鉄道車両アタック角測定装置および方法
【課題】軌間外の建築限界を支障しない箇所に１つのセンサを設置するだけで車輪のレールに対するアタック角を測定することができ、複数のセンサを用いることや、高い精度でのゼロ点調整が不要な、鉄道車両アタック角測定装置および方法を提供する。
【解決手段】レールを走行する鉄道車両の車輪Ｗが通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪Ｗまでの距離を連続的に測定するセンサ部１２と、前記センサ部１２による測定結果を受信して解析する処理部１４と、を有し、前記処理部１４は、前記センサ部１２の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪Ｗまでの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪Ｗまでの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角を算出する。
【解決手段】レールを走行する鉄道車両の車輪Ｗが通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪Ｗまでの距離を連続的に測定するセンサ部１２と、前記センサ部１２による測定結果を受信して解析する処理部１４と、を有し、前記処理部１４は、前記センサ部１２の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪Ｗまでの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪Ｗまでの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の台車輪軸のアタック角を地上から測定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、その車輪がレールに沿って走行しており、レールが湾曲した部分、特に急曲線では、車輪がレールに対して角度を持つため、車輪とレールとの間に接線方向以外の力が作用する。車輪のレールに対する角度（アタック角という。）は、走行の安定性、騒音、車輪およびレール並びに軌道構造が互いに受けるダメージの程度等に関係し、これらの要因を解析する上で重要なパラメータである。
【０００３】
図１０に、急曲線区間におけるレールと車輪の位置関係の例を概念的に示す。図１０の外軌側（曲線中心に対して２本のレールの外方となる側）についてみると、車輪Ｗoの進行方向ｄoがレールＲoの中心線ｃoに対してなすヨー方向角度θがアタック角である。同様に、内軌側についてみると、車輪Ｗiの進行方向ｄｉがレールＲiの中心線ｃiに対してなすヨー方向角度θがアタック角である。アタック角θは、車輪Ｗo，Ｗiが外軌側に向く方向（図１０の場合には反時計回り方向）を正とする。
【０００４】
一般に、アタック角θが大きいと、車輪、特に外軌側車輪Ｗoが、レール、特に外軌側レールＲoをレールに直角な水平方向に押す力（以下、「横圧」という。）が大きくなり、レール、レール締結装置等を傷める原因となる。また、図１０に示すように、曲線区間でアタック角θが正の値であり、その値が大きくなると、脱線等が起こりやすくなり、鉄道の安全性を低下させる原因となりうる。このため、実際の鉄道車両の走行中のアタック角θを測定することが重要となってきている。
【０００５】
鉄道車両の車輪のアタック角を計測する方法としては、レールから一定の距離離れた位置に、レール側面までの距離を測定する１つのセンサと、そのセンサを挟んで等間隔の左右位置に配置され、車輪の側面までの距離を測定する２つのセンサとを、レールに沿って軌道外に設置し、通過する車両の各車輪について、これら３つのセンサで、レール側面までの距離および車輪側面までの距離２点を測定し、その３つの測定値を予め入力されている基準値と比較演算して変位量を算出し、その車輪の輪軸のレールに対する位置と角度（アタック角）を求める方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、軌間内部とレール外部との間で検出用光束を送受信する一対の光電計測部を、左右のレールについてそれぞれ設置し、左側の光電計測部では左側車輪の通過を、右側光電計測部では右側車輪の通過をそれぞれ判別し、左側車輪と右側車輪の通過時間のズレ値から左右の車輪のレール長手方向のズレ長さを求めて、そのズレ長さに基づいてアタック角を演算する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１８５５５０号公報
【特許文献２】特開２００５−６９７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のアタック角測定方法においては、レール外方でかつ車輪を水平かつレール直角方向に見通せる位置にセンサを配設する必要がある。また、車輪側面までの距離測定の精度を向上させるために、センサはレール外部で、かつレールに近接した箇所が望ましい。しかしながら、鉄道のレール付近及びその上方には、鉄道の安全を確保するための「建築限界」が設定されていることから、測定に好適な場所に測定装置を設置するのが困難な場合があった。なお、建築限界とは、鉄道車両が安全に走行するために軌道上に確保された空間の境界をいう。この建築限界は、いわば線路設備等が越えてはならない限界であり、その内部には、走行する鉄道車両との接触又は衝突する危険を避けるため、固定建築物はもちろん計測機器類の設置が禁止されている。
