JP4147378B2 - 鉄道車両用センサ付軸受装置を備えた構造体、及び構造体内の鉄道車両用センサ付軸受装置の異常検知方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ付軸受装置を備えた構造体に関し、温度センサが検出する温度から実際の軸受温度を推定して、軸受の焼き付きや剥離などの異常を検知するものである。特に、外気温や風雨などの気象条件や運転条件によって、軸受や温度センサ部の温度が影響を受ける鉄道車両や自動車などの車軸軸受や機械設備等の軸受の異常判定に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば鉄道車両の車輪を設けた車軸を、この鉄道車両に固定した軸受箱（ハウジング）に対し回転自在に支持するために、転がり軸受が用いられている。転がり軸受部分で異常が発生してこの転がり軸受が焼き付くのを防止するために、転がり軸受に温度センサが組み込まれ、温度センサによる検出温度から異常発生を検知することが行われている。
【０００３】
図６に、従来の鉄道車両用の温度センサ付回転支持装置の一例を示す。図示しない車輪を支持固定した状態で、使用時に回転する回転部材である車軸１は、使用時にも回転しない静止部材である軸受箱２の内径側に、転がり軸受である複列円すいころ軸受３により、回転自在に支持されている。この複列円すいころ軸受３は、互いに同心に配置された静止側軌道輪である外輪４及び回転側軌道輪である一対の内輪５，５と、複列に配置された転動体である円すいころ６，６とを備えている。外輪４は、全体が円筒状に形成され、内周面に、静止側軌道である複列の外輪軌道７，７を有している。外輪軌道７，７は、それぞれが円すい内面状で、外輪４の軸方向端部に向かうほど内径が大きくなる方向に傾斜している。
【０００４】
一対の内輪５，５は、それぞれ略短円筒状に形成され、それぞれの外周面に、回転側軌道である円すい外面状の内輪軌道８を有している。これら内輪５，５は、小径側の端面同士を間座９を介して互いに突き合わせた状態で、外輪４の内径側に外輪４と同心に配置されている。円すいころ６は、上記各外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に、それぞれ複数個ずつ配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている。
【０００５】
外輪４は、軸受箱２に内嵌保持されている。各内輪５，５は、間座９と共に、車軸１の外端（図６の左端）寄り部分に外嵌されている。車軸１の外端部で軸方向外側の内輪５よりも突出した部分には、油切りと称される環状部材１１が外嵌されている。また、内側の内輪５の内端面は、別の環状部材１１ａを介して、車軸１の中間部に形成された段差面１２に突き当てられている。したがって、一対の内輪５，５が、図６の状態よりも車軸１の中央寄り（図６の右寄り）に変位することはない。そして、車軸１の外端部に外嵌した有底円筒状の押さえブラケット１３により、環状部材１１を外側の内輪５の外端面に向けて押し付けている。押さえブラケット１３は、車軸１の外端面に複数本のボルト１４，１４により固定され、各ボルト１４の締め付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【０００６】
外輪４の両端部には、軟鋼板等の金属板を断面クランク形で全体を略円筒状に形成したシールケース１５，１５の基端部を内嵌固定している。これらシールケース１５，１５の内周面と各環状部材１１，１１ａの外周面との間に、それぞれシールリング１６，１６を設けることにより、複数個の円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。この構成により、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に封入した潤滑用のグリースが外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から空間１７内に雨水や塵埃等の異物が進入するのを防いでいる。
【０００７】
軸受箱２の外端開口は、軸受箱２の一端部に固定したカバー１８により塞いでいる。カバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により全体を有底円筒状に形成され、円筒部１９と、円筒部１９の一端（図６の左端）の開口を塞ぐ底板部２０と、円筒部１９の他端（図６の右端）寄り部分の外周面に設けられた外向フランジ状の取付部２１とを備えている。カバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端部に内嵌されると共に、取付部２１を軸受箱２の一端面に突き当てられた状態で、取付部２１を軸受箱２の一端面にボルトで固定されることにより、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【０００８】
カバー１８には、温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、カバー１８の内面と外面とを貫通する取付孔２２ａに挿着されている。
複列円すいころ軸受３が剥離を起こしたり、空間１７内に封入したグリースの劣化やもれ等、何らかの原因で複列円すいころ軸受３の温度が上昇すると、温度センサ２４がこの温度上昇を検出する。温度センサ２４による検出温度が所定値（アラーム閾値）を超えたことが検知されると、図示しない制御手段が、運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。このような警報が出された場合、運転手は緊急停止等の措置をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
軸受３の温度として、温度センサ２４によって検出される値は、実際の軸受温度からずれていることがある。特に、鉄道車両や自動車などの場合、走行中と停止中とで温度センサ付近に当たる風の強さが変わったり、温度センサ付近が外気にさらされ冷却されたりするため、温度センサ２４によって検出される値が実際の軸受温度と異なることがある。軸受に焼き付きや剥離などによる異常な温度上昇が発生しても、低い外気温や風雪などの気象条件の影響により、温度センサの検出温度がアラーム閾値に達せず、軸受の異常を検知できないことがある。
