JP2010060529A - 台車走行試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】台車試験装置において、試験に要する時間を低減する。
【解決手段】台車走行試験装置１は、鉄道車両が走行するレールを模した軌条輪２と、この軌条輪上に載置され鉄道車両の一部を構成するとともに複数の車輪５ａを有する鉄道用台車５と、軌条輪を予め定めた試験用速度パターンにしたがって回転駆動する軌条輪駆動手段７と、この軌条輪の速度を制御する制御手段９とを備える。鉄道用台車の車輪の走行試験運転中の変化を検出可能な手段を付加した。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の走行を模擬試験する台車走行試験装置に係り、特に、鉄道車両が載置されるレールを軌条輪で模擬した台車走行試験装置に関する。

鉄道車両を長時間走行させると、鉄道用台車の車輪とレールの接触により鉄道用台車の車輪踏面が磨り減り、鉄道用台車の車輪が変化する。そして、鉄道車両ごとに備えられた鉄道用台車の車輪の変化の差が大きくなると、走行性能や乗心地の悪化につながる。この不具合の発生を防止するため、定期的に鉄道用台車の車輪径や輪重を測定し、各車輪の変化による車輪相互の差異が基準値内に収まるように、各車輪外径を削正している。

また、鉄道用台車の車輪径は、鉄道車両の走行距離を算出するのに必要なパラメータであるから、常に正確な値を求められている。そこで、特許文献１に示すように、テコ式車輪径測定装置を用いて車輪径を接触させながら自動測定していた。または、特許文献２に示す距離センサを用いて、非接触で自動測定していた。さらに、特許文献３、４に示すように、レールの途中に歪ゲージを取付けてレールに加わる荷重の変化から輪重の変化を検出していた。

特開２０００−２０３４２９号公報 特開２００１−８８５０３号公報 特開２００５−１５６２９８号公報 特開平１０−１８５６６６号公報

鉄道車輪の踏面はテーパ上に形成されているため、左右へのずれ等が生じやすい。そこで上記特許文献１に記載のものは、フランジ部を支持することにより左右の位置のずれを補正している。これにより、ずれがなく正確な位置で車輪径を測定することが可能になっている。しかしながらこの特許文献１に記載のものは、正確な位置で測定するようにするため、フランジ部で支持しているので、測定装置が大型化し高価になる。また、車輪の周方向に離散的にしか測定できない。

特許文献２に記載の車輪検査装置では、レールの内側と外側に２つのセンサーを取り付けて、車輪のフランジ厚さの変化を検査している。この特許文献２に記載のものでは、フランジ厚さを正確に計測するのには好適であるが、踏面を検査するものではなく車輪径の正確な計測については考慮されていない。

また、輪重を計測する特許文献３や４においては、１軸の輪重しか測定できず、全車輪を計測するためには順次測定位置を変えねばならず、測定に要する時間が多大になる。また軌道を形成しているレールにひずみ検出部や荷重検出器を取り付けるので、車両運行中の動的輪重を得るためには、数十〜数百kmに及ぶ長さのレールに沿って複数のひずみ検出部や荷重検出器を設置しなければならない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、鉄道用台車の車輪の変化を容易に測定することにある。また、鉄道用車両が備える複数の車輪の変化を短時間で測定して、たとえ偏減りがあっても容易に各車輪を修正して、鉄道車両の乗り心地を確保することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、鉄道車両が走行するレールを模した軌条輪と、この軌条輪上に載置され鉄道車両の一部を構成するとともに複数の車輪を有する鉄道用台車と、前記軌条輪を予め定めた試験用速度パターンにしたがって回転駆動する軌条輪駆動手段と、この軌条輪の速度を制御する制御手段とを備え、鉄道車両の走行試験を模擬する台車走行試験装置において、鉄道用台車の複数の車輪の少なくともいずれかの走行運転中の変化を検出する手段を備えたことにある。

そしてこの特徴において、複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の変化を検出する手段は、この車輪の径の変化を検出するものであってもよく、さらに複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の径の変化を検出する手段は、この車輪の回転数を計測する手段を有し、この回転数計測手段が計測した車輪の回転数と、軌条輪の予め定めた試験用速度パターンとから車輪の径の変化を検出するものであってもよい。

