TW201425898A - 載荷測定方法及裝置、具備載荷測定裝置之鐵道車輛、以及載荷管理系統 - Google Patents

Abstract

一種載荷測定方法，其係測定自鐵道車輛之車輪作用於軌道之載荷者，根據作用於左右車輪間之車軸13之軸向力、及作用於車軸軸承之軸向載荷，而求出自左右車輪之各者作用於軌道之各橫壓。

Description

載荷測定方法及裝置、具備載荷測定裝置之鐵道車輛、以及載荷管理系統

本發明係關於一種測定鐵道車輛之車輪與軌道之間之載荷的載荷測定方法及裝置、具備載荷測定裝置之鐵道車輛、以及載荷管理系統。

於製造新車輛時及建設鐵道新線時，必須確認其安全性。又，作用於車輪與軌道之間的力之狀態會因其摩擦係數及軌道之狀態之變化等而自新車製造時或新線開業時起經時變化。因此，即便為營業線亦必須確認其安全性。

作為鐵道車輛之行駛安全性之評估方法之一，有使用脫軌係數之方法。所謂脫軌係數係使用作為作用於車輪與軌道之間之水平方向之力、換言之為沿車軸之方向之力的橫壓(Q)、及作為作用於車輪與軌道之間之垂直方向之力的輪重(P)，而以Q/P表示之值。如該式所示，由於該脫軌係數之大小成為行駛安全性評估之一個指標，故而進行輪重(P)及橫壓(Q)之計測。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2006-88967號公報

另一方面，於輪重及橫壓之計測時，先前需要於車輪貼附有特殊應變計之特殊輪軸即PQ輪軸，其製造及計測並不容易，且其製造及試驗成本亦為高額。進而，若使踏面煞車作動，則亦有因其產生之熱等因素而對測定值造成影響之問題。進而又，於採用有盤式煞車之情形時，上述特殊應變計之貼附變難而測定本身變得困難。即便於可進行測定之情形時，亦有測定值存在滯後，而無法準確地求出輪重及橫壓之問題。

於上述專利文獻1之技術中，藉由採用與車輪輪緣部對向地配置非接觸位移計之構成，而易於計測且可提高測定可靠性。然而，由於必須遍及全周無起伏地成形輪緣部，且需要微小值測定，故而必須使用非常高額之非接觸位移計，從而依然存在製造及成本方面之問題。

本發明係為了解決此種問題點而完成者，其目的在於提供一種易於計測、亦確保測定可靠性、且於製造及成本方面亦較先前優異之測定自車輪作用於軌道之載荷的載荷測定方法及裝置、具備載荷測定裝置之鐵道車輛、以及載荷管理系統。

為達成上述目的，本發明係以如下方式構成。

即，本發明之第1態樣之載荷測定方法之特徵在於：其係對於具備左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右一對軸承的鐵道車輛測定自上述各車輪作用於軌道之載荷者，且係測定作用於上述各軸承之各軸向載荷，測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力，根據上述所測定之上述各軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓。

又，本發明之第2態樣之載荷測定裝置之特徵在於：其係應用於具備左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右一對軸承的鐵道車輛，測定自上述各車輪作用於軌道之載荷 者，且具備：軸向載荷測定部，其測定作用於上述各軸承之軸向載荷；軸向力測定部，其測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力；及運算部，其根據所測定之上述軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓。

根據此種載荷測定方法及裝置，可藉由使用作用於輪軸之車軸之軸方向的軸向力及軸向載荷，而分別求出自左右之各車輪作用於軌道之橫壓。此處，軸向力及軸向載荷可使用通用之計測器並利用通常之輪軸進行測定，無需所謂PQ輪軸之類的特殊輪軸及測定器。因此，可謀求大幅度之成本降低，且亦無需耗費用於計測之特別之行駛試驗時間。又，即便使踏面煞車作動，亦不會出現因其產生之影響，而可進行穩定之測定，且即便於裝備有最新之中央緊固盤式煞車之情形時，亦可進行橫壓測定。

如此，根據第1態樣之載荷測定方法及第2態樣之載荷測定裝置，可提供一種易於計測、亦確保測定可靠性、且於製造及成本方面亦較先前優異之載荷測定裝置。

又，本發明之第3態樣之鐵道車輛之特徵在於：具備上述第2態樣之載荷測定裝置。

又，本發明之第4態樣之載荷管理系統之特徵在於：其係管理自包含左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右一對軸承的鐵道車輛之上述車輪作用於軌道之載荷者，且具備：軸向載荷測定部，其測定作用於上述各軸承之軸向載荷；軸向力測定部，其測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力；運算部，其根據所測定之上述軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓；記憶部，其儲存表示藉由上述運算部而求出之上述橫壓之橫壓資訊、及與上述所求出之橫壓對應之時間資訊、軌道資訊以及運行資訊中之至少一者；及分析部，其基於儲存在上述記憶部中之上 述各資訊，而獲取上述橫壓資訊之經時變化。

