JP2004219161A - 鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の走行時に、実際に軸受に負荷されるラジアル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、円周方向の負荷分布等を測定可能として、実使用条件に適した軸受の設計に反映できるデータを得られる鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０は、鉄道車両車軸５に使用される軸受１２に負荷されるラジアル荷重を測定するものであって、鉄道車両車軸５を支持する軸受１２を内装した軸箱体１１と台車７との間に配されており、軸箱体１１と頭上ばね座１３との間に配された複数個のロードセル１４，１４を備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関し、より詳細には、鉄道車両の走行時に軸受に負荷されるラジアル荷重を測定し、実使用条件に最適な車軸軸受を開発するのに用いられる鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の走行時に軸受に負荷される荷重を測定する荷重測定装置としては、図９に示すように、転がり軸受７０の近傍のハウジング７１に、アコースティックエミッションセンサ７２，加速度センサ７３，温度センサ７４，荷重センサ７５を設け、稼働中の各々の信号を、各アンプ類を介してパソコン７６内に取り込み、パソコン内に先に入力してある各荷重負荷レベルでの破壊に至るまでの加速度，ＡＥ値，温度上昇のデータベースと比較することによって、その時点での損傷状態，余寿命を評価するようにしている。
【０００３】
このような荷重測定装置では、転がり軸受７０に加わる荷重方向に対応する、ハウジング７１の軸受近傍位置に軸方向の孔を設け、この内側にひずみゲージを貼り、さらにこの近傍ハウジングの軸方向両サイドにひずみゲージを貼り、これらの出力を種々計算することにより、径方向荷重，軸方向荷重，曲げ荷重を測定する。ＡＥ値，加速度は、軸受近傍ハウジング表面にアコースティックエミッションセンサ７２及び加速度センサ７３を取り付けている。
そして、任意の負荷レベル，負荷形態で稼働している転がり軸受７０の、残存寿命を、転がり軸受７０の稼働時点でのアコースティックエミッション，加速度，温度上昇を計測することにより高精度に予測するようにしている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１５９１５１号公報（第２頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された荷重測定装置では、軸受の設計に際して、走行時の振動によって増加する荷重を考慮し荷重係数（ｆｗ）を用いて軸受荷重を暫定的に設定している。そのため、鉄道車両車軸軸受の場合、実走行時の軸受荷重が不明であるとともに、軸受の各列に掛かる荷重が不明であり、設定している荷重係数の妥当性が明確でないという問題点があった。
また、走行試験で車両車軸に負荷されている荷重の測定は行われてはいるが、測定システムが大掛かりになって測定を容易に行うことができず、軸受１個当たりの荷重を正確に得ることができず、軸受の各列に負荷される荷重が不明である等の問題点もあった。
【０００６】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉄道車両の走行時に、実際に軸受に負荷されるラジアル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、円周方向の負荷分布等を測定可能として、実使用条件に適した軸受の設計に反映できるデータを得られる鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるラジアル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記軸受の外輪に嵌合し前記軸受を収容する軸箱体と台車との間に配されていることを特徴とする。
【０００８】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸箱体と台車との間に配された荷重測定装置が用いられる。
したがって、軸箱体と台車との間で鉄道車両車軸を支持する複列タイプの各列毎のラジアル荷重を測定することにより、実走行時に軸受に負荷されるラジアル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）を容易に測定することができる。
また、各種走行条件における実測データに基づいて鉄道車両車軸の軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化及び軸受のメンテナンス期間の延長が可能となる。
更に、ベンチ試験のデータと実車のデータとの一致度を高めたベンチ試験条件を設定することができ、精度の高いベンチ試験を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係る請求項２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記軸箱体は、頭上ばね座に係止された頭上ばねを介して台車に結合されており、該軸箱体と前記頭上ばね座との間に配された複数個のロードセルからなることを特徴とする。
【００１０】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸箱体と頭上ばね座との間に配された複数個のロードセルを用いて荷重測定が行われる。
