JP2889575B2 - 鉄道車輛用軸受の損傷を検知する熱センサ - Google Patents

鉄道車輛用軸受の損傷を検知する熱センサ

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JP2889575B2 JP63070911A JP7091188A JP2889575B2 JP 2889575 B2 JP2889575 B2 JP 2889575B2 JP 63070911 A JP63070911 A JP 63070911A JP 7091188 A JP7091188 A JP 7091188A JP 2889575 B2 JP2889575 B2 JP 2889575B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は軸受の損傷を検知するセンサに関する。一層
詳しく言えば、本発明はワックス（Wax）作動式装置を
使用して、軸受の温度がそれの損傷のおそれを示すレベ
ルに達したときにそのことを示す熱センサに関する。
発明の背景 鉄道車輌の軸受が過熱したとき、それは脱線という望
ましくない結果を招く壊滅的な損壊に通じる問題発生の
兆しを示すものである。したがって、車軸が損壊する前
に軸受を交換するためまにあうように、軸受の問題を検
知するのは鉄道業界では大きな関心事であった。トラブ
ルのある軸受を検知するための方法は種々提案されてお
り、赤外線検知器、形状記憶材料や易溶性の材料を含む
装置があり、最近では、音響スペクトル分析が提案され
ている。鉄道産業の主な関心はこれらの検知器の信頼性
にあるようである。誤警報は不必要な列車停止を招く。
鉄道用軸受の故障に関する1986年４月のシンポジウムで
サンタフェ鉄道（Santa Fe Railroad）によって報告さ
れたデータによれば、（イリノイ州立大学における1986
年の鉄道用軸受の故障検知・診断シンポジウム、（C.R.
カーリン）（C.R.Kaelin））、高温ボックス（高温軸
受）検知器（サンタフェ鉄道は189個所有している）が1
985年中に10517回の列車停止を起こしているということ
であった。そのうちの42％が誤警報によるものであっ
た。
赤外線検知を使用する高温ボックス検知器（hot box
detector）は現在のところ検知技術の代表である（イリ
ノイ州立大学における1986年の鉄道用軸受の故障検知・
診断シンポジウム、S.ルッソ（S.Russo（GRS））および
J.E.バンバラ（J.E.Bambara（Servo Corp.）））。検知
器の中核は放射計と光学機器の組み合わせであり、車輌
の軸受から放射される赤外線エネルギを焦点合わせし、
測定する。さらに、検知器は信号処理のための電子モジ
ュールと、望ましくない迷走赤外線放射から赤外線（I
R）センサを保護するシャッタと、光学面およびセンサ
上に塵埃、雪、水が溜るのを防ぐ装置とを有する。この
技術は近年かなり進歩したが、まだこのような検知器は
高いレベルの信頼性を得ていない。軸受の内部温度を測
定するには軸受の外面温度を精密に知る必要がある。こ
れは軸受の外面の放射率特性について良く知っていなけ
ればならないことを意味する。このような特性はさび、
泥、グリースその他の望ましくない付着物の存在によっ
て広い範囲にわたって変化する可能性があり、軸受の内
部温度の測定が非常に不正確になる。この種の検知器に
よる誤警報の別の原因は、車輪が高温であって、軸受は
高温でないということにある。赤外線（IR）スキャナの
規格化の問題も種々の使用者に或る種の関心を惹起する
ようである。
軸受の過熱から生じる車軸故障による脱線事故を防ぐ
システムが２つの米国特許（1976年に特許されたJ.H.ア
ームストロング（J.H.Armstrong）およびF.C.クラーグ
（F.C.Kluge）の米国特許第3,930,629号、1977年に特許
された同発明者の米国特許第4,029,859号）に開示され
ている。また、列車事故低減システム（DOT−STAR）が1
981年10月の国家標準規格事務局（National Bureau of
Standards）主催の機械故障防止グループ（Mechanical
Failures Prevention Group）における第34回会議で発
表された（1981年10月、NBS、機械故障防止グループの
第34回会議会報、J.J.リチャードソン（J.J.Richardso
n））。これらのシステムは熱センサを有することで共
通しており、この熱センサはNitinol（形状記憶性を持
つニッケル・チタン合金）で作った能動素子を持つ。こ
の素子はトリガとして作用して、軸受が高温になったと
きに点火ピンを解除し作動させる。点火ピンはブレーキ
管路に孔をあけ、列車を自動的に停止させる。このよう
なシステムが鉄道産業に採用されたことはなかった。こ
れらのシステムについての主な否定的意見は、列車の停
止が乗員によって決定されるべきで、自動警報によるべ
きではないというものである。列車を突然に緊急停止さ
せること自体が危険である。この検知・停止システムは
貨車の車輪毎に設けるには高価すぎる。
ころ軸受焼損を防止する別のシステムが合衆国運輸省
の後援のもとにSKFインダストリズ（SKF Industries）
によって開発された。この研究の結果が1979年にアレ
ン、ルーカスおよびトムリンソンにより報告された（19
79年１月、DOT−TSC−ERA−79−５号、G.E.Allen、J.R.
