JP2019506550A - 安定化アセンブリを備えた機械および測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レール走行機構（３）によって軌道構造（５）のレール上を走行可能な機械フレーム（２）と、安定化アセンブリ（８）とを備えた機械（１）であって、安定化アセンブリ（８）は、機械長手方向に対して横方向に延在する、水平方向の振動を形成する振動発生器と、レール（４）上を転動可能なフランジ付きローラとを含む、機械に関する。軌道構造（５）の振動させられる部分を捕捉するため、機械フレーム（２）にカメラ（１１）が取り付けられており、捕捉した画像データから、結果的に発生する軌道構造（５）の変位（ｓｒ）を導出するため、このカメラ（１１）は評価装置（１６）に接続されている。これにより、軌道を安定化させるための実際に有効な振動に対する尺度であるまくらぎ変位の振幅（ａｒ）を検出することができる。

Description

本発明は、レール走行機構によって軌道構造のレール上を走行可能な機械フレームと、安定化アセンブリとを備えた機械であって、安定化アセンブリが、機械長手方向に対して横方向に延在する、水平方向の振動を形成する振動発生器と、レール上を転動可能なフランジ付きローラとを含む、機械に関する。本発明は、さらに測定方法に関する。

背景技術
安定化アセンブリは、動的な軌道安定化に使用される。具体的にはこの安定化アセンブリは、道床における軌道の持ち上げ、方向調整および突き固め後に持続的な軌道状態を形成するために使用される。ここでは安定化アセンブリによって水平方向の振動が形成されて軌道に伝達されて、軌道の振動により、軌道状態のより良好な持続性が得られようにする。これにより、軌道の持ち上げ、方向調整および突き固め後に発生する、道床における沈下が大きく低減される。さらに道床における軌道の横方向の変位に対する抵抗が格段に増大する。対応する機械は、例えば欧州特許出願公開第０６６６３７１号明細書（ＥＰ０６６６３７１Ａ１）および独国特許出願公開第４１０２８７０号明細書（ＤＥ４１０２８７０Ａ１）から公知である。

国際公開第２００８／００９３１４号（ＷＯ２００８／００９３１４Ａ１）には、制御可能な動的衝撃力を伴う安定化アセンブリが開示されている。しかしながら、ここでは、軌道のそれぞれのレール頭部に作用する振動だけは測定可能であるが、結果的に発生する軌道のまくらぎの振動は測定可能ではない。

欧州特許出願公開第０６６６３７１号明細書 独国特許出願公開第４１０２８７０号明細書 国際公開第２００８／００９３１４号

発明の概要
本発明に根底にある課題は、冒頭に述べた形態の機械において、従来技術に対する改善を提示することである。さらに測定方法を提示し、結果的に発生する軌道構造の振動がこの測定方法から分かるようにするべきである。

この課題は、本発明により、請求項１に記載した機械および請求項６に記載した方法によって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

ここでは、軌道構造の振動させられる部分を捕捉するため、機械フレームにカメラが取り付けられており、捕捉した画像データから、結果的に発生する軌道構造の変位を導出するため、このカメラは評価装置に接続されている。これにより、軌道を安定化させるための実際に有効な振動に対する尺度であるまくらぎ変位の振幅を検出することができる。これに伴う安定化品質の改善および記録は、従来の解決手段に対する明らかな利点である。

本発明の一発展形態では、結果的に発生する変位に依存して振動発生器を駆動制御するため、評価装置が、安定化アセンブリの制御部に接続されている。これにより、作業従事中に動的なまくらぎ変位を一定に保つため、安定化アセンブリに制御機能を具備させることが可能となる。

有利であるのは、カメラが、２次元画像を撮影するように構成されている場合である。対応する画像データは、産業用ＰＣを用いて所要の速度で評価可能である。

有利であるのはさらに、カメラが、軌道に対して横方向に延在する垂直方向の対称面において、安定化アセンブリの２つのフランジ付きローラの間に配置されている場合である。この領域では各振動周期の振幅が予想されるため、所要の画像データを記録するのにカメラの狭い捕捉領域で十分である。

結果的に発生する軌道構造の変位の算出に、場合によっては生じ得る機械フレームの振動を考慮できるようにするために有効であるのは、機械フレームにおいて、カメラの領域に加速度センサが配置されている場合である。

本発明による測定方法では、カメラを用い、軌道構造の振動する領域から、上面視で連続して画像データを捕捉し、捕捉した画像データから、結果的に発生する軌道構造の変位を導出する。これにより、動的な軌道安定化中にすでに、軌道の摩擦出力に対する関連パラメタとしてまくらぎ変位を記録することができる。

