JP2019015516A

JP2019015516A - 状態検出装置

Info

Publication number: JP2019015516A
Application number: JP2017130551A
Authority: JP
Inventors: 一弘吉田; Kazuhiro Yoshida
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】組み立て作業性の改善及び品質の向上を図ることが可能な状態検出装置を提供すること。【解決手段】状態検出装置２０は、被状態検出対象の被検出面１０に設けられ、筐体５と、被状態検出対象の状態を検出する検出素子１と、検出素子１が実装されて筐体５に収容され、被検出面１０に対して垂直に配置された基板２と、基板２に接続される配線３が束ねられ、被検出面１０に対して平行に筐体５に支持されたケーブル４と、基板２に対向して平行に設けられ、筐体５に設けられた開口５ａを閉塞する蓋６と、を備える。蓋６及び基板２は、ケーブル４の軸方向に沿って開口５ａ側から順に並んで並び配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、状態検出装置に関する。

鉄道車両の車軸に用いられる軸受等の状態を検知する状態検出装置として、例えば、振動センサや温度センサが組み込まれた状態検出装置が用いられる。例えば、特許文献１には、鉄道車両の台車等の加速度検出対象物に取り付けられる筐体と、この筐体に収められる一対の各センサ基板と、加速度センサチップとを備え、筐体は鉄道車両側の支持部材（加速度検出対象物）に固定される設置基準面と、各センサ基板を着座させる各センサ基板取付面とを有し、各センサ基板取付面と平行に延びる各平面を仮想感度軸設定面とし、各加速度センサチップを複数の感度軸が各仮想感度軸設定面において互いに平行とならないようにかつ設置基準面に対して傾斜するように各センサ基板に介装することで、加速度検出対象物に対して容易に設置できる多軸加速度検出装置が開示されている。

特開２００６−３３７１９６号公報

上記従来技術では、筐体に各センサ基板を収納するための開口が加速度検出対象物の設置基準面に設けられ、各センサ基板に接続されるケーブルが設置基準面に対して平行に延びる構成となっているため、状態検出装置の組み立て作業性に難がある。また、各センサ基板を筐体に収納する際にケーブルやセンサ基板に負荷が掛かり基板の破損を招く可能性があり、延いては状態検出装置の品質向上の阻害要因となる可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、組み立て作業性の改善及び品質の向上を図ることが可能な状態検出装置を提供すること、を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る状態検出装置は、被状態検出対象の被検出面に設けられる状態検出装置であって、筐体と、前記被状態検出対象の状態を検出する検出素子と、前記検出素子が実装されて前記筐体に収容され、前記被検出面に対して垂直に配置された基板と、前記基板に接続される配線が束ねられ、前記被検出面に対して平行に前記筐体に支持されたケーブルと、前記基板に対向して平行に設けられ、前記筐体に設けられた開口を閉塞する蓋と、を備え、前記蓋及び前記基板は、前記ケーブルの軸方向に沿って前記開口側から順に並んで配置されている。

これにより、基板を筐体に収納する際にケーブルや基板に負荷が掛かることを防ぐことができ、状態検出装置の品質を向上させることができる。

状態検出装置の望ましい態様として、前記検出素子は、前記被検出面の温度を検出する温度検出素子であり、前記基板上の前記被検出面寄りに配置されていることが好ましい。

これにより、温度検出性能の低下を抑制することができる。

状態検出装置の望ましい態様として、前記開口の面積は、前記ケーブルの軸方向視において、前記基板の面積よりも大きいことが好ましい。

これにより、状態検出装置の組み立て作業性を向上することができる。

図１は、実施形態に係る状態検出装置が適用される状態検出対象の一例である鉄道車両の台車を正面方向から見た構成の概要を示す図である。図２は、鉄道車両の台車を真下から見た構成の概要を示す図である。図３は、実施形態に係る状態検出装置の鉄道車両における配置例を示す図である。図４は、実施形態に係る状態検出装置の横断面図である。図５は、実施形態に係る状態検出装置の図４に示す矢視図である。図６は、実施形態に係る状態検出装置の図５に示す矢視図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、実施形態に係る状態検出装置が適用される状態検出対象の一例である鉄道車両の台車を正面方向から見た構成の概要を示す図である。図２は、鉄道車両の台車を真下から見た構成の概要を示す図である。図１及び図２に示すように、鉄道車両の台車は、歯車装置（「駆動装置」ともいう）１１１と、電動機１１３と、台車枠１１５と、継手１１７と、車軸１１９と、車輪１２１と、軸受１２３とを主に備える。

