JP2019156105A - 鉄道車両の監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】走行中の台車の寸法変化を監視できる鉄道車両の監視システムを提供する。【解決手段】本開示は、センサ部と、演算部と、を備える鉄道車両の監視システムである。センサ部は、鉄道車両の台車が備える複数の車輪の通過を検知するように構成される。演算部は、センサ部の検知結果から、台車における２つの車軸間の距離を算出するように構成される。センサ部は、互いに異なる位置から複数の車輪の通過を検知するように構成された２つの非接触式の変位センサを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、鉄道車両の監視システムに関する。

鉄道車両の台車は、鉄道車両の走行安全性、走行安定性、乗り心地等に関わる重要部品である。そのため、台車の組み立て時には寸法管理が行われる。また、台車は定期的に目視検査、又は非破壊検査（例えば磁粉探傷検査等）によって欠陥の確認が行われる（特許文献１参照）。

特開２０１７−９２９８号公報

従来の定期検査を用いた管理方法では、走行中の台車に損傷等による寸法変化を伴う異常が発生しても、次の検査まで異常を発見することが難しい。そのため、検査と検査とのインターバル中に発生した台車の異常が進展し、重大事故に繋がる可能性がある。

本開示の一局面は、走行中の台車の寸法変化を監視できる鉄道車両の監視システムを提供することを目的としている。

本開示の一態様は、センサ部と、演算部と、を備える鉄道車両の監視システムである。センサ部は、鉄道車両の台車が備える複数の車輪の通過を検知するように構成される。演算部は、センサ部の検知結果から、台車における２つの車軸間の距離を算出するように構成される。センサ部は、互いに異なる位置から複数の車輪の通過を検知するように構成された２つの非接触式の変位センサを有する。

このような構成によれば、センサ部によって、走行中の台車における車軸間の距離を定期検査のインターバル中でも監視することができる。そのため、台車の寸法変化による走行安全性、走行安定性、乗り心地等の低下や亀裂等の異常の進展を発見できる。また、このように走行中の台車の寸法を監視することで、定期検査の省力化も図ることができる。

本開示の一態様では、２つの変位センサは、それぞれ、光軸が台車の走行方向に対して垂直な方向と交差するように配置された光学式センサであってもよい。このような構成によれば、１つの車軸の両端にそれぞれ取り付けられた２つの車輪の通過を分けて検知することができる。そのため、台車の寸法変化の算出精度を高めることができると共に、各車軸の傾斜方向を判断することができる。

本開示の一態様では、２つの変位センサは、複数の車輪のうち２つ以上の車輪が同時にそれぞれの光軸を通過しない向きに配置されてもよい。このような構成によれば、各車輪の通過タイミングを独立して検知できる。その結果、台車の寸法変化の算出精度をさらに高めることができる。

図１は、実施形態における鉄道車両の監視システムの構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１の監視システムにおけるセンサ部の構成を示す模式的な平面図である。 図３は、図２のセンサ部による出力波形の一例である。 図４は、図２とは異なる実施形態のセンサ部の構成を示す模式的な平面図である。 図５は、図２及び図４とは異なる実施形態のセンサ部の構成を示す模式的な平面図である。 図６は、図５のセンサ部による出力波形の一例である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す鉄道車両の監視システム（以下、単に「監視システム」ともいう。）１は、走行中の鉄道車両の台車１０の寸法を監視するためのシステムである。監視システム１は、センサ部２と、演算部３とを備える。

＜台車＞
台車１０は、図１及び図２に示すように、枠体１１と、第１車軸１２Ａ及び第２車軸１２Ｂと、第１車輪１３Ａ、第２車輪１３Ｂ、第３車輪１３Ｃ、及び第４車輪１３Ｄとを備えている。

第１車軸１２Ａは、台車１０の走行方向前方に配置され、枠体１１によって支持されている。第１車軸１２Ａの端部には、第１車輪１３Ａと第２車輪１３Ｂとが取り付けられている。

第２車軸１２Ｂは、台車１０の走行方向後方の第１車軸１２Ａと離間した位置に配置され、枠体１１によって支持されている。第２車軸１２Ｂの端部には、第３車輪１３Ｃと第４車輪１３Ｄとが取り付けられている。第２車軸１２Ｂの長さは、第１車軸１２Ａの長さと等しい。

