JP5753500B2 - ブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に搭載されるブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置に関する。

従来から、鉄道車両の制動装置としてディスクブレーキが採用されている。ディスクブレーキでは、鉄道車輪（以下、単に「車輪」ともいう）の両側面にブレーキディスク（以下、単に「ディスク」ともいう）を取り付けたディスク付き車輪が多用される。

図１は、一般的なディスク付き車輪の断面図である。同図に示すディスク付き車輪は、車輪１と、ドーナツ形円盤状の一対のディスク２と、これらを締結するためのボルト３およびナット４とから構成される。一対のディスク２は、それぞれ、表面側を摺動面２ｅとし、その裏面には複数の冷却フィン部２ａが放射状に形成されている。車輪１の板部１ａおよびディスク２には、それぞれ、ボルト３を挿通させるボルト穴１ｂ、２ｂが形成されている。ディスク付き車輪は、一対のディスク２が車輪１の板部１ａを挟み込むように対向配置され、冷却フィン部２ａが車輪１の板部１ａと接触した状態で、ボルト穴１ｂ、２ｂを挿通したボルト３とナット４によりディスク２が車輪１に締結されてなる。

このような構成のディスク付き車輪を組み立てる際、車輪１とディスク２の間に異物が入り込むことがあってはならない。もし万一、この様なことが起こると、ディスク付き車輪は、ディスク２が車輪１に対して傾いて取り付けられることから、鉄道車両の走行中に車輪１の回転に伴ってディスク２のうねりが生じる。ディスク２のうねりが著しいと、制動時にディスク２の摺動面２ｅとブレーキライニングとの接触状態が不安定になり、ブレーキ性能が低下する可能性がある。このため、ディスク付き車輪においては、車輪１に取り付けられたディスク２の高さ方向のうねりを管理する必要があり、従来から、ディスク摺動面２ｅのうねり測定が実施されている。

従来、ディスク付き車輪におけるディスク摺動面２ｅのうねり測定は、専用のゲージスタンドに耳金を固定したダイヤルゲージを用い、手作業により行っている。すなわち、ディスク付き車輪を測定台に平置きした状態で、その上面側のディスク２の摺動面２ｅにゲージの測定子を接触させつつ、車輪の上面側のリム面１ｅを基準面としてそのリム面１ｅ上にゲージスタンドを配置し、この状態からゲージの指針を注視しながら、ゲージスタンドをリム面１ｅ上で一周以上滑らせ、ゲージ指針の振れの最大と最小の目盛を読み取る。そして、読み取った両目盛の差を手計算で算出し、その値をディスク摺動面２ｅのうねりとして把握している。

また、下面側のディスク摺動面２ｅのうねりを測定する場合は、ディスク付き車輪をクレーンや特殊な反転機で上下反転させ、下面側を上面側に配置し直してから、上記と同様にダイヤルゲージによって測定している。測定対象のディスク２が下面側に配置されている状態のままでは、下向きのリム面１ｅ上でゲージスタンドを滑らせることも、ゲージ指針を読み取ることも困難だからである。

従来のうねり測定手法によれば、ディスク摺動面のうねりを測定することが一応は可能である。しかし、従来のうねり測定手法は、測定のすべてが手作業であり、作業者がゲージスタンドをリム面上で慎重に滑らせると同時に、ゲージ指針を注視する必要があるため、格別な経験と集中力を要する上、多大な時間と労力がかかることは否めない。一対のディスクを両方とも測定する場合は、さらに負担が増す。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクの摺動面のうねりを測定する際、作業者の経験と集中力の制約を低減し、迅速に測定を行えるうねり測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のうねり測定装置は、鉄道車輪の板部を挟んで一対のブレーキディスクが対向配置され、そのブレーキディスクがボルトによって締結されてなるブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置であって、
鉄道車輪のボス穴を支持し、鉄道車輪の中心軸を中心に回転する車輪受け台と、
一方のブレーキディスクの摺動面に対向して配設され、車輪受け台の回転に伴って前記摺動面の一周にわたる高さ変位を計測する第１変位計と、
前記摺動面側の鉄道車輪のリム面に対向して配設され、車輪受け台の回転に伴って前記リム面の一周にわたる高さ変位を計測する第２変位計と、
第１変位計から計測データを取得して前記摺動面の高さ変位の最大値と最小値の差を算出するとともに、第２変位計から計測データを取得して前記リム面の高さ変位の最大値と最小値の差を算出し、算出した両方の差の値同士の差をブレーキディスクのうねりとして導出する演算器と、を備えたことを特徴とする。

