JPH0629711Y2 - 車輪フラット検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、鉄道車両等における車輪に発生したフラット
を走行中に検出することのできる車輪フラット検出装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

鉄道車両等では、制動時に車輪に加えられるブレーキ力
が車輪とレール間の粘着力より大きくなったとき車輪が
ロックされてレール上を滑走することにより、車輪外周
の特定部に磨耗が集中し、いわゆるフラットと称される
偏平な擦過傷を生じる。

このフラットは、一旦発生すると、車両の走行につれて
成長していき、ある大きさを超えるとフラット部がレー
ルに接触するたびに衝撃を生じ、車両に有害（部品の脱
落や車軸軸受の焼損等）な振動を与えるばかりか、沿線
住民に対する騒音公害にもなる。

そこで従来は、フラットの発生を初期の段階で発見し、
研削によりフラットを除去する対策が採られている。具
体的には、車両の入庫のたびに目視あるいは触手により
フラット発生の有無を検査し、フラットが発生している
車輪には再生修理を施している。

また、これらの方法よりもさらに早期にフラットを定量
的に発見して、初期の適正な段階で車輪の再生修理を施
す試みがなされている。

そのための検査装置として、例えば、特開昭５２−１３
１３０２号公報に記載されたものがある。この検査装置
は、車両が通過するレールあるいは枕木に加速度計を設
置しておき、車両の通過時に車輪のフラットがレール面
を転動する際に発生する衝撃を加速度の振幅として測定
し、その測定値の大きさからフラットの大きさを推定す
るものである。

また、他の検査装置として、特開昭５８−４８８０９号
公報に記載されたものがある。この検査装置は、レール
の底部にひずみゲージを設置し、輪重によるレールひず
みおよびフラットによる衝撃ひずみを同時に検出し、得
られたひずみからフラットによる衝撃成分を分離してフ
ラットの大きさを推定するものである。

さらに、別な検査装置として、特開昭５１−１３７２０
３号公報に記載されたものがある。この検査装置は、レ
ール腹部にひずみゲージを設置し、輪重によるレールの
せん断力およびそこに重畳されるフラットによる衝撃波
成分を同時に検出し、ハイパスフイルタを通した衝撃波
振幅値と輪重成分との比からフラットの大きさを推定す
るものである。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の加速度計を用いたフラット検査装
置の場合、回路が比較的簡単に構成でき安価に製作し得
る利点があるものの、走行中に発生する衝撃波の振幅に
ばらつきがあるため、充分な測定精度を得ることができ
ないという難点がある。

また、上記のひずみゲージを用いたフラット検出装置の
場合、ひずみゲージが４０cm間隔で設置されている既設
枕木間隔（約４０cm）内に取付けられ感度幅が小さいた
め、有効な検知範囲が約２５cmと狭く、従って一車輪周
（周長は約２７０cm）を検査するためには、最低１１点
の測定ポイントを設置して全周をカバーする必要がある
ため、輪重検出器の個数が増加し、コストが嵩むと同時
に各ポイントごとの検知信号が入力されるため処理量が
多くなる。

また、測定ポイント数を少なくしようとして、枕木をま
たいで測定ポイントを配置すると、検知範囲の中央部に
位置する枕木部の感度が低下して、アナログ比較によっ
てフラットによる衝撃を分離する方法によった場合、感
度領域中央部は不感帯となってしまい、充分な測定精度
を得られない等の問題が生ずる。

本考案は、これらの問題点を解消するためになされたも
のであり、その目的とするところは、測定ポイント数を
少なくしても充分な精度でフラット検査を行い得る車輪
フット検出装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本考案は、車輪の通過を検
出する車輪検出器と、この車輪検出器により検出された
車輪通過タイミングより車輪の通過速度を検出する車輪
通過速度算出手段と、レールに設置され、通過車輪の輪
重値を検出する輪重値検出器と、この輪重値検出器によ
り検出された輪重値を所定周期で抽出し、上記メモリに
格納する輪重値格納手段と、上記メモリ内の輪重値を車
輪速度に応じて適数個読み出し、移動平均値を算出する
移動平均算出手段と、この移動平均算出手段により得ら
れた輪重値の移動平均とその時の輪重検出値との差を求
め、その差と移動平均との比から車輪のフラット部より
発して輪重検出値に重畳されているフラット衝撃成分を
抽出して車輪のフラットの大きさを算出するフラットの
大きさ算出手段と、このフラットの大きさ算出手段によ
り得られたフラットの大きさの値を印字等により出力す
る出力手段とを具備して成ることを特徴としたものであ
る。

