JP2012111480A - まくらばね系の異常検出方法及び異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の運行中に適切に異常を検出可能なまくらばね系の異常検出方法等を提供する。
【解決手段】鉄道車両の車体１０と台車２０，３０との間に設けられるまくらばね系２４，３４の減衰要素２４ａ，３４ａの異常検出方法を、車体の上下方向加速度、及び、ピッチング方向加速度を検出し、上下方向加速度とピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の車体と台車との間に設けられるまくらばね系の異常検出方法及び異常検出装置に関するものである。

一般的な鉄道車両は、輪軸を支持する軸箱と台車枠との間に設けられる１次ばね系、及び、台車枠と車体との間に設けられる２次ばね系を備えている。
２次ばね系は、空気ばね等のばね要素であるまくらばね、及び、まくらばねの伸縮に応じて減衰力を発生するまくらばねダンパを備えている。
また、例えば空気ばね等からなるまくらばね自体が減衰要素を兼ねている場合もある。

鉄道車両の安全性や乗り心地を確保するため、上述したようなまくらばね系の減衰要素が減衰力を発生しなくなったり、空気ばねの圧力低下等のまくらばね系の異常を適切に検出することが要望されている。
鉄道車両の台車の異常検出に関する従来技術として、例えば特許文献１には、台車に設けた加速度検出手段の出力が所定の閾値以上となった場合に異常を判定することが記載されている。
また、特許文献２には、台車等の振動加速度を等距離間隔でサンプリングし、バンドパスフィルタ処理後２乗した平均加速度パワーの変化に基づいて異常を判定することが記載されている。

特開２０００−６８０７号公報 特許第４２５２２７１号公報

例えば、上述したような台車の異常検出に関する従来技術をまくらばね系に適用して、車体の振動加速度の変化に基づいてまくらばね系の減衰要素及びばね要素の異常検出を行なうことも考えられる。
しかし、減衰要素やばね要素が故障したとしてもそれによる車体の加速度変化自体は微小である場合が多く、このような手法において適切な検出を行うためには閾値を相当に小さくする必要があるものと考えられる。しかし、このように閾値を小さくすると、例えば軌道不整の大きい箇所を通過する場合などに、減衰要素やばね要素が正常であるにも関わらず異常であると誤判定されることが懸念される。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、車両の運行中に適切に異常を検出可能なまくらばね系の異常検出方法及び異常検出装置を提供することである。

上述した問題を解決する本発明のまくらばね系の異常検出方法は、鉄道車両の車体と台車との間に設けられるまくらばね系の異常検出方法であって、車体の上下方向加速度、及び、ピッチング方向加速度を検出し、前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断することを特徴とする。
ここで、まくらばね系はばね要素及び減衰要素を含み、減衰要素とは、ばね要素とは別に設けられた油圧緩衝器などのダンパに限らず、例えば空気ばねであるばね要素自体が減衰要素を兼ねたものも含むものとする。
これによれば、まくらばね系の正常、異常に応じて、車体の上下方向加速度とピッチング方向加速度との位相差は変化することから、この位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断することによって、車両の運行中に適切にまくらばね系の異常を検出することができる。
本発明において、前記位相差が前記許容範囲を外れた方向に基づいて、異常が発生したまくらばね系の部位を特定する構成とすることができる。

本発明において、前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度から予め設定された所定の周波数帯域の成分を抽出し、抽出後の前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断する構成とすることができる。
これによれば、正常時と異常時とで位相差が大きくなりやすい周波数帯域を抽出することによって、より適切にまくらばね系の異常を検出することができる。
この場合において、前記所定の周波数帯域は、車体の上下並進モードの振動の固有振動数を含むように設定される構成とすることができる。
これによれば、車体の上下並進モードの固有振動数は、まくらばね系が正常時と異常時とで位相差に違いが生じやすいため、異常検出をより確実に行なうことができる。
この場合において、前記所定の周波数帯域を、走行速度の増加に応じて高周波数側へ推移させる構成とすることができる。
これによれば、走行速度が変化して、まくらばね系が正常時と異常時とで位相差に違いが生じやすい周波数帯域が変化した場合であっても、適切に異常検出を行うことができる。

本発明において、予め求められた正常時の走行速度と前記位相差との相関を用いて、前記位相差と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正する構成とすることができる。
これによれば、位相差は正常時であっても走行速度に依存する傾向があるが、このような影響を低減して適切に異常検出を行なうことができる。

