特許 6096424 軌道状態監視装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6096424

(24)【登録日】2017年2月24日

(45)【発行日】2017年3月15日

(54)【発明の名称】軌道状態監視装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/00 20060101AFI20170306BHJP

   B61K 9/08 20060101ALI20170306BHJP

【ＦＩ】

   G01B21/00 R

   B61K9/08

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-119837(P2012-119837)

(22)【出願日】2012年5月25日

(65)【公開番号】特開2013-246042(P2013-246042A)

(43)【公開日】2013年12月9日

【審査請求日】2015年4月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】曽田 祥信

(72)【発明者】

【氏名】増田 巌

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２８１３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０６３５７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ２１／００

１１／００

Ｂ６１Ｋ ９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両が走行するレールの左右方向変位量を検出する軌道状態監視装置であって、
前記鉄道車両に設けられ、前記鉄道車両の車輪に発生する加速度のうち少なくとも車軸方向の加速度を検出する加速度検出部と、
前記鉄道車両に設けられ、前記車輪に対する前記レールの車軸方向の位置を示す値を検出するレール位置検出部と、
前記加速度検出部により検出された加速度の２階積分値に基づく正矢量である合成正矢量を演算する積分演算部と、
前記レール位置検出部により検出されたレールの位置に基づく正矢量である相対正矢量を演算するレール位置演算部と、
前記積分演算部により演算された合成正矢量から前記レール位置演算部により演算された相対正矢量を差し引くことにより、前記車輪の蛇行動成分を相殺して前記レールの左右方向変位量を示す正矢量を演算する差引演算部と
を備えることを特徴とする軌道状態監視装置。

【請求項2】

前記レール位置検出部及び前記加速度検出部は、前記車輪と一体的に変位する剛体部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の軌道状態監視装置。

【請求項3】

前記剛体部は、前記車輪の車軸を支持する軸箱であることを特徴とする請求項２に記載の軌道状態監視装置。

【請求項4】

前記レール位置検出部は、発光部及び受光部を有する非接触型の変位計であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の軌道状態監視装置。

【請求項5】

前記レール位置検出部は、二次元レーザ変位計を有して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の軌道状態監視装置。

【請求項6】

前記レール位置検出部は、並列に配設された複数のスポットレーザ変位計を有して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の軌道状態監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両用レールの左右方向変位量を検出する軌道状態監視装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に記載の軌道状態監視装置では、軸箱や車体に取り付けた加速度計により検出された加速度を２階積分することにより、レールの上下方向の変位（以下、「高低狂い」という。）等を演算して軌道狂いを検測している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−３００３９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、鉄道車両の車輪踏面は、常にレールと接触しているとみなしてもよく、車輪の軌跡のうち上下方向成分は、レールの上下方向の変位、つまり高低狂いとほぼ一致する。つまり、車輪又は軸箱の上下方向の加速度を２階積分すれば、容易に、実用上十分な精度で高低狂いを求めることができる。

【0005】

しかし、左右一対のレール間の寸法は、左右一対の車輪フランジ間の寸法より僅かに大きいので、レールと車輪フランジとの間には微小な隙間が生じている。このため、一対の車輪は、その隙間を縫うように僅かに蛇行しながらレール上を移動する。

【0006】

したがって、車輪又は軸箱の左右方向の加速度を２階積分した値は、レールの左右方向の変位（以下、左右変位と略す。）と必ずしも一致しないので、左右方向の加速度の２階積分しても、実用上十分な精度で左右変位を演算することは困難である。

【0007】

本発明は、上記点に鑑み、容易に、実用上十分な精度で左右変位を演算することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記目的を達成するために、鉄道車両が走行するレールの左右方向変位量を検出する軌道状態監視装置であって、鉄道車両に設けられ、鉄道車両の車輪（７）に発生する加速度のうち少なくとも車軸方向の加速度を検出する加速度検出部（９）と、鉄道車両に設けられ、車輪（７）に対するレールの車軸方向の位置を示す値を検出するレール位置検出部（１１）と、加速度検出部（９）により検出された加速度の２階積分値に基づく値を演算する積分演算部（１３Ａ）と、積分演算部（１３Ａ）により演算された値からレール位置検出部（１１）により検出された値を差し引くことにより、車輪（７）の蛇行動成分を相殺してレールの左右方向変位量を演算する差引演算部（１３Ｃ）とを備えることを特徴とする。

