JP2016141329A - 鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉄道車両用台車に搭載される繊維強化樹脂製の板バネにおいて、破断や剥離の検出精度を高める。【解決手段】鉄道車両用台車に搭載されて導電性の強化繊維を含有する繊維強化樹脂を有する板バネであって、前記強化繊維が前記板バネの長手方向に延びた強化繊維を有する前記板バネの状態を監視する装置は、前記板バネの長手方向に直交する幅方向の両側の側端面に前記板バネを挟んで設けられた電極対と、前記電極対に電気的に接続され、前記板バネの電気的特性を測定する測定器と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置に関する。
鉄道車両用の台車では、特許文献１で開示されるように、前後の軸箱に板バネを架け渡し、その板バネの長手方向の中央部で横梁を支持させることで側梁を省略するものが提案されている。即ち、この台車では、板バネがサスペンションの機能とともに従来の側梁の機能も果たすこととなる。そして、板バネは、台車の軽量化のために繊維強化樹脂を用いて形成される。
ところで、板バネには、台車走行時に繰り返し荷重が負荷されるため、長期使用された板バネには疲労による強度低下への注意が必要であるが、板バネ自体の状態を簡易に監視できれば、台車のメンテナンスの効率化に役立つ。例えば、特許文献２には、ＣＦＲＰからなる複合材料の一方側の主面に複数の電極を所定の間隔をあけて配置し、電極間に流れる電流に基づいて測定される電気抵抗の変化から複合材料の剥離を検出する手法が開示されている。また、特許文献３には、ＣＦＲＰからなる板バネの長手方向両端に一対のコネクタを固着し、コネクタ間に流れる電流に基づいて測定される電気抵抗の変化から導電性を有する炭素繊維の切断を検出する手法が開示されている。
しかし、特許文献２の場合、各電極が複合材料の一方側の主面に配置されるため、電流の多くが複合材料中の一方側の主面近傍の部分に流れてしまい、複合材料の板厚方向の中央部分及び他方側の主面近傍の部分に十分な電流が流れない。そうすると、複合材料の電極が配置された面から板厚方向に離れた部分で発生する破断や剥離の検出が困難である。更に、仮に特許文献２の技術を台車の板バネに適用した場合、板バネの板厚方向中心の中立軸から離れた主面に電極が設けられるため、電極には板バネの撓み運動によって大きな圧縮又は引張の歪みが繰り返し発生し、電極が損傷しやすくなる。
また、特許文献３の場合、板バネの長手方向両端に一対のコネクタが固着される構成であるため、板バネにおいて導電性繊維の切断が生じたことが検出できても、当該切断が生じた箇所を特定することができない。また、特許文献３の場合、導電性繊維が板バネの長手方向に連続して延びた構成において、板バネの長手方向両端に一対のコネクタが固着されるため、導電性繊維の切断による電気抵抗の変化を検出できても、繊維切断を伴わない繊維層間の剥離が生じた際にはコネクタ間の電気抵抗の変化が小さく、当該剥離を検出することが難しい。
そこで本発明は、鉄道車両用台車に搭載される繊維強化樹脂製の板バネにおいて、破断や剥離の検出精度を高めることを目的とする。
本発明の一態様に係る鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置は、鉄道車両用台車に搭載されて導電性の強化繊維を含有する繊維強化樹脂を有する板バネであって、前記強化繊維が前記板バネの長手方向に延びた強化繊維を有する前記板バネの状態を監視する装置において、前記板バネを挟むように前記板バネの長手方向及び板厚方向に直交する幅方向の両側の側端面に設けられた電極対と、前記電極対に電気的に接続され、前記板バネの電気的特性を測定する測定器と、を備える。
前記構成によれば、板バネの幅方向の両側の側端面に電極対を設けるため、板バネの主面から板厚方向に離れた部分で発生する破断や剥離も精度良く検出することができる。しかも、導電性の強化繊維が板バネの長手方向に延びた構成においては、板バネの幅方向両側の側端面に設けた電極対には、隣接繊維の接触により形成された導電路を介して電流が流れるため、隣接繊維が離隔する剥離を精度良く検出することできる。また、電極対を板バネの長手方向端面に設ける場合に比べ、板バネの長手方向における状態変化した箇所を特定することが容易になる。更に、電極対を板バネの一方側の主面に配置する場合に比べ、板厚方向における板バネの中立軸からの電極対までの距離が短くなるため、板バネが撓むことで生じる圧縮又は引張による電極対の歪みが減り、電極対が損傷することが抑制される。
