JP4527585B2 - 軸受監視システム、及び軸受監視プログラム - Google Patents

Description

本発明は、車軸軸受の正常／異常判定を行うための軸受監視システム等に関し、特に、鉄道車両における車軸軸受の損傷を早期に検知するための軸受監視システム、及び軸受監視をコンピュータに実行させる軸受監視プログラムに関する。

鉄道車両の車軸軸受や歯車装置軸受など（以下、単に軸受という）の損傷は車両の運行を阻害するおそれがあるので、これらの軸受の正常／異常監視は走行の安全性にとって重要な要素である。また、転がり軸受は荷重を受けながら回転しているため、最終的には疲労により転がり接触面がはく離することがある。さらに、はく離以外にも軸受の内輪や外輪の軌道面または転動体の転動面に圧痕などの損傷が発生することがある。軸受にはく離や損傷が生じると金属粉が軸受内のグリースに混入し、金属片の混じったグリースが循環するために、さらに軸受全体の損傷を促進させて軸受の寿命を低下させてしまう。このようなはく離や損傷は軸受の発熱や回転不良に結びつくことがあるので、はく離や損傷を早期に検知して軸受を交換するなどの処置を行う必要がある。

従来、軸受の異常を監視する方法としては、軸受部の温度または振動を測定して軸受が正常か異常かを判別する方法が知られている。一部の車両（例えば、新幹線電車）では車軸軸受部の温度を常時監視して、ある温度以上になれば運転台に警報を発するシステムが採用されている。車軸における軸受部の温度は測定方法が簡便であるが、軸受の損傷で発熱する場合は、一般的に、発熱する前に発生する軸受部の異常振動が損傷の兆候を示している。そのため、軸受の損傷を検知するためには、振動測定の方が温度測定より早期に軸受の異常を検知することができる（例えば、特許文献１参照）。この技術は、あらかじめ設定した振動の初期値と現在の振動とを比較して軸受の異常判定を行うものである。また、貨車の一部の車両では車軸の軸受に振動センサが組み込まれているものもあるが、この振動センサは主に車輪フラットの監視を行うために使用されている。車輪フラットとは、車輪の滑走により車輪の円周上の一部が摩耗して平坦部が生じる現象である。さらに、試験走行時における軸受検査のために軸受部の振動を測定する方法もある。このように、軸受の損傷を早期に発見するためには軸受部の振動を測定する方式の方が有利である。
特開平０５−２３１９９２号公報（段落番号０００８〜００１１、図１及び図２参照）

しかしながら、上記のように振動を検知して軸受部を常時監視する方式では、軸受部に加速度センサや増幅装置など幾つかの要素を常設しなければならないために設備コストが高くなってしまう。つまり、車両の試験走行時における軸受部の検査では、仮設した測定装置によって軸受部の振動測定をすればよいので、それらの測定装置を複数の車両に流用することができるが、営業車両に常設する場合は一軸受ごとに振動の測定装置を設置しなければならないので設備コストが嵩んでしまう。

また、はく離や損傷の生じた軸受では、欠陥に対応した周期的な振動が検出されるが、走行中の車両から検出される振動には種々の周波数の振動が重畳されているため、振動の検出によって軸受の異常を検知することは極めて難しい。そのため、軸受異常の早期発見が遅れてしまい、結果的に、軸受の発熱や回転不良となり、車両の走行を阻害するおそれがある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な振動測定装置の構成で鉄道車両などの車両における軸受の損傷を早期に検知することができる軸受監視システム、及び軸受監視をコンピュータに実行させる軸受監視プログラムを提供することを目的とする。

本発明の軸受監視システムは、前記の目的を達成するために創案されたものであり、車軸における両側の軸受の正常／異常判定を行う軸受監視システムであって、車軸における第１の軸受の振動レベルである第１軸受振動レベルを測定する第１軸受振動測定手段と、車軸における第２の軸受の振動レベルである第２軸受振動レベルを測定する第２軸受振動測定手段と、第１軸受振動測定手段が測定した第１軸受振動レベルと第２軸受振動測定手段が測定した第２軸受振動レベルとの比と所定の閾値とを比較し、その比が閾値より大きいか否かによって第１の軸受及び第２の軸受の正常／異常判定を行う軸受判定手段とを備える構成を採っている。

つまり、車両の車軸における左右一対の軸受の両方が同時に損傷を受けることはない。したがって、車軸における両側の軸受の振動を個別かつ同時に測定すれば、正常な軸受の振動と異常のある軸受の振動とでは振動レベルに差が生じるので、車軸における両側の軸受の振動レベルを比較すれば軸受の正常／異常を容易に判定することができる。本発明の軸受監視システムはこのような相互比較法を適用しているので、簡単な構成で軸受の損傷を早期に検知することができる。

