(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪のフランジの厚さを演算する処理部を備えたものにおいて、前記第１距離センサと第２距離センサは、それぞれレールの踏面より下で鉄道車両の走行方向の前方から車輪のフランジ面並びにバック面までの距離を計測するように、かつ、それぞれ枕木上に設置されていることを特徴とする鉄道車両走行車輪検査装置。
【請求項２】
上記請求項１において、さらに、車輪の速度を検出する速度検出部と、該速度検出部で得られた検査対象の車輪の速度と経過時間とから車輪のフランジの各部位の位置を計算し、該車輪のフランジの各部位の位置と前記処理部で得られた車輪のフランジの厚さとから車輪のフランジの形状を再現し、前記処理部で得られた車輪のフランジの厚さと再現した車輪のフランジの形状を表示する手段とを備えたことを特徴とする鉄道車両走行車輪検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道車両走行車輪検査装置に係り、特に、鉄道車両の走行車輪の車輪径，フランジ厚さ，フランジ高さなどを非接触で計測して、車輪の摩耗状況を正確に把握することができる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の走行車輪（以下、車輪と略記する）は、その内側部分のフランジに案内されてレール面上を走行しているが、特に、曲線通過時にはフランジ外面とレール内側面との間に横圧とすべりが発生し、徐々にフランジ摩耗が生ずる。この車輪のフランジ摩耗がさらに進み、一定限界を超えると車両が脱線するという重大事故につながるので、この車輪フランジの摩耗状況を監視しておかなければならない。
【０００３】
そのため、特公昭５７−３７８０１号公報に見られるように、接触子を車輪のフランジに当てがって、接触子の移動具合を差動変圧器に伝え、電気信号に変換して人手と労力を軽減することが提案されている。
【０００４】
また、特開平７−２４３８４５号公報に見られるように、レールの外側に設置した第１距離センサで鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を非接触で計測し、レールの内側に設置した第２距離センサで車輪の内側のバック面までの距離を非接触で計測し、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪のフランジの厚さを演算し、人手と労力を軽減することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来の接触式の摩耗検査装置では、車輪がレール面上をいくら滑らかに走行するといっても、車輪が測定治具に当る際に測定治具に振動や摩耗やずれなどが生じ、測定精度が次第に低下する等の問題がある。また、車輪が測定治具に直接当るので、測定治具の耐久性に問題がある。さらに、測定治具の寿命の点で保守が必要になり、大幅な人手と労力の軽減上に問題がある。
【０００６】
また、上述の従来の非接触式の摩耗検査装置では、第１，第２の両距離センサから車輪に真横の方向から計測光などを発しているが、車輪は曲面を有している為に反射光などを正確に補足し難く、鉄道車両の重量によっては通過時にレールが沈むことなどもあって、車輪摩耗量の測定精度の面で問題がある。
【０００７】
それゆえ、本発明の目的は、車輪の摩耗状況を正確に把握することができ、また装置の耐久性が高く、さらに装置の保守による人手と労力を軽減できる鉄道車両走行車輪検査装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、レールの外側に設置され、鉄道車両の車輪の外側のフランジ面までの距離を非接触で計測してその計測結果を出力する第１距離センサと、レールの内側に設置され、車輪の内側のバック面までの距離を非接触で計測してその計測結果を出力する第２距離センサと、その第１距離センサと第２距離センサのそれぞれの計測結果および該第１距離センサと第２距離センサの設置に係わる距離のデータから車輪のフランジの厚さを演算する処理部を備えたものにおいて、前記第１距離センサと第２距離センサを、それぞれレールの踏面より下で鉄道車両の走行方向の前方から車輪のフランジ面並びにバック面までの距離を計測するように設置することにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鉄道車両走行車輪検査装置の一実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００１０】
図１において、１０はレール１１上を車輪１００で走行する鉄道車両である。
