JP5662126B2 - 荷重測定方法及び荷重測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の輪重、横圧等の荷重を、荷重検出手段を備えた輪軸によって走行中に測定する荷重測定方法及び荷重測定装置に関し、特に荷重検出手段の出力ピークを適切に検出可能なものに関する。

鉄道車両の走行安全性や各種性能の確認等のため、実車に装着して走行させながら、輪重（Ｐ）、横圧（Ｑ）等の荷重（車輪−レール間作用力）を測定可能な荷重測定用輪軸（ＰＱ輪軸とも称される）が知られている。
このような荷重測定用輪軸は、車輪に形成された穴部の内周面や、車輪の表面に、ブリッジ回路に組み込まれた複数のひずみゲージを貼付して構成されている。
これらのひずみゲージは、輪重や横圧等に起因する車輪の圧縮ひずみや曲げひずみを検出し、ブリッジ回路はこれらの荷重に応じた出力を発生することから、荷重と出力との相関が既知であれば、ブリッジ回路の出力に基づいて荷重を測定することが可能となる。
ブリッジ回路の出力は、スリップリング及びケーブルを介して車上に引き上げられ、動ひずみアンプによって増幅される。

荷重測定用輪軸に関する従来技術として、例えば特許文献１には、ＰＱ輪軸の校正誤差を改善することを目的として、ＰＱ輪軸を軸受で支持させた状態で静的に輪重を負荷して校正を行い、走行中の輪重とＰＱ輪軸を単体で転がしたときのＰＱ輪軸単体の自重による輪重出力との差分から、軸受から作用する輪重を算出し、これにＰＱ輪軸の自重による輪重を加算して輪重を求めることが記載されている。

特開２００７−２２５４１３号公報

上述した荷重測定用輪軸の出力信号は、ひずみゲージの直近におけるリム部がレールと接した際にピークを示す間欠的ないわゆるスパイク波形となる。
このようなピークは荷重に対するひずみ感度が最大となる点であり、間欠測定法における荷重測定においては、このようなスパイク波形のピーク値に基いて、輪重や横圧等の荷重を求めている。
しかし、このようなピークの近傍において、例えばレールから受ける外乱等によって別のピークが発生した場合には、例えばピーク値をデータとして採用する自動測定の場合にいずれのピーク値をデータとして採用するか、判別が困難となる。ここで、仮に不適切なピークを読み取ってしまった場合には、測定データの誤差が大きくなってしまうため、自動化が困難であり、人間による煩雑な読取作業が求められる場合がある。

このような問題に対処するため、例えば車軸の曲げを検出する他のひずみゲージを設けて車軸の曲げピークと輪重のピークとを一致させることにより、輪重測定におけるピークを特定することが提案されている。
しかし、この場合、車軸の曲げを検出するひずみゲージを、輪重や横圧を検出するひずみゲージとは別に付加する必要があり、装置の構成が複雑となる。また、車軸の曲げを検出するひずみゲージの出力を信号処理するため、ピークの特定精度を十分に高めることが困難である。
また、２系等の輪重波形を合成することによって、外乱等による力の影響を相殺し、輪重のピークが明確となった波形を生成し、この波形に基いて輪重ピーク位置の特定を行なうことも提案されている。
しかし、この場合であっても、本来のピーク付近に衝撃的なピークが生成された場合や、著しく小さいピークが連続する場合には、本来のピークの特定が困難となる。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、荷重測定用輪軸の出力ピーク値を容易かつ適切に検出できる荷重測定方法及び荷重測定装置を提供することである。

上述した問題を解決する本発明の荷重測定方法は、車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を間欠的に発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸を用いた荷重測定方法であって、前記荷重測定用輪軸が装着された車両を走行させながら前記荷重測定用輪軸の回転角度位置を逐次検出し、検出された回転角度位置が前記荷重測定用輪軸を装着した車両を事前に平滑な直線区間を走行させて取得した出力履歴におけるピークに相当するよう予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際の前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算することを特徴とする。

本発明の荷重測定方法において、前記荷重測定用輪軸の前記車軸に設けられ、前記車軸の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダによって前記回転角度位置を検出するとともに、前記出力読取位置に対応する前記パルス信号と実質的に同時に検出された前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算する構成とすることができる。
また、本発明の荷重測定方法において、前記出力読取位置が所定の範囲を有するとともに、測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、前記出力読取位置の範囲を広く設定する構成とすることができる。

