JP5306947B2 - 鉄道車両の状態監視システム - Google Patents

Description

本発明は、簡素化したセンサによる鉄道車両の状態監視システムに係り、特に鉄道車両の左右動ダンパの不具合の発生を監視する鉄道車両の状態監視に関するものである。

従来、鉄道車両は、安全性や乗り心地の維持のために定期的に営業運用から外され工場での分解検査が行われる。このような分解検査に加え、走り装置の状態監視を常時行えば、安全性や乗り心地の質が向上できると考えられる。鉄道車両の状態監視は、日本では１９８０年代から始まり（下記非特許文献１参照）、最近では盛んに行われている（下記非特許文献２，３参照）。

鉄道車両の状態監視を行う際、多くのセンサや複雑な機構を使うシステムを用いると、初期費用がかかるばかりでなく、将来にわたりメンテナンスコストがかかるという問題が生じる。そのため、機能を落とさずできる限り簡素なシステムを提供すれば営業車両に使用され易いと考えられる。

Ｎａｋａｅ Ｓ．ｅｔ ａｌ．，Ｄａｓｓｅｎ ｋｅｎｃｈｉ ｓｏｕｃｈｉ ｎｏ ｓｈｉｋｅｎ（ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ），Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｅ−Ｒｅｐｏｒｔ，（１９８２） Ｈａｙａｓｈｉ Ｙ．ｅｔ ａｌ．， Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ（ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ），Ｔｒａｎｓｌｏｇ ２００７ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．３３１−３３４（２００７） Ｍｏｒｉｋａｗａ Ｍ．ｅｔ ａｌ．， Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎｓ ｏｆ Ｗｈｅｅｌｃｌｉｍｂ Ｄｅｒａｉｌｍｅｎｔ（ｉｎ Ｊａｐａｎｅｓｅ），Ｊ−Ｒａｉｌ ２００８ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（２００８）．

上記したように、従来の鉄道車両の状態監視は、多数のセンサを必要とするものであり、初期費用だけでなくメンテナンスコストもかかってしまうといった問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、１台車につき１個の少ないセンサ数で異常振動を捉え左右動ダンパの不具合を検知する、鉄道車両の状態監視システム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〕鉄道車両の状態監視システムにおいて、鉄道車両の左右動ダンパの診断を行うための鉄道車両の台車中心上の車体床面に配置される１つの車体床面振動加速度計と、軌道の不具合の診断を行うための車輪の第１の車軸の軸箱に配置される参照用軸箱振動加速度計とを備えることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がこの左右動ダンパの天地逆取り付けによるものであることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がオリフィス詰まりによるものであることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がピンの摩耗によるものであることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がオイル不足によるものであることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの調圧弁の故障によるものであることを特徴とする。

本発明によれば、センサ数を極力抑え、簡素化したシステムとすることにより、鉄道車両の左右動ダンパの状態監視を設備費用とメンテナンスコストを低減して行うことができる。

実軌道波加振試験を行う鉄道車両実験台を示す図面代用写真である。 加振振動加速度に対する台車枠先端での左右振動加速度の応答倍率を示す図である。 加振振動加速度に対する台車中心上車体床面での左右振動加速度の応答倍率を示す図である。 本発明の鉄道車両の状態監視システムの模式図である。 本発明の鉄道車両の状態監視システムを適用した車両の構造を示す模式図である。 本発明の鉄道車両の左右動ダンパの構造を示す模式図である。 本発明の鉄道車両の左右動ダンパのピンの構造を示す模式図である。 本発明にかかる第１の車軸基準の合理性と遮断特性を示す図である。 本発明にかかる蛇行動検知のための車体の左右振動加速度の測定結果を示す図である。

本発明の鉄道車両の状態監視システムは、鉄道車両の左右動ダンパの診断を行うための鉄道車両の台車中心上の車体床面に配置される１つの車体床面振動加速度計と、軌道の不具合の診断を行うための車輪の第１の車軸の軸箱に配置される参照用軸箱振動加速度計とを備える。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、鉄道車両の左右動ダンパの模擬不具合実験例について説明する。
図１は実軌道波加振試験を行う鉄道車両実験台を示す図面代用写真である。
走り装置部品の不具合時の異常振動加速度を測定するために、図１に示す鉄道車両実験台で実軌道波加振を行った。模擬的に不具合とする走行装置部品として今回は新幹線車両、在来線車両ともに装備している左右動ダンパを選んだ。ここでは、後位台車の左右動ダンパのみを模擬的に不具合にした結果を示す。左右振動加速度は、後位台車の台車枠先端（ばね帽上）と後位台車中心上車体床面で測定した。

