(57)【要約】【課題】  輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れる輪重横圧測定用輪軸の提供。【解決手段】  鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を測定するための輪重横圧測定用輪軸である。車軸（２）で連結された一対の内車輪（３）と、内車輪（３）の外周面にその内周面を対向させ内車輪（３）の外周で回転自在となるように支持され且つその外周面に踏面（５ａ）を有する回転環状体（５）と、少なくとも１つ以上を内車輪（３）の側面に接触するように与えられるセンサ手段（７ａ、７ｂ）と、を含むことを特徴とする。【選択図】  図２
2012093199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を測定するための輪重横圧測定用輪軸であって、
車軸で連結された一対の内車輪と、
前記内車輪の外周面にその内周面を対向させ前記内車輪の外周で回転自在となるように支持され且つその外周面に踏面を有する回転環状体と、
少なくとも１つ以上を前記内車輪の側面に接触するように与えられるセンサ手段と、を含むことを特徴とする輪重横圧測定用輪軸。
【請求項２】
前記内車輪を回転しないように固定する固定手段を更に含むことを特徴とする請求項１記載の輪重横圧測定用輪軸。
【請求項３】
前記内車輪の外周面と前記回転環状体の内周面との間にベアリング手段を介在させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の輪重横圧測定用輪軸。
【請求項４】
前記センサ手段はひずみゲージとこれらを結線するブリッジ回路からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の輪重横圧測定用輪軸。
【請求項５】
前記センサ手段は前記車輪の側面に埋め込まれたロードセルであることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の輪重横圧測定用輪軸。
【請求項６】
鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を測定するための測定方法であって、
車軸で連結された一対の内車輪と、
前記内車輪の外周面にその内周面を対向させ前記内車輪の外周で回転自在となるように支持され且つその外周面に踏面を有する回転環状体と、
少なくとも１つ以上を前記内車輪の側面に接触するように与えられるセンサ手段と、を含む輪重横圧測定用輪軸を用いて、
前記内車輪を回転させることなく、前記回転環状体を前記内車輪に対して回転させることを特徴とする輪重及び／又は横圧を測定するための測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び横圧の測定方法及び測定用の輪軸に関し、特に、この輪重及び横圧を連続測定する測定方法及び測定用輪軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の走行安全性試験などにおいて、実際に車両を走行させながらその車輪とレールとの接触で生じる上下方向の力（輪重）及び左右方向の力（横圧）を車両上から測定（ＰＱ測定）し、各種の評価が行われている。
【０００３】
非特許文献１には、このようなＰＱ測定のいくつかの方法が開示されている。例えば、車輪の円盤板部両面に複数のひずみゲージを貼付して、輪重値と横圧値とを求める方法について述べている。詳細には、ひずみゲージは、車輪の円盤板部両面の車軸から放射状に一定距離だけ離れた２つの同心円上に所定間隔で、例えば、９０度の回転角度間隔で貼付される。この複数のひずみゲージは所定のブリッジ回路に結線され、その出力信号は動ひずみアンプへ送出されて増幅された後、データ処理装置で処理されて、輪重値及び横圧値が求められる。ここで、ひずみゲージは車輪の回転に追従して回転運動するため、出力信号を車輪の外部に引き出すための電線が撚れてしまわないよう、モータのブラシのような摺動接触電極を含むスリップリングを与えて、車両上の動ひずみアンプなどへ結線されている。
【０００４】
