JPH0525055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 本発明は、レール軸力装置に関し、より詳細に
は、敷設レールの主要地点のレール軸力を測定し
て、座屈を予知することによつてレール上を走行
する列車の安全運行確保に役立たせることができ
るレール軸力測定装置に関するものである。

(b) 従来技術 通常、定尺レール（長さ25m）の軌道区間で
は、レール継目部分に遊間を設け、夏期の高温時
のレールの伸びを吸収している。また、定尺レー
ルを現場で溶接することによつて作られたロング
レール（長さ1.5Km）の軌道区間では、レールの
両端が伸縮継目で連結されているため、両端部分
の約200mは伸縮できるが、中間部分では枕木、
バラストなどの道床抵抗によつて拘束されている
ため、夏期の高温時にはレールに圧縮の軸力を生
じ、冬期には引張の軸力を生ずる。また、この軸
力は、中間部を通して均一ではない。軸力で特に
問題となるのは圧縮の軸力である。レールの温度
上昇が過大となると、軸力は横方向道床抵抗に打
ち勝つてレールは座屈を生ずる。また、座屈を生
じない状態であつても軸力がたまつていると、列
車が通過するときの車輪の衝撃が引金となつてレ
ールは座屈するに到る。レールが座屈を生ずると
座屈部分が急に曲げられるために列車は脱線して
大事故となる。

従つて、レールが座屈を生じない前にレールに
発生している軸力を測定することができれば、軸
力の大きさによつて適宜対応処理を行なうことが
できるため、列車の安全運行に寄与することがで
きる。

従来のレール軸力測定装置としては、主として
次のような３種がある。

(1) レールの磁気異方性を測定して異方性の度合
いから軸力を測定する（特開昭60−17330号公
報参照）。

(2) レール軸力が作用する方向に平行な方向およ
びこれと直交する方向に振動する超音波横波を
レール頭頂部から底部に向けて同時に投射し、
頭頂面にもどつて来た両反射波の位相差または
時間差を計つて軸力を測定する（特開昭58−
5625号公報参照）。

(3) レール腹部に一定間隔のマークをケガクか、
あるいは一定間隔をおいてピンを植設し、レー
ル温度を測定して無軸力状態と軸力発生状態に
おける２点間の距離の差から軸力を測定する
（特開昭59−196449号公報参照）。

しかしながら、上述の(1)、(2)の方法は、レー
ルの材質と残留応力および、レール表面とセン
サとの間の接触の仕方が測定値に影響するとい
う問題がある。そして、上述の(3)の方法はマー
ク間距離を測定する手段によつては精度が低く
なり測定値が正確でないという問題がある。さ
らに、(1)、(2)、(3)いずれの方法もレール軸力を
測定するためには線路内に立ち入らなければな
らないので測定作業に危険を伴ない、安全性の
点で問題がある。

(c) 目的 本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、
その目的は、構成が簡単で設置も容易であり、複
数個所のレール軸力の測定が長期間に亘つて安定
的に正確に且つ自動的に行なえると共に、その測
定作業に危険を伴わないレール軸力測定装置を提
供することにある。

(d) 構成 本発明は、上述の目的を達成するため、敷設さ
れたレールの長軸方向に作用する軸力を測定でき
るように上記レールの中立軸に沿つて添着されそ
の表面に防湿処理が施された上、保護用のプロテ
クタを用いて上記レールに固定された複数個のひ
ずみゲージ素子でホイートストンブリツジを構成
してなる軸力検出部と、広範囲の敷設レールの複
数個所に設けられた複数の上記軸力検出部の配置
位置番号と当該レールの無軸力状態における上記
ブリツジ回路の不平衡出力i_pと軸力感度係数Ｋを
それぞれ記憶する記憶手段と、当該レールの軸力
発生状態における上記ブリツジ回路の不平衡出力
i_fを受け、そのときに当該レールに生じる軸力Ｆ
を、 Ｆ＝（i_p−i_f）／Ｋ なる演算式により算出する演算手段と、を具備す
ることを特徴としたものである。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳
細に説明する。