【００１０】
しかしながら、軸受の異常を確実に検知できるようにアラーム閾値を下げると、夏期など外気温が高い場合に、軸受が正常な温度範囲にあっても、軸受の異常と誤って判定してしまうおそれがある。このように、季節の違いや気候の急変によっては、アラーム閾値が不適当になるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、センサ検出温度に基づいて、異常発生を確実に検知できる、センサ付軸受装置を備えた構造体、及び構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ほぼ同一仕様の複数のセンサ付軸受装置が備えられて、かつそれらセンサ付軸受装置がほぼ同一の使用条件下に置かれる場合、異常が生じたセンサ付軸受装置における温度特性と、正常に作動している他のセンサ付軸受装置における温度特性との間に違いが生じてくる点に、着目した。本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（２） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（３） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（４） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（５） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（６） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化 に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（７） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（８） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数のセンサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
【００１３】
上記の構造体としては、鉄道車両や自動車、鉄鋼設備、印刷設備等が挙げられる。
例えば鉄道車両においては、１台の車両に２つの台車がある。各台車には２つの車軸があり、各車軸の左右に車輪が取り付けられており、１つの台車には４個の軸受装置が使用されている。これら４個の軸受装置は、運転条件及び負荷荷重がほぼ同じである。
【００１４】
本発明においては、温度センサから求められる複数の温度情報から、異常値の有無を調べ、異常値が有る時はその異常値を出力したセンサ付軸受装置を異常と判定する。こうして、予め設定した条件のみから異常判定を行うのではなく、ほぼ同一環境に置かれている複数のセンサ付軸受装置からの温度情報を用いることで、軸受異常を確実に検知することが可能となる。すなわち、予め設定したアラーム閾値と各軸受の検出温度とを比較する等の場合は、気象条件の違い（夏と冬との温度差等）や運転条件の違い（走行時と停止時との風量差等）によりそのアラーム閾値が適切でなくなる場合がある。一方、本発明によれば、ほぼ同一環境に置かれている複数のセンサ付軸受装置からの温度情報を用いるので、気象条件や運転条件による影響を受けない。また、雰囲気温度を測定するための別途の温度センサ等が不要である。
さらに、車両等の走行・停止や走行速度を検出するセンサや、振動センサを併用することで、異常検知をより正確に行える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。なお、既に説明した部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
図１に、本発明の一実施形態に係るセンサ付軸受装置（鉄道車両用温度センサ付回転支持装置）を示す。本実施形態では、温度センサ３０が、軸受３の軸方向中心から所定距離Ｌ軸方向に離れた位置で、カバー１８の円筒部１９に設けられている。温度センサ３０は、センサケース３１内に収容されて、センサユニットが構成されている。センサケース３１は、円筒部１９に設けられた取付孔２２ａに挿着され、温度センサ３０は、センサケース３１内部に収められている。
【００１６】
温度センサ３０による検出温度は、コンピュータ等によって構成される制御手段３５に、有線又は無線で伝送される。制御手段３５は、温度センサ３０の検出信号を処理し、異常の有無等の判定を行う。
制御手段３５は、温度センサ３０から離れた位置にあってもよいし、センサケース３１内に配置されてもよい。制御手段３５の機能の一部を担う部品が、センサケース３１内に配置されてもよい。
【００１７】
車両が走行し始めると、車軸１の回転と共に内輪５，５等が回転して、軸受３内に摩擦が発生し、その摩擦熱に応じて軸受温度が上昇する。この熱は、外周側にはハウジング２を通じて、内周側には車軸１を通じて、放熱される。
軸受３に生じた熱は、温度センサ３０に到達するまでの間に徐々に放熱され、センサケース３１においても放熱される。また、車両速度の増加に伴って、この軸受装置の付近に当たる風量も増加するため、さらに放熱される。
【００１８】
車両が停止すると、軸受３の温度は下降し始めるが、軸受装置に当たる風速がほぼゼロになることにより、放熱量が減少する。その結果、軸受３及びハウジング２に蓄えられていた熱量が温度センサ３０に少しずつ伝達され、温度センサ３０による検出温度がしばらくの間徐々に上昇し、その後低下する。
【００１９】
図２（Ａ）に、車両の走行時及び停止時の１つの台車における４つの温度センサの検出温度の変化を示す。各軸受装置の温度センサの検出温度Ｔ１〜Ｔ４は、車両の走行・停止などの運転条件により図２（Ａ）のように変化する。同じ台車の４つの軸受装置は、気象条件や運転条件及び負荷条件がほぼ同じであるため、正常に軸受装置が作動している間は、それら軸受装置の軸受はほぼ同様な温度変化を示す。なお、走行を停止した直後は、前述のように、軸受及びハウジングに蓄えられていた熱量が温度センサに伝達されるため、センサ検出温度が若干上昇する。
【００２０】
軸受装置に異常が発生した場合は、図２（Ｂ）のような温度変化を示す。すなわち、異常が発生したある軸受装置の検出温度（ここではＴ４）が、他の軸受装置の検出温度（Ｔ１〜Ｔ３）に比べて大幅に高くなる。