したがって、複数個のロードセルを、鉄道車両車軸を支持する複列タイプの各列毎に配して負荷荷重を測定することにより軸受の最適設計が可能となり、軸受の長寿命化、メンテナンス期間の延長化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る請求項３記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記ロードセルは、鉄道車両車軸の車輪側の列と反車輪側の列とに配列され、前記鉄道車両の前記軸受に負荷されるラジアル荷重を測定することを特徴とする。
【００１２】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、鉄道車両車軸軸受の車輪側の列と反車輪側の列とに配列されたロードセルを用いてラジアル荷重の測定が行われる。
したがって、車輪側の列に配されたロードセルと、反車輪側の列に配されたロードセルを用いて負荷荷重を測定することにより軸受の最適設計が可能となり、軸受の長寿命化、メンテナンス期間の延長化を図ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る請求項４記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の荷重測定装置を用いて、鉄道車両の軸受に負荷されるラジアル荷重の測定を行うことを特徴とする。
【００１４】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、軸箱体と台車との間に配された荷重測定装置を用いた荷重測定方法によりラジアル荷重の測定が行われる。
したがって、軸箱体と台車との間で鉄道車両車軸を支持する複列タイプ軸受の各列毎のラジアル荷重を測定することにより、軸受の最適設計が可能となり、軸受の長寿命化、メンテナンス期間の延長化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の実施形態を図１乃至図６に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の正面図、図２は図１に示す鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の縦断側面図、図３は図１に示す鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置における軸箱体部分の平面図である。図４は本発明の第２実施形態に係る鉄道車両車軸軸受における軸箱体部分の荷重測定装置の平面図、図５は図３及び図４におけるロードセルの構成を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図６は本発明の第３実施形態に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の正面図、図７は図６に示す鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置における軸箱体部分の平面図、図８は図７におけるロードセルの側面図である。
なお、第２実施形態以下の各実施形態において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付することにより、説明を簡略化或いは省略する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、本発明に係る第１実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０は、軸箱体１１と、車軸５が内嵌され軸箱体１１が外嵌される複列の円すいころ軸受１２，１２と、軸箱体１１上に配された頭上ばね座１３と、軸箱体１１と頭上ばね座１３との間に配された４個のロードセル１４，１５と、頭上ばね座１３と台車７との間に配された頭上ばね１６と、から構成されている。車軸５は、単一の台車に２個或いは３個配されている。
【００１７】
図２及び図３に示すように、軸箱体１１は、本体部１１ａと、前部蓋１１ｂと、後部蓋１１ｃとから四角形の箱形状に形成されている。本体部１１ａの中央部には、軸受装着部１１ｄが形成されており、軸受装着部１１ｄ内に複列の円すいころ軸受１２，１２が配されている。
軸箱体１１の本体部１１ａの上面には、４個のロードセル１４，１５を収納するための４個の座ぐり部１１ｅが形成されている。各座ぐり部１１ｅは、円柱形状の凹状をなし、複列の円すいころ軸受１２，１２の軸方向中心位置に対して４等配して設けられている。
【００１８】
各座ぐり部１１ｅは、各ロードセル１４，１５の位置決めだけでなく、軸箱体１１上面と頭上ばね座１３との間にロードセル１４，１５を収納できうる高さが測定に必要なロードセル高さを満足しないために、座ぐり加工を行うことによってロードセル１４，１５を収納可能としている。
また、各座ぐり部１１ｅの底部には、キー溝１１ｆが形成されており、各キー溝１１ｆにキー１７が挿入されることによって、各ロードセル１４，１５が位置決めされるとともに回り止めされて、各ロードセル１４，１５が軸箱体１１の上面に固定されている。なお、ロードセル１４，１５の位置決めは、廻り止めピンと穴による構造でも良い。
【００１９】
頭上ばね座１３は、略四角形又は円形の板形状をなし、平面に形成された底面１３ａがロードセル１４，１５上に配されている。頭上ばね座１３は頭上ばね１６から受けたラジアル荷重を４個のロードセル１４，１５に平均的に与える。
【００２０】
４個のロードセル１４，１５は、同一規格であり、測定荷重を受ける受圧面（不図示）が上下両端に設定されたロードセル本体（不図示）と、ロードセル本体の外周面に貼着される複数個の歪みゲージユニット（不図示）と、ロードセル本体の外周面に貼着された歪みゲージユニットの周囲を密閉して覆う金属製の保護カバー（不図示）と、を備えている。
複数個の歪みゲージユニットは、ホイートストンブリッジ回路を構成しており、ホイートストンブリッジ回路により、各ロードセル１４，１５の位置で複列の円すいころ軸受１２，１２に作用するラジアル荷重によるロードセル本体の変形を電気抵抗の変化に変換し、ラジアル荷重に比例した抵抗変化による電圧変動出力を検出する。
