JP3949635B2

JP3949635B2 - 回転体の回転振動測定方法および装置

Info

Publication number: JP3949635B2
Application number: JP2003340623A
Authority: JP
Inventors: 勝則阿久津
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106639A

Description

本発明は、回転体の回転振動測定方法および装置に係り、特に、車両の主電動機の回転子の回転振動測定方法および装置に関するものである。

図４は従来の鉄道車両の駆動装置の模式図である。

この図において、１０１は主電動機、１０２は主電動機１０１の出力回転軸、１０３はその出力回転軸１０２に連結される継手、１０４はその継手１０３に固定される小歯車、１０５はその小歯車１０４に噛み合う大歯車、１０６は歯車箱、１０７は大歯車１０５によって駆動される車軸、１０８はその車軸１０７に固定される車輪、１０９はその車軸１０７の両端部に設けられる軸箱、１１０は主電動機１０１に設けられる速度発電機である。

かかる鉄道車両の駆動装置を備えた、例えば、新幹線車両が高速走行している際に惰行すると車両内で低周波数（２５０Ｈｚ程度）の騒音が聞こえ騒音レベルが３ｄＢ程度高くなる場合がある。この騒音の原因はまだ明確ではないが、主電動機１０１と歯車装置１０４，１０５間の歯車型たわみ軸継手１０３の振れまわり、小歯車１０４からの主電動機回転子（図示なし）の系のねじり振動（回転振動）、台車枠と駆動系を含めた振動などが原因として推定されている。これらの推定される原因の中でも主電動機回転子のねじり振動（回転振動）は測定対象が回転体であるため非接触で測定する必要があり、測定方法の選択が難しく走行試験における測定も難しい。
なし

上記したように、車両の主電動機回転子の回転振動は測定対象が回転体であるため非接触で測定する必要があるが、測定方法の選択が難しく、走行試験における測定も難しい。そこで、主電動機に取り付けられている速度発電機の出力に着目して、その出力に基づいて主電動機回転子のねじり振動を測定することを試みた。

ところが、速度発電機が出力する交流電圧の周波数変動は微小であり、また通常のＦ−Ｖ変換後は直流電圧の平滑化が行われているため、この微小な周波数変動の測定は困難である。

本発明は、上記状況に鑑みて、交流出力のゼロクロスポイントの間隔変動を周波数分析することにより、回転振動の周波数分析を行い、簡便な構成で、主電動機回転子のねじり振動を測定することができる回転体の回転振動測定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕回転体の回転振動測定方法において、（ａ）回転体を有する測定対象に設けられる速度発電機の交流電圧出力を一定間隔でＡ／Ｄ変換し、変換されたデジタルデータを情報処理装置に入力し、（ｂ）前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して補間（インターポレーション）を行い、サンプリング間隔を短くし、（ｃ）交流電圧出力の各ゼロクロスポイントの時間を、それぞれのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、（ｄ）前記（ｃ）で求めた各ゼロクロスポイントの時間からゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔となし、（ｅ）前記ゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と、前記（ｃ）で求めた各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、前記速度発電機の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分による時間変動成分の時系列データを求め、（ｆ）前記（ｅ）で求めた時間変動成分の時系列データにデジタルローパスフィルタをかけてエリアジングを低減し、（ｇ）時間変動成分の時系列データの高速フーリエ変換を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、サンプリング間隔をもとに周波数と大きさを正規化して表示することを特徴とする。

〔２〕回転体の回転振動測定装置において、回転体を有する測定対象に設けられる速度発電機と、この速度発電機に絶縁アンプを介して接続される情報処理装置と、この情報処理装置内に少なくともＡ／Ｄ変換器と、補間部と、デジタルローパスフィルタ部と、高速フーリエ変換部とを備え、前記速度発電機の交流電圧出力を絶縁アンプで増幅して前記情報処理装置に入力し、前記Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータとなし、前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して前記補間部で補間を行い、サンプリング間隔を短くし、交流電圧出力のゼロクロスポイントの時間を、そのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、前記各ゼロクロスポイントの時間からゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔となし、前記ゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と前記各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、前記速度発電機の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分による時間変動成分の時系列データを求め、前記時間変動成分の時系列データを前記デジタルローパスフィルタ部を通してエリアジングを低減し、時間変動成分を前記高速フーリエ変換部で時系列データの高速フーリエ変換を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、サンプリング間隔をもとに周波数と大きさを正規化して表示することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の回転体の回転振動測定装置において、前記回転体を有する測定対象が車両の主電動機であることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の回転体の回転振動測定装置において、前記車両が鉄道車両であることを特徴とする。

