JP7181934B2 - 鉄道車両の車軸の角速度を決定するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、鉄道車両の車軸の角速度をモニターするためのシステム及びセンサの分野に関し、特に本発明は、鉄道車両の車軸の角速度を決定するためのシステム及びその方法に関する。

列車に搭載されて通常使用される既知のシステム及び方法では、車軸の角速度ωを測定するために、少なくとも１つの歯付きフォニックホイールが車軸と一体で設けられ、センサの前のフォニックホイールの歯の通過周波数を検出するのに適したセンサ（スピードセンサ）が設けられる。

センサの前の連続する２つの歯の通過間の時間間隔は、「歯周期」（Ｔtooth）と呼ばれるかもしれない。フォニックホイールを構築する歯の数は、Ｎteethと呼ばれるかもしれない。

ＴtoothとＮteethとを乗算することで、フォニックホイールの回転周期が得られ、それは車軸及び車輪の回転周期である。
Ｔwheel＝Ｔtooth＊Ｎteeth

車輪の角速度ωは、次の関係によってその回転周期からスタートして計算される。
ωruota ＝ ２π／Ｔruota

不利なことに、そのようなシステムは、車軸の角速度を検出する目的で専ら使用される専用の（特別の）部品を必要とする。これらの部品は、フォニックホイール、センサ、電子機器及び収集ソフトウェア、電磁雑音（センサの周波数測定を歪ますことが可能なノイズ）からシールドされた一連の電気配線を設ける。これらの部品は、コスト及び設置時間に関する欠点と共に、車軸の角速度を検出する唯一の目的のために使用される。

さらに、従来技術では、車軸の変形からスタートして車輪とレールとの間の接点力を推定するために、鉄道車両の車軸及び／又は車輪に、一若しくは複数の歪みゲージ（様々な形態において、例えばフルホイートストンブリッジ、「ハーフブリッジ」、「クオーターブリッジ」）を装着している。

現在では、車輪－レールの接点力の推定は、基礎構造及び車両の、並びにメンテナンス及び／又は修正介在における関連のスケジューリングのモニタリングを、その唯一の主な目的としてある（図４におけるブロック図で説明されるように）。

したがって、現在、鉄道車両の車軸及び／又は車輪に１つ以上の歪みゲージの装着を提供する既知のシステム及びプロセスは、１つ以上の歪みゲージによってなされた測定を使用して車軸の角速度及びよって車両の移動速度を決定する可能性を提供しない。

したがって本発明の目的は、専用で追加の角速度センサを使用することなく、車軸の角速度の測定、及びよって車両の移動速度の計算を可能にすることである。

この結果を得るために、鉄道車両の車軸の角速度を決定するためのシステムが提案されている。

このシステムは、鉄道車両の車軸に連結された変形検出回路を備える。この変形検出回路は、車軸によってレールに与えられた垂直荷重値に起因する車軸の撓み変形値の経時的な傾向を検出するために設けられる。

角速度値を決定するためのシステムは、さらに、変形検出回路によって検出される車軸の撓み変形値の時間的傾向から得られた周波数の関数としての車軸の角速度を推定するために構成された制御手段を備える。

上述の及び他の目的並びに利点は、発明の態様により、請求項１に規定された特徴を有する鉄道車両の車軸の角速度を決定するシステムによって、及び、請求項８に規定された特徴を有する鉄道車両の車軸の角速度を決定する方法によって、達成される。発明の好ましい実施形態は、従属請求項に規定されている。

図１は、変形検出回路がつながれた鉄道車両の軸を示す。 図２は、列車の移動の間、撓み変形にさらされた変形検出回路によって生成された信号を例示で示したものである。 図３Ａは、変形検出回路が車軸の下部面（下側部）に置かれ、負荷力が伸び変形を生じる場合を例示で示したものである。 図３Ｂは、変形検出回路が車軸の上表面（上側部）に置かれ、負荷力が圧縮変形を生じる場合を例示で示したものである。 図４は、従来技術により実施されたシステムによって通常行なわれるステップを説明したブロック図を示す。

発明による鉄道車両の車軸の角速度を決定するためのシステム及び方法のいくつかの好ましい実施形態における機能的及び構造的な特徴が記述されるだろう。添付の図面が参照される。

発明の複数の実施形態を詳細に説明する前に、発明は、その適用において、以下に記述された又は図面において図示された構成部分の詳細な構造及び構成に限定されないということに注意すべきである。本発明は、他の実施形態を取ることができ、異なる方法において実施又は実質的に実行可能である。また、表現及び用語は、説明を含む目的を有しており、制限するものとして解釈されるべきでないことはさらに理解されるべきである。「含む（include）」及び「備える（comprise）」並びにそれらの変形語は、追加の要素及びその等価物と同様に、以後に引用される要素及びその等価物を包含するように意図されている。