【００２１】
制御手段では、リアルタイムで得られる複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいて、異常値といえる検出温度Ｔ４を出力した軸受装置を、異常と判定する。例えば、平均値Ｔａｖ（＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）／４）と各検出温度との温度差、Ｔ１−Ｔａｖ、Ｔ２―Ｔａｖ、Ｔ３−Ｔａｖ、Ｔ４−Ｔａｖを計算し、温度差（絶対値）が一定の閾値（例えば２５℃）を超えるものについて、軸受が異常であると判定する。
また、軸受が異常となった場合はセンサ検出温度が上昇するため、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大温度を求め、これを除いた他の温度の平均値と最大温度との温度差を計算し、その温度差が一定の閾値を超えるものを異常と判定すれば、異常温度を除いて平均値が計算できるため、より正確に判定することができる。もう少し具体的に説明すると、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大値がＴ３であるとすると、平均値Ｔａｖ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ４）／３を計算し、さらに最大値との差Ｔ３−Ｔａｖを計算し、この値が一定の閾値を超えるものを異常と判定するものである。
このような方法で軸受の異常を判定すれば、冬や夏など外気温が異なる場合、風雨や雪の場合、運転条件が異なる場合でも、正常な軸受の温度差は一定のばらつきの中に収まる。したがって、軸受の温度上昇の異常を確実に検知できる。
【００２２】
判定回路の一例を図３に示す。４個の温度センサ３０のアナログ出力信号は、それぞれマルチプレクサ（信号切替え器）により切替えられ、順次Ａ／Ｄ変換器に入力されてＡ／Ｄ変換され、検出温度Ｔ１〜Ｔ４としてマイクロコンピュータに読み込まれる。マイクロコンピュータは、検出温度Ｔ１〜Ｔ４の平均値や、平均値と各検出温度との温度差を計算し、予め設定された閾値に基づいて、異常といえる温度情報を発生したセンサ付軸受装置があるか否かを判定し、ある場合は、表示器あるいは警報器で運転者などに知らせる。
なお、検出温度Ｔ１〜Ｔ４をマイクロコンピュータに読み込む時間間隔はなるべく短くして同時刻に読み込むことが望ましい。温度検出箇所が多い場合には、マルチプレクサを用いた方が有利だが、マルチプレクサを用いず、各センサ毎にＡ／Ｄ変換器を設けてもよい。
【００２３】
ここでは、１つの台車に備えられた４つのセンサ付軸受装置の温度の平均値を使用したが、１車両（２台車、８軸受）、あるいは全車両の軸受の平均値を用いてもよい。また、列車進行方向の左右で冷却条件の異なる場合などは、右側の軸受のグループと左側の軸受のグループのように分けて（進行方向一方側と他方側のグループに分けて）平均値を計算してもよい。また、同様な環境で使用している軸受が異なるメーカーのものであったり、異なる構造のものであったりする場合は、同一メーカーのグループや、同一構造のグループで、平均値を計算することもできる。
【００２４】
また、上記以外にも、リアルタイムで得られる複数のセンサ検出温度に基づいて異常検知を行う方法として、次のようなものがある。
例えば、複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４から最大値Ｔ４と最小値Ｔ１との差ΔＴを計算し、その差が所定の閾値（例えば４０℃）を超える時、最大値Ｔ４を示す軸受装置の軸受を異常と判定することができる。
また、複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４から平均値Ｔａｖ及び標準偏差σを計算し、平均値±ｎσの範囲（ｎは３以上が望ましい）を外れるものについて、軸受装置の軸受を異常と判定することができる。この場合においても、平均値を計算して異常を判定する場合と同様に、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大温度を求め、これを除いた温度の平均値Ｔａｖ及び標準偏差σを計算し、最大温度が平均値＋ｎσを超えた場合に軸受を異常と判定してもよい。これにより異常温度を示すセンサ検出温度を除いて平均値及び標準偏差σが計算できるため、より正確に判定することができる。
【００２５】
なお、平均値Ｔａｖに対する上限（＋側）を設定すれば軸受の異常を判定できるが、温度差（±の両側）が一定の値になった場合を異常と判定する方法を用いる場合、軸受の異常だけでなく温度センサが異常になった時も異常と判定するので、フェイルセーフ機能が得られる。
温度センサの異常を判定する場合は、大きな値側だけでなく、小さな値側も異常判定基準にするのが良い。
【００２６】
図４に、本発明の第２実施形態に係るセンサ付軸受装置（鉄道車両用温度センサ付回転支持装置）を示す。本実施形態では、油切りと称される環状部材１１の外周面に、外向フランジ状の鍔部４０が全周にわたって設けられている。鍔部４０の外周縁部に、凹部と凸部とを円周方向に関して交互に且つ等間隔で形成して、この外周縁部の磁気特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、鍔部４０にエンコーダとしての機能を持たせている。
【００２７】
取付孔２２ａ内に挿着されたセンサユニットのセンサケース３１内には、温度センサ３０と、回転速度センサ３２とが収容されている。回転速度センサ３２としては、磁気抵抗素子、ホール素子、永久磁石と磁気コイルとの組み合わせ等、磁束の密度或いは方向の変化に対応して出力を変化させるものを使用できる。回転速度センサ３２は、センサケース３１の先端部に収容保持され、鍔部４０に近接対向されている。
軸受の発熱は、軸箱２及びカバー１８の円筒部１９を伝わり、センサユニットの温度を上昇させ、これにより温度センサにて軸受の発熱を検出できる。
温度センサ３０及び回転速度センサ３２は、モールド樹脂によってセンサケース３１内にモールド固定されてもよいし、ねじ等の機械的固定具により固定されてもよい。なお、温度センサ３０は、第１実施形態で示したような、カバー１８の温度を測定する温度センサでもよいし、ハウジング２の温度を測定する温度センサでもよい。
