JP6413642B2

JP6413642B2 - 軸受状態検知装置及び軸受状態検知方法

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Publication number: JP6413642B2
Application number: JP2014221953A
Authority: JP
Inventors: 山崎　良太; 良太山崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: EP3067683A1; WO2015068737A1; CN105765362A; EP3067683B1; JP2015111113A; EP3067683A4; US20160282223A1

Description

本発明は、鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する軸受状態検知装置及び軸受状態検知方法に関する。

特許文献１に開示された鉄道車両台車のベアリング異常の振動検出用回転装置は、鉄道車両台車の輪軸に取り付けられたジャーナル軸受や歯車減速装置等の軸受異常を、振動検査により非分解で精度良く検出するための装置である。当該装置を用いた振動検査では、実走行に近い負荷条件で輪軸を回転させて、ジャーナル軸受や歯車減速装置内のコロが発する損傷振動を振動測定センサーにて検出することで、軸受の振動測定を行う。

特許第４４２７４００号公報特許第２９０１６６６号公報特許第４８０２９７５号公報特許第３２８４９６７号公報

上記説明した特許文献１の装置は、鉄道車両台車の輪軸を実走行に近い負荷条件で回転させて損傷振動を検出する。しかし、鉄道車両は、特許文献１の装置では再現されない負荷をも受けて走行している。すなわち、鉄道車両が実走行時に受ける負荷には、風や温度等の環境要因及び線路状態による要因を含む多様なパラメータが含まれる。したがって、特許文献１の装置では、実走行に近い負荷条件で輪軸を回転させるとはいえども、実走行時に軸受が実際に受ける負荷に基づいた損傷振動が検出されるわけではないため、軸受の損傷箇所又は損傷程度によっては当該軸受の実態を検出できない可能性がある。

本発明の目的は、鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の損傷に関する実態を高精度に検知可能な軸受状態検知装置及び軸受状態検知方法を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する軸受状態検知装置であって、
前記鉄道車両が実走行時に測定された、前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報に基づいて、前記軸受の損傷に関する実態を検知し、
前記鉄道車両が実走行時に測定された情報から前記軸受以外の構成要素によるパラメータを除去するフィルタリング処理部と、
前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析して、前記軸受の損傷に関する実態を解析する実態解析部と、を備え、
前記フィルタリング処理部は、前記軸受以外の構成要素によるパラメータとして、風や温度を含む環境要因及び線路状態による要因を含むパラメータを除去することを特徴とする軸受状態検知装置。

（２）前記実態解析部は、前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析した結果を、前記軸受が正常状態のときに前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析した結果と比較して、前記軸受の損傷の有無を判別することを特徴とする（１）に記載の軸受状態検知装置。

（３）前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報は、前記歯車装置の前記軸受近傍に設置されたセンサーの測定値であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の軸受状態検知装置。

（４）前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報は、振動、温度、トルク、変位、ＡＥ（Acoustic Emission）及び回転速度の少なくともいずれか一つの情報であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の軸受状態検知装置。

（５）鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する軸受状態検知方法であって、
前記鉄道車両が実走行時に測定された、前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報に基づいて、前記軸受の損傷に関する実態を検知し、
前記鉄道車両が実走行時に測定された情報から前記軸受以外の構成要素によるパラメータを除去し、
除去後の情報を分析して、前記軸受の損傷に関する実態を解析し、
前記軸受以外の構成要素によるパラメータは、風や温度を含む環境要因及び線路状態による要因を含むパラメータであることを特徴とする軸受状態検知方法。

本発明に係る軸受状態検知装置及び軸受状態検知方法によれば、鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の実態を高精度に検知することができる。

鉄道車両の台車を正面方向から見た構成の概要を示す図鉄道車両の台車を真下から見た構成の概要を示す図一実施形態の軸受状態検知装置１０とセンサー２０の鉄道車両内の配置を示す図一定回転時に給油を停止したときの軸受１３５におけるトルクの変化の実験データを示す図一定回転時に給油を停止したときの軸受１３５の温度変化の実験データを示す図一実施形態の軸受状態検知装置１０の内部構成を示すブロック図一実施形態の軸受状態検知装置１０の効果を確認するための実機駆動装置試験機１３０の構成の概要を示す図実機駆動装置試験機１３０における軸受損傷時の振動解析結果を示す図実機駆動装置試験機１３０における振動発生に起因する位置と特定周波数成分［Ｈｚ］との関係を示す図