根據本發明，可提供一種易於計測、亦確保測定可靠性、且於製造及成本方面亦較先前優異之測定自車輪作用於軌道之載荷的載荷測定方法及裝置、具備載荷測定裝置之鐵道車輛、以及載荷管理系統。

11、12‧‧‧車輪

13‧‧‧車軸

13a‧‧‧軸方向

21、22‧‧‧車軸軸承

25‧‧‧軸箱

30‧‧‧台車架

31‧‧‧軸彈簧之上下方向

32‧‧‧支撐構件

33‧‧‧軸彈簧

50‧‧‧車體

102~104、109‧‧‧載荷測定裝置

110、115‧‧‧軸向力測定部

111、111-1、111-2‧‧‧軸向力感測器

112、116‧‧‧輸出部

120、125‧‧‧軸向載荷測定部

121‧‧‧左右位移檢測感測器

126‧‧‧左右位移檢測感測器

130、135‧‧‧徑向載荷測定部

131‧‧‧徑向載荷感測器

136‧‧‧上下位移檢測感測器

150‧‧‧運算部

151、156‧‧‧運算處理部

152‧‧‧記憶部

155‧‧‧運算部

160‧‧‧運算部

161‧‧‧轉換部

200‧‧‧鐵道車輛

300‧‧‧載荷管理系統

310‧‧‧處理裝置

311‧‧‧分析部

312‧‧‧記憶部

400‧‧‧鐵道管理系統

450‧‧‧軌道計測裝置

1211‧‧‧編碼器

1212a、1212b、1312a、1312b‧‧‧感測器

1311‧‧‧永久磁鐵

1161‧‧‧集電環

1162‧‧‧引線

Fa1、Fa2‧‧‧作用於車軸軸承之軸向載荷

Fp1、Fp2‧‧‧輪重

Fq1、Fq2‧‧‧橫壓

Fr1、Fr2‧‧‧作用於車軸軸承之徑向載荷

Lb‧‧‧自車輪/軌道之接觸點至車軸軸 承中心為止之距離

Lg‧‧‧車輪/軌道之接觸點間隔

Lw‧‧‧車輪半徑

S1~S3、S2-2、S3-2‧‧‧步驟

Wj‧‧‧作用於輪軸之重力

圖1係說明實施形態1之載荷測定方法之動作之流程圖。

圖2係說明於圖1所示之載荷測定方法中進而使用有徑向載荷之情形之動作的流程圖。

圖3係表示實施形態2之載荷測定裝置之構成之方塊圖。

圖4係表示實施形態3之載荷測定裝置之構成之方塊圖。

圖5係表示將實施形態2、3之載荷測定裝置設置於輪軸之狀態之圖。

圖6係表示圖5所示之A-A部之剖面，且表示軸向力感測器於車軸之設置位置之圖。

圖7係表示實施形態2、3之載荷測定裝置所具備之左右位移檢測感測器之構成例之圖。

圖8係表示實施形態3之載荷測定裝置所具備之徑向載荷感測器之構成例之圖。

圖9係表示實施形態4之載荷測定裝置之構成之方塊圖。

圖10係表示將實施形態4之載荷測定裝置設置於台車之狀態的車輛之側視圖。

圖11係表示將實施形態4之載荷測定裝置設置於台車之狀態的台車部分之平面圖。

圖12係表示實施形態5之載荷管理系統之構成之方塊圖。

圖13係表示實施形態6之鐵道管理系統之構成之方塊圖。

圖14係鐵道總研報告Vol.25,No.1,Jan.2011中之圖3。

對於作為實施形態之測定自鐵道車輛之車輪作用於軌道之載荷的載荷測定方法及裝置、具備該載荷測定裝置之鐵道車輛、以及具備此種鐵道車輛之載荷管理系統，一面參照圖一面於以下進行說明。再者，於各圖中，對於同一或相同之構成部分附上相同之符號。

實施形態1：首先，對實施形態1之上述載荷測定方法之基本觀點進行說明。

如上述專利文獻等中所揭示般，提出有鐵道車輛之車輪之輪重及橫壓之計測方法，另一方面亦報告有利用所測定之輪重及橫壓而推斷作用於輪軸之車軸軸承之載荷的論文(高橋等人，「利用有輪重、橫壓之作用於車軸軸承之載荷之推斷法」，鐵道總研報告，Vol.25,No.1,Jan.2011)。於該論文中，記載有以式表示輪重及橫壓與作用於車軸軸承之徑向載荷及軸向載荷之關係，且可根據輪重、橫壓值而算出作用於車軸軸承之徑向載荷、軸向載荷。

根據該揭示之關係式，預測可相反地藉由測定作用於車軸軸承之徑向載荷及軸向載荷而求出輪重值及橫壓值。實際上，關於輪重，可藉由自所揭示之式進行逆轉換，而求出左右之各車輪之輪重值。

