JP2019168227A - 軸受異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受異常判定装置において、軸箱体上のＡ列軸受及びＢ列軸受のそれぞれの直上に加速度センサを設置して測定及び検出精度を向上させると共に、省電力化を実現することができる軸受異常判定装置を提供する。【解決手段】鉄道車両の軸受を構成するＡ列軸受およびＢ列軸受のそれぞれの振動データを計測する第１の加速度センサおよび第２の加速度センサを備える振動取得部と、前記鉄道車両の速度データを取得する速度取得部と、前記振動データと前記速度データに基づいて前記軸受に異常が生じているかを判定する異常判定部と、を備え、前記異常判定部は、前記Ａ列軸受又は前記Ｂ列軸受のうち、いずれの振動データを取得するか決定する軸受選択手段を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道車両に搭載される軸受異常判定装置に関する。

一般に、軸受転動面の剥離傷の検出には、転動体が剥離傷上を通過する際に生じるインパルス状の振動の周期性を利用した振動加速度のエンベロープ解析を適用し、欠陥にともない発生するピーク周波数が倍数になることを利用してスペクトル振幅に閾値を設けることなどが行われている。例えば、風車など定置で使用される装置に組み込まれた軸受へ上述したエンベロープ解析を適用する場合には、供給電源が潤沢であることから演算装置を連続稼働させることで、周波数分解能を高めるために解析データ長も多大にでき、連続したエンベロープ解析は容易である。

これに対し、鉄道車両においても特許文献１に記載されるように、車軸軸受の近辺にセンサ及びデータロガーを設置し、無線で車上や外部端末に伝送する例や、特許文献２に記載されるように、軸受本体にＩＣチップを埋め込み、外部端末から読み出す機能を有する例が知られている。ただし、これらの例によれば、収集したデータの解析はオフライン処理で別途形態端末や計算機で実行することが前提となっているため、収集タイミングが自動化されても、当該データを解析するステップは人手に頼ることとなり、必然的に定期的な人手による作業が必要となっている。

また、解析の対象となる振動加速度の周波数帯域は２〜３ｋＨｚとなるため、離散化のためのデータサンプリング周波数も高くなり、処理するデータ量もこれに比例して増加する。さらに、この離散データをそのまま処理せずにロガーに記録した場合、大きな記憶領域を必要とし、またこれを外部に伝送する場合にも伝送トラフィックの増加を招く。特許文献１に記載された例においても、センサからの出力は高周波数帯域を含む信号である必要から、無線のトラフィックは高密度となる。併せて、エンベロープ解析に関しては、局所的な剥離傷に加えて転動面全周にわたり傷が発生した場合には、周波数帯域は広範囲にわたりスペクトル振幅が増幅し、これに伴い欠陥周波数における振動スペクトル振幅もかさ上げされることになり、誤検知の要因となりうるという問題があった。

更に、鉄道車両の軸受回りには、装置を搭載するための充分なスペースが確保されていない可能性があり、軸受異常判定装置の設置自由度を確保するために、電力供給源である発電装置や蓄電装置を鉄道車両の電力供給源とは別個に備えることが求められている。このため、軸受異常判定装置の消費電力はできる限り小さくすることが求められる。これについて、特許文献３に記載されているように、小さい消費電力で鉄道車両の軸受の異常の有無を判定することができる軸受異常判定装置が知られている。

特開２０１３−２５７２６５号公報 特開２０１３−１５１９７５号公報 特開２０１６−９９１１８号公報

鉄道車両の車軸軸受は、Ａ列軸受及びＢ列軸受と呼ばれる２列の転動体で構成されている。従来の軸受異常判定装置では、軸受の転動面に剥離傷が発生した場合、軸箱体上に一つの加速度センサを設置することで振動を捉え、軸受内部の異常を検出しているという構成であるため、より近接した位置に設置した加速度センサによるデータが精度よく測定及び検出されることが確認された。

このため、Ａ列軸受及びＢ列軸受のいずれについても精度よくモニタリングするには、軸箱体上のＡ列軸受及びＢ列軸受のそれぞれの直上に加速度センサをそれぞれ配置する必要が生じる。

しかしながら、データの解析には高周波帯域のデータの離散化処理にともなう大容量のデータを格納する記憶領域が必要となるものの、軸受異常判定装置は、上述したように設計自由度を確保するために小型化される必要があることからメモリ容量の上限値は通常の計算機よりも小さくなってしまう。さらに、２つの加速度センサによってモニタリング及び信号前処理のためのアナログ回路の起動にともなう消費電力は、同時に稼動させる箇所に比例して増大するという課題を有している。

そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、軸受異常判定装置において、軸箱体上のＡ列軸受及びＢ列軸受のそれぞれの直上に加速度センサを設置して測定及び検出精度を向上させると共に、省電力化を実現することができる軸受異常判定装置を提供することにある。

本発明に係る軸受異常判定装置は、鉄道車両の軸受を構成するＡ列軸受およびＢ列軸受のそれぞれの振動データを計測する第１の加速度センサおよび第２の加速度センサを備える振動取得部と、前記鉄道車両の速度データを取得する速度取得部と、前記振動データと前記速度データに基づいて前記軸受に異常が生じているかを判定する異常判定部と、を備え、前記異常判定部は、前記Ａ列軸受又は前記Ｂ列軸受のうち、いずれの振動データを取得するか決定する軸受選択手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る軸受異常判定装置において、前記軸受選択手段は、前記Ａ列軸受および前記Ｂ列軸受を交互に選択すると好適である。

また、本発明に係る軸受異常判定装置において、前記軸受選択手段は、前回の判定結果から選択の重み付けを行う重み付け手段を備え、該重み付けに応じて前記Ａ列軸受又は前記Ｂ列軸受を選択すると好適である。

また、本発明に係る軸受異常判定装置において、前記異常判定部は、前記速度データに応じたバンドパスフィルタを選択するフィルタ選択手段を備えると好適である。

また、本発明に係る軸受異常判定装置において、前記速度取得部は、前記振動取得部によって得られた加速度データから速度データを演算すると好適である。

本発明によれば、Ａ列軸受又はＢ列軸受のうち、いずれの振動データを取得するか決定する軸受選択手段を備えているので、同時にこれらの加速度センサを稼動させる場合に比べて消費電力を抑制することができると共に、測定データを格納する記憶領域の容量を低減することができる。

また、本発明によれば、軸受選択手段は、Ａ列軸受及びＢ列軸受を交互に選択することができるので、Ａ列軸受及びＢ列軸受を均等に測定及び検出することが可能である。

また、本発明によれば、軸受選択手段は、前回の判定結果から選択の重み付けを行う重み付け手段を備え、該重み付けに応じてＡ列軸受又はＢ列軸受を選択することができるので、前回の判定結果に応じてより測定及び検出が必要と判断された軸受を優先的に測定及び検出することができ、判定精度を向上させることができる。

また、本発明によれば、異常判定部が速度データに応じたバンドパスフィルタを選択するフィルタ選択手段を備えているので、データ解析に使用するバンドパスフィルタの通過周波数帯域を走行速度に応じて最適な通過周波数帯域とすることができるので、より正確なエンベロープ解析によって剥離傷などの欠陥に起因するスペクトルピークの検出が可能となり、見過ごしや誤検知といったエラーを防止することができる。

また、本発明によれば、速度取得部は振動取得部によって得られた加速度データを演算することで速度データを得ることができるので、装置構成を簡略化することができる。

本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置を備えた鉄道車両の概要図。 本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の監視モジュールにおける電源供給部の構成を説明するためのブロック図。 本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の監視モジュールにおける信号処理部の構成を説明するためのブロック図。 本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の動作を説明するためのフロー図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置を備えた鉄道車両の概要図であり、図２は、本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の監視モジュールにおける電源供給部の構成を説明するためのブロック図であり、図３は、本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の監視モジュールにおける信号処理部の構成を説明するためのブロック図であり、図４は、本発明の実施形態に係る軸受異常判定装置の動作を説明するためのフロー図である。

図１から図３に示すように、本実施形態による軸受異常判定装置１０は、鉄道車両１の台車２の監視対象となる軸受やその他の部位に設置されるセンサ部３０と、親機１３および子機となる無線部１８を有する監視モジュール１４と、該監視モジュール１４の電源供給部１４ａに電源を供給する一次電池１１及び振動発電装置１２とを備えている。振動発電装置１２は、圧電素子に作用する振動を電圧に変換するものであり、圧電素子を取り付けた長尺の板部、台車２に固定されて板部を支持する支持部および板部上に載置可能な錘などを備えている構成や、筺体に固定される弾性部材と、第１の方向に振動可能な振動子と振動子の内部に位置するコイルを備え、前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石に対して環状に配置された第３の磁石と、前記第１乃至第３の磁石を囲む第１の磁性体と、を有し、前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の間に位置する構成、などが好適である。

