特許 7513417 鉄道車輪の形状測定装置及び鉄道車輪の形状測定方法

(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】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】鉄道車輪の形状測定装置及び鉄道車輪の形状測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20240702BHJP

   B61K 9/12 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 R

B61K9/12

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020071067

(22)【出願日】2020-04-10

(65)【公開番号】P2021167764

(43)【公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-02-01

(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】棚瀬 利勝

(72)【発明者】

【氏名】花井 勝祥

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１３１０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１２８４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８１２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１５２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／２４

Ｂ６１Ｋ ９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車輪のレールと接触する踏面への上下方向の広がりを有するレーザ光の照射によって、前記踏面を周方向に分割した複数の分割形状であって、前記複数の分割形状の各々は、所定の中心角の扇型における弧の部分に相当する、複数の分割形状を取得するように構成された取得部と、
前記複数の分割形状を２次元の極座標系又は直交座標系における点の集合データとして扱い、前記周方向の位置を表す基準軸に沿って、前記基準軸と直交する軸方向における前記複数の分割形状の平均値を平均形状として算出するように構成された第１算出部と、
前記基準軸に沿って、前記複数の分割形状の１つにおける点の位置と、前記平均形状における点の位置との差を真円度として算出するように構成された第２算出部であって、前記複数の分割形状の各々に対して前記真円度の算出を繰り返す、ように構成された第２算出部と、
を備える、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記取得部は、前記レールの長手方向に沿って互いに離間して配置されるように構成された複数の測定部を有し、
前記複数の測定部は、それぞれ、前記踏面に対し、前記レールの長手方向と、前記レールの幅方向とに交差する方向に前記レーザ光を照射するように構成される、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の鉄道車輪の形状測定装置であって、
前記複数の分割形状は、それぞれ、他の分割形状と重複する部分を有する、鉄道車輪の形状測定装置。

【請求項4】

鉄道車輪のレールと接触する踏面への上下方向の広がりを有するレーザ光の照射によって、前記踏面を周方向に分割した複数の分割形状であって、前記複数の分割形状の各々は、所定の中心角の扇型における弧の部分に相応する、複数の分割形状を取得する工程と、
前記複数の分割形状を２次元の極座標系又は直交座標系における点の集合データとして扱い、前記周方向の位置を表す基準軸に沿って、前記基準軸と直交する軸方向における前記複数の分割形状の平均値を平均形状として算出する工程と、
前記基準軸に沿って、前記複数の分割形状の１つにおける点の位置と、前記平均形状における点の位置との差を真円度として算出する工程と、
銭複数の分割形状の各々に対して、前記差を前記真円度として算出する工程を繰り返す工程と、
を備える、鉄道車輪の形状測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鉄道車輪の形状測定装置及び鉄道車輪の形状測定方法に関する。

【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。特に鉄道車輪は、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ため、周方向全体における踏面形状（つまり真円度）の把握が求められる。

【0003】

このような踏面の形状管理の方法として、レーザ光によって踏面の断面形状を測定する方法が考案されている（特許文献１参照）。この方法は、走行状態の鉄道車輪の測定が可能であるため、真円度測定のコスト及び労力が抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－１３１０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の方法では、断面形状を取得した回転方向の位相を特定することで、真円度を測定している。しかし、取得した複数の踏面の断面形状を繋ぎ合せることで真円度を算出するため、測定精度に改善の余地がある。

【0006】

本開示の一局面は、走行状態の鉄道車輪に対し踏面の真円度を精度よく測定できる鉄道車輪の形状測定装置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、鉄道車輪のレールと接触する踏面へのレーザ光の照射によって、踏面を周方向に分割した複数の分割形状を取得するように構成された取得部と、複数の分割形状と、複数の分割形状を平均した平均形状とから、踏面の真円度を算出するように構成された算出部と、を備える鉄道車輪の形状測定装置である。

【0008】

このような構成によれば、レーザ光によって取得した踏面の周方向の分割形状から真円度を算出することができるため、踏面の形状を取得する位相による影響が避けられる。そのため、走行中の鉄道車輪に対して精度よく踏面の真円度を測定できる。

【0009】

本開示の一態様では、取得部は、レールの長手方向に沿って互いに離間して配置されるように構成された複数の測定部を有してもよい。複数の測定部は、それぞれ、踏面に対し、レールの長手方向と、レールの幅方向とに交差する方向にレーザ光を照射するように構成されてもよい。このような構成によれば、取得部の設置が容易となるため、踏面の形状測定におけるコスト及び労力が抑制できる。