本実施例のレール軸力測定装置は、第１図に示
すようにひずみがゲージ素子よりなるブリツジ素
子１０，２０、３０、４０でホイートストンブリ
ツジ構成される軸力検出部１００の出力端が、結
合部５０を形成するコネクタ５１を介してデイジ
タル処理器５３のコネクタ５２に接続されるよう
になつている。このコネクタ５２には、軸力検出
部１００の出力の接続と、デイジタル処理器５３
に設けられた電源５９の接続がなされるようにな
つている。そして、コネクタ５１，５２を介して
入力される不平衡出力信号が増幅部５４に入力さ
れるようになつている。この増幅部５４の出力端
は、Ａ／Ｄ変換器５５を介して記憶手段であるメ
モリー５６の入力端に接続され、同メモリー５６
の出力端は、上記軸力検出部１００の出力の不平
衡出力を受けたときに、無軸力状態における上記
軸力検出部１００の不平衡出力から軸力発生状態
における不平衡出力を減算および定数除算する演
算手段を有する演算表示器５７に接続されてい
る。尚、符号５８は、Ａ／Ｄ変換器５５とメモリ
ー５６を制御するための制御器である。また、上
記軸力検出部１００を構成するひずみゲージ対
２，３は、第３図および第４図に示すように被測
定レール１の腹部両側の中立軸Ｎ，Ａおよび高さ
方向軸に沿つて接着され、その表面に防湿処理が
施された上、保護用のプロテクタ４，５を用い
て、被測定レール１の下面に密接される保持板６
と固定部材７，８によつて被測定レール１に固定
されている。

このひずみゲージ対２，３よりなるブリツジ素
子１０，２０，３０，４０を四辺として、長軸方
向に引張力が加わつたとき正に、圧縮力が加わつ
たときには負の指示をそれぞれ示すようにホイー
トストンブリツジを構成する。

レール敷設もしくは設定替え直後にひずみゲー
ジ対２，３を接着すれば、レール軸力は零と見做
されるので、先ずこの時点における軸力検出部１
００の不平衡出力の値を測定しi_pを得る。このi_p
を当該測定点のレールの無軸力時の値とする。

次に被測定レール１の温度が高められて軸力が
発生していると予想される時に再び当該測定点の
不平衡出力の値を測定すると、軸力が作用してい
るためにi_pより少ない値が得られる。これをi_fと
する。ここで、i_pとi_fとの差は、レール軸力に比
例した値である。

通常の応力測定では、被測定材が外力によつて
ひずみを生ずるのでこのひずみ量を計つて応力測
定を行なうのであるが、温度上昇によつて生ずる
レールの軸力は外力によるひずみでなく、内部か
らの熱ひずみである。この熱ひずみは、レールが
温度上昇によつて伸びているものを外力によつて
温度上昇の前の寸法にもどされたものであるか
ら、通常の応力測定と同じ手段によつて測定でき
る。さらに、単位軸力に対する不平衡出力の値の
変化即ち軸力感度係数Ｋは、通常の応力感度と同
様にして求めることができる。従つて、軸力は、
任意時点に於ける軸力零における不平衡の値i_pと
軸力発生時の不平衡の値i_fとの差を軸力感度係数
Ｋで除すことによつて、求められる。即ち、軸力
Ｆは Ｆ＝（i_p−i_f）／Ｋ として求めることができる。

第１図示の実施例では、軸力検出センサとして
の軸力検出部の不平衡出力を一定感度の増幅器を
通した後デイジタル処理器で演算して軸力Ｆを求
め、これを表示するようにしている。

また、敷設された被測定レール１の広範囲に亘
る要所要所にはそれぞれ接着されたひずみゲージ
対２，３でホイートストンブリツジを構成した検
出部１００がそれぞれ設けられていて、このそれ
ぞれには延長ケーブル等を介してコネクタ５１が
接続され、同コネクタ５１は、列車通過によつて
測定作業に危険を及ぼさない軌道敷の近くの鉄柱
等まで延長して固定されている。

このように構成された本実施例において、先
ず、軸力検出部１００を被測定レール１に設置し
て、コネクタ５１をデイジタル処理器５３のコネ
クタ５２に結合させる。すると、軸力検出部１０
０の無軸力状態（初期状態）の不平衡出力が増幅
器５４によつて増幅された後Ａ／Ｄ変換器５５に
よつてデイジタル値に変換されメモリー５６に格
納される。このとき、制御器５８に設けられたキ
ーボード（図示せず）で入力された被測定レール
１における軸力検出部１００の配置位置番号デー
タもＡ／Ｄ変換器５５の出力と共にメモリー５６
に格納される。さらに上述の軸力感度係数Ｋも同
様にメモリー５６に格納される。そして、このよ
うな操作を被測定レール１の広範囲に亘る要所要
所に設けられた軸力検出部１００について行なう
ことによつて、いわゆる初期設定を行なうことが
できる。