なお、本実施形態に係る軸受異常判定装置１０は、監視する軸受毎に電源を確保し、異常を判定しており、監視部と鉄道車両１の車上とを無線伝送で結合することにより自律した構成となっている。

このため、鉄道車両１の車体側に１台の親機１３を設置し、台車２の監視部ごとに子機となる無線部１８を有する監視モジュール１４が複数配置されている。なお、親機１３は、総合判断部４０に接続され、親機１３は、上位システムからの走行速度や時刻情報を、各監視モジュール１４に対して定期的に送信し、監視モジュール１４は、センサ部３０によるデータを所定の頻度でサンプリングし、演算処理部２１において、各監視項目毎のロジックで判定し、判定結果などに情報を集約した上で、親機１３に無線部１８を介して無線伝送している。

図１に示すように、センサ部３０および監視モジュール１４は、近接した状態で台車２の監視対象となる部位に設置され、振動発電装置１２は、センサ部３０および監視モジュール１４の近傍に設置されている。

このような、軸受異常判定装置１０は、例えば、軸箱の上下加速度を測定し、これらの数値をもとに台車２の軸受の損傷を監視可能に構成されている。

なお、センサ部３０は振動取得部としての圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂと自律型温度センサ３２とから構成されている。圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂは、軸受剥離損傷検出用に設置されており、車軸回転時に損傷部で発生する振動加速度の周波数を考慮して圧電式を適用すると好適である。また、圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂは、軸箱のＡ列軸受およびＢ列軸受のそれぞれの振動の大きさを測定することができるように、Ａ列軸受及びＢ列軸受の直上に配置された第１の加速度センサ３１ａ及び第２の加速度センサ３１ｂを備えている。自律型温度センサ３２は、例えば２段階の温度閾値を設定することができると好適であり、軸箱体表面との電気的な絶縁を確保するために伝熱性のシリコンなどの絶縁体を介して軸箱体表面に密着固定されている。

図２および３に示すように、監視モジュール１４は、一次電池１１および振動発電装置１２からの電力を処理する電源供給部１４ａと、電源供給部１４ａから供給された電源によって駆動される信号処理部１４ｂとを備えている。

図２に示すように、電源供給部１４ａは、容量の異なる第１のキャパシタ２０ａと第２のキャパシタ２０ｂとを備えた蓄電装置２０に台車枠上に設置した振動発電装置１２からの電力を一旦蓄電し、信号処理部１４ｂへ供給している。なお、第１のキャパシタ２０ａ及び第２のキャパシタ２０ｂはそれぞれ電気二重層キャパシタで構成されると好適である。

また、電源供給部１４ａは、一次電池１１が接続されており、振動発電装置１２からの電力入力をトリガとして、一次電池１１からのゲート部１５を入れることで、振動発電装置１２からの電力入力の有無でゲート部１５を開閉させて、鉄道車両の走行中のみ電池エネルギを信号処理部１４ｂへ供給している。この構成によって、車両基地など長時間留置される場合はゲート部１５が開くことで一次電池１１からの供給は停止し、これに合わせて監視モジュール１４も停止状態とすることができる。なお、第１のキャパシタ２０ａ、第２のキャパシタ２０ｂ及びゲート部１５はそれぞれ並列に接続されているので、鉄道車両１の走行中は、一次電池１１、第１のキャパシタ２０ａ及び第２のキャパシタ２０ｂのうち電位が高いほうから電力を供給することができるように構成されている。このように電源供給部１４ａは、振動発電装置１２による発電エネルギと一次電池１１を併用している。

図３に示すように、信号処理部１４ｂは、電源供給部１４ａから供給された電力によって駆動しており、アナログ信号処理部１９と演算処理部２１を備えている。アナログ信号処理部１９は、第１の加速度センサ３１ａ及び第２の加速度センサ３１ｂからの信号をローパスフィルタ４１ａを介して演算処理部２１のインターフェイス部１６に接続されている。なお、第１の加速度センサ３１ａ及び第２の加速度センサ３１ｂを用いる軸受剥離損傷検出は間欠で行われるため、アナログ信号処理部１９への通電は演算処理部２１でのＡ／Ｄ変換時に限定するように電源供給ラインにスイッチ回路４１ｂを設置して制御している。同様に自律型温度センサ３２も電源供給ラインにスイッチ回路３４ｂを介して接続されている。