以下、本発明に係る軸受状態検知装置及び軸受状態検知方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下説明する軸受状態検知装置は、鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する装置であって、鉄道車両に搭載される。

図１は、鉄道車両の台車を正面方向から見た構成の概要を示す図である。図２は、鉄道車両の台車を真下から見た構成の概要を示す図である。図１及び図２に示すように、鉄道車両の台車は、歯車装置（「駆動装置」ともいう）１１１と、電動機１１３と、台車枠１１５と、継手１１７と、車軸１１９と、車輪１２１と、軸受１２３とを主に備える。

減速機として機能する歯車装置１１１は、互いに噛合する小歯車（「ピニオン」ともいう）１３１及び大歯車１３３を有する。小歯車１３１及び大歯車１３３はそれぞれ平歯車である。また、歯車装置１１１は、小歯車１３１の軸を回転自在に支承する軸受１３５を有する。この軸受１３５によって、小歯車１３１の軸の振れ回りが防止される。軸受１３５のハウジングは、歯車装置１１１の筐体に固定されている。

鉄道車両の駆動源である電動機１１３は、台車枠１１５に固定されている。電動機１１３の回転軸１２５は、継手１１７を介して歯車装置１１１の小歯車１３１の軸に連結されている。したがって、電動機１１３の回転力は、継手１１７を介して歯車装置１１１の小歯車１３１に伝達される。歯車装置１１１の大歯車１３３は、車軸１１９と同軸に嵌着されている。また、車軸１１９には車輪１２１も嵌着されている。したがって、歯車装置１１１の小歯車１３１に伝達された電動機１１３からの回転力は、大歯車１３３及び車軸１１９を介して車輪１２１に伝達される。

軸受１２３は、車軸１１９を回転自在に支承するものである。軸受１２３と台車枠１１５の間には、鉄道車両の走行に伴い発生する振動（以下「走行振動」という）を吸収するための軸ばね１２７が介設されている。なお、走行振動によって軸ばね１２７が撓んで台車枠１１５側と車軸１１９側とが相対変位しても、継手１１７が撓むことによってこの変位は吸収される。

走行振動に伴う軸ばね１２７又は継手１１７の撓みによって、歯車装置１１１の小歯車１３１の軸を支承する軸受１３５には多様な荷重がかかる。さらに、鉄道車両の実走行時に発生する走行振動には、鉄道車両が受ける風等の環境要因や線路状態による要因等の多様な要因が含まれる。こうした荷重を軸受１３５が受け続けると、軸受１３５には、クリープ、つば焼き又はポケット摩耗等の損傷が発生し得る場合がある。また、軸受１３５に損傷が発生すると、歯車装置１１１の小歯車１３１の軸における振動、温度、トルク、変位、ＡＥ（Acoustic Emission）又は回転速度等のパラメータ又はその経時変化が正常時とは異なって表れる。なお、損傷した軸受１３５が破損に至って、軸受１３５の部品が歯車装置１１１内に飛び散ると、歯車装置１１１まで破損してしまう。しかも、軸受１３５の損傷から破損に至るまでの事象は急速に進行する場合もあるため、軸受１３５が破損に至る前段階での損傷状態の時点でその実態を検知できた方が望ましい。このため、本実施形態の軸受状態検知装置は、鉄道車両に搭載され、当該鉄道車両の実走行中における軸受１３５の損傷に応じたパラメータの変化に基づいて、軸受１３５の損傷に関する実態を検知する。

以下、本実施形態の軸受状態検知装置について説明する。本実施形態の軸受状態検知装置１０は、図３に示すように、上記説明した台車を含む鉄道車両の車体内に設けられる。軸受状態検知装置１０には、振動、温度、トルク、変位、ＡＥ（Acoustic Emission）及び回転速度等のパラメータの少なくともいずれか一つを測定するセンサー２０の測定値が入力される。センサー２０は、歯車装置１１１の軸受１３５近傍に設けられる。なお、センサー２０は、歯車装置１１１の軸受１３５近傍の音を集音するマイク（図示せず）であっても良い。センサー２０から軸受状態検知装置１０への情報の伝送は、有線通信でも無線通信でも良い。