【００１１】
この車輪１００は、図２に示すように、外側の部分から内側の部分までの外周面の外径が徐々に大となるように形成された踏面１０１と、内側の部分に一体に設けたフランジ１０２とからなる。フランジ１０２の外周面は、踏面１０１から連続しかつ内側から外側に行くに従って肉厚が徐々に薄くなるような凸曲面をなす。車輪１００には、図３に示すように基準溝１０３を有しており、この直径Ｗｓは基準で定められている。なお、車輪１００の外側のフランジ面１０４をフランジ外面と称し、また車輪１００の内側のフランジ面（車輪１００の内側のバックゲージ面）１０５を車輪内面と称する。車輪１００の踏面１０１がレール１１の上面の踏面（レール面）１１ａ上を走行する際、車輪１００のフランジ外面１０４がレール１１の内側の側面で案内される。
【００１２】
図１，図２において、１ａ及び１ｂはレール１１の外側と内側に設置し、レール１１上を走行してきた鉄道車両１０を車輪１００との距離（センサからの最短距離）を測定する非接触式の第１距離センサ及び第２距離センサで、枕木１２上に設置されている。この第１距離センサ１ａはレール１１の外側に設置され、車輪１００のフランジ外面１０４までの距離Ｌ３を時系列に計測出力するものである。また、第２距離センサ１ｂはレール１１の内側に設置され、車輪内面１０５までの距離Ｌ４を計測出力するものである。
【００１３】
この距離センサ１ａ，１ｂとしては、内部のコイルに高周波電流を流して高周波磁界を発生させ、その磁界内に測定対象の金属が入ってくると電磁誘導作用によって金属表面に渦電流が発生し、この渦電流の大小でセンサと対象物の距離を測定することを利用した渦電流式変位センサや、発光ダイオードや半導体レーザを用いた発光素子と光位置検出素子の組合せで構成された光学式変位センサや、超音波を測定対象物に向けて発射し、その音波が対象物から反射波として戻ってくるまでの時間を計測することでセンサと対象物の距離を測定する超音波式変位センサ等が利用できる。各距離センサ１ａ、１ｂはこれらが発せられる光等がレール１１で遮られないように、θ１及びθ２の設置角度をつけている。この第１距離センサ１ａの設置角度θ１と第２距離センサ１ｂの設置角度θ２は、同一であっても良いし異なっていても良い。また、各距離センサ１ａ，１ｂは鉄道車両１０の走行方向の前方から車輪１００に計測のための光等を発するので、フランジ１０２の凸曲面を直射して反射するようになっている。
【００１４】
各距離センサ１ａ，１ｂでの計測結果Ｌ３及びＬ４は、図５に示すように、第１増幅部２ａ及び第２増幅部２ｂで増幅し、第１Ａ／Ｄ変換部３ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部３ｂで逐次Ａ／Ｄ変換していく。
【００１５】
図１に戻って、５は上記第１距離センサ１ａ及び第２距離センサ１ｂによって距離Ｌ３，Ｌ４を計測される車輪１００の速度を（鉄道車両１０の走行方向イに沿った車輪１００の移動速度）を検出する速度検出部である。
【００１６】
この速度検出部５は、例えば距離センサ１ａ、１ｂのような渦電流式、光学式、超音波式のもので、図１に示すように、２個の検出部５ａ，５ｂを鉄道車両１０の走行方向イにおいて車輪１００と距離センサ１ａ、１ｂの間になるように配置している。
【００１７】
この速度検出部５は、上記２個の検出部５ａ，５ｂ間（一方の検出部５ａから他方の検出部５ｂまでの間）を通過する車輪１００の通過時間からその車輪１００の速度を得るものである。また、この速度検出部５は、検査対象の車両１０が２個の検出部５ａ、５ｂ間を通過する時の経過時間を得るものである。
【００１８】
速度検出部５での計測結果は、距離センサ１ａ，１ｂでの計測結果とともに図５に示すように第１制御部４ａ，第２制御部４ｂに送られる。
【００１９】
この第１制御部４ａ及び第２制御部４ｂでは、第１Ａ／Ｄ変換部３ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部３ｂからの計測データと上記速度検出部５からの車輪１００の速度及び経過時間とを逐次取込み、記憶部６に格納させる制御を行う。また、第１制御部４ａ及び第２制御部４ｂは、速度検出部５で得られた車輪１００の速度に応じて、第１Ａ／Ｄ変換部３ａ及び第２変換部３ｂから出力されるデータをサンプリングする周期を適宜変えるように構成されている。
【００２０】
記憶部６は、第１制御部４ａ及び第２制御部４ｂにそれぞれ接続されており、第１Ａ／Ｄ変換部３ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部３ｂからの出力データと速度検出部５からの車輪１００の速度と経過時間のデータを第１制御部４ａ及び第２制御部４ｂの制御によって逐次格納する。