【０００９】
また、特許文献１の方法では、台車輪軸のアタック角を測定するのに、１つの車輪の１回の測定について３つのセンサを用いている。そのため，列車通過に伴う振動にさらされる各センサ間のゼロ点を正確に認識するため、センサのゼロ点調整を頻繁に行う必要があった。
【００１０】
一方、特許文献２の方法では、特許文献１の方法に比べて計測機器類の配置位置の制限は少ないものの、左右両側の車輪について、それぞれ一対、計２組の光電計測部を用い、両側の車輪について測定を行う必要があった。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、軌間外の建築限界を支障しない箇所に１つのセンサを設置するだけでレール上を走行する車両のレールに対する車輪のアタック角を測定することができ、複数のセンサを用いることや、高い精度でのゼロ点調整が不要な、鉄道車両アタック角測定装置および方法を提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、鉄道車両アタック角測定装置であって、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を受信して解析する処理部と、を有し、前記処理部は、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする。
【００１３】
また、前記処理部が、前記鉄道車両の進行方向に対して同一の側の２つの車輪の検出時刻の差、および前記２つの車輪の車軸間隔から、前記車両の走行速度を算出することとしてもよい。また、前記２つの車輪は、連続する２つの車輪であってもよい。
【００１４】
上記課題を解決するための本発明の方法は、鉄道車両アタック角測定方法であって、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるようにセンサ部を設置し、該センサ部によって、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定し、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軌間外の建築限界を支障しない箇所に１つのセンサを設置するだけでレール上を走行する車両のレールに対する車輪のアタック角を測定することができるので、複数のセンサを用いることや、高い精度でのゼロ点調整が不要である。したがって、従来技術と比べて，非常に簡単な装置の構成で、装置設置個所を通過する鉄道車両の台車輪軸のアタック角を地上から測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成を示す概念図である。
【図２】図１の装置の設置例を説明する模式図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す概念図である。
【図４】本発明の測定方法の一実施形態のフロー図である。
【図５】図１の装置による測定結果のグラフである。
【図６】図５のグラフの部分拡大図である。
【図７】図５のグラフの部分拡大図である。
【図８】アタック角の測定結果を示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態を示す概念図である。
【図１０】鉄道車両におけるアタック角を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の鉄道車両アタック角測定装置、および鉄道車両アタック角測定方法の一実施形態について図面を参照して具体的に説明する。図１に示すように、鉄道車両アタック角測定装置１０（以下、測定装置１０とする。）は、センサ部１２と、処理部１４と、センサ部１２と処理部１４とを接続する接続部１６とを有している。なお、図１は、本発明の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
センサ部１２は、軌間外であって、レールを走行する鉄道車両の車輪Ｗが通過する位置が測定範囲となるように設置されており、測定点を通過する車輪Ｗの側面までの距離を連続的に測定する。センサ部１２は、車輪Ｗの側面までの距離を測定できれば、車輪Ｗの何れの位置を測定することとしてもよいが、測定精度の点を考慮すると、車輪Ｗのリム部側面までの距離を測定することが好ましい。以下、センサ部１２が、車輪Ｗのリム部側面までの距離を測定する場合を中心に説明する。
【００１９】
軌間外から車輪Ｗのリム部を測定するためのセンサ部１２としては、非接触方式の変位センサを用いることができる。非接触方式の変位センサとしては、光学式の変位センサ、渦電流式の変位センサ、超音波式の変位センサ、静電容量式の変位センサ等の各種の変位センサが使用可能である。特に本発明においては、測定精度が高く、車輪Ｗのリム部側面までの距離を正確に測定可能な光学式の変位センサ、具体的には三角測距式のレーザー変位計が好適に使用可能である。以下、センサ部１２としてレーザー変位計を用い、測定光を連続的に発して、車輪のリム部側面までの距離を連続的に測定する場合を中心に説明するが、本発明が、レーザー変位計に限定されるものではない。また、上記以外の変位センサであっても、非接触式で車輪のリム部までの距離を測定できるものであれば、測定方法によらず用いることができる。
【００２０】
