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【発明の名称】 線路用の応力観測システム
【発明者】 【氏名】ハロルド・ハリソン

【要約】 【課題】レール応力観測システムを提供すること。

【解決手段】同システムは、ある長さのレール上に直接設置可能になされた検出デバイスをさらに備える検出器モジュールを備える。検出デバイスは、概して平坦な金属シムと、シムの片面に設けられる少なくとも1つの、典型的には2つまたはそれ以上の検出器とをさらに備える。典型的には、検出器はひずみ計であり、これらはある特定の所定の配向でシム上に設けられる。少なくとも1つのデータ取得モジュールが、検出デバイスと電気的に通信し、データ処理モジュールが、データ取得モジュールにより収集された情報を受信し処理する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)検出器モジュールであって、
(I)ある長さのレール上に直接設置可能なようになされ、その上に設置された少なくとも1つの検出器を有する実質的に平坦なシムをさらに備える少なくとも1つの検出デバイスと、
(II)前記少なくとも1つの検出デバイスと通信する少なくとも1つのデータ取得モジュールと
を備える検出器モジュールと、
(b)レール応力を測定するために、前記少なくとも1つのデータ取得モジュールにより収集された情報を受信し処理するデータ処理モジュールと
を備える、レール応力を観測するためのシステム。
【請求項2】
前記データ処理モジュールへ情報を伝送するための前記少なくとも1つのデータ取得モジュールと通信する伝送手段をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
その上に検出デバイスが設けられてよい少なくとも1つのある長さのレールをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項4】
前記検出器モジュールは、前記少なくとも1つの検出デバイスおよび前記少なくとも1つのデータ取得モジュールを密閉するための保護ハウジングをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項5】
前記検出器モジュールは、内蔵型の電源をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項6】
前記少なくとも1つの検出デバイスは保護カバーをさらに備え、前記保護カバーは、前記少なくとも1つの検出器を取り囲む表面上に配設される、請求項1に記載のシステム。
【請求項7】
前記シムは、長さが約2.54cm(1インチ)、幅が約1.27cm(0.5インチ)であり、金属箔をさらに含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項8】
前記少なくとも1つの検出器は、ひずみ計および温度検出器の少なくとも一方である、請求項1に記載のシステム。
【請求項9】
前記データ処理モジュールは、手持ち式の読取り器および手持ち式のデータ処理装置をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項10】
前記手持ち式の読取り器および前記手持ち式のデータ処理装置は、単一の手持ち式ユニット内に組み込まれる、請求項9に記載のシステム。
【請求項11】
検出器モジュールを備えるレール応力を観測するための装置であって、前記検出器モジュールは、少なくとも1つの検出デバイスをさらに有し、前記少なくとも1つの検出デバイスは、ある長さのレールの上に直接設置可能であり、実質的に平坦なシムと、杉綾模様配列で前記シムの片面に設けられた少なくとも2つの検出器とをさらに有し、少なくとも1つのデータ取得モジュールと通信するようになされ、前記少なくとも1つのデータ取得モジュールは、データ処理モジュールと通信するようになされる、レール応力を観測するための装置。
【請求項12】
前記データ処理モジュールへ情報を伝送するための前記少なくとも1つのデータ取得モジュールと通信する伝送手段をさらに備える、請求項11に記載の装置。
【請求項13】
前記検出器モジュールは、前記少なくとも1つの検出デバイスおよび前記少なくとも1つのデータ取得モジュールを密閉するための保護ハウジングをさらに備える、請求項11に記載の装置。
【請求項14】
前記検出器モジュールは、内蔵型の電源をさらに備える、請求項11に記載の装置。
【請求項15】
前記少なくとも1つの検出デバイスは保護カバーをさらに備え、前記保護カバーは、前記少なくとも1つの検出器を取り囲む表面上に配設される、請求項11に記載の装置。
【請求項16】
前記シムは、長さが約2.54cm(1インチ)、幅が約1.27cm(0.5インチ)であり、金属箔をさらに含む、請求項11に記載の装置。
【請求項17】
前記少なくとも2つの検出器はひずみ計である、請求項11に記載の装置。
