熱を感じる:鉄道の欠陥検出

Oct 13, 2023

テクノロジーの領域で見ると、鉄道は確かに物事の残酷なほど単純な側面に偏っているように見えます。 数本の鋼片、木製枕木、すべてを所定の位置に保つための砂利バラスト、固定車軸にフランジ付き車輪を備えた車両、そして少なくとも 18 世紀以来、貨物と乗客を動かしてきた基本が備わっています。

しかし、その基本的な単純さは、鉄道の本当の複雑さを裏切っており、列車を線路上に維持し続けるだけでも困難な作業となる可能性があります。 満員の列車が線路だけでなく列車自体に及ぼす力を理解するのは難しく、多くの場合、部品が故障するだけで災害が発生する可能性があります。 このことは、オハイオ州東パレスチナで最近起きたノーフォーク南部脱線事故で痛ましいほどに明らかになり、その結果、どの地域社会も対処する準備ができていない危険物事故が発生した。

関係する力を考えると、列車を真っ直ぐで狭い道に保ち続けるのは並大抵のことではありません。鉄道設計者は、車両に何が起こっているかを監視するタスクを支援するセンサーとシステムの網を思いつきました。電車。 これらの沿線欠陥検出器の背後にある興味深いエンジニアリングのいくつかを見てみましょう。

当たり前のことを言うのを危険にさらしますが、列車には監視システムが必要となる 2 つの重要な特性があります。それは、重いことと長いことです。 鉄道の基本構造は車輪と地面の間の転がり摩擦を軽減しますが、鉄道車両の車軸とそれを運ぶ台車の間の摩擦を軽減することはできないため、列車の重量が問題になります。 それがホイール ベアリングの役割であり、他の機械部品と同様に磨耗、損傷、最終的には故障が発生し、壊滅的な結果を招く可能性があります。

列車の長さに関しては、車両の大部分が列車を運転している人の直接の視覚範囲外にある場合に問題になります。 当時は、機関車の動力制限により列車の運行時間が比較的短くなる傾向があったため、車掌や機関士がすべての車両を監視することが可能でした。 これは車掌車の発明によって容易になりました。 窓付きのキューポラが車両の屋根の上に突き出た古典的な構成で、車掌は列車の最後尾にある位置から、特にカーブで列車の全長を観察することができました。 当時のホイールベアリングは、オイルに浸した繊維が詰められたジャーナルボックス内のプレーンブッシュであることが多かったことを考えると、一般に、「ホットボックス」ベアリングの故障は、それらが発する煙と炎によって簡単に発見できました。かつてはありました。

すべり軸受をころ軸受に置き換えるなどの技術の進歩により、より大型の鉄道車両を製造できるようになりました。 最近、北米の鉄道で運行されている貨車の総重量は 315,000 ポンド (143 トン) にも達し、わずか 8 個のローラー ベアリングで支えられる驚異的な重量です。 機関車の設計の改良により、これらの超大型車両から製造された列車をこれまで以上に長くすることも可能になりました。 2017 年の平均貨物列車の長さは 1.2 ～ 1.7 マイル (1.9 ～ 2.7 km) で、一部の鉄道では長さ 3 マイル (4.8 km) の列車が定期的に運行されています。 このような列車では、先頭の機関車から後退する 10 両以上の車両は機関士や車掌の直接の視界の外にあり、実質的にまったく観察されずに運行されています。

沿線監視は、列車をこのような大規模な規模に拡大することで生じる問題に対する答えです。 鉄道業界では総称して「欠陥検出」として知られており、線路沿いに定期的に設置されたセンサーとシステムは、事故を引き起こす可能性のある列車の車両の問題を自動的にスキャンします。

十分な理由があって、欠陥検出の大部分は、列車内の各車両の車輪とベアリングの状態に焦点を当てています。 そして、摩擦は敵であるため、ほとんどの検出器はこれらの重要なコンポーネントの熱に基づいてその状態を評価します。 一般的な地上センサーの設置には、両方のレールにホットボックス検出器 (HBD) とホットホイール検出器 (HWD) の両方が含まれます。 どちらのセンサーも通常、サーマルカメラのようなマイクロボロメーターアレイに基づいています。 HBD の場合、センサーは通常、各車軸の端にあるベアリング ボックスをよく見るために、レールの外側に上向きに取り付けられます。 HWD も通常、各レールの外側に取り付けられますが、通過する車輪の側面を直接見ることを目的としています。 ホイールとベアリングの熱特性はまったく異なります。ホイールは、欠陥としてカウントされる前にベアリングよりもはるかに高温になることがあります。そのため、HBD と HWD は異なる方法で校正されます。

