JP2018001950A - 鉄道車両用中空車軸の損傷検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 中空車軸に発生した損傷を精度よく検出できる鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムを提供する。【解決手段】 鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムである。中空車軸の軸体を長手方向に貫通する貫通穴と、貫通穴の両端部近傍を封止する第１及び第２の隔壁と、隔壁の間の空間の気圧を調整する気圧調整バルブと、気圧調整バルブに設けられて空間の気圧変化、及び温度を計測するセンサと、を含み、第１及び第２の隔壁は軸体の端部から車輪座側に進んだ内側位置に設けられ、第１の隔壁にセンサが与えられているとともにこれを貫通穴内に封止するように外側位置に補助隔壁が与えられていることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、鉄道車両用の中空車軸に生成した亀裂や軸受の過熱による溶損などの損傷を検出するためのシステムに関し、特に運行に車両を供用中にあっても損傷を検出できる鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムに関する。

環境負荷の低減などを目的に鉄道車両の走行装置の軽量化が進められている。例えば、鋼板を溶接して組み立てその内部を中空にして軽量化した組立台車枠が開発され、数多くの車両に用いられている。かかる組立台車枠においても、従来からの台車枠と同様に車体から台車装置を切り離した上で行う定期検査によって、磁粉探傷法などの非破壊検査で亀裂の検査が行われる。一方、中空台車枠では、その中空部に空気などの気体が圧力を与えられて又は減圧されて封入され、外部との間での気体の漏れを気圧計測装置で計測する亀裂発見方法が提案されている。かかる方法によれば、簡易に外部から中空部まで貫通するような亀裂による損傷を発見できるのである。

例えば、特許文献１では、空気ばねと組立台車枠の内部の閉空間を接続して空気を封入し、入庫から出庫までの車庫に停車中における圧力変化によって組立台車枠の貫通亀裂を発見するシステムを開示している。鋼板を屈曲加工し溶接連結して組み立てられた組立台車枠の内部に気体を封入可能に区切られた小区画を与え、空気ばねとオリフィスを介して連結される補助空気室と連通孔で接続する。ここで連通孔の断面をオリフィスの断面よりも小とし、小区画に圧力検知装置を接続すると、車庫に停車中においては空気ばねへのエアの供給が停止し、小区画の圧力変化を検知することで組立台車枠に発生した貫通亀裂を発見し得るのである。一方、走行中に微小な亀裂が発生したとしても、亀裂から漏洩する空気と同量の空気を供給できるから走行に影響を与えないとしている。

また、特許文献２では、運行に車両を供用中にあっても貫通亀裂の発見を可能とする鉄道車両の組立台車枠の亀裂検出システムを開示している。組立台車枠の内部の閉空間にエアバルブを介して気体ポンプによって気体を封入し、気体ポンプを外してエアバルブに圧力検知装置を接続し内部の圧力をモニタリングする。組立台車枠に貫通亀裂が生じた場合にあっては、閉空間に封入した気体の漏洩による圧力低下が検出できて、運行に車両を供用中にあっても貫通亀裂を発見し得るのである。

更に、車軸についても円筒形にその内部をくりぬいて軽量化を図った中空車軸が開発されている。かかる中空車軸においても、組立台車枠の亀裂検出システムのような運行に車両を供用中にあっても亀裂による損傷を発見できるシステムが求められる。

例えば、特許文献３では、中空車軸の中空部の車軸内周面に内部の圧力変化や温度を検知するセンサを設けて亀裂の損傷を検出するシステムを開示している。中空車軸の両端部には封止部材が取り付けられてこの中空部に気体が充填される。そして、一方の封止部材に発信機を取り付けて圧力検知センサと接続させ、台車装置や車両に備えられる受信機によって中空部の圧力変化をモニタリングするのである。また、軸受座の直下に温度検知センサを配置して軸受の異常過熱による溶損をも検知できるとしているが、この温度検知センサの代わりに圧力検知センサを配置してもその異常信号に基づいて溶損を検知できるとしている。