この方法の簡単な実施形態では、一方向に最大に変位した時点に撮影した第１画像と、反対方向に最大に変位した時点に撮影した第２画像とを比較し、この比較から、結果的に発生する軌道構造の変位を導出する。この方法により、結果的に発生する軌道構造の変位が正確に検出される。

ここで有利であるのは、結果的に発生する軌道構造の変位に対する尺度として、２つの画像における同じ画像内容の位置差を評価する場合である。このようなパターン認識（マッチング）に対しては、ロバストなかつ効率的な複数のソフトウェアアルゴリズムを使用可能であり、これらのソフトウェアアルゴリズムにより、撮影した画像データの迅速かつ確実な評価が可能になる。

この評価が特に有効であるのは、画像内容として、まくらぎおよび／またはレール固定手段の輪郭を選択する場合である。

この方法の別の実施形態では、軌道構造の１振動周期中のあらかじめ設定した撮影時点に複数の画像データを捕捉して、各撮影時点に軌道構造の変位を求め、この変位から軌道構造の正弦波状の振動を導出する。この場合に、想定される正弦波状のこの振動の振幅は、結果的に発生する軌道構造の最大の変位に対応する。

十分な精度を保証するため、軌道構造の水平方向の振動の周波数の少なくとも４倍に等しいフレームレートで画像を撮影する。フレームレートを上げると精度が上がるが、処理すべきデータストリームも増大する。

評価効率をさらに高めるため、画像データの捕捉と、軌道構造の水平方向の振動とを同期化させる。同期化が得られると直ちに、１振動周期の２つの最大の変位の撮影画像を容易に求めることができる。参照撮影画像として、例えば、周期的に重なり合いを有する振動のゼロ交差を使用する。

この方法の別の利点が得られるのは、軌道構造に作用する安定化アセンブリの振動と、カメラを用いて捕捉した、結果的に発生する軌道構造の振動との間の位相差を求める場合である。この位相差は、軌道構造の横方向における慣性質量および減衰に対する尺度として使用される。この量を記録することにより、線路管理者は、軌道の状態について重要な情報を得る。

この方法が改善されるのはさらに、カメラの領域において機械フレームの振動を測定し、結果的に発生する軌道構造の変位の評価に算入する場合である。障害となる機械フレームの振動が発生すると直ちに、この振動は画像評価の際に補整される。

以下では、添付の図面を参照して、本発明を例示的に説明する。

安定化アセンブリを備えた機械を示す図である。 安定化アセンブリを示す図である。 一方向への最大の変位時の画像を示す図である。 反対方向への最大の変位時の画像示す図である。 パターン認識による評価を示す図である。 振動経過を示す図である。

実施形態の説明
図１に示した機械１は、レール走行機構３上に支えられて軌道構造５のレール４上を走行可能な機械フレーム２を備える。軌道構造５は、レール４およびまくらぎ６から成り、道床７に支持されている。機械フレーム２には安定化アセンブリ８が可動に接続されている。この安定化アセンブリ８には、軌道構造５を把持するフランジ付きローラ１０および複数の車輪９が含まれている。これらの車輪９およびフランジ付きローラ１０を用いて、安定化アセンブリ８によって形成される振動が軌道構造５に伝達される。

従来技術によれば、安定化アセンブリ８の運動は、導入される振動に対する尺度として使用される。ここでは実際に各レール４のレール頭部の運動の検出が行われる。特に、動的な軌道安定化中に発生するレールの傾きに起因して、レール頭部変位ｓ_ｅは、レール４に接続されているまくらぎ６の、ひいては軌道構造５の運動には対応しない。動的なまくらぎ変位ｓ_ｒは、まくらぎ６と道床７との間の相対運動と相関し、軌道本体に導入される安定化作業を決定する。

結果的に発生する軌道構造５の振動を捕捉するため、本発明では機械フレーム２にカメラ１１を配置する。このカメラは、例えば対物レンズの背後に組み込まれた画像センサを含んでおり、道床７に支持された軌道構造５の２次元画像を上面視で撮影する。選択的には、別の光学式センサ、例えばラインカメラ内の個々のセンサラインを使用することもできる。

カメラ１１を機械フレーム２に固定することにより、機械フレーム２に対して可動に懸架された安定化アセンブリ８の振動との分離が保証される。すなわち、機械フレーム２は通例、その大きな慣性質量により、安定化アセンブリ８に対して安定したベースを構成する。

機械１が極めて軽量の場合にのみ、機械フレーム２が十分に安定したベースにならない可能性がある。この場合に有効であるのは、カメラ１１の領域に加速度センサ１２を配置して、場合によっては生じ得る機械フレーム２の振動を捕捉することである。これは、例えば、測定した加速度を２回積分することによって行われる。画像データを評価する際には、機械フレーム２のこれらの振動データが、不所望のカメラの運動を補正するために使用される。

