JP2004085273A

JP2004085273A - 車輪損傷の検出方法及びその装置

Info

Publication number: JP2004085273A
Application number: JP2002244065A
Authority: JP
Inventors: Takashi Banshiyouya; 番匠谷　隆; Hiroshi Nakao; 仲尾　浩
Original assignee: Kinki Nippon Railway Co Ltd
Current assignee: Kinki Nippon Railway Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】より高精度に車輪の損傷を検出できる検出方法及びその装置を提供する。
【解決手段】車輪とレールの接触部から発生する振動を検出する２つの振動加速度計ＶＩＢと、車輪の通過を検知する２つの車輪検知器ＤＥＴとを備え、振動加速度計ＶＩＢと車輪検知器ＤＥＴとを各２個、車輪の進行方向に向かって交互に配置し、２つの振動加速度計に現れる異常ピークの発生時間に基づいて、どの車輪からの異常振動かを判定するようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、列車の車輪に存在する損傷を確実かつ具体的に検出可能な検出方法及び検出装置に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
鉄道車両などの車輪踏面に損傷や剥離などの異常があると、その騒音や振動によって乗り心地が悪化するだけでなく、線路の周辺地域にも悪影響を与えてしまうおそれがある。そのため、車輪踏面の損傷を具体的かる確実に検出し、迅速に修復作業をする必要がある。
【０００３】
しかしながら、従来の装置では、損傷の存在についての十分な検出精度が得られず、損傷のある車輪の隣りの車輪に異常があると判定してしまうこともあった。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであって、より高精度に車輪の損傷を検出できる検出方法及びその装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る車輪損傷の検出方法は、車輪とレールとの接触部から発生する振動を検出する複数個の計測部ＶＩＢと、前記車輪の通過を検知する複数個の検知部ＤＥＴとを備え、前記計測部を少なくとも各２個、車輪の進行方向に離間して配置し、複数個の計測部に現れる異常ピークの発生時間差と、異常振動を発生させた車輪の推定位置とに基づいて、隣接する車輪のいずれからの異常振動であるかを判定するようにしている。
【０００６】
また、本発明に係る検出装置は、上記方法を有効に実現する装置であり、車輪とレールとの接触部から発生する振動を検出する複数個の計測部ＶＩＢと、前記車輪の通過を検知する複数個の検知部ＤＥＴとを備え、前記計測部を少なくとも各２個、車輪の進行方向に離間して配置し、複数個の計測部に現れる異常ピークの発生時間差と、異常振動を発生させた車輪の推定位置とに基づいて、隣接する車輪のいずれからの異常振動であるかを判定する判定手段を備えている。
【０００７】
本発明において、前記異常ピークの存在は、前記計測部ＶＩＢで検出された振動波形を平滑化した後に算出される動的な判定基準値との比較で判定されるのが好ましい。また、車輪の軸速度を算出する工程（又は手段）と、通過した車輪の外径円周長を特定する工程（又は手段）と、前記外径円周長に基づいて処理対象となる計測部の出力データを特定する工程（又は手段）とを備えているのが好適である。
【０００８】
また、車輪の進行方向に離間して配置された２つの計測部からの計測データのうち、双方の計測データから異常ピークが検出された場合には、２つの異常ピークの発生時間差が合理的か否かを、異常振動の発生推定位置と各計測部との距離差に基づいて判定する処理を含んでいるのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施例に係る車輪損傷検出装置の構成を説明するブロック図である。この車輪損傷検出装置は、営業線で運転される車両について、その全ての車輪の損傷を常時監視するものであり、例えば、同じ車両が同一線路を一日に７回通過したとすると、各車輪のデータは７回取得されることになる。