上記のうねり測定装置において、前記第１変位計および前記第２変位計は、車輪受け台に支持された鉄道車輪の一方のブレーキディスクの摺動面側と他方のブレーキディスクの摺動面側に一組ずつ配設されていることが好ましい。

また、上記のうねり測定装置では、前記第１変位計および前記第２変位計が反射型レーザー変位センサであることが好ましい。

本発明のうねり測定装置によれば、ディスク付き車輪を支持した車輪受け台を回転駆動させ、これに伴って第１変位計および第２変位計により計測した計測データに基づき、演算器によってディスクの摺動面のうねりを導出することができるので、作業者に格別な経験も集中力も強いることなく、迅速にうねり測定を行うことが可能になる。

一般的なディスク付き車輪の断面図である。 本発明のディスク付き車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置の一例を示す断面図である。

以下に、本発明のディスク付き車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置について、その実施形態を詳述する。

図２は、本発明のディスク付き車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置の一例を示す断面図である。本発明のうねり測定装置は、前記図１に示すディスク付き車輪におけるディスク摺動面のうねりを測定する際に用いられるものであり、車輪１を支持する車輪受け台１０を備える。

車輪受け台１０は、鉛直方向の中心軸を中心にして回転駆動が可能に構成されている。例えば、図２に示すように、車輪受け台１０の下面からは、その中心軸に沿って棒状の支軸１２が突出しており、この支軸１２は、固定の管状支柱１３の内部に、図示しないベアリングを介して嵌め込まれている。さらに、支軸１２には、図示しない電動モータから歯車やベルトを介して回転駆動の動力が伝達されるようになっている。

また、車輪受け台１０の上面からは、その中心軸を中心とする円柱部１１が突出している。この円柱部１１の外周面は、上方に行くほど直径が縮小するテーパ状であり、その下端部の直径が車輪１のボス穴１ｄの直径と同一であるか、それよりも僅かに小さい程度に形成されている。

このような構成の車輪受け台１０には、車輪１が、そのフランジ側とは反対側の面を下にされ、そのボス穴１ｄが円柱部１１に嵌合する状態で載置される。このとき、車輪受け台１０に載置された車輪１、すなわちディスク付き車輪は、そのボス穴１ｄが円柱部１１に嵌合して支持されていることから、自己の中心軸が車輪受け台１０の中心軸と概ね一致した状態になる。そして、ディスク付き車輪は、車輪受け台１０の回転駆動に伴って、概ね車輪１の中心軸を中心に回転することが可能になる。

これに加え、本発明のうねり測定装置は、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪の上方に、一組の変位計２１、２２を備える。具体的には、車輪１のフランジ側に配置されるディスク（以下、「フランジ側ディスク」ともいう）２の摺動面２ｅに対向して第１変位計２１が配設され、車輪１のフランジ側のリム面１ｅに対向して第２変位計２２が配設されている。これらの一組の第１変位計２１および第２変位計２２は、図示しない配線を介して演算器２３に接続されている。

また、図２に示すうねり測定装置は、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪の下方にも、上記と同様に、一組の変位計２１、２２と演算器２３を備える。具体的には、車輪１のフランジ側とは反対側に配置されるディスク（以下、「反フランジ側ディスク」ともいう）２の摺動面２ｅに対向して第１変位計２１が配設され、車輪１の反フランジ側のリム面１ｅに対向して第２変位計２２が配設されている。これらの一組の第１変位計２１および第２変位計２２は、図示しない配線を介して演算器２３に接続されている。

