特許 7211788 鉄道車両用輪軸及び鉄道車輪の形状測定装置

(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】

(24)【登録日】2023-01-16

(45)【発行日】2023-01-24

(54)【発明の名称】鉄道車両用輪軸及び鉄道車輪の形状測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/26 20060101AFI20230117BHJP

   G01B 21/20 20060101ALI20230117BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20230117BHJP

【ＦＩ】

G01B11/26 H

G01B21/20 C

G01B11/24 K

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018232675

(22)【出願日】2018-12-12

(65)【公開番号】P2020094898

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-09-16

(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】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】西村 和彦

(72)【発明者】

【氏名】花井 勝祥

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０６８２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９２５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１５２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

２１／００－２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レール上を走行する車輪と、
前記車輪に取り付けられた車軸と、
を備え、
前記車軸は、前記車軸の外周面に設けられると共に、一定の方向から視認される形状が前記車軸の回転に伴って変化する位相特定パターンを有し、
前記位相特定パターンは、非連続的に変化する、鉄道車両用輪軸。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両用輪軸であって、
前記位相特定パターンは、前記車軸の周方向に沿って軸方向の幅が変化する幾何学的模様である、鉄道車両用輪軸。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用輪軸であって、
前記位相特定パターンは、凹凸を有する立体模様である、鉄道車両用輪軸。

【請求項4】

レール上を走行する鉄道車輪の形状測定装置であって、
鉄道車輪の回転軸を含む仮想面における断面形状を測定する測定部と、
一定の方向から前記鉄道車輪に取り付けられた車軸の外周面の形状データを取得する取得部と、
前記形状データを用いて前記断面形状と前記車軸の位相との関係を演算する処理部と、
を備え、
前記車軸は、前記車軸の外周面に設けられると共に、一定の方向から視認される形状が前記車軸の回転に伴って変化する位相特定パターンを有し、
前記位相特定パターンは、前記車軸の回転に伴って幅が変化する第１パターンと、幅が変化しない第２パターンと、を有し、
前記取得部は、前記断面形状の測定に合わせて、前記位相特定パターンを含んだ前記形状データを取得し、
前記処理部は、前記第１パターンの幅と前記第２パターンの幅との比に基づいて、前記形状データの取得位置のずれを補正する、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記測定部は、レーザ光を用いた光切断法によって前記断面形状を計測する、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項6】

請求項４又は請求項５に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記位相特定パターンは、非連続的に変化する、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項7】

請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記位相特定パターンは、凹凸を有する立体模様である、鉄道車輪の形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鉄道車両用輪軸及び鉄道車輪の形状測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車輪は、走行安定性、及び乗り心地の観点からその踏面の形状管理が重要である。踏面の形状管理の方法としては、レーザを踏面に照射し、踏面の形状を測定する方法が考案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－２１５２６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

鉄道車両用輪軸の車輪は、滑走の影響などによって、必ずしも周方向に均一に摩耗しない。そのため、車輪の周方向全体における路面の断面形状の把握が求められる。しかしながら、従来技術では、踏面の形状は測定できるが、形状を測定した位置（つまり位相）を特定することが困難である。

【0005】

従来技術で周方向における測定位置を特定するには、複数の装置によって踏面形状を連続的に測定する、装置を鉄道車両と並走させながら測定する、車体から台車、車軸、及び車輪をこの順に取り外してから車輪を測定する、などの測定が必要となる。これらの方法はいずれも、コスト又は労力が著大である。

【0006】

本開示の一局面は、コスト及び労力を抑制しつつ、周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定できる鉄道車両用輪軸を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、レール上を走行する車輪と、車輪に取り付けられた車軸と、を備える鉄道車両用輪軸である。車軸は、車軸の外周面に設けられると共に、一定の方向から視認される形状が車軸の回転に伴って変化する位相特定パターンを有する。

【0008】

このような構成によれば、車輪における踏面の断面形状の測定時に、車軸に設けられた位相特定パターンの形状を取得することで、取得した位相特定パターンの形状に基づいて断面形状の周方向の位置を特定することができる。したがって、車輪を車両に取り付けたまま、かつ比較的簡便な測定機器を用いて、車輪における周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定することができる。

【0009】

本開示の一態様では、位相特定パターンは、車軸の周方向に沿って軸方向の幅が変化する幾何学的模様であってもよい。このような構成によれば、周方向の位置を特定するための位相特定パターンを容易かつ確実に設けることができる。