本発明によれば、鉄道車両用台車に搭載される繊維強化樹脂製の板バネにおいて、破断や剥離の検出精度を高めることができる。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。なお、以下の説明では、鉄道車両が走行する方向であって車体が延びる方向を車両長手方向とし、それに直交する横方向を車幅方向として定義する。車両長手方向は前後方向とも称し、車幅方向は左右方向とも称しえる。即ち、鉄道車両は、車両長手方向の両方向に走行可能であるが、一方の向きに走行する場合を仮定したとき、進行方向の前側を前方と称し、進行方向の後側を後方と称しえる。
図１は、実施形態に係る板バネ１０の状態監視装置３０を備えた鉄道車両用台車１の側面図である。図１に示すように、鉄道車両用台車１は、二次サスペンションとなる空気バネ２を介して車体２０を支持するための台車枠３を備える。台車枠３は、左右方向である車幅方向に延びる横梁３ａを備えているが、横梁３ａの車幅方向両端部から前後方向である車両長手方向に延びる側梁を備えていない。空気バネ２は、横梁３ａの上面に設置される。横梁３ａの前方及び後方には、車幅方向に沿って前後一対の車軸４，５が配置され、車軸４，５の車幅方向両側には車輪６，７が固定される。
車軸４，５の車幅方向両端部には、車輪６，７よりも車幅方向外側にて車軸４，５を回転自在に支持する軸受８，９が設けられ、軸受８，９は軸箱１１，１２に収容される。横梁３ａの車幅方向両端部は、軸梁式の連結機構１３，１４によって軸箱１１，１２に連結される。横梁３ａと軸箱１１，１２との間には、車両長手方向に延びた板バネ１０が架け渡され、板バネ１０の長手方向の中央部１０ａが横梁３ａの車幅方向両端部を下方から弾性的に支持し、板バネ１０の長手方向の一端部１０ｂが軸箱１１に支持され、板バネ１０の長手方向の他端部１０ｃが軸箱１２に支持される。即ち、板バネ１０が、一次サスペンションの機能と従来の側ばりの機能とを兼ねる。
横梁３ａの車幅方向両端部の下部には、円弧状の下面１７ａを有する押圧部材１７が設けられ、押圧部材１７が板バネ１０の中央部１０ａに上方から載せられて離間可能に接触する。即ち、押圧部材１７は、板バネ１０を押圧部材１７に対して上下方向に固定しない状態で、横梁３ａからの重力による下方荷重によって板バネ１０の上面に接触して上方から押圧する。また、軸箱１１，１２の上端部には支持部材１５，１６が取り付けられ、板バネ１０の各端部１０ｂ，１０ｃは支持部材１５，１６を介して軸箱１１，１２に下方から支持される。支持部材１５，１６の上面は、車両長手方向の中央側に向けて傾斜している。板バネ１０の各端部１０ｂ，１０ｃも、支持部材１５，１６に上方から載せられて、板バネ１０からの下方荷重によって支持部材１５，１６の上面に自由接触する。
このような構成により、車体２０からの荷重は、横梁３ａの車幅方向両端部の下部の押圧部材１７を介して、板バネ１０の中央部に伝達されることになる。また、前後の車輪６，７に線路不整等により高低差が生じる場合には、板バネ１０は押圧部材１７に対してシーソーのように回転することにより輪重抜けを防止する。このように、台車走行により板バネ１０には繰り返し荷重が負荷される。
板バネ１０のうち中央部１０ａと各端部１０ｂ，１０ｃとの間の中間領域である中間部１０ｄ，１０ｅは、他の部材から離間して空中に自由な状態で配置される。即ち、中間部１０ｄ，１０ｅは、変形及び変位が拘束されない。そのため、板バネ１０は、中央部１０ａ及び端部１０ｂ，１０ｃを支点とし、中間部１０ｄ，１０ｅにおいて弾性変形する。板バネ１０の中間部１０ｄ，１０ｅは、側面視で中央部１０ａに向けて下方に傾斜し、板バネ１０の中央部１０ａは、板バネ１０の端部１０ｂ，１０ｃよりも下方に位置する。即ち、板バネ１０は、側面視で全体として下方に凸となる弓形状に形成される。そして、板バネ１０は、中央部１０ａから端部１０ｂ，１０ｃに向けて徐々に肉厚が減少する形状を有する。なお、以下では、説明の都合上、図１の左側を進行方向と仮定し、車輪６を前輪と称し、車輪７を後輪と称する。