Lucas、F.H.Tomlinson）。SKFの概念では、「トランス
ミッタボルト」（transmitter bolt）を使用しており、
これは標準の車軸キャップボルトの代りに装着し、軸受
の作動温度が過剰となったときにそれを検知し、脱線の
防止がまにあうよう列車乗員に警告する。「トランスミ
ッタボルト」は内蔵式送信器と、アンテナと、送信器を
作動させる熱電力源とからなる。この報告では、コスト
についても言及しており、鉄道産業に受け入れられるに
は高すぎるとしている。SKFでは熱電力源の代りにバッ
テリを用い、温度感応性の抵抗器で温度を検知する。こ
の概念はSKFによって実演されたが、主要サブシステム
（バッテリ、熱スイッチ、送信器）の監視機能、寿命に
対する疑問には答えがなかった。
転がり軸受の発する音響信号のスペクトルの分析が19
50年代に提案された。しかしながら、それは、電子工学
の進歩で、故障の兆しを持った軸受の発する信号の「リ
アルタイム」の主な調波の分析が可能となった最近まで
実現されなかった（1986年、イリノイ州立大学における
鉄道用軸受の故障検知・診断シンポジウムでのJ.フラリ
ー（J.Frarey）およびR.スミス（R.Smith）（Shaker Re
search Corp.）の発表）。不良な軸受の音響信号は正常
な軸受の発するものとはっきり異なっている。欠陥のあ
る軸受は明瞭な音響スペクトルをもつ騒音を発生する。
このスペクトルの性質は欠陥が故障に向って進むにつれ
て変化することが多く、この情報は破滅的な故障を防ぐ
のに用いることができる。しかしながら、異常状態で作
動している軸受の「兆候」を診断する作業は非常に難し
い。欠陥のある軸受の発する音響パターンを故障のタイ
プ、内部損傷の程度と結びつけるのには徹底的な研究プ
ログラムを必要とする。この技術はまだ初期段階にあ
り、軸受故障の兆候を検知する別の安全な方法がこの技
術にとってかわるかどうかを評価することは時期尚早で
ある。
別の方法およびここで使用する方法は、正規の作動時
に鉄道車輌軸受が軸受組立体内の可動部品の摩擦により
或る量の熱を発生し、これが周囲温度以上の温度上昇を
招くという事実の利点を採用している。作動時の軸受温
度は回転速度、潤滑剤粘度および軸受に加えられる荷重
の関数である。もし、軸受がなんらかの外部あるいは内
部の原因（たとえば、腐蝕、機械的損傷、疲労、部品摩
耗）によって無傷な状態から変化した場合、余分な熱が
発生し、温度が上昇することになる。したがって、軸受
温度と故障の兆しの間にははっきりした相関関係がある
と考えられる。過熱した軸受が直ちに壊滅的な故障に通
じることはないかも知れないが、過熱した軸受は、これ
になんらかの不調があり充分な注意を払わなければなら
ない、ということの良い指標である。さらに、過剰な熱
は潤滑剤の分解による潤滑剤問題を生じさせ、軸受の焼
損を生じさせる可能性ある連鎖反応の引き金となること
もありうる。種々の故障の進行過程および温度逸脱との
相関関係について組織立った研究が必要である。しかし
ながら、経験によれば、軸受が問題発生のおそれを示す
或る限界は、おそらく250゜F〜300゜F（120℃〜150℃）
にあるということがわかっている。
ころ軸受組立体における空間的な温度分布はリチャー
ドソン（Reason）とシュワルツ（Schwarz）の述べてい
るようなコンピュータ・モデルを使用して予測し得る。
彼らの研究によれば、熱伝導の解析的技法に基づく実行
可能なコンピュータ・プログラムを作ることが可能であ
り、これによって、転がり接触軸受組立体の温度分布を
予測することができる。彼らは、また、予測した結果が
実験的に測定した値と密接な相関関係にあることを示し
た。さらに、種々の条件の下で鉄道車輌が走行している
ときの軸受温度について貴重なデータが海軍海上兵器セ
ンター（Naval Surface Weapons Center）のピーコック
とスナイダによって報告されている（1980年、NTIS rep
ort ＃FRA/ORD−80/43、T.V.PeacockおよびH.H.Snide
r）。これらの研究者によって発表されたデータの予備
評価では、この中に提案されているボルトとセンサの組
み合わせはほとんど理想的な位置に配置されているた