【0010】

本開示の別の態様は、レール上を走行する鉄道車輪の形状測定装置である。鉄道車輪の形状測定装置は、鉄道車輪の回転軸を含む仮想面における断面形状を測定する測定部と、一定の方向から鉄道車輪に取り付けられた車軸の外周面の形状データを取得する取得部と、を備える。車軸は、車軸の外周面に設けられると共に、一定の方向から視認される形状が車軸の回転に伴って変化する位相特定パターンを有する。取得部は、断面形状の測定に
合わせて、位相特定パターンを含んだ外周面の形状データを取得する。

【0011】

このような構成によれば、測定部による踏面の断面形状の測定と同時に、取得部によって車軸の外周面の形状データを取得することで、取得した位相特定パターンの形状に基づいて断面形状の周方向の位置を特定することができる。

【0012】

本開示の一態様では、測定部は、レーザ光を用いた光切断法によって断面形状を計測してもよい。このような構成によれば、高精度に踏面の断面形状を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態における鉄道車両用輪軸の模式図である。

【図2】図２は、図１の車輪の中心軸を含む仮想面における模式的な断面図である。

【図3】図３Ａ－３Ｅは、それぞれ、位相特定パターンの一例を示す展開図である。

【図4】図４は、実施形態における鉄道車輪の形状測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【図5】図５は、測定部による断面形状の測定方法を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．鉄道車輪］
図１に示す鉄道車両用輪軸１は、軌道を構成する２つのレールＲ１，Ｒ２上をそれぞれ走行する２つの車輪２Ａ，２Ｂと、前記２つの車輪２Ａ，２Ｂに取り付けられた車軸３とを備える。車軸３の中心軸は、２つの車輪２Ａ，２Ｂの回転軸と一致する。

【0015】

＜車輪＞
車輪２Ａ，２Ｂは、図２に示すように、それぞれ、円環状のリム部２１と、リム部２１の内側に配置された円盤状の板部２２とを備える。リム部２１は、踏面２１Ａと、フランジ２１Ｂとを有している。

【0016】

踏面２１Ａは、車輪２Ａ，２Ｂがレール上を走行する際に、レールと接触する面である。リム部２１の回転軸を含む仮想面における踏面２１Ａの断面（つまり、回転軸を含む踏面２１Ａの断面）は、車輪２Ａ，２Ｂの回転軸と概ね平行な方向、つまり車輪２Ａ，２Ｂがレール上に設置された状態において概ね水平方向に延伸している。

【0017】

フランジ２１Ｂは、リム部２１の周方向全体にわたって、踏面２１Ａよりもリム部２１の径方向外側に突出した円環状の部位である。フランジ２１Ｂは、レールの内側の側面、つまりレール同士が対向する面に接触する。

【0018】

＜車軸＞
車軸３は、図１に示すように、位相特定パターン３Ａを有する。位相特定パターン３Ａは、車軸３の外周面に設けられている。

【0019】

位相特定パターン３Ａは、一定の方向から視認される形状が車軸３の回転に伴って変化する。したがって、向きが固定された（つまり、撮影範囲又はレーザ光の照射範囲が固定された）カメラ、レーザ装置等によって位相特定パターン３Ａを撮影した画像は、車軸３の回転によって変化する。

【0020】

位相特定パターン３Ａは、カメラ、レーザ装置等によって撮影される形状データＳに含まれるように配置されている。位相特定パターン３Ａは、例えば、車軸３の外周面上に描
かれた平面模様、又は車軸３の外周面に設けられた凹凸を有する立体模様によって構成できる。

【0021】

特に、位相特定パターン３Ａを車軸３の周方向に沿って軸方向の幅Ｗが変化する幾何学的模様とすることで、容易に位相特定パターン３Ａを形成することができる。位相特定パターン３Ａの幅Ｗは、線形的に変化してもよいし、非線形的に変化してもよい。また、幅Ｗは、段階的（つまり非連続的）に変化してもよい。なお、幾何学的模様には、平面模様と立体模様との両者が含まれる。

【0022】

位相特定パターン３Ａを平面模様で形成する場合は、位相特定パターン３Ａを構成する模様は、線のみで構成されてもよいし、車軸３の外周面における位相特定パターン３Ａ以外の部分と異なる色で着色された面で構成されてもよい。

【0023】

図３Ａ－３Ｅに、位相特定パターン３Ａを車軸３の周方向に沿って展開した展開図の一例を示す。この展開図の上下方向は、車軸３及び車輪２Ａ，２Ｂの周方向の位相（つまり回転位相）に相当する。この展開図の一部が後述する外周面の形状データＳとして取得される（図３Ａ参照）。各位相特定パターン３Ａは、車軸３の周方向全体に跨って（つまり０°から３６０°まで）形成されている。