板バネ１０には、板バネ１０の長手方向及び板厚方向に直交する幅方向の両側の側端面１０ｆに電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rが設けられる。各電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rは、板バネ１０を幅方向に挟んでいる。電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fは、板バネ１０の中央部１０ａから見て前輪６側に配置され、電極対Ｅ1R，Ｅ2Rは、板バネ１０の中央部１０ａから見て後輪７側に配置される。台車枠３には、各電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rに電線を介して電気的に接続されたコントローラ１９が搭載される。状態監視装置３０は、板バネ１０と、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rと、コントローラ１９とを備える。なお、電極対Ｅ1F，Ｅ2Fと電極対Ｅ1R，Ｅ2Rとは、板バネ１０の長手方向中心を基準として対称に配置されているため、以下の説明では、主に、前輪６側の電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fについて代表して説明する。
図２は、図１に示す板バネ１０の要部を拡大した側面図である。図３は、図２のIII−III線断面図である。図４は、図２に示す板バネ１０の状態監視の原理を説明する概念図である。図２及び３に示すように、板バネ１０は、複数の繊維強化樹脂層が積層されてなり、例えばオートクレーブ成形など一般的な複合材料の成形手法を用いて成形される。本実施形態では、板バネ１０は、第１繊維強化樹脂層３１、第２繊維強化樹脂層３２、第３繊維強化樹脂層３３及び第４繊維強化樹脂層３４を有し、この順に上から下に並んでいる。第３繊維強化樹脂層３３の肉厚は、長手方向の中央部から端部に向けて徐々に肉厚が小さくなるように形成され、第１繊維強化樹脂層３１、第２繊維強化樹脂層３２及び第４繊維強化樹脂層３４の肉厚は一定である。
第１繊維強化樹脂層３１、第２繊維強化樹脂層３２及び第４繊維強化樹脂層３４は、導電性を有する強化繊維を含有したものである。具体的には、第１繊維強化樹脂層３１、第２繊維強化樹脂層３２及び第４繊維強化樹脂層３４は、連続した炭素繊維を含有するＣＦＲＰによって形成される。第１繊維強化樹脂層３１及び第４繊維強化樹脂層３４は、板バネ１０の主面（上面又は下面）の法線方向から見ると、板バネ１０の長手方向の一端から他端まで連続して延びた連続繊維を含有している。具体的には、第１繊維強化樹脂層３１及び第４繊維強化樹脂層３４は、炭素繊維が板バネ１０の長手方向の一方向に向けて配向された一方向材を主な積層構成としている。
第２繊維強化樹脂層３２は、板バネ１０の主面（上面又は下面）の法線方向から見ると、幅方向の一端から他端まで連続した炭素繊維を有する材料である。具体的には、第２繊維強化樹脂層３２は、炭素繊維が板バネ１０の幅方向の一方向に向けて配向された一方向材もしくは炭素繊維が縦横に配向された織物材等を主な積層構成としている。
第３繊維強化樹脂層３３は、非導電性の強化繊維を含有したＦＲＰによって形成される。具体的には、第３繊維強化樹脂層３３は、ガラス繊維を含有するＧＦＲＰによって形成される。
上記のように、第１繊維強化樹脂層３１、第２繊維強化樹脂層３２及び第４繊維強化樹脂層３４は、導電性の強化繊維を含有し、第３繊維強化樹脂層３３は、導電性の強化繊維を含有せず、非導電性の強化繊維を含有している。即ち、導電性の強化繊維を含有する層同士の境界は、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との間の境界である。電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fは、第１繊維強化樹脂層３１の幅方向の両側の側端面に直接的に取り付けられる。具体的には、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fは、第１繊維強化樹脂層３１の幅方向の両側の側端面にスクリーン印刷により導電性インクを塗布して形成される。本実施形態では、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fは、第２繊維強化樹脂層３２から離間している。
電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fを流れる電流の導電路には、図３に矢印で模式的に示すように、第１繊維強化樹脂層３１の炭素繊維のみにより形成される第１導電路Ｐ１と、第１繊維強化樹脂層３１及び第２繊維強化樹脂層３２の両方の炭素繊維に跨いで形成される第２導電路Ｐ２とが存在する。第１繊維強化樹脂層３１は、一方向材であり、その幅方向の一端から他端まで連続して延びた連続繊維を殆ど有さないため、第１導電路Ｐ１は、第１繊維強化樹脂層３１の多数の炭素繊維が隣接して互いに接触することで形成される。そのため、第１導電路Ｐ１は、板バネ１０の長手方向及び幅方向に不規則な経路を辿る。