本発明において、前記所定の周波数帯域の成分を抽出後の前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度を符号に変換し、前記上下方向加速度の符号と前記ピッチング方向加速度の符号との不一致率に基づいて前記位相差を検出する構成とすることができる。
これによれば、上下方向加速度及びピッチング方向加速度の符号の不一致率を、位相差の大きさを示すパラメータ（近似的位相差）として利用することによって、演算負荷を軽減し、比較的簡素な機器によって演算したり、高速に演算することが可能となる。
この場合において、前記符号の不一致率が許容範囲を外れた場合に異常と判断するとともに、予め求められた正常時の走行速度と前記不一致率との相関を用いて、前記不一致率と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正する構成とすることができる。
これによれば、符号の不一致率の走行速度への依存の影響を低減して適切に異常検出を行なうことができる。

本発明において、前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度の相互相関関数をフーリエ変換したクロススペクトルに基づいて前記位相差を求める構成とすることができる。
これによれば、演算負荷は符号不一致率を求める場合に対して増大するものの、異常の検出精度を高めることができる。

本発明において、走行速度が予め設定された異常検出速度範囲に含まれる場合に異常検出を行うとともに、走行速度が前記異常検出速度範囲から外れた場合に異常検出を停止する構成とすることができる。
これによれば、例えば低速走行時などの本発明の手法による異常検出が困難な場合に、誤検出などがなされることを防止できる。

また、上述した問題を解決する本発明のまくらばね系の異常検出装置は、鉄道車両の車体と台車との間に設けられるまくらばね系の異常検出装置であって、車体の上下方向加速度、及び、ピッチング方向加速度を検出する車体挙動検出手段と、前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断する異常検出手段とを備えることを特徴とする。
本発明において、前記異常検出手段は、前記位相差が前記許容範囲を外れた方向に基づいて、異常が発生したまくらばね系の部位を特定する構成とすることができる。

本発明において、前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度から予め設定された所定の周波数帯域の成分を抽出する周波数帯域抽出手段を備え、前記異常検出手段は、前記抽出後の前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断する構成とすることができる。
この場合において、前記所定の周波数帯域は、車体の上下並進モードの振動の固有振動数を含むように設定される構成とすることができる。
この場合において、前記周波数帯域抽出手段は、前記所定の周波数帯域を、走行速度の増加に応じて高周波数側へ推移させる構成とすることができる。

本発明において、前記異常検出手段は、予め求められた正常時の走行速度と前記位相差との相関を用いて、前記位相差と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正する構成とすることができる。

本発明において、前記所定の周波数帯域の成分を抽出後の前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度を符号に変換する変換手段を備え、前記異常検出手段は、前記上下方向加速度の符号と前記ピッチング方向加速度の符号との不一致率に基づいて前記位相差を検出する構成とすることができる。
この場合において、前記異常検出手段は、前記符号の不一致率が許容範囲を外れた場合に異常と判断するとともに、予め求められた正常時の走行速度と前記不一致率との相関を用いて、前記不一致率と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正する構成とすることができる。

本発明において、前記異常検出手段は、前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度の相互相関関数をフーリエ変換したクロススペクトルに基づいて前記位相差を求める構成とすることができる。

本発明において、前記異常検出手段は、走行速度が予め設定された異常検出速度範囲に含まれる場合に異常検出を行うとともに、走行速度が前記異常検出速度範囲から外れた場合に異常検出を停止する構成とすることができる。

本発明において、前記車体挙動検出手段は、車両の進行方向に離間して配置され前記車体の上下方向加速度を検出する複数の加速度センサ、及び、前記複数の加速度センサの出力に基づいて前記車体のピッチング方向加速度を演算するピッチング方向加速度演算手段を備える構成とすることができる。

本発明において、前記車体挙動検出手段は、前記車体の上下方向加速度を検出する加速度センサと、前記車体のピッチング方向加速度を検出する角速度センサとを有する構成とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、車両の運行中に適切に異常を検出可能なまくらばね系の異常検出方法及び異常検出装置を提供することができる。

