(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】2023-10-06
(45)【発行日】2023-10-17
(54)【発明の名称】鉄道車両の車輪の表面状態を検出するための装置及び方法
(51)【国際特許分類】
G01M 17/10 20060101AFI20231010BHJP
【ＦＩ】
G01M17/10
【請求項の数】
9
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021140823
(22)【出願日】2021-08-31
(65)【公開番号】P2022041992
(43)【公開日】2022-03-11
【審査請求日】2021-10-13
(31)【優先権主張番号】17/009297
(32)【優先日】2020-09-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505220284
【氏名又は名称】ビーエヌエスエフ レイルウェイ カンパニー
【住所又は居所原語表記】２５００ Ｌｏｕ Ｍｅｎｋ Ｄｒｉｖｅ， Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ， Ｔｅｘａｓ ７６１３１ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】100120662
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 桂子
(74)【代理人】
【識別番号】100216770
【弁理士】
【氏名又は名称】三品 明生
(74)【代理人】
【識別番号】100217364
【弁理士】
【氏名又は名称】田端 豊
(72)【発明者】
【氏名】ブラーレン、 ハルク
(72)【発明者】
【氏名】フローバーグ、 カール エリック
【審査官】岩永 寛道
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３１４５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開昭５０－１５６１１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５１－１１３７５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２８１１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３３１２６３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｍ １７／００－ １７／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄道車輪衝撃荷重検出試験パネルであって、第１及び第２の基本レールを有する鉄道線路のセクションと、
少なくとも１つの補助レールであって、それぞれが第１端部及び第２端部を有し、その走行面が前記基本レールの少なくとも一方の前記走行面に対して所定の増分だけ上昇するように、前記鉄道線路の各基本レールのフィールド側に近接して配置される、少なくとも１つの補助レールと、
前記少なくとも１つの補助レールのそれぞれの底面の所定の位置に配置されたセンサと、
を含み、
前記少なくとも１つの補助レールは、各第１及び第２端部に配置された高さ遷移傾斜を含み、
前記少なくとも１つの補助レールは、第１の補助レール及び第２の補助レールを含み、
前記第１の補助レール及び第２の補助レールのそれぞれは、第１端部及び第２端部を含み、前記第１の基本レール及び第２の基本レールのうち対応する基本レールのフィールド側に近接して配置されている、検出試験パネル。
【請求項2】
前記第１及び第２の基本レールは、定義されたゲージ距離だけ離隔して配置されて、地表面上に構成されたバラスト構成で支持され、前記鉄道線路のセクションは、鉄道用地に配置された線路の選択された部分である、請求項１に記載の検出試験パネル。
【請求項3】
前記少なくとも１つの補助レールのそれぞれは、その走行面が近接した基本レールの高さより０．２５０から０．５００インチの高さで配置されるように、それぞれの基本レールに近接するように支持される所定の長さのレールと、
各第１及び第２端部の前記高さが、前記近接した基本レールの高さに等しくなるように下向きにテーパ状になっている前記少なくとも１つの補助レールのそれぞれの第１及び第２端部と、
を含み、
前記少なくとも１つの補助レールのそれぞれの所定の長さは、少なくとも８０フィートである、請求項１に記載の検出試験パネル。
【請求項4】
前記少なくとも１つの補助レールのそれぞれは、前記近接した基本レールの高さより０．３７５インチの高さで配置される、請求項３に記載の検出試験パネル。
【請求項5】
前記高さ遷移傾斜は、２０分の１から２００分の１以内の傾きを有する、請求項１に記載の検出試験パネル。
【請求項6】
前記センサは、耐候性容器に収容された光ファイバ検知素子を有する光学ひずみゲージと、
前記光学ひずみゲージを外部計測に結合するための一体型コネクタと、
を含み、
前記検知素子は、前記少なくとも１つの補助レールに、荷重が１，０００ポンド（１ｋｉｐ）以下の分解能に対応する感度を有する、請求項１に記載の検出試験パネル。