第２導電路Ｐ２は、第１繊維強化樹脂層３１の幅方向一端部、第２繊維強化樹脂層３２、及び第１繊維強化樹脂層３１の幅方向他端部の各炭素繊維により形成される。即ち、第２導電路Ｐ２は、第１繊維強化樹脂層３１の炭素繊維と第２繊維強化樹脂層３２の炭素繊維との接触により、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との間の境界を通過する。第２繊維強化樹脂層３２の炭素繊維は、板バネ１０の幅方向の一端から他端まで連続して延びた連続繊維を有するため、第２繊維強化樹脂層３２に形成される導電路は、第１繊維強化樹脂層３１に形成される導電路に比べて、短い導電路で板バネ１０の幅方向に電流を流すことができる。そのため、第２繊維強化樹脂層３２の幅方向に流れる電流に対する電気抵抗は、第１繊維強化樹脂層３１の幅方向に流れる電流に対する電気抵抗よりも小さい。よって、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fを流れる電流は、第１導電路よりも第２導電路に多く流れることになる。
このように、多くの電流が流れる第２導電路Ｐ２が、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との間の境界を通過するため、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との間に剥離が生じた場合には、第２導電路Ｐ２の断面積が減少することで、第２導電路Ｐ２の電気抵抗に顕著な変化が生じることになる。よって、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fに電流を流して求められる板バネ１０の抵抗値が大きく増加したときに、当該剥離が発生したと判断することができる。
また、第１導電路Ｐ１においても、第１繊維強化樹脂層３１の内部で互いに接触していた隣接繊維同士が離れる剥離が生じた場合には、第１導電路Ｐ１の断面積が減少することで、第１導電路Ｐ１の電気抵抗に変化が生じることになる。よって、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fに電流を流して求められる板バネ１０の抵抗値の増加を監視することで、当該剥離も検出することができる。
せん断応力集中部の監視用の電極対Ｅ1Fと曲げ応力集中部の監視用の電極対Ｅ2Fとは、板バネ１０の中間部１０ｄに設けられる。電極対Ｅ1F，Ｅ2Fは、板バネ１０の中間部１０ｄのうち中央部１０ａよりも端部１０ｂに近い位置に設けられる。具体的には、せん断応力集中部の監視用の電極対Ｅ1Fは、板バネ１０の端部１０ｂと中間部１０ｄとの間の境界の近傍に設けられる。曲げ応力集中部の監視用の電極対Ｅ2Fは、せん断応力集中部の監視用の電極対Ｅ1Fよりも中央部１０ａ側に設けられる。後述する温度補正に用いる参照用の電極対Ｅ0は、板バネ１０の支持部材１５で下方から支持された端部１０ｂに設けられる。電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2Fの各々は、電圧測定用の中央電極要素対４１と、板バネ１０の長手方向における中央電極要素対４１の両側に配置された給電用の両側電極要素対４２，４３とからなる。各電極要素対４１〜４３は、それぞれ第１繊維強化樹脂層３１の厚さ方向に延びる形状に形成される。
図４に示すように、両側電極要素対４２，４３は、互いに短絡しており、電源４５及び電流センサ４６を有する回路に接続される。両側電極要素対４２，４３には、電源４５から定電流Ｉが供給される。中央電極要素対４１は、電圧センサ４７を有する回路に接続される。即ち、電圧センサ４７により中央電極要素対４１の電圧が検出される。状態監視装置３０は、両側電極要素対４２，４３に定電流を供給する電源４５と、中央電極要素対４１の電圧を検出する電圧センサ４７とを備える。繊維強化樹脂製の板バネ１０においては、両側電極要素対４２，４３に供給された電流の分布（図４の破線）は、板バネ１０の長手方向にある程度の拡がりをもつことになる。そのため、板バネ１０の長手方向における両側電極要素対４２，４３の間の領域に多くの電流が流れ、板バネ１０の中央電極要素対４１で挟まれた部分に電流が集中する。
