ａと次の輪重歪ゲージ８ａ間には右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に１.２５°のスペースを設け、この輪重歪ゲージ８ａの両端に設けた端子３７を介して隣接する輪重歪ゲージ８ａ同士を直列接続するようになされている。図２（ａ）に於いては、第１象限乃至第４象限内の直列接続された６個の輪重歪ゲージからなる輪重歪ゲージ群を夫々Ａ３、Ａ４、Ａ１、Ａ２の符号で示している。
【００２８】
さらに、輪重センサ８が貼付けられた切溝３６の第４象限及び第１象限内の外周に沿って１４個の輪重用温度補償抵抗３８（Ｄ１乃至Ｄ１４）を配設する。
【００２９】
次に、上記した、輪重センサ８を右車輪１Ｒの内側に取付ける方法を図３によって説明する。図３は、右車輪１Ｒを内側〔図６（ａ）の矢印Ｄ方向〕から視た外観配置図であり、右車輪１Ｒの内側の切溝３６内には右車輪１Ｒを外側から視た図２（ａ）と同様に円周の第１象限乃至第４象限内の夫々の１象限内に６個の単位の輪重歪ゲージ８ａが直列に接続されて貼付けられている。この、図３に示す第１象限のＡ４の範囲は、図２（ａ）を紙面の裏側から視たものと同一なので、図２（ａ）のＡ４の範囲に対応し、図３のＡ３の範囲は図２（ａ）のＡ３の範囲に、図３のＡ２の範囲は図２（ａ）のＡ２の範囲に、図３のＡ１の範囲は図２（ａ）のＡ１の範囲に表裏（内外）に於いて対応すると共に図３で切溝３６の外周の第３象限及び第２象限に配設した１４個の輪重用温度補償抵抗３８（Ｄ１乃至Ｄ１４）も図２（ａ）で切溝３６の外周の第４象限及び第１象限に配設した１４個の輪重用温度補償抵抗３８（Ｄ１乃至Ｄ１４）と表裏（内外）で対応している。
【００３０】
右車輪１Ｒの内側に配設される輪重センサ８の単位の輪重歪ゲージ８ａは図２（ａ）と同様に図１０に示すような矩形波状のゲージパターンに形成されている。即ち、単位の輪重歪ゲージ８ａのパターンゲージは一単位で６つの凸部と５つの凹部からなる６個の凹凸パターン３３が形成され、一つのパターンについてグリッドを２本配設して２個の出力信号が得られるようにしている。これにより、１つの凹凸パターンで車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に２．５°間隔で歪信号を測定することが可能となり、１単位の歪ゲージ８ａによって６個のデータを得ることが出来る。従って、右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向にトータル１５°の角度範囲でＰデータ得ることが出来る様にカバーされている。
【００３１】
この様な１単位の輪重歪ゲージ８ａは図３では第１象限の０°〜９０°の角度範囲、第２象限の９０°〜１８０°の角度範囲、第３象限の１８０°〜２７０°の角度範囲、第４象限の２７０°〜０°の各々の角度範囲内に夫々６個が貼付けられ、切溝３６の全周内には４×６＝２４個の単位の輪重歪ゲージ８ａが貼付けられて１回転で１４４のＰデータが取得可能となる。
【００３２】
また、１単位当たりの輪重歪ゲージ８ａと次の輪重歪ゲージ８ａ間には右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に１．２５°のスペースを設け、この輪重歪ゲージ８ａの両端に設けた端子３７を介して隣接する輪重歪ゲージ８ａ同士を直列接続するようになされている。図３に示す第１象限乃至第４象限内の直列接続された６個の輪重歪ゲージ８ａの輪重歪ゲージ群は夫々Ａ４、Ａ３、Ａ２、Ａ１として示している。また、右車輪１Ｒの板部３４には端子台３９が配設され、右車輪１Ｒの表裏に配設した重輪センサ８や重輪用温度補償抵抗３８を接続中継するようになされている。
【００３３】