〔作用〕

上記のように構成された車輪フラット検出装置におい
て、車輪検出器が車輪の通過を検出すると、車輪通過速
度算出手段が上記検出された車輪通過タイミングより車
輪の通過速度を算出する。レールに設置された輪重値検
出器は、通過車輪の輪重値を検出し、輪重値格納手段は
検出された輪重値を所定周期で抽出しメモリに格納す
る。

移動平均算出手段は、上記メモリ内に格納された輪重値
を車輪速度に応じて適数個読み出し移動平均を算出す
る。

フラットの大きさ算出手段は、得られた輪重値の移動平
均とその時の輪重検出値との差を求め、その差と移動平
均との比から車輪のフラット部より発して輪重検出値に
重畳されているフラット衝撃成分を抽出し、車輪のフラ
ットの大きさを算出する。

このようにして得られたフットの大きさを出力手段が印
字等により出力する。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を添付図面に基づいて具体的に説
明する。

第２図（ａ）は、車輪検出器１，２および輪重値検出器
としてのせん断力検出器４ａ，４ｂの配置例を示した説
明図、第２図（ｂ）は、せん断力検出器４ａ，４ｂの検
出感度を示した波形図である。

第２図（ａ）に示すように、車両を支える車輪１１が転
動するレール１２は、枕木１３ａ〜１３ｄ上に敷設され
ている。この枕木１３ａの前方および枕木１３ｄの後方
には、車輪検出器１および２が、配設されており、枕木
１３ａと１３ｂとの間および枕木１３ｃと１３ｄとの中
間に相当するレール１２上の位置に、せん断力検出器４
ａおよびせん断力検出器４ｂが配設されている。測定区
間の全長Ｌは、枕木１３の敷設ピッチのほぼ４倍に設定
されている。車輪検出器１，２は磁気、赤外線等により
車輪の通過を検知する。車輪検出器１，２間の距離Ｌと
車輪検出器１，２の通過検知タイミングの差から車両の
通過時間や通過速度の算出が可能となる。

せん断力検出器４ａと４ｂは、第３図に示すように、レ
ール１２の腹部の中立軸Ｎ．Ａ上に、中立軸Ｎ．Ａに対
してそれぞれ４５度および１３５度の角度で互いに直交
するように取り付けられた２対のひずみゲージ素子ｇ_１
およびｇ_２とｇ_３およびｇ_４からなり、これらひずみゲ
ージ素子ｇ_１〜ｇ_４により第４図に示すようなホイート
ストンブリッジに構成してブリッジ電圧Ｅを印加するこ
とにより、レール１２に発生するせん断力に比例した電
圧信号が出力端から得られる。なお、通常の軌道では枕
木１３は、輪重によって沈下するため、せん断力の感度
領域は相当な拡がりを持つ。

このようにしてせん断力検出器４ａによって検出される
せん断力は、車輪１１の位置により検出値が増減するも
のであり、第２図（ｂ）に示す波形ｅのように、車輪１
１が接近するにつれ値が負に増加し、せん断力検出器４
ａの位置で極性が反転し通過直後に、正の最大値とな
り、以後徐々に減少していき、対称的な波形をした特性
となる。なお、一般的にはこれらのせん断力検出器が通
過輪重を検出する場合に、せん断力が負から正へ急激に
変化するように説明がなされるが、実際には、レールに
高さがあり、また車輪１１とレール１２との間が面接触
であり、さらにせん断力検出器が長さを有することによ
り、検出されるせん断力の値が反転する際は、第２図
（ｂ）のように傾斜をした波形となる。

同様に、せん断力検出器４ｂにおいても、波形ｅに示す
ような特性を検出することができる。なお、実線で示し
た波形ｆ′は、波形ｆを反転したもので、実際の処理に
おいては実線で示した波形ｅ，ｆ′が用いられてフラッ
トの大きさ検出の処理が行われる。

