JP2019015552A

JP2019015552A - レールの波状摩耗測定装置

Info

Publication number: JP2019015552A
Application number: JP2017131619A
Authority: JP
Inventors: 智史石川; Tomoji Ishikawa; 崇泰江田; Takayasu Eda; 千翔高畦; Chika Takaune
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を連続的に測定することができる波状摩耗測定装置を実現する。
【解決手段】波状摩耗測定装置１００は、複数のローラー１２のうち少なくとも２つのローラー１２が波状摩耗の波形の凸部に相当するレールＲの頭頂面に接触するので、波状摩耗測定装置１００はその２つのローラー１２がレールＲと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む面であって、波状摩耗の波形の凸部を結ぶ仮想面上を移動することが可能になっている。つまり波状摩耗測定装置１００は波状摩耗の凹凸によらず、複数のローラー１２のうち２つのローラー１２がレールＲと接触した箇所（波状摩耗の波形の凸部）を結ぶ仮想線を含む面を基準面Ｓとし、その基準面Ｓに沿うようにレールＲ上を移動することができるので、この波状摩耗測定装置１００は基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離を測定して、波状摩耗による凹凸を連続的に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道軌道のレールに生じた波状摩耗による凹凸を測定する波状摩耗測定装置に関する。

従来、鉄道軌道のレールの頭頂面に生じた凹凸を連続的に測定するレール凹凸測定装置が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
このレール凹凸測定装置は、レールの延設方向に沿って配列された少なくとも４つの変位センサを備えており、４つの変位センサのうち３つの変位センサを用いた偏心矢法によってレールの凹凸を測定することに加え、４つの変位センサを用いた４点差分法によってレールの凹凸を測定することが可能になっている。

特開２０１５−９３５４３号公報

鉄道総研報告ＲＴＲＩＲＥＰＯＲＴ Vol.29,No.8,Aug.2015、「波状摩耗管理のための可搬型レール凹凸連続測定装置の実用化」、田中博文、清水惇

しかしながら、上記特許文献１のレール凹凸測定装置を用いて取得した偏心矢法や４点差分法による測定データは、そのままレールの凹凸として評価できるものではなく、上記非特許文献１に開示されているように、専用のプログラムを用いて検測特性の逆特性を有するフィルタにより波形復元処理を行って、測定データをレール凹凸データに変換する処理を行わなければならなかった。
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、従来技術のような復元処理を行わずに、レールの凹凸を連続的に測定することができる測定装置を開発するに至った。

本発明の目的は、レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を連続的に測定することができる波状摩耗測定装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、
レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を測定する波状摩耗測定装置であって、
対を成すレールの一方のレール上をレールの延在方向に沿って移動可能な主フレームと、前記主フレームに連結フレームを介して繋がれ、他方のレール上をレールの延在方向に沿って移動可能なサブフレームと、
を備え、
前記主フレームには、前記一方のレールの頭頂面までの距離を測定する変位センサと、前記波状摩耗の波形の平均波長よりも短い直径を有する同一形状の複数のローラーが配設されており、
前記主フレームに配設されている前記複数のローラーは、それぞれの軸心が同一平面上に列を成して並ぶように互いに隣接して配列されているとともに、その複数のローラーのうち少なくとも２つのローラーが、前記波状摩耗の波形の凸部に相当する前記レールの頭頂面に接触するように配列されているようにした。

かかる構成の波状摩耗測定装置は、複数のローラーのうち少なくとも２つのローラーが、波状摩耗の波形の凸部に相当するレールの頭頂面に接触するようになっているので、この波状摩耗測定装置は、波状摩耗の凹凸によらず、その２つのローラーがレールと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む面であって、波状摩耗の波形の凸部を結ぶ仮想面上を移動することが可能になっている。
そして、波状摩耗測定装置は、波状摩耗の凹凸によらず、複数のローラーのうち２つのローラーがレールと接触した箇所（波状摩耗の波形の凸部）を結ぶ仮想線を含む面を基準面とし、その基準面に沿うようにレール上を移動することができるので、この波状摩耗測定装置は常に基準面からレールの頭頂面までの距離を測定して、波状摩耗による凹凸を連続的に測定することができる。

また、望ましくは、
前記変位センサは、前記主フレームに配設されている前記複数のローラーの進行方向前端のローラーと進行方向後端のローラーの略中間に位置するように配設されているようにする。

主フレームにおける進行方向前端のローラーと進行方向後端のローラーの略中間の位置は、レールに沿って長尺な主フレームが前後に揺動する場合の揺動中心近傍に相当するので、その位置に変位センサが配設されていれば、レールの延在方向に傾斜があっても安定してレールの頭頂面までの距離を測定することができる。