另一方面，關於橫壓值，即便進行逆轉換，亦根據上述論文中之(6)、(7)式可知，僅可獲得作用於左右車輪之各者之橫壓之合計值。

其可根據如下內容而容易地予以理解：因作用於左右車輪之橫壓(Q)為輪軸內之內力，故不論如何測定作用於輪軸之外之力均無法獲得。

以下，對本實施形態之載荷測定方法之詳細情況進行說明。圖1 係載荷測定方法之流程圖，圖2係使用有徑向載荷之情形時之載荷測定方法之流程圖。

再者，圖14相當於上述論文之圖3，該圖14中所示之各記號之說明如上述論文中之記載般為如下。即，於圖14中表示作用於行駛之車輛之輪軸之各載荷，Fr為自台車架作用於車軸軸承之上下方向之載荷，相當於軸承之徑向載荷，Fa為自台車架作用於車軸軸承之左右方向之載荷，相當於軸承之軸向載荷，Fp為車輪自軌道受到之輪重之反作用力，Fq為車輪自軌道受到之橫壓之反作用力，Wj為作用於輪軸之重力(每一輪軸之簧下重量)，添附數字之1、2分別表示1位側、2位側，將圖之自上朝下設為正，將自左朝右(1位側→2位側)設為正，圖中之力全部以正方向之箭頭表示，Lg為車輪/軌道之接觸點間隔，Lb為自車輪/軌道之接觸點至車軸軸承中心為止之距離，Lw為車輪半徑。

又，以下記載上述論文中之上述(6)、(7)式、及下述(3)、(5)式。

(6)式：Fa1+Fa2=-(Fq1+Fq2)，(7)式：Fa1=Fa2=-(1/2)．(Fq1+Fq2)，(3)式：Fr1+Fr2+Wj+Fp1+Fp2=0，(5)式：-Lb．Fr1+(Lg+Lb)Fr2+Lw(Fa1+Fa2)+(1/2)．Lg．Wj+Lg．Fp2=0

若將上述論文之(6)式變形，則成為Fa1+Fq1=-(Fa2+Fq2)。即，可理解為輪軸之左側車輪與左側軸承之組之合力Fa1+Fq1、與輪軸之右側車輪與右側軸承之組之合力Fa2+Fq2通過車軸而相平衡。

另一方面，左側之合力Fa1+Fq1、及右側之合力Fa2+Fq2均為 沿車軸軸方向(上述左右方向)之力。因此，關於作用於車軸之軸方向之力(軸向力)，Fa1+Fq1與Fa2+Fq2相平衡。

即，於將作用於車軸之軸方向力(軸向力)設為Fa3時，成為：Fa1+Fq1=Fa3

Fa2+Fq2=Fa3

自各車輪作用於軌道之橫壓Fq1、Fq2可分別利用下述之「A」式而求出。

「A」式：Fq1=Fa3-Fa1、Fq2=Fa3-Fa2

因此，藉由作用於車軸之軸方向之力、即軸向力Fa3變得明確，可將Fq1與Fq2分開。藉此，可獲得自左右之各車輪作用於軌道之各橫壓。

如上所述，根據本實施形態之載荷測定方法，可使用藉由測定而獲得或已知之作用於車軸軸承之軸向載荷、及藉由測定而獲得或已知之作用於車軸之軸方向之軸向力，而分開獲得自左右之各車輪作用於軌道之橫壓。

然而，實際上不僅有上述軸向力作用於車軸，彎曲應力亦作用於車軸，故而為獲得上述軸向力，必須刪去彎曲應力成分。關於該方面將於之後進行敍述。

又，關於輪重Fp1、Fp2，只要求出各橫壓Fq1、Fq2，便可使用作用於各車軸軸承之徑向載荷Fr1、Fr2，藉由下述之「B」式進行倒算。即，「B」式：Fp2=(Lb/Lg)Fr1-{(Lg+Lb)/Lg}Fr2-{(Lw/Lg)(Fa1+Fa2)}-(1/2)Wj

Fp1=-(Fr1+Fr2+Wj+Fp2)

根據以上之算式，例如可基於圖1所示之流程圖而獲得各車輪之 橫壓。即，於步驟S1中，基於「A」式而獲得車軸之軸向力Fa3後，於步驟S2中，獲得作用於車軸軸承之軸向載荷Fa1、Fa2，最後於步驟S3中，根據軸向力Fa3及軸向載荷Fa1、Fa2而求出各車輪之橫壓Fq1、Fq2。

此處，車軸之軸向力及軸向載荷可為如上所述般藉由測定而獲取者，亦可為已知者。圖1所示且以上所述之步驟S1及步驟S2係為了方便圖示而附上先後者，其順序並無限定，又，亦可為同時。

又，根據以上之算式，例如可基於圖2所示之流程圖而獲得各車輪之輪重。即，於步驟S2-2中，獲得作用於車軸軸承之徑向載荷Fr1、Fr2，於步驟S3-2中，基於「B」式而求出各輪重Fp1、Fp2。

此處，徑向載荷可為藉由測定而獲取者，亦可為已知者。又，與圖1同樣地，步驟S1、步驟S2及步驟S2-2之順序並無限定而可為同時，且步驟S3與步驟S3-2之順序亦並無限定而可為同時。