また、本発明の荷重測定装置は、車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を間欠的に発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸と、前記荷重測定用輪軸の回転角度位置を逐次検出する位置検出手段と、前記荷重検出手段の出力履歴を取り込むとともに、前記位置検出手段によって検出された前記荷重測定用輪軸の前記回転角度位置が前記荷重測定用輪軸を装着した車両を事前に平滑な直線区間を走行させて取得した出力履歴におけるピークに相当するよう予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際の前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算する出力データ処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明の荷重測定装置において、前記荷重検出手段の出力履歴及び前記位置検出手段の出力履歴を同期して記録する記録手段を備え、前記出力データ処理手段は、前記記録手段によって記録された前記荷重検出手段の出力履歴及び前記位置検出手段の出力履歴を用いて前記荷重を演算する構成とすることができる。
なお、このようにオフラインにて荷重検出手段の出力読取を行う出力データ処理手段は、車上に設けてもよく、また、ラボ等の地上に設けてもよい。
また、本発明の荷重測定装置において、前記位置検出手段は、前記荷重測定用輪軸の前記車軸に設けられ、前記車軸の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダを備え、前記出力データ処理手段は、前記出力読取位置に対応する前記パルス信号と実質的に同時に検出された前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算する構成とすることができる。
また、本発明の荷重測定装置において、前記出力読取位置が所定の範囲を有し、前記出力データ処理手段は、前記出力読取位置の範囲を測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、前記出力読取位置の範囲を広く設定する構成とすることができる。

本発明によれば、車両を走行させながら荷重測定用輪軸の回転角度位置を逐次検出し、検出された回転角度位置が予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際の荷重検出手段の出力に基いて荷重を演算することによって、外乱等によって本来のピークの近傍に他のピークが形成された場合であっても、本来のピーク値を適切に読み取ることができ、荷重の測定精度を向上することができる。
また、車軸の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダによって回転角度位置を検出するとともに、出力読取位置に対応するパルス信号と実質的に同時に検出された荷重検出手段の出力に基いて荷重を演算することによって、上述した効果をより確実に得ることができる。
さらに、出力読取位置が所定の範囲を有するとともに、測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、出力読取位置の範囲を広く設定することによって、曲線通過時に輪軸が傾斜して車輪とレールとの接触位置がレール長手方向にずれた場合であっても、ピーク値の検出を適切に行なうことができ、測定精度を確保できる。

本発明を適用した荷重測定装置の実施形態の構成を示す模式図である。 図１の荷重測定装置におけるＰＱ輪軸の要部拡大図であって、図２（ａ）は車軸方向から見た外観図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。 図２のＰＱ輪軸における輪重測定用のブリッジ回路の構成を示す図である。 図２のＰＱ輪軸における横圧測定用のブリッジ回路の構成を示す図である。 図３の輪重測定用のブリッジ回路及び図１のエンコーダの出力履歴の一例を示すグラフである。

以下、本発明を適用した荷重測定方法及び荷重測定装置の実施形態について図面等を参照して説明する。
実施形態の荷重測定方法及び荷重測定装置は、ブリッジ回路を構成する複数のひずみゲージを用いて、輪重及び横圧に応じたパルス状の出力を発生するＰＱ輪軸を用いて、輪重及び横圧を測定するものである。
図１は、実施形態の荷重測定装置の構成を示す模式図である。
荷重測定装置は、ＰＱ輪軸１、エンコーダ１１０、動ひずみアンプ１２０、エンコーダ用アンプ１３０、データ収録・解析用ＰＣ（以下、単に「ＰＣ」と称する。）１４０等を備えて構成されている。