【0009】

すなわち、加速度を２階積分することにより得られる値から車輪（７）に対するレールの位置を差し引けば、車輪（７）の蛇行動成分を相殺することができる。したがって、本発明によれば、レールと車輪フランジとの隙間の影響を排除することができるので、容易に、実用上十分な精度で左右変位を演算する。

【0010】

因みに、本発明の目的に係る「左右変位」とは、いわゆる「通り狂い」も含めたレールの左右方向の変位をいう。すなわち、いわゆる「通り狂い」とは、レールの内側（ゲージコーナ側）におけるレールの凹凸を意味する際に用いられる。しかし、本願では、レールの内側におけるレールの凹凸、及びレールの外側（フィールドコーナ側）におけるレールの凹凸のいずれであってもよい。

【0011】

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に係る軌道状態監視装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る変位量演算部の模式図である。

【図3】（ａ）及び（ｂ）は、二次元レーザ変位計によるレール位置の検出を示す説明図である。

【図4】正矢量の説明図である。

【図5】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施形態に係る軌道状態監視装置の検出原理を説明するための図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る軌道状態監視装置の構成を示す図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る軌道状態監視装置の特徴的作動の説明図である。

【図8】本発明の第３実施形態に係る変位量演算部の模式図である。

【図9】本発明の第４実施形態の特徴を示す図である。

【図10】本発明の第４実施形態の特徴を示す図である。

【図11】本発明の第４実施形態の特徴を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

【0014】

そして、本実施形態は、新幹線等の高速鉄道車両が走行するレールの左右方向変位量を検出する軌道状態監視装置に本発明を適用したものである。以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

【0015】

（第１実施形態）
１．軌道状態監視装置の構成
図１に示すように、鉄道車両の台車枠１には、車軸３を支持する軸箱５が設けられている。車軸３は、鉄道車両が走行する左右一対のレールＲと直交する方向に延びるように位置する。そして、車軸３の軸方向両側には車輪７が設けられている。

【0016】

車輪７は、レールＲの頭頂面Ｒ１に接触しながら回転する車輪踏面７Ａ、及びレールＲの側面のうち内側（ゲージコーナ側）に接触しながら回転する車輪フランジ７Ｂを有している。

【0017】

左右両側に設けられた一対の軸箱５は車軸３を回転可能に支持する。各軸箱５は、各車輪７よりも軸端側に配設されている。そして、左右一対の軸箱５それぞれには、図２に示すように、上下方向の加速度、及び車軸３の軸方向、つまり左右方向の加速度を検出する加速度検出部９が設けられている。つまり、各加速度検出部９は、上下方向の加速度を検出する加速度計９Ａ、及び左右方向の加速度を検出する加速度計９Ｂを有している。

【0018】

なお、軸箱５は車軸３を支持し、かつ、車軸３と車輪７とは一体化されているので、軸箱５は車輪７と一体的に変位する剛体部を構成する。このため、軸箱５に設けられた加速度検出部９は、車輪７に発生する上下方向及び左右方向の加速度を検出することとなる。

【0019】

つまり、左側の軸箱５に設けられた加速度検出部９は、左側の車輪７に発生する上下方向及び左右方向の加速度を検出する。右側の軸箱５に設けられた加速度検出部９は、右側の車輪７に発生する上下方向及び左右方向の加速度を検出する。

【0020】

また、左右一対の軸箱５それぞれには、図１に示すように、車輪７に対するレールの車軸方向（左右方向）の位置を検出するレール位置検出部１１が設けられている。このレール位置検出部１１は、発光部及び受光部を有する非接触型の変位計のうち、二次元レーザ変位計である。なお、二次元レーザ変位計は、レール位置検出部１１から対象物までの距離及び対象物の幅を測定することが可能な非接触式の変位計である。

【0021】

このため、本実施形態に係るレール位置検出部１１、つまり二次元レーザ変位計では、図３（ａ）に示すように、レール位置検出部１１からレールＲまでの距離、及びレール位置検出部１１から車輪７までの距離を同時に計測することにより、車輪７に対するレールの車軸方向の位置（以下、単に「レールの位置」という。）を検出する。