【0024】

図３Ａの位相特定パターン３Ａの展開図は、底辺が車軸３の軸方向と平行な二等辺三角形である。
図３Ｂの位相特定パターン３Ａの展開図は、底辺が車軸３の軸方向と平行であり、かつ２つの脚が底辺に対して傾斜した台形である。

【0025】

図３Ｃ及び図３Ｄの位相特定パターン３Ａは、それぞれ、第１パターン３Ｂと、第２パターン３Ｃとの組み合わせである。このように、複数の幾何学的模様の組み合わせから位相特定パターン３Ａが構成されてもよい。

【0026】

図３Ｃの第１パターン３Ｂの展開図は、底辺が車軸３の軸方向と平行な直角三角形であり、第２パターン３Ｃの展開図は、一辺が車軸３の軸方向と平行な長方形である。図３Ｃでは、第２パターン３Ｃは、位相に関係なく一定の幅であるが、第１パターン３Ｂの幅が変化するため、これらを組み合わせた位相特定パターン３Ａは、位相によって形状が変化する。

【0027】

また、外周面の形状データＳには、奥行きの情報が含まれない。そのため、車輪径の変化、形状データＳの取得時における車両の走行速度等の影響による形状データＳの取得位置のずれを形状データＳからは認識できない。取得位置のずれが生じると、形状データＳに含まれる模様の幅に基づく周方向の位置の特定が正しく行われない可能性がある。そこで、一定の幅を有する（つまり、一定の方向から視認される形状が車軸３の回転に伴って変化しない）図３Ｃの第２パターン３Ｃを基準とし、第２パターン３Ｃの幅の比と、幅が変化する第１パターン３Ｂの幅の比とを求めることで、形状データＳの取得位置のずれを補正することができる。

【0028】

図３Ｄの第１パターン３Ｂの展開図は、円の一部（つまり車軸３の周方向と平行な弦と、この弦に対応する弧とで囲まれた部分）であり、第２パターン３Ｃの展開図は、２つの幅を有する（つまり、周方向の途中で拡幅する）長方形である。図３Ｄの第１パターン３Ｂは、上下対称形状であるが、第２パターン３Ｃが上下非対称であるため、これらを組み合わせた位相特定パターン３Ａは、位相によって形状が変化する。

【0029】

なお、図３Ｄの第２パターン３Ｃは、周方向に一定の幅を有する部位が２つ組み合わさ
れて形成されているので、図３Ｃの第２パターン３Ｃと同様に、形状データＳの取得位置に対するずれの補正に用いることができる。

【0030】

図３Ｅの位相特定パターン３Ａは、複数のブロック又はドットの組み合わせで構成されたモザイク模様である。複数のブロック又はドットは、位相によって位相特定パターン３Ａの形状が変化するように（つまり、同じパターンが現れないように）配置される。

【0031】

位相特定パターン３Ａの車軸３の軸方向（つまり車両の左右方向）における位置は、特に限定されない。車軸３には、通常、歯車装置等の機器が取り付けられるので、このような機器と干渉せず、かつ、カメラ等によって視認可能な位置に位相特定パターン３Ａを設けるとよい。

【0032】

［１－２．鉄道車輪の形状測定装置］
図４に示す鉄道車輪の形状測定装置（以下、単に「形状測定装置」ともいう。）１０は、車輪２Ａ，２Ｂの形状を測定するための装置である。形状測定装置１０は、測定部１１と、取得部１２と、処理部１３とを備える。

【0033】

＜測定部＞
測定部１１は、リム部２１の回転軸を含む仮想面における踏面２１Ａの断面形状を測定する。

【0034】

具体的には、図５に示すように、測定部１１は、踏面２１Ａへのレーザ光の照射及びカメラによる撮像を用いた光切断法によって、図２に示される踏面２１Ａの断面形状を測定する。測定部１１は、走行中の車輪２Ａ，２Ｂに対して測定を行うことができる。

【0035】

＜取得部＞
取得部１２は、一定の方向から鉄道車両用輪軸１に取り付けられた車軸３の外周面の形状データＳを取得する。

【0036】

具体的には、図１に示すように、取得部１２は、カメラ１２Ａ及びレーザ装置１２Ｂのうち少なくとも一方を有する。カメラ１２Ａ及びレーザ装置１２Ｂは、それぞれ、地上に固定されている。カメラ１２Ａは、一定の方向から通過する鉄道車両の車軸３を撮影する。レーザ装置１２Ｂは、一定の方向から通過する鉄道車両の車軸３にレーザ光を照射し、外周面の形状を取得する。

【0037】

位相特定パターン３Ａが平面模様である場合は、カメラ１２Ａによって位相特定パターン３Ａを含む形状データＳが撮影される。位相特定パターン３Ａが凹凸で構成される場合（つまり立体模様である場合）は、レーザ装置１２Ｂによって位相特定パターン３Ａを含む形状データＳが取得される。