ＰＱ輪軸１は、ブリッジ回路を構成するひずみゲージが設けられた車輪を用いて、車輪とレールとの間に鉛直方向に作用する輪重（Ｐ）、及び、枕木方向に作用する横圧（Ｑ）を測定するものである。
ＰＱ輪軸１は、左右一対の車輪１０及びこれを連結する車軸２０を有して構成されている。
車軸２０は、両端部に形成されたジャーナル部を、図示しない軸箱によって回転可能に支持されている。軸箱は、１次バネ系を有する軸箱支持装置を介して台車枠に取り付けられている。
図２は、ＰＱ輪軸１の要部拡大図であって、図２（ａ）は車軸方向から見た外観図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
車輪１０は、一体に形成されたリム部１１、輪座１２、板部１３等を有する一体圧延車輪である。
リム部１１は、車輪１０の外周縁部を構成する部分であって、レールと当接する踏面１１ａ及びフランジ１１ｂが形成されている。
輪座１２は、車輪１０の中央部に配置され、車軸２０の端部が挿入され固定される開口部が形成されている。
板部１３は、リム部１１の内周面部と輪座１２の外周面との間を連結する平板状の部分である。

また、板部１３には、輪重測定用のひずみゲージＰ１〜Ｐ４が取り付けられる開口Ｏ１、Ｏ２等が形成されている。
開口Ｏ１、Ｏ２は、例えば板部１３を車輪１０の軸方向に貫通して形成された貫通穴である。開口Ｏ１、Ｏ２は、車輪１０の軸方向から見た形状が円形に形成されている。
開口Ｏ１は、リム部１１と輪座１２との中間部に配置されている。
開口Ｏ１の内周面には、ひずみゲージＰ１、Ｐ２が設けられている。
ひずみゲージＰ１、Ｐ２は、車輪１０の周方向に離間して配置されている。

開口Ｏ２は、開口Ｏ１に対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置され、実質的に同様に形成されている。
開口Ｏ２の内周面には、ひずみゲージＰ３、Ｐ４が設けられている。
ひずみゲージＰ３、Ｐ４は、車輪１０の周方向に離間して配置されている。

また、板部１３には、横圧測定用のひずみゲージＱ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂが設けられている。
ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂは、開口Ｏ１と輪座１２との中間部において、板部１３の車幅方向外側の面部に設けられている。
ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂは、車輪１０の周方向に並べて配置されている。
ひずみゲージＱ２ａ，Ｑ２ｂは、車輪１０の中心軸方向から見たときの位置が、ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂとそれぞれ重なるように、板部１３の車幅方向内側の面部に設けられている。
ひずみゲージＱ３ａ，Ｑ３ｂは、ひずみゲージＱ１ａ，Ｑ１ｂに対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置されている。
ひずみゲージＱ４ａ，Ｑ４ｂは、ひずみゲージＱ２ａ，Ｑ２ｂに対して、車輪１０の中心軸に対して対称に配置されている。

上述した輪重測定用のひずみゲージＰ１〜Ｐ４は、図３に示すようにブリッジ回路Ｂｐに組み込まれる。
また、横圧測定用のひずみゲージＱ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂは、図４に示すようにブリッジ回路Ｂｑに組み込まれる。
各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの入力電圧Ｖｉｎは、軸箱部に設けられるスリップリングＳＬを介して車上から供給される。また、各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力電圧Ｖｏｕｔは、スリップリングＳＬを介して車上に設けられた動ひずみアンプ１２０に供給される。
なお、このようなひずみゲージ及びブリッジ回路は、車輪１０の中心軸周りの角度をずらして、複数組設けられる。例えば、開口Ｏ１、Ｏ２等と実質的に同様の開口を、所定の間隔で周方向に離間させて複数配列し、それぞれの開口内に輪重測定用のひずみゲージを配置し、その周辺に横圧測定用のひずみゲージを配置してもよい。

エンコーダ１１０は、車軸２０の一方の端部を支持する軸箱に設けられ、ＰＱ輪軸１の中心軸回りの回転角度位置を検出するロータリエンコーダである。エンコーダ１１０は、ＰＱ輪軸１の回転方向変位に応じて間欠的なパルス信号を発生する。
このようなパルス信号は、例えばＰＱ輪軸１の一回転あたり例えば６００〜１２００程度のパルスが出力されるようになっている。また、エンコーダ１１０は、ＰＱ輪軸１が所定の回転角度位置となったときに一回転あたり一回の原点パルス信号を出力するようになっている。このような構成によって、原点パルス信号が出力されてからのパルス数をカウントすることによって、現在のＰＱ輪軸１の回転角度位置を検出することができる。