上述の右車輪１Ｒの表裏面に貼付けられた、輪重センサ８及び輪重用温度補償抵抗３８の輪重測定用ブリッジ回路の構成を図２（ｂ）に示す。右車輪１Ｒの外側の輪重センサ８の６個の単位の輪重歪ゲージ８ａからなる輪重歪ゲージ群Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の直列回路をブリッジ回路の夫々の一辺に形成せることで右車輪１Ｒの全周の３６０°をカバーする。即ち、右車輪１Ｒの外側の輪重センサ８の６個の単位の輪重歪ゲージ８ａからなる輪重歪ゲージ群Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の直列回路をブリッジ回路の交点Ａ、Ｂ間に接続し、右車輪１Ｒの外側の輪重用温度補償抵抗３８であるＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と調整抵抗Ｒ１の直列回路をブリッジの交点Ａ、Ｄ間に接続し、右車輪１Ｒの内側の輪重センサ８の６個の単位の輪重歪ゲージ８ａからなる輪重歪ゲージ群Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の直列回路をブリッジ回路の交点Ｄ、Ｃ間に接続し、右車輪１Ｒの内側の輪重温度補償抵抗３８であるＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と調整抵抗Ｒ２の直列回路をブリッジの交点Ｃ、Ｂに接続して、ホイートストンブリッジ回路を構成する。表裏面に配設された輪重センサ８および輪重用温度補償抵抗３８とは端子台３９を介して右車輪１Ｒの表裏（内外）で互いに接続されている。図２（ｂ）でブリッジ回路の交点Ａ、Ｃの４０からは温度補償回路信号が出力され、４１からは平衡調整回路信号が出力され、交点Ｂ、ＤにはＰデータが入力される。ここで、輪重用温度補償抵抗Ｄ１乃至Ｄ１４中の輪重用温度補償抵抗Ｄ１乃至Ｄ８は抵抗値３５０Ωの直列抵抗を、輪重用温度補償抵抗Ｄ９乃至Ｄ１４は抵抗値１２０Ωの並列抵抗を示し、ブリッジ回路には輪重用温度補償抵抗Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が用いられる。
【００３４】
次に、図４（ａ）によって、右車輪１Ｒの中心部１６に対し同心円状に形成した切溝３５に貼付けた横圧センサ９の構成を説明する。図４（ａ）は、右車輪１Ｒを外側から視た外観配置図であり、右車輪１Ｒの外側に設けた切溝３５内には円周の第１象限乃至第４象限内の夫々の１象限内に３個の単位の横圧歪ゲージ９ａが直列に接続されて配設されている。
【００３５】
横圧センサ９用の単位の横圧歪ゲージ９ａは図１１（ａ）（ｂ）に示すような略１０°の傾きを持った矩形波状のゲージパターンで形成されている。図１１（ａ）は長いグリッド長Ｌを有する単位の横圧歪ゲージ９ａを、図１１（ｂ）は短いグリッド長Ｌを有する単位の横圧用歪ゲージ９ａを示す。これら単位の横圧歪ゲージ９ａのゲージ抵抗（３５０Ω）のパターンゲージは一単位で６つの凸部と５つの凹部からなる６個の凹凸パターン３３で形成され、一つのパターンについてグリッドを２本配設して２個の出力信号が得られるようにしている。これにより「かど」の丸められた１つの凹凸パターン３３で右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に５°間隔で歪信号としてのＱデータを測定することが可能となり、右車輪１Ｒの回転時に１単位の横圧歪ゲージ９ａによって６個のＱデータを得ることが出来る。従って、右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向にトータル５×６＝３０°の角度範囲をカバーするようになされる。
【００３６】
この様な１単位の横圧歪ゲージ９ａは図４（ａ）では第１象限の０°〜９０°の角度範囲、第２象限の９０°〜１８０°の角度範囲、第３象限の１８０°〜２７０°の角度範囲、第４象限の２７０°〜０°の各々の角度範囲内に夫々３個が貼付けられ、３６０°の切溝３６の全周内には４×３＝１２個の単位歪ゲージ９ａが貼付けられている。従って、従来の文献３に記載の取得可能なＱデータが４〜８であるのに比べ本発明では、１回転で７２のＱデータが取得可能となる。