【００１０】
図示の通り、車両損傷検出装置は、左右のレールの異常振動を検出する４つの振動加速度計ＶＩＢと、列車の車輪の通過を検知する２つの車輪検知器ＤＥＴと、通過する車両を特定するためのＩＤアンテナ１と、通過する車両の走行音や騒音レベルを測定する音声検出器２と、前記各部から計測データを取得すると共に取得したデータを解析する装置本体３と、装置本体３が取得した計測データや装置本体３の解析結果を受信して集計処理などを行うデータ処理装置４とで構成されている。なお、振動加速度計ＶＩＢの出力は、この実施例では、サンプリング周期τ＝５０μＳで取得される。
【００１１】
ＩＤアンテナ１は、走行する車両側に設置されたＩＤプレートとの交信によって車両を特定するためのものであり、この実施例では、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波データキャリアシステムを採用している。なお、ＩＤプレートは固定編成に一つずつ取付けられ、ＩＤプレートに書き込まれている編成固有の記号に基づいて、各車輪の外径円周Ｓが特定できるようになっている。なお、鉄道車両の場合、車輪の外径円周Ｓは２４００ｍｍ〜２７００ｍｍ程度である。
【００１２】
図示の通り、振動加速度計ＶＩＢは、左右のレール各々に、列車進行方向に距離ｂを隔てて各２個配置されている。また、車輪検知器ＤＥＴは、列車進行方向に前後２個設けられ（ＤＥＴ▲１▼，ＤＥＴ▲２▼）、後ろ側の車輪検知器ＤＥＴ▲２▼は、振動加速度計ＶＩＢの前後方向の中央位置に配置されている。また、２つの車輪検知器ＤＥＴの離間距離は、列車進行方向にＪであり、車輪検知器ＤＥＴ▲１▼と振動加速度計ＶＩＢの離間距離は、列車進行方向にＫである。
【００１３】
但し、特に図示の配置に限定されるものではなく、例えば、車輪検知器ＤＥＴは、通過する車輪の車軸速度を正確に計測できる構成であれば、振動加速度計ＶＩＢと無関係の位置に配置しても良い。もっとも、図１の配置であって、Ｋ＝ｂ／２とするのが最も簡易的である。
【００１４】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、上記した車輪検知器ＤＥＴ▲１▼，ＤＥＴ▲２▼の信号出力と、振動加速度計ＶＩＢの信号出力とを図示したものである。なお、図２（ｃ）（ｄ）には左側のレールに配置した振動加速度計ＶＩＢ（Ｌ）の出力のみを記載しているが、実際には右側の振動加速度計ＶＩＢ（Ｒ）からも同様の出力が得られる。
【００１５】
図３は、車輪のフラット（損傷）から発生する異常振動の伝達遅延時間を説明する図面である。図３において、横軸は、線路上を列車が進行する時間を示しており、列車の車輪の外径円周ＳがＳ＝ａ＋ｂ＋ｃであるとして記載している。したがって、車輪の進行速度をｗとした場合、車輪が一回転するのに要する時間は、（ａ＋ｂ＋ｃ）／ｗである。データ収集は、車輪検知器ＤＥＴ▲１▼が先頭車輪を検出したタイミングから開始されるが、この実施例におけるフラットの判定処理では、後述する平滑化処理（移動平均）のために前もって５００個のデータを収集する必要があるので、車輪検知器ＤＥＴ▲１▼が先頭車輪を検出してから所定時間経過時（５００×５０μＳ＝−Δｄ／ｗ）を基準位置ｔ＝０としている。
【００１６】
図４は、車輪の進行状態を、ｔ＝０のタイミングから一周するまでの推移状態を図示している。ｔ１のタイミングでは車輪がａ領域に位置し、ｔ２のタイミングではｂ領域前半に位置し、ｔ３のタイミングではｂ領域後半に位置し、ｔ４のタイミングではｃ領域に位置している。図４から明らかなように、車輪がａ領域やｃ領域に存在する時に異常振動が発生した場合には、２つの振動加速度計ＶＩＢ（ａｃ１，ａｃ２）が同じ異常振動を検知するのに、ｂ／Ｖの時間遅れが生じることになる。なお、異常振動の伝達速度をＶとしている。
【００１７】
図５は、フラット検出装置本体３の動作内容を説明するフローチャートである。以下、特定のｉ軸目の車輪についてフラットの有無を判定するまでの処理手順を説明するが、同様の処理によって他の車輪についてもフラットの有無が判定される。
【００１８】