本発明を適用したまくらばね系の異常検出装置の第１実施形態の構成を示す模式図である。 まくらばねダンパが正常又は異常である場合の車体の上下方向加速度とピッチング方向加速度の位相差の一例を示すグラフである。 上下並進モード及びピッチングモードの車体の加速度履歴の一例を示すグラフである。 バンドパスフィルタ通過後の上下並進モード及びピッチングモードの車体の加速度履歴の一例を示すグラフである。 バンドパスフィルタ通過後の上下並進モード及びピッチングモードの車体の加速度の符号の履歴の一例を示すグラフである。 バンドパスフィルタ通過後の上下並進モード及びピッチングモードの車体の加速度の符号の排他的論理和（ＸＯＲ）の履歴の一例を示すグラフである。 上下並進モード及びピッチングモードの車体の加速度の符号の排他的論理和（ＸＯＲ）をローパスフィルタに通して平均化した値（符号不一致率）の一例を示すグラフである。 正常時及び異常時における符号不一致率の推移の一例を示すグラフであって、まくらばねダンパがセミアクティブダンパである場合を示すものである。 正常時及び異常時における符号不一致率の推移の一例を示すグラフであって、まくらばねダンパがパッシブダンパである場合を示すものである。 本発明を適用したまくらばね系の異常検出装置の第２実施形態の構成を示す模式図である。 車両の走行速度に応じた車体の上下方向加速度とピッチング方向加速度の位相差の変化の一例を示すグラフである。 まくらばねダンパ正常時における符号不一致率と走行速度との関係を示すグラフである。 正常時、第１台車右異常時、第２台車右異常時における符号不一致率の推移の一例を示すグラフである。 図１３のデータを、図１２に示す近似関数を基準とした相対値としたものを示すグラフである。 符号不一致率の変動に応じて閾値を変化させる場合の一例を示すグラフである。

＜第１実施形態＞
以下、本発明を適用したまくらばね系の異常検出方法、及び、この異常検出方法に用いられる異常検出装置の第１実施形態について説明する。
図１に示すように、異常検出装置１００が設けられる鉄道車両１は、車体１０の前後に一対のボギー台車である第１台車２０、第２台車３０を備えたボギー車である。
車体１０は、床部に設けられる台枠の上部に側構、妻構、屋根構などを設けてほぼ六面体状に構成されている。

第１台車２０及び第２台車３０は、車両１の進行方向前方側から順次配置されている。
第１台車２０は、台車枠２１、第１輪軸２２、第２輪軸２３、２次ばね系２４等を備えて構成されている。
台車枠２１は、第１輪軸２２及び第２輪軸２３が軸箱及び軸箱支持装置を介して取り付けられる枠状の構造部材である。
第１輪軸２２、第２輪軸２３は、車軸の両端部に、一対の車輪を固定したものである。
第１輪軸２２、第２輪軸２３は、車両１の進行方向前方側から順次配置されている。
第１輪軸２２、第２輪軸２３は、車軸の両端部を図示しない軸箱によって支持されている。軸箱は、軸受及び潤滑装置などを備えている。
軸箱は、図示しない軸箱支持装置を介して、台車枠２１に対して上下方向等に相対変位可能に支持されている。
軸箱支持装置には、台車枠２１に対する軸箱の上下方向変位に応じたばね反力を発生する軸ばね、及び、軸ばねの伸縮速度に応じた減衰力を発生する軸ダンパからなる１次ばね系が設けられる。

第２台車３０は、台車枠３１、第３輪軸３２、第４輪軸３３、２次ばね系３４等を備えて構成されている。
台車枠３１は、第３輪軸３２及び第４輪軸３３が軸箱及び軸箱支持装置を介して取り付けられる枠状の構造部材である。
第３輪軸３２、第４輪軸３３は、車軸の両端部に、一対の車輪を固定したものである。
第３輪軸３２、第４輪軸３３は、車両１の進行方向前方側から順次配置されている。
第３輪軸３２、第４輪軸３３は、車軸の両端部を図示しない軸箱によって支持されている。軸箱は、軸受及び潤滑装置などを備えている。
軸箱は、図示しない軸箱支持装置を介して、台車枠３１に対して上下方向等に相対変位可能に支持されている。
軸箱支持装置には、台車枠３１に対する軸箱の上下方向変位に応じたばね反力を発生する軸ばね、及び、軸ばねの伸縮速度に応じた減衰力を発生する軸ダンパからなる１次ばね系が設けられる。

第１台車２０及び第２台車３０の台車枠２１，３１は、２次ばね系２４，３４を介して、車体１０の下部に取り付けられている。
２次ばね系２４，３４は、図示しないまくらばね及びこのまくらばねと並行に設けられたまくらばねダンパ２４ａ，３４ａを備えている。
まくらばねは、車体１０に対する台車枠２１，３１の上下方向相対変位に応じたばね反力を発生する例えば空気ばね等のばね要素である。
まくらばねダンパ２４ａ，３４ａは、車体１０に対する台車枠２１，３１の上下方向相対速度に応じた減衰力を発生する例えば油圧式緩衝器等の減衰要素である。
また、まくらばねダンパ２４ａ，３４ａは、図示しない上下制振システムからの指令に応じて、減衰力特性を走行中に随時変更可能なセミアクティブダンパとなっている。
まくらばね及びまくらばねダンパ２４ａ，３４ａは、各台車枠２１，３１において、枕木方向に離間して例えば一対が設けられている。