【請求項7】
前記外部計測は、前記鉄道線路の沿線に沿ってタワーで支持されるハウジングと、
前記ハウジングに収容されてケーブルを介して前記一体型コネクタに接続された処理システムと、
を含み、
前記処理システムは、前記処理システムと結合された不揮発性メモリに格納されたプログラムソフトウェアによって制御される、請求項６に記載の検出試験パネル。
【請求項8】
各基本レールに沿って配置され、各基本レールから内側に定義された距離を置く第１及び第２ガードレールをさらに含み、前記定義された距離は、標準の鉄道車輪のフランジが自由に通過できるようにするのに十分である、請求項１に記載の検出試験パネル。
【請求項9】
前記センサは、リムの破損、表面又は表面下部の疲労、踏面の亀裂、車輪の滑走跡、踏面の凹み、及び滑り摩耗のうちの１つ以上を示す車輪踏面の欠陥の特有の特徴を含む出力を提供する、請求項１に記載の検出試験パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉄道車両の安全性に関し、より具体的には、過積載、熱的影響、破片及び異質物、急ブレーキなどにより発生する鉄道車両の車輪踏面の表面の欠陥検出に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄道車両（鉄道車両及び機関車）は、鋼鉄の車輪に接する一対の平行なレールによって支えられ、それに沿って滑らかに動く。各車輪には、車輪の内側の縁に一体型フランジが含まれている。車輪の走行円周よりも大きい直径のフランジは、近接したレールの内側の縁の横に下向きに延びている。車輪踏面（ｗｈｅｅｌ ｔｒｅａｄ）は、車輪とレール接触を保持するためにテーパ状になっている。従って、車両（ｃａｒ）又は機関車（ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ）の両側にある車輪フランジは、直線道路と曲線道路の両方で、鉄道線路と車両又は機関車の車輪の位置合わせをするのに役立つ。車輪には大きな荷重がかかり、フランジと車輪の最も外側（「フィールド」の側面）との間の車輪の踏面（ｔｒｅａｄ）又は走行面（ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）に重さの大部分がかかる。
【0003】
鉄道車両（ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ）によって運搬される非常に重い荷重によって車輪が摩耗したり損傷を受けたりする可能性がある。摩耗には、摩耗及び凹み、表面及び表面下の疲労、熱又は衝撃損傷による亀裂、フラットスポット、カーブを曲がる車両の動きから車輪が横に動くときの滑り摩擦や振動などによる摩耗など様々な種類がある。車輪へのこのような損傷は、発見されなければ、車輪の故障、車輪の破損、「トラック（ｔｒｕｃｋ）」と呼ばれる車輪支持構造の故障、そして最悪の場合、鉄道車両の脱線などにつながる可能性がある。時折、脱線は、使用中の車輪の故障が原因で発生する可能性があり、場合によっては、致命的な性質を有し、鉄道車両とその内容物に莫大な経済的損失をもたらし、脱線が発生した資産に深刻な損害を与える可能性がある。鉄道脱線による影響は、深刻である。
【0004】
異常な摩耗、亀裂、又は破損した車輪などの車輪の欠陥を測定するための標準的な試験プロトコルは、車輪衝撃荷重検出又は「ＷＩＬＤ」と呼ばれる。従来のＷＩＬＤプロセスには、鉄道車両の運転中の損傷や摩耗を検出する様々な方法が含まれる。１つのタイプは、レールの踏面に合わせて走行レールにかかる荷重を測定する。別のタイプは、カメラを使用して、後の検査のために潜在的な欠陥の視覚的画像を取得する。３番目のタイプは、加速度計を使用して、亀裂の入った車輪に関連する振動を測定する。これらのシステムは、表面と表面下の両方の欠陥を検出及び測定する能力の限界、測定値の使用と解釈の複雑さ、負又は正の高い誤読、及び潜在的に危険な欠陥を確実に検出できないという特徴がある。
【0005】
車輪の破損によって引き起こされる鉄道列車の脱線は、設備の原因の観点から最も致命的なものの１つであり、列車に関連する費用がかかる事故である。これらの欠点の例として、最近の業界調査によると、貨物車両の破損した車輪の７０％以上に、最大８０ｋｉｐｓの貨物車両の車輪荷重で、車輪が故障する前にＷＩＬＤ法では検出されなかった欠陥が含まれていた。８０ｋｉｐｓは、８０，０００ポンドに相当する。さらに、従来のＷＩＬＤ法では、故障の原因となるほとんどの欠陥が発生する車輪踏面表面領域（フランジから離隔した踏面フィールド側に近い車輪踏面の表面部分）の衝撃荷重を測定しない。これらの欠陥を克服するために必要なことは、車輪が受ける荷重に安全に耐えられる能力が深刻に低下する前に、重い荷重の下で車輪の欠陥を検出して離隔する、鉄道車両及び機関車の車輪を試験する方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一実施形態では、鉄道車輪衝撃荷重検出試験パネルは、第１及び第２の基本レールを有する鉄道線路のセクションと、第１補助レール及び第２補助レールであって、補助レールは、それぞれ第１端部及び第２端部を有し、走行面が基本レールの走行面に対して所定の増分だけ上昇するように、鉄道線路の各基本レールのフィールド側に近接して配置される、第１補助レール及び第２補助レールと、各補助レールの底面の所定の位置に配置されたセンサと、を含むことができ、補助レールは、各第１及び第２端部に配置された高さ遷移傾斜（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｒａｍｐ）を含む。