装置本体３では、先ず、２つの車輪検知器ＤＥＴの離間距離Ｊと、その間を通過するのに要する時間Ｔから、ｉ軸目の車輪の軸速度ｗを、ｗ＝Ｊ／Ｔと算出する（ＳＴ１）。次に、ＩＤアンテナ１からの取得データに基づいて当該車輪の外径円周Ｓ（＝ａ＋ｂ＋ｃ）を特定し、図３に記載のａ及びｃの値を算出する（ＳＴ２）。
【００１９】
図３において、偏差Δｄは、５００個のデータを取得する時間に対応する距離であるから、偏差Δｄは、サンプリング周期τ（＝５０μＳ）に基づいて、Δｄ＝５００×τ×ｗと特定される。したがって、距離ａは、ａ＝Ｋ−５００×τ×ｗと算出され、距離ｃは、算出されたａに基づきｃ＝Ｓ−ａ−ｂと算出される。
【００２０】
そして、ｉ軸目の車輪のフラット判定に必要な全データを特定する（ＳＴ２）。フラット判定に最終的に使用されるデータは（ａ＋ｂ＋ｃ）／ｗの時間幅のデータであるが、取得データの移動平均処理のために、この前後の２５ｍＳ（＝５００個×５０μＳ）のデータを追加して全データとする。すなわち、図２（ｃ）（ｄ）のｔ＝０の瞬間から手前Δｄ／ｗ（＝２５ｍＳ）のデータ、最終的に使用される（ａ＋ｂ＋ｃ）／ｗのデータ、及び、末尾の２５ｍＳのデータを加えたデータが以降の処理対象となる。
【００２１】
続いて、フラット検出のための動的な判定基準値を算出する（ＳＴ４）。具体的には、上記処理対象の全データについて、最初から２０個づつチェックしてその中で最大データを抽出して、これを当該区間の代表値とする（代表値の抽出）。なお、取得データは正負の値で与えられているので、最大データは最大振幅を意味し、この意味では最大データに代えて最小データを代表値にしても良い。
【００２２】
何れにしても、このようにして抽出した代表値のうち、（ａ＋ｂ＋ｃ）／ｗの時間幅の代表値データについて、各代表値データの前後２５個の代表値データの移動平均値を算出することにより、各代表値データについてローパスフィルタ処理を施す（平滑化処理）。そして、この処理結果に適宜なバイアス値αを加算することによって、図２（ｅ）（ｆ）に示す判定基準曲線を生成する（判定基準値の決定）。このように、本実施例では、異常振動か否かの判定に際して、動的な基準値を採用するので、列車の進行速度や荷重などが変わっても適切な判定が可能となる。
【００２３】
このようにして動的な判定基準値が決定されたら、次に、前方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ１について、ａ領域とｂ領域前半とについて、代表値データを総当りして判定基準値を越える代表値データの個数と、その中での最大値ＭＡＸ１を記録する（ＳＴ５）。
【００２４】
［判定基準値を越える最大値ＭＡＸ１が検出された場合］
ここで判定基準値を越える最大値ＭＡＸ１が検出された場合には、次に、後方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ２で、判定基準値を超えたものがあるか否かを先ず検討する。ここで、もし、判定基準値を超えるものが存在しない場合には、前記ＭＡＸ１は他軸の影響によるものとも考えられるので、「？」マーク付きでＭＡＸ１を記録する。
【００２５】
一方、後方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ２で、判定基準値を超えたもの（ＰＥＡＫ２）が存在する場合には、代表値ではなく生データについて検討して、ＭＡＸ１とＰＥＡＫ２の時間関係が合理的か否かを判定する。合理性の判定は、前記ＭＡＸ１がａ領域に認められるか、ｂ領域前半に認められるかによって相違するので、先ず、図６を参照しつつ最大値ＭＡＸ１が、Ｔａｃ１の時間タイミングでａ領域に認められる場合から説明する。
【００２６】
［図６の場合］
振動の伝達速度Ｖは、車輪の軸速度ｗに比べて格段に速いので（Ｖ≫ｗ）、Ｔａｃ１のタイミングで最大振幅ＭＡＸ１が認められた場合には、Ｔａｃ１の直前のタイミングに異常振動が発生したと考えることができる。すなわち、異常振動は、ａ領域で発生していると考えることができるので、その振動を２つの振動加速度計ＶＩＢで受信するのに、ｂ／Ｖの遅延時間が生じている筈である。
【００２７】