第１図は、本考案にかかる車輪フラット検出装置の構成
を示したブロック図である。

同図において、１および２は車輪検出器であり、この上
方のレール上を車輪が通過するとそれを検知した信号を
出力する。

３は台車信号発生器であり、第６図に示すように車輪検
出器１，２が出力した車輪検出信号ｈ，ｊから台車が通
過中であることを表わす信号（以下「台車信号」とい
う）ｋを出力する。

４は輪重値検出器としてのせん断力検出器であり、レー
ルに加わる輪重をせん断力として検出する。このせん断
力には車輪のフラットがレール面を転動する際に生じる
衝撃波成分が重畳されている。

５は増幅器であり、せん断力検出器４が検出したせん断
力検出信号を所定の倍率で増幅する。

６はサンプル・ホールド回路であり、後述する信号処理
部８の制御により、増幅器５が増幅したアナログのせん
断力検出信号を所定間隔でサンプリングしかつ保持す
る。

７はＡ／Ｄ変換器であり、同様に信号処理部８の制御に
より、増幅されたせん断力検出信号をデジタル信号に変
換する。

８は信号処理部であり、具体的にはマイクロコンピュー
タより構成され、台車信号発生器３から台車が通過中で
あることを表わす台車信号ｋが入力されると、台車の通
過速度を算出するとともにサンプル・ホールド回路６お
よびＡ／Ｄ変換器７を作動させて、せん断力検出器４が
検知した信号を取り込みフラット衝撃成分の大きさを算
出する処理を行う。

９はプリンタであり、算出されたフラット衝撃成分の大
きさおよびフラット磨耗を生じた台車位置、台車速度の
ほか、列車の通過年月日、時分、車両数等をプリントア
ウトする。

第５図および第６図は、台車信号発生器３における信号
処理を示した説明図である。

軸間距離ｌの車輪１１および車輪１１′からなる台車
が、全長Ｌの測定区間を通過する場合を考える。

車輪検出器１では、最初に車輪１１を、次いで車輪１
１′の通過を検出し、それぞれの通過タイミングのパル
スＳ１，Ｓ２からなる信号ｈを出力する。

同様に車輪検出器２では、車輪検出器１よりも遅れて車
輪１１を、次いで車輪１１′の通過を検出し、それぞれ
の通過タイミングのパルスＳ３，Ｓ４からなる信号ｊを
出力する。

このようにしてパルスＳ１が検出されてからパルスＳ４
が検知されるまでの期間が、実際の台車の通過時間とな
るので、信号ｈ，ｊから、台車の通過している間のみを
Ｈレベルとした台車信号ｋを合成する。

その結果、せん断力検出器４ａ，４ｂが検出した車輪１
１および車輪１１′のせん断力検出信号ｍは、台車信号
ｋがＨレベルの間のみ有効な値として取り込まれる。つ
まり、信号処理部８は、台車信号ｋのみを監視し、台車
信号ｋのＨレベルの立上り、またはライズエッジを検知
してから処理を開始する。また車輪検出信号ｈ，ｊのパ
ルスＳ１とパルスＳ４との間隔を内部タイマ等により計
測し、その時間Ｔと、測定区間長Ｌおよび車輪１１，１
１′の軸間距離ｌから次式により通過速度Ｖを求めるこ
とができる。

Ｖ＝（Ｌ＋ｌ）／Ｔ 第７図は、信号処理部８における処理内容を示す説明図
である。

本考案では、フラットが原因で発生する衝撃波成分を分
離して評価をするために、衝撃波成分が重畳されたせん
断力波形を台車が通過中に一定周期でサンプリングを行
い、かつＡ／Ｄ変換を行ってデジタル値の検出データと
して信号処理部８内のメモリに一時記憶する。

すなわち、せん断力検出器４ａ，４ｂが検出したせん断
力の時間的変化を示す波形は、輪重によりレール１２に
発生するせん断ひずみ以外に、車輪外周に発生したフラ
ットの衝撃波成分が重畳される。

第７図（ａ）は、信号処理部８に入力されたフラットの
衝撃波成分を含むせん断ひずみの変化の１例を示し、車
輪外周に生じた２箇所のフラットに起因したフラット衝
撃波Ｆ１，Ｆ２が発生しているものであり、フラット衝
撃波Ｆ１は、図示された左側の波形、つまりせん断力検
出器４より離れた位置でレール面に接触したため、衝撃
成分が比較的小さく検出される。それに比べフラット衝
撃波Ｆ２は、中心寄りのせん断力波形の最大振幅部、つ
まりせん断力検出器４に近い位置でレール面に接触した
ため、衝撃成分が比較的大きく検出される。