センサ部１２（レーザー変位計）は、測定光を連続的に発して、車輪Ｗのリム部を検出するとともに、車輪Ｗのリム部側面で反射されて戻ってきた測定光を受光し、受光した測定光に基づいて、測定点を通過する車輪のリム部側面までの距離を連続的に測定する。
【００２１】
処理部１４は、センサ部１２からの検出信号を受信して解析し、アタック角θを算出する。接続部１６は、有線または無線の接続手段である。
【００２２】
センサ部１２は、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置されている。図２に、センサ部１２の設置例を示す。図２は、センサ１２による測定位置近傍において、レール１８に車輪Ｗが乗った状態を片側だけ示している。なお、車軸Ａを示すために、車両は図示していない。
【００２３】
図２の破線（Ｚ）に示すように、鉄道のレール１８の付近には、鉄道の安全を確保するための建築限界が設定されている。この建築限界の内部には、走行する鉄道車両との接触又は衝突する危険を避けるため、固定建築物はもちろん計測機器類の設置が禁止されている。したがって、センサ部１２は、図示するように軌間外の建築限界を支障しない位置に設置することが好ましい。センサ部１２は、列車走行による振動で移動しないように固定されており、図２に示す例では、センサ部１２は、枕木２０に固定された支持部材２２に、測定光の送受信部１２がレール１８上を走行する車輪Ｗの通過位置に向くように取り付けられている。センサ部１２を枕木２０の上面に固定することで、センサ部１２が列車走行による軌きょうの変形の影響を受けるのを極力抑えることができるのが好ましい。なお、センサ部１２の取り付け位置は、本実施形態には限定されず、軌間外であって、かつ建築限界Ｚを支障しない位置であれば、他の位置であってもよい。
【００２４】
センサ部１２の鉛直方向の光軸は、図２に示すように軌道面（レール１８の上面）と水平であってもよく、軌道面に対して斜角（図示しない）であってもよい。特に、センサ部１２から車輪のリム部側面までの水平方向の距離が短い場合には、軌道面に対し光軸を斜角とすることで精度よい距離の測定が可能となる。
【００２５】
センサ部１２は、一方のレール１８の外側に１つだけ設けてもよいし、図３に示す測定装置３０のように、２つのセンサ部１２ａ、１２ｂを軌間の両側に設置し、車軸Ａの両側の車輪Ｗａ，Ｗｂのアタック角を同時に測定するようにしてもよい。この場合は、１つのセンサ部１２ａ、１２ｂをそれぞれ接続部１６ａ、１６ｂで処理部１４に接続し、処理部１４で両センサ部１２ａ、１２ｂからの出力を解析する。あるいは、各センサ部１２ａ、１２ｂに対応する２つの処理部を設けてもよい。
【００２６】
次に、処理部１４によるアタック角θの算出方法について説明する。図４は、処理部１４における解析処理のフロー図である。まず、処理部１４は、センサ部１２の出力を得て、センサ部１２による測定部を通過する車輪のリム部を検出するとともに、その車輪のリム部の側面までの距離を連続的に測定する（ステップＳ１）。
【００２７】
図５に、２両編成の車両Ｂ1、Ｂ2が通過したときの検出結果を示す。図５において、横軸は測定時刻（ｓｅｃ）、縦軸は変位（ｍｍ）である。図５の上部には、検出データに対応する位置に、検出された車輪Ｗ1〜Ｗ8を図示している。車両Ｂ1は、２つの輪軸Ａが固定された２つの台車Ｄ1、Ｄ2が前方および後方に取り付けられており、計４本の輪軸Ａ1〜Ａ4を有している。したがって車両Ｂ1は、片側に４つの車輪Ｗ1〜Ｗ4を有している。同様に、車両Ｂ2は、２つの台車Ｄ3，Ｄ4にそれぞれ２本ずつ、計４本の輪軸Ａ5〜Ａ8が配されており、片側に４つの車輪Ｗ5〜Ｗ8を有している。
【００２８】
なお、図５は、検出データと車輪Ｗ1〜Ｗ8との対応を分かりやすくするために模式的に示したものであって、検出データの値と図示した車輪Ｗ1〜Ｗ8の検出部分の寸法とは必ずしも一致しない。
【００２９】
次に、処理部１４は、図６に示すように、２つの車輪の検出時刻の差Δｔ1とその車軸間隔ΔＬとから、車両の走行速度Ｖを下記式（１）によって算出する（ステップＳ２）。
Ｖ＝ΔＬ／Δｔ1 ・・・（１）
【００３０】
図６は、図５の１台目の車両Ｂ1の２つの車輪Ｗ1、Ｗ2の検出データの先端部分を拡大した図である。台車Ｄ1に固定された２つの輪軸Ａ1、Ａ2の間隔（固定軸距）ΔＬは、車種によって定められており既知であるので、各輪軸Ａ1、Ａ2の通過時刻の差、すなわち検出時刻の差Δｔを求めれば、上記式（１）によって台車Ｄ1の走行速度Ｖが求められる。各輪軸Ａ1、Ａ2の通過時刻は、両軸について同じように定めればよく、例えばセンサ部１２によって検出されたピークの中央値の時刻を取ればよい。あるいは、Δｔ1として、車輪Ｗ1、Ｗ2の検出開始時刻から検出終了時刻までの中間の時刻の差を取ってもよいし、検出開始時刻の差を取ってもよい。
【００３１】
本実施形態においては、台車Ｄ1に配された連続する２つの輪軸Ａ1、Ａ2に基づいて、台車Ｄ1走行速度Ｖを算出しているが、本発明は、連続する２つの輪軸に基づいて走行速度を算出することに限定されるものではない。例えば、連続しない２つの輪軸、Ａ1、Ａ5の間隔と、Ａ1、Ａ5の検出時間の差に基づいて車両の走行速度Ｖを算出することとしてもよい。
【００３２】
次に、処理部１４は、図７に示すように、１つの車輪Ｗ（図７に示されるＷ1）の検出開始から検出終了までの時間内における任意の時間Δｔ2（以下、任意の時間Δｔ2を所定時間という場合がある。）と、上記で算出した車両の走行速度Ｖとから、所定時間における車輪の検出範囲の長さΔｘを下記式（２）によって算出する（ステップＳ３）。