車輪受け台１０を回転駆動させ、これに伴ってディスク付き車輪が一回転する間、上側の第１変位計２１は、フランジ側ディスク２の摺動面２ｅの一周にわたる高さ変位を計測し、上側の第２変位計２２は、車輪１のフランジ側のリム面１ｅの一周にわたる高さ変位を計測する。これらの計測データは、逐次上側の演算器２３に送出される。これとあわせ、下側の第１変位計２１は、反フランジ側ディスク２の摺動面２ｅの一周にわたる高さ変位を計測し、下側の第２変位計２２は、車輪１の反フランジ側のリム面１ｅの一周にわたる高さ変位を計測する。これらの計測データは、逐次下側の演算器２３に送出される。

第１変位計２１および第２変位計２２としては、非接触式の変位計が好ましい。車輪１のリム面１ｅやディスク２の摺動面２ｅに不用意にキズがつくのを確実に防止できるからである。例えば、第１変位計２１および第２変位計２２には、反射型レーザー変位センサが実用的である。そのほかに、超音波変位センサや渦電流変位センサなどを採用することもできる。

上側の演算器２３は、以下の処理を行う。上側の第１変位計２１から逐次送出される計測データを取得し、その計測データからフランジ側ディスク２の摺動面２ｅの高さ変位の最大値（ＤＵｍａｘ）と最小値（ＤＵｍｉｎ）を抽出し、この最大値（ＤＵｍａｘ）と最小値（ＤＵｍｉｎ）の差（ＤＵ）を算出する。これと同時に、上側の第２変位計２２から逐次送出される計測データを取得し、その計測データから車輪１のフランジ側のリム面１ｅの高さ変位の最大値（ＷＵｍａｘ）と最小値（ＷＵｍｉｎ）を抽出し、この最大値（ＷＵｍａｘ）と最小値（ＷＵｍｉｎ）の差（ＷＵ）を算出する。そして、摺動面２ｅに関する上記の差（ＤＵ）の値とリム面１ｅに関する上記の差（ＷＵ）の値の差（ＤＵ−ＷＵ）を算出し、この差（ＤＵ−ＷＵ）の値をフランジ側ディスク２の摺動面２ｅのうねりとして導出する。

同様に、下側の演算器２３は、以下の処理を行う。下側の第１変位計２１から逐次送出される計測データを取得し、その計測データから反フランジ側ディスク２の摺動面２ｅの高さ変位の最大値（ＤＢｍａｘ）と最小値（ＤＢｍｉｎ）を抽出し、この最大値（ＤＢｍａｘ）と最小値（ＤＢｍｉｎ）の差（ＤＢ）を算出する。これと同時に、下側の第２変位計２２から逐次送出される計測データを取得し、その計測データから車輪１の反フランジ側のリム面１ｅの高さ変位の最大値（ＷＢｍａｘ）と最小値（ＷＢｍｉｎ）を抽出し、この最大値（ＷＢｍａｘ）と最小値（ＷＢｍｉｎ）の差（ＷＢ）を算出する。そして、摺動面２ｅに関する上記の差（ＤＢ）の値とリム面１ｅに関する上記の差（ＷＢ）の値の差（ＤＢ−ＷＢ）を算出し、この差（ＤＢ−ＷＢ）の値を反フランジ側ディスク２の摺動面２ｅのうねりとして導出する。

このように、ディスク２の摺動面２ｅのうねりを導出するにあたり、ディスク２の摺動面２ｅの高さ変位を計測する第１変位計２１からの計測データのみならず、車輪１のリム面１ｅの高さ変位を計測する第２変位計２２からの計測データを用いる理由は、以下のとおりである。確かに、車輪受け台１０の中心軸と、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪の中心軸が完全に一致した状態であれば、車輪１のリム面１ｅは車輪受け台１０の中心軸、すなわち回転軸に対して直交する。この場合、車輪受け台１０を回転駆動させて行うディスク２の摺動面２ｅのうねり測定では、リム面１ｅの一周にわたる高さ変位（上記の差（ＷＵ、ＷＢ））が０（ゼロ）になることから、第１変位計２１によって計測したディスク２の摺動面２ｅの高さ変位（上記の差（ＤＵ、ＤＢ））のみで摺動面２ｅのうねり測定を行え、第２変位計２２は不必要ともいえる。