【００３７】
また、１単位当たりの横圧歪ゲージ９ａと次の横歪ゲージ９ａ間には右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に２.５°のスペースを設け、この横圧歪ゲージ９ａの両端に設けた端子３７を介して隣接する歪ゲージ９ａ同士を直列接続するようになされている。図４（ａ）に於いては、第１象限乃至第４象限内の直列接続された３個の横圧歪ゲージ群を夫々Ａ３、Ａ４、Ａ１、Ａ２と示している。
【００３８】
次ぎに、上記した、横圧センサ９を右車輪１Ｒの内側に取付ける方法を図５によって説明する。図５は、右車輪１Ｒを内側〔図６（ａ）の矢印Ｄ方向〕から視た外観配置図であり、右車輪１Ｒの内側の切溝３５内には右車輪１Ｒを外側から視た図４（ａ）と同様に円周の第１象限乃至第４象限内の夫々の１象限内に３個の単位の横圧歪ゲージ９ａが直列に接続されて貼付けられている。この、図５に示す第１象限のＡ４の範囲は、図４（ａ）を紙面の裏側から視たものと同一なので、表裏で図４（ａ）のＡ３の範囲に対応し、図５のＡ３の範囲は図４（ａ）のＡ４の範囲に、図５のＡ２の範囲は図４（ａ）のＡ１の範囲に、図５のＡ１の範囲は図４（ａ）のＡ２の範囲に表裏（内外）に於いて対応している。
【００３９】
右車輪１Ｒの内側に配設される横圧センサ９の単位の横圧歪ゲージ９ａは図４（ａ）と同様に図５に示され、図１１（ａ）（ｂ）に示すような矩形波状のゲージパターンで形成されている。即ち、単位の横圧歪ゲージ９ａのパターンゲージは一単位で６つの凸部と５つの凹部からなる６個の凹凸パターン３３が形成され、一つのパターンについてグリッドを２本配設して２個の出力信号が得られるようにしている。これにより、１つの凹凸パターンで車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に５°間隔で歪信号を測定することが可能となり、１単位の歪ゲージ９ａによって６個のデータを得ることが出来る。従って、右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向にトータル５×６＝３０°の角度範囲をカバーするようになされる。
【００４０】
この様な１単位の歪ゲージ９ａは図５では第１象限の０°〜９０°の角度範囲、第２象限の９０°〜１８０°の角度範囲、第３象限の１８０°〜２７０°の角度範囲、第４象限の２７０°〜０°の各々の角度範囲内に夫々３個が貼付けられ、切溝３５の全周内には４×３＝１２個の単位の横圧歪ゲージ９ａが貼付けられて１回転で７２のＱデータが取得可能となる。
【００４１】
また、１単位当たりの横圧歪ゲージ９ａと次の横圧歪ゲージ９ａ間には右車輪１Ｒの中心部１６から放射方向に２.５°のスペースを設け、この横圧歪ゲージ９ａの両端に設けた端子３７を介して隣接する横圧歪ゲージ９ａ同士を直列接続するようになされている。図５に示す第１象限乃至第４象限内の直列接続された３個の横圧歪ゲージ群は夫々Ａ４、Ａ３、Ａ２、Ａ１の符号で示している。また、右車輪１Ｒの板部３４には端子台３９が配設され、右車輪１Ｒの表裏（内外）に配設した横圧センサ９を接続中継するようになされている。
【００４２】
上述の右車輪１Ｒの表裏面に貼付けられた、横圧センサ９の横圧測定用ブリッジ回路の構成を図４（ｂ）に示す。右車輪１Ｒの内側の横圧センサ９の横圧歪ゲージ群Ａ１、Ａ２の直列回路をブリッジ回路の一辺を形成する交点Ａ、Ｂ間に接続させることで右車輪１Ｒの１８０°をカバーする。また、右車輪１Ｒの外側の横圧センサ９の横圧歪ゲージ群Ａ１、Ａ２の直列回路をブリッジ回路の一辺を構成する交点Ａ、Ｄ間に接続させることで右車輪１Ｒの１８０°をカバーする。さらに、内側の横圧センサ９の横圧歪ゲージ群Ａ３、Ａ４の直列回路をブリッジ回路の一辺を構成する交点Ｄ、Ｃ間に接続させることで右車輪１Ｒの１８０°をカバーする。さらに、また右車輪１Ｒの外側の横圧センサ９の横圧歪ゲージ群Ａ３、Ａ４の直列回路をブリッジ回路の一辺を構成する交点Ｃ、Ｂに接続させることで右車輪１Ｒの１８０°をカバーさせて全体として右車輪１Ｒの全周３６０°をカバー可能なホイートストンブリッジ回路を構成する。表裏面に配設された横圧センサ９は端子台３９を介して右車輪１Ｒの表裏で互いに接続されている。図４（ｂ）で４０は温度補償回路出力点、４１は平衡調整回路出力点を構成する。
