JP5959378B2 - 荷重測定方法及び装置、荷重測定装置を備えた鉄道車両、並びに荷重管理システム - Google Patents
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Description
即ち、本発明の第1態様における荷重測定方法は、左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両において、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法であって、それぞれの前記軸受に作用する各アキシアル荷重を測定し、前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定し、前記測定された前記各アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める、ことを特徴とする。
このように第1態様における荷重測定方法及び第2態様における荷重測定装置によれば、計測が容易であり測定信頼性も確保しながら、製造及びコスト面でも従来に比べて優れた荷重測定装置を提供可能である。
まず、実施形態1における前記荷重測定方法の基本的な考え方について説明する。
上述した特許文献等に開示されるように、鉄道車両の車輪における輪重及び横圧の計測方法が提案される一方で、測定された輪重及び横圧を利用して、輪軸の車軸軸受に作用する荷重を推定することの論文も報告されている(高橋、他、「輪重・横圧を利用した車軸軸受に作用する荷重の推定法」、鉄道総研報告、Vol.25,No.1, Jan.2011)。この論文では、輪重及び横圧と、車軸軸受に作用するラジアル荷重及びアキシアル荷重との関係が式で示されており、輪重・横圧値から車軸軸受に作用するラジアル荷重、アキシアル荷重を算出できると記載されている。
一方、横圧値については、たとえ逆変換しても、前記論文内の(6)、(7)式から明らかなように、左右車輪のそれぞれに作用する横圧の合算値しか得ることができない。
このことは、左右車輪に作用する横圧(Q)が輪軸内の内力であることから、輪軸の外に作用する力をどのように測定しても得ることができないことより容易に理解できる。
尚、図14は、前記論文の図3に相当し、この図14に示されている各記号の説明は、前記論文における記載のように次の通りである。つまり、図14には走行する車両の輪軸に作用する各荷重を示し、Frは台車枠から車軸軸受に作用する上下方向の荷重であり軸受のラジアル荷重に相当し、Faは台車枠から車軸軸受に作用する左右方向の荷重であり軸受のアキシアル荷重に相当し、Fpは車輪がレールから受ける輪重の反力であり、Fqは車輪がレールから受ける横圧の反力であり、Wjは輪軸に作用する重力(一輪軸当たりのばね下重量)であり、添字の1、2はそれぞれ1位側、2位側を示し、図の上から下向きを正、左から右向き(1位側→2位側)を正とし、図中での力は全て正方向の矢印で示し、Lgは車輪/レールの接触点間隔、Lbは車輪/レールの接触点から車軸軸受中心までの距離、Lwは車輪半径である。
(6)式:
Fa1+Fa2=−(Fq1+Fq2)、
(7)式:
Fa1=Fa2=−(1/2)・(Fq1+Fq2)、
(3)式:
Fr1+Fr2+Wj+Fp1+Fp2=0、
(5)式:
−Lb・Fr1+(Lg+Lb)Fr2+Lw(Fa1+Fa2)+(1/2)・Lg・Wj+Lg・Fp2=0
一方、左側の合力Fa1+Fq1、及び右側の合力Fa2+Fq2は、共に、車軸軸方向(前記左右方向)に沿った力である。これらのことから、車軸に作用している軸方向の力(軸力)で、Fa1+Fq1とFa2+Fq2とは釣り合っている。
Fa1+Fq1=Fa3
Fa2+Fq2=Fa3
となり、各車輪からレールに作用する横圧Fq1、Fq2は、それぞれ、下記の「A」式にて求めることができる。
「A」式:
Fq1=Fa3−Fa1、 Fq2=Fa3−Fa2
したがって、車軸に作用している軸方向の力、つまり軸力、Fa3が明らかになることで、Fq1とFq2とは分離できる。これにより、左右の各車輪からレールに作用する各横圧を得ることができる。
但し実際には、車軸には前記軸力のみならず、曲げ応力も作用することから、前記軸力を得るには、曲げ応力成分をキャンセルする必要がある。この点については後述している。