【００２１】
頭上ばね１６は、台車７と頭上ばね座１３との間に配されており、台車７と車軸５との間における振動を吸収する。通常、頭上ばね１６は、軸箱体１１に対し、予め定められた荷重を負荷している。頭上ばね１６は、この場合、ねじりコイルばねであるが、ねじりコイルばねに代えて板ばねや空気ばね等の緩衝手段を用いても良い。
【００２２】
図２に示すように、軸箱体１１において、前部蓋１１ｂは、本体部１１ａの反車輪６側に固定されており、後部蓋１１ｃは、本体部１１ａの車輪６側に固定されている。
【００２３】
複列円すいころ軸受１２，１２は、軸箱体１１内において、各内輪１８，１８間に内輪間座１９を介して背面合わせで組み付けられており、各内輪１８，１８は、反車輪６側に配されたカラー２０と、車輪６側に配されたカラー２１とによって支持されている。
また、単一の外輪２２は、車輪６側に配されたカラー２３と本体部１１ａとによって支持されている。各円すいころ軸受１２，１２は、各内輪１８，１８と外輪２２との間に転動自在に配された複数の円すいころ２４を有し、円すいころ２４を転動自在に保持する一対の保持器２５，２５とを有する。
【００２４】
図３に示すように、各座ぐり部１１ｅには、配線引き出し溝１１ｇが連通形成されており、各配線引き出し溝１１ｇから各ロードセル１４，１５に備えた信号線（不図示）が引き出される。そして、４個のロードセル１４，１５のうち、２個のロードセル１４，１４が反車輪６側の列に配され、残りの２個のロードセル１５，１５が車輪６側の列に配されている。
次に、本実施形態のロードセルの構成をロードセル１４について説明する。
図５に示すように、ロードセル１４の構成は、円筒状のロードセル本体の上下面に突状の受圧面１４ａ，１４ｂが各々８個均等に設けられており、この受圧面１４ａ，１４ｂ間の外周壁及び内周壁に歪ゲージＧが貼着されている。
【００２５】
このような鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０を用いた荷重測定方法では、反車輪６側の列に配された２個のロードセル１４，１４と、車輪６側の列に配された２個のロードセル１５，１５とによって、各列毎に複列の円すいころ軸受１２，１２に負荷されるラジアル荷重が計測される。そして、各列毎の測定結果によって、実走行時に円すいころ軸受１２，１２に負荷されるラジアル荷重、及び円すいころ軸受１２，１２の各列に負荷されるラジアル荷重が測定される。
【００２６】
また、各列毎のロードセル１４，１５への負荷荷重によって、ラジアル荷重の傾きを測定することができる。各列のラジアル荷重の測定により、負荷が不均等である場合は、円すいころ軸受１２，１２における外輪２２，内輪１８，１８の相対的な傾きが発生し、円すいころ２４の転がり接触面にエッジロードが発生することが予測できるため、クラウニング部の長さやころ長さやころ径等の内部設計要素を設定することにより軸受の最適設計を実施することができる。
また、ベンチ試験の試験条件を設定することができるので、ベンチ試験と実車との整合性を高めることができる。更に、車軸軸受の軸箱体１１の型式には、上述したものの他に、ウイング式や片ばね式や軸梁式があるが、荷重測定装置１０は全ての型式に適用可能である。
【００２７】
本実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０及び荷重測定方法によれば、軸箱体１１と台車７との間に配されていて、軸箱体１１と頭上ばね座１３との間に配された４個のロードセル１４，１５を車輪６側の列と反車輪６側の列とに配列した荷重測定方法によりラジアル荷重の測定が行われる。
したがって、車輪６側の列に配されたロードセル１４，１４と、反車輪６側の列に配されたロードセル１５，１５を用いてラジアル荷重を測定することにより軸受の最適設計が可能となり、軸受の長寿命化、メンテナンス期間の延長化を図ることができる。
【００２８】
次に、本発明に係る第２実施形態を図２及び図４に基づいて説明する。
図２及び図４に示すように、第２実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置３０は、軸箱体１１の本体部１１ａの上面に、３個のロードセル１４，１５，１８を収納するための３個の座ぐり部１１ｈが形成されており、各座ぐり部１１ｈが円柱形状の凹状をなし、複列の円すいころ軸受１２，１２の軸方向中心位置に対して３等配して設けられている。この場合は、軸箱体１１における本体部１１ａの板厚が大きくなっていて、最小肉厚部分に座ぐり加工を行ったとしても強度面が十分である際に適している。
【００２９】
３個のロードセル１４，１５，１８のうち、ロードセル１４が反車輪６側の列に配され、ロードセル１５が車輪６側の列に配されるとともに、残りの１個のロードセル１８が前記両ロードセル１４，１５の複列中心位置で且つ車軸５の中心軸に対して該ロードセル１４，１５と対称な位置に配されている（図２参照）。
そして、このような鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置３０を用いた荷重測定方法では、反車輪６側の列に配されたロードセル１４と、車輪６側の列に配されたロードセル１５と、複列中心に配されたロードセル１８によって、複列の円すいころ軸受１２，１２の各列毎及び軸受中心に負荷されるラジアル荷重が計測される。
そして、各ロードセル毎の測定結果によって、実走行時に円すいころ軸受１２，１２に負荷されるラジアル荷重、及び円すいころ軸受１２，１２の各列に負荷されるラジアル荷重が測定される。また、各ロードセル１４，１５，１８への負荷荷重によって、ラジアル荷重の傾きを測定することができる。
なお、本実施形態のロードセル１４，１５，１８の構成は、上述した第１実施形態のロードセル１４，１５（図５参照）と同じ構成のロードセルを使用しているので説明を省略する。
【００３０】