【００２１】
７は処理部で、記憶部６に格納された計測データと予め固定して設置されている第１距離センサ１ａ，第２距離センサ１ｂの間の距離Ｌ０（図２参照）と第１距離センサ１ａの設置角度θ１及び第２距離センサ１ｂの設置角度θ２と車輪検出部５で検出される車輪速度から後述する数式１〜９によって、逐次車輪１００のフランジ１０２の厚さｄ，フランジ１０２の高さｆｈ（図３参照），車輪１００の直径Ｗｄ（同じく、図３参照）を演算し、車輪の形状を求める。
【００２２】
また、処理部７は、上記のようにして得られたフランジ１０２の厚さｄ，フランジ１０２の高さｆｈ及び車輪１００の直径Ｗｄのデータを車輪１００の測定順番と共に記憶部６に格納する。さらに、速度検出部５で得られた車輪１００の速度と経過時間から車輪１００のフランジ１０２の各部位の位置と車輪１００のフランジ１０２の厚さｄ及びフランジ１０２の高さｆｈから車輪１００のフランジ１０２の形状を再現し、出力画面表示部８で表示させたり出力印字部９でハードコピーを得るようにする。
【００２３】
以下、操作作動について説明する。
【００２４】
まず、図１及び図２に示すように、フランジ１０２の摩耗状況を検査する鉄道車両１０をレール１１上を矢印イの方向に走行させ、図６に示すように、矢印ロ方向に車輪１００を回転させ、速度検出部５の２個の検出部５ａ、５ｂ間を通過させ、さらに第１距離センサ１ａと第２距離センサ１ｂとの間を走行させる。
【００２５】
すると、図２に示すように、第１距離センサ１ａはフランジ外面１０４までの距離Ｌ３を計測し、第２距離センサ１ｂは車輪内面１０５までの距離Ｌ４を計測する。このとき第１距離センサ１ａは、図６（ａ）に示すように、車輪１００のフランジ外面１０４のＢ−Ｃ間の部分，車輪１００の外側の面のＣ−Ｄ間の部分及びフランジ外面１０４のＤ−Ｅ間の部分までの距離Ｌ３を計測する。その第１距離センサ１ａからの出力波形は、図６（ｃ）に示すような波形である。なお、図６（ａ）中において、車輪１００のフランジ１０２の部分は、Ｂ−Ｃ間の部分及びＤ−Ｅ間の部分に対応する。
【００２６】
第２距離センサ１ｂは、図６（ａ）に示す車輪内面１０５のＡ−Ｆ間の部分までの距離Ｌ４を計測する。その第２距離センサからの出力波形は、図６（ｂ）に示すような波形である。
【００２７】
車両１０が重くてレール１１が沈んでも距離センサ１ａ，１ｂも車輪１００と一緒に沈むからレール１１の変形は計測結果Ｌ３，Ｌ４に影響がない。
【００２８】
次に、上記第１距離センサ１ａ及び第２距離センサ１ｂからの出力波形は第１増幅部２ａ及び第２増幅部２ｂで増幅されてから第１Ａ／Ｄ変換部３ａ及び第２Ａ／Ｄ変換部３ｂでＡ／Ｄ変換され、第１制御部４ａ及び第２制御部４ｂの制御によって逐次記憶部６に格納される。
【００２９】
一方、速度検出部５で得られた速度は、経過時間と共に制御部４ａ，４ｂの制御によって逐次記憶部６に格納される。
【００３０】
それから、処理部７において、記憶部６に格納された波形データ及び第１距離センサ１ａと第２距離センサ１ｂ間の距離Ｌ０及び第１距離センサ１ａの設置角度θ１と第２距離センサ１ｂの設置角度θ２と第２距離センサ１ｂの設置高さｈＧ（図２参照）と速度検出部５で得られた車輪速度から下記の数式１〜９によってフランジ１０２の厚さｄ及びフランジ１０２の高さｆｈ、車輪１００の直径Ｗｄが演算される。そのフランジ１０２の厚さｄ及びフランジ１０２の高さｆｈ、車輪１００の直径Ｗｄのデータは車輪の測定順番と共に記憶部に格納される。そして、必要に応じて出力画面表示部８によって、その演算結果が画面に表示されたり、または出力印字部９によって、その演算結果が印字出力されたりする。
【００３１】
図２に示すように、第１距離センサ１ａ，第２距離センサ１ｂは予め一定の距離Ｌ０及び一定の設置角度θ１、θ２及び一定の設置高さｈＧに設置されているので、第１距離センサ１ａ及び第２距離センサ１ｂで計測した距離Ｌ３及び距離Ｌ４から、車輪フランジ厚さｄは数式１〜３で算出できる。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
【数２】
0004198838.tif 000003
【００３４】
【数３】
0004198838.tif 000004
【００３５】
また、図６（ｂ）で示す第２距離センサ１ｂの出力波形における波形の立ち下がりから立ち上がりまでの距離Ｌｆをその経過時間と車輪速度から求め、車輪基準溝間横断距離Ｌｓを波形（ｂ）上の車輪基準溝１０３を示すＧ点からＨ点までの経過時間と車輪速度から求め、既知である車輪基準溝１０３の直径Ｗｓ及び第２距離センサ１ｂで計測した距離Ｌ４と設置角度θ２とその設置高さｈＧより、車輪径Ｗｄ及び車輪フランジ高さｆｈを数式４〜９で算出できる。