【0007】
一態様では、各第１及び第２補助レールは、その走行面が近接した基本レールの高さより０．２５０から０．５００インチの高さで配置されるように、それぞれの基本レールに近接するように支持される所定の長さのレールと、各第１及び第２端部の高さが、近接した基本レールの高さに等しくなるように下向きにテーパ状になっている各補助レールの第１及び第２端部と、を含むことができ、第１及び第２補助レールの所定の長さは、少なくとも８０フィートであり、高さ遷移傾斜は、２０分の１から２００分の１以内の傾きを有し、各補助レールの高さは、約０．３７５インチである。
【0008】
また他の実施形態では、センサは、耐候性容器に収容された光ファイバ検知素子、レール、荷重計（ｌｏａｄ ｃｅｌｌ）、荷重センサ、又は他の適切なセンサに溶接されたひずみゲージを有する光学ひずみゲージと、光学ひずみゲージを外部計測に結合するための一体型コネクタと、を含むことができ、検知素子は、第１及び第２補助レールで１，０００ポンド（１ｋｉｐ）以下の荷重の分解能に対応する感度を有する。外部計測は、鉄道線路の沿線に沿ってタワーで支持されるハウジングと、ハウジングに囲まれてケーブルを介して一体型コネクタに接続された処理システムと、を含み、処理システムは、処理システムと結合された不揮発性メモリに格納されたプログラムソフトウェアによって制御される。
【0009】
他の態様では、センサは、リムの破損、表面又は表面下部の疲労、踏面の亀裂、車輪の滑走跡、踏面の凹み、及び滑り摩耗のうちの１つ以上を示す車輪踏面の欠陥の特有の特徴で構成された出力を提供することができる。
【0010】
他の実施形態では、鉄道車輪衝撃荷重検出試験パネルは、第１及び第２の基本レールを有する鉄道線路のセクションと、第１端部及び第２端部を有し、その走行面が基本レールの走行面に対して所定の増分だけ上昇するように、鉄道線路のいずれかの基本レールのフィールド側に近接するように配置される、少なくとも１つの補助レールと、所定の位置で少なくとも１つの補助レールの底面に配置されたセンサと、を含むことができ、少なくとも１つの補助レールは、各第１及び第２端部に配置された高さ遷移傾斜を含む。
【0011】
一態様では、少なくとも１つの補助レールは、その走行面が近接した基本レールの高さより０．２５０から０．５００インチの高さで配置されるように、各基本レールに近接するように支持される所定の長さのレールと、各第１及び第２端部の高さが、近接した基本レールの高さに等しくなるように下向きにテーパ状になっている少なくとも１つの補助レールの第１及び第２端部と、を含むことができ、少なくとも１つの補助レールの所定の長さは、少なくとも８０フィートであり、高さ遷移傾斜は、２０分の１から２００分の１以内の傾きを有し、各補助レールの高さは、約０．３７５インチである。
【0012】
また他の実施形態では、荷重センサは、耐候性容器に収容された光ファイバ検知素子を有する光学ひずみゲージと、光学ひずみゲージを外部計測に結合するための一体型コネクタと、を含むことができ、検知素子は、少なくとも１つの補助レールで１，０００ポンド（１ｋｉｐ）以下の荷重の分解能に対応する感度を有する。外部計測は、鉄道線路の沿線に沿ってタワーで支持されるハウジングと、ハウジングに囲まれてケーブルを介して一体型コネクタに接続された処理システムと、を含み、処理システムは、処理システムと結合された不揮発性メモリに格納されたプログラムソフトウェアによって制御される。
【0013】
また他の実施形態では、荷重センサは、リムの破損、表面又は表面下部の疲労、踏面の亀裂、車輪の滑走跡、踏面の凹み、及び滑り摩耗のうちの１つ以上を示す車輪踏面の欠陥の特有の特徴を含む出力を提供することができる。また別の例示的な実施形態では、車輪の状態は、個々の車輪の測定値、列車の外れ値であるという点で、それらの左右のデルタ及びデルタの大きさに基づくことができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
従って、試験パネルとして構成された鉄道線路のセクションである修正された軌框（ｔｒａｃｋ ｐａｎｅｌ）を使用して、鉄道車両の破損した車輪とその他の車輪の欠陥を検出するための最先端技術の進歩が本明細書に開示される。鉄道線路には、周知のように平行な基本レールを含み、一般に鋼鉄で製造され、所定のゲージ距離で配置され、地表面に構成されたバラスト構造で支持される。バラスト構造は、例えば、等間隔で配置され、鉄道用地に沿って配置された石又は岩の骨材の合成床に支持される、連続した一連の細長い、間隔が狭く配置された枕木（第１及び第２レールの下に垂直に配置された部材）を含むことができる。骨材は、鉄道列車の重い加重を支持するために形成された路床に重ねることができる。
【0016】