上記特徴において、複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の変化を検出する手段は、この車輪の輪重の変化を検出するものであってもよく、軌条輪を回転自在に軸受手段が支持しており、この軸受手段に荷重検出器を取り付け、輪重の変化を検出する手段はこの荷重検出器を含むものであってもよい。さらに、輪重の変化を検出する手段は、鉄道用台車が載置されていない状態で計測した荷重検出器の荷重と、鉄道用台車が軌条輪に載置された状態で計測した荷重とから輪重の変化を検出するものであってもよい。

本発明によれば、台車走行試験装置が台車が有する車輪の径の変化または輪重の変化を検出する手段を備えるので、容易に車輪の形状変化を検出できる。したがって、車輪偏減り時の修正が容易となり、鉄道車両の乗り心地を確保できる。

以下、本発明に係る台車走行試験装置の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、台車走行試験装置１をブロック図で示す。台車走行試験装置１は、一部図示を省略した装置建家６に形成した凹所部に配置されている。装置建家６の床面には、軌条輪ベース３が配置されている。軌条輪ベース３には、軸受手段１５が立設されている。図１で紙面垂直方向に間隔をおいて配置された一対の軸受手段１５間には、回転軸１５ａが配置されており、回転軸１５ａの両端部は、軸受手段１５を貫通している。軸受手段１５は、図１の紙面左右方向に少なくとも２個配置されており、回転軸１５ａも左右方向に２軸設けられている。各回転軸１５ａには、軌条輪２が一対ずつ取り付けられている。

軌条輪２は、鉄道車両のレールを無限軌道で模したものである。したがって、軌条輪２の幅方向の間隔（紙面に垂直方向の間隔）は、鉄道車両の車輪の間隔に対応する。このように構成した軌条輪部には、鉄道用台車５を１台搭載可能になっている。鉄道用台車５は、台車本体５ｂと、この台車本体５ｂの前後部に取り付けた車軸と、車軸の両端部に取り付けた車輪５ａとを有している。鉄道用台車５が有する各車輪５ａは、それぞれ軌条輪２上に載置される。そのため、軌条輪２の回転軸１５ａの前後方向間隔（図では左右方向間隔）は、鉄道用台車５の車軸間隔に調整されている。

台車５を軌条輪２に搭載して軌条輪２を駆動したときに、台車５が移動するのを防止するためおよび台車５に加わる荷重が実際の車両の走行中の荷重と同じになるよう、台車５の上部を装置建家６に立設した係止棒４ａに固定装置４を介して係止する。その際、台車５が係止棒４ａ回りに僅かに上下動可能なように、固定装置４と係止棒４ａの間には、すべり手段または回転手段４ｂが取付けられている。

軌条輪２の回転軸１５ａのそれぞれの一端側には、軌条輪電動機７が接続されており、軌条輪２を回転駆動する。軌条輪電動機７は、軌条輪電動機用コントローラ９に接続されている。軌条輪電動機７を回転駆動するために、図示しないメモリまたは外部記録媒体に保存された種々の速度パターンを指令する中央演算装置８（以下、ＣＰＵと称す）が設けられている。ＣＰＵ８から軌条輪電動機用コントローラ９に回転指令が出力されると、軌条輪２は指令された回転数で回転する。この指令の流れを、図１で実線の矢印で表す。

試験対象である鉄道用台車５毎に速度パターンを作成し、この作成された速度パターンにしたがって、軌条輪２を回転駆動する。回転指令の元となる運転パターンは、予めメモリまたは外部記録媒体に保存する。そして、試験条件に応じて、速度パターンを選択する。具体的には、軌条輪電動機用コントローラ９は、ＣＰＵ８から出力された速度指令に基づいて軌条輪電動機７の回転数を制御する。その際、軌条輪電動機７の回転方向は一方向としても良いし、正逆転方向であってもよい。

車輪５ａの回転数を検出するために、車輪５ａの回転に応じて発電する発電機１２を車輪５ａに接触させてもしくは車輪５ａの車軸に取付ける。この台車５の回転数を検出する速度発電機１２は、例えば、永久磁石からなる凸極回転子と、電気子巻線を有する固定子とを組み合わせて、回転子に与えられた回転数に比例した電圧を、固定子側から検出する発電機である。発電機１２の出力は、回転数演算手段１３により車輪５ａの回転数にＡ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）され、ＣＰＵ８に入力される。なお、発電機１２の出力電圧が鉄道用台車２の車輪５ａの回転数と比例関係にあるのに基づいて、回転数演算手段１３は車輪５ａの回転数を求める。