【0022】

因みに、本実施形態では、レール位置検出部１１からレールＲのくびれ部分ａ又はレールの外側ｃまでの距離と、レール位置検出部１１から車輪７の外側側面ｂまでの距離との差に基づいてレールの位置を検出している。したがって、車両の走行に伴って車輪７がレールＲに対して軸方向に移動すると、図３（ｂ）に示すように、レールの位置も変位する。

【0023】

２．正矢量の演算部
２．１ レールの上下方向の状態
レールＲの状態、つまり、いわゆる「高低狂い」や「通り狂い」の大きさは、通常、正矢量に基づいて判断される。ここで、正矢量Ｖとは、図４に示されるように定義される。

【0024】

すなわち、長手方向にずれたレールＲのＡ点、Ｃ点におけるレールＲの変位量を、それぞれａ、ｃとする。また、Ａ点とＣ点との中点に位置するＢ点におけるレールＲの変位量をｂとする。このとき、正矢量Ｖは「（ａ＋ｃ）／２−ｂ」となる。

【0025】

そして、本実施形態では、「高低狂い」については、各点の上下方向の加速度を２階積分した値を、当該点におけるレールＲの変位量としている。つまり、本実施形態では、レールＲの上下方向の変位量は、上下方向の加速度が０となる点を基準とした値となる。

【0026】

したがって、「高低狂い」、つまり上下方向の各点における正矢量Ｖは、当該点を挟む２点の上下方向加速度を２階積分した値の和（上記のａ＋ｃに相当する値）を求め、その和（＝ａ＋ｃ）を２で除した値から当該点の上下方向加速度を２階積分した値（上記のｂに相当する値）を減じた値となる。

【0027】

２．２ レールの左右方向の状態
レールの左右方向の状態も、上下方向と同様に、左右方向の正矢量に基づいて判断される。しかし、加速度検出部９は車輪７に発生する加速度を検出するので、加速度検出部９で検出された左右方向の加速度は、図５（ａ）に示すレールＲが左右方向に変位することによって車輪７に発生する左右方向の加速度に、図５（ｂ）に示す車輪７がレールＲに対して蛇行することによって車輪７に発生する左右方向の加速度が加算された値となる。

【0028】

そこで、本実施形態では、加速度計９Ｂにより検出された加速度の２階積分値に基づく正矢量からレール位置検出部１１により検出されたレールの位置に基づく正矢量を差し引いた値を左右方向変位の正矢量として、レールＲの左右方向の状態を判断する。

【0029】

このため、当該左右方向変位の正矢量は、車輪７の蛇行動成分を相殺したレールＲの左右方向変位量を示す正矢量となる。そして、本実施形態では、図２に示すように、左側の左右方向変位を示す正矢量、及び右側の左右方向変位を示す正矢量が演算される。

【0030】

すなわち、本実施形態に係る変位量演算部１３は、積分演算部１３Ａ、レール位置演算部１３Ｂ及び差引演算部１３Ｃを有している。積分演算部１３Ａは、加速度検出部９により検出された加速度の２階積分値に基づく正矢量（以下、合成正矢量という。）を演算する。

【0031】

つまり、積分演算部１３Ａは、左側及び右側の左右方向正矢量、並びに左側及び右側の上下方向正矢量を演算する。なお、本実施形態は、演算すべき正矢量毎に専用の演算回路を設け、これら演算回路を並列的に作動させることにより、上記４種類の正矢量を求めている。

【0032】

レール位置演算部１３Ｂは、レール位置検出部１１により検出されたレールの位置に基づく正矢量（以下、相対正矢量という。）を演算する。差引演算部１３Ｃは、積分演算部１３Ａにて演算された左右方向の合成正矢量からレール位置演算部１３Ｂにて演算された相対正矢量を差し引く。

【0033】

つまり、レール位置演算部１３Ｂは、左側及び右側それぞれの相対正矢量を演算する。そして、差引演算部１３Ｃは、左側の合成正矢量から左側の相対正矢量を差し引き、右側の合成正矢量から右側の相対正矢量を差し引く。したがって、本実施形態に係る変位量演算部１３は、少なくとも４種類の正矢量を出力する。

【0034】

因みに、加速度検出部９、レール位置検出部１１及び変位量演算部１３等は、複数車両（例えば、１６両）編成の列車においては、先頭の車両及び最後尾の車両に設けられている。