本開示によれば、鉄道車輪衝撃荷重検出（ｒａｉｌｒｏａｄ ｗｈｅｅｌ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）（「ＷＩＬＤ」）試験パネルには、鉄道線路セクションの基本レール又は走行レールのフィールド側に近接する補助計測レールを含み、軌道車（ｒａｉｌ ｃａｒ）の車輪が試験パネル内の計測レールを横切るように規定された距離を高めた。計測レールには、車輪の衝撃荷重を検出する光学ひずみゲージが含まれている。検出された衝撃データは、故障が発生する前に復元又は交換する車輪を特定するために、車輪の損傷の特徴と関連付けられる。
【0017】
簡単に言えば、本開示は、本開示は、鉄道用地に沿って配置された鉄道線路の選択された部分上に試験パネルの構成を提供する。基本レールの選択された部分に、各基本レールの外側又はフィールド側に、各基本レールに近接する補助計測レールが追加される。一実施形態では、それぞれの補助計測レールの長さは、試験パネルで試験される最も長い軌道車の長さを超過しなければならない所定値であり得る。各補助レールの走行面は、基本レールの走行面に対して所定の増分だけ上昇し、補助レールは、それぞれの第１及び第２端部に配置された高さ遷移傾斜を含む。光ファイバセンサなどの感度の高い光学ひずみゲージ又はその他の適切なセンサは、レールと基本及び補助レールを支持する並枕木との間の各補助又は計測レールの下側に取り付けることができる。センサの感度は、１ｋｉｐ（１，０００ポンド）の荷重の車輪荷重の増分を解決できる必要がある。
【0018】
センサは、鉄道車両の車輪が定格荷重に耐えながら、所定の速度で試験パネルの計測レール上を転がるときに、踏面の衝撃のエッジを検出することができる。センサは、光ファイバ、機械的、電気的、電気機械的、又はその他の適切なセンサのタイプであり得る。センサとそれに関連する機器は、車輪踏面のエッジ衝撃情報を受信、解釈、及び記録して、試験データを提供する。軌道車が試験パネルに沿って転がるときに、センサが発する信号は、鉄道車輪で発生する様々な種類の摩耗に敏感である。図７Ａ～７Ｆに示すように、摩耗パターンは、サブステーション８０の計測によって解釈される計測モジュール（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）６２，６４，６６で受信され、試験パネルによって識別された輪軸に必要なサービスのスケジューリングを可能にするために収集され得る固有の信号を生成する。試験パネルは、鉄道車両トラック組立体（ｒａｉｌｒｏａｄ ｃａｒ ｔｒｕｃｋ ａｓｓｅｍｂｌｙ）の輪軸の左側及び右側の両方の車軸に対する踏面衝撃のエッジを測定するように構成してもよい。
【0019】
試験パネルによって提供される試験データは、積載物自動認識（ＡＥＩ）と呼ばれるコード化された情報に従って、特定の車両及び各特定車輪と相関させることができる。ＡＥＩ情報コードは、各軌道車に取り付けられた鉄道報告マークとして記載されている。マークは、軌道車の所有者を識別する２～４文字コードと、車両番号を識別する数字コードを含む。一般に、一例としてＲＦＩＤ技術を使用して、線路側ＡＥＩリーダー機でマークを読み取ることができる。一部のシステムでは、計測から出力された試験データを遠隔地に送信してリアルタイムで観察することができる。
【0020】
鉄道車輪は、一般に鋼鉄で鋳造又は鍛造され、熱処理され、旋盤で指定されたプロファイル及び寸法で加工される。一部の車輪にはスチールタイヤが装着されており、車輪の踏面部分を仕様に復元するために交換することができる。各車輪には、車輪の他の部分よりも大きい直径の一体型フランジが含まれている。フランジは、車輪の内面に配置され、車輪をレールと位置合わせする。は、車軸の両端に車輪を取り付け、フランジ付きの側面を対向するようにして形成される。輪軸は、２つの輪軸の組立体であるトラックで支持される。トラックは、鉄道車両の下側に装着され、車両が曲がった線路を曲がるときに旋回できるようになっている。
【0021】
図１は、本開示の１つ以上の例示的な実施形態による、鉄道線路試験パネル１０の端面図である。図２は、図１の試験パネルの平面図であり、図１に示されたものと同一の構造的特徴を示す。図２の平面図に示される線路試験パネル１０（本明細書では軌框又は試験パネル１０とも呼ばれる）は、一対の平行な基本又は走行レール（ｒｕｎｎｉｎｇ ｒａｉｌ）１２、各基本レール１２の内側の縁（ｉｎｓｉｄｅ ｅｄｇｅ）１６に近接するように配置されたガードレール１４、及び各基本レール１２の外側の「フィールド」の側面に近接して配置された補助計測レール１６を含む。基本レール１２は、交通レールとも呼ばれることもあり、列車が鉄道に沿って転がるときに列車を支えるレールである。レールは、レール１２，１４，１６に垂直に配列され、互いに等間隔で配置された枕木（ｔｉｅ）１８で支持される。枕木１８は、路盤又はバラスト２０上で支持されることが好ましい。ガードレール１４及び計測レール（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｒａｉｌ）１６は、貨車などの鉄道車両の長さを超える距離にわたって軌框に沿って延びるレールセグメントである。一般的な貨車は、車両タイプ（例えば、ボックス車、フラットベッド車、ホッパー車など）によって長さが５０フィートから９０フィートであるため、ガードレール及び計測レールは、その長さを超える必要がある。