【００２８】
温度センサ３０及び回転速度センサ３２の出力信号は、１本のケーブル４１を介して図示しない制御手段へ伝送されるが、これに限定はされず、無線で制御手段へ伝送されてもよい。
ケーブル４１内に収められた、温度センサ３０の出力信号を取り出すための信号線と、回転速度センサ３２の出力信号を取り出すための信号線とは、個別にシールドするのが好ましい。回転速度センサ３２から出力されるパルス状の信号を送る信号線と、温度センサ３０から出力されるアナログ信号を送る信号線とを一緒に束ねると、アナログ信号にノイズがのり易いが、上記のように個別にシールドすることで、アナログ信号にノイズがのるのを防ぐことができる。
ケーブル４１内で、個々のセンサ３０，３２の出力信号を取り出すための信号線とグランド線とをツイストしておくことや、そのツイストペアをシールドすることは、さらに好ましい。
【００２９】
また、センサケース３１内に、振動センサ（加速度センサ）３３を収容しておくことはさらに好ましい。振動センサ３３により、軸受３に剥離等の異常が発生した際に、その剥離の状態を速やかに検出することができる。
転がり軸受の異常監視と回転速度の監視との双方を目的とする場合は、本例のように、温度センサ３０、回転速度センサ３２、振動センサ３３の、３種類のセンサを組み合わせることが好ましい。しかしこれに限定はされず、温度センサ３０と回転速度センサ３２、或いは温度センサ３０と振動センサ３３など、２種類のセンサを組み合わせてもよい。
さらに、センサケース３１内に、基準電圧発生回路を備えてもよい。基準電圧発生回路は、温度センサ３０や振動センサ３３に供給する基準電圧を発生するためのもので、例えば、定電圧レギュレータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、基準電圧ＩＣ、定電圧ダイオード等が使用可能である。
【００３０】
上記のように回転速度センサ３２等によって、列車の走行及び停止を検知できる場合、走行時のみ異常の判定を行うようにすれば、停止時の影響を受けず、軸受の異常判定の精度を向上することができる。
【００３１】
さらに、温度センサ３０及び回転速度センサ３２と、コンパレータ（比較手段）及びアラーム閾値設定回路（アラーム閾値設定手段）とを組み合わせることにより、運転速度が低速から高速まで頻繁に変化する転がり軸受の異常検知を高い信頼性で行える。
図５に示す判定回路は、回転速度センサ３２より得られる車軸１の回転速度と、温度センサ３０より得られる軸受３の温度とから、軸受３の異常の有無を判定するものである。回転速度センサ３２の検出信号は、回転速度検出回路にて処理されて速度信号とされる。その速度信号に基づき、閾値設定回路４４はアラーム閾値（センサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４と平均値Ｔａｖとの差、最大値と最小値との差等）を決定する。この閾値と、温度センサ３０から送られてくる温度信号とをコンパレータ４５により比較し、この比較結果を表す信号を軸受異常判定回路４６により判定して、軸受３の異常の有無を判定する。そして、異常がある場合には、ブザー、警告灯等の警報器４７に信号を送って警報器４７を作動させ、運転者や作業者に異常発生を知らせる。このような構成の判定回路により、車軸の回転速度の変化に従って、異常検出用の温度のアラーム閾値をリアルタイムで変更できるので、高速回転時だけでなく、低速回転時に発生する軸受の異常も検出できる。
また、速度信号の代わりに、回転駆動用モータに供給する電流値を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、センサ検出信号を、ローパスフィルタやオペアンプを介して、センサユニットの外部に伝送するようにしてもよい。
また、軸受装置における転がり軸受は複列円すいころ軸受に限らず、玉軸受、円筒ころ軸受、球面ころ軸受など、単列・複列を問わず適用できることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数のセンサ検出温度から、軸受の異常発生を早期かつ確実に検知できる、センサ付軸受装置を備えた構造体及び構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の縦断面図である。
【図２】運転条件とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【図３】判定回路の構成例を示す回路図である。
【図４】第２実施形態の縦断面図である。
【図５】判定回路の構成例を示す回路図である。
【図６】従来のセンサ付軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 車軸
２ 軸受箱（ハウジング）
３ 複列円すいころ軸受（転がり軸受）
４ 外輪
５ 内輪
６ 円すいころ（転動体）
１１，１１ａ 環状部材
２２ａ 取付孔
３０ 温度センサ
３１ センサケース
３５ 制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ付軸受装置を備えた構造体に関し、温度センサが検出する温度から実際の軸受温度を推定して、軸受の焼き付きや剥離などの異常を検知するものである。特に、外気温や風雨などの気象条件や運転条件によって、軸受や温度センサ部の温度が影響を受ける鉄道車両や自動車などの車軸軸受や機械設備等の軸受の異常判定に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば鉄道車両の車輪を設けた車軸を、この鉄道車両に固定した軸受箱（ハウジング）に対し回転自在に支持するために、転がり軸受が用いられている。転がり軸受部分で異常が発生してこの転がり軸受が焼き付くのを防止するために、転がり軸受に温度センサが組み込まれ、温度センサによる検出温度から異常発生を検知することが行われている。
【０００３】
図６に、従来の鉄道車両用の温度センサ付回転支持装置の一例を示す。図示しない車輪を支持固定した状態で、使用時に回転する回転部材である車軸１は、使用時にも回転しない静止部材である軸受箱２の内径側に、転がり軸受である複列円すいころ軸受３により、回転自在に支持されている。この複列円すいころ軸受３は、互いに同心に配置された静止側軌道輪である外輪４及び回転側軌道輪である一対の内輪５，５と、複列に配置された転動体である円すいころ６，６とを備えている。外輪４は、全体が円筒状に形成され、内周面に、静止側軌道である複列の外輪軌道７，７を有している。外輪軌道７，７は、それぞれが円すい内面状で、外輪４の軸方向端部に向かうほど内径が大きくなる方向に傾斜している。
