JP2015169610A - 鉄道車両用軸受異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外力や装置の衝撃に対する耐久性を改善し、装置の信頼性を向上することができる鉄道車両用軸受異常検知装置を提供する。
【解決手段】 この鉄道車両用軸受異常検知装置は、鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、転がり軸受の運転状態を検出する検出素子１３と、検出素子１３で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路１４と、検出素子１３または処理回路１４に電圧を印加する電源３とを備える。検出素子１３および処理回路１４における電圧印加対象の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に、電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４を設け、この電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４が、フィルムタイプのコンデンサである。
【選択図】 図４

Description

この発明は、鉄道車両における車軸軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置に関する。

鉄道車両においては、車軸軸受に異常が発生した場合、車両の運転を停止するなどの処置が必要となり、多大な損失が発生する。そこで、各種検出素子を軸受装置に取り付け、転動装置の運転状態を検出する鉄道車両用センサ付軸受装置が提案されている（特許文献１）。この鉄道車両用センサ付軸受装置によると、電源バイパスコンデンサ、演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ、基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサなどに、セラミックコンデンサを採用している。

特許第４３２１１７１号公報

前記セラミックコンデンサは、コンパクトである点で装置の小型化に貢献するが、例えば、プリント基板の表面にセラミックコンデンサを実装した場合、プリント基板の反りなどによる外力や装置の衝撃により、クラックが生じやすい欠点がある。また、セラミックコンデンサにクラックが発生した状態で使用すると、最悪の場合、マイグレーションを起こして内部でショートすることがある。セラミックコンデンサを電源用バイパスコンデンサとして使用する場合、電源ラインとグランドラインがショートすることになるため、過大な電流が流れる。また、この場合、センサの機能が不完全となる。

この発明の目的は、外力や装置の衝撃に対する耐久性を改善し、装置の信頼性を向上することができる鉄道車両用軸受異常検知装置を提供することである。

この発明の鉄道車両用軸受異常検知装置は、鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、
前記転がり軸受の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、および速度検出素子の少なくともいずれか１つの検出素子と、
この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路と、
前記検出素子または前記処理回路に電圧を印加する電源と、
を備え、
前記検出素子および前記処理回路における電圧印加対象の電源ラインとＧＮＤラインの間に、電源バイパスコンデンサを設け、この電源バイパスコンデンサが、フィルムタイプのコンデンサであることを特徴とする。

この構成によると、検出素子は転がり軸受の運転状態を検出する。処理回路は、この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する。検出素子または処理回路には、電源から電圧が印加される。前記検出素子として、例えば、振動検出素子が適用された場合、鉄道車両の走行時に軸箱の転がり軸受が回転すると、転動体の回転通過に伴い軸受の固有振動が発生する。
軸受の転がり面に異常が発生すると、この転がり面の異常に起因する振動が顕著となり、転動体の通過周期でピークが発生する。これらの運転状態を検出して記録手段等に記録し、例えば、外部の解析装置にて周波数解析を行う。この解析結果により、軸受の異常判定を行う。

電源ラインとＧＮＤラインの間に接続される電源バイパスコンデンサは、電源に重畳するノイズをバイパスして、電源から電圧印加対象に安定した電圧を供給するうえ、電源電圧の変動を抑える。この電源バイパスコンデンサに、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサに衝撃等が作用しても、コンデンサ表面でその衝撃等を緩和、吸収することができる。これにより、電源バイパスコンデンサにクラックが生じることを未然に防止し、マイグレーションの発生を抑えることができる。したがって、電源ラインとＧＮＤラインがショートすることを防止し、過大な電流が流れることを防止することができる。

前記処理回路は、プリント基板に実装されるものであっても良い。プリント基板に反りなどによる外力が作用する場合においても、電源バイパスコンデンサに、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサが弾性変形することで、電源バイパスコンデンサにクラックが生じることを未然に防止し得る。

前記処理回路を収納するケースを設け、前記検出素子は、前記ケースに取り付けられるものであっても良い。この場合、検出素子をより被検出体に近い測定部位に配置する事ができる。