ただし、現実には、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪は、その中心軸が車輪受け台１０の中心軸に対して多少なり傾いた状態で支持される可能性があり、車輪１のリム面１ｅは車輪受け台１０の中心軸、すなわち回転軸に対して完全には直交せずに傾いた状態になることが想定される。この場合、車輪受け台１０を回転駆動させて行うディスク２の摺動面２ｅのうねり測定では、第１変位計２１によって計測したディスク２の摺動面２ｅの高さ変位（上記の差（ＤＵ、ＤＢ））に、リム面１ｅの傾きによる高さ変位が加算される。このため、リム面１ｅの傾きによる高さ変位を第２変位計２２によって計測し、このリム面１ｅの高さ変位（上記の差（ＷＵ、ＷＢ））を、第１変位計２１によって計測したディスク２の摺動面２ｅの高さ変位（上記の差（ＤＵ、ＤＢ））から差し引く。これにより、正確に摺動面２ｅのうねり測定を行うことが可能になる。

なお、図２に示すように、第１変位計２１および第２変位計２２は、支柱２５から水平に突出するアーム部２６に取り付けられており、演算器２３は、支柱２５に取り付けられている。うねり測定に際し、車輪受け台１０にディスク付き車輪を載置させる段階では、第１変位計２１および第２変位計２２は、ディスク付き車輪が干渉しないように、アーム部２６と一体で、支柱２５を中心軸として回動したり、支柱２５とともに水平方向にスライド移動したりして退避する構造となっている。

本実施形態では、図２に示すように、上側の演算器２３は表示部２４を有し、その表示部２４にフランジ側ディスク２の摺動面２ｅのうねり（上記の差（ＤＵ−ＷＵ））の値を表示する。同様に、下側の演算器２３は表示部２４を有し、その表示部２４に反フランジ側ディスク２の摺動面２ｅのうねり（上記の差（ＤＢ−ＷＢ））の値を表示する。作業者はそれらの値からディスク２のうねりを認識することができる。

本発明のうねり測定装置によれば、ディスク付き車輪を支持した車輪受け台１０を回転駆動させ、これに伴って第１変位計２１および第２変位計２２により計測した計測データに基づき、演算器２３によってディスク２の摺動面２ｅのうねりを導出することができるので、作業者に格別な経験も集中力も強いることなく、迅速にうねり測定を行うことが可能になる。

とりわけ、図２に示すように、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪の上下、すなわち一方のディスク２であるフランジ側ディスク２の摺動面側と他方のディスク２である反フランジ側ディスク２の摺動面側に、第１変位計２１および第２変位計２２を一組ずつ配設した場合、両方のディスク２のうねり測定を同時に行える。このため、従来のうねり測定手法のようなディスク付き車輪の上下反転は不要であり、測定時間の短縮と労力の低減がより一層可能になる。

測定時間に関していえば、従来のうねり測定手法では、一方のディスクを測定するのに２分、ディスク付き車輪を上下反転させるのに５分、他方のディスクを測定するのに２分、さらにディスク付き車輪を上下反転させて元の状態に戻すのに５分と、合計で１４分程度を要する。これに対し、図２に示すうねり測定装置による測定では、例えば、車輪受け台１０の回転速度を１ｒｐｍとしても十分に測定が可能であり、この場合、約１分と極めて短時間で測定が済む。

ところで、本発明のうねり測定装置において、第１変位計２１として反射型レーザー変位センサを用いる場合に、スポットビームを出射して１次元で変位の計測が可能なスポットレーザー変位センサを採用し、このスポットレーザー変位センサを第１変位計２１としてディスク２の径方向に複数個並べて配設することができる。また、ラインビームを出射して２次元で変位の計測が可能な２次元レーザー変位センサを採用し、この２次元レーザー変位センサを第１変位計２１としてビームラインがディスク２の径方向に沿うように配設することもできる。

このように第１変位計２１として複数個のスポットレーザー変位センサまたは２次元レーザー変位センサを用いた場合、ディスク２の摺動面２ｅのうねり測定をディスク２の内周側から外周側までの全域にわたって行えることから、測定精度が向上する点で有用である。ちなみに、従来のうねり測定手法では、ディスク摺動面２ｅのうちでダイヤルゲージの測定子が接触する特定の円周上に限定してうねり測定を行っているに過ぎず、うねり値の評価（測定）に限界がある。