一方、任意時点で被測定レール１のレール軸力
を測定する場合には、同被測定レール１に設けら
れた軸力検出部１００、延長ケーブル等を介して
接続されたコネクタ５１を、デイジタル処理器５
３のコネクタ５２に再度結合させ、制御器５８の
キーボードによつて被測定レール１の軸力検出部
配置番号を入力する。すると、無軸力時の不平衡
値i_pから現在の不平衡値i_fが減算され軸力感度係
数Ｋで除した値が演算表示部５７にデイジタル数
値で表示される。

第２図は、本発明を実施して得た50Nレールで
の試験結果の一例である。横軸は被測定レール１
の温度で、縦軸は軸力を示し、レール温度が20℃
から72℃まで上昇する時に無軸力20℃での不平衡
の値i_pと以後の各温度における不平衡の値i_fの値
から得られたものである。ここで、軸力感度係数
Ｋは実測によつて得た値20×10^-6／tonfを適用し
た。第２図に示されているレール軸力の値は、一
般的に用いられている計算式で、軸力Ｆを Ｆ＝Ｅ・β・Ｓ・△ｔ から計算すると50Nレールでは温度上昇１℃当り
約1.5tonfとなる。従つて温度上昇50℃に対して
軸力は約75tonfとなつて第２図に示す結果と一致
する。上式でＥはヤング率（2.1×10⁶Kg／cm²）、
βはレールの線膨張係数（11×10⁶）、Ｓはレール
の断面積（50Nレールでは64cm²）、△ｔは、レー
ルの温度上昇である。

上述の実施例における軸力検出部のひずみゲー
ジ素子に自己温度補償形のものを用いれば、ひず
みゲージ素子の温度ドリフトを非常に小さくする
ことができるので、極めて精度のよいレール軸力
測定が可能である。

なお、本発明は、上述の実施例に限定されるこ
となく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形
実施することが可能である。

また、上記実施例における軸力検出部１００
は、四辺ともひずみゲージ素子を用いてホイート
ストンブリツジ回路を構成したが、例えば相対向
する二辺のひずみゲージ素子とし他の対向辺を固
定抵抗としてもよいし、また一辺のみにひずみゲ
ージ素子を用いるだけでもよい。

また、ひずみゲージ対２，３の接着位置とし
て、第３図、第４図に示す実施例では、被測定レ
ール１の中立軸Ｎ，Ａに一致させているが、この
中立軸Ｎ，Ａの位置からずらせた腹部に接着して
も軸力を測定することはできる。中立軸Ｎ，Ａか
らずらして接着した場合には、検出部近傍の道床
が沈下または隆起した場合の検知に用いることが
できる。上述した実施例のように、被測定レール
１の腹部両側の中立軸Ｎ，Ａに対応する位置にそ
れぞれひずみゲージを接着した場合、同被測定レ
ール１の表裏に温度差を生じてもその影響は、対
応するひずみゲージ素子をブリツジ回路構成とす
ることによつて電気的に打ち消すことができるの
で、軸力のみによる出力を取り出すことができ
る。

また、被測定レールが座屈を生じた場合は、被
測定レールは極端に曲げられるために検出部の不
平衡の値は大きくなつて検出部と離れた位置でも
異常状態を知ることができる。レール腹部片側に
接着されたひずみゲージでホイートストンブリツ
ジを構成して検出部とした場合には、軸力測定の
精度は少し低下するが、レールの水平方向曲がり
の変形に対する感度は高くなる。

さらにまた、ひずみゲージ素子は、接着による
他、溶接その他の手段により添着してもよい。

(d) 効果 このように、本発明に係るレール軸力測定装置
によれば、軌道敷外の位置でレールの軸力を測定
することができ、さらに、超音波、磁気を利用し
た方法に比べ、レール材質、レール電流、残留応
力に影響されることなく精度よく測定することが
できる利点がある。

また、レール敷設直後あるいはレール設定替え
時点のレール軸力が零と見做される時に一度測定
すれば、その後は列車の運行とは関係なく、担当
者は任意時刻に巡回を行なつて軸力を測定するこ
とができ、測定データを積上げることによつて気
象条件を考慮した軸力管理が可能となり、列車の
安全運行に役立つ効果は大きい。

さらに、測定点が広範囲に亘る場合には、担当
者による巡回は人工と時間を要するため、気象変
化に追随することができないが、このような場合
には、本発明のデイジタル処理器５３にインタフ
エイス回路を付加し、モデム機能をもつた電話機
と電話回線を利用して担当広範囲の測定点レール
の軸力を短時間で測定でき、中央の一個所で集中
管理することができる。