軸受１３５の損傷は、クリープ、つば焼き又はポケット摩耗等によって発生する。クリープが発生すると、ハウジングの端面が摩耗してベアリングすきまが大きくなり、軸の振れ回りが大きくなる。その後、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。つば焼きが発生した場合も同様に、ベアリングすきまが大きくなり、軸の振れ回りが大きくなる。その後、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。また、ポケット摩耗が進行すると、保持器の振れ回りが大きくなり、転動体がそのポケット内で衝突する頻度が高くなると保持器の破損に至る。保持器が破損すると、最終的に軸受１３５の破損に至り、転動体が脱落する等の事象が発生する。

このように、軸受１３５の損傷から破損に至る過程には段階があるが、その内容や程度によってセンサー２０からの情報が示すパラメータに変化が表れる。例えば、図４に示す実験例では、センサー２０は軸受１３５におけるトルクを測定する。図４の実験データが示すように、軸受１３５の回転速度が一定値に維持された状態で軸受１３５に対する給油を停止すると、センサー２０の測定値は一旦下がった後に急激に増加し、軸受１３５には焼き付きが発生する。また、図５に示す実験例では、センサー２０は軸受１３５の温度を測定する。図５の実験データが示すように、軸受１３５の回転速度が一定値に維持された状態で軸受１３５に対する給油を停止すると、センサー２０の測定値は特徴的なカーブで上昇し、軸受１３５には焼き付きが発生する。

図４及び図５に示したように、軸受１３５が損傷する際のセンサー２０の測定値には正常時とは異なる変化が表れる。したがって、軸受状態検知装置１０は、鉄道車両の実走行中に得られたセンサー２０の測定値を分析することで、軸受１３５の損傷に関する実態を検知する。図６は、本実施形態の軸受状態検知装置１０の内部構成を示すブロック図である。図６に示すように、軸受状態検知装置１０は、フィルタリング処理部１１と、実態解析部１３と、基準データ記憶部１５とを備える。

フィルタリング処理部１１は、センサー２０の測定値をフィルタリング処理して、軸受１３５によるパラメータ以外を除去する。すなわち、センサー２０の測定値には、軸受１３５の状態に係るパラメータだけでなく、電動機１１３又は車軸１１９等の他の構成要素によるパラメータも含まれる。本実施形態では、軸受１３５の損傷に関する実態を検知するため、軸受１３５以外の構成要素によるパラメータが除去される。

実態解析部１３は、フィルタリング処理された測定値を分析して、軸受１３５の損傷に関する実態を解析する。なお、分析処理には、軸受異常音デジタル解析システムとして開発された「ＡＣＯＵＳＮＡＶＩ」（登録商標）が用いられても良い。実態解析部１３は、鉄道車両の実走行時、軸受１３５が正常状態のときフィルタリング処理された測定値を分析した結果を、基準データとして基準データ記憶部１５に格納する。実態解析部１３は、フィルタリング処理した測定値の分析結果を基準データと比較して相違があれば、軸受１３５が損傷したと判定する。例えば、実態解析部１３は、軸受１３５以外の構成要素（小歯車１３１等）の振動が比較的少ない、鉄道車両の定速惰性走行時に、歯車装置１１１の軸受１３５近傍に設けられたセンサー２０から得られた振動測定信号を解析処理したデータ（例えば、実効値又は周波数パワースペクトル）を、所定の周波数帯域における正常時のデータと比較することにより、軸受１３５の異常を判定する。なお、所定の周波数帯域は、歯車装置１１１の特徴的周波数である。逆に、実態解析部１３は、当該比較を行って相違がなければ、軸受１３５は正常と判定する。

基準データ記憶部１５は、軸受１３５が正常状態のときフィルタリング処理された測定値を分析した結果である基準データを記憶する。なお、基準データは、鉄道車両が実走行時に得られたデータである。

本実施形態の軸受状態検知装置１０の効果を確認するため、損傷程度が軽い軸受と正常な軸受を実機駆動装置試験機１３０に組込み、比較検証試験を実施した。
図７は、本実施形態の軸受状態検知装置１０の効果を確認するための実機駆動装置試験機１３０の構成の概要を示す図である。同図において、実機駆動装置試験機１３０は、歯車装置（「駆動装置」ともいう）１１１ａと、モータ（電動機）１１３ａと、発電機１４０と、振動センサー２０ａとを備える。歯車装置１１１ａは、減速機として機能し、互いに噛合する小歯車（「ピニオン」ともいう）１３１ａと大歯車１３３ａを有する。小歯車１３１ａ及び大歯車１３３ａはそれぞれ平歯車である。歯車装置１１１ａは、小歯車１３１ａの軸を回転自在に支承する２つの軸受１３５ａ，１３５ｂと、大歯車１３３ａの軸を回転自在に支承する２つの軸受１４１ａ，１４１ｂとを有する。軸受１３５ａ，１３５ｂは、小歯車１３１ａを挟むように、その両側に配置されており、軸受１４１ａ，１４１ｂは、大歯車１３３ａを挟むように、その両側に配置されている。