【００４３】
上記した横圧センサ９の場合、輪重センサ８に比べ取得するＱデータの数が粗いようにみえるが、横圧の応力分布が広いために少ない数の横圧センサ９であっても複数の単位の横圧歪ゲージ９ａにＱデータが入力されるため、途中のＱデータ抜けをなくすことが出来る。尚、図１０及び図１１（ａ）（ｂ）で示す凹凸パターン３３のグリッド長Ｌは５ｍｍ〜１０ｍｍ程度に選択されている。
【００４４】
上記したように、車輪１に貼付けられた輪重センサ８及び横圧センサ９の歪ゲージとしては、輪重及び横圧のＰデータ及びＱデータ出力を増大させるためにｐｔ−ｗ線のようにゲージ率の高い、例えば、ＤＣ電源方式のブリッジ回路の半導体歪ゲージ（Ｇ．Ｆ２００）として１００倍程度のものを用いる。また、ブリッジ抵抗大きくすることにより、ブリッジ電圧を従来の２Ｖから２５倍のＡＣ５０Ｖで数ＫＨｚの搬送波に昇圧しているので２５０μＶの大きな出力が得られる。インバータやコンバータのノイズを避けるために搬送周波数は数ＫＨｚを採用する。さらに、また、Ｐデータ測定時のＡＣ型ストレインアンプの増幅度は２万倍程度を選択し、Ｑデータ測定時のＡＣ型ストレインアンプの増幅度は１万倍程度を選択する。
【００４５】
上記した鉄道車体３の車輪１がレール７Ｌ、７Ｒを点接触しながら走行して行く時の車輪１に作用する輪重Ｐ１及び横圧Ｑ１並びに接線力Ｔ１は図６（ａ）（ｂ）のように作用し、車輪１がレール７Ｌ、７Ｒ上を点接触回転する際には図１２（ａ）（ｂ）に示すような車輪１の垂直な輪重Ｐ１のみを検出する、この際、接線力Ｔ１や曲げ力をキャンセルした引張力の加わらない圧縮力のみの連続した輪重波形５０を得るようにする。また、レール７Ｌ、７Ｒ間では左右車輪１Ｌ、１Ｒ間で車軸２を介して押し合う力が働くため図１２（ｂ）に示す様な横圧のＱデータが得られる。この際、車軸２の曲げ力のみを検出し、車輪１の垂直力をキャンセルする様にする。鉄道車体３が走行している間は引張力歪と圧縮力歪が加わるため図１２（ｂ）の横圧波形５１のように振幅は可変する。鉄道車体３が停車中の横圧は零となる。
【００４６】
次に、本発明の１形態例を示す鉄道車体３のレール７Ｌ、７Ｒへの乗り上がり脱線を防止するための脱線係数測定装置とその測定方法により鉄道車両の姿勢・速度制御を行うための全体的な系統図を図１３に示す。
【００４７】
図１３に於いて、図９で説明した安定化電源２７からの電圧を高電圧ブリッジ電源としたブリッジ電源回路１７ａ、１７ｂ（図８参照）からの電源電圧は図２（ｂ）及び図４（ｂ）で説明したホイートストンブリッジ回路４２に供給される。車輪１に貼付けられた輪重センサ８及び横圧センサ９によって、このホイートストンブリッジ回路４２から図１２（ａ）（ｂ）に示すアナログ測定信号としての輪重信号波形５０及び横圧信号波形５１が検出される。これ等信号波形５０及び５１はストレインアンプ４３で増幅され、アナログ−デジタル変換回路（以下Ａ／Ｄと記す）４４によりデジタル変換された後に図８（ａ）で説明した送信機１８ａ、１８ｂの送信アンテナ１５を介して車輪１側の回転部からカバー２２の固定部側の受信アンテナ２４に３００ＭＨｚ単位の電波で、送信される。受信アンテナ２４で受信された輪重信号波形５０及び横圧信号波形５１の電波は信号伝送用受信機２５で受信され、デジタル−アナログ変換回路（以下Ｄ／Ａと記す）４５でアナログ変換された後に出力モニタ４６に供給されて波形のモニタが成されると共にメモリ４７及びコンピュータ（以下、ＣＰＵと記す）４８内の輪重・横圧データ演算部４８ａ及び脱線係数演算部４８ｂ並びに比較部４８ｃに供給される。