第１実施形態の異常検出装置１００は、上述したまくらばねダンパ２４ａ，３４ａが正常に減衰力を発生しなくなる異常を検出するものである。
異常検出装置１００は、処理装置１１０、加速度センサ１２１，１２２等を備えて構成されている。
処理装置１１０は、例えば情報処理装置であるＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、磁気ディスク装置や光学ディスク装置などの記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバスなどを備えている。
処理装置１１０は、各センサからの信号を後述するように処理し、異常の検出を行う異常検出手段である。
加速度センサ１２１，１２２は、車体１０の左右中心線上において前後方向に離間して配置され、車体１０の上下方向の加速度を検出する加速度ピックアップを備えている。
加速度センサ１２１，１２２は、例えば、車体１０の床下に吊下げられて配置されている。
加速度センサ１２１は、第１台車２０の近傍に配置されている。
加速度センサ１２２は、第２台車３０の近傍に配置されている。
加速度センサ１２１，１２２の出力信号は、処理装置１１０に伝達される。

以下、第１実施形態におけるまくらばねダンパの異常検出方法について説明する。
この異常検出方法は、車両１の走行速度が予め設定された異常検出可能範囲に含まれる場合に、以下の手順を行う。
（１）加速度センサ１２１，１２２で、車体１０における進行方向に離間した２点の上下加速度を測定する。
（２）加速度センサ１２１，１２２がそれぞれ検出した上下加速度を、上下並進モードの加速度とピッチングモードの加速度とに分離する。
（３）車両の進行方向に合わせて、ピッチングモードの加速度の符号を変える。
（４）後述する特定の周波数における、上下並進モードの加速度とピッチングモードの加速度との位相差を検出する。この特定の周波数とは、正常時と異常時とで位相差に大きな違いが生じる周波数であり、予め実験等によって得ておく。
（５）位相差が予め設定した許容範囲を外れた場合、まくらばねダンパ２４ａ，３４ａに異常があると判断する。
このとき、許容範囲をプラス側、マイナス側のどちらに超えたかによって、第１台車２０、第２台車３０のいずれかのまくらばねダンパ２４ａ，３４ａに異常が発生したかを判断する。

また、上述した位相差の演算は、例えば、上下方向加速度及びピッチング方向加速度の相互相関関数をフーリエ変換したクロススペクトルに基づいて行うことも可能であるが、第１実施形態においては、計算処理の負荷を小さくするために、以下の方向によって近似的に位相差を求めている。
（１）上下方向加速度とピッチング方向加速度をそれぞれバンドパスフィルタに通すことで、特定の周波数の成分を抽出する。
（２）バンドパスフィルタ通過後の上下方向加速度とピッチング方向加速度を、０を閾値として二値化する。例えば、符号が正であれば１、負であれば０とする。
（３）二値化された上下方向加速度とピッチング方向加速度との排他的論理和（ＸＯＲ）をとる。これによって、各タイミングにおいて、上下方向加速度とピッチング方向加速度の符号が一致するか否かが求まる。
（４）上述した排他的論理和について、所定の一定時間内における平均値を求めるか、あるいは、ローパスフィルタを通して平滑化することによって、上下方向加速度とピッチング方向加速度の符号不一致率が求まる。
ここで、上下方向加速度とピッチング方向加速度が周期信号である場合、両者の位相差が０°であれば、符号不一致率は０となる。また、位相差が±１８０°であれば、符号不一致率は１となる。実際には上下方向加速度とピッチング方向加速度は完全な周期信号にはならないが、この符号不一致率は、位相差を近似的に表現するパラメータとして用いることができる。

以下、１車両モデルによる数値シミュレーション結果について説明する。
このシミュレーションにおいては、例えば７５ｋｍ／ｈ走行時の軸箱における上下加速度の実測波形を、車両モデルに入力した。この車両モデルにおいて、まくらばねダンパ２４ａ，３４ａは、走行中に減衰特性を変更可能な可変減衰ダンパとし、公知の上下制振システムによる制御状態を模擬した。また、まくらばねダンパ２４ａ，３４ａの異常状態は、可変減衰ダンパが最小減衰に固定された状態とした。