図５は、図１に示す板バネ１０の状態監視装置３０のブロック図である。図５に示すように、状態監視装置３０のコントローラ１９には、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rの各電圧をそれぞれ個別に検出する電圧センサ４７が接続される。図５の各電圧センサ４７に記載された各記号Ｖ0，Ｖ1F，Ｖ2F，Ｖ1R，Ｖ2Rは、各電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rで検出される各電圧値を意味する。コントローラ１９は、測定部５１と、補正部５２と、判定部５３とを備える。測定部５１は、電圧センサ４７からの信号に基づき、板バネ１０の電気的特性の値としての抵抗値Ｒを測定する。具体的には、各電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rに供給される電流値Ｉが一定であるため、測定部５１は、電圧センサ４７で検出される各電圧値Ｖ0，Ｖ1F，Ｖ2F，Ｖ1R，Ｖ2Rを定電流値Ｉで除算することにより、各電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2Rで挟まれる各部分の抵抗値Ｒ0，Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rを求める。
補正部５２は、電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rからの信号に基づいて測定部５１で測定された抵抗値Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rから、軌道外乱による成分と温度変化による成分とを除去する補正を行う。その補正の詳細は後述する。判定部５３は、補正部５２により補正された抵抗値Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rが所定の閾値Ｒthを超えたか否かを判定する。この際、判定部５３は、ノイズ除去のために抵抗値Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rに対して公知の平滑化処理（例えば、移動平均）を行う。判定部５３は、抵抗値Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rが所定の閾値Ｒthを超えていない場合は、警告装置５４に信号を送信しないが、抵抗値Ｒ1F，Ｒ2F，Ｒ1R，Ｒ2Rが所定の閾値Ｒthを超えた場合に、警告装置５４に信号を送信する。警告装置５４は、当該信号を受信すると、警告表示及び警告音の少なくとも一方により警告を発する。なお、警告装置５４は、鉄道車両の運転室に設置されるが、台車１に設置されてもよい。
図６は、図１に示す前輪６側の電極対Ｅ1F（第１電極対）から得られる抵抗値の時系列データを示すグラフと、図１に示す後輪７側の電極対Ｅ1R（第２電極対）から得られる抵抗値の時系列データを示すグラフとの関係を説明する図面である。図６に示すように、走行中の台車１に軌道から衝撃（例えば、台車が分岐を通過するとき等に発生する衝撃）が伝達されると、板バネ１０に負荷変動が生じ、電極対Ｅ1F，Ｅ1Rから得られる抵抗値に軌道外乱としてパルス状のピエゾ抵抗変動が発生する。その際、軌道からの衝撃は前輪６に入力された後に遅れて後輪７に入力されるので、後輪７側の電極対Ｅ1Rから得られる抵抗値にパルス状のピエゾ抵抗変動が発生する時間ｔ2は、前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値にパルス状のピエゾ抵抗変動が発生する時間ｔ1から遅れることとなる。その遅れ時間Δｔ（＝ｔ2−ｔ1）は、前輪６の中心と後輪７の中心との間の距離を車両の走行速度で割って得られる時間である。
そこで、補正部５２は、後輪７側の電極対Ｅ1Rから得られる抵抗値の時系列データの時間軸を遅れ時間Δｔの分だけ早めるようにオフセットし、前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値の時系列データから後輪７側の電極対Ｅ1Rから得られる抵抗値の時系列データを引くことで、前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値の時系列データを補正する。これにより、前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値の時系列データから軌道外乱によるピエゾ抵抗変動成分が相殺により除去される。