前記軸箱における測定部位に吸引固定される永久磁石と、この永久磁石を保持するホルダとを設け、前記振動検出素子は、前記永久磁石または前記ホルダに取り付けられるものとしても良い。この場合、軸箱における測定部位に対し、永久磁石の吸引力を利用して振動検出素子を着脱自在に設けることができる。

前記永久磁石および前記ホルダと前記振動検出素子との間には、電気的に絶縁する絶縁体を介在させても良い。この絶縁体によって、鉄道車両から台車および軸箱を介して流れる電気ノイズから、振動検出素子を保護することができる。
前記軸箱に磁性体からなるボルトを締結し、このボルトの頭部に前記永久磁石を吸引固定させても良い。前記ボルトとして、例えば、市販品の六角ボルト等を適用することができる。この場合、コスト低減を図れる。

この発明の鉄道車両用軸受異常検知装置は、鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、前記転がり軸受の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、および速度検出素子の少なくともいずれか１つの検出素子と、この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路と、前記検出素子または前記処理回路に電圧を印加する電源とを備え、前記検出素子および前記処理回路における電圧印加対象の電源ラインとＧＮＤラインの間に、電源バイパスコンデンサを設け、この電源バイパスコンデンサが、フィルムタイプのコンデンサである。このため、外力や装置の衝撃に対する耐久性を改善し、装置の信頼性を向上することができる。

この発明の第１の実施形態に係る鉄道車両用軸受異常検知装置を鉄道車両に設けた例を示す図である。 図１のＡ−Ａ線端面図である。 同軸受異常検知装置における振動測定ユニットの概略構成を示す図である。 同軸受異常検知装置の処理回路の構成を概略示す回路図である。 同軸受異常検知装置の電源回路の概略図である。 他の実施形態に係る軸受異常検知装置の要部の断面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。
図１は、この実施形態に係る鉄道車両用軸受異常検知装置を鉄道車両に設けた例を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ線端面図である。図１および図２に示すように、この軸受異常検知装置は、転がり軸受の振動を測定する振動測定ユニット１と、この振動測定ユニット１で測定したデータを受信し外部に送信する送受信ユニット２と、これら振動測定ユニット１および送受信ユニット２に電圧を印加する電源３（図４）とを有する。

台車４の下部に車幅方向に離隔して一対の軸箱５が設けられ、これら軸箱５にそれぞれ転がり軸受６が組み込まれている。１つの軸箱５に対し、転がり軸受６として、例えば、複列円すいころ軸受等が適用される。

各軸箱５の内周面に転がり軸受６の外輪がそれぞれ嵌合され、転がり軸受６の内輪に車軸７が嵌合される。車軸７の軸方向両端部に車輪８がそれぞれ取り付けられ、これら車輪８が回転自在に支持されて、軌道上に平行に敷設された２本のレール９上を走行可能に構成される。軸箱５には、磁性体からなるボルト１０が締結されている。ボルト１０として、例えば、六角ボルトが適用される。また１つの軸箱５に、転がり軸受６の組み込み位置に対応して２本の六角ボルトが離隔して設けられる。軸箱５から露出する各六角ボルトの頭部に、振動測定ユニット１の永久磁石１１（図３）を吸引固定し得る。

振動測定ユニット１について説明する。
図３に示すように、振動測定ユニット１は、少なくとも、ケース１２と、振動検出素子１３と、処理回路１４およびプリント基板１５と、永久磁石１１と、ホルダ１６などを有する。ケース１２は、例えば、円筒形状や直方体形状に形成され、このケース１２内部に、プリント基板１５に実装される処理回路１４が収納される。処理回路１４は複数の電子部品を有し、前記プリント基板１５の両面に半田付けされる。プリント基板１５としては、剛性の高いガラス入りエポキシ樹脂が望ましい。

ケース１２の軸方向一端部に、転がり軸受の運転状態を検出する振動検出素子１３が取り付けられ、振動検出素子本体がケース１２内部に設けられる。振動検出素子１３として、例えば、圧電型の加速度センサが適用される。ケース１２内部において、振動検出素子本体のリード端子から、処理回路１４に設けた接続端子にリード線１７が結線されている。