【請求項18】
前記データ処理モジュールは、手持ち式の読取り器および手持ち式のデータ処理装置をさらに備える、請求項11に記載の装置。
【請求項19】
前記手持ち式の読取り器および前記手持ち式のデータ処理装置は、単一の手持ち式ユニット内に組み込まれる、請求項19に記載の装置。
【請求項20】
(a)検出器モジュールを提供するステップであって、前記検出器モジュールは、少なくとも1つの検出デバイスであって、ある長さのレールの上に直接設置可能であり、実質的に平坦なシムと、杉綾模様配列で前記シムの片面に設けられた少なくとも2つの検出器とをさらに有する少なくとも1つの検出デバイスと、前記少なくとも1つの検出デバイスと通信する少なくとも1つのデータ取得モジュールとをさらに有する、検出器モジュールを提供するステップと、
(b)レール応力を測定するために、前記少なくとも1つのデータ取得モジュールにより収集された情報を受信し処理するデータ処理モジュールを提供するステップと、
(c)データ処理モジュールにより前記処理された情報を記録し評価するステップと
を含む、レール応力を観測するための方法。
【請求項21】
前記データ処理モジュールへ情報を伝達するための前記少なくとも1つのデータ取得モジュールと通信するアンテナ手段を提供するステップをさらに含む、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
検出デバイスがその上に設けられてよいある長さのレールを提供するステップをさらに含む、請求項20に記載の方法。
【請求項23】
前記検出器モジュールは、前記少なくとも1つの検出デバイスおよび前記少なくとも1つのデータ取得モジュールを保護するように密閉するための保護ハウジングをさらに備える、請求項20に記載の方法。
【請求項24】
前記検出器モジュールは、内蔵型の電源をさらに備える、請求項20に記載の方法。
【請求項25】
前記少なくとも1つの検出デバイスは保護カバーをさらに備え、前記保護カバーは、前記少なくとも1つの検出器を取り囲む表面の外周部上に配設される、請求項20に記載の方法。
【請求項26】
前記シムは、長さが約2.54cm(1インチ)、幅が約1.27cm(0.5インチ)であり、金属箔をさらに含む、請求項20に記載の方法。
【請求項27】
前記少なくとも2つの検出器はひずみ計である、請求項20に記載の方法。
【請求項28】
前記データ処理モジュールは、手持ち式の読取り器および手持ち式のデータ処理装置をさらに備える、請求項20に記載の方法。
【請求項29】
前記手持ち式の読取り器および前記手持ち式のデータ処理装置は、単一の手持ち式ユニット内に組み込まれる、請求項28に記載の方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
説明されるシステムおよび方法は、概して連続溶接された鋼製レール(「CWR」)における縦応力を観測するための情報処理環境に関する。より詳細には、説明されるシステムおよび方法は、レールの安全性の限界を測定するための、観測された応力レベルの処理に関する。
【背景技術】
【0002】
本特許出願は、2006年10月24日に出願され、「Stress Monitoring System for Railways」と題された、米国特許出願第11/552,386号の優先権を主張するものであり、これは、2004年7月26日に出願され、「System and Method for Determining Rail Safety Limits」と題された、米国特許出願第10/899,265号の一部継続出願である。
【0003】
過去40年にわたり、鉄道軌道における機械的な継手を無くすための努力が行われてきた。この努力には、隣接して間隔を空けられたレール区分の端部の溶接または他の方法での一体的な結合により、連続レールを有する軌道を敷設し、時としてロングレール軌道(continuous welded rail track)と呼ばれる構造物を形成することが多く含まれてきた。CWR軌道の敷設に関連する技術は、先行技術においてよく知られている。
【特許文献1】米国特許出願第11/552,386号
【特許文献2】米国特許出願第10/899,265号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
連続レール軌道の全レール区分が連結されるので、連続レール軌道は、レールの温度にばらつきをもたらす周囲温度の季節的変動などの、軌道および周囲環境の周囲温度における変動に特に影響されやすい。熱帯性気候においては、最高最低気温間の幅は概して穏やかなものであり、これはレールシステムに大した問題をもたらさない。しかし、米国、アジア、オーストラリアおよびヨーロッパにおけるような温帯気候においては、最高最低気温の幅は、以下に説明するように、レールの引離し故障および軌道座屈故障を共に含む、重大な、温度に誘発される故障をレールシステムに引き起こすのに十分なものである。