【0035】

また、軌道状態監視装置、つまり変位量演算部１３にて演算された左右方向の正矢量及び上下方向の正矢量は、無線通信及びケーブル回線を介して中央監視センターに送信された後、中央指令端末から保線所端末及び管理部門端末に送信される。

【0036】

３．本実施形態に係る軌道状態監視装置の特徴
加速度検出部９で検出された左右方向の加速度は、上述したように、レールＲが左右方向に変位することによって車輪７に発生する左右方向の加速度に、車輪７がレールＲに対して蛇行することによって車輪７に発生する左右方向の加速度が加算された値となる。

【0037】

そして、合成正矢量から相対正矢量を差し引いた正矢量は、左右方向の加速度を２階積分することにより得られる左右方向の合成変位量から、車輪７に対するレールの相対変位量を差し引いた変位量に基づく正矢量となる。

【0038】

つまり、加速度を２階積分することにより得られる値から車輪７に対するレールの位置を差し引けば、車輪７の蛇行動成分を相殺することができるので、合成正矢量から相対正矢量を差し引いた正矢量は、車輪７の蛇行動成分を相殺した左右方向の正矢量を示す。

【0039】

したがって、本実施形態によれば、レールＲと車輪フランジ７Ｂとの隙間の影響を排除することができるので、容易に、実用上十分な精度で左右変位を演算することができる。
（第２実施形態）
上述の実施形態では、二次元レーザ変位計にてレール位置検出部１１を構成したが、本実施形態は、図６に示すように、並列に配設された複数のスポットレーザ変位計１１Ａ〜１１Ｃにてレール位置検出部１１を構成したものである。

【0040】

すなわち、スポットレーザ変位計は、対象物までの距離は測定できるが、対象物の幅を測定することができない。このため、例えば、図６に示す状態では、スポットレーザ変位計１１ＡからレールＲまでの距離は測定することができるが、車輪７がレールＲに対して左右方向に移動して図７に示す状態になると、スポットレーザ変位計１１Ａでは、レールＲまでの距離を測定することができない。

【0041】

そこで、本実施形態では、上下方向に複数（例えば、３台）のスポットレーザ変位計１１Ａ〜１１Ｃを並べ、スポットレーザ変位計１１ＡにてレールＲまでの距離を測定することができないと判断されたときには、スポットレーザ変位計１１ＢにてレールＲまでの距離が測定される。

【0042】

このとき更に、スポットレーザ変位計１１ＢにてレールＲまでの距離を測定することができないと判断されたときには、スポットレーザ変位計１１ＣにてレールＲまでの距離が測定される。つまり、スポットレーザ変位計１１Ａ〜１１Ｃのうちいずれかのスポットレーザ変位計にて測定された距離に基づいて、車輪７に対するレールＲの車軸方向の位置が演算される。

【0043】

なお、スポットレーザ変位計１１ＡにてレールＲまでの距離を測定できたか否かの判断は、図６に示すように、スポットレーザ変位計１１Ａによる測定結果Ｈ１が予め設定された範囲内であるか否かに基づいて判断される。つまり、測定結果Ｈ１が予め設定された範囲外のときには、スポットレーザ変位計１１Ａでは測定できなかったと判断される。

【0044】

同様に、スポットレーザ変位計１１ＢにてレールＲまでの距離を測定できたか否かの判断は、図７に示すように、スポットレーザ変位計１１Ｂによる測定結果Ｈ２が予め設定された範囲内であるか否かに基づいて判断される。つまり、測定結果Ｈ２が予め設定された範囲外のときには、スポットレーザ変位計１１Ｂでは測定できなかったと判断される。

【0045】

そして、上記「予め設定された範囲」は、変位量演算部１３に記憶されており、スポットレーザ変位計１１Ａ又は１１ＢにてレールＲまでの距離を測定できたか否かの判断は、変位量演算部１３にて行われる。

【0046】

なお、複数のスポットレーザ変位計１１Ａ〜１１Ｃのうちいずれのスポットレーザ変位計にて検出された値を用いるかの判断手法は、上記の例に限定されるものではなく、その他の判断手法を用いてもよい。

【0047】

因みに、レール位置検出部１１を二次元レーザ変位計及び複数のスポットレーザ変位計のうちいずれで構成するかは、軌道状態監視装置に求められる検出精度やコスト等に基づいて適宜決定されるものである。