め、この熱センサが適切なものであるということを示し
ていると考えてよい。これは車軸110を保持しているこ
ろ軸受組立体100（第１図）の横断面に示されている。
この図では、ボルト102の本体と内側レース104の間隔が
短い。軸受106の発する熱が熱伝導性の高い通路に沿っ
て固体内を伝道しボルト102にほとんど伝えられるた
め、内側レース104とボルト102の間の温度差が非常に小
さく、熱伝導の遅延が非常に少ないと当然考えられる。
上限温度に達したことを示すのには１つの熱センサを
用いればよい。しかしながら、軸受端のキャップ・カバ
ープレートを支持しているボルトは３本であるから、３
つの温度限界を設定しうる。単一のセンサにまさる一連
のセンサの利点は「加熱率」についての付加的な情報を
得ることができるということにある。これら３つの温度
検知レベルは連続した沿線の検知ステーション間におい
て軸受性能を評価できる或る手段を提供する。「知的
な」熱検知システムを使用することによって誤警告を低
減することができ、あるいは、完全になくすことすらで
きる。
発明の概要 したがって、本発明の一目的は軸受の故障についての
可能性を示す知的な熱センサを提供することにある。
本発明の別の目的は、ワックス・モータ（wax mote
r）を使用する熱センサを提供することにあり、このモ
ータは狭い所定の温度範囲内で作動し、故障の可能性を
示している軸受に対する注意を促す。
本発明の別の目的は軸受の故障の可能性があることを
使用者に警告する能動的熱センサを提供することにあ
る。
本発明の別の目的は軸受の故障の可能性があることを
使用者に警告する受動的熱センサを提供することにあ
る。
本発明のこれらおよび他の目的は、軸受故障を検知す
る熱センサによって達成される。この熱センサは、頭
部、中央部および端部を有していて、頭部および中央部
を貫き、端部で閉鎖された孔を有しているボルトと、ボ
ルトが或る温度に達するとそれを検知するためにボルト
の孔内に配置された検知手段と、或る温度が検知された
ときにそれを報知する手段であり、ボルトの孔内に配置
されていて検知手段によって作動させられる手段とを備
えている。
添付図面に関連した以下の詳細な説明から、本発明の
より完全な理解およびそれに伴なう利点の多くが容易に
理解されよう。
好ましい実施例の説明 図面を参照して、ここでは同様の参照符号は同じある
いは相当する部分を示しており、第２図について一層詳
しく言えば、軸受故障の決定を行なう検知器はボルト−
熱センサ組合体10の形で示してある。
熱センサ10は温度検知素子を備えるように改造した標
準のボルト12からなる。この素子は感温ワックス24を含
んでおり、これは所定の狭い温度範囲内で膨張し、突出
部26を露出されているピストン28の動きを生じさせる。
この突出部26は受動的にも（反射器としても）あるいは
能動的にも（送信器としても）アンテナ26として機能
し、非常に高い選択度で沿線から探査され得る。
一層詳しくは、熱センサ10はボルト12からなり、この
ボルトは頭部14、中央部16、端部18を有する。ボルト12
は中央部16を貫く孔20と、端部18のところで孔20を密封
しているプラグ22とを有する。トルク仕様によれば、ボ
ルト12は無潤滑状態で約500ft−1b（70kg−ｍ）まで耐
えることがでなければならない。標準のボルトを内部改
造して検知素子を収容しなければならない。中央部16に
孔20を有するボルトは対応部分が中空でないものよりも
低い引張強さを有する。中空のボルト12によって支えら
れる最大引張荷重は次の式を用いて近似的に計算でき
る。
PT＝（AT−AH）TT ただし、次のように与えられている。
PT＝引張荷重（ポンド（1b）） AT＝引張面積（平方インチ（Sq.in.）） AH＝孔面積（平方インチ（Sq.in.）） TT＝引張強さ（ブサイ（psi）） 加えたトルクから生じた引張荷重は最大値を超えては
ならない。ボルト−センサ組立体12の本体にある孔20の
存在で生じた強度の低下を補正するために、現在の値以
上に材料引張強さを高める必要があるかも知れない。AI
SI4340のような合金鋼またはその均等物を使用するとよ
い。
上述したように、軸受組立体100内の温度は軸受の無