由根據以上所獲得之橫壓值及輪重值，可獲得脫軌係數Fq1/Fp1、Fq2/Fp2。

再者，利用上述載荷測定方法而獲得之橫壓及輪重可藉由運算裝置等而求出，亦可由人進行計算而求出。

實施形態2：參照圖3、及圖5至圖7，對可執行上述載荷測定方法之載荷測定裝置進行說明。

圖3係表示可執行圖1所示之載荷測定方法之載荷測定裝置102之概略構成。載荷測定裝置102具備軸向力測定部110、軸向載荷測定部120、及運算部150。

軸向力測定部110係測定於左右車輪間之車軸13中作用於其軸方向(左右方向)13a之力(軸向力)之裝置，其具有軸向力感測器111及輸出部112。

軸向力感測器111可使用偵測車軸13之變形之例如應變計。此種軸向力感測器111係如圖5及圖6所示，可於左右之車輪11、12間之車軸13之軸方向13a之一部位，在車軸13之周面之對向位置之2點安裝一對。即，例如使用應變計作為軸向力感測器111，於車軸13之軸方向13a上之一部位，沿軸方向13a貼附第1應變計、即軸向力感測器111-1，於與該第1應變計相同之軸截面處沿周方向180度之位置上、且相對於軸截面中心為對稱之位置上，沿軸方向13a貼附第2應變計、即軸向力感測器111-2。

輸出部112可固定於車軸13，例如包含遙測儀，利用引線而與各軸向力感測器111連接，且利用無線將各軸向力感測器111之輸出資料發送至運算部150。

軸向載荷測定部120係測定於左右之車軸軸承21、22(圖5)中作用於車軸13之軸方向13a之軸向載荷之裝置，其具有左右位移檢測感測器121。於圖5中，表示在各車軸軸承21、22部分分別設置有軸向載荷測定部120之構成。再者，圖5由本實施形態2與以下所記載之實施形態3所共用，於本實施形態2中，成為去除徑向載荷測定部130之圖示之構成。

作為左右位移檢測感測器121之構成，可採用各種已知之構成。此處，例如圖7所示，左右位移檢測感測器121具有永久磁鐵製之編碼器1211、及一對感測器1212a、1212b。概括而言，編碼器1211係於車軸軸承21、22部分，遍及車軸13之周面全周呈環狀延伸，與車軸13一併沿繞軸之方向旋轉。一對感測器1212a、1212b係與編碼器1211對向地沿軸方向13a並排設置，且固定於車軸軸承21、22部分。各感測器1212a、1212b連接於運算部150。

運算部150係如上所述般利用無線而與軸向力測定部110連接，利用引線而與軸向載荷測定部120連接，且設置於鐵道車輛之車體。此 種運算部150係根據軸向力及軸向載荷而分開求出自左右車輪11、12之各者作用於軌道之各橫壓之裝置，其具有運算處理部151及記憶部152。

運算部150中之運算處理部151係求出上述之軸向力及軸向載荷，進而求出各橫壓。

即，關於上述之軸向力，運算處理部151係從自軸向力測定部110供給之各軸向力感測器111-1、111-2之輸出資料即車軸13之一對應變資料中，刪去作用於車軸13之彎曲應力成分，而求出軸方向13a之軸向力。

詳細而言，自設置於車軸13之周面之1個應變計係輸出包含「因軸向力而引起之應變」、及「車軸13之因彎曲力矩而引起之應變」之值。另一方面，車軸13係向鉛垂方向彎曲。因此，於如上所述般將一對應變計貼附於同一截面之周面上之直徑方向之對向位置，並將2根應變計線串聯接線之情形時，運算處理部151可使用各應變計之輸出而抵消車軸13之因彎曲力矩而引起之應變。即，車軸13之「因彎曲力矩而引起之應變」輸出為車軸13之旋轉頻率之正弦波。因此，藉由在直徑方向之對向位置貼附一對應變計，而自各應變計輸出相同頻率且相同振幅之正弦波、且為相位相反之正弦波。因此，可藉由將該等相加，而刪去「因彎曲力矩而引起之應變」成分。

又，亦可為於直徑方向之對向位置貼附一對應變計，且不使其等串聯接線，由運算處理部151取入各者之輸出資料，並進行數位性地刪去「因彎曲力矩而引起之應變」之資料處理。

關於軸向載荷，求出一對感測器1212a、1212b之各輸出信號之差，根據該差之變化量與軸向載荷之大小之關係而求出車軸軸承21、22之軸向載荷。再者，上述差之變化量與軸向載荷之大小之關係係根據預先計測所得之計測值資料而求出，或藉由運算而求出。

繼而，運算處理部151係使用上述「A」式，根據所求出之軸向力及軸向載荷而求出各車輪11、12作用於軌道之各橫壓。

此種運算處理部151實際上係使用電腦而實現，其包括與上述之動作、功能對應之軟體、以及用以執行該軟體之CPU(中央運算處理裝置)及記憶體等硬體。因此，各橫壓值係於運算處理部151中，根據軸向力及軸向載荷值藉由計算而求出，或依照程式而求出。