演算処理部２１は、異常判定部１７、振動取得部１７ａ、速度取得部１７ｂ、インターフェイス部１６および無線部１８を備えている。異常判定部１７は、種々の信号の演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や記憶装置としてのＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）で構成されている。

振動取得部１７ａは、加速度センサ３１ａ，３１ｂが計測したセンサデータを取得する。また、速度取得部１７ｂは、総合判断部４０が取得した鉄道車両の速度データを取得する。

次に、図４を参照して本実施形態に係る軸受異常判定装置１０の動作について説明を行う。まず、間欠起床用タイマによって所定の判定間隔ごと（例えば、３０分毎）に演算処理部２１を起動させる。次に総合判断部４０から鉄道車両の速度の走行信号を受信したか否かを判定する（ステップ１）。ここで、走行信号を受信できなかった場合（ステップ１：Ｎｏ）には、処理をステップ１に戻し、再度、総合判断部４０からの鉄道車両の速度の受信を行う。

他方、総合判断部４０から鉄道車両の速度を受信した場合（ステップ１：Ｙｅｓ）、速度取得部１７ｂが取得した速度が所定の速度より大きいか否かを判定する（ステップ２）。速度取得部１７ｂが取得した速度が所定の速度以下である場合（ステップ２：Ｎｏ）、演算処理部２１は、ＣＰＵの動作モードをスリープモードに遷移させ、処理を終了する。つまり、軸受異常判定装置１０は、鉄道車両の速度が所定の速度以下である場合、異常の有無の判定を行わない。これは、走行速度が徐行程度である場合、軸受軌道面の欠陥に伴う振動加速度の実効値が低いために解析が困難となり、異常判定の精度が低くなるためである。そして、軸受異常判定装置１０は、鉄道車両の速度が所定の速度以下である場合、異常の有無の判定を行わずに、ＣＰＵへの電力供給を断つことで、消費電力を低減することができる。

他方、速度取得部１７ｂが取得した速度が所定の速度より大きい場合（ステップ２：Ｙｅｓ）、軸受選択手段（ステップ３）によってＡ列軸受及びＢ列軸受の何れの測定を行うか判定する。軸受選択手段（ステップ３）は、例えばＡ列軸受及びＢ列軸受を交互に測定するようにしても構わないし、加速度計選択カウンタをＡ列軸受及びＢ列軸受それぞれに設け、異常検知カウンタの値を元に第１の加速度センサ３１ａ又は第２の加速度センサ３１ｂの重み付けを行う重み付け手段によって選択頻度を決定しても構わない。このように軸受選択手段（ステップ３）によって、Ａ列軸受及びＢ列軸受の何れか一方の測定のみを行うことで、加速度センサに供給する消費電力を低減することができる。

次に、１２ｋＨｚタイマを起動してＡ／Ｄ変換を開始する（ステップ４）。また、物理量変換ゲインを電圧データに乗じて加速度に換算し、（ステップ５）データを所定回数バッファリングした後、フィルタ関係の初期化を行ってエンベロープ解析を行う。

このとき、異常判定部１７は、得られた速度データに応じたバンドパスフィルタを選択するフィルタ選択手段を行う（ステップ６）。また、フィルタ選択手段は、速度データに応じたバンドパスフィルタの選択に変えて、２種類のバンドパスフィルタを交互に選択するように構成しても構わない。

また、選択されたフィルタを用いて、記録された時間領域の振動波形に対し、バンドパス処理を施す（ステップＳ７）。当該バンドパス処理は、軸受の転動体が軌道面の傷を通過する際に発生する加速度の周波数を通過させるような周波数帯域を通過させる処理である。次に、異常判定部１７は、バンドパス処理を施した時間領域の振動波形について、絶対値処理を施す（ステップＳ８）。次に、異常判定部１７は、バンドパス処理および絶対値処理を施した時間領域の振動波形について、ローパス処理を施す（ステップＳ９）。これにより、異常判定部１７は、記憶する時間領域の振動波形の包絡線を得ることができる。

次に、異常判定部１７は、バンドパス処理、絶対値処理およびローパス処理を施した時間領域の振動波形から、オーバラップ区間を有する複数の区間（例えば３つ）を抽出し、それぞれの区間の波形に対して所定の窓関数を乗じる。窓関数としては、例えば、ハミングウインドウなどが挙げられる（ステップ１０）。次に、異常判定部１７は、抽出した各区間の時間領域の振動波形について、周波数変換処理を施す（ステップＳ１１）。これにより、異常判定部１７は、複数の周波数領域の振動波形を生成する。