また、補正部５２は、後輪７側の電極対Ｅ1Rから得られる抵抗値の時系列データを補正する場合には、前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値の時系列データの時間軸を遅れ時間Δｔの分だけ遅らせるようにオフセットし、後輪７側の電極対Ｅ1Rから得られる抵抗値の時系列データから前輪６側の電極対Ｅ1Fから得られる抵抗値の時系列データを引くことで補正を行えばよい。なお、電極対Ｅ1F，Ｅ1R以外の電極対Ｅ2F，Ｅ2Rから得られる抵抗値から軌道外乱を除去する場合も上記同様の補正を行えばよい。
また、板バネ１０の電気抵抗は、板バネ１０自体の温度変化によっても変動するので、補正部５２は、下記のように、電極対Ｅ0（副電極対）から得られる抵抗値を参照値として用い、電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2R（主電極対）から得られる抵抗値から温度変化による抵抗変動成分を除去する補正を行う。参照用の電極対Ｅ0が設けられた板バネ１０の部位は、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rが設けられた板バネ１０の部位よりも、板バネ１０の弾性変形時に生じる応力が小さい。本実施形態では、参照用の電極対Ｅ0が設けられた板バネ１０の端部１０ｂは、支持部材１５により支持されているため、負荷変動によるピエゾ抵抗変動が殆ど生じない。
そこで、補正部５２は、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rから得られる抵抗値から、参照用の電極対Ｅ0から得られる抵抗値を引くことで、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rから得られる抵抗値をそれぞれ補正する。これにより、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rから得られる抵抗値から温度変化による抵抗変動成分が除去される。
図７は、図１に示す板バネと同様の構造を有する試験片の疲労試験において測定される試験片の抵抗値と荷重回数との関係を示すグラフである。図７のグラフでは、横軸が試験片に繰り返し負荷した荷重の回数を示し、縦軸が測定される試験片の抵抗値を示す。当該グラフによれば、荷重回数が多くなるまでは抵抗値は、所定の閾値Ｒthよりも小さい値で小さい変動で推移した。そして、荷重回数がｎ1になると、抵抗値が上昇して閾値Ｒthを超えるとともに抵抗値の変動も増えた。このとき、試験片内部に小さな剥離が生じる等したものと考えられるが、同時に実施した超音波探傷による観察では剥離の発生を視認することはできなかった。そして、荷重回数がｎ2になると、抵抗値が更に上昇するとともに抵抗の変動も更に増加した。このとき、同時に実施した超音波探傷による観察では剥離の発生が確認された。即ち、抵抗値による状態監視によれば、超音波探傷では検知不可能な状態変化も早期に検知することができ、板バネの破断の予兆が好適に検知される。
以上に説明した構成によれば、板バネ１０の幅方向の両側の側端面１０ｆに電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rを設けるため、板バネ１０の主面（上面又は下面）から板厚方向に離れた部分で発生する破断や剥離も精度良く検出することができる。しかも、炭素繊維が板バネ１０の長手方向に延びた構成においては、板バネ１０の幅方向両側の側端面１０ｆに設けた電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rには、隣接繊維の接触により形成された導電路を介して電流が流れるため、隣接繊維が離隔する剥離を精度良く検出することできる。また、電極対を板バネ１０の長手方向端面に設ける場合に比べ、板バネ１０の長手方向において状態変化した箇所を特定することが容易になる。更に、電極対を板バネ１０の一方側の主面に配置する場合に比べ、板厚方向における板バネ１０の中立軸からの電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rまでの距離が短くなるため、板バネ１０が撓むことで生じる圧縮又は引張による電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rの歪みが減り、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rが損傷することが抑制される。以上により、鉄道車両用の台車１に搭載される繊維強化樹脂製の板バネ１０において、状態変化した箇所を特定し易くし、電極の損傷を抑制し、剥離の検出精度を高めることが可能となる。