動ひずみアンプ１２０は、輪重測定用のブリッジ回路Ｂｐ、及び、横圧測定用のブリッジ回路Ｂｑの出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、これらをリアルタイムに所定のゲインで増幅してＰＣ１４０に伝達するものである。
エンコーダ用アンプ１３０は、エンコーダ１１０の出力が入力され、これを所定のゲインで増幅してＰＣ１４０に伝達するものである。

ＰＣ１４０は、情報処理装置であるＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等の記憶手段、各種入出力部及びこれらを連結するバス等を有する。
また、ＰＣ１４０は、Ａ／Ｄボード１４１及びカウンタボード１４２を備えている。
Ａ／Ｄボード１４１は、動ひずみアンプ１２０の出力をアナログ−ディジタル変換するものである。
カウンタボード１４２は、エンコーダ用アンプ１３０によって増幅されたエンコーダ１１０の出力信号に基いて、パルス数をカウントアップするものである。

図５は、実施形態における輪重測定用のブリッジ回路Ｂｐ及びエンコーダ１１０の出力履歴の一例を示すグラフである。
図５（ａ）は、ブリッジ回路Ｂｐの出力履歴を示し、縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示している。
図５（ｂ）は、エンコーダ１１０の出力履歴を示し、縦軸は出力電圧を示し、横軸は時間を示している。

ＰＣ１４０は、エンコーダ１１０の出力に基いて検出されるＰＱ輪軸１の回転角度位置が、予め設定された所定の出力読取位置であるときのブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力を測定データとして採用し、これを読み取って輪重及び横圧を算出する。
このようなブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力の読取及び輪重Ｐ、横圧Ｑの算出は、例えば、車上に搭載されたＰＣ等を用いてリアルタイムに行なってもよい。また、車上ではブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力及びエンコーダ１１０の出力の同期記録のみを行なって、ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力の読取及び輪重Ｐ、横圧Ｑの算出等は、記憶媒体に記録されたデータを用いて、例えば地上等でオフライン処理によって行なってもよい。

この出力読取位置は、例えば、ＰＱ輪軸１を装着した車両を、乱れの少ない出力を得ることを目的として事前に平滑な直線区間を低速で走行させながらブリッジ回路Ｂｐ，Ｂｑの出力履歴を取得し、この出力履歴におけるピークに相当する回転角度位置の前後に、必要に応じて所定の幅を持たせた範囲として設定する。
このような予備走行によって、変動や他の力の影響を受けない輪重波形、横圧波形を取得することができる。こうした輪重波形、横圧波形と車輪回転角の情報を関係付けることによって、ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力がピークとなるエンコーダ１１０のパルス位置（原点からのパルス数）を記録することができる。ＰＣ１４０は、このパルス位置を出力読取位置として設定される。また、出力読取位置には、複数のパルス位置が含まれる場合もある。
そして、ＰＣ１４０は、出力読取位置に含まれるエンコーダ１１０のパルスと実質的に同時に検出されたブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力ピーク値を読み取り、これに基いて輪重Ｐ、横圧Ｑの演算を行なう。

また、鉄道車両の輪軸は、曲線通過時に、レールに対して相対傾斜し、アタック角が発生することが知られている。具体的には旋回外輪は前方側へ相対変位し、旋回内輪は後方側へ相対変位する。
このような場合には、各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑのピーク位置が通常時のピーク位置に対して前後方向へずれることになる。
そこで、本実施形態においては、測定対象となる路線における曲線路の最大曲率が大きくなるのに応じて、上述した出力読取位置に含まれる範囲を、直線走行時におけるピーク位置の前後に広げて、各ブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑのピーク位置が出力読取位置から外れないようにしている。