また、望ましくは、
前記主フレームと前記サブフレームにはそれぞれ、対を成すレールの内側の側面に当接するガイドローラーが配設され、
前記サブフレームを、前記主フレームから離間する方向に付勢する付勢手段を備えているようにする。

サブフレームが主フレームから離間する方向に付勢されることで、対を成すレールの内側の側面に主フレームのガイドローラーとサブフレームのガイドローラーがそれぞれ突き当てられるので、そのガイドローラーによる位置合わせによって、波状摩耗測定装置をレール上に好適に載置でき、波状摩耗測定装置がレールに沿って好適に移動可能になる。

本発明によれば、レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を連続的に測定することができる。

本実施形態の波状摩耗測定装置を示す上面図である。本実施形態の波状摩耗測定装置を示す正面図である。本実施形態の波状摩耗測定装置を示す側面図である。波状摩耗測定装置を側面視して示す概略図である。波状摩耗測定装置が測定した波状摩耗による凹凸を可視化したグラフの一例を示す説明図である。波状摩耗測定装置の変形例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る波状摩耗測定装置の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
波状摩耗測定装置は、レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を測定する測定装置である。

鉄道軌道の曲線区間では内軌側のレールが外軌側のレールよりも短いので、列車が曲線区間を走行する際、内軌側の車輪をスリップさせるようにして外軌側の車輪の移動に合わせるようになっている。
このように内軌側のレール上で車輪が断続的にスリップすることが、レールの頭頂面に波状摩耗が発生する一因であるとの知見が得られている。なお、内軌側のレールに生じる波状摩耗の波形の平均波長は３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度である。

本実施形態の波状摩耗測定装置１００は、図１〜図３に示すように、対を成すレールＲの一方のレールＲ上をそのレールＲの延在方向に沿って移動可能な主フレーム１と、主フレーム１に連結フレーム３を介して繋がれ、他方のレールＲ上をそのレールＲの延在方向に沿って移動可能なサブフレーム２と、を備えている。

主フレーム１には、一方のレールＲの頭頂面までの距離を測定する変位センサ１１と、一方のレールＲ上で転動する複数のローラー１２と、一方のレールＲの内側の側面に当接して転動するガイドローラー１３と、波状摩耗測定装置１００がレールＲ上を移動した距離を測定するエンコーダ１４と、変位センサ１１及びエンコーダ１４の測定データを収集する制御装置１５等が配設されている。

変位センサ１１は、例えば、渦電流式変位センサやレーザー式変位センサであり、波状摩耗測定装置１００がレールＲに沿って移動する際、制御装置１５の制御によって所定ピッチ（例えば、１ｃｍピッチ）でレールＲの頭頂面までの距離を測定する。
この変位センサ１１は、主フレーム１の長手方向中央側であって、主フレーム１に配設されている複数のローラー１２の進行方向前端のローラー１２と進行方向後端のローラー１２の略中間に位置するように配設されている。主フレーム１における進行方向前端のローラー１２と進行方向後端のローラー１２の略中間の位置は、レールＲに沿って長尺な主フレーム１が前後に揺動する場合の揺動中心近傍に相当するので、その位置に変位センサ１１が配設されていれば、レールＲの延在方向に傾斜があるような場合でも安定してレールＲの頭頂面までの距離を測定することができる。

複数のローラー１２は、波状摩耗の波形の波長よりも短い直径を有して同一形状を有している。本実施形態では、内軌側のレールＲに生じる波状摩耗の測定を可能にするよう、直径が３０ｍｍ未満である直径２５ｍｍのローラー１２を用いた。
この複数のローラー１２は、それぞれの軸心が同一平面上に列を成して同一直線上に並ぶように互いに隣接して、波状摩耗の波形の波長よりも長い範囲にレールＲの延設方向に沿うように配列されている。
特に、複数のローラー１２のうち少なくとも２つのローラー１２が、波状摩耗の波形の凸部に相当するレールＲの頭頂面に接触するように配列されているようにした。

ガイドローラー１３は、連結フレーム３を挟んで前後に対を成して配設されており、その２つのガイドローラー１３がレールＲの頭部側面に当接して転動することで、主フレーム１が一方のレールＲに沿って好適に移動するようになっている。

エンコーダ１４は、例えばロータリーエンコーダであり、一方のレールＲに当接して転動した回転数や回転角度に基づき、波状摩耗測定装置１００がレールＲ上を移動した距離を測定する。

制御装置１５は、収集した変位センサ１１の測定データとエンコーダ１４の測定データとを関連付けて、後述する端末装置３２に出力する。
また、この制御装置１５はセンサ等に電力を供給するバッテリー（図示省略）を備えている。