記憶部152係將於運算處理部151中以上述方式求出之各橫壓值、與時間資訊、進而軌道資訊、運行資訊等一併儲存。因此，不僅可於檢查時儲存各橫壓值，於營業運行時亦可始終儲存各橫壓值。

根據如以上所說明般構成之載荷測定裝置102，可分開檢測左右之各車輪11、12之各者作用於軌道之橫壓。根據此種載荷測定裝置102，可提供一種易於計測、亦確保測定可靠性、且於製造及成本方面亦較先前優異之載荷測定裝置。尤其，無需如先前般使用在車輪貼附有特殊應變計之所謂PQ輪軸，而可使用通用之計測器，故而1.易於計測且可大幅度地降低橫壓測定成本；2.即便於行駛中使踏面煞車作動亦不會出現因其產生之影響，可實現穩定之測定；3.可使用通常之營業車輛之輪軸進行橫壓之測定，且可大幅度地縮短行駛試驗時間；4.即便於裝備有盤式煞車(例如中央緊固盤式煞車等)之情形時，亦可實現橫壓測定。

又，於本實施形態中，如圖5所示，採用於左右之車軸軸承21、22之兩者設置有軸向載荷測定部120之構成，但並不限定於該構成。即，於已知兩者之軸向載荷測定部120之各軸向載荷值相同之情形時，亦可將軸向載荷測定部120僅設置於左右任意一個車軸軸承。

實施形態3：上述實施形態2之載荷測定裝置102具備軸向力測定部110及軸向載荷測定部120，且僅求出左右之各車輪11、12之各橫壓。如已經敍 述般本實施形態3之載荷測定裝置係藉由進而獲取徑向載荷，而不僅求出橫壓亦求出車輪11、12之各輪重者。

即，如圖4、圖5及圖8所示，本實施形態3之載荷測定裝置103具有於實施形態2之載荷測定裝置102之構成中進而加上徑向載荷測定部130的構成。因此，以下主要對徑向載荷測定部130進行說明。

又，伴隨徑向載荷測定部130之追加，針對上述運算部150，於本實施形態3之載荷測定裝置103中係設為運算部155。運算部155具有運算處理部156及記憶部152，且除使用上述之軸向力及軸向載荷以外亦使用徑向載荷，而求出自左右車輪11、12之各者作用於軌道之各橫壓、及各輪重。

徑向載荷測定部130係測定於車軸軸承21、22(圖5)中作用於車軸13之上下方向31、即與軸方向13a成直角之方向中之重力方向的徑向載荷之裝置，其具有徑向載荷感測器131。於圖5中，表示於各車軸軸承21、22部分分別設置有徑向載荷測定部130之構成。

作為徑向載荷感測器131之構成，可採用各種已知之構成。此處，徑向載荷感測器131具有例如圖8所示之永久磁鐵1311、及一對感測器1312a、1312b。概括而言，永久磁鐵1311係分別安裝於包含車軸軸承21、22之各軸箱25之外表面。一對感測器1312a、1312b係與永久磁鐵1311對向地沿上下方向31並排設置，且固定於相對於軸箱25為不動之支撐構件32。

如此構成之載荷測定裝置103中之運算部155、尤其是運算處理部156係進行如下所述之運算。

與上述之運算部150同樣地，根據上述之軸向力及軸向載荷而求出各車輪11、12之橫壓。

進而，關於徑向載荷，自一對感測器1312a、1312b之各輸出信號求出其等之差，根據該差之變化量與徑向載荷之大小之關係，而求出 車軸軸承21、22之徑向載荷。再者，上述差之變化量與徑向載荷之大小之關係係根據預先計測所得之計測值資料而求出，或藉由運算而求出。

繼而，運算處理部156係根據所求出之各橫壓及各徑向載荷，使用上述「B」式而分別求出各車輪11、12之輪重。再者，「B」式中所包含之用以求出輪重所必需之自車輪/軌道之接觸點至車軸軸承中心為止之距離Lb、及車輪/軌道之接觸點間隔Lg等項目之值係預先輸入至運算處理部156。

如此，運算部155求出各車輪11、12之橫壓(Q)及輪重(P)，故亦可根據該等進而求出脫軌係數(Q/P)。

以此種方式求出之橫壓及輪重、以及脫軌係數不僅於檢查時記憶於運算部155之記憶部152中，於營業運行時亦始終記憶於運算部155之記憶部152中。

以上所說明之載荷測定裝置103亦與載荷測定裝置102同樣地，可發揮易於計測且確保測定可靠性，並且於製造及成本方面亦較先前優異之效果。進而，載荷測定裝置103可求出各車輪11、12之輪重，進而可求出脫軌係數，且可大幅度地縮短行駛試驗時間，從而可更容易地進行行駛安全性之評估。

再者，如圖5所示，於本實施形態之載荷測定裝置103中，亦採用於左右之車軸軸承21、22之兩者設置有軸向載荷測定部120及徑向載荷測定部130之構成，但於已知左右之軸向載荷值及徑向載荷值相同之情形時，亦可將軸向載荷測定部120及徑向載荷測定部130僅設置於左右任意一個車軸軸承。