先ず、正常時と異常時とで位相差に大きな違いの生じる周波数を調べ、異常検出において注目する周波数帯域を決定する。
図２は、車体の上下並進モードとピッチングモードの振動の位相差をクロススペクトルから求めた結果を示すグラフであって、横軸は周波数を示し、縦軸は位相差を示している。また、図２において、正常時、第１台車２０の右のまくらばねダンパ２４ａ故障時、第２台車３０の右のまくらばねダンパ３４ａ故障時のデータを、それぞれ実線、点線、一転鎖線によって図示している。
図２に示すように、車体１０の固有振動数付近でもある１．５Ｈｚ付近において、正常と異常とで位相差が顕著に異なっている。
そこで、第１実施形態においては、この１．５Ｈｚ近傍の周波数成分を用いて異常を検出することにする。

図３は、加速度センサ１２１，１２２が検出した車体１０の２点の上下加速度を、モード分離して求めた加速度の推移の一例を示すグラフである。
図３（ａ）は上下並進モードの加速度を示し、図３（ｂ）は、ピッチングモードの加速度を示している。
図３（ａ）、図３（ｂ）は、いずれも縦軸が加速度を示し、横軸が時間を示している。

図４は、図３に示す加速度を、１．５Ｈｚ近傍を通過させるバンドパスフィルタに通過させた結果を示すグラフである。
図４（ａ）は上下並進モードの加速度を示し、図４（ｂ）は、ピッチングモードの加速度を示している。
図４（ａ）、図４（ｂ）は、いずれも縦軸が加速度を示し、横軸が時間を示している。

図５は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すバンドパスフィルタ通過後の上下並進モード及びピッチングモードの加速度を、上述したように０を閾値として２値化した加速度符号の履歴を示すグラフである。
図５（ａ）は、上下並進モードの加速度符号を示し、図５（ｂ）はピッチングモードの加速度符号を示している。
図５（ａ）、図５（ｂ）は、いずれも縦軸が加速度符号を示し、横軸が時間を示している。

図６は、図５に示す上下並進モードの加速度符号と、ピッチングモードの加速度符号との排他的論理和（ＸＯＲ）の履歴を示すグラフである。
図６において、縦軸は加速度符号の排他的論理和（１：異符号、０：同符号）を示し、横軸は時間を示している。

図７は、図６に示す排他的論理和をローパスフィルタに通して、所定期間内の平均値とした結果（符号不一致率）の履歴を示すグラフである。
図７は、縦軸が符号不一致率を示し、横軸が時間を示している。
この符号不一致率は、上下並進モードとピッチングモードの加速度の近似的な位相差を表すものである。

上述した車両モデルを用いて、正常時と異常時との符号不一致率の計算を行った結果を図８に示す。
図８は、縦軸が符号不一致率を示し、横軸が時間を示し、正常状態、第１台車２０の右まくらばねダンパ２４ａ異常状態、第１台車２０の左まくらばねダンパ２４ａ異常状態、第２台車３０の右まくらばねダンパ３４ａ異常状態、第２台車３０の左まくらばねダンパ３４ａ異常状態を、それぞれ実線、点線、一点鎖線、二点鎖線、三点鎖線で図示している（後述する図９において同様）。

図８に示すように、符号不一致率は正常時には０．５５近傍で安定しているが、第１台車２０のまくらばねダンパ２４ａが異常の場合、符号不一致率（近似位相差）が正常より大きく、また、第２台車３０のまくらばねダンパ３４ａが異常の場合、符号不一致率が正常より小さくなっていることがわかる。
この場合、例えば、０．５から０．６を許容範囲と設定すれば、これを外れた場合に異常と判断し、さらに許容範囲のどちら側に外れたかによって、まくらばねダンパ２４ａ，３４ａのどちらの異常かを特定することができる。
なお、ここではフィルタの初期値を０．５５としたため、計算開始（０秒）はいずれも０．５５になっている。

また、図９は、まくらばねダンパを減衰力特性固定式のパッシブダンパとした場合の計算結果を示すグラフである。
図９に示すように、図８に示す上下制振制御状態に対して、正常時と異常時との差は縮小するものの、傾向としては共通しており、閾値を適切に設定することによって、まくらばねダンパの異常を台車単位で検出することが可能である。