【００４８】
ＣＰＵ４８内の輪重・横圧データ演算部４８ａで輪重信号波形５０及び横圧信号波形５１はＰデータ及びＱデータに変換演算され、脱線係数演算部４８ｂによって脱線係数ＤＦ＝Ｑ／Ｐの演算がなされる。さらに、Ｐデータ及びＱデータがメモリ４７内に格納されている安全脱線係数の上限値ＤＦ１＝０．８以内であるか否かの比較が比較部４８ｃで行われ、ＤＦ１＝０.８以上であれば、モータ制御回路５２によって車輪１を駆動するインバータモータの動力を増加させ、回転数を減速するように制御する速度制御部５３をコントロールする。また、ＤＦ１＝０.８以上であれば、空気圧制御回路５４を介して車両姿勢制御部５５をコントロールする。この空気圧制御回路５４は図６で説明した空気バネ４の空気圧力をコントロールする。車両姿勢制御部５５は鉄道車体３の振動を抑制するものではなく、鉄道車体３の振動と位相が１８０°ずれた波形で鉄道車体３を加振して鉄道車体３の揺れをキャンセルするような制御を行うものである。
【００４９】
以下、上記した  輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法のＰデータ及びＱデータを計測方法のフローチャートを図１４によって説明する。図１４に於いて、第１ステップＳ１に於いて、鉄道車体３は空車状態で静止輪重（Ｐデータ）を計測する。この計測は年に１回程度の定期点検により行われ、測定機器の電気的な零点調整を取らない状態で測定を行うように成される。このように、静止輪重の計測を行なうのは、計測走行中の輪重変動の測定値に誤差が混入するのを防止するためである。従って、静止輪重値を精度よく求める必要がある。
【００５０】
静止輪重の測定方法としては、ロードセルと油圧ジャッキを用いて、鉄道車体３を持ち上げてロードセル出力と測定装置のデータを比較することで行う。即ち、鉄道車体３の見かけの静止輪重出力は鉄道車体３の静止輪重値及び測定装置のゼロオフセット値並びにブリッジ回路の初期不平衡値が加算された出力値Ｘとなるが、鉄道車体３の車輪１を片側ずつ持ち上げ測定機器のオートバランスを取らない状態で計測することで、鉄道車体３の静止輪重値を差し引いた残り電圧の測定結果は測定装置の計器の零オフセット値及びブリッジ回路の不平衡値を加算した出力値Ｙとなるため、真の静止輪重値Ｗ＝Ｘ−Ｙで求めることが出来る。
【００５１】
次に、図１４の第２ステップＳ２は日常運転時の開始点を示し、第３ステップＳ３では、鉄道車体３の空車状態に於いて測定機器の電気的零調整が行われ、図１３に示したＣＰＵ４８により、第４ステップＳ４よりＰ及びＱデータの測定を開始する。第５ステップＳ５では鉄道車体３の車両が走行を開始する。
【００５２】
第６ステップＳ６では、鉄道車体３の車両が走行中なのでＰデータ及びＱデータが出力される。第７ステップＳ７で、Ｐデータが出力されると共に第８ステップＳ８によってＱデータが出力され、出力モニタによりＰデータ及びＱデータの監視が行われると共にＰデータは第９ステップＳ９によって温度ドリフト補正が行われ、第１０ステップＳ１０により車輪１の形状や取り付け位置の関係から生ずるセンサ出力の乱れをなくすため単位の輪重歪ゲージ８ａ及び単位の横圧歪ゲージ９ａを取り付けた後で取った干渉データにより正しいＰデータ及びＱデータの出力が得られるような干渉補正がなされ、第１１ステップＳ１１により静止輪重値を加算する。Ｑデータは第１２ステップＳ１２によって温度ドリフトの補正が行われると共に第１３ステップＳ１３により干渉補正がなされ、これ等の補正されたＰデータ及びＱデータは第１４ステップＳ１４によってＰ／Ｑデータの演算がなされる。これらのＰ／Ｑデータは出力モニタによって監視がなされて第１５ステップＳ１５により脱線係数判定がなされる。
