JP2006153547A - 軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム及びその監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の車軸軸受の車軸音を的確に検出することができる軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム及びその監視方法を提供する。
【解決手段】軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムにおいて、マイクロホン４Ａをレールの両側に配置するとともに、このマイクロホン４Ａをパラボラ型反射板４Ｂの焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くするようにした軸箱音検出装置４，５と、車輪検知装置１１〜１４からの情報を得る車輪検知手段と、前記軸箱音検出装置４，５と車輪検知手段からの出力情報を解析する解析装置２０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム及びその監視方法に関するものである。

従来、車両の車軸軸受に発生した損傷を発見するためには、軸箱毎に加速度ピックアップを取り付けて構内走行を行い、全軸箱の振動加速度を測定して解析を行う必要があった。

一方、音源を有する観測対象物に対して、音源と対向する位置にパラボラ反射器を配置し、このパラボラ反射器の焦平面上にマイクロホンアレイを配置し、このマイクロホンアレイの出力信号に基づいてパラボラ反射器の前方にある音圧の空間的分布を連続的に２次元画像にするようにした音源観測用音像可視化装置が提案されている（下記特許文献１参照）。

また、鉄道線路に沿って軌道脇にマイクロホンアレイ（音圧音場マイクロホンアレイ）〔ブリュエル・ケアー社製〕を配置して車両を通過させる、車両の異常監視システムも実施されている。
特開平６−１１３３８７号公報

しかしながら、かかる従来の車軸軸受損傷測定方法は、多数のマイクロホンの設置など多大な労力を必要とするという問題がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、鉄道車両の車軸軸受の車軸音を的確に検出することができる軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム及びその監視方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムにおいて、マイクロホンをレールの両側に配置するとともに、このマイクロホンをパラボラ型反射板の焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くするようにした軸箱音検出手段と、車輪検知装置からの情報を得る車輪検知手段と、前記軸箱音検出手段と車輪検知手段からの出力情報を解析する解析装置とを具備することを特徴とする。

〔２〕軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視方法において、マイクロホンをレールの両側に、パラボラ型反射板の焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くして軸箱音を測定することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記マイクロホンから出力される軸箱音に基づいて、軸箱衝撃音の固有振動数を帯域内に含むバンドパスフィルタの出力について、このバンドパスフィルタの中央周波数の周期の２倍の区間に両端が低減するハニング窓関数を乗じて、短時間ＲＭＳ値を求めることにより、軸箱衝撃音の周期を捕らえることを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕又は〔３〕記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記軸箱音に基づいて車軸軸受の軌道面損傷の解析を行うことを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕又は〔３〕記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記軸箱音に基づいて転動体の転動面の損傷の解析を行うことを特徴とする。

本発明によれば、レール近傍に指向性マイクロホンを取り付け、鉄道車両の軸箱から発生する音の監視を行い、車軸軸受に発生した損傷を自動的に在姿で発見することが可能である。したがって、測定時の労力削減が図られるとともに日常的に監視することにより鉄道車両の安全な走行に寄与することができる。また、編成毎の測定結果の履歴を蓄積する機能を有することにより、損傷、フラット等の進行の傾向を知ることが可能となり、測定精度の向上を図ることができる。

本発明の軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムは、マイクロホンをレールの両側に配置するとともに、このマイクロホンをパラボラ型反射板の焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くするようにした軸箱音検出手段と、車輪検知装置からの情報を得る車輪検知手段と、前記軸箱音検出手段と車輪検知手段からの出力情報を解析する解析装置とを具備する。よって、鉄道車両の車軸軸受の車軸音を的確に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムの指向性マイクロホンの配置を示す模式図であり、図１（ａ）はその平面模式図、図１（ｂ）はその側面模式図、図２はその軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムの全体ブロック図、図３はこの鉄道車両用車軸軸受監視システムでの測定時の指向性マイクロホンの出力タイムチャート、図４は本発明にかかるマイクロホンを焦点位置からオフセットした位置に置いた場合の指向性マイクロホンの機能を示す模式図、図５はそれに対する参照例としてのマイクロホンを焦点位置に置いた場合のマイクロホンの機能を示す模式図である。

図１において、１はレール、２は鉄道車両の車軸、３は鉄道車両の車輪、４，５は軸箱音検出装置である。この軸箱音検出装置４，５はマイクロホン４Ａ，５Ａをレール１の両側に配置するとともに、このマイクロホン４Ａ，５Ａがパラボラ型反射板４Ｂ，５Ｂの焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付けられている。これにより、軸箱音のみを取り込み、かつ軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くすることができる。なお、図１において、間隔ａ（５０００ｍｍ）は隣接する車両の車輪との間隔を示し、間隔ｂ（２５００ｍｍ）は車両の１台車内の車輪間隔を示している。