【０００４】
一対の内輪５，５は、それぞれ略短円筒状に形成され、それぞれの外周面に、回転側軌道である円すい外面状の内輪軌道８を有している。これら内輪５，５は、小径側の端面同士を間座９を介して互いに突き合わせた状態で、外輪４の内径側に外輪４と同心に配置されている。円すいころ６は、上記各外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に、それぞれ複数個ずつ配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている。
【０００５】
外輪４は、軸受箱２に内嵌保持されている。各内輪５，５は、間座９と共に、車軸１の外端（図６の左端）寄り部分に外嵌されている。車軸１の外端部で軸方向外側の内輪５よりも突出した部分には、油切りと称される環状部材１１が外嵌されている。また、内側の内輪５の内端面は、別の環状部材１１ａを介して、車軸１の中間部に形成された段差面１２に突き当てられている。したがって、一対の内輪５，５が、図６の状態よりも車軸１の中央寄り（図６の右寄り）に変位することはない。そして、車軸１の外端部に外嵌した有底円筒状の押さえブラケット１３により、環状部材１１を外側の内輪５の外端面に向けて押し付けている。押さえブラケット１３は、車軸１の外端面に複数本のボルト１４，１４により固定され、各ボルト１４の締め付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【０００６】
外輪４の両端部には、軟鋼板等の金属板を断面クランク形で全体を略円筒状に形成したシールケース１５，１５の基端部を内嵌固定している。これらシールケース１５，１５の内周面と各環状部材１１，１１ａの外周面との間に、それぞれシールリング１６，１６を設けることにより、複数個の円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。この構成により、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に封入した潤滑用のグリースが外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から空間１７内に雨水や塵埃等の異物が進入するのを防いでいる。
【０００７】
軸受箱２の外端開口は、軸受箱２の一端部に固定したカバー１８により塞いでいる。カバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により全体を有底円筒状に形成され、円筒部１９と、円筒部１９の一端（図６の左端）の開口を塞ぐ底板部２０と、円筒部１９の他端（図６の右端）寄り部分の外周面に設けられた外向フランジ状の取付部２１とを備えている。カバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端部に内嵌されると共に、取付部２１を軸受箱２の一端面に突き当てられた状態で、取付部２１を軸受箱２の一端面にボルトで固定されることにより、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【０００８】
カバー１８には、温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、カバー１８の内面と外面とを貫通する取付孔２２ａに挿着されている。
複列円すいころ軸受３が剥離を起こしたり、空間１７内に封入したグリースの劣化やもれ等、何らかの原因で複列円すいころ軸受３の温度が上昇すると、温度センサ２４がこの温度上昇を検出する。温度センサ２４による検出温度が所定値（アラーム閾値）を超えたことが検知されると、図示しない制御手段が、運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。このような警報が出された場合、運転手は緊急停止等の措置をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
軸受３の温度として、温度センサ２４によって検出される値は、実際の軸受温度からずれていることがある。特に、鉄道車両や自動車などの場合、走行中と停止中とで温度センサ付近に当たる風の強さが変わったり、温度センサ付近が外気にさらされ冷却されたりするため、温度センサ２４によって検出される値が実際の軸受温度と異なることがある。軸受に焼き付きや剥離などによる異常な温度上昇が発生しても、低い外気温や風雪などの気象条件の影響により、温度センサの検出温度がアラーム閾値に達せず、軸受の異常を検知できないことがある。
【００１０】
しかしながら、軸受の異常を確実に検知できるようにアラーム閾値を下げると、夏期など外気温が高い場合に、軸受が正常な温度範囲にあっても、軸受の異常と誤って判定してしまうおそれがある。このように、季節の違いや気候の急変によっては、アラーム閾値が不適当になるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、センサ検出温度に基づいて、異常発生を確実に検知できる、センサ付軸受装置を備えた構造体、及び構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ほぼ同一仕様の複数のセンサ付軸受装置が備えられて、かつそれらセンサ付軸受装置がほぼ同一の使用条件下に置かれる場合、異常が生じたセンサ付軸受装置における温度特性と、正常に作動している他のセンサ付軸受装置における温度特性との間に違いが生じてくる点に、着目した。本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（２） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（３） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（４） 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。