【0005】
例えば、温帯気候のいくつかの地域における固定されていない160.93km(100マイル)の長さの連続レールは、ある季節の温度極値から他の季節の温度極値にかけて、182.88m(600フィート)を上回る長さの変化を受け得る。枕木へレールを固定することにより、レールの全長の変化は大部分回避されることが可能だが、代わりに結果的に生じる局部的な縦応力がレールに内部的に生成される。
【0006】
CWR軌道のレールセグメントは、初めに路盤へ設置され固定されるため、レールはそれぞれゼロの縦応力を有する。連続レール軌道が設置される温度は、時としてレール設定温度(「RNT」)と呼ばれる。
【0007】
周囲レール温度がRNTを下回ると、引張縦応力が、下の路盤の熱膨張係数に対する金属製レールの熱膨張係数がより大きいために、連続レール軌道の各レールセグメントにおいて内部的に生成される。低下した周囲レール温度とRNTとの間の差が甚だしい場合は、レール中の引張応力は、一方または両方の連続レールのレールセグメントに引離しを実際に生じさせるのに十分な大きさに達する可能性がある。幸い、引離し故障は、もし連続レール軌道のレールの1つが引き離されると「開」になる、レールを伝導経路部として使用する電気軌道回路を確立することにより、容易に検知されることが可能である。
【0008】
さらに、周囲レール温度がRNTを上回ると、圧縮応力が連続レール軌道のレールのそれぞれに内部的に生成される。上昇した周囲レール温度とRNTとの間の差が甚だしい場合は、レール中の圧縮応力は、軌框に座屈を実際に生じさせるのに十分な大きさに達する可能性がある。任意の特定のレールに座屈を生じさせるのに必要とされる圧縮応力は、例えば絶対温度、周囲レール温度とRNTとの間の差、および道床の条件を含む多くの要因に左右される。
【0009】
既に考察された偶発的で予測不能なこの座屈は、脱線の最大の原因である。軌道の座屈に特有の横方向への軌框の変位をうまく乗り切る列車の能力は、最小限のものである。その結果、軌道の座屈は、それが従来の軌道回路により検出されることが不可能であるため、レールの引離しよりも相当大きな脱線の危険をもたらす。 様々な方法、システムおよび装置が、連続レール軌道のレール中の縦応力を計測しおよび/または測定するために開発されてきたが、それらのいずれも、連続レール軌道の一区分が特定の安全限界内にあるかどうかを精密に測定するために使用されてはこなかった。したがって、先行技術のレール応力同定の欠点に対処し、規定された安全域内のレールの作動具合のより精密な測定を可能にするシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【0010】
以下、本発明の例示的な実施形態の概要を示す。同概要は広範にわたる概観ではなく、本発明の重要なもしくは決定的な態様または要素を特定すること、あるいはその特許請求の範囲を詳細に叙述することを意図されない。
【0011】
本適用例の一態様にしたがって、例示の方法が、レールの安全限界の測定のために開示される。例示の方法は、ロングレールの一部分について目標レール設定温度を測定することを含む。また、方法は、ロングレールの一部分について縦応力を観測し、ロングレールの一部分について周囲レール温度を観測することを含む。方法は、縦応力および周囲レール温度に基づき現時点のレール設定温度を測定することをさらに含む。例示の方法によると、現時点のレール設定温度は、ロングレールの一部分の故障が起きていないかどうかを判定するため、目標レール設定温度と比較され、もし現時点のレール設定温度と目標のレール設定温度との間の差が所定範囲内である場合は、警告が伝えられる。また、例示の装置が、方法の実施のために開示される。
【0012】
本適用例の第2の態様にしたがって、例示の方法が、レールの安全限界を測定するために開示される。例示の方法は、ロングレールの一部分について周囲レール温度を観測することと、ロングレールの一部分について縦応力を観測することとを含む。また、方法は、ロングレールの一部分についてレール設定温度を測定することと、レールの一部分を支持する道床の降伏強度を測定することとを含む。方法は、レールの一部分に関連する高温座屈閾を測定することをさらに含む。高温座屈閾は、レールの一部分についての降伏強度と、レール設定温度と、縦応力との関数である。例示の方法によると、周囲レール温度は、温度差を測定するために高温座屈閾と比較され、もし温度差が所定の範囲内である場合には、警告が通知される。また、例示の装置が、方法の実施のために開示される。
【0013】
本適用例の第3の態様にしたがって、例示のシステムが、レール部分の観測のために開示される。システムは、複数のレール部分応力観測デバイスと、複数のレール応力観測デバイスと通信する少なくとも1つの受信機とを有する。受信機は、レール応力観測デバイスからレール応力データを受信するように作動する。さらに、受信機は、レール応力処理装置へレール応力データを伝送するように作動する。レール応力処理装置は、受信機と通信し、レール応力データを評価するように作動する。さらに、レール応力観測装置は、レール応力データにもとづき警告を通知するように作動する。