第７図（ｂ）は、第７図（ａ）に示したせん断力検出器
４により検出したフラットの衝撃波成分を含むせん断力
の時間的変動から、移動平均によりフラットの衝撃波成
分を近似的に除去した場合のせん断力の変動波形を示
す。

サンプリング数Ｎにより順次、せん断力の移動平均を算
出すると、図示するようにフラット衝撃波Ｆ１，Ｆ２の
衝撃波成分がそれぞれわずかなレベルにならされる。こ
こで両者の波形を重ね合せ、不一致の部分を抽出する。
すなわち両者の差を求めることによりフラット衝撃波Ｆ
１，Ｆ２の衝撃成分を取り出すことができる。

具体的には、台車速度に対応した個数Ｎづつ上記記憶デ
ータの先頭から順に移動平均処理を行い、記憶データの
先頭からｉ番目のデータ（振幅）をＰｉとし、移動平均
された（ｉ−Ｎ）番目の数値（振幅）をＰ_１−Ｎとして
係数Ｒを、次式によって求める。

Ｒ＝（Ｐｉ−Ｐ_１−Ｎ）／Ｐ_１−Ｎ この係数Ｒは、サンプリングされた値と、同じタイミン
グの移動平均との差を移動平均値で除したものであるか
ら、衝撃波成分が重畳されていなければほぼ０となり、
衝撃波成分が重畳されていればその衝撃波成分に比例し
た値となる。係数Ｒを求める処理をデータの先頭から順
次行い、大きい値が得られればその車輪にはフラットが
発生していることになる。この係数Ｒは、衝撃波振幅と
輪重との比であるため、車輪フラットの衝撃位置と検出
器の位置との遠近にかかわらず同一フラットからは常に
等しい係数Ｒが得られ、せん断力検出範囲内での衝撃振
幅の検出感度が一様になる。さらに、得られた係数Ｒを
通過速度Ｖの大きさによる補正等の処理をして、フラッ
トの磨耗の大きさを推定することができる。

なお、考案者等が実施した実験によると、フラット磨耗
により発生する衝撃波成分の振幅は、車両速度がほぼ一
定値（約４０km／ｈ）までは速度に比例して大きくなる
ため、車輪の通過速度Ｖを算出し、別途、経験的に求め
ておいた速度補正係数を係数Ｒに乗ずる処理を行うこと
によって、より正確にフラット磨耗の大きさを推定する
ことが可能になる。

また同様にサンプル・ホールド回路６のサンプリング周
期が一定であれば、車輪の通過速度Ｖにより取り込まれ
るせん断力の検出値のデータに粗密が生じるので、速度
Ｖにほぼ反比例するように移動平均の対象とするデータ
個数Ｎを変更する。

信号処理部８は、これらの車輪通過速度算出、速度補正
係数算出、移動平均処理、通過速度に応じたフラット磨
耗の大きさの算出、フラットの大きさの判別評価等の処
理を行い、その結果をプリンタ９より出力する。

プリンタ９からの出力項目（印字項目）は、上記の処理
結果以外に列車通過年月日時分、車両数、フラット磨耗
の生じた台車位置等であり、列車の通過後にプリントア
ウトされる。

第８図は、信号処理部８の動作を説明するフローチャー
トである。以下このフローチャートに基づき信号処理部
８の動作を系統的に説明する。

電源投入等により所定の初期処理が終了した時点で、信
号処理部８は、台車信号発生器３から入力される台車信
号ｋを監視する（ステップ８０１）。

台車信号ｋが台車の通過によりＬレベルからＨレベルに
反転すると（ステップ８０１肯定）、内部タイマの計時
処理を開始する（ステップ８０２）。

同時に、サンプル・ホールド回路６およびＡ／Ｄ変換器
７に起動信号を送り動作を開始させる（ステップ８０
３）。

その結果、せん断力検出器４が検出した値が、デジタル
信号としてＡ／Ｄ変換器７より信号処理部８に一定間隔
で入力される。

入力されたせん断力検出値は、台車信号ｋがＬレベルに
反転されるまで内部メモリに順次格納される（ステップ
８０４，８０５）。

次いで、台車信号がＬレベルに反転されたことを検出す
ると（ステップ８０５肯定）、内部タイマを停止し、そ
れまでの計測時間Ｔと測定区間長Ｌとから車輪通過速度
Ｖを算出し、内部メモリに格納する（ステップ８０
６）。