ケース１２の軸方向一端部に開口部１２ａが形成され、このケース１２の開口部１２ａから、振動検出素子本体に付設されたねじ部１３ａが軸方向に突出する。このケース１２の開口部１２ａから突出するねじ部１３ａに、磁性体からなる前記ホルダ１６が螺合されて取り付けられる。ホルダ１６の底部にはねじ部１３ａに螺合される雌ねじが形成されている。ケース１２の軸方向一端部に、ホルダ１６と振動検出素子本体とを挟み込む状態で、これらホルダ１６，振動検出素子本体の両者がねじ固定される。

ケース１２の軸方向一端部と振動検出素子本体との間には、振動検出素子１３のねじ部１３ａの緩みを防止するために、適宜ウェーブワッシャやスプリングワッシャ（いずれも図示せず）等を挟み込む。またねじ部１３ａと前記雌ねじとの嵌合部には、緩み止めの接着剤を塗布するとなお良い。前記接着剤は、嫌気性のタイプを使用することが望ましい。
ホルダ１６の先端部に凹部１６ａが形成され、この凹部１６ａに永久磁石１１が保持されている。したがって、永久磁石１１は、ホルダ１６と共に、軸箱における測定部位であるボルトに吸引固定される。

図４は、処理回路１４の構成を概略示す回路図である。
処理回路１４は、少なくとも、演算増幅回路１８と、フィルタ回路１９と、マイクロコンピュータ２０と、基準電圧回路２１などを有する。振動検出素子１３のアナログ出力信号は、概略、演算増幅回路１８からフィルタ回路１９を介してマイクロコンピュータ２０に入力される。前記アナログ出力信号は、マイクロコンピュータ２０内部でＡ／Ｄ変換した後に、記録手段に記録する。この記録手段として、データの書換えが可能なランダムアクセスメモリ（略称ＲＡＭ：Random Access Memory）が適用される。図１に示すように、記録されたデータは、振動測定ユニット１からケーブル２２を介して送受信ユニット２に送信され、この送受信ユニット２から、外部の解析装置に無線送信され、この解析装置の記録媒体に転送されて解析に供される。
あるいは、外部の測定開始指令装置から、測定開始指令信号を送受信ユニット２に無線送信し、測定開始指令信号を受信した送受信ユニット２から、ケーブル２２を介して振動測定ユニット１に測定開始指令信号を送信する事により、振動測定ユニット１で軸箱内の軸受の振動を測定しても良い。

図４に示すように、振動検出素子１３および処理回路１４に電源電圧が供給される。なお電源電圧は、後述の電源回路により所望の電圧とされる。これら振動検出素子１３および処理回路１４には、電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４が接続される。電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４は、直流電源に重畳するノイズをバイパスして、安定した電源電圧を供給する目的や、電源電圧の変動を抑える目的で、電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に接続される。前記電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４および後述の電源バイパスコンデンサＣ５〜Ｃ７は、フィルムタイプのコンデンサが用いられる。フィルムタイプのコンデンサとして、例えば、薄膜高分子積層コンデンサが適用され、誘電体の材質は、例えば、ＰＥＴ，ＰＰ，ＰＰＳ，ＰＣ，ＰＥＮやこれらの混合タイプの内から適宜選択可能である。

振動検出素子１３の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、電源バイパスコンデンサＣ１が接続される。この電源バイパスコンデンサＣ１により、振動検出素子１３に安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。振動検出素子１３からのアナログ出力信号は、抵抗２３を介して、演算増幅回路１８における演算増幅器２４の一方の入力端子に入力される。

この演算増幅器２４の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、電源バイパスコンデンサＣ２が接続される。この電源バイパスコンデンサＣ２により、演算増幅回路１８にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。演算増幅器２４からの出力信号は、コンデンサ２５およびこのコンデンサ２５に並列接続された抵抗等２６を介して、他方の入力端子に入力される。前記演算増幅器２４は、２つの入力端子への入力（反転入力、非反転入力）の差を増幅して出力する。