【0022】
ガードレール１４は、ガードレール１４と隣接する基本レール１２との間の間隙２４が、１：Ｄの比率で表わされるフレア又はテーパ仕様に従って増加するように、各端部２２でテーパ状になっており、ここで、Ｄはテーパセクションの長さである。従って、１：２０のテーパ又は他の角度は、１フィートの縦座標（Ｙ軸）と２０フィートの横座標（Ｘ軸）で形成された角度を示す。テーパ２２は、軌框に入るときの鉄道車両の輪軸の位置合わせを容易にするために、軌框１０の端部でガードレール１４と基本レール１２との間の間隙２４を広げるために提供される。ガードレール１４は、試験車両が軌框１０上を転がっている間に行われた、検出した衝撃荷重測定の再現性を確実にするために、計測レール１６と適切な関係で車輪のフランジ（この図には図示せず）を保持する役割をする。軌框１０のレール上に配置された車輪の断面図については、説明される図６を参照する。
【0023】
計測レール１６は、基本レール１２のフィールド側に近接して配置され、説明されるように所定の少量だけ持ち上げられる。計測レール１６は、基本レール１２に対してわずかに高くなっているので、車輪の外側部分は、基本レール１２の代わりに計測レール１６に沿って転がる。計測レールのわずかに規定された高さは、０．２５０から０．５００インチ、好ましくは０．３７５インチの範囲内であり得る。
【0024】
鉄道車両が計測レール１６の高さまで上下に転がるときに、即ち試験パネル１０に出入りするときに、鉄道車両の車輪セットのスムーズな移行を可能にするために、２０分の１から２００分の１の範囲内の傾斜を有する高さ遷移傾斜が提供される。計測レール１６の唯一の目的は、車輪がレールに沿って転がるときの車輪の衝撃荷重を検出することにある。計測レール１６は、車輪踏面の表面の変化によって引き起こされる衝撃を測定するセンサ（後述する）を含むため、そのように呼ばれる。
【0025】
図３は、本開示の１つ以上の例示的な実施形態による、図１の試験パネル１０の計測レール１６の断面の端面図の詳細である。計測レール１６はまた、図６に計測レール１８２として示されている。計測レール１８２は、走行面３６及び下部面３８を含む。計測レール１８２の下部面３８には、光ファイバセンサ１８４などの光学ひずみゲージが取り付けられている。光ファイバセンサ１８４は、レール１８２の各端部にボルト４４によって固定されたクランプ４２を使用して、計測レール１８２の下部面３８に取り付けられている。センサ１８４の作動は、図６でさらに説明されている。図４Ａ～図４Ｃは、鉄道操車場設定における軌框１０の計測部分の図を示している。
【0026】
図４Ａは、本開示の１つ以上の例示的な実施形態による、図１の試験パネル１０に設置されたセンサ計測を含む沿線５０の斜視図である。沿線５０の計測は、試験パネル１０から所定の距離を置いて配置された３つのタワー５２，５４，５６を含む。各タワー５２，５４，５６は、それぞれの計測モジュール（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ）６２，６４，６６を支持する。ケーブルは、試験パネル１０の計測レール１８２に取り付けられた各光ファイバセンサ１８４（図４Ａに図示せず）からそれぞれの計測モジュール６２，６４，６６に接続されている。ケーブル７２，７４，７６は、検出された衝撃荷重信号を光ファイバセンサ１８２から計測モジュール５２，５４，５６内の計測回路に伝達する。沿線５０は、閉鎖構造に収容され得るサブステーション（ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ）８０を含む。サブステーションは、分析のために計測モジュール６２，６４，６６で処理されたデータを受信し、車両基地制御設備（図示せず）などの中央の場所との通信のためにデータをフォーマットしてもよい。計測モジュール６２，６４，６６からサブステーション８０への通信は、有線又は無線のＲＦ送信を介してもよい。同様に、サブステーション８０は、その分析作業の結果を車両基地制御設備に無線で送信してもよい。
【0027】
図４Ｂは、本開示の１つ以上の例示的な実施形態による、図４Ａの沿線５０の試験パネル１０に設置されたセンサ計測の拡大斜視図である。沿線５０の示されたセクション９０には、鉄道試験パネル１０の近い側の走行レール１２、ガードレール１４、及び計測レール１６がある。タワー５２、計測モジュール６２、及び一対のケーブル７２を含む光ファイバセンサの１つの計測構成要素も図示され、１つは試験パネル１０の両側の計測レール（鉄道の近い側７２Ａ及び遠い側７２Ｂの左右）の下部面に取り付けられた光ファイバセンサに接続されている。図の例では、計測モジュール６２は、処理システムに接続された不揮発性メモリに格納されたプログラムソフトウェアに従って作動し得る処理システム（図示せず）を含むハウジング６８（図４Ａ、４ｂ）を含んでもよい。処理システムは、ケーブル７２Ａ，７２Ｂを介して一体型コネクタ７０（図３）で光ファイバセンサ１８４（図３、図４Ａ、図４Ｂ、及び図６）に接続される。
【0028】
ハウジングは、鉄道線路の沿線５０に沿ってタワー５２に支持されてもよい。また、図４Ｂには、取り外し可能なデータ装置、データ処理モジュール、又は無線送信機／受信機などで構成され得るキャニスタが示されている。
【0029】