減速機として機能する歯車装置１１１は、互いに噛合する小歯車（「ピニオン」ともいう）１３１及び大歯車１３３を有する。小歯車１３１及び大歯車１３３はそれぞれ平歯車である。また、歯車装置１１１は、小歯車１３１の軸を回転自在に支承する軸受１３５を有する。この軸受１３５によって、小歯車１３１の軸の振れ回りが防止される。軸受１３５のハウジングは、歯車装置１１１の筐体に固定されている。

鉄道車両の駆動源である電動機（モータ）１１３は、台車枠１１５に固定されている。電動機（モータ）１１３の回転軸１２５は、継手１１７を介して歯車装置１１１の小歯車１３１の軸に連結されている。したがって、電動機（モータ）１１３の回転力は、継手１１７を介して歯車装置１１１の小歯車１３１に伝達される。歯車装置１１１の大歯車１３３は、車軸１１９と同軸に嵌着されている。また、車軸１１９には車輪１２１も嵌着されている。したがって、歯車装置１１１の小歯車１３１に伝達された電動機（モータ）１１３からの回転力は、大歯車１３３及び車軸１１９を介して車輪１２１に伝達される。

軸受１２３は、車軸１１９を回転自在に支承するものである。軸受１２３と台車枠１１５の間には、鉄道車両の走行に伴い発生する振動（以下「走行振動」という）を吸収するための軸ばね１２７が介設されている。なお、走行振動によって軸ばね１２７が撓んで台車枠１１５側と車軸１１９側とが相対変位しても、継手１１７が撓むことによってこの変位は吸収される。

走行振動に伴う軸ばね１２７又は継手１１７の撓みによって、歯車装置１１１の小歯車１３１の軸を支承する軸受１３５には多様な荷重がかかる。さらに、鉄道車両の実走行時に発生する走行振動には、鉄道車両が受ける風等の環境要因や線路状態による要因等の多様な要因が含まれる。こうした荷重を軸受１３５が受け続けると、軸受１３５には、クリープ、つば焼き又はポケット摩耗等の損傷が発生し得る場合がある。また、軸受１３５に損傷が発生すると、歯車装置１１１の小歯車１３１の軸における振動、温度、トルク、変位、ＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）又は回転速度等のパラメータ又はその状態値の経時変化が正常時とは異なって表れる。本実施形態に係る状態検出装置は、例えばこのような鉄道車両に搭載され、当該鉄道車両の実走行中における各種パラメータの状態値を検出する。

図３は、実施形態に係る状態検出装置の鉄道車両における配置例を示す図である。

本実施形態に係る状態検出装置２０は、例えば歯車装置１１１の軸受１３５近傍に設けられる。図３では、歯車装置１１１の表面を状態検出装置２０の被検出面１０とし、この被検出面１０に状態検出装置２０が取り付けられた例を示している。なお、状態検出装置２０は、例えば、温度をパラメータとして被検出面１０の温度の状態値を検出する温度センサであっても良いし、また、例えば、振動をパラメータとして被状態検出対象（ここでは、歯車装置１１１）の振動の状態値を検出する振動センサであっても良い。また、複数のパラメータの状態値を検出する態様であっても良い。

状態検出装置２０によって検出された各種検出値は、上述した台車を含む鉄道車両の車体内に設けられた診断部３０に伝送される。

診断部３０は、状態検出装置２０からの各種検出値に基づき、例えば軸受１３５の損傷状態を診断する。

ここで、歯車装置１１１の軸受１３５が損傷から破損に至る過程について例示する。軸受１３５は、クリープ、つば焼き又はポケット摩耗等によって損傷が進行する。例えばクリープが発生すると、ハウジングの端面が摩耗してベアリングすきまが大きくなり、軸の振れ回りが大きくなる。その後、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。また、例えばつば焼きが発生した場合も同様に、ベアリングすきまが大きくなり、軸の振れ回りが大きくなる。その後、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。また、例えばポケット摩耗が進行すると、保持器の振れ回りが大きくなり、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。保持器が破損すると、最終的に軸受１３５の破損に至り、転動体が脱落する（ころばれ）等の事象が発生する。