【0048】

（第３実施形態）
上述の実施形態では、合成正矢量から相対正矢量を差し引くことにより左右方向の正矢量を演算したが、本実施形態は、図８に示すように、合成正矢量及び相対正矢量を演算することなく、左右方向加速度の２階積分値からレールの位置を差し引いた値に基づいて左右方向の正矢量を演算するものである。

【0049】

すなわち、本実施形態に係る積分演算部１３Ａは、左右方向正矢量を演算することなく、加速度検出部９により検出された加速度の２階積分値を差引演算部１３Ｃに出力する。差引演算部１３Ｃは、左右方向加速度の２階積分値からレールの位置を差し引く。

【0050】

そして、正矢量演算部１３Ｄは、左右方向加速度の２階積分値からレールの位置を差し引いた値に基づいて左右方向の正矢量を演算する。なお、本実施形態においても、左側及び右側それぞれについて左右方向の正矢量が出力される。

【0051】

これにより、本実施形態では、正矢量を演算する回数を減らすことができるので、変位量演算部１３の処理負担を軽減することができる。
（第４実施形態）
上述の実施形態では、レールＲの外側の位置をレール位置検出部１１に検出したが、本実施形態は、図９〜図１１に示すように、レールＲの内側の位置に基づいてレール位置を検出するものである。

【0052】

すなわち、図９に示す例は、取付治具１１Ｄを介して車軸３にレール位置検出部１１を取り付けたものである。図１０に示す例は、台車枠１に設けられた中央梁部１Ａにレール位置検出部１１を取り付けたものである。

【0053】

図１１に示す例は、台車枠１に組み付けられた取付枠体１１Ｅを介してレール位置検出部１１を取り付けたものである。なお、カウンターウェイト１１Ｆは、レールＲの長手方向において中央梁部１Ａを挟んでレール位置検出部１１と反対側に取り付けられた錘である。そして、図１１に示す例では、カウンターウェイト１１Ｆにより高速走行時に取付枠体１１Ｅに過度な振動が発生することを抑制している。

【0054】

因みに、図９〜図１１に示すレール位置検出部１１は、二次元レーザ変位計にて構成したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、複数のスポットレーザ変位計１１Ａ〜１１Ｃにて構成してもよい。

【0055】

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、軸箱５にレール位置検出部１１及び加速度検出部９を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、車輪７と一体的に変位する剛体部であれば、いずれの部位でもよい。

【0056】

また、上述の実施形態では、発光部及び受光部を有する非接触型の変位計にてレール位置検出部１１を構成したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、高速鉄道車両が走行するレールの左右方向変位量を検出する軌道状態監視装置に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。

【0057】

また、上述の実施形態では、営業運転をしながらレールＲの状態を監視する軌道状態監視装置であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、レールＲの状態を監視する専用の車両又は専用治具等に組み付けてもよい。なお、左記の専用治具は、自力走行ができない車両であってもよい。

【0058】

また、上述の実施形態では、正矢量にてレールＲの状態を判断したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、左右方向加速度の２階積分値からレールの位置を差し引いた値そのものでレールＲの状態を判断してもよい。

【0059】

また、上述の実施形態では、両方の軸箱５に加速度検出部９を設けたが、左右一対の軸箱５のうちいずれか一方の軸箱５のみに加速度検出部９を設けてもよい。
また、上述の実施形態では、演算すべき正矢量毎に専用の演算回路を設け、これら演算回路を並列作動させたが、本発明はこれに限定されるものではない。

【0060】

すなわち、例えば、共通の専用演算回路を設け、当該演算回路にて複数種類の正矢量を順次演算することも可能である。また、専用演算回路の演算回路（ハードウェア）を設けることなく、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等からなるコンピュータ等の汎用性の高い演算ユニットにソフトウェア（プログラム）を組み込むことにより、上記の正矢量を演算することもできる。

【0061】

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0062】

１… 台車枠
３… 車軸
５… 軸箱
７… 車輪
７Ａ… 車輪踏面
７Ｂ… 車輪フランジ
９… 加速度検出部
１１… レール位置検出部
１１Ａ〜１１Ｃ… スポットレーザ変位計
１３… 変位量演算部
１３Ａ… 積分演算部
１３Ｂ… レール位置演算部
１３Ｃ… 差引演算部

【図1】

【図2】

【図11】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】