図４Ｃは、本開示の１つ以上の例示的な実施形態に従って、図４Ａの試験パネル１０で計測レール１６の下に設置された１つのセンサ１８４（図には見えない、図３参照）の設置の拡大平面図１００である。この図には、走行レール１２、ガードレール１４、及び計測レール１６が含まれている。計測レール１６には、車輪１６０の摩耗状態を検出するために、車輪衝撃荷重試験イベント中に鉄道車輪１６０が転がる表面３６が示されている。図４Ｃの影付きの領域は、計測レール１６の表面摩耗を示す。光ファイバセンサは、ボルト４２によって固定される。
【0030】
図５は、輪軸の鉄道車輪１６０の表面領域の断面図である。車輪１６０の摩耗パターン（次の図７Ａ～図７Ｆ参照）は、本開示内容の１つ以上の例示的な実施形態に従って、試験パネル１０での測定の対象となる。車輪１６０は、フィールド側１６２及び車輪１６０の反対側にあるフランジ１６４を含む。車輪の踏面１６６は、以下のように定義された摩耗領域でマークされている。領域１（１６８）は、フィールド側であり、領域２（１７０）は、フランジ１６４に近接するルート領域である。通常の状態で、レール上の車輪の摩耗の軌跡を形成する領域３（１７２）及び領域４（１７４）は、通常テープライン１７６（車輪踏面１６６の中心線）の両側に約１／２インチの幅でテープライン１７６にまたがっている。
【0031】
図６は、鉄道車輪１６０と図１の試験パネル１０の試験レールの断面図である。バラスト２０は、軌框１０の試験レールを支持する。当技術分野で周知のように、バラストは、試験レールを順に支持する並枕木（ｃｒｏｓｓ ｔｉｅ）１８（図６には示されていないが、例えば図１を参照）のための強固で安定した基礎を提供するために、砕石などの積み上げられた材料のいくつかの層を含んでもよい。図６では、試験レールは、補助レール１８２とガードレール１８８との間に配置された基本レール１８０を含む。基本レール１８０（図１の１２）は、一般に列車が搭乗する走行レールとも呼ばれる。走行レールが下降するときに外側のレールが上昇（左から右に移動）できるように、傾斜が交差してスムーズな移行を作れるように、補助（試験）レールは１／２インチの深さまでミリングすることができ、走行レールは３／８インチの深さまで機械加工することができる。図５に示すように、車輪踏面１６６の摩耗領域は、数字１、２、３、及び４でマークされている。
【0032】
補助レール１８２（図１の１１６）は、軌框１０の計測レール１８２とも呼ばれる。ガードレール１８８（図１の１４）は、基本レール１８０から離隔して配置され、フランジ１６４に間隙を提供して、基本レール１８０と車輪１６０との位置合わせを保持する。ガードレール１８８（図１の１４）は、２つの基本レール１８０（図１の１２）の内側の縁から離隔されている。補助レール１８２は、基本レール１８０に近接して間隔を置いて配置され、基本レール１８０から所定の距離（高さ増分１９０）だけ上昇している。上昇増分は、試験される車輪１６０が基本レール１８０ではなく補助レール１８２によって支持されることを確実にするのに充分な程に補助（計測）レール１８２の表面を上昇させるために提供される。
【0033】
試験結果は、０．３７５インチの高さの増分が、最小の実用的な値に高さの増分を保ちながら、ほとんどの車輪の欠陥に対応するのに十分な振幅範囲を可能にする十分な値であることを示している。上昇増分１９０は、好ましくは、補助レール１８２の各端部に向かって徐々に減少し、基本レール１８０から補助レール１８２への車輪の滑らかな移行を提供する。図６には、１：２０比率に設定された車輪踏面１６６に形成された傾斜又はテーパも示されている。テーパは、線路の湾曲した部分を通過するときに輪軸がセルフステアすることを可能にするために提供される鉄道車輪の通常の構成である。基本レール１８０は、セルフステアリングを容易にするために同様のテーパ又は傾斜を有してもよい。
【0034】
さらに図６にて、計測レール１８２は、計測レール１８２とバラスト２０との間の隙間空間１８６内の計測レール１８２の下側に取り付けられたセンサ１８４を含む。好ましいセンサ１８４は、計測レール１８２の下側に取り付けられたひずみゲージとして構成された光ファイバ要素である。荷重センサ１８４の光ファイバ要素は、その上を転がる鉄道車両によって偏向されたときに、計測レール１８２の微細変位に敏感であり得る。光ファイバセンサの長所は、電気、電磁場、又は干渉の影響を受けないことである。光ファイバのひずみゲージの動作原理は、光ファイバの一部分にブラッグ格子構造が形成された光ファイバが次のような場合に、光ファイバを移動するレーザビーム信号の特性をひずみに比例して変更するように構成し得ることである。光ファイバ要素は、軌道車の車輪が計測レール１８２に沿って転がるときの荷重に応じて曲がる。光信号の一部は反射されてもよく、第２の部分は透過してもよい。従って、結果として得られる出力は、変調された光学信号であり、その特性は様々な摩耗パターンの様々な特性と相関させることができるため、これにより車輪の欠陥や破損を検出することができる。
【0035】