傷な状態の指標になる。ボルト12が或る温度、たとえ
ば、250℃乃至350℃に達したときにそれを検知する手段
24がボルト12の孔20内に配置してある。検知手段は、た
とえばワックス・モータ24であってもよく、このワック
ス・モータ24は、第２図の格子状に示した領域で示すよ
うに非作動状態にある。ワックス・モータ24は精密な幅
の狭い温度範囲内で膨張する組成の感温ワックスを利用
している。ワックス・モータの作動温度範囲はワックス
の組成を選ぶことによって選定できる。ワックス・モー
タは、もちろん、たとえば、孔20を囲んでいる周面に沿
ってボルトの全長を通じていかなるところにも設置でき
る。ワックス・モータが膨張したとき、それはそこに連
結したピストンに力を加える。ここで重要なのは、ピス
トン28に力が加わり、ピストンをボルト12の頭部14に向
って移動させるということでる。
センサ10内の或る温度を検知し、この検知温度が軸受
の故障の可能性を示していることを軸受のユーザに報知
手段26を用いて知らせる、任意の検知手段24が使用し得
る。孔20内に設置した報知手段26は、たとえば、アンテ
ナ26を取りつけたピストン28からなる。このような報知
はアンテナ26がボルト12の頭部14から突出したときに行
なわれる。作動にあたっては、予め選んだ温度にボルト
12が達すると、ワックス・モータ24が膨張し、ピストン
28がボルト12の頭部14に向って移動する。次いで、アン
テナ26がボルト12の頭部14から突出する。第２図を参照
すると、ここにはワックス・モータ24Aが膨張した状態
で示してある。このように膨張してしまうと、もはや格
子領域内に圧縮されることはない。アンテナ26（破線で
示す）は、モータ24内のワックスが膨張したときにピス
トン28が位置28Aまで移動するのと同時に位置26Aまで移
動する。
受動モードでは、ボルト12の頭部14から突出するアン
テナ26Aは、たとえば、列車の沿線に設置した光線検知
器あるいはレーダー検知器のような装置の作動を開始さ
せる。周知のように、アンテナ26Aがレーダー、光線等
を通過すると、信号が発生する。アンテナ26が突出して
いなければ、受動的検知装置は作動しない。
無線信号を発生する電子モジュール32を、センサ10の
能動モードで、用いることができる。モジュール32は、
ボルト頭部14とピストン28の間でボルト12の孔20内に設
置してある。モジュール32は孔34を有し、ワックス・モ
ータ24が膨張し、ピストン28を押したときにこの孔34を
アンテナ26が通る。アンテナ26がモジュール32を通る
と、モジュール32は作動状態になり、無線信号を発し、
この無線信号はアンテナ26を経て受信器（図示せず）に
送られる。こうして、軸受106に問題がある可能性を使
用者に知らせる。モジュールは、たとえば、第３図に示
すように、スイッチ38からなり、このスイッチは、アン
テナ26がモジュール32を通って移動したときに接続さ
れ、バッテリ40から電流を流して発振器44およびそれに
接続した変調器42を動作させ、信号を発生させる。信号
を予めコード化して軸受が欠陥を持っている可能性があ
ることを特に示すようにすることもできる。
上記の例示内容を考慮して本発明の数々の修正、変更
が可能である。したがって、特許請求の範囲内で、本発
明を上述した以外の用途にも実施できることは了解され
たい。
【図面の簡単な説明】
第１図はころ軸受組立体の横断面図である。 第２図はボルト−センサ組合体の横断面図である。 第３図は電子モジュールの概略図である。 図面において、10……熱センサ、 12……ボルト、14……頭部、 16……中央部、18……端部、20……孔、 22……プラグ、24……検知手段、 26……アンテナ、28……ピストン、 32……電子モジュール、34……孔、 38……スイッチ、40……バッテリ、 42……変調器、44……発振器、 106……軸受。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−242331（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01M 13/04 G01N 25/72