したがって、後方側の振動加速度計ＶＩＢの異常ピークＰＥＡＫ２の発生タイミングが、ＭＡＸ１の発生タイミングＴａｃ１からｂ／Ｖ遅れている場合には、ｉ軸にフラットが存在すると判定するが、例えば、異常ピークＰＥＡＫ２がＭＡＸ１より早いタイミングに存在するような場合には、明らかに他軸の影響であると判定されるのでＭＡＸ１，ＰＥＡＫ２とも記録しない。
【００２８】
［図７の場合］
続いて、図７を参照しつつ最大値ＭＡＸ１が、ｂ領域前半に認められる場合について説明する。振動の伝達速度Ｖは、車輪の軸速度ｗに比べて格段に速いので（Ｖ≫ｗ）、この場合には、車輪がｂ領域前半に位置するタイミングで、異常振動が発生したと考えることができる。この場合、前後の振動加速度計ＶＩＢについては、先ず、前方側の振動加速度計に出力ａｃ１が認められ、その後、後方側の振動加速度計に出力ａｃ２が認められる筈である。
【００２９】
そして、２つの出力の時間差は、振動発生地点と前後の振動加速度計との位置関係から、［（ｂ−ｘ）／Ｖ］−ｘ／Ｖとして算出可能である。なお、ここでｘは、振動発生地点と前方側の振動加速度計と距離である。したがって、ＰＥＡＫ２の発生タイミングが、ＭＡＸ１の発生タイミングＴａｃ１から（ｂ−２ｘ）／Ｖ遅れている場合には、ｉ軸にフラットが存在すると判定する。その他の場合には、「？」マーク付きでＭＡＸ１やＰＥＡＫ２を記録する。
【００３０】
以上の処理によってステップＳＴ６の処理が終わるので、次に、後方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ２について、ｂ領域後半とｃ領域とについて、代表値データを総当りして判定基準値を越える代表値データの個数と、その中での最大値ＭＡＸ２を記録する（ＳＴ７）。
【００３１】
［判定基準値を越える最大値ＭＡＸ２が検出された場合］
ここで判定基準値を越える最大値ＭＡＸ２が検出された場合には、次に、前方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ１で、判定基準値を超えたものがあるか否かを先ず検討する。ここで、もし、判定基準値を超えるものが存在しない場合には、前記ＭＡＸ２は他軸の影響によるものとも考えられるので、「？」マーク付きでＭＡＸ２を記録する。
【００３２】
一方、前方側の振動加速度計ＶＩＢの出力ａｃ１で、判定基準値を超えたもの（ＰＥＡＫ１）が存在する場合には、代表値ではなく生データについて検討して、ＭＡＸ２とＰＥＡＫ１の時間関係が合理的か否かを判定する。合理性の判定は、前記ＭＡＸ２がｂ領域後半に認められるか、ｃ領域に認められるかによって相違するので、先ず、図８を参照しつつ最大値ＭＡＸ２が、ｂ領域後半に認められる場合から説明する。
【００３３】
［図８の場合］
図８に示すような出力ＭＡＸ２が認められる場合には、車輪がｂ領域後半に位置するタイミングで、異常振動が発生したと考えることができる。このような場合には、最初に後方側の振動加速度計に出力ａｃ２が認められ、その後、ｘ／Ｖ−［（ｂ−ｘ）／Ｖ］の時間経過後に、前方側の振動加速度計に出力ａｃ１が認められ筈である。なお、ここでｘは、振動発生地点と前方側の振動加速度計と距離である。したがって、ＰＥＡＫ１の発生タイミングが、ＭＡＸ２の発生タイミングＴａｃ１から（２ｘ−ｂ）／Ｖ遅れている場合には、ｉ軸にフラットが存在すると判定する。
【００３４】
［図９の場合］
一方、図９に示すような出力ＭＡＸ２が認められる場合には、車輪がｃ領域に位置するＴａｃ２のタイミングで、異常振動が発生したと考えることができる。このような場合には、最初に後方側の振動加速度計に出力ａｃ２が認められ、その後、ｂ／Ｖだけ遅れて、前方側の振動加速度計に出力ａｃ１が認められ筈である。
【００３５】
したがって、ＰＥＡＫ１の発生タイミングが、ＭＡＸ２の発生タイミングからｂ／Ｖ遅れている場合には、ｉ軸にフラットが存在すると判定する。なお、ＰＥＡＫ１の発生タイミングが、ＭＡＸ２の発生タイミングより早いような場合には、明らかに他軸の影響であると考えられるので、そのデータを記録しない。
【００３６】
ところで、鉄道車両の場合には近接する２つの車輪の離間距離は２１００ｍｍ程度である。したがって、図９のようにｉ軸目がｃ領域に存在するタイミングでは、ｉ＋１軸目がａ領域に存在することになる。したがって、近似タイミングで、ｉ軸とｉ＋１軸とで異常振動が発生する可能性もある（図１０参照）。但し、かかる場合でも、発生した振動は、伝達過程で急激に減衰するので、例外的な場合を除いて、最大振幅の代表値を抽出するという上記のアルゴリズムで対処可能である。