図２において、６，７は軸箱音検出装置（指向性マイクロホン）４，５に接続される軸箱音アンプ、８は軸箱音アンプ６，７に接続されるＡ／Ｄ変換器、９は編成情報、１１〜１４は測定対象の車輪（軸箱）３の位置、車両走行速度、車両走行方向を検出する車輪検知装置、１５〜１８は車輪検知装置１１〜１４に接続されるアンプ、１９はアンプ１５〜１８に接続されるインターフェース（デジタル入力装置）、２０はＡ／Ｄ変換器８とインターフェース１９からの情報及び編成情報９が入力されて、それらの情報に基づいて軸箱音の解析を行う解析装置、２１，２２は軸箱音アンプ６，７とＡ／Ｄ変換器８との間に接続されるバンドパスフィルタである。なお、バンドパスフィルタは解析装置内にデジタルフィルタとして構成するようにしてもよい。

初めに、本発明の車軸軸受監視方法について説明する。

〔Ａ〕測定の前提条件
まず、鉄道車両の軸箱とは、車軸の両端のジャーナル部に取り付けられ、軸箱体、軸受、潤滑装置、油切り、前ぶたなどで構成される。回転する車軸を保持すると同時に、上部の軸ばねを介して台車枠を支持するものである。

（１）車軸軸受軌道面（外輪、内輪）に損傷が発生した場合、軌道面損傷部分を軸受の転動体が通過する際に周期的な衝撃力が発生し、軸箱を加振するため軸箱から固有振動数の音が発生する。

（２）軌道面損傷による車輪１回転当りの衝撃の回数は、軸受型式（外輪径、内輪径、転動体径、転動体数など）により算出可能であり、車輪１回転当り８回〜１０回程度である。

（３）車輪踏面にはブレーキ時の滑走などで車輪踏面が平らに摩耗するフラットが発生することがある。ブレーキ時の滑走の発生は少なく、フラットが大きい場合には車輪を削正するためフラットのある車輪はまれであり、フラットがあってもその数は１車輪に１箇所程度である。フラットが発生した場合は、通常車輪１回転当り１回の比較的大きな衝撃力が発生し、軸箱・レールを加振する。また、フラットは１車軸の両側に付いている２個の車輪に同時に発生する。

（４）フラットは比較的大きな衝撃力を発生するため、軸箱から発生する音は大きい。

（５）測定中は軸箱からの音以外に、車両搭載機器の音や他の車両の音など周囲の音もマイクロホンに入力される。それら周囲の音の影響を低減するため、マイクロホンには指向性マイクロホンを使用して、測定対象の軸箱音のみを取り込むようにする。

（６）指向性マイクロホンの指向特性は狭いため、マイクロホンをレールに直角に設置すると測定時間が短くなり測定できない。そこで、指向性マイクロホンをレールに対して斜めに設置し、軸箱が測定可能区間に存在する時間を長くする。

（７）指向性マイクロホンは、軸箱に焦点を結ぶようにパラボラマイクロホンなどを使用する。パラボラマイクロホンは、通常、図５に示すように、パラボラ型反射板４Ｂの焦点位置にマイクロホン４Ａを置くことにより無限遠方の音源からの音を収束して増幅するように使用する。しかしながら、本発明では、車軸軸受監視に使用するために、図４に示すように軸箱位置にもう一方の焦点を結ぶようにマイクロホン４Ａをパラボラ型反射板４Ｂの焦点位置より音源側（軸箱側）にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込むようにする。

このように構成することにより、もう一方の焦点はパラボラ型反射板に対して前後に幅のある焦点域となりパラボラ型反射板による増幅量も低下するが、この焦点域を軸箱通過領域に合わせることにより測定対象の軸箱音のみを取り込むことができる。

〔Ｂ〕測定方法
（１）入力データ記録
（ａ）車輪検知装置１１または１４で編成の先頭車輪を検知することにより測定区間への編成の進入を検知して測定シーケンスを開始する。ここで、軸箱音検出装置４，５から検出される軸箱音のＡ／Ｄ変換器８によるＡ／Ｄ変換後の値と、車輪検知装置１１〜１４の出力の記録を始める。

（ｂ）車輪検知装置１１で測定シーケンスを開始した場合は車輪検知装置１４を通過した車輪の数、逆に車輪検知装置１４で測定シーケンスを開始した場合は、車輪検知装置１１を通過した車輪の数を計数して、１編成分の車輪数に達した場合に記録を終了する。