以上説明したように、第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）まくらばねダンパ２４ａ，３４ａの正常、異常に応じて、車体１０の上下方向加速度とピッチング方向加速度との位相差は変化することから、この位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断することによって、車両１の運行中に適切にまくらばねダンパ２４ａ、３４ａの異常を検出することができる。
さらに、位相差が許容範囲のどちら側に外れたかによって、まくらばねダンパ２４ａ、３４ａのいずれの異常かを判別することができる。
（２）上下方向加速度とピッチング方向加速度を、正常時と異常時との差が大きい１．５Ｈｚ近傍のバンドパスフィルタを通過させてから異常検出に用いることによって、より適切にまくらばねダンパ２４ａ，３４ａの異常を検出することができる。
（３）バンドパスフィルタ通過後の上下方向加速度とピッチング方向加速度の符号不一致率を、位相差の大きさを示すパラメータ（近似的位相差）として利用することによって、演算負荷を軽減し、比較的簡素な機器によって演算したり、高速に演算することが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用したまくらばね系の異常検出装置の第２実施形態について説明する。
なお、以下説明する各実施形態の説明において、従前の実施形態と実質的に共通する箇所には同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
第２実施形態の異常検出装置１００Ａは、第１実施形態の加速度センサ１２１，１２２に代えて、車体１０床下中央部に配置された加速度センサ１２３及びジャイロセンサ１３０を備えたものである。

第１実施形態においては、一対の加速度センサ１２１，１２２が検出する上下加速度のモード分離によって上下並進モード及びピッチングモードの加速度を検出しているが、第２実施形態においては、加速度センサ１２３によって上下並進モードの加速度を検出し、ジャイロセンサ１３０によってピッチング方向の角加速度を検出する構成としている。
以上説明した第２実施形態においても、上述した第１実施形態の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明を適用したまくらばね系の異常検出装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態においては、まくらばね系の正常時と異常時とで位相差に違いが生じやすい周波数帯域は、車体の上下並進モードの振動の固有振動数前後であることに鑑み、この固有振動数前後の周波数帯域をバンドパスフィルタで抽出し、異常検出を行なう構成とした。この場合、上述した各実施形態のように、クロススペクトルの位相差を求めてカットオフ周波数を決定することは、必ずしも必要ではなくなる。

図１１は、車両の走行速度に応じた車体の上下方向加速度とピッチング方向加速度の位相差の変化の一例を示すグラフである。
図１１に示すように、位相差は、ある周波数を境に１８０°反転し、その周波数は走行速度に比例することがわかっている。
このため、バンドパスフィルタで抽出する周波数帯域が一定である場合、走行速度によっては反転した両方の位相差が混在し、安定した符号不一致率が得られない。

そこで、第３実施形態においては、バンドパスフィルタのカットオフ周波数を走行速度に比例して変化させるようにしている。
このように、走行速度に応じてカットオフ周波数が推移するフィルタは、例えば、カットオフ周波数が異なる２つのバンドパスフィルタを設計し、これらのフィルタ係数の間を線形補間することによって、近似的に実現することが可能である。このような手法を用いると、例えばフィルタ係数を毎回計算するよりも演算負荷を軽減することができる。
このようなフィルタの構成の一例を、式１乃至式３に示す。

ここで、ｘはフィルタ通過前の信号、ｙはフィルタ通過後の信号、ａ_１及びｂ_１は低速度用フィルタの係数、ａ_２及びｂ_２は高速度用フィルタの係数、ζは補間係数である。
なお、このように走行速度に応じて抽出する周波数帯域を変化させる場合であっても、例えば走行速度が極低速の場合等には、本手法による異常検出は困難である。
そこで、第３実施形態においては、走行速度が所定値以上の場合にのみ異常検出を行なうとともに、所定値未満の場合には異常検出を停止するようにしている。

また、符号並びに符号不一致率は、正常時であっても走行速度に依存して変動する傾向があり、この変動が異常の判別を困難にする場合があった。
そこで、第３実施形態においては、走行速度と符号不一致率との関係を予め取得した走行データに基づいて関数で近似し、この近似関数を基準として相対化した符号不一致率を評価値とすることによって、走行速度による影響を低減し、異常検出精度を高めている。

図１２は、走行試験で取得したダンパ正常時の符号不一致率と走行速度との関係を示すグラフである。平均的な傾向を把握するために、符号不一致率、走行速度ともに移動平均化処理を施している。
図１２からは、符号不一致率が走行速度に依存し、低速になるほど大きくなる傾向がみられる。
ここで、走行速度ｖ（ｔ）と符号不一致率ｙ（ｔ）の関係を、式４のように２次関数で近似する。