また、軸力検出部が接続された送信機を線路近
傍に置き、受信機を車両に搭載し車両が走行し乍
ら測定するようにすることも容易である。

また、ひずみゲージ素子をレール軸力検出セン
サとした本発明の方法は、軸力を管理する場合に
軸力→電気への変換が単純であり、軸力測定装置
のセンサとして好適である。

さらにまた、本発明に係る軸力検出部は、レー
ルの長軸方向に作用する軸力を測定できるよう
に、レールの中立軸に沿つて添着されて成るか
ら、軸力検出部近傍の道床が沈下しまたは隆起し
た場合、あるいは列車が通過している間に軸力検
出部が沈下しまたは隆起した場合、その沈下また
は隆起によつてレールに上方あるいは下方に膨出
するような曲りが生じても、その影響を受けず、
真に軸力にのみ対応した出力を取り出すことがで
きる。

即ち、軸力検出部が設けられた個所のレール上
を列車が通過中にも、その列車の重量には不感
で、レールの軸力のみ正確に検出できるから、列
車が通過するときの衝撃が引金となつて生じるこ
とのあるレールの座屈も逸早く予測することがで
き、列車の脱線を未然に防止することができるよ
うになる。

また、本発明に係るひずみゲージ素子でなる軸
力検出部は、レールに添着され、その表面に防湿
処理が施された上、保護用のプロテクタを用いて
上記レールに固定さているから、雨水や塵埃など
に晒されても、また石や何らかの異物がぶつかつ
て衝撃を受けても酸化、絶縁低下の虞れや破損な
どの虞れは極めて少なく、長期に亘つて安定的に
測定を行うことができる。

以上説明したごとく、本発明のレール軸力測定
装置は、第１に、簡単な構成でレールへの設置が
容易であること、第２に、軌道敷外の安全な位置
でレールの軸力を測定することができること、第
３に、超音波、電気を利用した方法に比べ、レー
ル材質、レール電流、残留応力に影響されること
なく精度よくレール軸力を測定することができる
こと、第４に、列車が軸力検出部が設けられた個
所のレール上を通過中にもその列車の重量には不
感で、レールの軸力のみ正確に検出することがで
き、従つて列車が通過するときの衝撃が引金とな
つて生じることのあるレールの座屈を逸早く予測
することができ列車の脱線を未然に防止すること
ができること、第５に、雨水や塵埃に晒されて
も、また石や何らかの異物から衝撃を受けても酸
化、絶縁低下および破損などによる軸力検出機能
の低下を来たす虞れは極めて少なく、長期に亘つ
て安定的に測定することができること、第６に、
本装置にインタフエイス回路を付加し、モデム機
能をもつた電話機と電話回線を利用すれば、担当
広範囲の測定点のレールの軸力を短時間で測定す
ることができ、中央の一個所で集中管理すること
ができる、……等々、数多くの優れた利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の構成を示す回路ブロツク
図、第２図は、測定結果の一例を示す図、第３図
は、レール軸力測定用のひずみゲージ対の接着状
態を示す斜視図、第４図は、軸力検出センサのレ
ールへの取付状態を示す断面図である。 １……被測定レール、２，３……ひずみゲージ
対、４，５……プロテクタ、６……保持板、７，
８……固定部材、１０，２０，３０，４０……ブ
リツジ素子、５１，５２……コネクタ、５３……
デイジタル処理器、５４……増幅器、５５……
Ａ／Ｄ変換器、５６……メモリー、５７……演算
表示器、５８……制御器、５９……電源、１００
……軸力検出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 敷設されたレールの長軸方向に作用する軸力
   を測定できるように上記レールの中立軸に沿つて
   添着されその表面に防湿処理が施された上、保護
   用のプロテクタを用いて上記レールに固定された
   複数個のひずみゲージ素子でホイートストンブリ
   ツジを構成してなる軸力検出部と、広範囲の敷設
   レールの複数個所に設けられた複数の上記軸力検
   出部の配置位置番号と当該レールの無軸力状態に
   おける上記ブリツジ回路の不平衡出力i_pと軸力感
   度係数Ｋをそれぞれ記憶する記憶手段と、当該レ
   ールの軸力発生状態における上記ブリツジ回路の
   不平衡出力i_fを受け、そのときに当該レールに生
   じる軸力Ｆを、 Ｆ＝（i_p−i_f）／Ｋ なる演算式により算出する演算手段と、を具備す
   ることを特徴とするレール軸力測定装置。