【0014】
本適用例の第4の態様にしたがって、例示のレール応力観測システムが開示される。同システムは、ある長さのレール上に直接設置可能になされた検出デバイスをさらに備える検出器モジュールを備える。検出デバイスは、概して平坦な金属シムと、シムの片面に設けられる少なくとも1つの、典型的には2つの検出器とをさらに備える。典型的には、検出器はひずみ計であり、これらはある特定の所定のいわゆる「杉綾模様」配列でシム上に設けられる。少なくとも1つのデータ取得モジュールが、検出デバイスと電気的に通信し、データ処理モジュールが、データ取得モジュールにより収集された情報を受信し処理する。
【0015】
本発明のさらなる特徴および態様が、例示の実施形態の以下の詳細な説明を読み、理解し次第、当業者に明らかになろう。理解されるように、本発明の他の実施形態が、本発明の特許請求の範囲および精神から逸脱することなく可能である。したがって、図面および関連する説明は、例示のものであり、何ら限定的なものではないと見なされるべきである。
【0016】
本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面が、本発明の1つまたは複数の例示の実施形態を概略的に示し、上述の概略的な説明および以下の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の例示の実施形態が、図面を参照して説明される。参照番号が、様々な要素および構造物を指すため、詳細な説明全体を通して使用される。説明のために、多数の特定の詳細が、本発明の十分な理解を促すため詳細な説明内で示される。しかし、本発明はこれらの特定の詳細がなくとも実施され得ることを理解されたい。他の例においては、よく知られた構造物およびデバイスが、説明の簡略化のため、ブロック図形式で示される。
【0018】
図1を参照すると、概略図が連続レール軌道の例示のネットワーク100を図示する。図示されたロングレール軌道ネットワーク100は、例えばレール部分105、110、および115などの複数のCWR軌道部分を含む。CWR軌道部分は、ノード120と125との間の経路などの、所定のノード間の経路を作る。例えばレール部分115などのいくつかのCWR軌道部分は、レール応力観測デバイス140などのレール応力観測デバイスを有する。各レール応力観測デバイスは、レール部分内の内部応力量を計測する、または測定するように設計され、レール応力処理装置130へこの内部応力を通知する。
【0019】
次に図2を参照すると、連続レール軌道ネットワーク100のある構成要素のより詳細な図が図示される。図示されるように、レール部分115に対応するレール応力観測装置140が、レール部分115の内部応力を測定し、信号送信塔210を経由してレール応力処理装置130へレール応力データを送信する。
【0020】
無論、図示された通信手段は、レール応力処理装置130と通信するための観測装置140などのレール応力観測装置のための多様な方式の単なる一例にすぎない。他の通信手段の例としては、例えば直接的な有線通信と、衛星、マイクロ波、セルラー式、および任意の他の形態の無線通信と、インターネット経由の通信とが含まれる。観測装置140からレール応力処理装置130へ観測されたデータを伝達するためのさらに他の手段の例としては、鉄道車両を介した伝送と、鉄道人員による観測装置140からのデータの手動収集に併せて、引き続きこのデータをレール応力処理装置130へ手動入力することとが含まれる。
【0021】
観測装置140により収集され通知されたデータは、CWR軌道部分またはCWR軌框の測定された縦応力を含む。観測装置140により収集され通知され得る他のデータは、例えば周囲レール温度、レール温度、日、時、振動、およびRNTを含む。
【0022】
次に図3を参照すると、RNTと周囲レール温度との間の温度差に対する、縦レール応力の関係を示す例示のグラフがある。図示されるように、グラフは、水平軸に沿ってレールの温度を摂氏温度で、鉛直軸に沿って対応するレール応力表示を摂氏温度で図表化する。一般的に、レール応力は例えば平方インチあたりのポンドなどの単位で表されるが、本適用例は、温度の観点からレール応力を表すことにより、レール応力、周囲レール温度、およびRNT間の関係の理解が大いに容易化されると理解する。図3のグラフによると、摂氏温度におけるレール応力は、以下の公式により決定される。
【0023】
アルファベット記号:
RS=レール応力(摂氏温度)
RNT=レール設定温度(摂氏温度)
AT=周囲レール温度(摂氏温度)
RS=RNT−AT