可能な限りに小さな画像部分で最大の軌道構造変位を有する領域が捕捉されるようにするため、好適には、カメラ１１は、２つのフランジ付きローラ１０ないしはローラ付挟持体の間の所定の垂直方向の対称面１３内に配置される。

安定化アセンブリ８は、図２に詳細に示されている。カメラ１１は、機械フレーム２に固定されており、外側のまくらぎ領域を捕捉する。好適には、レール固定部１４も撮像して、評価のために提供される画像内容を強化する。中央には振動発生器１５が配置されており、この振動発生器１５により、一定の振動または調整可能な振動が形成される。後者の場合、好適には、結果的に発生して捕捉される軌道構造５の変位ｓ_ｒに振動を適合させることができる。振動は、例えば回転するアンバランスマスを用いて形成される。

画像内容に基づき、評価装置１６を用いて、瞬時のまくらぎ変位ｓ_ｒが連続して求められる。評価装置１６は、例えば安定化アセンブリ８の制御部１７と共に制御キャビネット内に収容されている。画像データを伝送するため、カメラ１１は、データケーブルを用いてまたはデータバスを介して評価装置１６に接続されている。後者には一般的に制御部１７も接続されている。

本発明による測定方法は、振動させられた軌道構造５の画像を連続して撮影することに基づいている。この例では、図３および図４に示したように、レール固定部１４を備えたそれぞれのまくらぎ上面の撮影が行われる。図３には、一方向に最大に変位した時点の第１画像１７が示されており、図４には、反対方向に最大に変位した時点の第２画像１８が示されている。評価可能な画像１７、１８を撮影するためには、短い露光時間および高いフレームレートが必要である。フレームレートを安定化アセンブリ８の周波数よりも格段に高くすると好適である。

フレームレートが安定化アセンブリ８の周波数の４倍に等しい場合、１振動周期当たりに４つの画像が撮影される。この場合に画像捕捉と振動との同期化は、簡易的には、１つおきの画像が軌道横方向に画像内容が重なり合うまで、フレームレートを変更することによって行われる。これらの画像はこの場合に、振動させられる軌道構造５のゼロ交差を表している。

軌道構造５の最大の変位ａ_ｒが、２つのゼロ交差の間の時間的な中間点で発生するという許容し得る仮定により、その間で撮影した１振動周期の２つの画像１７、１８は、まさにこの最大の軌道構造変位ａ_ｒを表す。第１画像１７は、一方向への最大の変位を示し、第２画像１８は反対方向への最大の変位を示す。

選択的には、振動発生器１５とカメラ１１とを関連付けて駆動制御することによって同期化を行うことができる。これは、いずれにせよ安定化アセンブリ８が、捕捉した軌道構造５の変位に依存して駆動制御される場合には有効である。例えば、振動を発生するアンバランスマスの位相位置および回転数をフレームレートに適合させる。

フレームレートが十分に高い場合には同期化は不要である。この場合にはまず評価ユニットを用い、撮影した各画像において、一致する画像内容の位置を決定する。この位置から１振動周期に対する画像サイクルを導出することができ、ここでは一致する画像内容が互いに最大の位置差を有する２つの画像を選択する。第１画像１７は、軌道構造５の一方向への最大の変位を示し、第２画像１８は、反対方向への最大の変位を示す。

軌道構造５の最大の変位ａ_ｒに対する尺度としてのこの振動振幅は、第１画像１７と第２画像１８とを重ね合わせることによって求められる。２つの画像１７、１８の画像エッジ１９を重ね合わせて、一致する画像内容間の間隔を求めるか、または一致する画像内容を重ね合わせて、結果的に発生する振動振幅に対する尺度として、２つの画像エッジ１９の互いの位置差を評価する。

図５には、図３および図４の２つの画像１７、１８の重ね合わせが示されている。ここでは一致する画像内容が、パターン認識を用いて重ね合わされている。このようなマッチングに対しては、リアルタイムに十分に正確な結果が得られる複数のアルゴリズムが公知である。画像エッジ１９同士の位置差により、結果的に発生する振動のピークツーピーク値２０が示される。これによればこの振幅は、軌道構造５の一方向への最大の変位ａ_ｒの半分である。

図６には、上側の線図に、安定化アセンブリの振動経過ないしはレール頭部変位ｓ_ｅが、時間ｔについて示されている。下側の経過には、結果的に発生する軌道構造５の変位ないしは動的なまくらぎ変位ｓ_ｒが、時間ｔについて示されている。ここでは、軌道本体の動特性により、これらの振動経過の振幅ａ_ｓ，ａ_ｒ間の差が決定される。