また、本発明の軸受監視システムは、前記発明の構成において、軸受判定手段は、第１軸受振動レベルと第２軸受振動レベルとの比が閾値より大きいとき、振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定する構成を採っている。

このような構成によれば、車軸における両側の軸受の振動レベルを比較し、両者の振動レベルの比が所定の閾値以上となったとき、振動レベルの大きい方の軸受に損傷が発生したと判定することができる。したがって、このような軸受監視システムによれば、簡単な構成で軸受の損傷を早期かつ容易に検知することができる。

また、本発明の軸受監視システムは、前記発明の構成において、第１軸受振動測定手段は、第１軸受振動レベルを複数回測定して振動レベルが最小となる第１軸受最小振動レベルを求め、第２軸受振動測定手段は、第２軸受振動レベルを複数回測定して振動レベルが最小となる第２軸受最小振動レベルを求め、軸受判定手段は、第１軸受最小振動レベルと第２軸受最小振動レベルとの比が閾値より大きいとき、最小振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定する構成を採っている。

このような構成によれば、左右の軸受の振動をＮ回に亘ってサンプリング測定することにより、車輪がレールの継目やポイントを通過するときに生じる振動の影響を排除することができる。その結果、軸受の正常／異常判定をより正確に行うことができる。

また、本発明の軸受監視システムは、前記発明の構成において、軸受判定手段は、車両の速度が所定の範囲内にあるときに正常／異常判定を行う構成を採っている。つまり、車両の速度が変化すると軸受の振動レベルも変化するので、一定の速度範囲にあるときに軸受の振動を測定することによって軸受の正常／異常判定をより正確に行うことができる。

また、本発明の軸受監視システムは、前記発明の構成において、第１軸受振動測定手段は、第１のフィルタ回路を介して、加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して第１軸受振動レベルを測定し、第２軸受振動測定手段は、第２のフィルタ回路を介して、加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して第２軸受振動レベルを測定する構成を採っている。

このような構成によれば、検出する加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して振動レベルを測定しているので、車輪の滑走による摩耗によって車輪の一部に平坦部が生じる車輪フラットによる振動やその他の軸受の損傷に関係しない振動の影響を排除することができる。したがって、軸受の振動成分のみを抽出することができるので、軸受の正常／異常判定をより正確に行うことが可能となる。

また、本発明は軸受の監視をコンピュータに実行させる軸受監視プログラムを提供することもできる。すなわち、車軸における両側の軸受の監視をコンピュータに実行させる軸受監視プログラムであって、車両の速度が所定の範囲内にあるか否かを判定する手順と、車両の速度が所定の範囲内にあるとき、車軸における第１の軸受の第１軸受振動レベルと第２の軸受の第２軸受振動レベルとをそれぞれ複数回測定する手順と、第１軸受振動レベルの最小値となる第１軸受最小振動レベルと第２軸受振動レベルの最小値となる第２軸受最小振動レベルとを算出する手順と、第１軸受最小振動レベルと第２軸受最小振動レベルとの比が閾値より大きいとき、最小振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定する手順とをコンピュータに実行させる軸受監視プログラムを提供することができる。

本発明の軸受監視システムによれば、車軸における両側の軸受の振動レベルを比較すれば軸受の正常／異常を判定することができるので、簡単な構成で軸受の損傷を早期に検知することができる。例えば、車軸における両側の軸受の振動レベルを比較し、両者の振動レベルの比が所定の閾値以上となったとき、振動レベルの大きい方の軸受に損傷が発生したと判定することができる。したがって、このような相互比較法を用いた軸受監視システムによれば、複雑な振動検出機構を追加することなく、簡単な構成で軸受の損傷を早期かつ容易に検知することができる。

また、本発明の軸受監視システムによれば、左右の軸受の振動をＮ回に亘ってサンプリング測定することにより、車輪がレールの継目やポイントを通過するときに生じる振動の影響を排除することができる。その結果、軸受の正常／異常判定をより正確に行うことができる。さらに、本発明の軸受監視システムは、車両の速度が所定の範囲内にあるときに軸受の振動レベルを測定しているので、速度変化による振動変動の影響を排除して軸受の振動レベルを測定することができる。その結果、軸受の正常／異常判定をより正確に行うことができる。さらに、本発明の軸受監視システムは、検出する加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して振動レベルを測定しているので、車輪フラットによる振動やその他の軸受の損傷に関係しない振動の影響を排除して軸受の振動レベルのみによって軸受の正常／異常判定を行うことができる。