【００５３】
第１５ステップＳ１５に於いて、ＹＥＳの状態では、脱線係数ＤＦ１＝０．８以下の所定の規定値となる様な制御が行われる。第１６ステップＳ１６では鉄道車体３の姿勢制御が行われ、第１７ステップＳ１７に於いては車両の速度制御が行われる。
【００５４】
第１５ステップＳ１５に於いて、脱線係数ＤＦ１＝０．８以上のＮＯの状態では  第１８ステップＳ１８に進み、鉄道車体３の走行を継続し、第１９ステップＳ１９で車両基地に鉄道車体３を停車させ、第２０ステップＳ２０によって測定終了に至る。
【００５５】
本発明は上記した様に、車輪に生じた垂直荷重に伴う輪重歪と水平力に伴う横圧歪を各々検出する輪重歪ゲージ及び横圧歪ゲージからの計測データをブリッジ手段により輪重及び横圧測定データに変換して出力する輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法に於いて、車輪の表裏両面の所定の横圧の影響を受けない円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の前記輪重歪ゲージと、車輪の表裏両面の所定の輪重歪ゲージの配設位置とは異なる円周上に直列接続し、連続的に配設した複数の横圧歪ゲージと、を具備し、ブリッジ回路を介して輪重及び横圧測定データをリアルタイムに、連続的に出力することを特徴とする輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法としたので、鉄道車両の車輪の円周に貼り付けた輪重・横圧歪ゲージだけで高価なデータ処理装置を必要とせず、Ｐデータ及びＱデータをリアルタイムで連続的に計測可能であり、従来方式の輪重・横圧センサとその測定方法や輪重・横圧測定装置とその測定方法では測定不能な高周波の輪重変動や局部的・衝撃的な横圧変動に充分対応可能であると共にＱ／Ｐで求められる脱線係数ＤＦの値を０．８以下に保つように、車両の姿勢と走行速度を自動的に制御可能な脱線係数制御装置及びその制御方法を車両に装備することで、鉄道車両の乗り上がり脱線事故の可能性を大幅に低減可能なものが得られる。
【００５６】
本発明によれば、車輪の表裏両面の円周上に配設された複数の輪重歪ゲージの外周位置に複数の輪重用温度補償抵抗を配設させ、車輪の外面及び内面に配置した、複数の直列接続された輪重歪ゲージと、直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗を直列に接続して、外面及び内面の複数の直列接続された輪重歪ゲージ同士と、直列接続された複数の輪重用温度補償抵抗同士を対向するように接続してブリッジ回路を構成したことで、ブリッジ回路を車輪内で配線が可能で、連続的なアナログ輪重信号及び横圧信号を台車側に配設した信号伝送用受信機に送信可能となる効果を有する。
【００５７】
本発明によれば、車輪の外周位置に２４個の前記輪重歪ゲージを貼り付け、車輪の内周位置に１４個の前記横圧歪ゲージを貼り付けたことでレール上の計測間隔を１８〜１９ｍｍと小間隔とすることが出来て、従来に比べ例えば１４４個のＰデータと７２個のＱデータの如く多くの計測データを取得可能となる効果を有する。
【００５８】
上記した輪重センサ及び横圧センサ並びに輪重用温度補償抵抗の数は上記した数に限定されるものではなく、上記した数より多く配設しても良いことは明らかである。また、輪重センサ及び横圧センサはレールの側面に貼付けて輪重・横圧データを得るようにすることも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により輪重を連続的に測定するための車輪を外側から視た外観配置図である。
【図２】本発明の１形態例を示す輪重センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により輪重及び横圧を連続的に測定するための車輪を外側から視た車両輪重を測定するセンサ外観配置図及びブリッジ回路図である。