實施形態4：上述各載荷測定裝置102、103係採用如下之構成：於車軸軸承21、22部分設置軸向載荷測定部120及徑向載荷測定部130，且經由遙 測儀傳送作用於車軸13之軸向力。然而，載荷測定裝置之構成當然不限定於該等。於本實施形態4之載荷測定裝置中，表示其變化例之一例。

即，如圖9至圖11所示，本實施形態4之載荷測定裝置104具備軸向力測定部115、軸向載荷測定部125、徑向載荷測定部135、及運算部160。

軸向力測定部115係與上述之軸向力測定部110同樣地，為測定於車軸13中作用於其軸方向13a之力之裝置，且例如具有作為應變計之上述之軸向力感測器111、及輸出部116。於本載荷測定裝置104中，如圖11所示，輸出部116例如使用集電環1161。軸向力感測器111與集電環1161係利用引線1162而連接，引線1162係穿過設置於車輪11及車軸13之引線孔內而被引導至集電環1161。輸出部116係與設置於車體50(圖10)之運算部160接線。

軸向載荷測定部125係測定車軸軸承21、22之例如各軸箱25之於軸方向13a之位移量作為向軸向載荷轉換用之資訊的裝置，其具有左右位移檢測感測器126。作為左右位移檢測感測器126，例如可使用近接感測器，且與軸箱25對向地安裝於固定在台車架30之支撐構件32上。再者，於圖11中，為僅對一軸箱25設置有軸向載荷測定部125之圖示，但通常對應於軸方向13a上之兩側之軸箱25而設置。於已知左右之測定值相同之情形時，亦可僅設置於單側。

此種軸向載荷測定部125係與設置於車體50之運算部160接線。

徑向載荷測定部135係測定車軸軸承21、22之各軸箱25之軸彈簧33之於上下方向31之位移量作為向徑向載荷轉換用之資訊的裝置，其具有上下位移檢測感測器136。上下位移檢測感測器136係藉由測定台車架30與軸箱25之間之相對上下位移，而獲取軸彈簧33之上下位移者，可應用各種感測器。例如對於上下位移檢測感測器136，亦可使 用可非接觸地進行測定之磁應變式線性感測器、或差動變壓器式線性感測器、磁式線性標度尺等線性位移感測器。又，亦可使用槓桿機構，將軸彈簧33之上下位移轉換為軸之旋轉位移，並檢測旋轉編碼器(解析器)之旋轉角，將其換算為上下位移量。再者，上下位移檢測感測器136通常對應於軸方向13a上之兩側之軸箱25之軸彈簧33而設置。於已知左右之測定值相同之情形時，亦可僅設置於單側。

此種徑向載荷測定部135係與設置於車體50之運算部160接線。

運算部160係根據自軸向力測定部115供給之作用於車軸13之應變資料、自軸向載荷測定部125供給之軸箱25之於軸方向13a之位移量資料、及自徑向載荷測定部135供給之軸彈簧33之於上下方向31之位移量資料，而求出自左右車輪11、12之各者作用於軌道之各橫壓及各輪重的裝置，其具有運算處理部156、記憶部152、及轉換部161。

轉換部161係分別將軸方向13a之位移量資料轉換為軸向載荷，將上下方向31之位移量資料轉換為徑向載荷。即，轉換部161係例如預先計測軸箱左右位移量與軸向載荷值之關係且以例如表格形態予以儲存，藉此將自軸向載荷測定部125供給之軸方向13a之位移量資料轉換為軸向載荷。或者，亦可藉由轉換部161具有運算式Fa1=g(y)，此處，y：軸箱左右位移量、g( )：軸箱之左右特性之函數，而根據該式算出軸向載荷。關於徑向載荷，亦同樣地預先計測軸彈簧上下位移量與徑向載荷值之關係且以例如表格形態予以儲存，藉此將自徑向載荷測定部135供給之上下方向31之位移量資料轉換為徑向載荷。或者，亦可藉由轉換部161具有運算式Fr1=f(z)，此處，z：軸彈簧上下位移量、f( )：軸箱之上下特性之函數，而根據該式算出徑向載荷。

運算部160亦與運算部150相同，如已說明般使用電腦而實現。因此，轉換部161之上述動作、功能係藉由對應之軟體而執行。

運算處理部156係與實施形態3之運算處理部156、詳細而言為實 施形態2之運算處理部151同樣地，根據自軸向力測定部115供給之作用於車軸13之應變資料而求出車軸13之軸方向13a之軸向力。進而，運算處理部156係使用藉由轉換部161之轉換作動而分別求出之軸向載荷及徑向載荷，如已說明般求出自左右車輪11、12之各者作用於軌道之各橫壓(Q)及各輪重(P)。又，進而亦可求出脫軌係數(Q/P)。

記憶部152係將利用運算處理部156而求出之各橫壓值及各輪重值、與時間資訊、進而軌道資訊、運行資訊等一併儲存。因此，不僅於檢查時可儲存各橫壓值及各輪重值，於營業運行時亦可始終儲存各橫壓值及各輪重值。又，亦可儲存脫軌係數。