言い換えれば、図3のグラフに図表化されたレール応力は、レール応力(RT)とは、レール設定温度(RNT)からの周囲レール温度(RT)の隔たりの温度数値である、ということになる。この一次関係は、参照番号350で図示される。参照番号360で図示される水平関数が、レールの非拘束部分の応力を表す。レール部分の非拘束状態により、周囲レール温度に関わらず、レール応力はゼロである。言い換えれば、非拘束レールのRNTは、周囲レール温度と常に等しい。
【0024】
レール温度がそのRNTよりも下回る図示された例の領域305において、レールは、引離しレール故障に至る傾向のある引張応力下にある。そのRNTを上回る領域310におけるレール応力は、軌道座屈故障に至る傾向のある圧縮レール応力を表す。解釈上、RNT315を、グラフを使用してレール応力がゼロである点を特定することにより決定することが可能である。図示されたグラフ上では、例示のCWR軌道に関するRNT315は、摂氏30℃に等しい。
【0025】
次に図4を参照すると、RNTおよび縦応力を図表化したグラフが、ある時間にわたるCWR軌框の華氏温度において図示される。参照番号405および410により示されるグラフの第1の部分が、軌道の残りの部分へのCWRレールの固定に先立って取られた測定値を表す。図示されるように、RNTは、各日を通じてのレールの周囲レール温度とともに変動する。同様に図示されるように、また周囲レール温度とRNTとの間の差として表される華氏における観測された応力は、ゼロである。これらの測定値は、CWR軌框に縦応力がないことを示し、これは、設置前のCWRレールの非拘束状態と一致する。
【0026】
CWRレールが拘束される点である参照番号415で、ほぼ37.8℃(100°)にてRNTのより一定の測定値が図示される。同様に、参照番号420で、グラフは、ピークである夜間の縦レール応力量における急激な増加を示し、これはしばらくの間ほぼ−1.1〜4.4℃(30〜40°)で一定を維持する。この急激な増加および正の(引張)レール応力値は、2つのレール端部を一体に溶接することと、枕木へレールを再固定することとに一致する。結果的に生じる負荷が、道床へ伝達され、レールを完全に拘束された状態におく。
【0027】
参照番号430で、縦レール応力における急激な増加が図示され、参照番号425で、RNTにおける対応する低下が図示される。理論上は、一度CWR軌框が拘束されると、RNTはCWR軌框の寿命の間一定を維持するはずである。しかし実際には、多数の要因がRNTに影響し得る。RNTにおけるある変化が一時的なものであり得て、その一方で他の変化が永続的なものであり得る。例えば、CWR軌框を支持する道床が、ある時間にわたり調整されてよく、CWR軌框を移動させるかまたは他の態様でその位置を変化させる。典型的にはエントロピーおよび/または他の自然力によるこのような調整は、CWR軌框の応力を解放する。軽減された応力レベルは、CWR軌框が移動された位置を維持する間に限り、RNTに影響を及ぼす。
【0028】
参照番号425で、グラフは、RNTのほぼ26.7℃(80°F)への下降を図示し、これは、観測された期間の残りの間37.8℃(100°F)へ跳ね戻ることができない。ある時間にわたるRNTのこのような変動は、レール部分の塑性または弾性の変化を表し得る。一般的に、道床中のレールおよび枕木の移動は、RNTの低下の主要原因である。軌框の再調整または局部的なレールセグメントの除去が、適切なRNTを回復するために必要である。
【0029】
参照番号435で、ある要因がCWR軌框の観測されたRNTに影響を及ぼしたかのように見受けられる。提供されたデータからは、435におけるRNTの変化が塑性または弾性変化であったかどうかは不明である。提供されたデータ(1%の傾斜を伴う湾曲)より、435におけるRNTの変化は、道床中への枕木の移動による曲線半径の縮小だった。440でのRNTにおける結果として生じる増加は、レールの下り坂の移動、および周囲温度が上昇する際のある圧縮負荷よりもたらされるものと見られる。無論、435および440における変化は、両方向へ生じるだけの無関係な弾性変化であったかもしれない。
【0030】
縦応力レベルの観測のみからは、任意の特定のCWR軌框の状態に関する同幅の情報は得られない。本発明の予測に役立つおよび/または予防に役立つ利点は、縦応力、周囲レール温度、RNT、およびあるケースでは道床条件の収集ならびに/あるいは分析を介してもたらされる。これらのデータの分析により、維持状況、すなわちいわゆる「軽度の」故障と、安全状況、すなわちいわゆる「重大な」故障との予測が可能となる。
【0031】