本発明によれば、主電動機回転子のねじり振動の分析を行うには車両の主電動機に既設の速度発電機出力の分析を行うだけで良く、測定のための仮設作業の軽減が期待できるとともに、高精度な回転計測器を用いる必要がなくなり、簡便な構成で回転体の回転振動測定を行うことができる。

回転体を有する測定対象に設けられる速度発電機の交流電圧出力を絶縁アンプを介して情報処理装置に入力し、そこで、一定間隔でＡ／Ｄ変換し、変換されたデジタルデータを得て、前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して補間（インターポレーション）を行い、サンプリング間隔を短くし、前記情報処理装置で交流電圧出力のゼロクロスポイントの時間を、そのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、前記各ゼロクロスポイントの時間からゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔となし、前記ゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と前記各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、前記速度発電機の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分による時間変動成分の時系列データを求める。更に、前記時間変動成分の時系列データにデジタルローパスフィルタをかけてエリアジングを低減し、時間変動成分の時系列データの高速フーリエ変換を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、サンプリング間隔をもとに周波数と大きさを正規化して表示する。したがって、車両の主電動機に既設の速度発電機出力の分析を行うだけで良く、測定のための仮設作業の軽減化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す回転体の回転振動測定装置の構成図、図２は本発明にかかる鉄道車両の速度発電機の出力波形を示す図、図３はそのデジタルサンプリングデータとゼロクロスポイントの補間の説明図である。図２において、太線は主電動機が一定回転をしている場合の速度発電機の出力波形であり、ゼロクロスポイントが一定間隔を有しているのに対して、細線は主電動機が惰行時の変動回転をしている場合の速度発電機の出力波形であり、ゼロクロスポイントが変動した間隔を有している。

図１において、１は主電動機、２はその主電動機１に設けられる速度発電機、３は絶縁アンプ、１０はその絶縁アンプ３に接続される情報処理装置であり、この情報処理装置１０は、Ａ／Ｄ変換部１１、時系列データ記録部１２、補間部１３、ゼロクロスポイント判別及びゼロクロスポイント時間補間取得部１４、ゼロクロスポイント時間系列記録部１５、ゼロクロスポイント時間平均値計算部１６、ゼロクロスポイント時間平均値順次積算部１７、ゼロクロスポイント時間変動計算部１８、ゼロクロスポイント時間変動時間系列記録部１９、デジタルローパスフィルタ部２０、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部２１、周波数・振幅正規化部２２、記録・表示部２３からなる。

一般に、上述した通り、車両の主電動機に取付けられた速度発電機からは交流電圧が出力され、Ｆ−Ｖ変換を行って速度に比例した直流電圧に変換している。主電動機１回転子がねじり振動（回転振動）をすると仮定すれば、速度発電機２が出力する交流電圧の回転速度に比例した出力周波数にもわずかな変動が発生すると考えられる。しかし、この交流電圧の周波数変動は微小であり、通常のＦ−Ｖ変換後は直流電圧の平滑化が行われているため微小な周波数変動の測定は困難である。そこで、本発明では、速度発電機の交流出力からねじり振動（回転振動）を測定するために、速度発電機２の交流出力のゼロクロスポイントの間隔変動の周波数分析を行った。その測定のフローを以下に示す。
（１）速度発電機２の交流電圧出力をＡ／Ｄ変換部１１において一定間隔でＡ／Ｄ変換して、デジタルデータを取り込む。
（２）前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して補間（インターポレーション）部１３により補間を行い、サンプリング間隔を短くする。

例えば、図３に示すように、実際のサンプリングデータがサンプリングポイントＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄、Ｓ₅、Ｓ₆、Ｓ₇、Ｓ₈、Ｓ₉…である場合には、補間部１３によりＳ₁₁，Ｓ₁₂、Ｓ₂₁，Ｓ₂₂、Ｓ₃₁，Ｓ₃₂、Ｓ₄₁，Ｓ₄₂、Ｓ₅₁，Ｓ₅₂、Ｓ₆₁，Ｓ₆₂、Ｓ₇₁，Ｓ₇₂、Ｓ₈₁，Ｓ₈₂、Ｓ₉₁，…を補間してサンプリング間隔を短くする。
（３）ゼロクロスポイントの時間精度をあげるため、情報処理装置１０での交流電圧出力の各ゼロクロスポイントの時間を、ゼロクロスポイント判別及びゼロクロスポイント時間補間取得部１４で、それぞれのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、ゼロクロスポイント時間系列記録部１５に記録する。
（４）上記（３）で求めた各ゼロクロスポイントの時間から、ゼロクロスポイント時間平均値計算部１６によりゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔と考える。対象周波数によっては、正値から負値あるいは負値から正値へのゼロクロスポイントのみでも良い。
（５）ゼロクロスポイント時間平均値順次積算部１７で上記（４）で求めたゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と、上記（３）で求めた、各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、ゼロクロスポイント時間変動計算部１８により速度発電機２の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分などによる時間変動成分の時系列データを求め、求められた時系列データをゼロクロスポイント時間変動時間系列記録部１９に記録する。
（６）上記（５）で求めた時間変動成分の時系列データをデジタルローパスフィルタ部２０を通してエリアジングを低減する。
（７）高速フーリエ変換（ＦＴＴ）部２１で時間変動成分の時系列データの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、上記（４）で求めたサンプリング間隔をもとに、周波数・振幅正規化部２２で周波数と大きさを正規化して記録・表示部２３に表示する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の回転体の回転振動測定方法および装置は、特に、車両の主電動機回転子のねじり振動測定に有効であり、鉄道車両の主電動機の測定装置に適している。