【図３】本発明の１形態例を示す輪重センサを車輪の内側に貼付けて、直接法により輪重を連続的に測定するための車輪を内側から視た車両輪重を測定するセンサ外観配置図である。
【図４】本発明の１形態例を示す横圧センサを車輪の外側に貼付けて、直接法により横圧を連続的に測定するための車輪を外側から視た車両横圧を測定するセンサ外観配置図及びブリッジ回路図である。
【図５】本発明の１形態例を示す横圧センサを車輪の内側に貼付けて、直接法により横圧を連続的に測定するための車輪を内側から視た車両横圧を測定するセンサ外観配置図である。
【図６】本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の輪重・横圧測定方法を説明する鉄道車体の車輪部分の正面図及び側面図である。
【図７】本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の軸端取付部の詳細側断面図及び平面図である。
【図８】本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置のデータ及び電力供給部の詳細側断面図及び平面図である。
【図９】本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の給電用送電部及びデータ転送用のテレメータ受信部の系統図である。
【図１０】本発明の１形態例を示す輪重センサの１つである単位の輪重歪ゲージのパターンを示す平面図である。
【図１１】本発明の１形態例を示す横圧センサの１つである異なるグリッド長のパターンを有する単位の横圧歪ゲージの平面図である。
【図１２】本発明の１形態例を示す輪重・横圧測定装置の輪重・横圧測定方法を説明するための輪重・横圧波形図である。
【図１３】本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法を説明するための全体的系統図である。
【図１４】本発明の１形態例を示す輪重・横圧センサとその測定方法及び輪重・横圧測定装置とその測定方法並びに脱線係数測定装置とその測定方法を説明するための全体的なフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１、（１Ｌ、１Ｒ）‥‥車輪（左右車輪）、２‥‥車軸、３‥‥鉄度車体、４‥‥空気バネ、５‥‥台車、６‥‥軸バネ、７Ｌ、７Ｒ‥‥軸バネ、８‥‥輪重センサ、９‥‥横圧センサ、８ａ、９ａ‥‥歪ゲージ、１０‥‥フランジ、１１‥‥軸箱、１２‥‥絶縁板、１４‥‥送信アンテナガイド、１５‥‥送信アンテナ、１６‥‥中心部、１７ａ、１７‥‥ブリッジ電源回路、１８ａ、１８ｂ‥‥送信機、１９ａ、１９ｂ‥‥山型金具、２０‥‥受電コイル、２１‥‥回転バランス調整ウエイト、２２‥‥カバー、２３‥‥送電コイル、２４‥‥受信アンテナ、２５‥‥信号伝送用受信部、２７、３１‥‥安定化電源、２８‥‥電源線、２９‥‥信号線、３０‥‥信号再生部、脱線係数演算部、アナログモニタ、３２‥‥軸受部、３３‥‥凹凸パターン、３４‥‥板部、３５、３６‥‥切溝、３７‥‥ゲージタブ、３８‥‥輪重用温度補償抵抗、３９‥‥端子台、４０‥‥温度補償微調整回路、４１‥‥平衡調整回路、４２‥‥ホイートストンブリッジ回路、４３‥‥ストレインアンプ、４４‥‥Ａ／Ｄ変換器、４５‥‥Ｄ／Ａ変換器、４７‥‥メモリ、４８‥‥ＣＰＵ、４８ａ‥‥輪重・横圧データ演算部、４８ｂ‥‥脱線係数演算部、４８ｃ‥‥比較部、５０‥‥輪重波形、５１‥‥横圧波形、５２‥‥モータ制御回路、５３‥‥速度制御部、５４‥‥空気圧制御回路、５５‥‥車両姿勢制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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