さらに、本明細書及び請求範囲の全体にわたって、「長手（前後）の」、「横の」、「鉛直の」あるいは「水平の」のような、位置及び配向を示す用語及び表現は、列車の走行方向を参照するものである。

初めに図１を参照し、発明による、鉄道車両の角速度を決定するためのシステムに属する変形検出回路１０がつながれる鉄道車両の車軸が例示によって図示されている。

発明の第１実施形態では、鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定するためのシステムは、鉄道車両の車軸１に連結された変形検出回路１０を備える。

変形検出回路１０は、鉄道車両の車軸１につながれ、車軸によってレールに及ぼされた垂直荷重値に起因する車軸１の撓み変形値の経時的な傾向を検出するために設けられる。

鉄道車両の角速度Ｖωを決定するシステムは、さらに、変形検出回路１０によって検出された車軸１の撓み変形値の経時的傾向に由来する周波数ｆの関数としての車軸の角速度値Ｖωを推定するために設けられる制御手段を備える。

半径Ｒを有する２つの車輪が車軸１につながれているという事実からスタートして、制御手段は、さらに、車軸の角速度Ｖωの値を、車輪の半径Ｒにより鉄道車両の接線速度Ｖtangの値に変換するように構成されてもよい。

変形検出回路１０によって検出された車軸１の撓み変形値の経時的な傾向から得られる周波数ｆの関数として車軸の角速度Ｖωを推定するために使用される式は、例えば以下のものであってもよい。即ち、
Ｖω＝２＊π＊ｆ

車軸の角速度値Ｖωを接線速度値Ｖtangへ変換するために使用される式は、例えば以下のものであってもよい。即ち、
Ｖtang＝Ｖω＊車輪の半径

制御手段は、例えば、変形検出回路１０に局所的に近接して、又は変形検出回路１０に直接に配置されてもよい。あるいはまた制御手段は、車両に搭載された他の制御ユニットにおいて、又は鉄道車両に対する遠隔制御ステーションにおいて、変形検出回路１０に対して遠隔に配置されてもよい。したがって制御手段は、特別の配線を介して、あるいは無線接続のいずれかを介して変形検出回路からデータを受信することができる。

制御手段は、必ずではないが、例えば、制御ユニット、プロセッサー、あるいはマイクロコントローラであってもよい。

図２に関して、撓み変形にさらされたときに変形検出回路１０によって生成された信号からスタートして、鉄道車両の移動の間、鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定するシステムは、車両の接線速度Ｖtangを推定可能であってもよい。

変形検出回路１０は、少なくとも１つの歪みゲージセンサ手段及び／又は少なくとも１つの圧電センサ手段を備えてもよい。

歪みゲージセンサ手段あるいは圧電センサ手段は、車軸１と平行に配置されてもよい。

歪みゲージセンサ手段及び／又は圧電センサ手段は、また、測定の精度を増すように２つ以上であってもよい。

車両が静止した状態で、車軸の撓み変形は、車軸自体における車両の静荷重と関連付けられる。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、変形検出回路１０が車軸１の上表面（上側部）に置かれる場合、負荷力は、圧縮変形を生成する。変形検出回路１０が車軸の下表面（下側部）に置かれる場合、負荷力は、伸び変形を生成する。

鉄道車両が移動しているとき、車軸１の回転は、車軸１と永久に関連付けられている変形検出回路１０を、車軸１の上表面（上側部）にあることから車軸の下表面（下側部）にあることに周期的に切り替えさせるだろう。

その後、鉄道車両の走行の間、変形検出回路１０からの出力信号（鉛直力Ｆvertに起因する）は、ゼロに等しい平均値、車両車軸の回転数と等しい周波数ｆ、及び車軸がさらされる（「振動（jolts）」）曲げ応力に比例した振幅、を有する正弦波型になるだろう。

図２に図示されるように、Ｔは、変形検出回路１０からの出力信号の１周期の例である。周波数ｆは、周期Ｔの逆数に相当するだろう。この周期Ｔは、鉄道車両の速度によって変化する。

車軸１の撓み変形値の時間的傾向を示す、変形検出回路１０からの出力信号の周波数ｆは、車軸の角速度値Ｖωを推定するために使用することができる周波数ｆである。

この信号の加工は、車軸の角速度Ｖωを推定するために使用することができ、したがって、車輪半径が既知なので、鉄道車両の接線速度Ｖtangの推定に使用することができる。