ほとんどの欠陥検出ステーションにあるもう 1 つの検出器は、牽引装置検出器 (DED) です。 これらは、単にレールに対して垂直に設置された一連のパドルです。 パドルはスイッチに機械的に接続されており、電車の底からぶら下がっているものによって作動します。 ここでの主なターゲットは切断されたエア ブレーキ ホースですが、壊れたトラックから不運な動物に至るまで、他にも危険はたくさんあります。 牽引装置による衝撃は 600 g の力を及ぼす可能性があるため、DED は非常に堅牢である必要があり、ほとんどの DED はどちらの方向に移動する列車でも動作するようにセットアップされています。

欠陥検出設備は、北米の鉄道に沿ってかなり普及しています。 現在、約 6,000 個の HBD が設置されており、これはトラック 25 マイル (40 km) ごとに約 1 つです。 HBD と HWD は、鉄道監視員にとって少し見つけにくい場合があります。その理由の 1 つは、HBD と HWD が線路の隣の非常に低い位置にあることだけでなく、唯一の場所である立体交差から少なくとも 300 フィート (100 m) 離れる必要があるためでもあります。ほとんどの人は線路を間近で見ることができます。 センサーが接続されている機器が保管されている道端のバンガローを見つけるのははるかに簡単です。 バンガローはトラックの隣にある小さなユーティリティ小屋のように見え、通常は光を反射し、内部の温度を比較的一定に保つために白または銀色に塗装されています。 これらには、検出器からの信号を処理する電子機器用のラックのほか、コンピューター、電源装置、系統電力が停止した場合でもシステムに電力を供給し続けるためのバックアップ バッテリーなどのサポート機器が含まれています。

欠陥が検出されると、その情報はどうなるでしょうか? その手がかりは、道端のバンガローにあり、多くの場合、目立つアンテナが取り付けられています。 ほとんどは、VHF または UHF 帯域の折り返しダイポール アンテナのようで、線路に沿って垂直に取り付けられ、線路と平行に放射するように配向されています。 バンガロー内では、自動装置が音声合成装置を使用して、見つかった欠陥を含む列車の状態に関するレポートを作成し、列車の乗務員に送信します。 レポートには通常、欠陥検出器の識別、欠陥の性質、欠陥が検出された車軸が含まれます。 その後、列車の乗務員は列車を停止し、問題のある車両まで歩いて戻り、問題の性質を評価することができます。

もちろん、使用されている路側探知機はホットボックス、ホットホイール、牽引装置だけではありません。 車軸のロックやレール上の車輪の引きずりによって生じるフラットスポットなど、車輪の機械的欠陥を監視することは非常に一般的です。 フラット スポットは、衝撃によって過度の騒音や機器の摩耗を引き起こし、車輪衝撃荷重検出器 (WILD) によって検出されます。 これらは、長い線路に取り付けられた一連のひずみゲージで構成されており、真円でない車輪や損傷した車輪によって発生する高重力の垂直衝撃を記録し、列車の乗務員に警告します。 他の検出器は、車両のトラックの状態に焦点を当て、車軸が線路と適切に位置合わせされており、平衡点を探す際に線路上で車輪が横方向に振動する「トラックハンティング」を行っていないことを確認します。 ハンチングにより車輪のフランジや履帯が損傷する可能性があり、振動によって車両が過度に揺れた場合には脱線を引き起こす可能性もあります。

ご想像のとおり、これらすべての機器の設置と保守には多大なリソースが必要です。 欠陥検出システムは広範囲に分散されており、設置場所が数十から数百マイル離れていることもよくあります。つまり、欠陥検出システムで作業するための訓練を受けた技術者が分散して分散しており、システムで作業するために遠隔地に行かなければならないことがよくあります。 しかし、それだけの価値はあります。ホットボックス検出器の普及により、1980 年以降、車軸と車輪の故障に関連する列車事故は 81% 減少しました。