軸受１３５ａ，１３５ｂ及び軸受１４１ａ，１４１ｂそれぞれのハウジング（図示略）は、歯車装置１１１ａの筐体に固定されている。軸受１３５ａ，１３５ｂによって、小歯車１３１ａの軸の振れ回りが防止され、軸受１４１ａ，１４１ｂによって、大歯車１３３ａの軸の振れ回りが防止される。モータ１１３ａの回転力は、歯車装置１１１ａの小歯車１３１ａに伝達される。小歯車１３１ａに伝達されたモータ１１３ａからの回転力は、大歯車１３３ａを介して発電機１４０に伝達される。したがって、モータ１１３ａが動作することで、発電機１４０から電力が発生する。振動センサー２０ａは、上述したセンサー２０に相当するもので、歯車装置１１１ａの軸受１３５ａ，１３５ｂ近傍に設けられている。振動センサー２０ａは、軸受１３５ａ，１３５ｂにおけるつば焼、ポケット摩耗、保持器（軸受を構成する部品の１つで、複数の転動体を一定間隔で保持するもの）の振れ回り等に起因する振動の検出に用いられる。振動センサー２０ａの測定値が軸受状態検知装置１０に入力される。

この比較検証試験では、例えば軸受１３５ｂを損傷程度の軽い軸受とし、軸受１３５ａを正常な軸受としている。また、回転数を実機３２０ｋｍ／ｈの走行に相当する５６８０ｍｉｎ^−１とし、軸受への負荷（トルク）を７３６Ｎ・ｍとした条件で試験を実施した。なお、軸受１４１ａ，１４１ｂは、双方とも正常品であるとする。

図８は、実機駆動装置試験機１３０における軸受損傷時の振動解析結果を示す図である。同図において、（ａ）は、損傷品の軸受１３５ｂと正常品の軸受１３５ａそれぞれにおける強度（振動レベル［ｄＢ］）を示す図であり、横軸が周波数［Ｈｚ］、縦軸が強度［ｄＢ］である。なお、軸受の振動解析には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を用いた。正常品の軸受１３５ａでは、その強度［ｄＢ］が実線で示す波形となった。損傷品の軸受１３５ｂでは、その強度［ｄＢ］が鎖線で示す波形となった。また、図８の（ｂ）は、振動解析における各処理（フィルタリング処理、絶対値検波処理、包絡検波処理）を示す。また、図８の（ｃ）は、損傷品の軸受１３５ｂの振動解析結果を示す図であり、横軸が周波数［Ｈｚ］、縦軸が強度［ｄＢ］である。

軸受１３５ｂのつば焼けに起因する軸受損傷の兆候として、特定の周波数帯域ｆｗで強度（振動レベル［ｄＢ］）に大きな差が生じる（図８の（ａ））。また、フィルタリング処理、絶対値検波処理及びエンベロープ処理（包絡検波処理）した振動解析では、軸受１３５ｂの保持器（複数の転動体を一定間隔で保持するもの）の公転周期に起因する特徴周波数「ｆｃ」が一定間隔で検出された（図８の（ｃ））。さらに、つば焼けの程度により、軸受１３５ｂの外輪に起因する特徴周波数成分である「Ｚｆｃ成分」も見られた（図８の（ｃ））。

また、ポケット摩耗（保持器の転動体を収容する部分）に起因する軸受損傷の兆候としては、保持器の公転周期である特徴周波数成分「ｆｃ」が現れたが、その強度は弱く、またその数（「ｆｃ」の数）も少なかった。

また、ポケット摩耗が進行し、保持器と保持器が振れ回るような状態である軸受損傷の状態においては、保持器の外径面と軸受外輪内径面が接触し、外輪に起因する特徴周波数成分である「Ｚｆｃ」成分が顕著に現れた。