【0010】

本開示の一態様では、複数の分割形状は、それぞれ、他の分割形状と重複する部分を有してもよい。このような構成によれば、踏面の真円度の算出精度を向上させることができる。

【0011】

本開示の別の態様は、鉄道車輪のレールと接触する踏面へのレーザ光の照射によって、踏面を周方向に分割した複数の分割形状を取得する工程と、複数の分割形状と、複数の分割形状を平均した平均形状とから、踏面の真円度を算出する工程と、を備える鉄道車輪の形状測定方法である。

【0012】

このような構成によれば、レーザ光によって取得した踏面の周方向の分割形状から真円度を算出することができるため、走行中の鉄道車輪に対して精度よく踏面の真円度を測定できる。

【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2】図２は、鉄道車輪の中心軸を含む仮想面における模式的な部分断面図である。

【図3】図３は、図１の鉄道車輪の形状測定装置における複数の測定部の配置を示す模式的な側面図である。

【図4】図４は、図３の測定部と鉄道車輪との位置関係を示す模式的な正面図である。

【図5】図５は、図３の測定部と鉄道車輪との位置関係を示す模式的な平面図である。

【図6】図６Ａは、分割形状と平均形状との差を説明する模式図であり、図６Ｂは、真円度を説明する模式図である。

【図7】図７は、実施形態における鉄道車輪の形状測定方法のフロー図である。

【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．構成］
図１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。）１は、走行中の鉄道車輪の形状を測定するための装置である。形状測定装置１は、取得部２と、算出部３とを備える。

【0015】

＜取得部＞
取得部２は、図２に示す鉄道車輪１０１のレールと接触する踏面１０２Ａへのレーザ光の照射によって、踏面１０２Ａを周方向に分割した複数の分割形状を取得するように構成されている。

【0016】

鉄道車輪１０１は、円環状のリム部１０２と、リム部１０２の内側に配置された円盤状の板部１０３とを備える。リム部１０２は、踏面１０２Ａと、フランジ１０２Ｂとを有している。

【0017】

踏面１０２Ａは、鉄道車輪１０１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１０２の回転軸を含む仮想面における踏面１０２Ａの断面（つまり、回転軸を含む踏面１０２Ａの断面）は、鉄道車輪１０１の回転軸と概ね平行な方向、つまり鉄道車輪１０１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。

【0018】

フランジ１０２Ｂは、リム部１０２の周方向全体にわたって、踏面１０２Ａよりもリム部１０２の径方向外側に突出した円環状の部位である。フランジ１０２Ｂ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。

【0019】

取得部２は、複数の測定部２１を有する。複数の測定部２１は、図３に示すように、レールＲの長手方向（つまり鉄道車両の走行方向）に沿って互いに離間して配置されるように構成されている。

【0020】

測定部２１は、図４及び図５に示すように、踏面１０２Ａに向けてレーザ光を出射する投光部２１Ａと、踏面１０２Ａで反射したレーザ光を検出する受光部２１Ｂとを有するレーザ装置である。

【0021】

測定部２１は、踏面１０２Ａに対し、レールＲの長手方向と、レールＲの幅方向（つまり枕木方向）とに交差する方向にレーザ光を照射するように構成されている。また、測定部２１は、レールＲの幅方向外側に配置されている。つまり、測定部２１は、レールＲ上を走行する鉄道車両と上下方向に重ならない位置に配置されている。

【0022】

図３に示すように、測定部２１は、上下方向の拡がり角αを有するレーザ光を投光及び受光する。測定部２１は、鉄道車輪１０１が測定位置に到達した時点でレーザ光の照射を行う。鉄道車輪１０１の位置は、例えばレールＲの側方に配置したセンサ２１Ｃによって検知される。

【0023】

１つの測定部２１によって、踏面１０２Ａのうち中心角βの扇型における弧の部分が、踏面１０２Ａの分割形状として測定される。１つの測定部２１が測定する分割形状の中心角βの上限としては、９０°であり、７０°が好ましい。また、１つの測定部２１が測定する分割形状の中心角βの下限としては、５°であり、５０°が好ましい。

【0024】

中心角βが大きすぎると、レーザ光がレールＲ又は鉄道車両の車体に干渉するおそれや、測定される分割形状のひずみが大きくなるおそれがある。一方、中心角βが小さすぎると、真円度の算出精度が低下するおそれや、必要な測定部２１の数が多大となるおそれがある。

【0025】

取得部２は、複数の分割形状を組み合わせることで踏面１０２Ａの周方向全体の形状が得られる数の測定部２１を有するとよい。つまり、取得部２は、少なくとも３６０°を分割形状の中心角βで除した数の測定部２１を有するとよい。また、複数の測定部２１は、レールＲの長手方向において等間隔に配置されることが好ましい。