サブフレーム２には、他方のレールＲ上で転動するサブローラー２１と、他方のレールＲの内側の側面に当接して転動するガイドローラー２２等が配設されている。
ガイドローラー２２は、連結フレーム３を挟んで前後に対を成して配設されており、その２つのガイドローラー２２がレールＲの頭部側面に当接して転動することで、サブフレーム２が他方のレールＲに沿って好適に移動するようになっている。

連結フレーム３は、一端が主フレーム１に固定され、他端がサブフレーム２に伸縮機構３１を介して連結されている。付勢手段として機能する伸縮機構３１が伸長する作用によって、サブフレーム２が主フレーム１から離間する方向に付勢されている。
また、連結フレーム３には、制御装置１５から出力されたデータを記憶する端末装置３２と、波状摩耗測定装置１００をレールＲに沿って移動させるための操作ハンドル３３等が配設されている。

端末装置３２は、所謂タブレット端末であり、表示部や操作入力部として機能するタッチパネルと、プログラムデータや各種データを読み書き可能に記憶する記憶部（例えばＳＳＤや半導体メモリー）等を備えている。
この端末装置３２は、制御装置１５から出力された測定データに基づき、レールＲに沿って移動する波状摩耗測定装置１００の走行距離情報（位置情報）と、所定ピッチごとに測定した波状摩耗の凹凸に関する情報（レール頭頂面までの距離情報）を表示することが可能になっている。
なお、端末装置３２は、変位センサ１１が測定したレールＲの頭頂面までの距離を、その変位センサ１１の取り付け位置（取り付け高さ）に応じて、波状摩耗測定装置１００に設定されている所定の基準面からレール頭頂面までの距離のデータに補正する。例えば、複数のローラー１２がレールＲと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む面が基準面Ｓ（図４参照）として設定されている。

次に、本実施形態の波状摩耗測定装置１００の使用方法について説明する。
この波状摩耗測定装置１００で、内軌側のレールＲに生じた波状摩耗の凹凸を測定する場合、内軌側のレールＲ上に主フレーム１をセットし、外軌側のレールＲ上にサブフレーム２をセットするように、対を成すレールＲ上に波状摩耗測定装置１００を載置する。
このとき、連結フレーム３の伸縮機構３１がサブフレーム２を主フレーム１から離間する方向に付勢することで、対を成すレールＲの内側の側面に主フレーム１のガイドローラー１３とサブフレーム２のガイドローラー２２がそれぞれ突き当てられて当接するようになっている。
このガイドローラー（１３，２２）による位置合わせによって、主フレーム１の複数のローラー１２が内軌側のレールＲ上に転動可能に配置されるとともに、サブフレーム２のサブローラー２１が外軌側のレールＲ上に転動可能に配置されるので、波状摩耗測定装置１００がレールＲに沿って移動可能な姿勢になっている。

特に、図４に示すように、この波状摩耗測定装置１００がレールＲ上に載置されると、主フレーム１の複数のローラー１２のうち少なくとも２つのローラー１２が、波状摩耗の波形の凸部に相当するレールＲの頭頂面に接触するようになっているので、そのローラー１２がレールＲと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む面を基準面Ｓとする測定を行うことが可能になる。

そして、レールＲの測定対象範囲の起点に波状摩耗測定装置１００を載置した後、端末装置３２の測定開始ボタンをタップして測定を開始して、作業者は操作ハンドル３３を握り、その操作ハンドル３３を押すようにして波状摩耗測定装置１００をレールＲに沿って移動させる。
このように、波状摩耗測定装置１００をレールＲに沿って移動させることで、波状摩耗測定装置１００は１ｃｍ移動する度に基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離を測定する。例えば、波状摩耗測定装置１００を１ｋｍ移動させると、波状摩耗に関するデータを含む１０万点の測定データが得られる。
また、レールＲに沿って移動中の波状摩耗測定装置１００の端末装置３２のタッチパネル（表示部）には、測定装置１００が移動した距離と、１ｃｍ移動する度に測定した基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離の測定データが表示されるようになっている。
波状摩耗測定装置１００が、レールＲの測定対象範囲の終点に達したら、端末装置３２の測定停止ボタンをタップして測定を終了する。
なお、波状摩耗測定装置１００がレールＲに沿って移動する際、主フレーム１の複数のローラー１２のうち少なくとも２つのローラー１２が、波状摩耗の波形の凸部に相当するレールＲの頭頂面に接触するので（図４参照）、波状摩耗測定装置１００はレールＲの波状摩耗の波形の凸部を結ぶ仮想面である基準面Ｓであって、その２つのローラー１２がレールＲと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む基準面Ｓに沿って移動することができ、波状摩耗測定装置１００は常に基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離を測定するように、波状摩耗による凹凸を測定することができる。