台車１０が正常な状態（つまり、寸法の異常がない状態）において、第１車軸１２Ａ及び第２車軸１２Ｂは、それぞれ、台車１０の走行方向（つまり、レールの延伸方向）Ｄと垂直である。

＜センサ部＞
センサ部２は、台車１０が備える複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの通過を検知する。

図２に示すように、センサ部２は、２つの非接触式の変位センサ２１，２２を有する。第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、互いに異なる位置から複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの通過を検知する。

本実施形態では、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、それぞれ、受光器と発光器とを有する光学式センサである。第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、直線状の光軸Ｐ１，Ｐ２に沿って発光器から受光器に赤外線等の光線を照射している。光軸Ｐ１，Ｐ２上を物体（つまり、車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ）が通過すると、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、物体の通過を演算部３に出力するように構成されている。

第１変位センサ２１は、光軸Ｐ１が台車１０の走行方向Ｄに対して垂直な方向（以下、「幅方向」ともいう。）と交差するように配置されている。同様に、第２変位センサ２２は、光軸Ｐ２が台車１０の幅方向と交差するように配置されている。なお、台車１０の幅方向は、レールの枕木方向と一致し、また、正常な状態における第１車軸１２Ａ及び第２車軸１２Ｂと平行な方向である。

第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのうち２つ以上の車輪が同時にそれぞれの光軸Ｐ１，Ｐ２を通過しない向きに配置されている。

つまり、第１変位センサ２１の光軸Ｐ１と台車１０の幅方向とが成す傾斜角θ１は、正常な状態における第１車輪１３Ａの前端と第２車輪１３Ｂの後端とを結んだ仮想直線Ｓ１と台車１０の幅方向とが成す傾斜角φ１より大きい。

また、上記傾斜角θ１は、第１車輪１３Ａの後端と第４車輪１３Ｄの前端とを結んだ仮想直線Ｓ３と台車１０の幅方向とが成す傾斜角φ３未満である。

同様に、第２変位センサ２２の光軸Ｐ２と台車１０の幅方向とが成す傾斜角θ２は、正常な状態における第２車輪１３Ｂの前端と第１車輪１３Ａの後端とを結んだ仮想直線Ｓ２と台車１０の幅方向とが成す傾斜角φ２より大きい。

また、上記傾斜角θ２は、第２車輪１３Ｂの後端と第３車輪１３Ｃの前端とを結んだ仮想直線Ｓ４と台車１０の幅方向とが成す傾斜角φ４未満である。

したがって、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄに対し、１つずつ車輪の通過（つまり、各車輪の前端及び後端）を検知することができるように配置されている。

第２変位センサ２２の発光器及び受光器は、第１変位センサ２１の発光器又は受光器と台車１０が走行するレールを挟んで対向する位置に配置されている。また、第１変位センサ２１の光軸Ｐ１と第２変位センサ２２の光軸Ｐ２とは、交差している。

ただし、第２変位センサ２２の発光器及び受光器は、必ずしも第１変位センサ２１の発光器又は受光器と対向する位置に配置されなくてもよい。また、第１変位センサ２１の光軸Ｐ１と第２変位センサ２２の光軸Ｐ２とは、必ずしも交差しなくてもよい。さらに、第２変位センサ２２の光軸Ｐ２は、第１変位センサ２１の光軸Ｐ１と平行であってもよい。

なお、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２の光軸Ｐ１，Ｐ２は、水平であることが好ましいが、光軸Ｐ１，Ｐ２は、必ずしも水平でなくてもよい。また、光軸Ｐ１，Ｐ２の鉛直方向の高さは、車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄが通過する位置であれば、特に限定されず、必ずしも車軸１２Ａ，１２Ｂが通過する高さでなくてもよい。

図３に、車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの通過時に第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２が出力する波形の一例を示す。Ｗ１は、第１変位センサ２１の出力を示し、Ｗ２は、第２変位センサ２２の出力を示す。

図３では、左から右に向かって時間が進行している。また、各波形中のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の凹部は、それぞれ、車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの通過に対応している。

このように、本実施形態では、第１変位センサ２１が１つの車軸（例えば第１車軸１２Ａ）に取り付けられた２つの車輪のうち一方の車輪（例えば第２車輪１３Ｂ）を検知すると同時に、第２変位センサ２２が２つの車輪のうち他方の車輪（例えば第１車輪１３Ａ）を検知する。