如以上所說明般構成之載荷測定裝置104亦與載荷測定裝置102、103同樣地，可發揮易於計測，亦確保測定可靠性，且於製造及成本方面亦較先前優異之效果。

亦可製作將各實施形態2~4中所說明之載荷測定裝置102~104中之構成、進而先前之所謂PQ輪軸之構成分別適當組合而成之新構成的載荷測定裝置(為了方便說明，編號成109)。再者，於與先前之PQ輪軸組合之情形時，至少於橫壓獲取時使用載荷測定裝置102等之構成。

作為此種組合構成，例如亦可製作以如下方式構成之載荷測定裝置：關於徑向載荷係根據實施形態4之載荷測定裝置104中所說明之軸彈簧之上下位移量，藉由換算而求出，另一方面，關於軸向載荷係使用實施形態2之載荷測定裝置102中所說明之軸承內置型之左右位移檢測感測器121而求出。或者又，亦能以如下方式構成：關於輪重係利用先前之PQ輪軸之測定法進行測定，且使用實施形態2等中所說明之構成僅求出橫壓。

又，如上述說明中所記載般，可構成具備實施形態2~4中所說明之各載荷測定裝置102~104、或上述載荷測定裝置109中之任一者 之鐵道車輛200(例如圖10)。根據此種鐵道車輛200，於裝備載荷測定裝置102~104中之任一者之情形時，如已說明般可確保計測之容易性及測定可靠性，並且對於通常之營業車輛至少可進行橫壓計測，且與先前相比可大幅度地削減試驗時間及成本。

再者，具備此種載荷測定裝置之鐵道車輛200只要於一編組內至少設置一輛即可。

實施形態5：於圖12中表示如下之載荷管理系統300之方塊圖，其具備裝備有上述之載荷測定裝置102~104、109之鐵道車輛200、及處理裝置310，且經時管理作用於車輪與軌道之間之力之狀態的變化。此處，處理裝置310具有分析部311及記憶部312。記憶部312係儲存橫壓值或輪重值、脫軌係數，但亦可儲存軸向載荷或徑向載荷。又，該等各值係與時間資訊或軌道資訊、運行資訊等建立關聯而儲存。分析部311係一併獲取載荷測定裝置102等所具備之記憶部152所儲存之至少橫壓值、進而輪重值及脫軌係數，與時間資訊、進而軌道資訊、運行資訊等。再者，分析部311與記憶部152間之資訊傳遞方法既可為有線，亦可為無線。

車輪與軌道間之力狀態會因其摩擦係數、軌道之狀態之變化、氣溫等環境因素等，而自新車製造時及新線開業時經時變化。因此，藉由在營業線中，亦始終或定期地至少檢查橫壓值，能以更高水平確保鐵道車輛運行之安全性。

因此，分析部311係至少監視橫壓值之經時變化，例如於橫壓值超過設定值之情形時輸出表示異常之異常信號。又或者，分析部311係對鐵道事業者之指令所等，通知關於軌道及車輛中之至少一者之修繕之必要性。記憶部312係儲存此種分析部311之分析結果。

如此，載荷管理系統300係於具備載荷測定裝置102~104之情形 時，不使用如所謂PQ輪軸般之特殊之計測用輪軸，而將一般之計測器設置於普通車輛，藉此，至少可有助於如上所述之安全性確保。進而又，載荷管理系統300係將橫壓值、輪重及脫軌係數中之至少一者與軌道資訊結合地進行分析，藉此，例如亦可提供於研究對象區間中可否加速等之判斷基準。

實施形態6：圖13係實施形態6之鐵道管理系統400之方塊圖。鐵道管理系統400為與實施形態5之載荷管理系統300大致相同之構成，但於進而具有軌道計測裝置450之方面有所不同。以下，以與實施形態5之載荷管理系統300不同之方面為中心進行說明。

軌道計測裝置450係自沿本軌道行駛之測定車輛，測定本軌道及鄰接軌道之各位置而測定軌道間隔之裝置，可應用已知之構成。

分析部311係於自鐵道車輛200之載荷測定裝置102~104、109輸出之橫壓值超過預先規定之設定值、且自軌道計測裝置450輸出之軌道間隔超過預先規定之設定值之情形時，判斷為於軌道側存在異常，並輸出軌道異常信號。進而，分析部311係基於軌道異常信號而算出鐵道車輛可安全行駛之速度，並對本車及後續之鐵道車輛輸出減速指示。

另一方面，分析部311係於橫壓值超過設定值且軌道間隔為設定值以下之情形時，判斷為於鐵道車輛側存在異常，並輸出車輛異常信號。進而，分析部311係基於車輛異常信號而判斷可否繼續行駛，若可繼續行駛則輸出減速指示以便成為可安全地行駛之速度，或者，若無法繼續行駛則輸出停止指示。再者，亦可對鐵道事業者之指令所等通知該等檢測信號或減速指示、修繕之通知等。