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸受の損傷を検知する熱センサであって、 頭部、中央部および端部を有し、頭部および中央部を貫
    いて延びており、端部のところで閉じている孔を有する
    ボルトと、 このボルトの孔内に位置し第１側面と第２側面を有する
    ピストンと、 ボルトが或る温度に達したときにそれを検知する検知手
    段であり、ボルトの孔内に配置してあり、ピストンの第
    １側面に接続してある検知手段と、 ボルトの孔内に配置してあり、ピストンの第２側面に取
    り付けたアンテナと を包含し、検知手段が軸受が或る温度に達したことを検
    知したときに、ピストンを頭部に向って押し、ボルトの
    頭部からアンテナを突出させることを特徴とする熱セン
    サ。
  2. 【請求項２】軸受の損傷を検知する熱センサであって、 頭部、中央部および端部を有し、頭部および中央部を貫
    いて延びており、端部のところで閉じている孔を有する
    ボルトと、 このボルトの孔内に位置し第１側面と第２側面を有する
    ピストンと、 ボルトの孔内に設置してあり、ピストンの第１側面に接
    続してあるワックス・モータと、 ボルトの孔内に配置してあり、ピストンの第２側面に取
    り付けたアンテナと を包含し、前記ピストンがアンテナとワックス・モータ
    の間に設置してあり、軸受が或る温度に達した後にワッ
    クス・モータが膨張すると、それによってピストンを頭
    部に向って押し、アンテナをボルトの頭部から突出させ
    ることを特徴とする熱センサ。
  3. 【請求項３】請求項２記載の熱センサにおいて、無線信
    号を発生する電子モジュールを包含し、このモジュール
    はボルトの孔内に設置してあり、また、前記モジュール
    はそれを貫く孔を有し、この孔にアンテナを通すことが
    でき、ワックス・モータが膨張してアンテナをモジュー
    ルの孔を通して摺動させたときに、前記モジュールが作
    動させられてアンテナを通して無線信号を発信すること
    を特徴とする熱センサ。
  4. 【請求項４】請求項３記載の熱センサにおいて、モジュ
    ールがスイッチを有し、ワックス・モータが膨張し、ア
    ンテナがモジュールの孔を通って摺動したときに前記ス
    イッチが入り、バッテリから電流を流して発振器および
    それに接続した変調器を作動させ、次いで、発振器がア
    ンテナを通して無線信号を送信するようになっており、
    前記バッテリ、発振器および変調器が前記モジュール内
    に収容されていることを特徴とする熱センサ。
  5. 【請求項５】車軸を収容した内側レースを有し、３本の
    ボルトによって車軸に取り付けてあるころがり軸受組立
    体において、 各々が頭部、中央部および端部を有し、頭部および中央
    部を貫いて延び、端部のところで閉じている孔を有する
    ボルトと、 前記ボルトの孔内に設置した第１側面、第２側面を有す
    るピストンと、 各々が異なった温度で膨張し、それぞれ１つのボルトの
    孔内に設置してあり、ピストンの第１側面に接続してあ
    る３つの個別のワックス・モータと、 ボルトの孔内に配置してあり、ピストンの第２の側面に
    取り付けてあるアンテナと を包含し、ワックス・モータが膨張したときにピストン
    を頭部に向って押し、ボルトの頭部からアンテナを突出
    させるようにしたことを特徴とするころがり軸受組立
    体。
  6. 【請求項６】請求項５記載のころがり軸受組立体におい
    て、 各ボルトが無線信号を発生する電子モジュールを有し、
    このモジュールがボルトの孔内に設置してあり、また、
    このモジュールがそれを貫く孔を有し、この孔にアンテ
    ナを通すことができ、ワックス・モータが膨張し、アン
    テナをモジュールの孔を通して摺動させたときに前記モ
    ジュールが作動させられて無線信号を発振するころがり
    軸受組立体。
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