このように、軸受１３５の損傷から破損に至る過程には段階があるが、その内容や程度によって状態検出装置２０からの各種検出値に変化が表れる。診断部３０は、状態検出装置２０からの各種検出値の変化を検知して、軸受１３５の損傷状態を診断する。

図４は、実施形態に係る状態検出装置の横断面図である。図５は、実施形態に係る状態検出装置の図４に示す矢視図である。図６は、実施形態に係る状態検出装置の図５に示す矢視図である。

図４及び図５に示すように、本実施形態に係る状態検出装置２０は、被状態検出対象（ここでは、歯車装置１１１）の被検出面１０に設けられている。

図４、図５及び図６に示すように、本実施形態に係る状態検出装置２０は、被状態検出対象（ここでは、歯車装置１１１）の状態を検出する検出素子１が実装されるセンサ基板２と、センサ基板２に接続される配線３が束ねられたケーブル４と、センサ基板２を収容する筐体５と、筐体５に設けられた開口５ａを閉塞する蓋６とを備えている。

センサ基板２は、被検出面１０に対して垂直に配置され、筐体５の顎部５ｂに固定されて支持されている。なお、基板２の筐体５に対する固定手段としては、例えば、基板２を貫通して筐体５の顎部５ｂに設けられた挿通孔（不図示）に螺合する複数個のねじ（不図示）であっても良い。

配線３は、診断部３０に検出素子１の検出値を伝送する複数の信号線である。配線３の一端は、センサ基板２にボードイン端子やコネクタ等の接続部材（不図示）で接続される。この複数の配線３が束ねられてケーブル４が構成される。

ケーブル４は、ケーブル本体４ａの端部にブッシュ４ｂが取り付けられ、このブッシュ４ｂが、筐体５の基板２に対して平行となる面５Ａに設けられた開口５ｃに嵌め込まれ、被検出面１０に対して平行に支持されている。

蓋６は、センサ基板２に対向して平行に設けられ、筐体５に設けられた顎部５ｄに嵌め込まれて開口５ａを閉塞する。なお、蓋６の筐体５に対する固定手段としては、例えば、蓋６を貫通して筐体５の顎部５ｄに設けられた挿通孔（不図示）に螺合する複数個のねじ（不図示）であっても良い。

そして、蓋６及びセンサ基板２は、ケーブル４の軸（Ｘ）方向、すなわち、ケーブル４の長手方向に沿って開口５ａ側から順に並んで配置されている。

すなわち、本実施形態に係る状態検出装置２０は、蓋６とセンサ基板２とが平行に並び、且つ、ケーブル４の軸（Ｘ）方向に沿って開口５ａ側から順に並んで配置されている。このような構成とすることで、センサ基板２を筐体５に収納する際にケーブル４やセンサ基板２に負荷が掛かることを防ぐことができる。

また、開口５ａの面積は、ケーブル４の軸（Ｘ）方向に見てセンサ基板２の面積よりも大きいことが好ましい。これにより、組み立て作業性を向上することができる。

次に、検出素子１について説明する。ここでは、検出素子１が加速度センサ、速度センサ、変位センサ等の振動検出素子である場合について説明する。

振動検出素子は、センサ基板２を被検出面１０に対して平行に配置して、センサ基板２に対して垂直な方向の振動を検出する構成とすると、振動によってセンサ基板２自体が振動検出方向、すなわちセンサ基板２に対して垂直な方向に振動し、検出値の周波数特性の誤差が増加する場合がある。本実施形態では、センサ基板２を被検出面１０に対して垂直に配置し、このセンサ基板２上にセンサ基板２に対して平行な所定方向の振動を検出する振動検出素子を配置することで、検出値の周波数特性の誤差の増加を抑制することができ、高精度な振動検出が可能となる。

検出素子１は、上記のような振動検出素子に限定されるものではなく、適宜設定可能である。例えば、被検出面１０の温度を検出する温度検出素子であっても良い。

温度検出素子は、温度検出素子と被検出面１０との間に遮蔽物が存在すると、被検出面１０の温度の検出値に誤差を生じる場合がある。また、被温度検出対象物との距離が離れていると、他の構造物の影響等によって温度検出性能が低下する場合がある。本実施形態では、センサ基板２を被検出面１０に対して垂直に配置し、このセンサ基板２上において被検出面１０との距離が近くなるように温度検出素子１を配置する。これにより、温度検出性能の低下を抑制することができる。なお、温度検出素子１は、基板２上において、基板２の中心よりも被検出面１０寄りに配置されることがより好ましい。これにより、高精度な温度検出が可能である。