（２）データ記録後の解析
（ａ）車輪検知装置１１および１４の車輪検知順序から車両の進行方向を決定する。

図３は、車輪検知装置１１側から車両が通過する場合を示しているが、この図３においては、車輪検知装置１１の出力開始時点から次に来る車輪検知装置１４の出力終了時点の間を１軸測定区間（１軸測定時間）とする。なお、車輪検知装置１４側から車両が通過する場合においては、図示しないが、車輪検知装置１４の出力開始時点から次に来る車輪検知装置１１の出力終了時点の間を１軸測定区間（１軸測定時間）とする。

（ｂ）車輪検知装置１２または１３で車輪が判定区間に進入したことを検知して測定対象である軸箱の判定区間を決定するとともに、（ａ）で求めた進行方向から軸箱の部位（号車、軸位）を決定する。

なお、図３に示すように、車輪検知装置１１側から車両が通過する場合は、車輪が車輪検知装置１２を通過して車輪検知装置１３を通過する間（車輪検知装置１２の出力開始時点から次に来る車輪検知装置１３の出力終了時点の間）を測定対象の車輪の判定区間（判定時間）とする。また、車輪検知装置１４側から車両が通過する場合においては、図示しないが、車輪が車輪検知装置１３を通過して車輪検知装置１２を通過する間を測定対象の車輪の判定区間（判定時間）として測定する。

（ｃ）車輪検知装置１１〜１４の出力の時間差と車輪検知装置１１〜１４間の距離から測定区間走行中の車輪の走行速度を決定する。

（ｄ）判定区間走行中の車輪の位置と走行速度および軸箱音検出装置４，５で測定した音の大きさから後述する解析方法で軌道面損傷に起因する音を検出し、軌道面損傷の有無の推定を行い、軸受軌道面の健全／要調査の判定を行う。

（３）解析後処理
（ａ）軸箱毎の軌道面損傷の有無（可能であれば軌道面損傷の大きさ）および健全／要調査の判定結果を表示する。

（ｂ）判定結果と入力データを履歴データとして保存し、測定シーケンスを終了する。

〔Ｃ〕解析方法
図６は本発明の実施例を示す判定区間の衝撃音の波形と詳細なタイムチャート、図７にそのＲＭＳ値計算区間の関係を示す図である。

これらの図を参照しながら、軌道面損傷の解析方法を述べる。

図６においては、（ａ）は上記判定区間における軸箱音検出装置４，５の出力であり、（ｂ）は軸箱音アンプ６，７の出力をバンドパスフィルタ２１，２２に通した後の出力である。つまり、軸箱音検出装置４，５の出力を、軸箱音の固有振動数を帯域内に含むバンドパスフィルタ２１，２２に通すことにより、軸箱音のＳ／Ｎ比を向上させ、軸箱衝撃音を正確に捕らえることが可能になる。

また、軸受軌道面に発生した損傷に起因する軸箱衝撃音は、前提条件としても示した通り、車輪１回転当り８回〜１０回程度の比較的小さな振動であり、車輪が測定区間である車輪検知装置１１から車輪検知装置１４を通過するまでに１０回〜１６回程度観測することができる。

そこで、以下の方法により軌道面損傷を検出する。

（ａ）測定対象の軌道面損傷に起因する軸箱衝撃音の測定に対するＳ／Ｎ比を高めるため、軸箱音アンプ６，７からの出力を軸箱衝撃音の固有振動数を帯域内に含むバンドパスフィルタ２１，２２に通す。

（ｂ）車輪が測定区間を走行している間の軸箱音アンプ６，７の出力が入力されたバンドパスフィルタ２１，２２の出力について、バンドパスフィルタ２１，２２の中央周波数の周期の２倍の区間に両端が低減するハニング窓関数などを乗じた短時間ＲＭＳ値を順次求める〔図６（ｃ）、図７参照〕。つまり、図７に示すように、バンドパスフィルタ２１，２２の出力について、バンドパスフィルタ２１，２２の中央周波数の周期の２倍の区間に両端が低減するハニング窓関数などを乗じて短時間ＲＭＳ値を求めることにより、軸箱衝撃音の周期を鋭く捕らえることができる。このことは、軸箱音検出装置４，５の出力から求めたＲＭＳ値〔図６（ａ）〕と、バンドパスフィルタ２１，２２の出力から求めたＲＭＳ値〔図６（ｃ）〕とを比較すれば明らかである。つまり、図６（ｃ）に示すＲＭＳ値がより精確、かつ鋭敏に軸箱衝撃音を捕らえていることがわかる。