今回想定した不具合を表１に示す。

実験では営業線で不具合が発生したダンパではなく、未使用のダンパに、表１に示す不具合を模擬するための加工を行った。これは不具合が発生したダンパの入手が困難であったことに加え、模擬する不具合以外の機能を同一にすることを目的としたためである。
図２は加振振動加速度に対する台車枠先端での左右振動加速度の応答倍率を示す図であり、この図において、ａは左右動ダンパが健全な場合、ｂは天地逆取り付けの場合、ｃはオリフィス詰まりの場合を示している。また、図３は加振振動加速度に対する台車中心上車体床面での左右振動加速度の応答倍率を示す図であり、ｄは左右動ダンパが健全な場合、ｅは天地逆取り付けの場合、ｆはオリフィス詰まりの場合を示している。

図２に示す台車枠先端の左右振動加速度は、同じ１０Ｈｚの周波数に応答倍率の大きさが違うピークがある。また、１０Ｈｚから１２Ｈｚの間に、周波数も応答倍率の大きさも異なる反共振の谷が存在する。
これに対して、図３に示すように、台車中心上車体床面の左右振動加速度は、健全状態の場合（ｄ）では１．３Ｈｚに応答倍率２倍程度のピークがある。不具合なダンパを装備した場合（ｅ，ｆ）では、この周波数付近のピークが周波数も応答倍率の大きさも異なる。

上記の結果から、状態監視の観点で台車枠先端と台車中心上車体床面の左右振動加速度を比較すると、図２に示す台車枠先端の１０Ｈｚ付近の応答倍率の大きさの差は、図３に示す台車中心上の車体床面の差に比べ小さく、また台車枠先端の反共振を状態監視に利用するのはノイズ等により判別が難しいと考えられる。そのため、鉄道車両の状態監視を１台車につき１個のセンサで行うには台車中心上車体床面の左右振動加速度を監視することが適当であると考えられる。

図４は本発明の鉄道車両の状態監視システムの模式図、図５はその車両の構造を示す模式図、図６はその車両の左右動ダンパの構造を示す模式図、図７はその左右動ダンパのピンの構造を示す模式図である。
図４において、１は鉄道車両、２は鉄道車両１の車体床面、３はその車体床面２に配置される空気ばね、４は台車、５は参照用軸箱加速度計１２が取付けられる第１の車軸、６は第２の車軸、７は第３の車軸、８は第４の車軸、１１は台車中心上の車体床面２に配置される車体床面振動加速度計である。

図５に示すように、鉄道車両１の車体床面２と台車４との間には空気ばね３が配置されている。この車体床面２側の支持体３２と台車４側の支持体３３との間に左右動ダンパ３１が配置される。また、台車中心上の車体床面２には車体床面振動加速度計１１が配置される。この車体床面振動加速度計１１は、図４に示すように、１台車につき１個設置され、台車中心上の車体床面の左右振動加速度が計測される。第１の車軸５には車輪２１が取り付けられ、この第１の車軸５の両端には軸箱２２が配置され、この第１の車軸５にのみ参照用軸箱加速度計１２が設置されている。また、軸箱２２と台車４との間には軸ダンパ２３と軸ばね２４が配置されている。

本発明において状態監視の対象としている左右動ダンパ３１は、図６に示すように、ピストン３５とシリンダ３６を備えており、ピストン３５の基端にはピン通し穴３７Ａを有する第１のピン連結部３７が、シリンダ３６の一端にはピン通し穴３８Ａを有する第２のピン連結部３８が形成されており、車体１の車体床面２側の支持体３２及び台車４側の支持体３３に、それぞれピン３４で連結されて配置されている。

このピン３４は、図７（ａ）に示すように、鍔部３４Ａと本体部３４Ｂと先端部３４Ｃからなり、通し穴３４Ｅが形成されている。この通し穴３４Ｅに、図７（ｂ）に示すようなピン用スプリング３４Ｄが装着される。なお、上記した左右動ダンパの模擬不具合実験では、ピンの直径を１ｍｍ小さくしたものを用いてピンの摩耗を模擬した。
さらに、左右動ダンパ３１の内部の油路３９には、オリフィス３９Ａ、調圧弁３９Ｂ、逆止弁３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｅが配置されている。

このように構成することにより、台車中心上の車体床面２の左右振動加速度を測定し、その異常振動から左右動ダンパ３１に不具合が発生したことを検知することができる。この時、単に振動の強さ（ＰＳＤ）を用いて判断すると、軌道状態に影響を受けてしまうので、参照用の軸箱加速度に対する各周波数の強さの比（周波数応答）を用いて異常振動を判定する。