また、第１変位計２１として複数個のスポットレーザー変位センサまたは２次元レーザー変位センサを用いた場合、ディスク摺動面２ｅの円周方向のうねり測定のみならず、さらに径方向のうねり測定を行える点でも有用である。径方向のうねり測定の一例を挙げると、演算器２３により、第１変位計２１（複数個のスポットレーザー変位センサまたは２次元レーザー変位センサ）より送出された計測データのうちから、半径方向の外周側と内周側の高さ変位をそれぞれ抽出し、その差（Ｒ）を算出する。この差（Ｒ）の値がディスク摺動面２ｅの径方向のうねりに相当する。これにより、ディスク摺動面２ｅの径方向のうねりを測定することができ、ディスク２の反りなどといった変形を認識することが可能になる。

ただし、ディスク摺動面２ｅの径方向のうねり測定は、車輪受け台１０の中心軸と、車輪受け台１０に支持されたディスク付き車輪の中心軸が完全に一致し、車輪１のリム面１ｅが車輪受け台１０の中心軸、すなわち回転軸に対して傾くことなく直交する状態で行うのが前提である。このため、演算器２３により、車輪１のリム面１ｅの一周にわたる高さ変位（上記の差（ＷＵ、ＷＢ））を算出し、これが、リム面１ｅが回転軸に対して直交しているとみなすことのできる規定範囲内、例えば０．１ｍｍ以内であれば、ディスク摺動面２ｅの径方向のうねり測定を行う。その規定範囲を超える場合は、その要因を排除した後に改めて測定を行えばよい。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、車輪受け台に支持されたディスク付き車輪の上下に、第１変位計および第２変位計を一組ずつ配設しているが、上下のいずれか一方に、一組の第１変位計および第２変位計を配設する態様であっても構わない。測定の合間にディスク付き車輪の上下反転が必要となるが、従来のうねり測定手法のような測定に際しての作業者の経験と集中力を低減できることに変わりはないからである。

また、上記の実施形態では、演算器が表示部にディスク摺動面のうねり値を表示することにより、作業者がディスクのうねりを認識することができるようにしているが、予め、うねりの管理値を演算器に登録しておき、測定によって導出したうねり値がその管理値を超えた場合に警報を発するように構成することもできる。

本発明のうねり測定装置は、ブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定に有効に利用することができる。

１：鉄道車輪、 １ａ：車輪の板部、 １ｂ：車輪のボルト穴、
１ｄ：車輪のボス穴、 １ｅ：車輪のリム面、
２：ブレーキディスク、 ２ａ：ディスクの冷却フィン部、
２ｂ：ディスクのボルト穴、 ２ｅ：ディスクの摺動面、
３：ボルト、 ４：ナット、
１０：車輪受け台、 １１：円柱部、 １２：支軸、 １３：管状支柱、
２１：第１変位計、 ２２：第２変位計、 ２３：演算器、 ２４：表示部、
２５：支柱、 ２６：アーム部

Claims (3)

1. 鉄道車輪の板部を挟んで一対のブレーキディスクが対向配置され、そのブレーキディスクがボルトによって締結されてなるブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置であって、
   鉄道車輪のボス穴を支持し、鉄道車輪の中心軸を中心に回転する車輪受け台と、
   一方のブレーキディスクの摺動面に対向して配設され、車輪受け台の回転に伴って前記摺動面の一周にわたる高さ変位を計測する第１変位計と、
   前記摺動面側の鉄道車輪のリム面に対向して配設され、車輪受け台の回転に伴って前記リム面の一周にわたる高さ変位を計測する第２変位計と、
   第１変位計から計測データを取得して前記摺動面の高さ変位の最大値と最小値の差を算出するとともに、第２変位計から計測データを取得して前記リム面の高さ変位の最大値と最小値の差を算出し、算出した両方の差の値同士の差をブレーキディスクのうねりとして導出する演算器と、
   を備えた
   ことを特徴とするブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置。
2. 前記第１変位計および前記第２変位計は、車輪受け台に支持された鉄道車輪の一方のブレーキディスクの摺動面側と他方のブレーキディスクの摺動面側に一組ずつ配設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置。
3. 前記第１変位計および前記第２変位計が反射型レーザー変位センサである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪におけるブレーキディスクのうねり測定装置。

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