【0038】

また、位相特定パターン３Ａが平面模様であっても、白黒のコントラストが明確な模様である場合は、レーザの反射率の違いで模様を検出できる。つまり、レーザ装置１２Ｂは、平面模様で構成される位相特定パターン３Ａを含む形状データＳも取得可能である。

【0039】

また、取得部１２は、測定部１１による断面形状の測定に合わせて、位相特定パターン３Ａを含んだ外周面の形状データＳを取得する。断面形状と形状データＳとは同時に取得され、取得された時間、取得された機器のＩＤ等によって、互いに紐付けられる。

【0040】

＜処理部＞
処理部１３は、測定部１１が取得した断面形状と車軸３の位相θとの関係を演算する。
つまり、処理部１３は、測定部１１が断面形状を測定した位置を取得部１２が取得した外周面の形状データＳから判定する。処理部１３は、例えば入出力部を備えるコンピュータにより構成される。

【0041】

処理部１３は、例えば、位相θと位相特定パターン３Ａの視認形状との既知の関係を用い、同じ時刻に取得された形状データＳから断面形状の位相θを判定し、踏面２１Ａの断面形状と位相θとの紐付けを行う。

【0042】

処理部１３は、１つの車輪２Ａ，２Ｂに対し、測定部１１から位相の異なる複数の断面形状を得ることで、車輪２Ａ，２Ｂの踏面２１Ａにおける真円度の算出及び評価を容易に行うことができる。

【0043】

位相の異なる複数の断面形状は、１回の測定で同時に測定されてもよい。また、１つの位相における断面形状の測定を、例えば１か月等の一定期間内で繰り返すことで位相の異なる複数の断面形状を得てもよい。

【0044】

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）車輪２Ａ，２Ｂにおける踏面２１Ａの断面形状の測定時に、車軸３に設けられた位相特定パターン３Ａの形状を取得することで、取得した位相特定パターン３Ａの形状に基づいて断面形状の周方向の位置を特定することができる。

【0045】

つまり、測定部１１による踏面２１Ａの断面形状の測定と同時に、取得部１２によって車軸３の外周面の形状データを取得することで、断面形状の周方向の位置を特定することができる。

【0046】

したがって、車輪２Ａ，２Ｂを車両に取り付けたまま、かつ比較的簡便な測定機器を用いて、車輪２Ａ，２Ｂにおける周方向の位置を把握しながら踏面形状を測定することができる。

【0047】

（１ｂ）測定部１１においてレーザ光を用いた光切断法を用いることで、高精度に踏面２１Ａの断面形状を測定することができる。
（１ｃ）車両基地、停車場などの車両が高頻度に走行する位置に測定部１１及び取得部１２を設置できる。これにより、短期間で多量の踏面２１Ａの断面形状を蓄積できる。

【0048】

（１ｄ）車両の快適性につながる車輪の真円度を測定することができ、乗り心地が悪化する前に真円度の低下を検知して、削正等の補修をすることができる。
（１ｅ）踏面摩耗、フランジ厚さ、車輪径などの検査に替えて、本開示の形状測定装置１０による形状測定を行うことで、大幅な省力化が実現できる。

【0049】

（１ｆ）蓄積した踏面２１Ａの断面形状を解析することによって、摩耗メカニズムを解明することができる。また、検査周期、削正方法、メンテナンス基準等の見直しを行うことができる。

【0050】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0051】

（２ａ）上記実施形態の鉄道車輪の形状測定装置１０において、測定部１１は、光切断法以外の手法で踏面２１Ａの断面形状を測定するように構成されてもよい。
また、測定部１１は、車輪２Ａ，２Ｂの形状を測定する複数の機器を有し、これらの機器から得られたデータを組み合わせることで踏面２１Ａの断面形状を得るように構成されてもよい。

【0052】

（２ｂ）上記実施形態の鉄道車輪の形状測定装置１０において、測定部１１及び取得部１２は、地上に設置される替わりに、測定対象の鉄道車両に取り付けられてもよい。

【0053】

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0054】

１…鉄道車両用輪軸、２Ａ，２Ｂ…車輪、３…車軸、３Ａ…位相特定パターン、
３Ｂ…第１パターン、３Ｃ…第２パターン、１０…鉄道車輪の形状測定装置、
１１…測定部、１２…取得部、１２Ａ…カメラ、１２Ｂ…レーザ装置、１３…処理部、
２１…リム部、２１Ａ…踏面、２１Ｂ…フランジ、２２…板部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】