如此，鐵道管理系統400因進而具備軌道計測裝置450，故可確保更高之安全性，並且可緩和運行時刻表之混亂。又，可及早地判斷 是否需要修繕軌道或鐵道車輛中之任一者。

再者，藉由適當組合上述各種實施形態中之任意之實施形態，可發揮各自所具有之效果。

對於本發明，一面參照隨附圖式一面聯繫較佳之實施形態充分地進行了記載，但對熟悉該技術之人而言明顯可知可進行各種變化或修正。應當理解為此種變化或修正只要不脫離由隨附之申請專利範圍所規定之本發明之範圍內，便包含於本發明之範圍中。

又，於2012年9月11日提出申請之日本專利申請編號特願2012-199724號之說明書、圖式、申請專利範圍、及摘要之揭示內容之全部係以參考之形式編入至本說明書中。

[產業上之可利用性]

本發明可應用於測定鐵道車輛之車輪與軌道之間之作用力的載荷測定方法及裝置、具備該載荷測定裝置之鐵道車輛、以及具備此種鐵道車輛之載荷管理系統。

S1~S3‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種載荷測定方法，其特徵在於：其係對於具備左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右一對軸承的鐵道車輛測定自上述各車輪作用於軌道之載荷者，且係測定作用於上述各軸承之各軸向載荷，測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力，根據上述所測定之上述各軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓。
2. 如請求項1之載荷測定方法，其中上述各橫壓係根據以下之式(1)、(2)而算出：Fq1=Fa3-Fa1…(1) Fq2=Fa3-Fa2…(2)此處，Fq1為一車輪之橫壓、Fq2為另一車輪之橫壓、Fa1為作用於一軸承之軸向載荷、Fa2為作用於另一軸承之軸向載荷、Fa3為上述軸向力。
3. 一種載荷測定裝置，其特徵在於：其係應用於具備左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右一對軸承的鐵道車輛，測定自上述各車輪作用於軌道之載荷者，且具備：軸向載荷測定部，其測定作用於上述各軸承之軸向載荷；軸向力測定部，其測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力；及運算部，其根據所測定之上述軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓。
4. 如請求項3之載荷測定裝置，其中上述軸向力測定部包含應變計，該應變計係於上述左右車輪之間設置於上述車軸，測定上述軸向力。
5. 如請求項3或4之載荷測定裝置，其係可應用於進而具備收納上述軸承之軸箱之鐵道車輛者，且上述軸向載荷測定部包含左右位移檢測感測器，該左右位移檢測感測器係檢測上述軸箱中之上述車軸之於軸方向之位移、或上述軸箱相對於台車架之於上述軸方向之位移，上述運算部係將經上述左右位移檢測感測器檢測出之值轉換為上述各軸向載荷。
6. 如請求項3至5中任一項之載荷測定裝置，其進而具備徑向載荷測定部，該徑向載荷測定部係設置於台車架或上述軸承，測定作用於上述軸承之徑向載荷，上述運算部係根據上述所測定之徑向載荷，進而求出自上述各車輪作用於上述軌道之各輪重。
7. 如請求項3至6中任一項之載荷測定裝置，其係可應用於進而具備收納上述軸承之軸箱、及設置於該軸箱與台車架之間之軸彈簧的鐵道車輛者，且上述徑向載荷測定部包含檢測上述軸彈簧之上下位移之上下位移檢測感測器，上述運算部係將經上述上下位移檢測感測器檢測出之值轉換為上述各輪重。
8. 一種鐵道車輛，其特徵在於：具備如請求項3至7中任一項之載荷測定裝置。
9. 一種載荷管理系統，其特徵在於：其係管理自包含左右一對車輪、支撐上述車輪之車軸、及旋轉自如地支撐上述車軸之左右 一對軸承的鐵道車輛之上述車輪作用於軌道之載荷者，且具備：軸向載荷測定部，其測定作用於上述各軸承之軸向載荷；軸向力測定部，其測定作用於上述車軸之軸方向之軸向力；運算部，其根據所測定之上述軸向載荷及上述軸向力，而求出自上述各車輪作用於軌道之各橫壓；記憶部，其儲存表示藉由上述運算部而求出之上述橫壓之橫壓資訊、及與上述所求出之橫壓對應之時間資訊、軌道資訊以及運行資訊中之至少一者；及分析部，其基於儲存在上述記憶部中之上述各資訊，而獲取上述橫壓資訊之經時變化。
10. 如請求項9之載荷管理系統，其進而具備徑向載荷測定部，該徑向載荷測定部係設置於台車架或上述軸承，測定作用於上述軸承之徑向載荷，上述運算部係根據上述所測定之徑向載荷，進而求出自上述各車輪作用於上述軌道之各輪重，上述記憶部係記憶表示藉由上述運算部而求出之上述輪重之輪重資訊、及與上述所求出之輪重對應之時間資訊、軌道資訊以及運行資訊中之至少一者，上述分析部係基於儲存在上述記憶部中之上述各資訊，而獲取上述輪重資訊之經時變化。