図９は、軸受における傷の位置と特定周波数成分［Ｈｚ］との関係を示す図である。同図において、振動発生に起因する位置が内輪にある場合、特定周波数成分［Ｈｚ］は、Ｚｆｉで示す数式で表され、振動発生に起因する位置が外輪にある場合、特定周波数成分［Ｈｚ］は、Ｚｆｃで示す数式で表され、振動発生に起因する位置が転動体にある場合、特定周波数成分［Ｈｚ］は、２ｆｂで示す数式で表される。ここで、Ｚ：転動体の数、ｆｒ：内輪回転速度［Ｈｚ］、ｆｃ：保持器回転速度［Ｈｚ］、ｆｉ＝ｆｒ−ｆｃ、ｆｂ：転動体自転速度［Ｈｚ］、ｄｍ：ピッチ円直径、Ｄａ：転動体直径、α：接触角である。

上述のように、振動センサー２０ａでの検知にて、ＦＦＴ振動解析処理、フィルタリング処理及び絶対値検波処理を行った後、エンベロープ処理した振動解析を行うことで、軸受１３５ｂのつば焼け、軸受１３５ｂの保持器のポケット摩耗、軸受１３５ｂの保持器の振れ回り等の異常を検知可能と確認した。また、小歯車１３１ａと大歯車１３３ａかみ合いによる発生周波数は計算可能であるので、あらかじめこの発生周波数を対象から除外することで、それぞれの振動特徴から、どのような起因（つば焼け、ポケット摩耗、保持器の振れ回り）により損傷に進行していくかの予兆判断が可能と確認した。

以上説明したように、本実施形態の軸受状態検知装置１０は、鉄道車両の実走行中に得られたセンサー２０からの情報に基づいて、軸受１３５の損傷に起因するパラメータの変化の有無を判定することによって、軸受１３５の損傷に関する実態を検知する。このように、軸受１３５の異常に係る予兆診断を行うため、軸受１３５の異常状態を迅速かつ高精度に検知できる。その結果、時間的なロスがなく高効率及び低コストを実現可能なメンテナンスを実現でき、さらには最適な鉄道車両の運行制御を実現できる。また、軸受１３５が破損に至る前段階での損傷の可能性を検知できるため、定期メンテナンス前の早い段階での処置が可能となる。したがって、軸受１３５を含む歯車装置１１１の安全性及び信頼性の向上に大きく寄与できる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、又は本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。

１０軸受状態検知装置
１１フィルタリング処理部
１３実態解析部
１５基準データ記憶部
２０センサー
１１１歯車装置
１１３電動機
１１５台車枠
１１７継手
１１９車軸
１２１車輪
１２３軸受
１３１小歯車
１３３大歯車
１３５軸受

Claims

鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する軸受状態検知装置であって、
前記鉄道車両が実走行時に測定された、前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報に基づいて、前記軸受の損傷に関する実態を検知し、
前記鉄道車両が実走行時に測定された情報から前記軸受以外の構成要素によるパラメータを除去するフィルタリング処理部と、
前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析して、前記軸受の損傷に関する実態を解析する実態解析部と、を備え、
前記フィルタリング処理部は、前記軸受以外の構成要素によるパラメータとして、風や温度を含む環境要因及び線路状態による要因を含むパラメータを除去することを特徴とする軸受状態検知装置。
前記実態解析部は、前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析した結果を、前記軸受が正常状態のときに前記フィルタリング処理部によって処理された情報を分析した結果と比較して、前記軸受の損傷の有無を判別することを特徴とする請求項１に記載の軸受状態検知装置。
前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報は、前記歯車装置の前記軸受近傍に設置されたセンサーの測定値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受状態検知装置。
前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報は、振動、温度、トルク、変位、ＡＥ（Acoustic Emission）及び回転速度の少なくともいずれか一つの情報であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受状態検知装置。
鉄道車両の台車を構成する歯車装置の軸受の状態を検知する軸受状態検知方法であって、
前記鉄道車両が実走行時に測定された、前記軸受の状態に係るパラメータを含む情報に基づいて、前記軸受の損傷に関する実態を検知し、
前記鉄道車両が実走行時に測定された情報から前記軸受以外の構成要素によるパラメータを除去し、
除去後の情報を分析して、前記軸受の損傷に関する実態を解析し、
前記軸受以外の構成要素によるパラメータは、風や温度を含む環境要因及び線路状態による要因を含むパラメータであることを特徴とする軸受状態検知方法。