（５） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（６） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化 に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（７） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
（８） 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、複数のセンサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
【００１３】
上記の構造体としては、鉄道車両や自動車、鉄鋼設備、印刷設備等が挙げられる。
例えば鉄道車両においては、１台の車両に２つの台車がある。各台車には２つの車軸があり、各車軸の左右に車輪が取り付けられており、１つの台車には４個の軸受装置が使用されている。これら４個の軸受装置は、運転条件及び負荷荷重がほぼ同じである。
【００１４】
本発明においては、温度センサから求められる複数の温度情報から、異常値の有無を調べ、異常値が有る時はその異常値を出力したセンサ付軸受装置を異常と判定する。こうして、予め設定した条件のみから異常判定を行うのではなく、ほぼ同一環境に置かれている複数のセンサ付軸受装置からの温度情報を用いることで、軸受異常を確実に検知することが可能となる。すなわち、予め設定したアラーム閾値と各軸受の検出温度とを比較する等の場合は、気象条件の違い（夏と冬との温度差等）や運転条件の違い（走行時と停止時との風量差等）によりそのアラーム閾値が適切でなくなる場合がある。一方、本発明によれば、ほぼ同一環境に置かれている複数のセンサ付軸受装置からの温度情報を用いるので、気象条件や運転条件による影響を受けない。また、雰囲気温度を測定するための別途の温度センサ等が不要である。
さらに、車両等の走行・停止や走行速度を検出するセンサや、振動センサを併用することで、異常検知をより正確に行える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。なお、既に説明した部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
図１に、本発明の一実施形態に係るセンサ付軸受装置（鉄道車両用温度センサ付回転支持装置）を示す。本実施形態では、温度センサ３０が、軸受３の軸方向中心から所定距離Ｌ軸方向に離れた位置で、カバー１８の円筒部１９に設けられている。温度センサ３０は、センサケース３１内に収容されて、センサユニットが構成されている。センサケース３１は、円筒部１９に設けられた取付孔２２ａに挿着され、温度センサ３０は、センサケース３１内部に収められている。
【００１６】
温度センサ３０による検出温度は、コンピュータ等によって構成される制御手段３５に、有線又は無線で伝送される。制御手段３５は、温度センサ３０の検出信号を処理し、異常の有無等の判定を行う。
制御手段３５は、温度センサ３０から離れた位置にあってもよいし、センサケース３１内に配置されてもよい。制御手段３５の機能の一部を担う部品が、センサケース３１内に配置されてもよい。
【００１７】
車両が走行し始めると、車軸１の回転と共に内輪５，５等が回転して、軸受３内に摩擦が発生し、その摩擦熱に応じて軸受温度が上昇する。この熱は、外周側にはハウジング２を通じて、内周側には車軸１を通じて、放熱される。
軸受３に生じた熱は、温度センサ３０に到達するまでの間に徐々に放熱され、センサケース３１においても放熱される。また、車両速度の増加に伴って、この軸受装置の付近に当たる風量も増加するため、さらに放熱される。
【００１８】
車両が停止すると、軸受３の温度は下降し始めるが、軸受装置に当たる風速がほぼゼロになることにより、放熱量が減少する。その結果、軸受３及びハウジング２に蓄えられていた熱量が温度センサ３０に少しずつ伝達され、温度センサ３０による検出温度がしばらくの間徐々に上昇し、その後低下する。
【００１９】
図２（Ａ）に、車両の走行時及び停止時の１つの台車における４つの温度センサの検出温度の変化を示す。各軸受装置の温度センサの検出温度Ｔ１〜Ｔ４は、車両の走行・停止などの運転条件により図２（Ａ）のように変化する。同じ台車の４つの軸受装置は、気象条件や運転条件及び負荷条件がほぼ同じであるため、正常に軸受装置が作動している間は、それら軸受装置の軸受はほぼ同様な温度変化を示す。なお、走行を停止した直後は、前述のように、軸受及びハウジングに蓄えられていた熱量が温度センサに伝達されるため、センサ検出温度が若干上昇する。
【００２０】
軸受装置に異常が発生した場合は、図２（Ｂ）のような温度変化を示す。すなわち、異常が発生したある軸受装置の検出温度（ここではＴ４）が、他の軸受装置の検出温度（Ｔ１〜Ｔ３）に比べて大幅に高くなる。
【００２１】
制御手段では、リアルタイムで得られる複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４に基づいて、異常値といえる検出温度Ｔ４を出力した軸受装置を、異常と判定する。例えば、平均値Ｔａｖ（＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）／４）と各検出温度との温度差、Ｔ１−Ｔａｖ、Ｔ２―Ｔａｖ、Ｔ３−Ｔａｖ、Ｔ４−Ｔａｖを計算し、温度差（絶対値）が一定の閾値（例えば２５℃）を超えるものについて、軸受が異常であると判定する。
また、軸受が異常となった場合はセンサ検出温度が上昇するため、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大温度を求め、これを除いた他の温度の平均値と最大温度との温度差を計算し、その温度差が一定の閾値を超えるものを異常と判定すれば、異常温度を除いて平均値が計算できるため、より正確に判定することができる。もう少し具体的に説明すると、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大値がＴ３であるとすると、平均値Ｔａｖ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ４）／３を計算し、さらに最大値との差Ｔ３−Ｔａｖを計算し、この値が一定の閾値を超えるものを異常と判定するものである。