これらの振動経過の間には位相差Δφがある。この位相差Δφは、レール４の弾性およびレール接続部１４の安定性の影響を受ける。別の影響要因は、まくらぎ６と道床７との間の摩擦およびハイドロリックシリンダ２１によって加えられて安定化アセンブリ８に作用する垂直方向の押圧力である。これによれば、位相差Δφの記録は、軌道本体、特にレール接続部１４の品質を表す。

図には、１振動周期当たりに、例えば４つの撮影時点ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４が示されている。これらの時点ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４に撮影した画像から、それぞれのまくらぎ変位ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３，ｓ_４が求められる。これはパターン認識を用いて行われ、例えば、レール固定部１４の位置変化が捕捉される。本発明による方法の一実施形態では、求めた複数の経過点から、結果的に発生する正弦曲線を計算し、ここでは想定されるこの正弦曲線により、結果的に発生する軌道構造５の最大の変位ａ_ｒが示される。

Claims (14)

1. レール走行機構（３）によって軌道構造（５）のレール（４）上を走行可能な機械フレーム（２）と、安定化アセンブリ（８）とを備えた機械（１）であって、前記安定化アセンブリ（８）は、機械長手方向に対して横方向に延在する、水平方向の振動を形成する振動発生器（１５）と、前記レール（４）上を転動可能なフランジ付きローラ（１０）とを含む、機械（１）において、
   前記軌道構造（５）の振動させられる部分を捕捉するため、前記機械フレーム（２）にカメラ（１１）が取り付けられており、
   捕捉した画像データから、結果的に発生する前記軌道構造（５）の変位（ｓ_ｒ）を導出するため、前記カメラ（１１）が評価装置（１６）に接続されている、ことを特徴とする機械（１）。
2. 結果的に発生する前記変位（ｓ_ｒ）に依存して前記振動発生器（１５）を駆動制御するため、前記評価装置（１６）が、前記安定化アセンブリ（８）の制御部（１７）に接続されている、請求項１記載の機械（１）。
3. 前記カメラ（１１）が、２次元画像（１７、１８）を撮影するように構成されている、請求項１または２記載の機械（１）。
4. 前記カメラ（１１）が、軌道に対して横方向に延在する垂直方向の対称面において、前記安定化アセンブリ（８）の２つのフランジ付きローラ（１０）の間に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の機械（１）。
5. 前記機械フレーム（２）には、前記カメラ（１１）の領域に加速度センサ（１２）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の機械（１）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の機械（１）を用いて実行される測定方法において、
   前記カメラ（１１）を用い、前記軌道構造（５）の振動する領域から、上面視で連続して画像データを捕捉し、
   捕捉した前記画像データから、結果的に発生する前記軌道構造（５）の前記変位（ｓ_ｒ）を導出する、ことを特徴とする、測定方法。
7. 一方向に最大に変位した時点に撮影した第１画像（１７）と、反対方向に最大に変位した時点に撮影した第２画像（１８）とを比較し、当該比較から、結果的に発生する前記軌道構造（５）の前記変位（ｓ_ｒ）を導出する、請求項６記載の測定方法。
8. 結果的に発生する前記軌道構造（５）の前記変位（ｓ_ｒ）に対する尺度として、２つの画像（１７、１８）における同じ画像内容の位置差（２０）を評価する、請求項７記載の測定方法。
9. 同じ画像内容として、まくらぎ（６）および／またはレール固定手段（１４）の輪郭を選択する、請求項８記載の測定方法。
10. 前記軌道構造（５）の１振動周期中のあらかじめ設定した撮影時点（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４）に複数の画像データを捕捉して、各撮影時点に前記軌道構造（５）の変位（ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３，ｓ_４）を特定し、当該変位から前記軌道構造（５）の正弦波状の振動を導出する、請求項６記載の測定方法。
11. 前記軌道構造（５）の水平方向の振動の周波数の少なくとも４倍に等しいフレームレートで前記画像（１７，１８）を撮影する、請求項６から１０までのいずれか１項記載の測定方法。
12. 前記画像データの前記捕捉と、前記軌道構造（５）の前記水平方向の振動とを同期化させる、請求項６から１１までいずれか１項記載の測定方法。
13. 前記軌道構造（５）に作用する前記安定化アセンブリ（８）の振動と、前記カメラ（１１）を用いて捕捉した、結果的に発生する前記軌道構造（５）の振動との間の位相差（Δφ）を求める、請求項６から１２までのいずれか１項記載の測定方法。
14. 前記カメラ（１１）の前記領域において前記機械フレーム（２）の振動を測定し、結果的に発生する前記軌道構造（５）の前記変位（ｓ_ｒ）の前記評価に算入する、請求項６から１３までのいずれ１項記載の測定方法。

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