同時に、サンプル・ホールド回路６およびＡ／Ｄ変換器
７の動作を一時停止させる（ステップ８０７）。

次いで、速度Ｖに応じて最適な個数Ｎのせん断力検出値
を内部メモリより順に読み出して移動平均値を算出する
（ステップ８０８）。

さらに算出した移動平均値と、移動平均を求めるために
用いられたデータとを比較してその差を求め、さらにこ
の差と対応する移動平均値との比からフラットの大きさ
にほぼ比例した係数Ｒを算出する（ステップ８０９）。

さらに速度Ｖの大きさに応じて係数Ｒを補正をし、フラ
ットの磨耗の大きさを推定する（ステップ８１０）。

次に、信号処理部８は、算出された速度Ｖ、フラットの
磨耗の大きさおよびその他の出力用データをプリンタ９
に送り、適当なタイミングで出力させる（ステップ８１
１）。

これらの処理で１台車が通過した際のフラットの検査が
終了し、さらにステップ８０１へ戻り、次の台車の通過
を待機する。

このように本実施例によれば、設置される検出器の個数
を少なくして、比較的簡単で、安価な車輪フラット検出
装置を提供することが可能となり故障の発生率を小さく
するとともに保守を容易にした車輪フラット検出装置を
得ることができる。

なお、本考案は、上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実
施が可能である。

例えば、実施例では、せん断力検出器を２個設置した
が、１個のせん断力検出器の検出範囲が車輪の全外周を
カバーできる場合は、せん断力検出器を１個とすること
も可能である。

〔考案の効果〕

以上、詳細に説明したように、本考案によれば、輪重値
検出器の設置個数がごく少なくて足り、簡単な構成で故
障の発生率が低く、安価でありながら高精度のフラット
検査が可能な車輪フラット検出装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案にかかる車輪フラット検出装置の構成
を示したブロック図、第２図（ａ）は、車輪検出器およ
びせん断力検出器の配置例を示す説明図、第２図（ｂ）
は、せん断力検出器の検出感度を示した波形図、第３図
は、せん断力検出器の取付け例を示す説明図、第４図
は、せん断力検出器を構成するひずみゲージ素子の結線
図、第５図および第６図は、台車信号発生器の信号処理
内容を説明するための模式図およびタイミングチャー
ト、第７図は、信号処理部における処理内容を説明する
ための波形図、第８図は、信号処理部の動作を説明する
フローチャートである。 １，２……車輪検出器、 ３……台車信号発生器、 ４，４ａ，４ｂ……せん断力検出器、 ５……増幅器、 ６……サンプル・ホールド回路、 ７……Ａ／Ｄ変換器、 ８……信号処理部、 ９……プリンタ、 １１，１１′……車輪、 １２……レール、 １３ａ〜１３ｄ……枕木、 ｈ，ｊ……車両検出信号、 ｋ……台車信号、 ｇ_１〜ｇ_４……ひずみゲージ素子、 ｍ……せん断力検出信号、 Ｆ１，Ｆ２……フラット衝撃波、 Ｖ……車輪通過速度、 Ｒ……係数。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】車輪の通過を検出する車輪検出器と、 この車輪検出器により検出された車輪通過タイミングよ
   り車輪の通過速度を算出する車輪通過速度算出手段と、 レールに設置され、通過車輪の輪重値を検出する輪重値
   検出器と、 この輪重値検出器により検出された輪重値を所定周期で
   抽出し、メモリに格納する輪重値格納手段と、 上記メモリ内の輪重値を車両速度に応じて適数個読み出
   し、移動平均値を算出する移動平均算出手段と、 この移動平均算出手段により得られた輪重値の移動平均
   とその時の輪重検出値との差を求め、その差と移動平均
   との比から車輪のフラット部より発して輪重検出値に重
   畳されているフラット衝撃成分を抽出して車輪のフラッ
   トの大きさを算出するフラットの大きさ算出手段と、 このフラットの大きさ算出手段により得られたフラット
   の大きさの値を印字等により出力する出力手段と、 を具備したことを特徴とする車輪フラット検出装置。