図７Ａ～図７Ｆは、鉄道車輪の踏面で発生し得る欠陥の種類の例を示す。各タイプの欠陥は、本明細書で説明した試験パネルによって生成された車輪衝撃荷重データと相関してもよく、それらの特性又は固有の特徴によって区別され得る。具体的には、計測レール１６の下部に取り付けられたセンサの出力は、鉄道車両の各車輪の再び耐久性に関するデータを提供するために、光ファイバセンサによって検出された衝撃と関係してもよい。このデータは、事故や脱線を引き起こすほど十分に成熟する前に、車輪荷重の衝撃欠陥を特定するのに使用し得る。検出し得る車輪欠陥の例には、リムの破損、表面又は表面下部の疲労、踏面の亀裂、車輪の滑走跡、踏面の凹み、及び滑り摩耗などがある。
【0036】
図７Ａは、車輪踏面の亀裂又は破損の結果であり得る、車輪踏面の外縁（領域１）に対する車輪損傷の深刻な例を示す。この例示的な種類の損傷は、図１の試験パネルで検出し得る。図７Ａでは、車輪踏面の表面のかなりの量が破損して車輪踏面に深刻な表面下の損傷があることがわかる。車輪踏面の厚さがその領域で最小であるため、このような損傷は領域１で発生する傾向がある。破損が差し迫っている可能性があるため、この程度の損傷がある車輪は、直ぐに交換する必要がある。
【0037】
図７Ｂは、図１の試験パネルによって検出され得る車輪損傷の第２の例を示す。図示された損傷は、車輪踏面１６６の外縁１６２（領域１）に対する短いが深刻な亀裂によって、車輪踏面が図７Ａに示すように車輪踏面１６６の縁のさらなる破損に対して非常に脆弱なままであり、車輪破損が発生する可能性がある。
【0038】
図７Ｃは、図１の試験パネルによる検出の対象となる車輪損傷の第３の例を示す図である。この損傷は、損傷が車輪踏面１６６の領域１の縁の部分の表面に限定されることを除いて、図７Ｂと同様である。いずれにせよ、損傷した車輪１６０の車輪踏面を元に戻すことができるように、輪軸（左右の車輪の組立体及びこれらを接続する車軸）を取り外す必要がある。
【0039】
図７Ｄは、図１の試験パネルによる検出の対象となる車輪損傷の第４の例を示す図である。領域２及び３の車輪踏面１６６の表面は、荷重を運ぶ間に車輪踏面１６６とレール（図１のレール１２参照）との間に挟まれた砂利又はその他の異物によって跡が残る。また、ランダムなドットで表示されるさらに小さい跡が示された小さい穴やくぼみの形跡が見られる。このようなタイプの損傷は、亀裂の形跡が伴わない限り、一般に無害である。
【0040】
図７Ｅは、図１の試験パネルによる検出の対象となることができる車輪損傷の第５の例を示す図である。この図に示されるように、車輪踏面の明確な亀裂は、ブレーキによる加熱とそれに続く急冷の結果である。加熱／冷却サイクルにより、表面引張応力が発生し、車輪踏面の表面下まで伸びてマルテンサイト変形を引き起こし、一般にスポーリングとして知られる状態になる。スポーリングは、レールに沿って滑る高荷重の下でブレーキをかけた鉄道車輪によって引き起こされる表面又は表面下部の疲労による、車輪踏面又はフランジの走行面の破損として現れる。マルテンサイト変形によるこのような疲労は、図７Ｅに示されるように、亀裂、並びに車輪１６０の表面材料の剥離、孔食、又は剥離をもたらす。
【0041】
図７Ｆは、図１の試験パネルによる検出の対象となる車輪損傷の第６の例を示す図である。領域２及び３の車輪踏面１６６の表面に長方形のパターンとして現れるこのタイプの損傷は、ブレーキ作用によってロックされた滑走車輪６０によって引き起こされるフラットスポットの典型である。滑走作用はまた、車輪踏面１６６とレールとの間の滑り摩擦による熱損傷をもたらす可能性がある（図１のレール１２参照）。上述したように、熱損傷はマルテンサイト変形をもたらす可能性があり、それは、ひどい場合には、車輪踏面１６６とその車輪１６０との間の結合の緩みを引き起こす可能性がある。
【0042】
簡単に言えば、本開示は、第１及び第２の基本レールを有する鉄道線路のセクションに沿って設置された、鉄道車輪衝撃荷重検出パネルと、第１端部及び第２端部が、鉄道線路の各基本レールのフィールド側に近接するように配置され、その走行面が基本レールの走行面に対して所定の増分だけ上昇するように配置された補助レールの第２長さと、各補助レールの底面の所定の位置に配置されたセンサとを教示する。ここで、補助レールは、その第１及び第２端部に配置された高さ遷移傾斜を含む。
【0043】
作動中、近くの監視又は制御ステーションなどの指定された場所の鉄道沿いの沿線に配置できる試験パネル１０は、サービス、修復、又は交換が必要な鉄道車両の輪軸に対する車輪損傷を検出するための便利で自動化された方法を提供する。試験パネル計測は、走行レール１２の横に配置された補助計測レール１６の底面に取り付けられたセンサによって放出される衝撃荷重信号を測定及び解釈する。計測レール１６は、走行レール１２の走行面よりわずかに上に配置され、通過する軌道車が試験パネル１０上を転がるときの荷重を支える。試験パネル１０の両端には、それぞれ上向き及び下向きに傾斜する遷移領域が設けられており、これにより、軌道車が試験パネル１０に円滑に出入りすることができる。
【0044】
軌道車が試験パネルに沿って転がるときに、センサが発する信号は、鉄道の車輪が発生する様々な種類の摩耗に敏感である。図７Ａ～７Ｆに示すように、摩耗パターンは、計測モジュール６２，６４，６６で受信され、サブステーション８０の計測によって解釈され、試験パネル１０によって識別された輪軸に必要なサービスのスケジューリングを可能にするために収集され得る固有の信号又は特徴を生成する。試験パネル１０は、車輪踏面（図６の領域３及び４）と車輪の外縁（フィールド側）１６２（図６の領域１）の両方で発生する車輪損傷を検出するように構成される。構成されたように、試験パネル１０は、最も深刻な損傷が発生する可能性が高い領域１の損傷を検出するのに特に効果的である。