ここで、Ａ／Ｄ変換に際しては、例えば、発電機１２の出力である±１０Ｖ範囲の連続量（アナログ）から、４０９６段階（１２ｂｉｔＡ／Ｄ変換の場合）の離散値（ディジタル値）に変換する。一方、軌条輪２の近傍には、軌条輪２の１回転ごとに１パルスまたは複数パルスを発生するパルス発生器１０が配置されている。パルス発生器１０が発生したパルスは、軌条輪パルスとして、ＣＰＵ８に入力される。ＣＰＵ８および回転数演算手段１３への計測信号は、図１で破線で表されている。

本実施例に記載の台車試験装置１では、走行による車輪５ａの物理的変化を計測して、台車５の劣化を判断している。すなわち、車輪５ａの外径の変化または輪重の変化を計測している。車輪５ａの輪重の変化を計測する場合には、さらに、軌条輪ベース３と軸受手段１５との間に、軸受手段１５が有する軸受に加わる負荷を検出する荷重検出器１６を、各軸受手段１５に対応して設けている。荷重検出器１６の出力は、増幅器１７を介して、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／ディジタル変換器）１８に送られ、ディジタル信号に変換されてＣＰＵ８に入力される。

このように構成した本実施例に係る台車走行試験装置１では、上述したようにいくつかの速度パターンが図示しないメモリまたは外部記憶媒体に記憶されている。その一例を、図２に示す。横軸が時間ｔ（ｓ）、縦軸が速度Ｖ（ｋｍ／ｈ）の時間基準パターンである。時間軸ｔ（ｓ）は、加速領域（０〜ｔ１）、一定速領域（ｔ１〜ｔ２）および減速領域（ｔ２〜ｔ３）を有している。加速領域（０〜ｔ１）では、直線ｌ１で示すように、速度Ｖがゼロの状態から、加速度一定で増加する。一定速領域（ｔ１〜ｔ２）は、直線ｌ２で示すように、最高速度Ｖｍａｘに達した後であって、加速度をゼロにして最高速度Ｖｍａｘを保持している。減速領域（ｔ２〜ｔ３）では、直線ｌ３で示すように、保持された最高速度Ｖｍａｘから減速度一定で減速し、時間ｔ３で速度をゼロにする。この加減速および一定速運転中は、図示しないセンサを用いて、随時鉄道用台車５の振動等を計測する。

図２に示した速度パターンを用いて台車走行試験装置１を走行試験する例を、以下に説明する。なお、図２に示した制御パターンは、横軸を時間軸とし、縦軸を速度軸としているが、横軸を距離軸、縦軸を速度軸とした距離基準のパターンを用いて制御することもできる。速度パターンを用いた走行試験を、図３に示したフローチャートに基づいて制御する場合である。

図２に示す加速領域（０〜ｔ１）を試験するために、ＣＰＵ８から軌条輪電動機用コントローラ９に対して、加速パターンの速度指令が出力される（ステップ３１０）。軌条輪電動機７の回転数が加速パターンに制御され、軌条輪２が最高速度Ｖｍａｘまで直線的に加速される。鉄道用台車５の車輪５ａは、台車５の自重による荷重によりすべることなく軌条輪２と連れ回り、軌条輪２の加速パターンと同じパターンで加速され最高速度Ｖｍａｘに達する。

最高速度Ｖｍａｘに達したら、ステップ３２０に移って一定速領域（ｔ１〜ｔ２）の制御になる。軌条輪２の電動機７の回転数が一定速度Ｖｍａｘになるように、軌条輪電動機用コントローラ９にＣＰＵ８から速度指令が指令される。軌条輪電動機用コントローラ９は、軌条輪２の回転数が一定速度Ｖｍａｘになるように制御する。それとともに、鉄道用台車５の車輪５ａも一定速になる。

車輪５ａの車輪径の変化から鉄道車両の変化を検出する場合には、この一定速運転中に、鉄道用台車５の車輪５ａの回転数を、回転数演算手段１３が演算で求める（ステップ３３０）。求めた回転数を、Ａ（ｍｉｎ^−１）とする。軌条輪２は、上述したように、一定速となるように制御されている。鉄道用台車５の車輪５ａは、軌条輪２に連れ回っているから、その回転数は軌条輪２の回転数と一致している。この車輪５ａの回転速度を、Ｂ（ｋｍ／ｈ）とする。