Δｘ＝Ｖ×Δｔ2 ・・・（２）
【００３３】
なお、図７の横軸は、図５および図６と同じく測定時刻（ｓｅｃ）であるが、車輪Ｗ1の検出時間中、車両の走行速度は実質的に一定と見ることができるので、横軸は、車輪Ｗ1の検出範囲の長さ（ｍｍ）と読み替えることもできる。
【００３４】
図７は、図５および図６の車輪Ｗ1の検出データの先端部分をさらに拡大した図である。また、図７の上部には、検出データに対応させて、検出された車輪Ｗ1を模式的に図示している。図７の横軸は、図５および図６と同じく測定時刻（ｓｅｃ）、縦軸は変位（ｍｍ）である。図７に示すように、センサ部１２によって検出された車輪Ｗ1のセンサ部１２からの距離は、時間とともにわずかに変化している。これは、車輪Ｗ1がセンサ部１２の測定位置を通過するときに、センサ部１２の光軸に対して角度を持って通過したことを示している。したがって、車輪Ｗ1は、センサ部１２による測定位置において、レール１８に対して角度θを持って走行していたことがわかる。この角度がアタック角θに相当する。
【００３５】
図７におけるＰ１およびＰ２は、１つの車輪の検出開始から検出終了までの時間内において、任意に選択された２点であり、この２点の検出時間の差によって、所定時間が求められる。具体的には、Ｐ２−Ｐ１により、所定時間Δｔ2が算出される。このΔｔ2と、上記ステップＳ２で求めた走行速度Ｖとから、上記式（２）によって、所定時間における車輪の検出範囲の長さΔｘが求められる。なお、所定時間は１つの車輪の検出開始から検出終了までの時間内において任意に選択される時間であり、任意に選択される２点（Ｐ１、Ｐ２）は、１つの車輪Ｗの検出範囲の先端および後端であってもよい。
【００３６】
次に、処理部１４は、図７に示すように、所定時間における車輪Ｗの距離の変化量Δｙ、すなわち、測定点Ｐ１におけるセンサ部から車輪のリム部側面までの距離および測定点Ｐ２におけるセンサ部から車輪のリム部側面までの距離の変位の差分Δｙを求め、この変位の差分Δｙと、上記ステップＳ３で求めた所定時間における車両の検出範囲の長さΔｘとから、下記式（３）によってアタック角θを算出する（ステップＳ４）。
θ＝tan-1（Δｙ／Δｘ）[ｒａｄ] ・・・（３）
【００３７】
図８に、上述のようにして図５の２両編成の車両Ｂ1，Ｂ2の片側の各車輪Ｗ1〜Ｗ8、すなわち各車軸Ａ1〜Ａ8について求めたアタック角θの算定結果を示す。図８は、曲線半径１８５ｍの急曲線のレールの例である。台車前軸（奇数軸）Ａ1，Ａ3，Ａ5，Ａ7は、１０ｍｒａｄ前後と大きなアタック角を有しているのに対し、台車後軸（偶数軸）Ａ2，Ａ4，Ａ6，Ａ8は，−１〜＋１ｍｒａｄ程度とほとんどアタック角を有していなかった。これは、急曲線通過時の一般的な台車の挙動と一致しており、本測定方法によって、適切な測定が行われていることが裏付けられた。
【００３８】
なお、本手法では，アタック角のみを把握する場合には，センサ部（レーザー変位計）のゼロ点を求める必要は無く、センサ部（レーザー変位計）のこう正係数が既知であれば良い。その際、上述のΔyは，相対空間における座標の差分として求めることができる。また、センサ部（レーザー変位計）のゼロ点を、レール頭部フィールドコーナーをゼロとして求めておけば、そこからの変位も求めることができる。
【００３９】
上記実施形態では、片側の車輪について１台のセンサ部１２を用いてその位置を測定しているが、図９に示す測定装置４０のように、車輪の側面の位置を測定するセンサ部１２ａに加え、さらにもう１台、レール側面の位置を測定するセンサ部（レーザー変位計）１２ｃを用いれば、輪軸とレールの位置関係を把握することもできる。この場合も、センサ部１２ｃは、建築限界Ｚを支障しない位置に固定すればよい。
【００４０】
以上、本発明のアタック角測定装置、及びアタック角測定方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各種の変更を加えてもよい。また、本発明のアタック角測定装置、アタック角測定方法は、レールの直線部を走行する車両であっても、レールの曲線部を走行する車両であっても適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、３０、４０ アタック角測定装置
１２、１２ａ、１２ｂ センサ部
１４ 処理部
１６、１６ａ、１６ｂ 接続部
１８ レール
２０ 枕木
２２ 支持部材
Ａ、Ａ1〜Ａ8 車軸
Ｂ1、Ｂ2 車両
Ｄ1、Ｄ2 台車
Ｗ、Ｗ1〜Ｗ8 車輪
Ｚ 建築限界
θ アタック角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の台車輪軸のアタック角を地上から測定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、その車輪がレールに沿って走行しており、レールが湾曲した部分、特に急曲線では、車輪がレールに対して角度を持つため、車輪とレールとの間に接線方向以外の力が作用する。車輪のレールに対する角度（アタック角という。）は、走行の安定性、騒音、車輪およびレール並びに軌道構造が互いに受けるダメージの程度等に関係し、これらの要因を解析する上で重要なパラメータである。
【０００３】
図１０に、急曲線区間におけるレールと車輪の位置関係の例を概念的に示す。図１０の外軌側（曲線中心に対して２本のレールの外方となる側）についてみると、車輪Ｗoの進行方向ｄoがレールＲoの中心線ｃoに対してなすヨー方向角度θがアタック角である。同様に、内軌側についてみると、車輪Ｗiの進行方向ｄｉがレールＲiの中心線ｃiに対してなすヨー方向角度θがアタック角である。アタック角θは、車輪Ｗo，Ｗiが外軌側に向く方向（図１０の場合には反時計回り方向）を正とする。