このような方法で軸受の異常を判定すれば、冬や夏など外気温が異なる場合、風雨や雪の場合、運転条件が異なる場合でも、正常な軸受の温度差は一定のばらつきの中に収まる。したがって、軸受の温度上昇の異常を確実に検知できる。
【００２２】
判定回路の一例を図３に示す。４個の温度センサ３０のアナログ出力信号は、それぞれマルチプレクサ（信号切替え器）により切替えられ、順次Ａ／Ｄ変換器に入力されてＡ／Ｄ変換され、検出温度Ｔ１〜Ｔ４としてマイクロコンピュータに読み込まれる。マイクロコンピュータは、検出温度Ｔ１〜Ｔ４の平均値や、平均値と各検出温度との温度差を計算し、予め設定された閾値に基づいて、異常といえる温度情報を発生したセンサ付軸受装置があるか否かを判定し、ある場合は、表示器あるいは警報器で運転者などに知らせる。
なお、検出温度Ｔ１〜Ｔ４をマイクロコンピュータに読み込む時間間隔はなるべく短くして同時刻に読み込むことが望ましい。温度検出箇所が多い場合には、マルチプレクサを用いた方が有利だが、マルチプレクサを用いず、各センサ毎にＡ／Ｄ変換器を設けてもよい。
【００２３】
ここでは、１つの台車に備えられた４つのセンサ付軸受装置の温度の平均値を使用したが、１車両（２台車、８軸受）、あるいは全車両の軸受の平均値を用いてもよい。また、列車進行方向の左右で冷却条件の異なる場合などは、右側の軸受のグループと左側の軸受のグループのように分けて（進行方向一方側と他方側のグループに分けて）平均値を計算してもよい。また、同様な環境で使用している軸受が異なるメーカーのものであったり、異なる構造のものであったりする場合は、同一メーカーのグループや、同一構造のグループで、平均値を計算することもできる。
【００２４】
また、上記以外にも、リアルタイムで得られる複数のセンサ検出温度に基づいて異常検知を行う方法として、次のようなものがある。
例えば、複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４から最大値Ｔ４と最小値Ｔ１との差ΔＴを計算し、その差が所定の閾値（例えば４０℃）を超える時、最大値Ｔ４を示す軸受装置の軸受を異常と判定することができる。
また、複数のセンサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４から平均値Ｔａｖ及び標準偏差σを計算し、平均値±ｎσの範囲（ｎは３以上が望ましい）を外れるものについて、軸受装置の軸受を異常と判定することができる。この場合においても、平均値を計算して異常を判定する場合と同様に、Ｔ１〜Ｔ４のうち最大温度を求め、これを除いた温度の平均値Ｔａｖ及び標準偏差σを計算し、最大温度が平均値＋ｎσを超えた場合に軸受を異常と判定してもよい。これにより異常温度を示すセンサ検出温度を除いて平均値及び標準偏差σが計算できるため、より正確に判定することができる。
【００２５】
なお、平均値Ｔａｖに対する上限（＋側）を設定すれば軸受の異常を判定できるが、温度差（±の両側）が一定の値になった場合を異常と判定する方法を用いる場合、軸受の異常だけでなく温度センサが異常になった時も異常と判定するので、フェイルセーフ機能が得られる。
温度センサの異常を判定する場合は、大きな値側だけでなく、小さな値側も異常判定基準にするのが良い。
【００２６】
図４に、本発明の第２実施形態に係るセンサ付軸受装置（鉄道車両用温度センサ付回転支持装置）を示す。本実施形態では、油切りと称される環状部材１１の外周面に、外向フランジ状の鍔部４０が全周にわたって設けられている。鍔部４０の外周縁部に、凹部と凸部とを円周方向に関して交互に且つ等間隔で形成して、この外周縁部の磁気特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させて、鍔部４０にエンコーダとしての機能を持たせている。
【００２７】
取付孔２２ａ内に挿着されたセンサユニットのセンサケース３１内には、温度センサ３０と、回転速度センサ３２とが収容されている。回転速度センサ３２としては、磁気抵抗素子、ホール素子、永久磁石と磁気コイルとの組み合わせ等、磁束の密度或いは方向の変化に対応して出力を変化させるものを使用できる。回転速度センサ３２は、センサケース３１の先端部に収容保持され、鍔部４０に近接対向されている。
軸受の発熱は、軸箱２及びカバー１８の円筒部１９を伝わり、センサユニットの温度を上昇させ、これにより温度センサにて軸受の発熱を検出できる。
温度センサ３０及び回転速度センサ３２は、モールド樹脂によってセンサケース３１内にモールド固定されてもよいし、ねじ等の機械的固定具により固定されてもよい。なお、温度センサ３０は、第１実施形態で示したような、カバー１８の温度を測定する温度センサでもよいし、ハウジング２の温度を測定する温度センサでもよい。
【００２８】
温度センサ３０及び回転速度センサ３２の出力信号は、１本のケーブル４１を介して図示しない制御手段へ伝送されるが、これに限定はされず、無線で制御手段へ伝送されてもよい。
ケーブル４１内に収められた、温度センサ３０の出力信号を取り出すための信号線と、回転速度センサ３２の出力信号を取り出すための信号線とは、個別にシールドするのが好ましい。回転速度センサ３２から出力されるパルス状の信号を送る信号線と、温度センサ３０から出力されるアナログ信号を送る信号線とを一緒に束ねると、アナログ信号にノイズがのり易いが、上記のように個別にシールドすることで、アナログ信号にノイズがのるのを防ぐことができる。
ケーブル４１内で、個々のセンサ３０，３２の出力信号を取り出すための信号線とグランド線とをツイストしておくことや、そのツイストペアをシールドすることは、さらに好ましい。
【００２９】
また、センサケース３１内に、振動センサ（加速度センサ）３３を収容しておくことはさらに好ましい。振動センサ３３により、軸受３に剥離等の異常が発生した際に、その剥離の状態を速やかに検出することができる。
転がり軸受の異常監視と回転速度の監視との双方を目的とする場合は、本例のように、温度センサ３０、回転速度センサ３２、振動センサ３３の、３種類のセンサを組み合わせることが好ましい。しかしこれに限定はされず、温度センサ３０と回転速度センサ３２、或いは温度センサ３０と振動センサ３３など、２種類のセンサを組み合わせてもよい。