増幅した出力信号は、直列接続された抵抗２７，２８を介して、フィルタ回路１９における演算増幅器２９の一方の入力端子に入力される。この演算増幅器２９の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、電源バイパスコンデンサＣ３が接続される。この電源バイパスコンデンサＣ３により、フィルタ回路１９にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。演算増幅器２９からの出力信号は、他方の入力端子に入力されると共に、コンデンサ３０を介して抵抗２７，２８間に帰還する。

このフィルタ回路１９により、軸受の固有振動に対応した所定の周波数帯域のみを抽出し、不要な周波数帯域を除去する。軸受の正常運転時は、転動体の回転通過に伴う軸受の固有振動が発生するが、軸受の転がり面に異常が発生した場合には、軸受回転数に応じた転動体の通過周期で振動のピークが重畳される。

フィルタ回路１９を通過させた出力信号は、抵抗３１等を介して、マイクロコンピュータ２０に入力される。このマイクロコンピュータ２０内部において、出力信号はＡ／Ｄ変換された後に記録手段に一時的に記録される。マイクロコンピュータ２０に、過大な電圧が印加されないように基準電圧回路２１が接続される。この基準電圧回路２１の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、電源バイパスコンデンサＣ４が接続される。この電源バイパスコンデンサＣ４により、基準電圧回路２１にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。

電源３には、所望の電圧を取り出すために電源回路が接続される。
図５は、電源回路３２の概略図である。電源ラインＬ１に、電源回路３２におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３３の入力端子を接続することで、このＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力端子から所望の電圧が取り出される。この電源回路３２の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に、それぞれ電源バイパスコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７が接続される。これら電源バイパスコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７により、電源回路３２からノイズがバイパスされた安定した電源電圧で且つ変動が抑えられた電源電圧が出力される。

送受信ユニットについて
図１に示すように、振動測定ユニット１に一時的に記録されたデータは、ケーブル２２を介して、送受信ユニット２に送信される。この送受信ユニット２は、鉄道車両のボディー３４等に固定される。送受信ユニット２は、例えば、前記データを、定められた周波数からなる電磁波のセンサ信号にしてアンテナ２ａにより解析装置に送信する。
あるいは、外部の測定開始指令装置から、測定開始指令信号を送受信ユニット２に無線送信し、測定開始指令信号を受信した送受信ユニット２から、ケーブル２２を介して振動測定ユニット１に測定開始指令信号を送信する事により、振動測定ユニット１で軸箱内の軸受の振動を測定し、内部のメモリや記録メディアに記録しても良い。この場合、振動測定ユニット１から記録メディアを取り出して解析装置にて解析を行う。
あるいはさらに、振動測定ユニット内部のメモリに一時的に記録されたデータは、ケーブル２２を介して送受信ユニット２に送信され、この送受信ユニット２が定められた周波数からなる電磁波のセンサ信号にして、アンテナ２ａにより解析装置に送信しても良い。

解析装置について
解析装置は、例えば、鉄道車両の運転室内等に設けられ、前記送受信ユニット２から送信される周波数に対応した周波数を受信する。受信したセンサ信号は、異常判定部で周波数解析により軸受の異常判定に供される。異常判定部は、例えば、転がり軸受の回転数と前記センサ信号とから、転がり軸受の異常に起因する振動周波数を特定し、この振動周波数により軸受に異常があるか否かを判定する。前記転がり軸受の回転数は、鉄道車両の駆動源から演算により求めても良いし、転がり軸受の回転数を検出する回転検出手段を設けても良い。

以上説明した鉄道車両用軸受異常検知装置によると、鉄道車両の走行時に軸箱５の転がり軸受６が回転すると、転動体の回転通過に伴い軸受の固有振動が発生する。軸受６の転がり面に異常が発生すると、この転がり面の異常に起因する振動が顕著となり、転動体の通過周期でピークが発生する。これらの運転状態を検出してマイクロコンピュータ２０内部の記録手段に記録し、外部の解析装置にて周波数解析を行う。この解析結果により、軸受６の異常判定を行う。

