JP2014210507A

JP2014210507A - 台車に装備する多機能異常検知装置

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Publication number: JP2014210507A
Application number: JP2013087986A
Authority: JP
Inventors: 岳夫城取; Gakuo Shirotori
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP6199063B2

Abstract

【課題】極力加速度センサの数を減らして、しかも多くの異常をカバーできるように加速度センサを台車端に配置する、台車に装備する多機能異常検知装置を提供する。【解決手段】台車に装備する多機能異常検知装置において、加速度センサを取り付け可能な取付座１１を少なくとも１個台車枠端に配置し、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、特に、鉄道車両の台車に装備する多機能異常検知装置に関するものである。

鉄道車両の安全性向上や乗心地維持のために、台車の状態を常時監視することが有効である。しかしながら台車は、多くの部品から構成されるために、個々の部品を常時監視するためにセンサを取り付けると、１台車に数多くのセンサが必要になる。また、部品の不具合ばかりでなく、脱線や蛇行動など走行状態をも監視することが望まれている。このことは、台車の初期投資が高くなるだけでなく、メンテナンス性が悪くなり、ランニングコストが高くなる問題があった。

鉄道車両の異常検知に関する研究としては、国内では森らの研究（下記非特許文献１参照）などがあり、海外でもＷａｒｄらの研究（下記非特許文献２参照）があるが、いずれも監視部品や監視すべき走行状態の数よりも多いセンサを使用しなければならない。
図１０は、従来のダイレクトマウント式ボルスタレス台車の構造例（下記非特許文献参照）を示す図である。

この図において、１０１は台車枠、１０２はブレーキ、１０３はパイプ状の横はり、１０４は空気ばね、１０５はつり上げ金具、１０６は軸箱である。

森裕貴外２名，"多重モデルを用いた鉄道車両の状態推定に関する研究"，第１５回鉄道技術・政策連合シンポジウム（Ｊ−ＲＡＩＬ２００８），ｐｐ．４３５−４３８ＣＰＷａｒｄ外８名，"Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓｕｓｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ−ｂａｓｅｄｓｅｎｓｏｒｓ"，Ｐｒｏｃ．ＩＭｅｃｈＥｖｏｌ．２２５ＰａｒｔＦ：Ｊ．ＲａｉｌａｎｄＲａｐｉｄＴｒａｎｓｉｔ「鉄道車両のダイナミクス−最新の台車テクノロジー−」，４．１台車の主要諸元，編者日本機械学会，発行所株式会社電気車研究会平成６年１２月２５日発行

しかしながら、鉄道車両の台車は、多くの部品から構成されるために、個々の部品を常時監視するためにセンサを取り付けると、１台車に数多くのセンサが必要になる。また、部品の不具合ばかりでなく、脱線や蛇行動など走行状態をも監視することが望まれている。このことは、台車の初期投資が高くなるだけでなく、メンテナンス性が悪くなり、ランニングコストが高くなる問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、極力センサの数を減らして、しかも多くの異常をカバーできるようにセンサを台車端に配置する、台車に装備する多機能異常検知装置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〕台車に装備する多機能異常検知装置において、加速度センサを取り付け可能な取付座を少なくとも１個台車枠端に配置し、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにしたことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、２個の加速度センサを取り付け可能な取付座をそれぞれの台車枠端に配置することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、４個の加速度センサを取り付け可能な取付座をそれぞれの台車枠端に配置することを特徴とする。
〔４〕台車に装備する多機能異常検知装置において、台車枠端に１個の加速度センサと軸箱の加速度センサとの一組の加速度センサを配置し、これらの加速度センサの振幅の比較により、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにしたことを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕から〔３〕記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、前記加速度センサを上下方向Ｚに対して左右方向Ｙに傾けることにより、この加速度センサによって検知する台車の項目を増加させることを特徴とする。
〔６〕上記〔５〕記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、さらに前後方向Ｘに傾けることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