ｙ_ｏ＝ａｖ（ｔ）^２＋ｂｖ（ｔ）＋ｃ ・・（式４）

図１２の場合には、図１２に太実線にて示す近似関数（式５）が得られた。

ｙ_ｏ＝0.0020797v²−0.0359v＋1.8268 ・・（式５）

図１３は、正常時、第１台車右異常時、第２台車右異常時における符号不一致率の推移の一例を示すグラフである。
図１４は、図１３のデータを、図１２に示す近似関数を基準とした相対値としたものを示すグラフである。
図１４のように、近似関数ｙ_０（ｔ）からの相対符号不一致率ｙ_ｒ（ｔ）を用いて異常検出を行なうことによって、走行速度への符号不一致率の依存の影響を抑制し、異常検出精度を向上することが可能である。
この相対符号不一致率ｙ_ｒ（ｔ）を式６に示す。

ｙ_ｒ（ｔ）＝ｙ（ｔ）−ｙ_ｏ（ｔ）
＝ｙ（ｙ）−（ａｖ（ｔ）^２＋ｂｖ（ｔ）＋ｃ） ・・（式６）

また、符号不一致率を相対値とすることに代えて、異常検出に用いられる閾値（許容範囲）を走行速度に応じて変動させてもよい。
図１５は、符号不一致率の変動に応じて閾値を変化させる場合の一例を示すグラフである。
図１５に示す例においては、閾値を正常時の符号不一致率の近似関数ｙ_０からの相対値としている。
これによって、閾値は走行速度に応じて変化し、符号不一致率の変動に沿うように閾値を変化させることができる。

以上説明した第３実施形態においては、上述した各実施形態の効果と実質的に同様の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（１）車体の上下振動の固有振動数前後の周波数帯域を抽出して異常検出に用いることによって、異常検出を確実に行なうことができる。
（２）抽出する周波数帯域を走行速度に比例して高周波数側に推移させることによって、走行速度の変化に関わらず適切な異常検出を行なうことができる。
（３）このようなバンドパスフィルタを、カットオフ周波数が異なった複数のフィルタの係数を線形補間して構成することによって、演算負荷を低減することができる。
（４）走行速度が所定値以下では異常検出を停止することによって、例えば本手法による異常検出に適さない極低速時等に異常検出を行なって誤検出などが生じることを防止できる。
（５）走行速度に応じて、符号不一致率又は閾値を補正することによって、符号不一致率の走行速度への依存の影響を低減して異常検出精度を高めることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、異常検出方法及び異常検出装置の詳細な構成は、上述した各実施形態のものに限らず、適宜変更することができる。
例えば、各実施形態では上下方向加速度とピッチング方向加速度を二値化した後、符号不一致率に基づいて異常の判定を行っているが、これに限らず、例えばクロススペクトルを用いて位相差を演算し、この位相差が許容範囲を外れた場合に異常を判定してもよい。
また、上下方向加速度及びピッチング方向加速度を検出する各センサの種類や配置なども特に限定されない。
また、本発明は、まくらばねと独立して設けられるまくらばねダンパの異常検出に限らず、まくらばねの異常検出や、例えば空気ばね等のまくらばね自体が減衰要素を兼ねる場合には、その異常検出にも用いることができる。
例えば、本発明を利用して、まくらばね用の空気ばねの圧力低下を検出することができる。
また、第３実施形態では、符号不一致率又は閾値を走行速度に応じて補正しているが、符号不一致率を用いずに位相差を用いて直接異常検出を行なう場合には、位相差又はこの位相差が比較される閾値を、予め取得した正常時の位相差と走行速度との相関を用いて、走行速度に応じて補正してもよい。

１ 車両 １０ 車体
２０ 第１台車 ２１ 台車枠
２２ 第１輪軸 ２３ 第２輪軸
２４ ２次ばね系 ２４ａ まくらばねダンパ
３０ 第２台車 ３１ 台車枠
３２ 第３輪軸 ３３ 第４輪軸
３４ ２次ばね系 ３４ａ まくらばねダンパ
１００ 異常検出装置（第１実施形態）
１００Ａ 異常検出装置（第２実施形態）
１１０ 処理装置 １２１ 加速度センサ
１２２ 加速度センサ １２３ 加速度センサ
１３０ ジャイロセンサ

Claims (22)