電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に接続される電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ７は、電源３に重畳するノイズをバイパスして、電源３から電圧印加対象に安定した電圧を供給するうえ、電源電圧の変動を抑える。この電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ７に、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ７に衝撃等が作用しても、コンデンサ表面でその衝撃等を緩和、吸収することができる。これにより、電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ７にクラックが生じることを未然に防止し、マイグレーションの発生を抑えることができる。したがって、電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２がショートすることを防止し、過大な電流が流れることを防止することができる。

処理回路１４はプリント基板１５に実装される。プリント基板１５に反りなどによる外力が作用する場合においても、電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４に、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４が弾性変形することで、電源バイパスコンデンサＣ１〜Ｃ４にクラックが生じることを未然に防止し得る。

振動検出素子１３は、永久磁石１１のホルダ１６に取り付けられるため、軸箱５における測定部位に対し、永久磁石１１の吸引力を利用して振動検出素子１３を着脱自在に設けることができる。前記永久磁石１１を吸引固定させるボルト１０として、例えば、市販品の六角ボルト等を適用するため、コスト低減を図れる。

他の実施形態として、図６に示すように、永久磁石１１およびそのホルダ１６と、振動検出素子１３との間に電気絶縁体３５を介在させても良い。この場合、鉄道車両から台車４および軸箱５を通じて流れる電気ノイズから、振動検出素子１３を保護することができる。

実施形態では、転がり軸受の運転状態を検出する検出素子として振動検出素子を適用したが、この振動検出素子に限定されるものではない。例えば、転がり軸受の温度を検出する温度検出素子または転がり軸受の回転速度を検出する速度検出素子を適用しても良い。
前記温度検出素子を適用する場合、例えば、転がり軸受の回転数が上がる程、軸受温度が上昇するため、これらの関係を予め関係設定手段に記録しておく。解析装置は、例えば、計測された回転数に対し、前記関係設定手段を照らし合わせ、温度検出素子で検出され処理回路で処理された軸受温度が閾値よりも大きいとき、転がり軸受に異常が発生したと判定し得る。

検出素子として前記速度検出素子を適用する場合、解析装置は、例えば、鉄道車両の駆動源の回転数に対し、速度検出素子で検出され処理回路で処理された転がり軸受の回転速度が許容回転速度から外れているとき、転がり軸受に異常が発生したと判定し得る。前記閾値、前記許容回転速度は、例えば、実験やシミュレーションの結果から定められる。

鉄道車両の発信装置より空中を飛ぶ電磁ノイズから検出素子を保護するために、ケース１２内面に導電性の高い金属等の膜を形成しても良い。この膜を流れるノイズは、軸箱５側にアースしても良い。

３…電源
４…台車
５…軸箱
６…転がり軸受
１１…永久磁石
１２…ケース
１３…振動検出素子
１４…処理回路
１５…プリント基板
１６…ホルダ
Ｃ１〜Ｃ７…電源バイパスコンデンサ

Claims (6)

1. 鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、
   前記転がり軸受の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、および速度検出素子の少なくともいずれか１つの検出素子と、
   この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路と、
   前記検出素子または前記処理回路に電圧を印加する電源と、
   を備え、
   前記検出素子および前記処理回路における電圧印加対象の電源ラインとＧＮＤラインの間に、電源バイパスコンデンサを設け、この電源バイパスコンデンサが、フィルムタイプのコンデンサであることを特徴とする鉄道車両用軸受異常検知装置。
2. 請求項１記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記処理回路は、プリント基板に実装される鉄道車両用軸受異常検知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記処理回路を収納するケースを設け、前記検出素子は、前記ケースに取り付けられる鉄道車両用軸受異常検知装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記軸箱における測定部位に吸引固定される永久磁石と、この永久磁石を保持するホルダとを設け、前記振動検出素子は、前記永久磁石または前記ホルダに取り付けられる鉄道車両用軸受異常検知装置。
5. 請求項４記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記永久磁石および前記ホルダと前記振動検出素子との間には、電気的に絶縁する絶縁体を介在させた鉄道車両用軸受異常検知装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記軸箱に磁性体からなるボルトを締結し、このボルトの頭部に前記永久磁石を吸引固定させた鉄道車両用軸受異常検知装置。

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