さらに、センサケース３１内に、基準電圧発生回路を備えてもよい。基準電圧発生回路は、温度センサ３０や振動センサ３３に供給する基準電圧を発生するためのもので、例えば、定電圧レギュレータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、基準電圧ＩＣ、定電圧ダイオード等が使用可能である。
【００３０】
上記のように回転速度センサ３２等によって、列車の走行及び停止を検知できる場合、走行時のみ異常の判定を行うようにすれば、停止時の影響を受けず、軸受の異常判定の精度を向上することができる。
【００３１】
さらに、温度センサ３０及び回転速度センサ３２と、コンパレータ（比較手段）及びアラーム閾値設定回路（アラーム閾値設定手段）とを組み合わせることにより、運転速度が低速から高速まで頻繁に変化する転がり軸受の異常検知を高い信頼性で行える。
図５に示す判定回路は、回転速度センサ３２より得られる車軸１の回転速度と、温度センサ３０より得られる軸受３の温度とから、軸受３の異常の有無を判定するものである。回転速度センサ３２の検出信号は、回転速度検出回路にて処理されて速度信号とされる。その速度信号に基づき、閾値設定回路４４はアラーム閾値（センサ検出温度Ｔ１〜Ｔ４と平均値Ｔａｖとの差、最大値と最小値との差等）を決定する。この閾値と、温度センサ３０から送られてくる温度信号とをコンパレータ４５により比較し、この比較結果を表す信号を軸受異常判定回路４６により判定して、軸受３の異常の有無を判定する。そして、異常がある場合には、ブザー、警告灯等の警報器４７に信号を送って警報器４７を作動させ、運転者や作業者に異常発生を知らせる。このような構成の判定回路により、車軸の回転速度の変化に従って、異常検出用の温度のアラーム閾値をリアルタイムで変更できるので、高速回転時だけでなく、低速回転時に発生する軸受の異常も検出できる。
また、速度信号の代わりに、回転駆動用モータに供給する電流値を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、センサ検出信号を、ローパスフィルタやオペアンプを介して、センサユニットの外部に伝送するようにしてもよい。
また、軸受装置における転がり軸受は複列円すいころ軸受に限らず、玉軸受、円筒ころ軸受、球面ころ軸受など、単列・複列を問わず適用できることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数のセンサ検出温度から、軸受の異常発生を早期かつ確実に検知できる、センサ付軸受装置を備えた構造体及び構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の縦断面図である。
【図２】運転条件とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【図３】判定回路の構成例を示す回路図である。
【図４】第２実施形態の縦断面図である。
【図５】判定回路の構成例を示す回路図である。
【図６】従来のセンサ付軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 車軸
２ 軸受箱（ハウジング）
３ 複列円すいころ軸受（転がり軸受）
４ 外輪
５ 内輪
６ 円すいころ（転動体）
１１，１１ａ 環状部材
２２ａ 取付孔
３０ 温度センサ
３１ センサケース
３５ 制御手段
Claims (8)
- 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。 - 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。 - 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。 - 転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置を複数備えた構造体であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
前記構造体が、複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定する制御手段を備えることを特徴とする構造体。 - 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値を計算し、その平均値との差が前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。 - 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値を計算し、前記最大値と前記平均値との差が前記アラーム閾値を超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。 - 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
複数の前記センサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく所定範囲（平均値±ｎσの範囲。なお、ｎは３以上の数。）の上限及び下限それぞれの前記アラーム閾値を超える温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。 - 構造体内に複数備えられた、転がり軸受と温度センサとを有する鉄道車両用センサ付軸受装置の異常を検知する方法であって、
前記鉄道車両用センサ付軸受装置が、回転速度センサとアラーム閾値設定回路とをさらに有し、
前記アラーム閾値設定回路が、前記回転速度センサの検出信号に基づき、異常検出用の温度のアラーム閾値を回転速度の変化に従って決定し、
複数のセンサ付軸受装置からリアルタイムで得られる複数の温度情報から最大値を求め、その最大値を除いた他の温度情報の平均値と標準偏差（σ）を計算し、その標準偏差に基づく前記アラーム閾値（平均値＋ｎσ。なお、ｎは３以上の数。）を前記最大値が超える場合に、前記最大値の温度情報を発生したセンサ付軸受装置を異常と判定することを特徴とする構造体内のセンサ付軸受装置の異常検知方法。
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