図5は、レースシステム100のCWR軌道105などのロングレール軌道の各レール部分についてのレールの安全限界を測定するためのレール応力処理装置に関する、第1の例示の方法体系500を図示する流れ図である。例示の方法体系によると、ブロック505で、目標RNTが連続レールの特定の部分について特定される。レール部分の縦応力が、ブロック510で観測され、レール部分の周囲レール温度が、ブロック515で観測される。図1に図示される例示のレールネットワーク100において、この縦応力および周囲レール温度は、レール観測デバイス140により観測され、レール応力処理装置130へ伝送される。レール部分の周囲レール温度および縦応力を使用して、現時点のRNTが、図3に図示される関係を与えられて、ブロック520で判定される。
【0032】
方法体系は、ブロック525で、現時点のRNTが、軌道の座屈または他の故障の兆候であり得る温度差を求めるために、目標RNTと比較されるようにする。もし温度差が所定範囲内である場合は(ブロック530)、警告が通知されて(ブロック535)、所定の範囲に関連する可能性のある安全上の問題を指摘する。無論、所定の範囲は、温度差が所定の閾を上回るかまたは超える場合に、温度差が所定範囲内にあると言われるように、変更可能な範囲として定義されるかもしれない。さらに、このような所定の閾値は、正方向または負方向へ超えられるかもしれない。
【0033】
図6は、レールシステム100のCWR軌道105などのロングレール軌道の各レール部分についてのレールの安全限界を測定するためのレール応力処理装置に関する、第2の例示の方法体系600を図示する流れ図である。例示の方法体系によると、ブロック605で、縦応力および周囲レール温度が、連続レールの特定の部分について観測されるかまたは測定される。図1に図示される例示のレールネットワーク100において、この縦応力は、レール観測デバイス140により観測され、レール応力処理装置130へ伝送される。レール部分のレール設定温度が、周囲レール温度およびレール部分の縦応力を使用して、図3に図示される関係を与えられて、ブロック610で測定される。
【0034】
ブロック615で、降伏強度が連続レール部分を支持する道床について測定され、ブロック620で、高温座屈閾がブロック605、610、および615で収集されたデータにもとづき測定される。高温座屈閾は、このようなデータの数学関数によるか、またはテーブル中へのインデックスとしてブロック605、610および615で収集されたデータを使用する参照テーブルにもとづいて測定されてよい。参照テーブルは、インデックスに関連する特定の状況下で収集された履歴のレール故障データにもとづいて読み込まれてよい。方法体系は、ブロック625で、RNTが温度座屈閾と比較されて、温度差を求めるようにする。もし温度差が所定範囲内であるならば(ブロック630)、警告が通知されて(ブロック635)、所定範囲に関連する可能性のある安全上の問題を指摘する。
【0035】
したがって、本適用例は、温度およびレール応力にもとづき、CWR軌道の安全限界を測定するための方法、装置およびシステムを説明する。現時点のレール設定温度、周囲レール温度およびレール中の縦応力を観察することにより、軌框を保持する道床の降伏強度が、特に湾曲において、測定されることが可能になる。多様な状況にわたってこの降伏強度を観察することにより、および分析モデルの補助により、降伏応力またはその調整された比率が、維持作業または前記状況が緩和されるまでの列車運行の変更を知らせるための高温座屈閾を確立するために、RNTに加えられることが可能になる。使用されてよい分析モデルの例は、軌道運用マニュアルにより提供されるモデルと、ある時間にわたる実際の軌道計測に基づき作られたモデルと、米国運輸省により作られたモデルなどの数理モデルとを含む。
【0036】
道床中の軌框の降伏強度に影響を及ぼすおそれのある要因としては、曲率、片勾配、道床の種類および条件、道床の肩幅、レール整列の偏り、枕木の寸法、重量および間隔が含まれる。この方法により、これらの要因の殆ど全てが、他の手段により無駄に繰り返されない態様で、観察された挙動内で適用される。説明されたように、軌道の曲率および他の容易に知られ得る要因と共に、参照テーブルは、鉄道の標準運行のための許容可能なレベルへ安全マージンを調節するために使用されてよい。
【0037】
次に図7〜10を参照すると、本発明のレール応力観測システムの様々な構成要素および準構成要素が図示される。図7に図示されるように、レール応力観測システム710の例示の実施形態が、相互の電気通信および/またはデジタル通信において、検出器モジュール720、検出デバイス730、データ取得モジュール740、およびデータ処理モジュール750を含む。図9に図示されるように、検出器モジュール720は、一般的にはある長さのレール760に直接設置され、保護ハウジング721と、レールへ検出器モジュール720を固定するためのレール固定具722とを有する。カバー723が、典型的には電池である内部電源724へのアクセスのために取り外されてよい。この態様における内部電源へのアクセスにより、レールから検出器モジュール720全体を取り外すことが不要となる。
【0038】