Fp2=(Lb/Lg)Fr1−{(Lg+Lb)/Lg}Fr2−{(Lw/Lg)(Fa1+Fa2)}−(1/2)Wj
Fp1=−(Fr1+Fr2+Wj+Fp2)
ここで車軸における軸力、及びアキシアル荷重は、上述したように、測定によって取得したものであってもよいし、既知のものであってもよい。図1に示され、また上述の、ステップS1とステップS2とは図示の便宜上、先後を付したものであり、その順序は問わず、また同時でもよい。
ここで、ラジアル荷重は、測定によって取得したものであってもよいし、既知のものであってもよい。また、図1と同様に、ステップS1、ステップS2及びステップS2−2の順序は問わず同時でもよく、ステップS3とステップS3−2との順序も問わず同時でもよい。
尚、上述した荷重測定方法による横圧及び輪重は、演算装置等により求めてもよいし、人が計算により求めてもよい。
図3、図5から図7を参照して、上述の荷重測定方法を実行可能な荷重測定装置について説明する。
図3は、図1に示す荷重測定方法を実行可能な荷重測定装置102の概略構成を示している。荷重測定装置102は、軸力測定部110と、アキシアル荷重測定部120と、演算部150とを備える。
軸力センサ111は、車軸13の変形を検知する、例えば歪ゲージを用いることができる。このような軸力センサ111は、図5及び図6に示すように、左右の車輪11,12間における車軸13の軸方向13aの一箇所において、車軸13の周面の対向位置の2点に一対を取り付け可能である。即ち、軸力センサ111として例えば歪ゲージを用いて、車軸13の軸方向13aにおける一箇所において、軸方向13aに第1の歪ゲージ、つまり軸力センサ111−1が貼付され、この第1歪ゲージと同じ軸断面で周方向に180度の位置に、軸断面中心に対して対称の位置に、軸方向13aに第2の歪ゲージ、つまり軸力センサ111−2が貼付される。
出力部112は、車軸13に固定可能で、例えばテレメータにて構成され、各軸力センサ111とはリード線で接続され、各軸力センサ111の出力データを無線で演算部150へ送信する。
即ち、上述の軸力について、演算処理部151は、軸力測定部110から供給される各軸力センサ111−1,111−2の出力データである、車軸13の一対の歪みデータから、車軸13に作用する曲げ応力成分をキャンセルして、軸方向13aの軸力を求める。
そして、演算処理部151は、上述した「A」式を用いて、求めた軸力及びアキシアル荷重から各車輪11,12がレールに作用している各横圧を求める。
上述した実施の形態2の荷重測定装置102は、軸力測定部110とアキシアル荷重測定部120とを備え、左右の各車輪11,12の各横圧のみを求めた。本実施の形態3の荷重測定装置では、既に述べたが、さらにラジアル荷重を取得することで、横圧のみならず車輪11,12の各輪重も求めるものである。
即ち、図4、図5及び図8に示すように、本実施の形態3の荷重測定装置103は、実施の形態2の荷重測定装置102の構成に、さらにラジアル荷重測定部130を加えた構成を有する。よって以下では、主にラジアル荷重測定部130について説明を行う。
また、ラジアル荷重測定部130の追加に伴い、上述した演算部150について、本実施の形態3の荷重測定装置103では演算部155とする。演算部155は、演算処理部156と記憶部152とを有し、上述した軸力及びアキシアル荷重に加えてラジアル荷重を用いて、左右車輪11,12のそれぞれからレールに作用する各横圧、及び、各輪重を求める。
ラジアル荷重センサ131の構成としては様々な既知の構成を採ることができる。ここではラジアル荷重センサ131は、例えば図8に示すような、永久磁石1311と、一対のセンサ1312a,1312bとを有する。概説すると、永久磁石1311は、車軸軸受21,22を含む各軸箱25の外面にそれぞれ取り付ける。一対のセンサ1312a,1312bは、永久磁石1311に対向して上下方向31に沿って並設し、軸箱25に対して不動である支持部材32に固定する。
上述した演算部150と同様に、上述した軸力及びアキシアル荷重から各車輪11,12の横圧を求める。
さらにラジアル荷重について、一対のセンサ1312a,1312bの各出力信号からその差を求め、この差の変化量とラジアル荷重の大きさとの関係から、車軸軸受21,22におけるラジアル荷重を求める。尚、前記差の変化量とラジアル荷重の大きさとの関係は、予め計測して得た計測値データから、あるいは演算によって求める。