上記回転数Ａおよび回転速度Ｂを用いて、鉄道用台車５の車輪５ａの径を求める（ステップ３４０）。具体的には、次の手順による。鉄道用台車５の車輪径をｄ（ｍ）とすると、（式１）の関係から、（式２）のように車輪径ｄが求まる（ステップ３４０）。

π×ｄ×Ａ＝（Ｂ×１０００）／６０ ………（式１）
ｄ＝（Ｂ×１０００）／（π×Ａ×６０） ………（式２）
ここで、（式１）は、鉄道用台車５の車輪５ａが、回転速度Ｂ（ｋｍ／ｈ）で１分間にＡ（ｍｉｎ^-１）回転して得られる移動距離を表している。

このようにして得られた車輪径が所定径以下に減少しているときに、鉄道用台車５の劣化と判定する。もしくは、所定距離移動したときの車輪径の変化から、鉄道用台車の耐久性等を判断する。または、鉄道用台車５の車輪の削正データの基準とする。

一定速度運転を開始してから所定時間Δｔ（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）経過したら、減速運転に移行する。軌条輪２が速度パターンに沿って減速するように、ＣＰＵ８から軌条輪電動機用コントローラ９に減速指令が指令される。軌条輪２の速度が減速する。鉄道用台車５の車輪５ａは、軌条輪２に連れ回り減速する。軌条輪２の速度がゼロとなり、試験を終了する。試験中は、図示していないセンサを用いて、走行時の鉄道用台車５の振動等を計測する。本実施例によれば、台車走行試験装置を稼動させながら、随時車輪径の変化を検出できるので、台車の変化の模擬試験を容易に実施できる。

次に車輪の変化を輪重から検出する場合について、図４を用いて説明する。輪重の検出には、荷重検出器１６の出力を用いる。本実施例は、車輪径を検出する場合と異なり、試験開始時には、台車走行試験装置１に鉄道用台車５を載置しない。荷重検出器１６を用いて、鉄道用台車５が載置されていない状態での荷重を計測する（ステップ４１０）。このとき荷重検出器１６が検出する荷重は、軌条輪２及び軸受１５の重量である。この状態は、無負荷状態である。荷重検出器１６が検出した荷重は、前述のように増幅およびＡ／Ｄ変換されて、ＣＰＵ８に送送信される。そして、図示しないメモリまたは外部記録媒体に保存される。

初期の無負荷状態の荷重を検出した後に、鉄道用台車５を台車走行試験装置１に搬入し固定装置４を用いて固定する（ステップ４２０）。台車走行試験装置１に試験用の鉄道用台車５が載置されたので、荷重検出器１６を用いて台車による荷重を測定する（ステップ４３０）。

測定した荷重を、増幅およびＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ８に入力する。（ステップ４４０）。初めに測定および記録した台車走行試験装置１の無負荷状態での荷重データと、鉄道用台車５を載置した状態での荷重データとの差から、鉄道用台車車輪５ａの輪重を求める。具体的には、鉄道用台車５を台車走行試験装置１に載置状態での荷重データと、台車走行試験装置１が無負荷状態での荷重データとの差を計算する。

本実施例によれば、鉄道用台車５の鉄道用台車車輪５ａの２軸分の輪重を一度に検出できる。なお、ステップ４１０において、台車走行試験装置１の無負荷状態での荷重データを０とすれば、ステップ４４０で得られる荷重データを鉄道用台車５の車輪５ａの輪重とみなすことができる。

上記説明においては、静止状態で輪重を測定する場合を例に取り説明したが、試験用速度パターンに沿って軌条輪２の速度を制御し、軌条輪２を回転駆動して鉄道用台車５の車輪５ａを連れ回しているときに、輪重を測定するようにしてもよい。この例を、図５を用いて、説明する。台車走行試験装置１を用いて、鉄道用台車車輪５ａの輪重を、走行試験時及び試験前後に計測する例である。

輪重の検出には、荷重検出器１６の出力を用いる。本実施例は、車輪径を検出する場合と異なり、試験開始時には、台車走行試験装置１に鉄道用台車５を載置しない。荷重検出器１６を用いて、鉄道用台車５が載置されていない状態での荷重を計測する（ステップ５１０）。このとき荷重検出器１６が検出する荷重は、軌条輪２及び軸受１５の重量である。この状態は、無負荷状態である。荷重検出器１６が検出した荷重は、前述のように増幅およびＡ／Ｄ変換されて、ＣＰＵ８に送送信される。そして、図示しないメモリまたは外部記録媒体に保存される。