例示の実施形態において、「薄膜フレックス回路」と呼ばれる検出デバイス730が、応力、すなわちある環境条件下でレール760が受ける二軸ひずみを検出し、計測し、および観測するために使用される。このような応力は、2つの検出器734により検出され計測されるが、2つの検出器734はエポキシまたは他の手段を使用して概して平坦な薄い金属シム731に設置され、それによりシム731上に検出領域733を画成する。例示の実施形態では、シム731は長さが約2.54cm(1インチ)、幅が約1.27cm(0.5インチ)であり、比較的重い金属(例えばスズ)箔を有する。通常はひずみ計である検出器734に加えて、同発明のいくつかの実施形態では、温度検出器などの追加の種々の検出デバイスが含まれる。外周部732がシム731上に画定されてよく、ゴムで被覆された材料が、検出領域733の全体の上に保護カバーを提供するために含まれてよい。図8は、保護カバー738を含む組み立てられた検出デバイス730の図を示す。
【0039】
例示の実施形態において、検出器734は、市販のひずみ計(Hitec Products,Inc.,Ayer,MA)であり、これらはそれぞれ、「杉綾模様」配列と呼ばれる左右対称の横方向の「V」模様を形成するように、互いに対して直角に設けられた(図7を参照)2つの能動センシング素子を含む。図7に図示されるように、2つのV字型の検出器の開いた端部が、シム731上で互いに向かい合い、対象となっているひずみ(すなわちレール760が実地で受けたひずみ)に対し直角に配向される。当業者に理解されるように、薄いシム材料を介してひずみを伝達することにはしばしば困難がある。詳細には、圧縮ひずみが、シムの局部的な座屈を引き起こし、ひずみを親構造から多少変形させる可能性がある。一般的にこれは単軸ゲージでは問題ではなく、それによりクーポンの長軸が検出素子と同じ方向になる。杉綾模様配列の使用と、検出素子を対象となっているひずみに対し直角に配向することにより、シムは概してせん断状態に配置されて、推定的には二軸ひずみに対するより精密な反応を有する。
【0040】
はんだパッド735および主要リード線取付けパッド736が、シム731上の2つの検出器の間に位置する領域にされる。一連の検出器線737が、主要リード線取付けパッド736へはんだパッド735を接続し、その配置により、リード線739が検出デバイスの中央部分へ取り付けられるのを可能にする。例示の実施形態の配線条件が、4つの検出素子をループ状に「連結(daisy chain)」し、このループがホイートストンブリッジとなる。当業者に理解されるように、ホイートストンブリッジは、抵抗を計測するために使用される電気回路である。一般的に、ホイートストンブリッジは、電気回路の共有電源(電池など)と、4つの抵抗器を含む(そのうち3つは既知である)2つの並列分岐を連結する検流器とから構成される。一方の平行分岐が、抵抗が既知である抵抗器と、抵抗が不明の抵抗器とを含む。他方の平行分岐が、抵抗が既知である抵抗器を含む。不明な抵抗器の抵抗を測定するために、検流器を流れる電流がゼロに降下するまで、他の3つの抵抗器の抵抗が調節され均衡される。またホイートストンブリッジは、抵抗のわずかな変化を計測するのに非常に適しており、したがって、それに加えられたひずみを比例的な抵抗の変化へ変換するひずみ計における抵抗の変化を計測するのに適している。従来の術語においては、例示の実施形態のブリッジ端子は、赤(+入力電源)、黒(−入力電源)、緑(+出力信号)、および白(−出力信号)に割り当てられる。
【0041】
検出器モジュール720は、以下の例示の方法にしたがって、レール760上に設置されてよい。すなわち、レールに大まかな箇所を選択し、そこにミル(mill)が印を付け、他の先在する物または構造物は除けられる。レール760上にレール穿孔機または他の穿孔デバイスを設置し、所定の高さでボルト穴を作成する。検出デバイス730が配置されるレール760上の箇所を研削/研磨する。ボルト穴に対し検出デバイス730を正確に配置し、レールの中立軸に対する適切な配向と、検出素子の直交性との両方を可能にする型板を使用して、レール760へ検出デバイス730をスポット溶接するかまたは他の方法で取り付ける。検出領域733上に防水材(例えば、RTVシリコン材料)を適用する。そして、データ取得モジュール740へ検出デバイス730を接続するリード線のいかなる損傷も注意深く回避しながら、固定具組立品が嵌められ、締め付けられることが可能となるように、保護ハウジング721を設置する。当業者に理解されるように、他の取付けまたは設置手段が、検出器モジュール720およびその構成要素に使用されることが可能である。例えば、他の実施形態では、合成材料シムが、急結接着剤または他の接着手段を使用して、レール760へ接合される。
【0042】