特願２０１１−２５５７５４号公報 特開２０１１−０４６２４３号公報 特開２０１０−１９５３４５号公報

ところで、車軸における上記したような損傷は走行中に生じることがほとんどであるから、運行に車両を供用中に損傷を発見し早期に対処できる特許文献３のようなシステムについての要望は高い。一方で、走行中の誤検知は運行に大きな支障を与えるため、これを防ぐことも必要である。そこで精度よく中空車軸に発生した損傷を検出できるシステムが求められる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、中空車軸に発生した損傷を精度よく検出できる鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムを提供することにある。

本発明による損傷検出システムは、鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムであって、前記中空車軸の軸体を長手方向に貫通する貫通穴と、前記貫通穴の両端部近傍を封止する第１及び第２の隔壁と、前記隔壁の間の空間の気圧を調整する気圧調整バルブと、前記空間の気圧変化、及び温度を計測するセンサと、を含み、前記第１及び第２の隔壁は前記軸体の端部から車輪座側に進んだ内側位置に設けられ、前記第１の隔壁に前記センサが与えられているとともにこれを前記貫通穴内に封止するように外側位置に補助隔壁が与えられていることを特徴とする。

かかる発明によれば、隔壁を軸体の端部から車輪座側に進んだ内側位置に設けるとともにその外側位置に補助隔壁を与えることで、車軸中央部における疲労による貫通亀裂とともに、軸受けの異常過熱による軸受座の溶損などの中空車軸の損傷等までをも精度よく検出できる一方、誤検知を抑制できるのである。

上記した発明において、前記隔壁は前記軸受座近傍に設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、軸受けの異常過熱による中空車軸の損傷等を精度よく検出できる。

上記した発明において、前記第２の隔壁の外側位置に第２の補助隔壁が与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、補助隔壁の内側の隔壁の漏洩に基づく亀裂の誤検知を抑制できる。

上記した発明において、前記気圧調整バルブは前記センサと一体で設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、システムを簡略化して誤検知を抑制でき、結果として、損傷を精度よく検出できる。

鉄道車両用中空車軸を含む輪軸の正面図である。 本発明による中空車軸の損傷検出システムの要部の正断面図である。 本発明による中空車軸の損傷検出システムの要部の断面図である。 本発明による中空車軸の損傷検出システムのブロック図である。

以下に、本発明による１つの実施例である中空車軸の損傷検出システムについて説明する。

まず、損傷検出システムのうち、中空車軸とこれに取り付けられる装置等について、図１乃至３を用いて説明する。

図１に示すように、中空車軸１はその長手方向に一端から他端まで連続する貫通穴２を設けられた軸体である。中空車軸１は、その両端側に軸受けに支持される軸受座３を備え、両端からさらに内側に車輪４を嵌められる車輪座５を備える。

図２に示すように、貫通穴２は、その両端部近傍において、中空車軸１の端部から車輪座５に向けて進んだ内側位置に設けられる２つの隔壁７によって封止され、両隔壁７に挟まれた閉空間１０に気密性を与えられる。隔壁７は、その周囲をシール材となる接着剤により接着されて貫通穴２に固定される。その他気密性を与える固定方法として、例えば、シールテープ等のシール材を用いた螺合なども用い得る。

ところで、損傷検出システムでは、中空車軸１の外周から貫通穴２まで貫通する亀裂と、軸受座３の溶損などの中空車軸１を損傷させるような軸受３ａの異常過熱を検出する。前者のような貫通亀裂は、中空車軸の走行中の変形に基づく疲労によって車輪座５よりも軸方向の内側、すなわち車輪座５よりも中空車軸１の端部から離間する方向の領域Ａ（図１参照）において発生することが多い。また、後者のような中空車軸１を損傷させるような軸受３ａの異常過熱は、貫通穴２の内部において温度変化によって検知すればよい。これらの損傷を検知するための隔壁７の位置としては、気圧検知空間である閉空間１０に貫通亀裂を開口させることのできる位置であり、軸受３ａの過熱による中空車軸１の温度変化を検知しやすい位置とすることが好ましい。つまり、２つの隔壁７の間に領域Ａを含み、隔壁７に取り付けたセンサにより軸受３ａの過熱による温度変化を検知しやすい位置である、軸受座３の近傍が好ましい。