初期の無負荷状態の荷重を検出した後に、鉄道用台車５を台車走行試験装置１に搬入し固定装置４を用いて固定する（ステップ５２０）。

台車走行試験装置１に試験用の鉄道用台車５が載置されたので、荷重検出器１６を用いて台車による荷重を測定する（ステップ５３０）。台車走行試験装置１を駆動して、車輪５ａを所期の走行パターンで所定時間もしくは所定回数繰り返し走行させる。このとき、荷重検出器１６を用いて、鉄道用台車５を載置した状態で走行時を模擬しながら、荷重を測定する（ステップ５４０）。

試験時間もしくは試験回数が経過したら、荷重検出器１６を用いて走行試験後の台車の荷重を測定する（ステップ５５０）。測定した荷重を、増幅およびＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ８に入力する（ステップ５６０）。初めに測定および記録した台車走行試験装置１の無負荷状態での荷重データと、鉄道用台車５を載置した状態での荷重データとの差から鉄道用台車車輪５ａの輪重を求める。具体的には鉄道用台車５載置状態での荷重データと台車走行試験装置１における無負荷状態での荷重データの差を計算する。

ステップ５４０で測定した荷重データを用いて、図４に示した実施例と同様にして輪重を計算すれば、走行試験中の時々刻々の輪重の変化を検出できる。また、ステップ５５０で測定した荷重データを用いて、図４に示した実施例と同様の方法で輪重を計算すれば、走行試験後の輪重が求められ、走行試験に起因する輪重の変化を検出できる。これらの演算により、台車の劣化等をより詳細に把握できる。

本発明に係る台車走行試験装置の一実施例の模式図である。 図１に示した台車走行試験装置で用いる速度パターンの一例を示す図である。 図１に示した台車走行試験装置を用いて鉄道用台車の車輪径を計測する一実施例のフローチャートである。 図１に示した台車走行試験装置を用いて鉄道用台車の輪重を計測する一実施例のフローチャートである。 図１に示した台車走行試験装置を用いて鉄道用台車の輪重を計測する他の実施例のフローチャートである。

符号の説明

１…台車走行試験装置、２…軌条輪、３…軌条輪ベース、４…固定装置、５…鉄道用台車、５ａ…鉄道用台車車輪、６…装置建屋、７…軌条輪電動機、８…ＣＰＵ、９…軌条輪電動機用コントローラ、１０…パルス発生器、１２…台車速度発電機、１３…回転数演算手段、１５…軸受、１６…荷重検出器、１７…増幅器、１８…Ａ／Ｄ変換器。

Claims (6)

1. 鉄道車両が走行するレールを模した軌条輪と、この軌条輪上に載置され鉄道車両の一部を構成するとともに複数の車輪を有する鉄道用台車と、前記軌条輪を予め定めた試験用速度パターンにしたがって回転駆動する軌条輪駆動手段と、この軌条輪の速度を制御する制御手段とを備え、鉄道車両の走行試験を模擬する台車走行試験装置において、前記鉄道用台車の複数の車輪の少なくともいずれかの走行試験運転中の変化を検出する手段を備えたことを特徴とする台車走行試験装置。
2. 前記複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の変化を検出する手段は、この車輪の径の変化を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の台車走行試験装置。
3. 前記複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の径の変化を検出する手段は、この車輪の回転数を計測する手段を有し、この回転数計測手段が計測した車輪の回転数と、軌条輪の予め定めた試験用速度パターンとから車輪の径の変化を検出することを特徴とする請求項２に記載の台車走行試験装置。
4. 前記複数の車輪の少なくともいずれかの車輪の変化を検出する手段は、この車輪の輪重の変化を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の台車走行試験装置。
5. 前記軌条輪を回転自在に軸受手段が支持しており、この軸受手段に荷重検出器を取り付け、前記輪重の変化を検出する手段はこの荷重検出器を含むことを特徴とする請求項４に記載の台車走行試験装置。
6. 前記輪重の変化を検出する手段は、鉄道用台車が載置されていない状態で計測した荷重検出器の荷重と、鉄道用台車が軌条輪に載置された状態で計測した荷重とから輪重の変化を検出することを特徴とする請求項５に記載の台車走行試験装置。

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