ところで、上記した９０度の回転角度間隔でひずみゲージを車輪に貼付したＰＱ測定法では、車輪が１回転するごとにひずみゲージの位置に対応した４点で輪重値及び横圧値を得られる。一方で、例えば、ひずみゲージを多数貼付することで、その位置に対応してより連続的に輪重値及び横圧値を得られる。しかしながら、これらを結線するブリッジ回路が複雑になるとともにその取り扱いも煩雑になってしまう。また、スリップリングによる結線も複雑になるとともに、出力信号にノイズを含みやすくなりローパスフィルタなどの処理装置も複雑になる。故に、ひずみゲージの位置に対応して得られる輪重値及び横圧値の間を補完して連続的に変化を測定できる測定方法も求められた。
【０００５】
再び、非特許文献１では、必要なひずみゲージの数を大幅に増やすことなく、車輪とレールの接触位置を検出してこれから得られる回転角度に応じてブリッジ回路からの信号を補正することで、連続的に輪重値及び横圧値の変化を求める方法も開示している。回転角度はロータリーエンコーダをスリップリングに組み込んで求めると述べられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】金元啓幸著、「鉄道車両の走行安全性を測る」、Ｒａｉｌｗａｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｒｅｖｉｅｗ、２００９年６月号、ｐａｇｅ２〜５、財団法人研友社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、スリップリングからの信号は、その接触電極の接触抵抗などに影響を受けやすく、精密な測定のためには安定した出力を得られる他の方法が求められる。また、非特許文献１に開示されたような連続的に輪重値及び横圧値の変化を測定する方法では、ロータリーエンコーダをスリップリングに組み込むため、更に、安定した出力を得られる方法が求められる。
【０００８】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、輪重及び横圧を連続測定でき、しかもその測定精度に優れる測定方法及び輪重横圧測定用輪軸を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を測定するための輪重横圧測定用輪軸であって、車軸で連結された一対の内車輪と、前記内車輪の外周面にその内周面を対向させ前記内車輪の外周で回転自在となるように支持され且つその外周面に踏面を有する回転環状体と、少なくとも１つ以上を前記内車輪の側面に接触するように与えられるセンサ手段と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を回転しない内車輪で測定することが出来て、出力信号のノイズを大幅に低減できる。つまり、輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れるのである。
【００１１】
上記した発明において、前記内車輪を回転しないように固定する固定手段を更に含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、内車輪を確実に固定し、出力信号のノイズを大幅に低減できる。つまり、輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れるのである。
【００１２】
上記した発明において、前記内車輪の外周面と前記回転環状体の内周面との間にベアリング手段を介在させたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、内車輪に対して回転環状体をスムーズに回転せしめることが出来て、出力信号のノイズを大幅に低減できる。つまり、輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れるのである。
【００１３】
上記した発明において、前記センサ手段はひずみゲージとこれらを結線するブリッジ回路からなることを特徴としてもよい。若しくは、前記センサ手段は前記車輪の側面に埋め込まれたロードセルであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、出力信号のノイズを大幅に低減しつつこれを処理装置に導き処理できるから、その測定精度に優れるのである。