本発明の実施例を示す鉄道車両の台車の斜視図である。本発明の実施例を示す鉄道車両の台車の枠組みを示す平面図である。軸はり方式の軸箱支持装置を有するボルスタレス台車を示す図面代用写真である。従来の台車の横ばりでの検知特性図である。本発明の取付座での検知特性図である。空気ばねパンク時の取付座の振動加速度を示す図である。従来の蛇行動を監視する取付座付近に左右を感度とした加速度センサを付けた場合の加速度特性図である。軸箱加速度に対する台車枠端の振幅を健全時と比較したもので、方法の信頼性を確保するために、軸ダンパの健全条件で３回、軸ダンパのフェイル条件で３回走行した結果を整理した図である。本発明に係る加速度センサの多方向測定化を示す模式図である。従来のダイレクトマウント式ボルスタレス台車の構造例を示す図である。

本発明の台車に装備する多機能異常検知装置は、加速度センサを取り付け可能な取付座を少なくとも１個台車枠端に配置し、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにした。

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鉄道車両の台車の斜視図、図２はその鉄道車両の台車の枠組みを示す平面図である。
これらの図において、１は台車枠、２はブレーキ、３はパイプ状の横ばり、４は空気ばね、５はつり上金具（台車枠）、６は軸箱、１１は一方の台車枠端に配置される加速度センサを装備可能な取付座（第１の取付座）、１２は他方の台車枠端に配置される加速度センサを装備可能な取付座（第２の取付座）である。なお、ここでは、加速度センサを装備可能な取付座は台車枠端の２箇所に配置しているが、加速度センサを装備可能な取付座は、台車枠端の１箇所に配置するようにしてもよい。また、加速度センサを装備可能な取付座は、例えば、加速度計を２個装備する際に、図１に記載されるように、台車の左右片側にのみ２個配置するようにしてもよく、取付座１１の対角、つまり取付座１２の軸の左右反対側に取付座を取付座１２の代わりに配置するようにしてもよい。さらに、各台車枠端の全ての４箇所に配置するようにしてもよい。

このように、加速度センサを装備可能な取付座を台車枠端に配置するようにしたので、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動、脱線の監視を精度がよく行うことができ、かつ効率的にそれらの異常を検知することができる。
図３は軸はり方式の軸箱支持装置を有するボルスタ台車を示す図面代用写真であり、図４は従来の台車の横ばりでの検知特性図、図５は本発明の取付座での検知特性図である。

図４に示す横ばりに取り付けた上下方向感度の加速度センサでは、軸ダンパ２１のフェイルの違いはっきりしない。ここで、「２本」とは１軸の軸ダンパ左右２本をフェイルさせた条件、「８本」とは１軸から４軸までの軸ダンパ左右２本ずつ、計８本をフェイルさせた条件を指す。
これに比べて、本発明の加速度センサを装備可能な取付座での検知はより感度良く検知できていることがわかる。さらに、「２本」条件の際にフェイルしていない軸の取付座でも検知できていることから、センサは各取付座に付いている必要はなく、取付座４箇所ののうち１箇所で良い。

図５（ａ）は第１の取付座での検知特性図、図５（ｂ）は第２の取付座での検知特性図であり、１３Ｈｚ付近は台車枠の剛体ビッチングモード、３８Ｈｚ付近は左右台車枠逆位相の弾性変形モードが検知されている。
図６は空気ばねパンク時の取付座の振動加速度を示す図であり、横軸は周波数〔Ｈｚ〕、縦軸は上下振動加速度ＰＳＤ〔ｍ／ｓ²）²／Ｈｚ〕を示しており、空気ばねのパンク状態では、図６の○印部分のように４．６Ｈｚ周波数の大きな変化が見られる。

なお、図４、図５の方法によれば、加速度の大きさそのものを比較する方法なので、同じ線区でも走行日が大きく異なり軌道不整も大きく異なる際には、健全な軸ダンパでも異なった振動加速度ＰＳＤが観測されてしまう。
もし、加速度計を装備する台車枠端の直下の軸箱に加速度計を付け、軸箱速度計に対する台車枠端の振幅を健全時と比較すれば、この問題を解決できることがわかった。