〈発明の概要〉
通常、車両の車軸における左右一対の軸受の両方が同時に損傷を受けることはなく、必ず片方の軸受から損傷が始まる。本発明の軸受監視システムでは、このような現象に着目して、車軸における左右両側の軸受の振動を個別に測定する。そして、左右両側の軸受の振動測定データを比較し、両者の振動レベルの比が所定の閾値以上となった場合に、振動レベルの大きい方の軸受に損傷が発生したと判定するシステム構成となっている。このような軸受監視システムによれば、簡単な構成で軸受の損傷を早期かつ容易に検知することができる。

〈実施の形態〉
以下、図面を参照しながら、本発明における軸受監視システムの実施の形態について詳細に説明する。図１は、一部の鉄道車両に採用されている軸はり式軸箱支持装置の概略的な構造図である。なお、軸はり式軸箱支持装置とは、車両の前後の輪軸を平行に保ち、かつ輪軸の直進安定性と曲線転向性という相反する性能をバランスよく満たすために、車両の台車枠に対して輪軸を適切な位置に保持し、さらに上下方向の荷重を支持するための装置である。また、図１に示す軸箱１１は、車軸の両端のジャーナル部に取り付けられていて、軸受、潤滑装置、油切りなどを収納して回転する車軸を支持すると同時に上部の軸ばね１２を介して台車枠１３を支持する装置である。さらに、オイルダンパ１４は、台車枠１３の垂直方向とピッチング方向の振動を抑制するための装置である。

図１に示すように、軸箱１１の紙表側から紙裏側に向けて車軸が挿通されていて、軸箱１１の紙表側に一方の軸受が存在し、軸箱１の紙裏側に他方の軸受が存在している。なお、軸受そのものは図１では示されていない。また、軸箱１の直上には軸ばね１２が設けられていて軸受に軸ばねを介して車両重量による荷重がかかっている。したがって、長期にわたって軸受が使用されると、繰り返し荷重が加わることによる疲労のため、軸受の内輪、外輪または転動体がはく離することがある。また、何らかの原因で圧痕が発生することがある。

そこで、本発明の軸受監視システムでは、このようなはく離現象を起こすと通常の振動（通常振動）とは異なった振動（異常振動）が発生するので、通常振動と異常振動との比を算出して軸受の異常検知を行う。つまり、一本の車軸において、軸箱１１の紙表側にある第１の軸受と軸箱１１の紙裏側にある第２の軸受が同時にはく離現象を起こすことはないことを前提とし、第１の軸受の振動レベル（第１軸受振動レベル）と第２の軸受の振動レベル（第２軸受振動レベル）とを個別に測定して、第１軸受振動レベルと第２軸受振動レベルとの比が所定の閾値を超えたときに、振動の大きい方の軸受が異常であると判定する。

図２は、本発明における軸受監視システムの構成を示すブロック図である。この軸受監視システムは１車軸における２軸受分の測定系を示している。すなわち、左側軸受の測定系には、左側軸受の振動を測定する加速センサ１Ｌと、測定された振動成分を増幅する加速度アンプ２Ｌと、加速度（振動）の周波数成分を高周波帯域に制限するフィルタ回路３Ｌと、測定された加速度（振動）の実効値を求める実効値回路（第１軸受振動測定手段）４Ｌとが備えられている。また、右側軸受の測定系についても、左側軸受の測定系と同様の機能を有する加速センサ１Ｒ、加速度アンプ２Ｒ、フィルタ回路３Ｒ、及び実効値回路（第２軸受振動測定手段）４Ｒが備えられている。

さらに、実効値回路４Ｌから左側軸受の振動レベル（左軸受振動レベル）の実効値を入力し、実効値回路４Ｒから右側軸受の振動レベル（右軸受振動レベル）の実効値を入力して、左軸受振動レベルと右軸受振動レベルとの比が閾値より大きいときに左側軸受又は右側軸受の正常／異常を判定する記録・判定装置（軸受判定手段）５を備えている。なお、この記録・判定装置５は車両の速度信号ＳＶを入力して、車両が一定の速度範囲で走行しているときに左側軸受又は右側軸受の正常／異常の判定を行うように構成されている。

次に、図２に示す本発明の軸受監視システムによる軸受の正常／異常判定の動作について説明する。本発明の軸受監視システムでは、左側軸受の左軸受振動レベルの実効値と右側軸受の右軸受振動レベルの実効値とを比較して軸受の正常／異常判定を行う相互比較法を用いている。