【００１４】
更に、本発明は、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を測定するための測定方法であって、車軸で連結された一対の内車輪と、前記内車輪の外周面にその内周面を対向させ前記内車輪の外周で回転自在となるように支持され且つその外周面に踏面を有する回転環状体と、少なくとも１つ以上を前記内車輪の側面に接触するように与えられるセンサ手段と、を含む輪重横圧測定用輪軸を用いて、前記内車輪を回転させることなく、前記回転環状体を前記内車輪に対して回転させることを特徴としてもよい。
【００１５】
かかる発明によれば、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重及び／又は横圧を回転しない内車輪で測定することが出来て、出力信号のノイズを大幅に低減できる。つまり、輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による輪軸の斜視図である。
【図２】本発明による輪軸の要部の側面図及び断面図である。
【図３】輪重横圧の測定方法に用いられる回路図である。
【図４】輪重横圧の測定に用いられるセンサと処理装置のブロック図である。
【図５】本発明による輪軸を用いた輪重及び／又は横圧の測定方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明による１つの実施例である輪軸について、図１乃至図４を用いてその詳細を説明する。
【００１８】
図１に示すように、輪軸１は、車軸２の両端部に固定された内車輪３、及び、その外周側に配置され車軸２を回転軸として回転する環状の回転体５を含む。内車輪３を固定したまま、回転体５によりレールの上を走行させると、鉄道車両の走行時に車輪とレールとの接触で生じる輪重や横圧を回転しない内車輪３で測定できる。
【００１９】
詳細には、車軸２は、２枚の内車輪３の中心部を貫通し互いに締まり嵌め固定されている。車軸２の内車輪３からの両突出端部は、図示しない軸箱によって支持される。内車輪３は、その外周面として軸方向に傾斜したテーパ面３ｃを有している。内車輪３の主面には、その中心軸から一定の距離をとった位置に、盤面を貫く円筒形の貫通孔であるセンサ取り付け用孔３ａ（図２参照）が削孔されている。
【００２０】
車軸２には、２枚の内車輪３の間の所定位置にブレーキディスク４ａが取り付けられる。また、図示しないブレーキパッド等のブレーキとして必要な機構も取り付けられる。後述するように、内車輪３は、センサ取り付け用孔３ａを中心軸の鉛直下方に位置させるようにブレーキ４で車軸２とともに回転しないように固定される。また、例えば、車軸２と図示しない台車枠とを固定して接続する部材を用いるなど、他の方法によって内車輪３を固定してもよい。しかしながら、ブレーキ４を使用することで内車輪３を容易且つ確実に固定できる。
【００２１】
図２に示すように、内車輪３の外周にはベアリング６がこれを囲むようにして嵌め込まれる。ベアリング６は、内輪６ｃと、外輪６ｂと、複数のベアリング球６ａとを含む。内輪６ｃは、その内周面として内輪内周面６ｄを有する環状体であって、内輪内周面６ｄをテーパ面３ｃに対して密着させて内車輪３に固定されている。内輪６ｃの外周側にはベアリング球６ａが配置される。さらにその外周には、環状体である外輪６ｂが配置される。内輪６ｃと外輪６ｂとによって、ベアリング球６ａを挟んで保持する。ベアリング６において、外輪６ｂを回転させても、ベアリング球６ａの転動により内車輪３に固定されている内輪６ｃを回転させない。
【００２２】
ベアリング６の外周側には、これを囲むように環状の回転体５が配置される。回転体５は、その内周面である回転体内周面５ｃを外輪６ｂの外周面に密着させるようにして外輪６ｂに固定されている。つまり、回転体５はベアリング６を介して内車輪３に取り付けられており、内車輪３のテーパ面３ｃにその内周面を対向させて回転自在となるように支持されている。そのため、回転体５を回転させても、固定された内車輪３は連動せず回転しない。また、輪軸１の取り付けられた車両で軌道に配置されるレール上を走行できるように、回転体５の外周面は、通常の車輪の外周面と同様に、走行中にレールに接触する軸方向に傾斜した踏面５ａとフランジ５ｂとを有している。