以上説明したように、本実施形態によれば、車両を走行させながらＰＱ輪軸１の回転角度位置を逐次検出し、検出された回転角度位置が予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際のブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力に基いて輪重Ｐ、横圧Ｑを演算することによって、外乱等によって本来のピークの近傍に他のピークが形成された場合であっても、本来のピーク値を適切に読み取ることができる。
また、車軸２０の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダ１１０によって回転角度位置を検出するとともに、出力読取位置に対応するパルス信号と実質的に同時に検出されたブリッジ回路Ｂｐ、Ｂｑの出力に基いて輪重Ｐ、横圧Ｑを演算することによって、上述した効果をより確実に得ることができる。
さらに、出力読取位置が所定の範囲を有するとともに、測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、出力読取位置の範囲を広く設定することによって、曲線通過時に車輪とレールとの接触位置がレール長手方向にずれた場合であっても、ピーク値の検出を適切に行なうことができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、荷重測定用輪軸は、実施形態のような一体圧延車輪を有するものに限らず、例えばスポーク車輪を有するもの等、異なった構成を有するものであってもよい。
また、ひずみゲージの配置やブリッジ回路の構成も特に限定されない。
また、荷重測定装置の構成も上述した実施形態のものに限定されず、適宜変更することができる。

１ ＰＱ輪軸（荷重測定用輪軸） １０ 車輪
１１ リム部 １１ａ 踏面
１１ｂ フランジ １２ 輪座
１３ 板部 Ｏ１，Ｏ２ 開口
Ｐ１〜Ｐ４ ひずみゲージ（輪重検出用）
Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ、Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂ ひずみゲージ（横圧検出用）
ＳＬ スリップリング Ｂｐ 輪重測定用ブリッジ回路
Ｂｑ 横圧測定用ブリッジ回路 Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
１１０ エンコーダ １２０ 動ひずみアンプ
１３０ エンコーダ用アンプ １４０ ＰＣ
１４１ Ａ／Ｄボード １４２ カウンタボード

Claims (7)

1. 車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を間欠的に発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸を用いた荷重測定方法であって、
   前記荷重測定用輪軸が装着された車両を走行させながら前記荷重測定用輪軸の回転角度位置を逐次検出し、検出された回転角度位置が前記荷重測定用輪軸を装着した車両を事前に平滑な直線区間を走行させて取得した出力履歴におけるピークに相当するよう予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際の前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算すること
   を特徴とする荷重測定方法。
2. 前記荷重測定用輪軸の前記車軸に設けられ、前記車軸の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダによって前記回転角度位置を検出するとともに、
   前記出力読取位置に対応する前記パルス信号と実質的に同時に検出された前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算すること
   を特徴とする請求項１に記載の荷重測定方法。
3. 前記出力読取位置が所定の範囲を有するとともに、測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、前記出力読取位置の範囲を広く設定すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重測定方法。
4. 車軸の両端部に固定された一対の車輪を有し、前記車輪とレールとの接触部に作用する荷重に応じた出力を間欠的に発生する荷重検出手段を備えた荷重測定用輪軸と、
   前記荷重測定用輪軸の回転角度位置を逐次検出する位置検出手段と、
   前記荷重検出手段の出力履歴を取り込むとともに、前記位置検出手段によって検出された前記荷重測定用輪軸の前記回転角度位置が前記荷重測定用輪軸を装着した車両を事前に平滑な直線区間を走行させて取得した出力履歴におけるピークに相当するよう予め設定された出力読取位置と実質的に一致した際の前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算する出力データ処理手段と
   を備えることを特徴とする荷重測定装置。
5. 前記荷重検出手段の出力履歴及び前記位置検出手段の出力履歴を同期して記録する記録手段を備え、
   前記出力データ処理手段は、前記記録手段によって記録された前記荷重検出手段の出力履歴及び前記位置検出手段の出力履歴を用いて前記荷重を演算すること
   を特徴とする請求項４に記載の荷重測定装置。
6. 前記位置検出手段は、前記荷重測定用輪軸の前記車軸に設けられ、前記車軸の回転方向変位に応じて間欠的にパルス信号を発生するエンコーダを備え、
   前記出力データ処理手段は、前記出力読取位置に対応する前記パルス信号と実質的に同時に検出された前記荷重検出手段の出力に基いて前記荷重を演算すること
   を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の荷重測定装置。
7. 前記出力読取位置が所定の範囲を有し、
   前記出力データ処理手段は、前記出力読取位置の範囲を測定が行なわれる路線に含まれる曲線路の最大曲率の増大に応じて、前記出力読取位置の範囲を広く設定すること
   を特徴とする請求項４から請求項６までのいずれか1項に記載の荷重測定装置。
   

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