そして、演算処理部156は、求めた各横圧と各ラジアル荷重とを元に、上述した「B」式を用いて各車輪11,12における輪重をそれぞれ求める。尚、「B」式に含まれ輪重を求めるのに必要な、車輪/レールの接触点から車軸軸受中心までの距離Lbや、車輪/レールの接触点間隔Lg等の項目の値は、予め演算処理部156に入力されている。
このように求まった横圧及び輪重、並びに脱線係数は、検査時のみならず、営業運行時においても常時、演算部155の記憶部152に記憶される。
上述した各荷重測定装置102、103では、車軸軸受21,22部分にアキシアル荷重測定部120及びラジアル荷重測定部130を設置し、車軸13に作用する軸力はテレメータを介して伝送する構成を採った。しかしながら荷重測定装置の構成は、勿論これらに限定されるものではない。本実施の形態4の荷重測定装置では、その変形例の一例を示す。
このようなアキシアル荷重測定部125は、車体50に設置される演算部160に結線される。
このようなラジアル荷重測定部135は、車体50に設置される演算部160に結線される。
このような組み合わせ構成としては、例えば、ラジアル荷重については、実施の形態4の荷重測定装置104で説明した軸ばねの上下変位量から換算により求め、一方、アキシアル荷重については実施の形態2の荷重測定装置102で説明した軸受内蔵型の左右変位検出センサ121を用いて求めるように構成した荷重測定装置を作製してもよい。あるいはまた、輪重については、従来のPQ輪軸の測定法で測定し、横圧のみを実施の形態2等で説明した構成を用いて求めるように構成してもよい。
尚、このような荷重測定装置を備えた鉄道車両200は、一編成内の少なくとも一両設ければよい。
図12には、上述の荷重測定装置102〜104、109を装備した鉄道車両200と、処理装置310とを備え、車輪とレールとの間に作用する力の状態の変化を経時的に管理する荷重管理システム300のブロック図を示している。ここで、処理装置310は、分析部311と記憶部312とを有する。記憶部312は、横圧値や輪重値、脱線係数を格納するが、アキシアル荷重やラジアル荷重を格納してもよい。また、これらの各値は、時間情報や軌道情報、運行情報等と関連付けて格納される。分析部311は、荷重測定装置102等に備わる記憶部152が格納している少なくとも横圧値、さらには輪重値及び脱線係数を、時間情報さらには軌道情報、運行情報等とともに取得する。尚、分析部311と記憶部152間の情報伝達方法は、有線、無線を問わない。
そこで分析部311は、少なくとも横圧値の経時的変化を監視し、例えば、横圧値が設定値を超えた場合には異常を示す異常信号を出力する。また、あるいは、分析部311は、鉄道事業者の指令所等に対して、軌道及び車両の少なくとも一方について修繕の必要性を通知する。記憶部312は、このような分析部311の分析結果を格納する。
図13は、実施の形態6に係る鉄道管理システム400のブロック図である。鉄道管理システム400は、実施の形態5の荷重管理システム300とほぼ同様の構成であるが、さらに軌道計測装置450を有している点で異なる。以下、実施の形態5の荷重管理システム300と異なる点を中心に説明する。
分析部311は、鉄道車両200の荷重測定装置102〜104,109から出力された横圧値が予め定められた設定値を超え、かつ、軌道計測装置450から出力された軌道間隔が予め定められた設定値を超えた場合には、軌道側に異常があると判断し、軌道異常信号を出力する。さらに分析部311は、軌道異常信号に基づいて、鉄道車両が安全に走行できる速度を算出し、自車及び後続の鉄道車両に対して減速指示を出力する。
102〜104…荷重測定装置、110…軸力測定部、
120…アキシアル荷重測定部、121…左右変位検出センサ、
126…左右変位検出センサ、
130…ラジアル荷重測定部、131…ラジアル荷重センサ、
136…上下変位検出センサ、150…演算部、
160…演算部、161…変換部、
200…鉄道車両、
300…荷重管理システム、310…処理装置。
Claims (10)
- 左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両において、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定方法であって、