本発明では、鉄道車両の走行装置部品としての左右動ダンパの状態監視について述べたが、左右振動加速度を用いて左右動ダンパ以外の部品の状態監視を行うこともできる。
さらに、鉄道車両の上下系、前後系に関してもその方向のセンサを同様に着けることにより、対応していくこともできる。
図８は本発明にかかる第１の車軸基準の合理性と遮断特性を示す図であり、横軸は周波数〔Ｈｚ〕、縦軸は応答倍率を示している。

この図から、参照用軸箱加速度計１２は第１の車軸５のみに配置すればよいことがわかる。また、この図８に示される遮断特性を用いても状態監視を行うことができる。
図９は本発明にかかる蛇行動検知のための車体の左右振動加速度の測定結果を示す図であり、横軸が周波数〔Ｈｚ〕、縦軸が振動の強さ（ＰＳＤ）を示している。
この図９のｇに示すように、左右動ダンパを配置しないことで車体の左右振動加速度にもピークが出るので、これにより蛇行動検知ができると考えられる。

なお、上記実施例では、主に、鉄道車両の走行装置部品としての左右動ダンパの例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、下記のように実施することもできる。
（１）１つの車体床面振動加速度計は１方向感度を有する加速度計であったり、３方向感度を有する加速度計であってもよい。
また、１つの車体床面振動加速度計は車輪の第１の車軸の左右端に配置され、その上下方向や前後方向感度を有する加速度計であってもよい。

（２）前記診断は、前記第１の車軸の軸箱に配置される参照用軸箱振動加速度計によるリファレンス加速度に対する前記１つの車体床面振動加速度計による車体床面振動加速度の周波数毎の大きさの比を用いたり、前記第１の車軸の軸箱に配置される参照用軸箱振動加速度計によるリファレンス加速度に対する前記１つの車体床面振動加速度計による車体床面振動加速度の周波数毎の位相遅れを用いるようにしてもよい。

また、前記診断は、ケプストラム解析、エンベエローブ解析、波高率解析、リサージュ解析、又は振動ベクトル解析を用いた機械診断であってもよく、さらに、時間軸に対応した傾向診断であってもよい。
なお、本発明の鉄道車両の状態監視システムにおいては、大きな加速度が測定された場合、センサーを装備しているため、鉄道車両を非常状態で緊急停止させることができることは言うまでもない。

また、蛇行動時は、車体の左右振動加速度にも特定の周波数にピークができるので、左右動ダンパの有無にかかわらず、蛇行動の検知ができる。
さらに、軌道の不具合の診断のために、軸箱振動加速度計を備えるとしているが、軸箱振動加速度計は車体加速度計と組み合わせて用いるようにしてもよい。
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き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。

本発明の鉄道車両の状態監視システムは、設備費用とメンテナンスコストを低減するために、極力簡素化したセンサによる鉄道車両の左右動ダンパの状態監視システムとして利用可能である。

１ 鉄道車両
２ 車体床面
３ 空気ばね
４ 台車
５ 第１の車軸
６ 第２の車軸
７ 第３の車軸
８ 第４の車軸
１１ 車体床面振動加速度計
１２ 参照用軸箱加速度計
２１ 車輪
２２ 軸箱
２３ 軸ダンパ
２４ 軸ばね
３１ 左右動ダンパ
３２ 車体床面側の支持体
３３ 台車側の支持体
３４ ピン
３４Ａ 鍔部
３４Ｂ 本体部
３４Ｃ 先端部
３４Ｄ ピン用スプリング
３４Ｅ 通し穴
３５ ピストン
３６ シリンダ
３７ 第１のピンの連結部
３７Ａ，３８Ａ ピン通し穴
３８ 第２のピンの連結部
３９ 油路
３９Ａ オリフィス
３９Ｂ 調圧弁
３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｅ 逆止弁

Claims (6)

1. （ａ）鉄道車両の左右動ダンパの診断を行うための鉄道車両の台車中心上の車体床面に配置される１つの車体床面振動加速度計と、
   （ｂ）軌道の不具合の診断を行うための車輪の第１の車軸の軸箱に配置される参照用軸箱振動加速度計とを備えることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。
2. 請求項１記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合が該左右動ダンパの天地逆取り付けによるものであることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。
3. 請求項１記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がオリフィス詰まりによるものであることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。
4. 請求項１記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合が該左右動ダンパ取付け用ピンの摩耗によるものであることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。
5. 請求項１記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合がオイル不足によるものであることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。
6. 請求項１記載の鉄道車両の状態監視システムにおいて、前記左右動ダンパの不具合が調圧弁の故障によるものであることを特徴とする鉄道車両の状態監視システム。