【００２３】
このような輪軸１は、軌道のレール上を走行する図示しない鉄道車両に取り付けられて使用される。これにより、鉄道車両の走行時にレールとの接触で生じる輪重や横圧を内車輪３で計測することが出来る。
【００２４】
図２に示すように、２枚の輪重ひずみゲージ７aは、内車輪３のセンサ取り付け用孔３aの内周面にあって、そのひずみの計測方向を内車輪３の半径方向に沿うようにして、互いに対向するように接着される。２枚の輪重ひずみゲージ７aは、２つの固定抵抗Ｒとともに輪重ブリッジ回路７ｃに組み込まれる（図３（ａ）参照）。
【００２５】
ここで内車輪３に対して回転体５の踏面５ａを介してレールから垂直方向に加えられる半径方向に作用する力（輪重）は、センサ取り付け用孔３ａの周囲を半径方向に圧縮する。これにより、２枚の輪重ひずみゲージ７aには共に圧縮方向のひずみが与えられる。この２枚の輪重ひずみゲージ７aから計測される２つのひずみは圧縮ひずみとして計測できる。このようにすることで、センサ取り付け用孔３aの周囲における回転体５の回転方向のひずみは除去されて、圧縮ひずみを正確に計測し得る。なお、内車輪３に作用した輪重とセンサ取り付け用孔３aの内周面に生じるひずみとの関係を事前にシミュレーションして、計測した圧縮ひずみから輪重を求めることもできる。
【００２６】
また、図２に示すように、２枚の横圧ひずみゲージ７ｂは、車輪３の両主面上に互いに対向するように接着される。横圧ひずみゲージ７ｂは、ひずみの計測方向を内車輪３の半径方向として、内車輪３の中心軸とセンサ取り付け用孔３aとを結ぶ線上に取り付けられる。
【００２７】
ここでも２枚の横圧ひずみゲージ７ｂは、２つの固定抵抗Ｒとともに輪重ブリッジ回路７ｄに組み込まれる（図３（ｂ）参照）。２枚の横圧ひずみゲージ７ｂは４角形に組まれた横圧ブリッジ回路７ｄの隣り合う辺で且つ印加される電圧に対して直列に配置される。
【００２８】
ここで内車輪３に対してレールの左右方向に加えられる力（横圧）は、内車輪３の中心軸から下方において曲げひずみを発生させる。内車輪３の主面上に接着された２枚の横圧ひずみゲージ７ｂは、これによって一方が伸び方向のひずみを、他方が圧縮方向のひずみをそれぞれ与えられ、曲げひずみを計測できる。これによって、内車輪３の半径方向の圧縮ひずみを除去し得て、曲げひずみを正確に計測し得る。なお、内車輪３に作用した横圧と横圧ひずみゲージ７ｂの接着位置に生じる曲げひずみとの関係は事前にシミュレーションして、曲げひずみから横圧を求めることができる。
【００２９】
なお、上記したように、内車輪３はセンサ取り付け用孔３ａを中心軸の鉛直下方に位置させて固定されるので、輪重ひずみゲージ７a及び横圧ひずみゲージ７ｂの接着された位置（ひずみの計測箇所）は内車輪３の中心軸の鉛直下方で固定される。
【００３０】
図４に示すように、輪重ブリッジ回路７ｃ及び横圧ブリッジ回路７ｄはケーブル９によって、後述する処理装置１０内の動ひずみアンプ１０ａに接続される。図３を併せて参照すると、輪重ブリッジ回路７ｃ及び横圧ブリッジ回路７ｄに生じたそれぞれ点Ｃ１及びＣ２間の電位差及び点Ｄ１及びＤ２間の電位差は、ケーブル９によって処理装置１０に伝えられる。
【００３１】
処理装置１０の動ひずみアンプ１０ａは、検出した電位差を増幅するとともに、これに応じたアナログ電気信号を出力する。ローパスフィルタ１０ｂは、ノイズを含む高周波成分を除去しデジタル信号を出力する。解析装置１０ｃは、このデジタル信号から輪重ひずみゲージ７a及び横圧ひずみゲージ７ｂの接着された部位のひずみを算出し、これを元に内車輪３に作用した輪重及び横圧を計算する。また、記録装置１０ｄは、求められた輪重及び横圧を所定の時間間隔で電子データとして記録する。なお、輪重ブリッジ回路７ｃの点Ｃ３及びＣ４間、横圧ブリッジ回路７ｄの固定抵抗Ｒ及び横圧ひずみゲージ７ｂの間の点Ｄ３及びＤ４間にはそれぞれ所定の電圧が与えられている。
【００３２】
次に、輪軸１を使用した輪重及び横圧の測定方法について図５に併せて図１乃至図４を参照しつつ、詳細に説明する。
【００３３】