また、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rは、第１繊維強化樹脂層３１の側端面に設けられ、第２繊維強化樹脂層３２の幅方向の電気抵抗が第１繊維強化樹脂層３１の幅方向の電気抵抗よりも小さいため、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rによる電流は第１繊維強化樹脂層３１を介して第２繊維強化樹脂層３２に流れることになる。即ち、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rを流れる電流の導電路が、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との間の境界を通過するようにしたため、層間剥離が生じた際には、測定部５１で測定される板バネ１０の抵抗値に顕著な変化を生じさせることができる。よって、板バネ１０に生じる層間剥離を精度良く検出することできる。また、判定器５３は、測定部５１で測定される抵抗値が閾値Ｒthを超えたことを判定するので、閾値判定により板バネ１０の異常の予兆を簡易に把握することができる。
また、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rは、電圧測定用の中央電極要素対４１と、中央電極要素対４１の両側に配置されて定電流が供給される両側電極要素対４２，４３とを有し、測定器５１は、中央電極要素対４１の電圧に基づいて板バネ１０の該当部位の抵抗値を測定するので、板バネ１０の状態変化を高感度に検出できる。詳しくは、繊維強化樹脂製の板バネ１０においては、両側電極要素対４２，４３に供給された電流の分布は板バネ１０の長手方向にある程度の拡がりをもつことになるため、板バネ１０の長手方向における両側電極要素対４２，４３の間の領域に多くの電流が流れ、板バネ１０の中央電極要素対４１で挟まれた部分に電流を集中させることができる。そのため、板バネ１０の中央電極要素対４１で挟まれた部分に抵抗変化が生じたときに大きな電圧変化が得られ、板バネ１０の状態変化を高感度に検出できる。
また、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rは、板バネ１０のうち中央部１０ａと端部１０ｂ，１０ｃとの間の中間部１０ｄ，１０ｅに設けられ、板バネ１０の応力が作用し易い箇所に設けられるため、板バネ１０で生じる状態変化を速やかに検知することができる。また、監視用の電極対Ｅ1F，Ｅ1Rは、中央部１０ａから端部１０ｂ，１０ｃに向けて肉厚が減少した形状を有する板バネ１０の中間部１０ｄ，１０ｅのうち中央部１０ａよりも端部１０ｂ，１０ｃに近い位置に設けられ、かつ、板バネ１０のせん断応力による状態変化は、板バネ１０のうち肉厚が薄く且つ支持されていない箇所で開始しやすいため、板バネ１０のせん断応力による状態変化を速やかに検知することができる。
また、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rは導電性インクにより形成され、導電性インクはそれ自体が弾力性を有するため、板バネ１０の撓み運動による電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rの歪みに起因する電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rの損傷を抑制することができる。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、電極対Ｅ0，Ｅ1F，Ｅ1R，Ｅ2F，Ｅ2Rは、第２繊維強化樹脂層３２から離隔せずに、第１繊維強化樹脂層３１と第２繊維強化樹脂層３２との両方の側端面にわたって設けてもよい。また、上述した実施形態では、測定部５１で測定される電気的特性の値として抵抗値を測定したが、抵抗値に代えて電圧値を測定してもよい。また、参照用の電極対Ｅ0は、板バネ１０の一方の端部１０ｂに設けたが、他方の端部１０ｃ又は中央部１０ａに設けてもよい。
Ｅ0 参照用の電極対
Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2R 監視用の電極対
１ 台車
６，７ 車輪
１０ 板バネ
１０ａ 中央部
１０ｂ，１０ｃ 端部
１０ｄ，１０ｅ 中間部
１０ｆ 側端面
１１，１２ 軸箱
１７ 押圧部材
３０ 状態監視装置
３１ 第１繊維強化樹脂層
３２ 第２繊維強化樹脂層
４１ 中央電極要素対
４２，４３ 両側電極要素対
５１ 測定部（測定器）
５２ 補正部（補正器）
５３ 判定部（判定器）
Ｅ1F，Ｅ2F，Ｅ1R，Ｅ2R 監視用の電極対