【0026】

複数の分割形状は、それぞれ、他の分割形状と重複する部分を有するとよい。例えば、測定される分割形状の中心角βがそれぞれ６０°である８つの測定部２１を取得部２が有すると、分割形状の周方向両端それぞれにおける中心角が７．５°の範囲が他の分割形状と重複する部分となる。このように複数の分割形状の一部を互いに重複させることより、踏面１０２Ａの真円度の算出精度を向上させることができる。

【0027】

なお、踏面１０２Ａの周方向において、複数の測定部２１によって測定されない１又は複数の非測定領域が存在してもよい。非測定領域の中心角の合計（つまり複数の非測定領域を足し合わせた領域の中心角）は、３０°以下が好ましい。

【0028】

＜算出部＞
算出部３は、取得部２が取得した複数の分割形状と、複数の分割形状を平均した平均形状とから、踏面１０２Ａの真円度を算出するように構成されている。算出部３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。

【0029】

具体的には、算出部３は、複数の分割形状を例えば２次元の極座標系又は直交座標系における点の集合データとして扱う。算出部３は、まず、踏面１０２Ａの周方向の位置を表す基準軸（例えばθ軸）に沿って、複数の分割形状における基準軸と直交する軸（例えばｒ軸）における平均値を算出することで、代表値としての平均形状を算出する。

【0030】

次に、算出部３は、図６Ａに示すように、基準軸（図６Ａではθ方向）に沿って１つの分割形状Ｐ１における点の位置（図６Ａではｒ値）と、平均形状Ｐ２における点の位置との差Ｄを真円度として算出する。

【0031】

算出部３は、この真円度の算出を複数の分割形状に対して繰り返すことで、図６Ｂに示すように、踏面１０２Ａの真円度を算出する。なお、図６Ｂの実線は複数の分割形状Ｐ１を周方向に連結して配置したものである。図６Ｂの破線は、平均形状Ｐ２を周方向に繰り返して配置したものである。

【0032】

また、算出部３は、物理的に測定された踏面１０２Ａの実測形状と、複数の分割形状との比較を行ってもよい。これにより、算出部３による真円度の算出精度の検証を行うことができる。

【0033】

［１－２．形状測定方法］
図７に示す鉄道車輪の形状測定方法は、取得工程Ｓ１０と、算出工程Ｓ２０とを備える。本実施形態の鉄道車輪の形状測定方法は、例えば図１の形状測定装置１を用いて実施できる。

【0034】

＜取得工程＞
本工程では、鉄道車輪１０１のレールと接触する踏面１０２へのレーザ光の照射によって、踏面１０２を周方向に分割した複数の分割形状を取得する。

【0035】

＜算出工程＞
本工程では、複数の分割形状と、複数の分割形状を平均した平均形状とから、踏面１０２の真円度を算出する。

【0036】

［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）レーザ光によって取得した踏面１０２Ａの周方向の分割形状から真円度を算出することができるため、踏面１０２Ａの形状を取得する位相による影響が避けられる。そのため、走行中の鉄道車輪１０１に対して精度よく踏面１０２Ａの真円度を測定できる。

【0037】

（１ｂ）従来の踏面１０２Ａの断面形状を用いた測定方法では、断面形状を取得する位相が制御できないため、測定装置に対し１つの車輪を複数回通過させる必要がある。これに対し、形状測定装置１では、少なくとも１度車輪が通過すれば真円度を算出できるため、必要な測定データを取得するまでの時間が短縮できる。つまり、連続的に踏面１０２Ａの周方向の形状を測定することができる。

【0038】

（１ｃ）複数の測定部２１が踏面１０２Ａに対し、レールの長手方向と、レールの幅方向とに交差する方向にレーザ光を照射することで、複数の測定部２１から構成される取得部２の設置が容易となる。そのため、踏面１０２Ａの形状測定のコスト及び労力が抑制できる。

【0039】

［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。

【0040】

（２ａ）上記実施形態の鉄道車輪の形状測定装置１において、上述した複数の測定部２１の配置はあくまで一例である。例えば、測定部２１は、レールの幅方向内側に配置されてもよい。

【0041】

（２ｂ）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】

【0042】

１…鉄道車輪の形状測定装置、２…取得部、３…算出部、２１…測定部、
２１Ａ…投光部、２１Ｂ…受光部、２１Ｃ…センサ、１０１…鉄道車輪、
１０２…リム部、１０２Ａ…踏面、１０２Ｂ…フランジ、１０３…板部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】