【０００４】
一般に、アタック角θが大きいと、車輪、特に外軌側車輪Ｗoが、レール、特に外軌側レールＲoをレールに直角な水平方向に押す力（以下、「横圧」という。）が大きくなり、レール、レール締結装置等を傷める原因となる。また、図１０に示すように、曲線区間でアタック角θが正の値であり、その値が大きくなると、脱線等が起こりやすくなり、鉄道の安全性を低下させる原因となりうる。このため、実際の鉄道車両の走行中のアタック角θを測定することが重要となってきている。
【０００５】
鉄道車両の車輪のアタック角を計測する方法としては、レールから一定の距離離れた位置に、レール側面までの距離を測定する１つのセンサと、そのセンサを挟んで等間隔の左右位置に配置され、車輪の側面までの距離を測定する２つのセンサとを、レールに沿って軌道外に設置し、通過する車両の各車輪について、これら３つのセンサで、レール側面までの距離および車輪側面までの距離２点を測定し、その３つの測定値を予め入力されている基準値と比較演算して変位量を算出し、その車輪の輪軸のレールに対する位置と角度（アタック角）を求める方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、軌間内部とレール外部との間で検出用光束を送受信する一対の光電計測部を、左右のレールについてそれぞれ設置し、左側の光電計測部では左側車輪の通過を、右側光電計測部では右側車輪の通過をそれぞれ判別し、左側車輪と右側車輪の通過時間のズレ値から左右の車輪のレール長手方向のズレ長さを求めて、そのズレ長さに基づいてアタック角を演算する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１８５５５０号公報
【特許文献２】特開２００５−６９７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のアタック角測定方法においては、レール外方でかつ車輪を水平かつレール直角方向に見通せる位置にセンサを配設する必要がある。また、車輪側面までの距離測定の精度を向上させるために、センサはレール外部で、かつレールに近接した箇所が望ましい。しかしながら、鉄道のレール付近及びその上方には、鉄道の安全を確保するための「建築限界」が設定されていることから、測定に好適な場所に測定装置を設置するのが困難な場合があった。なお、建築限界とは、鉄道車両が安全に走行するために軌道上に確保された空間の境界をいう。この建築限界は、いわば線路設備等が越えてはならない限界であり、その内部には、走行する鉄道車両との接触又は衝突する危険を避けるため、固定建築物はもちろん計測機器類の設置が禁止されている。
【０００９】
また、特許文献１の方法では、台車輪軸のアタック角を測定するのに、１つの車輪の１回の測定について３つのセンサを用いている。そのため，列車通過に伴う振動にさらされる各センサ間のゼロ点を正確に認識するため、センサのゼロ点調整を頻繁に行う必要があった。
【００１０】
一方、特許文献２の方法では、特許文献１の方法に比べて計測機器類の配置位置の制限は少ないものの、左右両側の車輪について、それぞれ一対、計２組の光電計測部を用い、両側の車輪について測定を行う必要があった。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、軌間外の建築限界を支障しない箇所に１つのセンサを設置するだけでレール上を走行する車両のレールに対する車輪のアタック角を測定することができ、複数のセンサを用いることや、高い精度でのゼロ点調整が不要な、鉄道車両アタック角測定装置および方法を提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、鉄道車両アタック角測定装置であって、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定するセンサ部と、前記センサ部による測定結果を受信して解析する処理部と、を有し、前記処理部は、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする。
【００１３】
また、前記処理部が、前記鉄道車両の進行方向に対して同一の側の２つの車輪の検出時刻の差、および前記２つの車輪の車軸間隔から、前記車両の走行速度を算出することとしてもよい。また、前記２つの車輪は、連続する２つの車輪であってもよい。
【００１４】
上記課題を解決するための本発明の方法は、鉄道車両アタック角測定方法であって、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるようにセンサ部を設置し、該センサ部によって、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定し、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軌間外の建築限界を支障しない箇所に１つのセンサを設置するだけでレール上を走行する車両のレールに対する車輪のアタック角を測定することができるので、複数のセンサを用いることや、高い精度でのゼロ点調整が不要である。したがって、従来技術と比べて，非常に簡単な装置の構成で、装置設置個所を通過する鉄道車両の台車輪軸のアタック角を地上から測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成を示す概念図である。