図３を併せて参照すると、隔壁７の一方には、さらに閉空間１０の気圧を調整できるバルブ３０を備える。ここで、隔壁７には、閉空間１０から補助空間２０まで貫通するバルブ孔１１が備えられる。バルブ孔１１内面には螺刻がなされバルブ３０が螺合され、バルブ３０により外部に対して閉空間１０の気密が保たれる。

バルブ３０は、バルブ本体３１と取り付けベース部３４とで構成される。バルブ本体３１の一端はその外周を螺刻され、後述する気圧・温度計測装置２１の取り付けを可能とする。バルブ本体３１の他端には取り付けベース部３４が設けられている。取り付けベース部３４は、六角形状のフランジ部３５と凸部３６とからなり、凸部３６はその外周を螺刻されている。この凸部３６は、ガスケット３７を挟んでバルブ孔１１に螺合される。バルブ本体３１は、公知の自動車タイヤ用バルブなどと同じ内部構造を有するので、その説明は省略する。

バルブ３０は、図示しない気体ポンプを着脱自在に螺合させることができ、これにより閉空間１０の気圧を調整することができる。また、バルブ３０は、気体ポンプを取り外して閉空間１０の気圧を計測するとともに取り付けた位置の異常な温度を検知するための気圧・温度計測装置２１を螺合させることができる。

気圧・温度計測装置２１は、気圧センサ２２と、送信機２３と、ケース２４と、を含む。気圧センサ２２は例えばシリコン・ダイヤフラム式とでき、気圧を計測し得る。また、軸受３ａの異常過熱及びこれによる軸受座３の溶損などの損傷を検知するために、気圧センサ２２は、例えば１５０℃程度で故障するなどして気圧の計測値として異常値を示すようなものである。気圧センサと温度を計測し得る温度センサとを併用してもよい。送信機２３は、気圧センサ２２の気圧計測結果を気圧信号として、後述する受信機４０に無線で送信し得る。ケース２４は中空の円筒形状をなし、その一端には蓋部材２４’が嵌合される。気圧センサ２２及び送信機２３は、ケース２４内の一端側に配設される。ケース２４の他端は、ケース２４の中心部近傍までの深さを有する開口凹部２５が凹設され、その凹部側壁を螺刻され、バルブ本体３１を螺合可能とする。開口凹部２５の底面２８には円筒形状の突起部２６が設けられ、その側壁には小孔２９が開口している。小孔２９は、底面２８に近接して配置される気圧センサ２２まで連通する。突起部２６の周囲には、底面２８に当接するようにガスケット２７が設けられる。

再び図２を参照すると、バルブ３０を備える隔壁７の外側、つまり中空車軸１の端部側に、貫通穴２を封止する補助隔壁８を備える。これにより、貫通穴２は、一方の隔壁７と補助隔壁８とに挟まれた補助空間２０に気密性を与えられる。本実施例においては、補助隔壁８は軸端に取り付けられる。なお、補助隔壁８は、着脱可能かつ気密性を与え得るよう固定される。例えば、シールテープ等のシール材を用いた螺合によって固定されてもよい。

さらに、補助隔壁８には、気圧・温度計測装置２１の送信機２３と無線又は有線で接続される中継機４０を備える。中継機４０は、送信機２３から受信した信号を後述する受信機２０１に無線で送信することができる。また、中継機４０は中空車軸１の端部近傍や、図示しない台車枠等、信号の中継可能な他の位置に適宜設置してもよい。