振幅比＝フェイル時の台車枠端の振動加速度／フェイル時の軸箱の振動加速度／（健全時の台車枠端の振動加速度／健全時の軸箱の振動加速度）
図８は、軸箱加速度に対する台車枠端の振幅を健全時と比較したもので、方法の信頼性を確保するために、軸ダンパの健全条件で３回、軸ダンパのフェイル健全条件で３回走行した結果を整理したものである。この図で健全であれば、台車枠端／軸箱の値は１になる。周波数１３Ｈｚ付近と３８Ｈｚ〜４０Ｈｚ付近のピークがいずれの走行時も１から離れた値となる。一方、２６Ｈｚ付近は１を超える走行と超えない走行があり、２６Ｈｚ付近での判定は、異常検知に適さないことがわかった。

また、この結果は、フェイルした軸ダンパの位置と台車内で対角位置にある加速度計の結果で、フェイルした軸ダンパの直近の加速度計の結果ではない。これより４台車枠端のそれぞれに加速度計無くとも軸ダンパフェイルが検知できることがわかった。
次に、本発明の他の実施例を示す蛇行動・脱線の検出について説明する。
図７は従来蛇行動を監視するにはばね帽付近に左右方向を感度方向とした加速度センサを付けた場合の加速度特性図、図９は本発明に係る加速度センサの多方向測定化を示す模式図である。

図７に示すように、従来蛇行動を監視するにはばね帽付近に左右方向を感度方向とした加速度センサを付け、監視してきた。
そこで、本発明では、台車枠端に配置される取付座上の上下加速度センサ３１においても、図９に示すように、傾けることにより、上下方向Ｚと左右方向Ｙの合成加速度を測定可能とする。つまり、感度方向３２とした上下方向Ｚと左右方向Ｙの合成加速度を検知するようにした。

鉄道車両の台車の仕様にもよるが、図７に示すように蛇行動はおおよそ３Ｈｚ程度、前述の軸ダンパフェイルは、１３Ｈｚ付近および３８Ｈｚ付近、空気ばねパンクは４．６Ｈｚであり、それぞれ周波数が異なるので周波数解析を行えば、容易に異常を検知することができる。
さらに、鉄道車両の台車枠端に配置される取付座上の上下加速度センサを前方方向Ｘに傾けることにより、加速度センサによって検知する台車の項目を増加させるようにしてもよい。

また、脱線検知においては、脱線時の上下振動加速度は通常走行時のそれより標準偏差の３０倍以上大きい。よって、本発明でも、この差はセンサによって検知が可能なので、脱線の検知にも有効である。
なお、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。

本発明の台車に装備する多機能異常検知装置は、極力センサの数を減らして、しかも多くの異常をカバーできるようにセンサを台車端に配置する、台車に装備する多機能異常検知装置として利用可能である。

１台車枠
２ブレーキ
３パイプ状の横ばり
４空気ばね
５つり上金具（台車枠）
６軸箱
１１加速度センサを装備可能な取付座（第１の取付座）
１２加速度センサを装備可能な取付座（第２の取付座）
２１軸ダンパ
３１取付座上の上下加速度センサ
３２感度方向

Claims

加速度センサを取り付け可能な取付座を少なくとも１個台車枠端に配置し、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにしたことを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。
請求項１記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、２個の加速度センサを取り付け可能な取付座をそれぞれの台車枠端に配置することを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。
請求項１記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、４個の加速度センサを取り付け可能な取付座をそれぞれの台車枠端に配置することを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。
請求項１記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、台車枠端に１個の加速度センサと軸箱の加速度センサとの一組の加速度センサを配置し、これらの加速度センサの振幅の比較により、軸ダンパ、軸ばね、空気ばね、蛇行動および脱線の監視を行うようにしたことを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。
請求項１から３記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、前記加速度センサを上下方向Ｚに対して左右方向Ｙに傾けることにより、この加速度センサによって検知する台車の項目を増加させることを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。
請求項５記載の台車に装備する多機能異常検知装置において、さらに前後方向Ｘに傾けることを特徴とする台車に装備する多機能異常検知装置。