次に、本発明に係る第３実施形態を図６乃至図８に基づいて説明する。
図６に示すように、第３実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置４０は、軸箱体１１の本体部１１ａの上面に、ロードセル収納用のリング形状の単一の座ぐり部１１ｊが形成されており、座ぐり部１１ｊが円環形状の凹状をなし、複列の円すいころ軸受１２，１２の軸方向中心位置に対し円周方向に等配して設けられている。この場合は、軸箱体１１における本体部１１ａの板厚が大きくなっていて、最小肉厚部分に座ぐり加工を行ったとしても強度面が更に十分である際に適している。
【００３１】
図７に示すように、リング形状の座ぐり部１１ｊに、リング形状で複数個のロードセル機能をもつ単一構造のロードセル４１が装着されている。ロードセル４１は、反車輪６側の列に半分が配され、残りの半分が車輪６側の列に配される。
図８に示すように、ロードセル４１の構成は、円環形状のロードセル本体の上下面に突状の受圧面４１ａ，４１ｂが各々６個均等に設けられている。この上面側の受圧面４１ａと下面側の受圧面４１ｂでは３０°ずらして突設されており、各々受圧面４１ａ，４１ｂの反対側のロードセル本体面上には一対の歪ゲージＧ，Ｇが貼着されている。
このような鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置４０を用いた荷重測定方法では、反車輪６側の列に配されたロードセル４１の半分と、車輪６側の列に配されたロードセル４１の半分とによって、各列毎に複列の円すいころ軸受１２，１２に負荷されるラジアル荷重が計測される。
そして、各列毎の測定結果によって、実走行時に円すいころ軸受１２，１２に負荷されるラジアル荷重、及び円すいころ軸受１２，１２の各列に負荷されるラジアル荷重が測定される。また、各列毎のロードセル４１への負荷荷重によって、ラジアル荷重の傾きを測定することができる。
【００３２】
なお、本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、装備されるロードセルの個数については、より増やすことによって検出精度の向上を図ることができるが、ロードセルの装備数の増大に伴ってコストアップするので、取付スペースや要求される検出精度、予算に応じて適当な個数に設定するのが好ましい。
また、軸受の型式については、図示した複列の円すいころ軸受に代えて、複列の円筒ころ軸受や複列の自動調心ころ軸受、或いは円筒ころ軸受と単列ラジアル軸受との組合せ軸受を用いても良いが、円すいころ軸受は、ラジアル荷重に加えてアキシアル荷重も同一軸受で負荷することができるので、特に好ましい。更に、ＲＣＴ軸受やＲＣＣ軸受等の密封軸受を用いても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法によれば、軸箱体と台車との間に配された荷重測定装置が用いられる。
したがって、軸箱体と台車との間で鉄道車両車軸を支持する複列タイプの各列毎のラジアル荷重を測定することにより、軸受の最適設計が可能となり、軸受の長寿命化、メンテナンス期間の延長化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の正面図である。
【図２】図１に示した鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の縦断側面図である。
【図３】図１に示した鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置における軸箱体部分の平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置における軸箱体部分の平面図である。
【図５】図３及び図４におけるロードセルの構成を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の正面図である。
【図７】図６に示した鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置における軸箱体部分の平面図である。
【図８】図７におけるロードセルの側面図である。
【図９】従来の荷重測定装置の構成図である。
【符号の説明】
５ 車軸（鉄道車両車軸）
６ 車輪
７ 台車
１０，３０，４０ 荷重測定装置
１１ 軸箱体
１２ 円すいころ軸受（軸受）
１３ 頭上ばね座
１４，１５，４１ ロードセル
１６ 頭上ばね

Claims (4)

1. 鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるラジアル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、
   前記軸受の外輪に嵌合し前記軸受を収容する軸箱体と台車との間に配されていることを特徴とする鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。
2. 前記軸箱体は、頭上ばね座に係止された頭上ばねを介して台車枠に結合されており、該軸箱体と前記頭上ばね座との間に配された複数個のロードセルからなることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。
3. 前記ロードセルは、鉄道車両車軸軸受の車輪側の列と反車輪側の列とに配列され、前記鉄道車両の前記軸受に負荷されるラジアル荷重を測定することを特徴とする請求項２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の荷重測定装置を用いて、鉄道車両の軸受に負荷されるラジアル荷重の測定を行うことを特徴とする鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法。

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