そのため、対となる車輪の第１変位センサ２１と第２変位センサ２２とによる検知（例えば図３のＷ１におけるＡ２とＷ２におけるＡ１）のタイミングが一致すれば、車軸が幅方向に対し傾斜していない正常状態と判断できる。

一方で、対となる車輪の検知タイミングが第１変位センサ２１と第２変位センサ２２との間でずれた場合は、車軸が幅方向に対し傾斜していると判断できる。また、第１変位センサ２１の検知タイミングと第２変位センサ２２の検知タイミングとの前後判定によって、車軸の傾斜方向（つまり、対となる車輪のうち前に出ている車輪）も判断できる。

上述の判断は、１つの車軸ごとに行うことができる。そのため、第１車軸１２Ａ及び第２車軸１２Ｂのどちらか一方のみが傾斜している場合、第１車軸１２Ａと第２車軸１２Ｂとが同じ向きに傾斜している場合、第１車軸１２Ａと第２車軸１２Ｂとが異なる向きに傾斜している場合等を判断することができる。

＜演算部＞
演算部３は、センサ部２の検知結果から、台車１０における２つの車軸間の距離を算出する。演算部３は、例えば入出力部を備えるコンピュータにより構成される。

演算部３は、図２に示す、第１車輪１３Ａ及び第３車輪１３Ｃ側における進行方向の車軸間距離Ｌ１、第２車輪１３Ｂ及び第４車輪１３Ｄ側における進行方向の車軸間距離Ｌ２、第１車輪１３Ａの中心と第４車輪１３Ｄの中心との対角における車軸間距離Ｌ３、及び第２車輪１３Ｂの中心と第３車輪１３Ｃの中心との対角における車軸間距離Ｌ４を算出する。

車軸間距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、例えば、以下の手順によって算出できる。まず、台車１０の速度Ｖを下記式（１）により求める。
Ｖ＝Ｈ／Ｔ１ ・・・（１）

上記式（１）中、Ｈは第１変位センサ２１の検知位置と第２変位センサ２２の検知位置との台車１０の走行方向Ｄに沿った距離である。Ｔ１は、図３に示すように、第１変位センサ２１が１つの車輪の通過を検知してから、第２変位センサ２２が同じ車輪の通過を検知するまでの時間である。Ｔ１は、１つの車輪における検知結果を使用してもよいし、２つ以上の車輪における検知結果の平均値としてもよい。

上記車軸間距離Ｌ２は、例えば下記式（２）により求められる。
Ｌ２＝Ｖ×（Ｔ２−（Ｔ３＋Ｔ４）／２） ・・・（２）

上記式（２）中、Ｔ２は、図３に示すように、第１変位センサ２１が第１車軸１２Ａに取り付けられた第２車輪１３Ｂの通過を検知開始してから、第２車軸１２Ｂに取り付けられた第４車輪１３Ｄの通過を検知終了するまでの時間である。また、Ｔ３は、第２車輪１３Ｂの通過時間であり、Ｔ４は、第４車輪１３Ｄの通過時間である。

上記車軸間距離Ｌ４は、例えば下記式（３）により求められる。
Ｌ４＝（（Ｖ×（Ｔ５−(Ｔ３＋Ｔ６)／２）−Ｈ）^２＋Ｌ^２）^０．５・・（３）

上記式（３）中、Ｔ５は、図３に示すように、第１変位センサ２１が第１車軸１２Ａに取り付けられた第２車輪１３Ｂの通過を検知開始してから、第２車軸１２Ｂに取り付けられた第３車輪１３Ｃの通過を検知終了するまでの時間である。また、Ｔ６は、第３車輪１３Ｃの通過時間であり、Ｌは、第１車輪１３Ａとレールとの接触点と、第２車輪１３Ｂとレールとの接触点との距離である。

他の車軸間距離Ｌ１，Ｌ３は、上述の車軸間距離Ｌ２，Ｌ４と同様の手順で求めることができる。

また、演算部３は、各車輪の車輪径Ｒを算出する。車輪径Ｒは、車輪の通過時間と台車１０の速度Ｖとから求めた車輪の検知幅に対し、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２の取り付け高さ（つまり車輪が取り付けられた車軸からの上下方向の距離）を考慮した幾何学的計算を行うことで算出される。