検出器モジュール720が組み立てられると、検出デバイス730は、データ取得モジュール740へ接続され、このデータ取得モジュール740は、システム710が作動している際に、検出デバイス730により生成されたデータを収集する。当業者に理解されるように、一般的に、データ取得モジュール740は、回路基板、または典型的には既製の市販の構成要素から構成される同様のデバイスを有するが、いくつかの適用例では特注のデバイスが使用され得る。伝送手段、すなわちアンテナ741が、回路基板へ接続され、または他の方法で回路基板と通信状態におかれ、通常検出器モジュール720から遠く離れて配置されるデータ処理モジュール750へ高周波信号を送る。図10に図示されるように、データ処理モジュール750は、当技術において既知である様々な技術を使用する特注設計された読取り器/質問機デバイス751を含んでよい。例示の実施形態では、読取り器/質問機デバイス751は、技術者またはシステム710の他の利用者がレール760の受けた応力または他の条件を観測している際に、検出器モジュール720と連係し、1つまたは複数のデータベースへデータを中継し、任意の追加の処理デバイス752と通信する。一般的には、任意の処理デバイス752は、無線手段を使用して読取り器/質問機デバイス751と通信し、機能性の強化のために一体型画像表示器を有してよい。
【0043】
本発明が、その例示の実施形態により図示され、実施形態がある程度詳細に説明されたが、この詳細へ添付の特許請求の範囲を限るまたは多少なりとも限定することが、出願人の意図することではない。他の利点および変更形態が、当業者には容易に明らかになろう。したがって、そのより広範な態様における本発明は、任意の特定の詳細、代表的な装置および方法、ならびに/あるいは図示され説明された実例に限定されない。したがって、出願者の全体的な発明概念の精神または範囲から逸脱することなく、これらの詳細からの逸脱がなし得る。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本適用例において説明されるシステムおよび方法による、連続レール軌道の例示のネットワークを示す概略図である。
【図2】図1のある構成要素間の例示の通信を示す概略図である。
【図3】縦レール応力の、レール設定温度と周囲レール温度との間の温度差との関係を示すグラフである。
【図4】CWR軌框についての縦応力およびRNTのグラフである。
【図5】レールの安全限界を測定するための第1の例示の方法体系を示す流れ図である。
【図6】レールの安全限界を測定するための第2の例示の方法体系を示す流れ図である。
【図7】本発明のレール応力の観測のためのシステムの例示の実施形態の概略図と、本発明の検出デバイスの内部構成要素の概略上面図との双方である。
【図8】本発明の検出デバイスの組み合わされた形態のものの例示の実施形態の斜視図である。
【図9】本発明の検出器モジュールの例示の実施形態が設けられた、ある長さのレールの斜視図である。
【図10】本発明の検出器モジュールの例示の実施形態から測定値を取っている技術者の様式図である。
【符号の説明】
【0045】
100 ロングレール軌道ネットワーク
105 レール部分
110 レール部分
115 レール部分
120 ノード
125 ノード
130 レール応力処理装置
140 レール応力観測デバイス
210 信号送信等
710 レール応力観測システム
720 検出器モジュール
721 保護ハウジング
722 レール固定具
723 カバー
724 内部電源
730 検出デバイス
731 シム
732 外周部
733 検出領域
734 検出器
735 はんだパッド
736 主要リード線取付けパッド
737 検出器線
738 保護カバー
739 リード線
740 データ取得モジュール
741 アンテナ
750 データ処理モジュール
751 読取り器/質問機デバイス
752 追加の処理デバイス
760 レール
【出願人】 【識別番号】507352329
【氏名又は名称】セイリエント・システムズ・インコーポレーテッド
【出願日】 平成19年10月24日(2007.10.24)
【代理人】 【識別番号】100089705
【弁理士】
【氏名又は名称】社本 一夫

【識別番号】100140109
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 新次郎

【識別番号】100075270
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 泰

【識別番号】100080137
【弁理士】
【氏名又は名称】千葉 昭男

【識別番号】100096013
【弁理士】
【氏名又は名称】富田 博行

【識別番号】100107696
【弁理士】
【氏名又は名称】西山 文俊

【識別番号】100113974
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 拓人


【公開番号】 特開2008−106603(P2008−106603A)
【公開日】 平成20年5月8日(2008.5.8)
【出願番号】 特願2007−275924(P2007−275924)