なお、図４、図５及び図６では、センサ基板２の基板面２ａに検出素子１を配置した例を示したが、検出素子１の実装面により本発明が限定されるものではない。例えば、センサ基板２の基板面２ｂに検出素子１を配置しても良い。また、センサ基板２の基板面２ａ，２ｂの両面に検出素子１を配置しても良い。

検出素子１の数は、それぞれのセンサが持つ特性、検出範囲、感度等の違いにより、１個であっても良いし、複数個であっても良い。例えば、温度検出素子を複数個配置したり、それらに加えて振動検出素子を複数個配置したりすることも可能である。

以上説明したように、実施形態１に係る状態検出装置２０は、筐体５と、被状態検出対象の状態を検出する検出素子１が実装されて筐体５に収容されるセンサ基板２と、センサ基板２に接続される配線３が束ねられ、筐体５に支持されたケーブル４と、筐体５に設けられた開口５ａを閉塞する蓋６とを備えている。センサ基板２は、被検出面１０に対して垂直に配置され、筐体５の顎部５ｂに固定されて支持されている。ケーブル４は、ケーブル本体４ａの端部にブッシュ４ｂが取り付けられ、このブッシュ４ｂが、筐体５の基板２に対して平行となる面５Ａに設けられた開口５ｃに嵌め込まれ、被検出面１０に対して平行に支持されている。蓋６は、センサ基板２に対向して平行に設けられ、筐体５に設けられた顎部５ｄに嵌め込まれて開口５ａを閉塞する。そして、センサ蓋６及び基板２は、ケーブル４の軸（Ｘ）方向に沿って開口５ａ側から順に並んで配置されている。

これにより、センサ基板２を筐体５に収納する際にケーブル４やセンサ基板２に負荷が掛かることを防ぐことができ、実施形態に係る状態検出装置２０の品質を向上させることができる。

また、センサ基板２を被検出面１０に対して垂直に配置し、被検出面１０の温度を検出する温度検出素子１をセンサ基板２上の被検出面１０寄りに配置することで、温度検出性能の低下を抑制することができる。

また、開口５ａの面積をケーブル４の軸（Ｘ）方向に見てセンサ基板２の面積よりも大きくすることで、状態検出装置２０の組み立て作業性を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、組み立て作業性の改善及び品質の向上を図ることが可能な状態検出装置が得られる。

なお、上述した実施形態では、鉄道車両の台車を構成する歯車装置を被状態検出対象として、軸受の損傷状態を診断する例を示したが、適用範囲はこれに限るものではなく、被状態検出対象の被検出面に状態検出装置を取り付ける構成であれば、如何なる被状態検出対象にも適用可能である。

１検出素子（温度検出素子）
２センサ基板
２ａ，２ｂ基板面
３配線
４ケーブル
４ａケーブル本体
４ｂブッシュ
５筐体
５ａ開口
５ｂ顎部
５ｃ開口
５ｄ顎部
６蓋
１０被検出面
２０状態検出装置
３０診断部
１１１歯車装置
１１３電動機（モータ）
１１５台車枠
１１７継手
１１９車軸
１２１車輪
１２３軸受
１３１小歯車
１３３大歯車
１３５軸受

Claims

被状態検出対象の被検出面に設けられる状態検出装置であって、
筐体と、
前記被状態検出対象の状態を検出する検出素子と、
前記検出素子が実装されて前記筐体に収容され、前記被検出面に対して垂直に配置された基板と、
前記基板に接続される配線が束ねられ、前記被検出面に対して平行に前記筐体に支持されたケーブルと、
前記基板に対向して平行に設けられ、前記筐体に設けられた開口を閉塞する蓋と、
を備え、
前記蓋及び前記基板は、前記ケーブルの軸方向に沿って前記開口側から順に並んで配置されている
状態検出装置。
前記検出素子は、前記被検出面の温度を検出する温度検出素子であり、前記基板上の前記被検出面寄りに配置されている
請求項１に記載の状態検出装置。
前記開口の面積は、前記ケーブルの軸方向視において、前記基板の面積よりも大きい
請求項１又は請求項２に記載の状態検出装置。