図５に示すように、内車輪固定ステップ（Ｓ１）では、センサ取り付け用孔３aを内車輪３の中心軸に対して鉛直下方に位置させるように車軸２とともに内車輪３をブレーキ４によって固定する（図１及び図２参照）。内車輪３の周方向の位置のうち、内車輪３に加わる輪重及び横圧による圧縮ひずみ及び曲げひずみの計測に最も適した位置にそれぞれ輪重ひずみゲージ７a及び横圧ひずみゲージ７ｂが接着される。つまり、回転しない内車輪３の特定位置でひずみは計測されるので、後述する輪重横圧測定ステップ（Ｓ３）において、内車輪３に対して作用する輪重及び横圧を正確に、しかも連続して測定できる。
【００３４】
さらに、センサ取り付けステップ（Ｓ２）では、輪重ひずみゲージ７ａがセンサ取り付け用孔３aの内周面に接着される。また、横圧ひずみゲージ７ｂは、内車輪３の２つの主面上に接着される。図３を参照すると、輪重ひずみゲージ７ａ及び横圧ひずみゲージ７ｂはそれぞれ輪重ブリッジ回路７ｃ及び横圧ブリッジ回路７ｄを構成するように結線される。また、図４に示すように、輪重ブリッジ回路７ｃ及び横圧ブリッジ回路７ｄはケーブル９によって処理装置１０に接続される。
【００３５】
続いて、輪重横圧測定ステップ（Ｓ３）では、輪軸１の取り付けられた車両に軌道のレール上を走行させ、踏面５ａやフランジ５ｂに接触するレールによって回転体５を車軸２に対して相対的に回転させる。このとき、内車輪３はブレーキ４によって固定されて回転せず、ベアリング６によって内車輪３に対して回転自在に支持されている回転体５のみが回転する。これによりレールと踏面５ａやフランジ５ｂとの接触により回転体５を介して内車輪３に輪重や横圧が作用する。その上で、処理装置１０による輪重及び横圧の測定と記録を開始させる。
【００３６】
回転体５に輪重及び横圧が作用すると内車輪３にひずみが生じる。このひずみは、内車輪３に接着した輪重ひずみゲージ７ａ及び横圧ひずみゲージ７ｂの電気抵抗の変化として捕捉され、処理装置１０によって計測され記録される。より詳細には、動ひずみアンプ１０ａは、輪重ブリッジ回路７ｃの互いに対向する点Ｃ１及びＣ２間の電位差を検出する。また、横圧ブリッジ回路７ｄの２つの固定抵抗Ｒの間の点Ｄ１と、２枚の横圧ひずみゲージ７ｂの間の点Ｄ２との電位差を検出する。動ひずみアンプ１０ａは、検出した電位差を増幅するとともにひずみ値に換算して、これに応じた電気信号を出力する。つまり、輪重ひずみゲージ７ａ及び横圧ひずみゲージ７ｂのひずみに応じた電気信号を出力する。この電気信号はローパスフィルタ１０ｂに入力されて、ノイズを含む高周波成分が除去されて出力される。そして、ローパスフィルタ１０ｂから出力された電気信号によって、解析装置１０ｃは、内車輪３に作用した輪重及び横圧を与える。この輪重及び横圧は、記録装置１０ｄに所定の時間間隔で電子データとして記録される。
【００３７】
本実施例によれば、鉄道車両の走行時にレールとの接触で生じる輪重及び横圧を回転しない内車輪３で測定可能である。つまり、輪重ブリッジ回路７ｃ及び横圧ブリッジ回路７ｄからの出力信号をケーブル９を用いてスリップリングを使用しなくとも処理装置１０に伝送できて、出力信号のノイズを大幅に低減できる。しかも、ひずみの計測箇所を内車輪３の中心軸の鉛直下方に固定し、ひずみ値から輪重及び横圧を連続測定できる。つまり、輪重及び横圧を連続測定できてしかもその測定精度に優れるのである。
【００３８】
なお、ひずみゲージの代わりにロードセルを内車輪３に設けた孔内に埋め込んで、検出される荷重から輪重及び横圧を測定することもできる。輪重及び横圧を荷重から測定できるが、内車輪３は回転しないので、ロードセルからの出力信号のノイズを大幅に低減しつつ処理装置に導き得る。つまり、測定精度に優れるのである。
【００３９】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００４０】
１    輪軸
２    車軸
３    内車輪
４    ブレーキ
５    回転体
６    ベアリング
７ａ  輪重ひずみゲージ
７ｂ  横圧ひずみゲージ
７ｃ  輪重ブリッジ回路
７ｄ  横圧ブリッジ回路
９    ケーブル
１０  処理装置
【図４】
2012093199.tif 000003
【図５】
2012093199.tif 000004
【図１】
2012093199.tif 000005
【図２】
2012093199.tif 000006
【図３】
2012093199.tif 000007