【図２】図１の装置の設置例を説明する模式図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す概念図である。
【図４】本発明の測定方法の一実施形態のフロー図である。
【図５】図１の装置による測定結果のグラフである。
【図６】図５のグラフの部分拡大図である。
【図７】図５のグラフの部分拡大図である。
【図８】アタック角の測定結果を示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態を示す概念図である。
【図１０】鉄道車両におけるアタック角を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の鉄道車両アタック角測定装置、および鉄道車両アタック角測定方法の一実施形態について図面を参照して具体的に説明する。図１に示すように、鉄道車両アタック角測定装置１０（以下、測定装置１０とする。）は、センサ部１２と、処理部１４と、センサ部１２と処理部１４とを接続する接続部１６とを有している。なお、図１は、本発明の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
センサ部１２は、軌間外であって、レールを走行する鉄道車両の車輪Ｗが通過する位置が測定範囲となるように設置されており、測定点を通過する車輪Ｗの側面までの距離を連続的に測定する。センサ部１２は、車輪Ｗの側面までの距離を測定できれば、車輪Ｗの何れの位置を測定することとしてもよいが、測定精度の点を考慮すると、車輪Ｗのリム部側面までの距離を測定することが好ましい。以下、センサ部１２が、車輪Ｗのリム部側面までの距離を測定する場合を中心に説明する。
【００１９】
軌間外から車輪Ｗのリム部を測定するためのセンサ部１２としては、非接触方式の変位センサを用いることができる。非接触方式の変位センサとしては、光学式の変位センサ、渦電流式の変位センサ、超音波式の変位センサ、静電容量式の変位センサ等の各種の変位センサが使用可能である。特に本発明においては、測定精度が高く、車輪Ｗのリム部側面までの距離を正確に測定可能な光学式の変位センサ、具体的には三角測距式のレーザー変位計が好適に使用可能である。以下、センサ部１２としてレーザー変位計を用い、測定光を連続的に発して、車輪のリム部側面までの距離を連続的に測定する場合を中心に説明するが、本発明が、レーザー変位計に限定されるものではない。また、上記以外の変位センサであっても、非接触式で車輪のリム部までの距離を測定できるものであれば、測定方法によらず用いることができる。
【００２０】
センサ部１２（レーザー変位計）は、測定光を連続的に発して、車輪Ｗのリム部を検出するとともに、車輪Ｗのリム部側面で反射されて戻ってきた測定光を受光し、受光した測定光に基づいて、測定点を通過する車輪のリム部側面までの距離を連続的に測定する。
【００２１】
処理部１４は、センサ部１２からの検出信号を受信して解析し、アタック角θを算出する。接続部１６は、有線または無線の接続手段である。
【００２２】
センサ部１２は、レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置されている。図２に、センサ部１２の設置例を示す。図２は、センサ１２による測定位置近傍において、レール１８に車輪Ｗが乗った状態を片側だけ示している。なお、車軸Ａを示すために、車両は図示していない。
【００２３】
図２の破線（Ｚ）に示すように、鉄道のレール１８の付近には、鉄道の安全を確保するための建築限界が設定されている。この建築限界の内部には、走行する鉄道車両との接触又は衝突する危険を避けるため、固定建築物はもちろん計測機器類の設置が禁止されている。したがって、センサ部１２は、図示するように軌間外の建築限界を支障しない位置に設置することが好ましい。センサ部１２は、列車走行による振動で移動しないように固定されており、図２に示す例では、センサ部１２は、枕木２０に固定された支持部材２２に、測定光の送受信部１２がレール１８上を走行する車輪Ｗの通過位置に向くように取り付けられている。センサ部１２を枕木２０の上面に固定することで、センサ部１２が列車走行による軌きょうの変形の影響を受けるのを極力抑えることができるのが好ましい。なお、センサ部１２の取り付け位置は、本実施形態には限定されず、軌間外であって、かつ建築限界Ｚを支障しない位置であれば、他の位置であってもよい。
【００２４】
センサ部１２の鉛直方向の光軸は、図２に示すように軌道面（レール１８の上面）と水平であってもよく、軌道面に対して斜角（図示しない）であってもよい。特に、センサ部１２から車輪のリム部側面までの水平方向の距離が短い場合には、軌道面に対し光軸を斜角とすることで精度よい距離の測定が可能となる。
【００２５】
センサ部１２は、一方のレール１８の外側に１つだけ設けてもよいし、図３に示す測定装置３０のように、２つのセンサ部１２ａ、１２ｂを軌間の両側に設置し、車軸Ａの両側の車輪Ｗａ，Ｗｂのアタック角を同時に測定するようにしてもよい。この場合は、１つのセンサ部１２ａ、１２ｂをそれぞれ接続部１６ａ、１６ｂで処理部１４に接続し、処理部１４で両センサ部１２ａ、１２ｂからの出力を解析する。あるいは、各センサ部１２ａ、１２ｂに対応する２つの処理部を設けてもよい。
【００２６】