次に、中空車軸１の損傷検出システム１００の全体について、図４を用いて説明する。

図４に示すように、損傷検出システム１００は、複数の中空車軸１の隔壁７（図１参照）に螺合されたバルブ３０群と、各バルブ３０に着脱自在に螺合される気圧・温度計測装置２１群と、各気圧計・温度測装置２１の送信機２３に接続される中継機４０群と、モニター装置２００と、を含む。モニター装置２００は、受信機２０１とモニタ２０２とからなり、受信機２０１は、鉄道車両編成毎に設けてもよく、送受信状態によっては車両毎あるいは台車枠毎に設けても構わない。

また、損傷検出システム１００は、バルブ３０に着脱自在に螺合される気体ポンプ（図示せず）をも含む。気体ポンプは、公知のエア・コンプレッサーを使用し得る。本実施例において、圧送する気体は調達の容易な空気を利用している。なお、圧送する気体として、化学的に不活性な窒素やアルゴンを使用してもよい。

更に、損傷検出システム１００の使用方法について、図２乃至図４を用いて詳述する。

図２及び図３を参照すると、まず、補助隔壁８を中空車軸１から取り外して、補助空間２０を外部に開放する。そして、気圧・温度計測装置２１を取り外してからバルブ３０に気体ポンプ（図示せず）を接続し、閉空間１０内に空気を圧送して封入する。封入後、バルブ３０から気体ポンプを取り外し、バルブ３０に気圧・温度計測装置２１を接続するとともに同装置の電源を入れる。電源の入った気圧・温度計測装置２１内の気圧センサ２２は、閉空間１０内の気圧の継続的な計測を開始する。さらに、補助隔壁８を取り付けて、補助空間２０を封止する。ここで、補助空間２０内はほぼ大気圧と同等の気圧になる。

図４を併せて参照すると、気圧・温度計測装置２１内の気圧センサ２２は、計測した気圧に応じた電気信号出力する。送信機２３は、同信号を取得し、これをデジタル処理して気圧信号とし、中継機４０を介して気圧信号を受信機２０１に向けて送信する。予め電源を入れておいた受信機２０１は、気圧信号を受信し、所定の信号処理を施した上で処理済信号をモニタ２０２に送る。閉空間１０内の気圧の値は、文字等によりモニタ２０２上で表示され、乗務員等によって監視され得るのである。

鉄道車両を運行に供用中、すなわち、運行前検査時や走行中における車上監視中において、中空車軸１に内在する亀裂が成長するなどして、閉空間１０と外部とをつなぐ貫通亀裂が発生した場合、閉空間１０内に封入した空気は同亀裂から漏洩する。そのため、閉空間１０内の気圧が低下する。つまり、閉空間１０の気圧変化を計測することによって、貫通亀裂を検出することが出来るのである。また、上記したように、気圧センサ２２は１５０℃程度で気圧の値として異常値を示すため、軸受３ａの異常過熱によって軸受座３が高温になったことをかかる異常値で検知できる。

このとき、上記したように隔壁７は、軸受座３の近傍に備えられることが好ましいが、気圧・温度計測装置２１による異常温度の検知においては、気圧センサ２２（又は気圧センサと併用する温度センサ）への伝導や輻射などの伝熱経路を考慮してその位置を定めるとよい。例えば、輻射を優先するのであれば、センサの位置を軸受３ａの中心に対応する内周側の位置にするように隔壁７を設けるとよい。

また、隔壁７は、中空車軸１の端部から車輪座５側に進んだ内側の位置に設けられるから、軸端に隔壁を設けるよりも閉空間１０を小さくできる。これにより貫通亀裂の多く発生する部位に閉空間１０を絞り込み、貫通亀裂の検出における誤検知の抑制ができるとともに、貫通亀裂を生じた場合の閉空間１０の圧力変化を大きくして、貫通亀裂の検出精度を向上させることができる。この観点において、隔壁７の位置は、軸受３ａの異常過熱を検知できる範囲で中空車軸１の端部から離間させることが好ましい。