言い換えれば、制御手段は、変形検出回路１０によって検出された車軸１の撓み変形値の時間的傾向から得られる周波数ｆによる鉄道車両の及び車輪半径Ｒの接線速度Ｖtangを決定するように構成されてもよい。

本発明はまた、鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定する方法に関し、該方法は、次のステップ、即ち、
－ 車軸によってレールに及ぼされた垂直荷重の値に起因した車軸１の撓み変形値の経時的な傾向を検出すること、
－ 車軸１の撓み変形の検出された値の経時的な傾向に由来した周波数ｆの関数として車軸の角速度Ｖωの値を推定すること、
を備える。

更に、車軸１において半径Ｒを有する２つの車輪がつながれているという仮定からスタートして、鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定するプロセスは、さらに次のステップ、即ち、
－ 車軸の角速度Ｖωの値を、車輪の半径Ｒの関数としての鉄道車両の接線速度Ｖtangの値に変換すること、
を備えてもよい。

また、鉄道車両の車軸の角速度を決定するプロセスに関して、変形検出回路１０によって検出された、車軸１の撓み変形値の経時的傾向から得られる周波数ｆの関数として車軸の角速度値Ｖωを推定するために使用される式、及び、車軸の角速度値Ｖωを接線速度値Ｖtangに変換するために使用される式は、鉄道車両の車軸の角速度の決定用のシステムに関して例えば上述したものであってもよい。

達成される利点は、変形検出回路の使用により、車軸の撓み変形からスタートして、鉄道車両の車軸の角速度の推定を可能にすることである。

発明により鉄道車両に関して、鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定するシステムの、及び鉄道車両の車軸の角速度Ｖωを決定する方法の、種々の態様及び実施形態が記述された。それぞれの実施形態は、他の実施形態と組み合わされてもよいことが理解される。さらに発明は、記述された実施形態に制限されず、添付した請求範囲によって規定される権利範囲内で変更されてもよい。

Claims (9)

1. 鉄道車両の車軸（１）の角速度（Ｖω）を決定するシステムであって、
   － 鉄道車両の車軸（１）につながれた変形検出回路（１０）と、ここで該変形検出回路（１０）は、車軸によってレールに及ぼされた垂直荷重値に起因する車軸（１）の撓み変形値の経時的傾向を検出するように構成されている、
   － 変形検出回路（１０）によって検出された車軸（１）の撓み変形値の経時的傾向から得られる周波数ｆの関数として車軸の角速度値（Ｖω）を推定するように構成された制御手段と、
   を備えた、システム。
2. 半径（Ｒ）を有する２つの車輪は、車軸（１）につながれ、制御手段は、さらに、車軸の角速度値（Ｖω）を、車輪の半径（Ｒ）にしたがい鉄道車両の接線速度値（Ｖtang）に変換するように構成されている、請求項１に記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
3. 変形検出回路（１０）によって検出された車軸（１）の撓み変形値の経時的傾向から得られる周波数ｆの関数として車軸の角速度値（Ｖω）を推定するために使用される式は、
   Ｖω＝２＊π＊ｆ
   である、請求項１又は２に記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
4. 車軸の角速度値（Ｖω）を、鉄道車両の接線速度値（Ｖtang）に変換するために使用される式は、
   Ｖtang＝Ｖω＊車輪の半径
   である、請求項１から３のいずれかに記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
5. 変形検出回路（１０）は、少なくとも１つの歪みゲージセンサ手段を備える、請求項１から４のいずれかに記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
6. 変形検出回路（１０）は、少なくとも１つの圧電センサ手段を備える、請求項１から５のいずれかに記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
7. 歪みゲージセンサ手段あるいは圧電センサ手段は、車軸（１）と平行に配置されている、請求項５又は６に記載の、鉄道車両の車軸の角速度（Ｖω）を決定するシステム。
8. 鉄道車両の車軸（１）の角速度値（Ｖω）を決定する方法であって、
   － 車軸によってレールに及ぼされた垂直荷重値に起因する車軸（１）の撓み変形値の経時的傾向を検出すること、
   － 検出された車軸（１）の撓み変形値の経時的傾向から得られる周波数ｆの関数としての車軸の角速度値（Ｖω）を推定すること、
   を備えた、方法。
9. 半径（Ｒ）を有する２つの車輪は車軸（１）につながれ、当該方法は、さらに、
   － 車軸の角速度値（Ｖω）を、車輪の半径（Ｒ）の関数としての接線速度値（Ｖtang）に変換することを備えた、請求項８に記載の、鉄道車両の車軸の角速度値（Ｖω）を決定する方法。

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