次に、処理部１４によるアタック角θの算出方法について説明する。図４は、処理部１４における解析処理のフロー図である。まず、処理部１４は、センサ部１２の出力を得て、センサ部１２による測定部を通過する車輪のリム部を検出するとともに、その車輪のリム部の側面までの距離を連続的に測定する（ステップＳ１）。
【００２７】
図５に、２両編成の車両Ｂ1、Ｂ2が通過したときの検出結果を示す。図５において、横軸は測定時刻（ｓｅｃ）、縦軸は変位（ｍｍ）である。図５の上部には、検出データに対応する位置に、検出された車輪Ｗ1〜Ｗ8を図示している。車両Ｂ1は、２つの輪軸Ａが固定された２つの台車Ｄ1、Ｄ2が前方および後方に取り付けられており、計４本の輪軸Ａ1〜Ａ4を有している。したがって車両Ｂ1は、片側に４つの車輪Ｗ1〜Ｗ4を有している。同様に、車両Ｂ2は、２つの台車Ｄ3，Ｄ4にそれぞれ２本ずつ、計４本の輪軸Ａ5〜Ａ8が配されており、片側に４つの車輪Ｗ5〜Ｗ8を有している。
【００２８】
なお、図５は、検出データと車輪Ｗ1〜Ｗ8との対応を分かりやすくするために模式的に示したものであって、検出データの値と図示した車輪Ｗ1〜Ｗ8の検出部分の寸法とは必ずしも一致しない。
【００２９】
次に、処理部１４は、図６に示すように、２つの車輪の検出時刻の差Δｔ1とその車軸間隔ΔＬとから、車両の走行速度Ｖを下記式（１）によって算出する（ステップＳ２）。
Ｖ＝ΔＬ／Δｔ1 ・・・（１）
【００３０】
図６は、図５の１台目の車両Ｂ1の２つの車輪Ｗ1、Ｗ2の検出データの先端部分を拡大した図である。台車Ｄ1に固定された２つの輪軸Ａ1、Ａ2の間隔（固定軸距）ΔＬは、車種によって定められており既知であるので、各輪軸Ａ1、Ａ2の通過時刻の差、すなわち検出時刻の差Δｔを求めれば、上記式（１）によって台車Ｄ1の走行速度Ｖが求められる。各輪軸Ａ1、Ａ2の通過時刻は、両軸について同じように定めればよく、例えばセンサ部１２によって検出されたピークの中央値の時刻を取ればよい。あるいは、Δｔ1として、車輪Ｗ1、Ｗ2の検出開始時刻から検出終了時刻までの中間の時刻の差を取ってもよいし、検出開始時刻の差を取ってもよい。
【００３１】
本実施形態においては、台車Ｄ1に配された連続する２つの輪軸Ａ1、Ａ2に基づいて、台車Ｄ1走行速度Ｖを算出しているが、本発明は、連続する２つの輪軸に基づいて走行速度を算出することに限定されるものではない。例えば、連続しない２つの輪軸、Ａ1、Ａ5の間隔と、Ａ1、Ａ5の検出時間の差に基づいて車両の走行速度Ｖを算出することとしてもよい。
【００３２】
次に、処理部１４は、図７に示すように、１つの車輪Ｗ（図７に示されるＷ1）の検出開始から検出終了までの時間内における任意の時間Δｔ2（以下、任意の時間Δｔ2を所定時間という場合がある。）と、上記で算出した車両の走行速度Ｖとから、所定時間における車輪の検出範囲の長さΔｘを下記式（２）によって算出する（ステップＳ３）。
Δｘ＝Ｖ×Δｔ2 ・・・（２）
【００３３】
なお、図７の横軸は、図５および図６と同じく測定時刻（ｓｅｃ）であるが、車輪Ｗ1の検出時間中、車両の走行速度は実質的に一定と見ることができるので、横軸は、車輪Ｗ1の検出範囲の長さ（ｍｍ）と読み替えることもできる。
【００３４】
図７は、図５および図６の車輪Ｗ1の検出データの先端部分をさらに拡大した図である。また、図７の上部には、検出データに対応させて、検出された車輪Ｗ1を模式的に図示している。図７の横軸は、図５および図６と同じく測定時刻（ｓｅｃ）、縦軸は変位（ｍｍ）である。図７に示すように、センサ部１２によって検出された車輪Ｗ1のセンサ部１２からの距離は、時間とともにわずかに変化している。これは、車輪Ｗ1がセンサ部１２の測定位置を通過するときに、センサ部１２の光軸に対して角度を持って通過したことを示している。したがって、車輪Ｗ1は、センサ部１２による測定位置において、レール１８に対して角度θを持って走行していたことがわかる。この角度がアタック角θに相当する。
【００３５】
図７におけるＰ１およびＰ２は、１つの車輪の検出開始から検出終了までの時間内において、任意に選択された２点であり、この２点の検出時間の差によって、所定時間が求められる。具体的には、Ｐ２−Ｐ１により、所定時間Δｔ2が算出される。このΔｔ2と、上記ステップＳ２で求めた走行速度Ｖとから、上記式（２）によって、所定時間における車輪の検出範囲の長さΔｘが求められる。なお、所定時間は１つの車輪の検出開始から検出終了までの時間内において任意に選択される時間であり、任意に選択される２点（Ｐ１、Ｐ２）は、１つの車輪Ｗの検出範囲の先端および後端であってもよい。
【００３６】
次に、処理部１４は、図７に示すように、所定時間における車輪Ｗの距離の変化量Δｙ、すなわち、測定点Ｐ１におけるセンサ部から車輪のリム部側面までの距離および測定点Ｐ２におけるセンサ部から車輪のリム部側面までの距離の変位の差分Δｙを求め、この変位の差分Δｙと、上記ステップＳ３で求めた所定時間における車両の検出範囲の長さΔｘとから、下記式（３）によってアタック角θを算出する（ステップＳ４）。
θ＝tan-1（Δｙ／Δｘ）[ｒａｄ] ・・・（３）
【００３７】
図８に、上述のようにして図５の２両編成の車両Ｂ1，Ｂ2の片側の各車輪Ｗ1〜Ｗ8、すなわち各車軸Ａ1〜Ａ8について求めたアタック角θの算定結果を示す。図８は、曲線半径１８５ｍの急曲線のレールの例である。台車前軸（奇数軸）Ａ1，Ａ3，Ａ5，Ａ7は、１０ｍｒａｄ前後と大きなアタック角を有しているのに対し、台車後軸（偶数軸）Ａ2，Ａ4，Ａ6，Ａ8は，−１〜＋１ｍｒａｄ程度とほとんどアタック角を有していなかった。これは、急曲線通過時の一般的な台車の挙動と一致しており、本測定方法によって、適切な測定が行われていることが裏付けられた。