次いで、端末装置３２からＳＤカードやＵＳＢメモリーなどを介して、変位センサ１１の測定データとエンコーダ１４の測定データとが関連付けられている波状摩耗の凹凸に関するデータをパーソナルコンピュータに取り出し、表計算ソフトなどによってそのデータを可視化して、例えば、図５に示すようなグラフを作成し、パーソナルコンピュータのディスプレイに表示する。
そして、作業者は、測定データを可視化したグラフに基づき、レールＲに発生している波状摩耗の凹凸の範囲を確認する。
ここで、図５に示したグラフを参照すると、１９．７０ｋｍ地点から１９．８５ｋｍ地点までと、２０．１３ｋｍ地点から２０．１７ｋｍ地点までに、グラフの波高が大きく密な区間があることがわかる。
このグラフの波高が大きく密になるのは波状摩耗の凹凸に起因している。これは、波状摩耗のような繰り返しの凹凸がある範囲を波状摩耗測定装置１００で連続的に測定したデータであって、基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離のデータの値は変動が大きいので、その測定データをグラフ化すると、グラフの波高が大きく密になることによる。
つまり、このグラフの波高が大きく密な区間が波状摩耗の発生箇所であるので、作業者はこのグラフから波状摩耗の発生している範囲（１９．７０ｋｍ地点から１９．８５ｋｍ地点までと、２０．１３ｋｍ地点から２０．１７ｋｍ地点）を容易に確認することができる。
なお、約２５ｍ毎にあるグラフのピークは、変位センサ１１がレールＲの継目を測定したことによるものである。

こうして、レールＲに発生している波状摩耗の範囲を確認した作業者は、レール削正車を導入するなど、波状摩耗が生じたレールＲを削正するためのレール削正計画を立てる。

このように、本実施形態の波状摩耗測定装置１００を使用すれば、レールＲの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を容易にかつ連続的に測定することができ、波状摩耗測定装置１００で測定した波状摩耗の凹凸をグラフ化することが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、図６に示すように、複数のローラー１２の周囲に無端ベルト１２ａが配設されている波状摩耗測定装置１００であってもよい。
このような構造を有する波状摩耗測定装置１００であれば、レールＲの波状摩耗の波形の凸部を結ぶ仮想面である基準面Ｓであって、無端ベルト１２ａがレールＲと接触した箇所を結ぶ仮想線を含む基準面Ｓに沿って移動することができ、波状摩耗測定装置１００は常に基準面ＳからレールＲの頭頂面までの距離を測定するように、波状摩耗による凹凸を測定することができる。

なお、以上の実施の形態においては、端末装置３２から変位センサ１１の測定データとエンコーダ１４の測定データとが関連付けられているデータをパーソナルコンピュータに取り出して、そのデータを可視化したグラフを作成して表示するとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、端末装置３２においてデータを可視化したグラフを作成して表示するようにしてもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１主フレーム
２サブフレーム
３連結フレーム
１１変位センサ
１２ローラー（複数のローラー）
１２ａ無端ベルト
１３ガイドローラー
１４エンコーダ
１５制御装置
２１サブローラー
２２ガイドローラー
３１伸縮機構（付勢手段）
３２端末装置
３３操作ハンドル
１００波状摩耗測定装置
Ｒレール
Ｓ基準面

Claims

レールの頭頂面に生じた波状摩耗による凹凸を測定する波状摩耗測定装置であって、
対を成すレールの一方のレール上をレールの延在方向に沿って移動可能な主フレームと、前記主フレームに連結フレームを介して繋がれ、他方のレール上をレールの延在方向に沿って移動可能なサブフレームと、
を備え、
前記主フレームには、前記一方のレールの頭頂面までの距離を測定する変位センサと、前記波状摩耗の波形の平均波長よりも短い直径を有する同一形状の複数のローラーが配設されており、
前記主フレームに配設されている前記複数のローラーは、それぞれの軸心が同一平面上に列を成して並ぶように互いに隣接して配列されているとともに、その複数のローラーのうち少なくとも２つのローラーが、前記波状摩耗の波形の凸部に相当する前記レールの頭頂面に接触するように配列されていることを特徴とする波状摩耗測定装置。
前記変位センサは、前記主フレームに配設されている前記複数のローラーの進行方向前端のローラーと進行方向後端のローラーの略中間に位置するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の波状摩耗測定装置。
前記主フレームと前記サブフレームにはそれぞれ、対を成すレールの内側の側面に当接するガイドローラーが配設され、
前記サブフレームを、前記主フレームから離間する方向に付勢する付勢手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波状摩耗測定装置。