【００３７】
以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、列車の進行方向に対して、２つの振動加速度計ＶＩＢとを配置したが、例えば、図１１のように、３つの目と４つ目の振動加速度計ＶＩＢを配置すれば、他軸に影響を完全に排除できる。
【００３８】
すなわち、図６の状態で、後側の車輪から大レベルの振動が生じた場合には、ａｃ１とａｃ２とは図６と同様に検出される可能性があるが、この場合には前方側に追加した振動加速度計ＶＩＢ３の出力によって、他軸（後ろ側の車輪）の振動であることが把握できる。同様に、図９の状態で、前方側から何らかの理由で大レベルの振動が生じた場合でも、振動加速度計ＶＩＢ４の出力によって、そのことを把握できる。
【００３９】
また上記した実施例では、「？」マーク付きで記録する最大値データも存在するが、これらは、データ処理装置において、統計的見地から最終判定を下すことができる。すなわち、この装置では、営業線において常時車輪の損傷を測定しているので、同じ車輪について繰返しデータが取得できることになり、例えば、上り運転時と下り運転時のデータとの対比などで最終判定が可能となる。
【００４０】
また、この実施例では、フラットの振動波形をデータ処理装置４においても確認できるので、判定処理の精度を高めることもできる。更にまた、この実施例では、レールに近接して音声検出器２を配置しているので、データ処理装置４において、実際の音を聞きながら判定処理の精度をより高めることもでき、また転削計画をより多角的な視野から立案することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、列車の車輪に存在する損傷を確実かつ具体的に検出可能な検出方法及び検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るフラット検出装置を示すブロック図である。
【図２】各測定装置からの検出信号とフラット判定アルゴリズムを説明する図面である。
【図３】発生した異常振動が振動加速度計に伝達されるまでの遅延時間を説明する図面である。
【図４】列車の進行と異常振動の伝達との関係を説明する図面である。
【図５】装置本体の動作を説明するフローチャートである。
【図６】装置本体の動作を説明するタイムチャートである。
【図７】装置本体の動作を説明するタイムチャートである。
【図８】装置本体の動作を説明するタイムチャートである。
【図９】装置本体の動作を説明するタイムチャートである。
【図１０】装置本体の動作を説明するタイムチャートである。
【図１１】変形実施例を説明する図面である。
【符号の説明】
ＶＩＢ　　　計測部（振動加速度計）
ＤＥＴ　　　検知部（車両検知器）

Claims

車輪とレールとの接触部から発生する振動を検出する複数個の計測部ＶＩＢと、前記車輪の通過を検知する複数個の検知部ＤＥＴとを備え、
前記計測部を少なくとも２個、車輪の進行方向に離間して配置し、
複数個の計測部に現れる異常ピークの発生時間差と、異常振動を発生させた車輪の推定位置とに基づいて、隣接する車輪のいずれからの異常振動であるかを判定するようにした車輪損傷の検出方法。
前記異常ピークの存在は、前記計測部ＶＩＢで検出された振動波形を平滑化した後に算出される動的な判定基準値との比較で判定される請求項１に記載の検出方法。
車輪の軸速度を算出する工程（ＳＴ１）と、通過した車輪の外径円周長を特定する工程（ＳＴ２）と、前記外径円周長に基づいて処理対象となる計測部の出力データを特定する工程（ＳＴ３）とを備えている請求項１又は２に記載の検出方法。
車輪の進行方向に離間して配置された２つの計測部からの計測データのうち、双方の計測データから異常ピークが検出された場合には、
２つの異常ピークの発生時間差が合理的か否かを、異常振動の発生推定位置と各計測部との距離差に基づいて判定する処理を含んでいる請求項１〜３の何れかに記載の検出方法。
請求項１〜４の何れかの方法を実現する車輪損傷の検出装置。