左側軸受の測定系においては、加速度センサ１Ｌ、加速度アンプ２Ｌ、フィルタ回路３Ｌ、実効値回路４Ｌの測定をＮ回実行し、Ｎ個の実効値を求め、左軸受振動実効値の最小値を抽出して記録・判定装置５へ送信する。

また、右側軸受の測定系においても、加速度センサ１Ｌ、加速度アンプ２Ｌ、フィルタ回路３Ｌ、実効値回路４Ｌの測定をＮ回実行し、Ｎ個の実効値を求め、右軸受振動実効値の最小値を抽出して記録・判定装置５へ送信する。

これによって、記録・判定装置５は、速度信号ＳＶを入力して車両が一定の速度範囲で走行しているか否かを判定し、車両が一定の速度範囲で走行しているならば、実効値回路４Ｌから取得した左軸受振動実効値の最小値と、実効値回路４Ｒから取得した右軸受振動実効値の最小値との比が所定の閾値を超えているか否かを判定して、左軸受振動実効値の最小値と右軸受振動実効値の最小値との比が所定の閾値を超えていれば、振動実効値の最小値が大きい方の軸受が異常であると判定する。

次に、数値記号を用いて、本発明の軸受監視システムによる軸受の正常／異常判定の手法を説明する。車速信号ＳＶを検出して車両が一定の速度範囲で走行している間に、１つの車軸に装着されている左側軸受と右側軸受の左右２個の軸受について、同時に、左軸受振動と右軸受振動の実効値をＮ回測定する。ここで、左側軸受と右側軸受をそれぞれＬとＲで示すと、取得した振動実効値Ｖは、左側軸受の左軸受振動実効値はＶＬ_ｌ…ＶＬ_ｎで表わされ、右側軸受の右軸受振動実効値はＶＲ_ｌ…ＶＲ_ｎで表わされる。そして、左側軸受における左軸受振動実効値ＶＬ_ｌ…ＶＬ_ｎの最小値をＶＬ_ｍｉｎとし、右側軸受における右軸受振動実効値ＶＲ_ｌ…ＶＲ_ｎの最小値をＶＲ_ｍｉｎとする。さらに、左側軸受における左軸受振動実効値の最小値ＶＬ_ｍｉｎと右側軸受における右軸受振動実効値の最小値ＶＲ_ｍｉｎの比がＸ倍以上であれば、振動実効値の最小値が大きい方の軸受が異常であると判定する。

車両の速度が変化すると軸受の振動も変化するため、一定の速度範囲にあるときに振動を測定する必要がある。また、車両の走行中に車輪がレールの継目を通過するときや、車輪がレールやポイントを通過するときには、これらの振動の影響で異常に大きな振動が発生するため、この影響を除くために左右それぞれの軸受でＮ回のサンプリング測定を行い、それらの振動測定値から最小の振動実効値を選択する。なお、車輪フラットの影響を受けないように、振動による加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して振動実効値を求める。

図３は、本発明の軸受監視システムによって軸受異常の判定を行う処理の流れを示すフローチャートである。まず、車両の速度がＲ１〜Ｒ２の範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、車両の速度がＲ１〜Ｒ２の範囲になければ（ステップＳ１でＮｏの場合）、車両の速度がＲ１〜Ｒ２の範囲になるまで待つが、車両の速度がＲ１〜Ｒ２の範囲にあれば（ステップＳ１でＹｅｓの場合）、左側軸受及び右側軸受についてそれぞれ振動実効値をＮ回測定して取得する（ステップＳ２）。そして、左側軸受における左軸受振動実効値の最小値ＶＬ_ｍｉｎと右側軸受における右軸受振動実効値の最小値ＶＲ_ｍｉｎを算出する（ステップＳ３）。

さらに、左側軸受における左軸受振動実効値の最小値ＶＬ_ｍｉｎと右側軸受における右軸受振動実効値の最小値ＶＲ_ｍｉｎとの比が所定の閾値Ｘより大きいか否かの判定（つまり、ＶＬ_ｍｉｎ／ＶＲ_ｍｉｎ＞Ｘ？）を行う（ステップＳ４）。ここで、ＶＬ_ｍｉｎ／ＶＲ_ｍｉｎ＞Ｘであれば（ステップＳ４でＹｅｓの場合）、左側軸受が異常であると判定する（ステップＳ５）。一方、ＶＬ_ｍｉｎ／ＶＲ_ｍｉｎ＞Ｘでなければ（ステップＳ４でＮｏの場合）、右側軸受における右軸受振動実効値の最小値ＶＲ_ｍｉｎと左側軸受における左軸受振動実効値の最小値ＶＬ_ｍｉｎとの比が所定の閾値Ｘより大きいか否かの判定（つまり、ＶＲ_ｍｉｎ／ＶＬ_ｍｉｎ＞Ｘ？）を行う（ステップＳ６）。ここで、ＶＲ_ｍｉｎ／ＶＬ_ｍｉｎ＞Ｘであれば（ステップＳ６でＹｅｓの場合）、右側軸受が異常であると判定する（ステップＳ７）。なお、ＶＲ_ｍｉｎ／ＶＬ_ｍｉｎ＞Ｘでなければ（ステップＳ６でＮｏの場合）、左側軸受、右側軸受は共に正常であるので、ステップＳ１に戻って、前述の処理を繰り返して左右両軸受の正常／異常判定の処理を繰り返す。