【００３６】
【数４】
0004198838.tif 000005
【００３７】
【数５】
0004198838.tif 000006
【００３８】
【数６】
0004198838.tif 000007
【００３９】
【数７】
0004198838.tif 000008
【００４０】
【数８】
0004198838.tif 000009
【００４１】
【数９】
0004198838.tif 000010
【００４２】
このように、本発明によれば、非接触状態で車輪フランジ厚さｄ、車輪径Ｗｄ、車輪フランジ高さｆｈを算出でき、接触状態でそれらを計測する従来の装置の諸問題を解決することができる。
【００４３】
即ち、従来の装置のような車輪が測定治具に当る際に生じる測定治具の振動や摩耗やずれ等による測定性精度の低下の慮が無く、耐久性を向上させることができる。また、各距離センサを車両の前方から車輪に対し仰ぐように斜めに設置していることにより、フランジ面に対し各距離センサが直角に近くなり測定精度を向上することができる。
【００４４】
さらに、従来の装置のような測定治具の寿命の点で保守による人手と労力を大幅に必要とせず、その分人手と労力を大幅に軽減することができる。
【００４５】
そして、速度検出部５で得られ逐次記憶部６に格納された車輪１００の速度と経過時間とから車輪１００のフランジ１０２の各部位の位置が計算でき、この各部位の位置のデータと演算されたフランジ１０２の厚さｄのデータから車輪１００のフランジ１０２の形状と車輪１００のフランジ１０２高さｆｈ及び車輪１００の径Ｗｄを画面表示部８によって再現表示することができる。このようにしてフランジ１０２の摩耗の判定をより確実にすることができる。
【００４６】
なお、上述の実施形態において、計測データＬ３、Ｌ４の取込みトリガは、別のセンサ（図示せず）を設けてもよく、図６（ｄ）に示すようにフランジ１０２の端部を示すＢ点、Ｃ点及びＤ点、Ｅ点ではその厚さｄの値が急に立ち上り、又は、立ち下がりするので、その急変した時をトリガとしても良い。
【００４７】
また、Ａ／Ｄ変換されたデータ量は、車輪１００の速度が低速の場合は膨大なものとなるため、制御部４ａ、４ｂで入力された車輪１００の速度に応じてＡ／Ｄ変換されたデータＬ３、Ｌ４をサンプリングする周期を適宜に変えて記憶部６に格納するようにしても良い。
【００４８】
さらに、上述の実施例では片側の車輪１００における摩耗について説明したが、車両１０は車軸（図示せず）で結合された２個の車輪を備えており、レール１１の曲がりや積載状況によって車輪のフランジに掛かる横圧に差が生じ、摩耗の程度に差がある。そこで、両側のレール１１について鉄道車両走行車輪検査装置を設置し、両輪についてフランジ及び車輪の径の摩耗状況及を計測することもできる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉄道車両走行車輪検査装置によれば、非接触で車輪の摩耗状況を正確に把握することができ、また装置の耐久性が向上し、さらに装置の保守による人手と労力を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる鉄道車両走行車輪検査装置における距離センサ設置状況を示す概略図である。
【図２】図１に示した距離センサで車輪までの距離を計測する状況を示す図である。
【図３】車輪の車輪径、車輪フランジ厚さ、車輪フランジ高さを車輪の側面から示した図である。
【図４】車輪の車輪径、基準溝径などを車輪の正面から示した図である。
【図５】本発明の鉄道車両走行車輪検査装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図６】図５に示した本発明の鉄道車両走行車輪検査装置により車輪の摩耗を計測した結果を波形による画像表示で示した図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…距離センサ、５ａ，５ｂ…速度検出部、１０…鉄道車両、１１…レール、１２…枕木、１００…車輪、１０１…踏面、１０２…フランジ、１０４…フランジ外面、１０５…バックゲージ面（車輪内面）、ｄ…フランジの厚さ、ｆｈ…フランジの高さ、Ｗｄ…車輪の直径。
【図１】
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【図２】
0004198838.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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