本発明の実施例を示す回転体の回転振動測定装置の構成図である。本発明にかかる鉄道車両の速度発電機の出力波形を示す図である。本発明にかかる速度発電機のデジタルサンプリングデータとゼロクロスポイントの補間の説明図である。従来の鉄道車両の駆動装置の模式図である。

符号の説明

１主電動機
２速度発電機
３絶縁アンプ
１０情報処理装置（パソコン）
１１Ａ／Ｄ変換部
１２時系列データ記録部
１３補間部
１４ゼロクロスポイント判別及びゼロクロスポイント時間補間取得部
１５ゼロクロスポイント時間系列記録部
１６ゼロクロスポイント時間平均値計算部
１７ゼロクロスポイント時間平均値順次積算部
１８ゼロクロスポイント時間変動計算部
１９ゼロクロスポイント時間変動時間系列記録部
２０デジタルローパスフィルタ部
２１高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部
２２周波数・振幅正規化部
２３記録・表示部

Claims

（ａ）回転体を有する測定対象に設けられる速度発電機の交流電圧出力を一定間隔でＡ／Ｄ変換し、変換されたデジタルデータを情報処理装置に入力し、
（ｂ）前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して補間（インターポレーション）を行い、サンプリング間隔を短くし、
（ｃ）交流電圧出力の各ゼロクロスポイントの時間を、それぞれのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、
（ｄ）前記（ｃ）で求めた各ゼロクロスポイントの時間からゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔となし、
（ｅ）前記ゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と、前記（ｃ）で求めた各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、前記速度発電機の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分による時間変動成分の時系列データを求め、
（ｆ）前記（ｅ）で求めた時間変動成分の時系列データにデジタルローパスフィルタをかけてエリアジングを低減し、
（ｇ）時間変動成分の時系列データの高速フーリエ変換を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、サンプリング間隔をもとに周波数と大きさを正規化して表示することを特徴とする回転体の回転振動測定方法。
（ａ）回転体を有する測定対象に設けられる速度発電機と、
（ｂ）該速度発電機に接続される絶縁アンプと、
（ｃ）該絶縁アンプに接続される情報処理装置と、
（ｄ）該情報処理装置内に少なくともＡ／Ｄ変換器と、補間部と、デジタルローパスフィルタ部と、高速フーリエ変換部とを備え、
（ｅ）前記速度発電機の交流電圧出力を絶縁アンプで増幅して前記情報処理装置に入力し、前記Ａ／Ｄ変換器でデジタルデータとなし、前記速度発電機の交流電圧の周期が前記Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の１０倍以内と短い場合には、入力したデータに対して前記補間部で補間を行い、サンプリング間隔を短くし、交流電圧出力のゼロクロスポイントの時間を、そのゼロクロスポイントの前後の正値と負値のサンプリング時間から補間して求め、前記各ゼロクロスポイントの時間からゼロクロスポイントの平均間隔を求め、この値をサンプリング間隔となし、前記ゼロクロスポイントの平均時間間隔を順次積算した値と前記各ゼロクロスポイントとの時間差を求め、前記速度発電機の交流電圧出力に重畳するねじり振動成分による時間変動成分の時系列データを求め、前記時間変動成分の時系列データを前記デジタルローパスフィルタ部を通してエリアジングを低減し、時間変動成分を前記高速フーリエ変換部で時系列データの高速フーリエ変換を行い、時間変動成分に含まれる周波数成分の大きさを求め、サンプリング間隔をもとに周波数と大きさを正規化して表示することを特徴とする回転体の回転振動測定装置。
請求項２記載の回転体の回転振動測定装置において、前記回転体を有する測定対象が車両の主電動機であることを特徴とする回転体の回転振動測定装置。
請求項３記載の回転体の回転振動測定装置において、前記車両が鉄道車両であることを特徴とする回転体の回転振動測定装置。