【0045】
本開示は、その形態のうちの１つのみで示されているかもしれないが、それはその１つの形態に制限されず、列挙された特許請求の範囲に記載された概念及び原理を逸脱することなく様々な変更及び修正が可能である。例えば、本明細書に記載の実施形態は、構造要素の１つの組み合わせを示しているが、他の等価の組み合わせは、特許請求の範囲内で企図される。代替の構造的特徴には、感度要件を満たす様々なタイプのひずみゲージが含まれてもよい。レールの間隔、高さ、テーパ、及び遷移勾配などの線路試験パネルの寸法は、組み合わせが線路試験パネルの目的を果たす限り許容される。コンピュータ処理要素及び関連するソフトウェア、データ相関、及びそれらの動作に必要なアルゴリズムを含む計測の特定形態は、鉄道車輪衝撃荷重検出プロトコルの特定の状況に適合するように調整されると理解される。
【0046】
当業者は、本発明のシステム及び本明細書で説明した、コンピュータハードウェア、制御ロジック、及びその他の構造的構成要素とメカニズムの特定組み合わせなしでは、本システムのこのような利点（及び要約に示される利点）と目的は不可能であることを容易に理解するであろう。当業者に知られている様々なプログラミングツールが、前述した開示に記載された特徴及び動作の制御を実現するために利用可能であることがさらに理解されるであろう。さらに、プログラミングツールの特定の選択は、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載された概念を実現するために、選択された実装に課せられた特定の目的及び制約によって統制され得る。
【0047】
この特許文書の説明は、特定の要素、ステップ、又は機能が、請求の範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素になり得ることを意味するものとして解釈されてはならない。また、どの特定の請求項においても、「～のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」又は「～のためのステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」という正確な単語が、機能を識別する分詞句が後続して明示的に使用されない限り、添付の請求項又は請求項の要素と関連して米国特許法第１１２条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２）（ｆ）を引用することはできない。請求項内の「メカニズム（ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）」、「モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）」、「デバイス（ｄｅｖｉｃｅ）」、「単位（ｕｎｉｔ）」、「構成）要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」、「要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）」、「部材（ｍｅｍｂｅｒ）」、「装置（ａｐｐａｒａｔｕｓ）」、「機械（ｍａｃｈｉｎｅ）」、「システム（ｓｙｓｔｅｍ）」、「プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」、「処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）」又は「コントローラ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）」は、請求項自体の特徴によって、さらに修正又は強化された場合、関連技術分野の当業者に知られている構造を指すことを理解及び意図することができ、米国特許法第１１２条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２）（ｆ）を引用することを意図することはない。
【0048】
本開示は、その思想又は本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態で具体的し得る。例えば、本明細書も記載の新しい構造のそれぞれは、それらの基本構成又は相互の構造的関係を保持しながら、又は本明細書に記載の同一又は類似の機能を実行しながら、特定の局所的変動又は要件に適合するように変更し得る。従って、本実施形態は、全ての点において例示的であり、限定的でないと見なされるべきである。従って、本開示の範囲は、上述した説明でなく、添付の特許請求の範囲によって確立されるべきである。従って、請求の範囲の同等性の意味と範囲内にある全ての変更は、そこに含まれることが意図される。また、請求の範囲の個々の要素は、十分に理解されていない日常的又は慣習的なものではない。代わりに、特許請求の範囲は、明細書に記載された型にはまらない発明の概念に向けられる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】