それぞれの前記軸受に作用する各アキシアル荷重を測定し、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定し、
前記測定された前記各アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める、
ことを特徴とする荷重測定方法。 - 前記各横圧は、以下の式(1)、(2)により算出される、
Fq1=Fa3−Fa1・・・(1)
Fq2=Fa3−Fa2・・・(2)
ここで、Fq1は一方の車輪の横圧、Fq2は他方の車輪の横圧、Fa1は一方の軸受に作用するアキシアル荷重、Fa2は他方の軸受に作用するアキシアル荷重、Fa3は前記軸力である、
請求項1に記載の荷重測定方法。 - 左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを備える鉄道車両に適用され、それぞれの前記車輪からレールに作用する荷重を測定する荷重測定装置であって、
それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、
測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、
を備えたことを特徴とする荷重測定装置。 - 前記軸力測定部は、前記左右の車輪の間で前記車軸に設けられて前記軸力を測定する歪みゲージを有する、請求項3に記載の荷重測定装置。
- 前記軸受を収納する軸箱をさらに備えた鉄道車両に適用可能な荷重測定装置であって、
前記アキシアル荷重測定部は、前記軸箱での前記車軸の軸方向における変位、又は台車枠に対する前記軸箱の前記軸方向における変位を検出する左右変位検出センサを有し、
前記演算部は、前記左右変位検出センサで検出された値をそれぞれの前記アキシアル荷重に変換する、請求項3又は4に記載の荷重測定装置。 - 台車枠または前記軸受に設けられ、前記軸受に作用するラジアル荷重を測定するラジアル荷重測定部をさらに備え、
前記演算部は、前記測定されたラジアル荷重を元に、それぞれの前記車輪から前記レールに作用する各輪重をさらに求める、請求項3から5のいずれかに記載の荷重測定装置。 - 前記軸受を収納する軸箱と、この軸箱と台車枠との間に設ける軸ばねとをさらに備えた鉄道車両に適用可能な荷重測定装置であって、
前記ラジアル荷重測定部は、前記軸ばねの上下変位を検出する上下変位検出センサを有し、
前記演算部は、前記上下変位検出センサで検出された値をそれぞれの前記輪重に変換する、請求項6に記載の荷重測定装置。 - 請求項3から7のいずれかに記載の荷重測定装置を備えたことを特徴とする鉄道車両。
- 左右一対の車輪と、前記車輪を支持する車軸と、前記車軸を回転自在に支持する左右一対の軸受とを有する鉄道車両の前記車輪からレールに作用する荷重を管理する荷重管理システムであって、
それぞれの前記軸受に作用するアキシアル荷重を測定するアキシアル荷重測定部と、
前記車軸に作用する軸方向の軸力を測定する軸力測定部と、
測定された前記アキシアル荷重と前記軸力とから、それぞれの前記車輪からレールに作用する各横圧を求める演算部と、
前記演算部により求められた前記横圧を示す横圧情報、前記求められた横圧に対応する時間情報、軌道情報、及び運行情報の少なくとも1つを格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された各前記情報に基づいて、前記横圧情報の経時的変化を取得する分析部と、
を備えたことを特徴とする、荷重管理システム。 - 台車枠または前記軸受に設けられ、前記軸受に作用するラジアル荷重を測定するラジアル荷重測定部をさらに備え、
前記演算部は、前記測定されたラジアル荷重を元に、それぞれの前記車輪から前記レールに作用する各輪重をさらに求め、
前記記憶部は、前記演算部により求められた前記輪重を示す輪重情報と、前記求められた輪重に対応する時間情報、軌道情報及び運行情報の少なくとも1つを記憶し、
前記分析部は、前記記憶部に格納された各前記情報に基づいて、前記輪重情報の経時的変化を取得する、請求項9に記載の荷重管理システム。
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