つまり、過去の事例では左側軸受と右側軸受が同時に損傷することは皆無であった経験を踏まえて、左側軸受における左軸受振動実効値の最小値と右側軸受における右軸受振動実効値の最小値とを比較して、両者の比が所定の閾値Ｘより大きければ、振動実効値の最小値が大きい方の軸受が異常であると判定する。

本発明の軸受監視システムによれば、鉄道車両の車軸軸受及び歯車装置軸受の正常／異常を判定するために有効に利用することができる。

一部の鉄道車両に採用されている軸はり式軸箱支持装置の概略的な構造図である。 本発明における軸受監視システムの構成を示すブロック図である。 本発明の軸受監視システムによって軸受異常の判定を行う処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ 加速度センサ
２Ｌ、２Ｒ 加速度アンプ
３Ｌ、３Ｒ フィルタ回路
４Ｌ 実効値回路（第１軸受振動測定手段）
４Ｒ 実効値回路（第２軸受振動測定手段）
５ 記録・判定装置（軸受判定手段）
１１ 軸箱
１２ 軸ばね
１３ 台車枠
１４ オイルダンパ

Claims (4)

1. 車軸を支持する複数の軸受の正常／異常判定を行う軸受監視システムであって、
   前記車軸における第１の軸受の振動レベルである第１軸受振動レベルを測定する第１軸受振動測定手段と、
   前記車軸における第２の軸受の振動レベルである第２軸受振動レベルを測定する第２軸受振動測定手段と、
   前記第１軸受振動測定手段が測定した第１軸受振動レベルと前記第２軸受振動測定手段が測定した第２軸受振動レベルとの比と所定の閾値とを比較し、前記比が前記閾値より大きいか否かによって前記第１の軸受及び前記第２の軸受の正常／異常判定を行う軸受判定手段と、
   を備え、
   前記軸受判定手段は、前記第１軸受振動レベルと前記第２軸受振動レベルとの比が前記閾値より大きい場合に、振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定し、
   前記第１軸受振動測定手段は、前記第１軸受振動レベルを複数回測定して振動レベルが最小となる第１軸受最小振動レベルを求め、
   前記第２軸受振動測定手段は、前記第２軸受振動レベルを複数回測定して振動レベルが最小となる第２軸受最小振動レベルを求め、
   前記軸受判定手段は、前記第１軸受最小振動レベルと前記第２軸受最小振動レベルとの比が前記閾値より大きい場合に、最小振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定することを特徴とする軸受監視システム。
2. 前記軸受判定手段は、車両の速度が所定の範囲内にあるときに前記正常／異常判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の軸受監視システム。
3. 前記第１軸受振動測定手段は、第１のフィルタ回路を介して、加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して前記第１軸受振動レベルを測定し、
   前記第２軸受振動測定手段は、第２のフィルタ回路を介して、加速度の周波数帯域を高周波帯域に制限して前記第２軸受振動レベルを測定する
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の軸受監視システム。
4. 車軸における両側の軸受の監視をコンピュータに実行させる軸受監視プログラムであって、
   車両の速度が所定の範囲内にあるか否かを判定する手順と、
   前記車両の速度が所定の範囲内にあるとき、前記車軸における第１の軸受の第１軸受振動レベルと第２の軸受の第２軸受振動レベルとをそれぞれ複数回測定する手順と、
   前記第１軸受振動レベルの最小値となる第１軸受最小振動レベルと前記第２軸受振動レベルの最小値となる第２軸受最小振動レベルとを算出する手順と、
   前記第１軸受最小振動レベルと前記第２軸受最小振動レベルとの比が前記閾値より大きいとき、最小振動レベルの大きい方の軸受が異常であると判定する手順と、
   をコンピュータに実行させる軸受監視プログラム。

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