また、隔壁７の外側には、上記したように気密性の補助空間２０を備える。これにより、隔壁７のシール材の劣化や走行中の中空車軸１の変形などによって、閉空間１０の気密性が低下して空気を補助空間２０内に漏洩させたような場合には、閉空間１０の気圧を多少低下させるものの、漏洩した空気を閉空間１０よりも容積の小さな補助空間２０内に充満させ、大気圧よりも高い気圧で漏洩を停止させて閉空間１０の気圧の低下を停止させる。他方、閉空間１０に開口する貫通亀裂により気体を漏洩させるときは、閉空間１０内の圧力を大気圧に近づけるまで低下させ続ける。

このように、閉空間１０の気圧の変化を計測することで、貫通亀裂による閉空間１０から外部への漏洩か、隔壁７からの補助空間２０への漏洩かを区別できる。これによって、貫通亀裂が発生していないにも関わらず、貫通亀裂の発生としてしまう誤検知の頻度を低下させ、精度よく貫通亀裂による損傷を検出し得るのである。そのため、例えば、隔壁７から補助空間２０への漏洩だけであればシステム１００の使用を可能とするので、車両を直ちに停止させずともよく、車両の運行に大きな支障を与えない。

このように、隔壁７から中空車軸１の外部への漏洩を抑制して誤検知を減じて精度よく貫通亀裂による損傷を検出することができるので、さらに、バルブ３０を設けなかった他方の隔壁７の外側にも第２の補助隔壁を設けることも好ましい。また、補助隔壁を多段にして、隔壁７からの漏洩をさらに抑制することもできる。つまり、補助隔壁を増やすほど隔壁及び補助隔壁の漏洩による誤検知の確率を低下させて、亀裂の検出精度を向上させることができる。また、バルブ３０を設けなかった他方の隔壁７には軸受の異常過熱を検知する温度センサを設けることが好ましい。

なお、上記に併せて、微細な珪酸や炭酸カルシウム等の着色粉体を閉空間１０内に予め収容しておいてもよい。この場合、閉空間１０と外部とをつなぐ貫通亀裂の開口部から封入した気体とともに着色粉体が漏洩し、同開口部周辺に付着するため、目視検査によって貫通亀裂の位置を容易に特定し得るのである。

さらに、他の実施例として、閉空間１０内部を外気圧に対して減圧させてもよい。かかる実施例によれば、閉空間１０の圧力上昇により貫通亀裂が検出される。

ここまで本発明による代表的な実施例及びこれに伴う変形例について述べたが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ 中空車軸
２ 貫通穴
３ 軸受座
５ 車輪座
７ 隔壁
８ 補助隔壁
１０ 閉空間
２０ 補助空間
３０ バルブ

Claims (4)

1. 鉄道車両用中空車軸の損傷検出システムであって、
   前記中空車軸の軸体を長手方向に貫通する貫通穴と、
   前記貫通穴の両端部近傍を封止する第１及び第２の隔壁と、
   前記隔壁の間の空間の気圧を調整する気圧調整バルブと、
   前記空間の気圧変化、及び温度を計測するセンサと、を含み、
   前記第１及び第２の隔壁は前記軸体の端部から車輪座側に進んだ内側位置に設けられ、前記第１の隔壁に前記センサが与えられているとともにこれを前記貫通穴内に封止するように外側位置に補助隔壁が与えられていることを特徴とする鉄道車両用中空車軸の損傷検出システム。
2. 前記隔壁は前記軸受座近傍に設けられていることを特徴とする請求項１記載の損傷検出システム。
3. 前記第２の隔壁の外側位置に第２の補助隔壁が与えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の損傷検出システム。
4. 前記気圧調整バルブは前記センサと一体で設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の損傷検出システム。
   
   

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