次に、異常判定部１７は、生成した複数の周波数領域の振動波形を平均化する（ステップＳ１２）。次に、生成した周波数領域の平均振動波形から、周波数スペクトルにおける加速度の平均値を算出する。

また、異常判定部１７は、取得した鉄道車両の速度に基づいて、軸受の軌道面の傷に基づく振動の周波数である複数の欠陥周波数を特定する（ステップＳ１３）。

次に、異常判定部１７は、欠陥周波数での抽出窓関数をＦＦＴ結果に乗算したのち、抽出結果からスペクトル平均値の除去を行う（ステップ１４）。次に、抽出結果の平均値を算出し（ステップ１５）、この平均値が所定の閾値を越えているかを判定する（ステップ１６）。ここで、所定の閾値を越えていない場合には、スリープに移行し、所定の閾値を超えている場合には、異常検知カウンタ値を加算する（ステップ１７）。また、異常検知カウンタ値が上限を超えているかを判定し（ステップ１８）、異常検知カウンタ値が上限を超えている場合には、異常検知カウンタをリセットした後スリープへ移行する。また、異常検知カウンタ値が上限を超えていない場合には、そのままスリープへ移行する。

このように、本実施形態に係る軸受異常判定装置１０は、Ａ列軸受及びＢ列軸受のいずれか一方の所定の計測時間の間に計測した振動の大きさに係る物理量に基づいて、軸受の異常の有無を判定する。つまり軸受異常判定装置１０は、Ａ列軸受及びＢ列軸受をそれぞれ独立して稼動させることで一回当たりのセンシング、信号前処理及び解析に必要となる消費電力が半減することとなるので、供給電源に制限のある軸受異常判定装置に適用することで、省電力化を図ることが可能となる。

また、フィルタ選択手段において、２種類のバンドパスフィルタを交互もしくは、走行速度に応じて選択しているので、より正確なエンベロープ解析による欠陥に起因するスペクトルピークの検出が可能となり、見過ごしや誤検知のエラーを防止することができる。ここで、バンドパスフィルタの通過周波数帯域を広くとることも考えられるが、広帯域のスペクトルピークの平均値をとって判定する場合、閾値が低くなることから、上述した誤検知や見過ごしのエラーの可能性が高まるため好ましくない。

なお、上述した実施形態において、センサ部に圧電式加速度センサや自律型温度センサを適用した場合について説明を行ったが、測定が必要な条件に応じて適宜センサを適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 鉄道車両
２ 台車
１０ 軸受異常判定装置
１１ 一次電池
１２ 振動発電装置
１３ 親機
１４ 監視モジュール
１４ａ 電源供給部
１４ｂ 信号処理部
１５ ゲート部
１６ インターフェイス部
１７ 異常判定部
１７ａ 振動取得部
１７ｂ 速度取得部
１８ 無線部
１９ アナログ信号処理部
２０ 蓄電装置
２０ａ 第１のキャパシタ
２０ｂ 第２のキャパシタ
２１ 演算処理部
３０ センサ部
３１ 圧電式加速度センサ
３２ 自律型温度センサ
４０ 総合判断部

Claims (5)

1. 鉄道車両の軸受を構成するＡ列軸受およびＢ列軸受のそれぞれの振動データを計測する第１の加速度センサおよび第２の加速度センサを備える振動取得部と、
   前記鉄道車両の速度データを取得する速度取得部と、
   前記振動データと前記速度データに基づいて前記軸受に異常が生じているかを判定する異常判定部と、を備え、
   前記異常判定部は、前記Ａ列軸受又は前記Ｂ列軸受のうち、いずれの振動データを取得するか決定する軸受選択手段を備えることを特徴とする軸受異常判定装置。
2. 請求項１に記載の軸受異常判定装置において、
   前記軸受選択手段は、前記Ａ列軸受および前記Ｂ列軸受を交互に選択することを特徴とする軸受異常判定装置。
3. 請求項１に記載の軸受異常判定装置において、
   前記軸受選択手段は、前回の判定結果から選択の重み付けを行う重み付け手段を備え、該重み付けに応じて前記Ａ列軸受又は前記Ｂ列軸受を選択することを特徴とする軸受異常判定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受異常判定装置において、
   前記異常判定部は、前記速度データに応じたバンドパスフィルタを選択するフィルタ選択手段を備えることを特徴とする軸受異常判定装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の軸受異常判定装置において、
   前記速度取得部は、前記振動取得部によって得られた加速度データから速度データを演算することを特徴とする軸受異常判定装置。

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