【００３８】
なお、本手法では，アタック角のみを把握する場合には，センサ部（レーザー変位計）のゼロ点を求める必要は無く、センサ部（レーザー変位計）のこう正係数が既知であれば良い。その際、上述のΔyは，相対空間における座標の差分として求めることができる。また、センサ部（レーザー変位計）のゼロ点を、レール頭部フィールドコーナーをゼロとして求めておけば、そこからの変位も求めることができる。
【００３９】
上記実施形態では、片側の車輪について１台のセンサ部１２を用いてその位置を測定しているが、図９に示す測定装置４０のように、車輪の側面の位置を測定するセンサ部１２ａに加え、さらにもう１台、レール側面の位置を測定するセンサ部（レーザー変位計）１２ｃを用いれば、輪軸とレールの位置関係を把握することもできる。この場合も、センサ部１２ｃは、建築限界Ｚを支障しない位置に固定すればよい。
【００４０】
以上、本発明のアタック角測定装置、及びアタック角測定方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各種の変更を加えてもよい。また、本発明のアタック角測定装置、アタック角測定方法は、レールの直線部を走行する車両であっても、レールの曲線部を走行する車両であっても適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、３０、４０ アタック角測定装置
１２、１２ａ、１２ｂ センサ部
１４ 処理部
１６、１６ａ、１６ｂ 接続部
１８ レール
２０ 枕木
２２ 支持部材
Ａ、Ａ1〜Ａ8 車軸
Ｂ1、Ｂ2 車両
Ｄ1、Ｄ2 台車
Ｗ、Ｗ1〜Ｗ8 車輪
Ｚ 建築限界
θ アタック角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定するセンサ部と、
前記センサ部による測定結果を受信して解析する処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、
前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記鉄道車両の進行方向に対して同一の側の２つの車輪の検出時刻の差、および前記２つの車輪の車軸間隔から、前記車両の走行速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項３】
前記２つの車輪は、連続する２つの車輪であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項４】
レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるようにセンサ部を設置し、該センサ部によって、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定し、
前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、
前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする鉄道車両アタック角測定方法。
【請求項１】
レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるように設置され、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定するセンサ部と、
前記センサ部による測定結果を受信して解析する処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、
前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記鉄道車両の進行方向に対して同一の側の２つの車輪の検出時刻の差、および前記２つの車輪の車軸間隔から、前記車両の走行速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項３】
前記２つの車輪は、連続する２つの車輪であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両アタック角測定装置。
【請求項４】
レールを走行する鉄道車両の車輪が通過する位置が測定範囲となるようにセンサ部を設置し、該センサ部によって、測定点を通過する前記車輪までの距離を連続的に測定し、
前記センサ部の測定結果から、前記車両の走行速度と、所定時間における車輪までの距離の変化量を算出し、
前記走行速度に前記所定時間を乗じた値と、前記所定時間における車輪までの距離の変化量とから、その車輪の前記レールに対するアタック角θを算出することを特徴とする鉄道車両アタック角測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４５３５０（Ｐ２０１２−１４５３５０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９８（Ｐ２０１１−１７９８）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
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