１ 台車
６，７ 車輪
１０ 板バネ
１０ａ 中央部
１０ｂ，１０ｃ 端部
１０ｄ，１０ｅ 中間部
１０ｆ 側端面
１１，１２ 軸箱
１７ 押圧部材
３０ 状態監視装置
３１ 第１繊維強化樹脂層
３２ 第２繊維強化樹脂層
４１ 中央電極要素対
４２，４３ 両側電極要素対
５１ 測定部（測定器）
５２ 補正部（補正器）
５３ 判定部（判定器）
Claims (8)
- 鉄道車両用台車に搭載されて導電性の強化繊維を含有する繊維強化樹脂を有する板バネであって、前記強化繊維が前記板バネの長手方向に延びた強化繊維を有する前記板バネの状態を監視する装置において、
前記板バネの長手方向及び板厚方向に直交する幅方向の両側の側端面に前記板バネを挟んで設けられた電極対と、
前記電極対に電気的に接続され、前記板バネの電気的特性を測定する測定器と、を備える、鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。 - 前記電極対は、前記板バネの第１繊維強化樹脂層と、前記板バネの前記第１繊維強化樹脂層よりも前記幅方向に流れる電流に対する電気抵抗が小さい第２繊維強化樹脂層との間の剥離を検出するために、前記第１繊維強化樹脂層の前記幅方向の両側の側端面に設けられる、請求項１に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。
- 前記測定器で測定される前記電気的特性の値が所定の閾値を超えたことを判定する判定器を更に備える、請求項１又は２に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。
- 前記電極対は、前記板バネのうち前記台車の横梁の車幅方向の端部により上方から押圧される中央部と前記台車の軸箱により下方から支持される端部との間の中間領域に設けられている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。
- 前記電極対は、前記板バネの前記中間領域のうち前記中央部よりも相対的に肉厚が減少した前記端部に近い位置に設けられている、請求項４に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。
- 前記電極対は、電圧測定用の中央電極要素対と、前記板バネの長手方向における前記中央電極要素対の両側に配置された給電用の両側電極要素対とを含み、
前記両側電極要素対は、定電流を供給する電源に接続され、
前記測定器は、前記中央電極要素対の電圧に基づいて前記板バネの電気的特性を測定する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。 - 前記測定器で測定された値を補正する補正器を更に備え、
主電極対及び副電極対の各々が、前記電極対として、前記板バネに設けられ、
前記副電極対は、前記主電極対が設けられた部位よりも前記板バネの弾性変形時における応力が小さい部位に設けられ、
前記補正部は、前記主電極対に流れる電流に基づいて測定された主電気的特性の値から、前記副電極対に流れる電流に基づいて測定された副電気的特性の値を引くことで、前記主電気的特性の値を補正する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。 - 前記測定器で測定された値を補正する補正器を更に備え、
第１電極対及び第２電極対の各々が、前記電極対として、鉄道車両の長手方向に向くように前記台車に搭載された前記板バネに設けられ、
前記第１電極対は、前記台車の進行方向前方の車輪側に配置され、前記第２電極対は、前記台車の進行方向後方の車輪側に配置され、
前記補正部は、
車両長手方向における前記前方の車輪の中心と前記後方の車輪の中心との間の距離を前記車両の走行速度で割って得られる遅れ時間の分、前記第１電極対に流れる電流に基づいて測定された第１電気的特性の時系列データの時間軸を前記第２電極対に流れる電流に基づいて測定された第１電気的特性の時系列データの時間軸に対して相対的に遅れ側にオフセットし、
前記第１電気的特性の時系列データから前記第２電気的特性の時系列データを引くことで、前記第１電気的特性の値を補正する、又は、前記第２電気的特性の時系列データから前記第１電気的特性の時系列データを引くことで、前記第２電気的特性の値を補正する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の鉄道車両用台車の板バネの状態監視装置。
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