1. 鉄道車両の車体と台車との間に設けられるまくらばね系の異常検出方法であって、
   車体の上下方向加速度、及び、ピッチング方向加速度を検出し、
   前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断すること
   を特徴とするまくらばね系の異常検出方法。
2. 前記位相差が前記許容範囲を外れた方向に基づいて、異常が発生したまくらばね系の部位を特定すること
   を特徴とする請求項１に記載のまくらばね系の異常検出方法。
3. 前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度から予め設定された所定の周波数帯域の成分を抽出し、抽出後の前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のまくらばね系の異常検出方法。
4. 前記所定の周波数帯域は、車体の上下並進モードの振動の固有振動数を含むように設定されること
   を特徴とする請求項３に記載のまくらばね系の異常検出方法。
5. 前記所定の周波数帯域を、走行速度の増加に応じて高周波数側へ推移させること
   を特徴とする請求項３又は請求項４に記載のまくらばね系の異常検出方法。
6. 予め求められた正常時の走行速度と前記位相差との相関を用いて、前記位相差と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正すること
   を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出方法。
7. 前記所定の周波数帯域の成分を抽出後の前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度を符号に変換し、前記上下方向加速度の符号と前記ピッチング方向加速度の符号との不一致率に基づいて前記位相差を検出すること
   を特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出方法。
8. 前記符号の不一致率が許容範囲を外れた場合に異常と判断するとともに、予め求められた正常時の走行速度と前記不一致率との相関を用いて、前記不一致率と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正すること
   を特徴とする請求項７に記載のまくらばね系の異常検出方法。
9. 前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度の相互相関関数をフーリエ変換したクロススペクトルに基づいて前記位相差を求めること
   を特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出方法。
10. 走行速度が予め設定された異常検出速度範囲に含まれる場合に異常検出を行うとともに、走行速度が前記異常検出速度範囲から外れた場合に異常検出を停止すること
    を特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出方法。
11. 鉄道車両の車体と台車との間に設けられるまくらばね系の異常検出装置であって、
    車体の上下方向加速度、及び、ピッチング方向加速度を検出する車体挙動検出手段と、
    前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断する異常検出手段と
    を備えることを特徴とするまくらばね系の異常検出装置。
12. 前記異常検出手段は、前記位相差が前記許容範囲を外れた方向に基づいて、異常が発生したまくらばね系の部位を特定すること
    を特徴とする請求項１１に記載のまくらばね系の異常検出装置。
13. 前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度から予め設定された所定の周波数帯域の成分を抽出する周波数帯域抽出手段を備え、
    前記異常検出手段は、前記抽出後の前記上下方向加速度と前記ピッチング方向加速度との位相差が所定の許容範囲を外れた場合に異常と判断すること
    を特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のまくらばね系の異常検出装置。
14. 前記所定の周波数帯域は、車体の上下並進モードの振動の固有振動数を含むように設定されること
    を特徴とする請求項１３に記載のまくらばね系の異常検出装置。
15. 前記周波数帯域抽出手段は、前記所定の周波数帯域を、走行速度の増加に応じて高周波数側へ推移させること
    を特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載のまくらばね系の異常検出装置。
16. 前記異常検出手段は、予め求められた正常時の走行速度と前記位相差との相関を用いて、前記位相差と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正すること
    を特徴とする請求項１１から請求項１５までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。
17. 前記所定の周波数帯域の成分を抽出後の前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度を符号に変換する変換手段を備え、
    前記異常検出手段は、前記上下方向加速度の符号と前記ピッチング方向加速度の符号との不一致率に基づいて前記位相差を検出すること
    を特徴とする請求項１３から請求項１５までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。
18. 前記異常検出手段は、前記符号の不一致率が許容範囲を外れた場合に異常と判断するとともに、予め求められた正常時の走行速度と前記不一致率との相関を用いて、前記不一致率と前記許容範囲の少なくとも一方を走行速度に応じて補正すること
    を特徴とする請求項１７に記載のまくらばね系の異常検出装置。
19. 前記異常検出手段は、前記上下方向加速度及び前記ピッチング方向加速度の相互相関関数をフーリエ変換したクロススペクトルに基づいて前記位相差を求めること
    を特徴とする請求項１１から請求項１６までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。
20. 前記異常検出手段は、走行速度が予め設定された異常検出速度範囲に含まれる場合に異常検出を行うとともに、走行速度が前記異常検出速度範囲から外れた場合に異常検出を停止すること
    を特徴とする請求項１１から請求項１９までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。
21. 前記車体挙動検出手段は、車両の進行方向に離間して配置され前記車体の上下方向加速度を検出する複数の加速度センサ、及び、前記複数の加速度センサの出力に基づいて前記車体のピッチング方向加速度を演算するピッチング方向加速度演算手段を備えること
    を特徴とする請求項１１から請求項２０までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。
22. 前記車体挙動検出手段は、
    前記車体の上下方向加速度を検出する加速度センサと、
    前記車体のピッチング方向加速度を検出する角速度センサとを有すること
    を特徴とする請求項１１から請求項２０までのいずれか１項に記載のまくらばね系の異常検出装置。

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