（ｃ）求めた測定区間走行中の軸箱音検出装置４，５の短時間ＲＭＳ値の時刻列についてそれぞれＦＦＴ解析などの周波数分析を行う。

（ｄ）測定区間内のＡ側またはＢ側（図６参照）の周波数分析結果に、走行速度と車輪径、軸受型式から算出できる軌道面損傷に起因する軸箱衝撃音間隔（周波数）に相当するピークが有るか否か、ピークが有る場合は、そのピークの値が判定レベルを超過しているかどうかを確認する。ピークが有り、さらにそのピーク値が判定レベルを超えている場合、軌道面損傷が発生していると判定する。

（ｅ）走行速度と車輪径、軸受型式から算出できる軌道面損傷に起因する軸箱衝撃音間隔（周波数）の許容変動幅は、車輪径、軸受型式を検修記録などから知ることができる場合はその車輪径を使用して許容変動幅を狭くする。しかし、車輪径、軸受型式が不明の場合は、車輪径は設計値の上限値から下限値内に有り、軸受型式による軸箱衝撃音間隔の変動は各軸受型式の平均値として、軸箱衝撃音間隔（周波数）の許容変動幅を広くする。

〔Ｄ〕測定履歴記録
上記した軌道面損傷の有無の判定、編成情報９（編成番号、号車、軸箱位置、車軸毎の車輪径、軸箱毎の軸受型式等）および実測定データを測定履歴として記録する。次回以降の測定時にこのデータと比較することにより、軌道面損傷の進行の傾向および定常時の軸箱音の変動傾向を知ることが可能となり、測定精度の向上が期待できる。

〔Ｅ〕転動体損傷の検出
軸箱衝撃音は、通常は軸受軌道面損傷によって発生するが、そのほかに転動体の転動面損傷（車輪踏面損傷）（前述したフラット）によっても発生する。これについても、同様の方法で軸箱衝撃音間隔（周波数）を求めることにより検出が可能である。なお、上記した図３（図６，図７も同様）における飛び出した部分がフラットを表している。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム及びその監視方法は、鉄道車両の車軸軸受の軸箱音を的確に検出することができる鉄道車両用車軸軸受監視のツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示す軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムの指向性マイクロホンの配置を示す模式図である。 本発明の実施例を示す軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システムの全体ブロック図である。 本発明の実施例を示す鉄道車両用車軸軸受監視システムでの測定時の指向性マイクロホンの出力タイムチャートである。 本発明にかかるマイクロホンを焦点位置からオフセットした位置に置いた場合の指向性マイクロホンの機能を示す模式図である。 参照例としてのマイクロホンを焦点位置に置いた場合のマイクロホンの機能を示す模式図である。 本発明の実施例を示す判定区間の衝撃音の波形との詳細なタイムチャートである。 本発明の実施例を示すＲＭＳ値計算区間の関係を示す図である。

符号の説明

１ レール
２ 鉄道車両の車軸
３ 鉄道車両の車輪
４，５ 軸箱音検出装置（指向性マイクロホン）
４Ａ，５Ａ マイクロホン
４Ｂ，５Ｂ パラボラ型反射板
６，７ 軸箱音アンプ
８ Ａ／Ｄ変換器
９ 編成情報
１１〜１４ 車輪検知装置
１５〜１８ アンプ
１９ インターフェース（デジタル入力装置）
２０ 解析装置
２１，２２ バンドパスフィルタ

Claims (5)

1. （ａ）マイクロホンをレールの両側に配置するとともに、該マイクロホンをパラボラ型反射板の焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くするようにした軸箱音検出手段と、
   （ｂ）車輪検知装置からの情報を得る車輪検知手段と、
   （ｃ）前記軸箱音検出手段と車輪検知手段からの出力情報を解析する解析装置とを具備することを特徴とする軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視システム。
2. マイクロホンをレールの両側に、パラボラ型反射板の焦点位置より軸箱側にオフセットして取り付け、軸箱音のみを取り込み、かつ前記軸箱が測定可能区間に存在する時間をより長くして軸箱音を測定することを特徴とする軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視方法。
3. 請求項２記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記マイクロホンから出力される軸箱音に基づいて、軸箱衝撃音の固有振動数を帯域内に含むバンドパスフィルタの出力について、該バンドパスフィルタの中央周波数の周期の２倍の区間に両端が低減するハニング窓関数を乗じて、短時間ＲＭＳ値を求めることにより、軸箱衝撃音の周期を捕らえることを特徴とする軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視方法。
4. 請求項２又は３記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記軸箱音に基づいて車軸軸受の軌道面損傷の解析を行うことを特徴とする軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視方法。
5. 請求項２又は３記載の鉄道車両用車軸軸受監視方法において、前記軸箱音に基づいて転動体の転動面の損傷の解析を行うことを特徴とする軸箱音測定による鉄道車両用車軸軸受監視方法。

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