演算部３は、車軸間距離が閾値を超えた場合に、通知する機能を有する。通知の方法としては、演算部３が接続された鉄道車両の運転システムを介して、鉄道車両内及び／又は車両外部の管理システムに警告等を表示させる方法が挙げられる。これにより、台車１０の不具合を早期に発見することができると共に、迅速な対応が可能となる。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）センサ部２によって、走行中の台車１０における車軸間の距離を定期検査のインターバル中でも監視することができる。そのため、台車１０の寸法変化による走行安全性、走行安定性、乗り心地等の低下や、亀裂等の異常の進展を発見できる。また、監視システム１によって走行中の台車１０の寸法を監視することで、定期検査の省力化も図ることができる。

（１ｂ）第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、それぞれ、光軸Ｐ１，Ｐ２が台車１０の走行方向Ｄに対して垂直な方向と交差するように配置されるので、１つの車軸の両端にそれぞれ取り付けられた２つの車輪の通過を分けて検知することができる。そのため、台車１０の寸法変化の算出精度を高めることができると共に、各車軸の傾斜方向を判断することができる。

（１ｃ）第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのうち２つ以上の車輪が同時にそれぞれの光軸Ｐ１，Ｐ２を通過しない向きに配置されるので、各車輪の通過タイミングを独立して検知できる。その結果、台車１０の寸法変化の算出精度をさらに高めることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の監視システム１において、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、必ずしも複数の車輪１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのうち２つ以上の車輪が同時にそれぞれの光軸Ｐ１，Ｐ２を通過しない向きに配置されなくてもよい。

つまり、図４に示すように、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、光軸Ｐ１，Ｐ２を、第１車軸１２Ａに取り付けられた２つの車輪１３Ａ，１３Ｂが同時に通過するように配置されてもよい。このような配置でも、各車軸の傾きの有無の判定、及び車軸間
の距離の算出が可能である。

（２ｂ）上記実施形態の監視システム１において、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、必ずしも光軸Ｐ１，Ｐ２が台車１０の走行方向Ｄに対して垂直な方向と交差するように配置されなくてもよい。

例えば、図５に示すように、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２は、光軸Ｐ１，Ｐ２が台車１０の走行方向Ｄと垂直となるように配置されてもよい。このような配置でも、車軸間の距離を算出することができる。

この配置では、図６に示すように、第１変位センサ２１における出力Ｗ１及び第２変位センサ２２における出力Ｗ２それぞれにおいて、第１車輪１３Ａと第２車輪１３Ｂとは同時に通過が検知される。つまり、出力Ｗ１，Ｗ２における凹部Ａ１，Ａ２は、第１車輪１３Ａと第２車輪１３Ｂとの通過をまとめて表している。第３車輪１３Ｃ及び第４車輪１３Ｄについても同様に、同時に通過が検知される。

さらに、第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２として、光学式センサ以外の非接触式の変位センサを使用することができる。この非接触式の変位センサとしては、例えば超音波式センサが挙げられる。

第１変位センサ２１及び第２変位センサ２２として用いられる超音波式センサは、台車１０の走行方向Ｄと垂直な方向に超音波を発信し、車輪で反射された超音波を受信することで通過を検知するように構成される。

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…鉄道車両の監視システム、２…センサ部、３…演算部、１０…台車、１１…枠体、
１２Ａ…第１車軸、１２Ｂ…第２車軸、１３Ａ…第１車輪、１３Ｂ…第２車輪、
１３Ｃ…第３車輪、１３Ｄ…第４車輪、２１…第１変位センサ、
２２…第２変位センサ。

Claims (3)

1. 鉄道車両の台車が備える複数の車輪の通過を検知するように構成されたセンサ部と、
   前記センサ部の検知結果から、前記台車における２つの車軸間の距離を算出するように構成された演算部と、
   を備え、
   前記センサ部は、互いに異なる位置から前記複数の車輪の通過を検知するように構成された２つの非接触式の変位センサを有する、鉄道車両の監視システム。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の監視システムであって、
   前記２つの変位センサは、それぞれ、光軸が前記台車の走行方向に対して垂直な方向と交差するように配置された光学式センサである、鉄道車両の監視システム。
3. 請求項２に記載の鉄道車両の監視システムであって、
   前記２つの変位センサは、前記複数の車輪のうち２つ以上の車輪が同時にそれぞれの光軸を通過しない向きに配置される、鉄道車両の監視システム。

Images