JPH09243518A - 車両車軸の疲労監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】車軸疲労状態の評価、疲労損傷発生に至るまで
の余寿命推定、及び定期検査時の保守実施判定を行うこ
とが可能となる車両車軸の疲労監視装置を得る。 【解決手段】走行中の車両の車軸１の応力をセンサ２で
計測した中から１の疲れ限界より大きいデータを抽出す
るフィルタリング手段３１、該抽出データを所定期間入
力し、該入力毎に抽出した応力振幅値を累積加算する計
算手段３２、１と同類の車軸に関する過去の走行で生じ
た疲労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生するまでに
作用した応力振幅値累積値の疲労損傷の発生確率データ
を格納したデータベース３３、該疲労損傷の発生確率デ
ータ上での許容不可能な疲労損傷の発生確率の下限値を
与える応力振幅値の累積値から、３２で計算した応力振
幅値の累積値を減算し、該減算値が零又は負値である場
合、１の疲労余裕はなしと評価する評価手段３４を具備
したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両等の走行
中の車軸に作用した変動応力（ストレス）の時間累積を
監視することで車軸疲労の程度の評価、疲労損傷発生に
至るまでの余寿命推定、及び定期検査時の保守実施判定
を行うことが可能な車両車軸の疲労監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄道車両車軸の保守は時間基準保
全が主である。保全周期が車両の走行距離、走行時間で
あらかじめ定められ、その周期で保守検査を行ってい
る。車両の保守検査では、解体検査（台車からの車軸の
取り外し）で疲労による損傷を検査するための非破壊検
査技術として超音波や磁気を使用した探傷検査（超音波
探傷検査、磁気探傷検査など）が行われている。

【０００３】この時間基準保全の保守検査周期は車軸の
疲労状態に関わらず、定めた周期で検査を行うので、異
常がないのに検査時間を費やすことが多い。すなわち、
異常有無に関わらず検査するという過剰検査が多くなる
ので、不要な検査コストがかかるとともに、保守時間も
長くなる。

【０００４】この時間基準保全の欠点を改善する保全方
式に状態基準保全の考えがある。状態基準保全は、設備
の状態（機能、特性など）を監視し、その状態監視から
設備異常の兆候を早期に検知し、設備の故障を回避する
ための保全を事前に行う（予防保全とも言う）。

【０００５】この状態基準保全では、異常の兆候を検知
して、はじめて保守を実施するので、過剰な保守がなく
なり、検査コストの低減及び車両稼働率の向上を図るこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】鉄道車両車軸の疲労破
壊は車軸に疲労損傷（疲れ亀裂）が発生し、それが成長
して破壊に至るものである。車軸に疲労損傷が発生すれ
ば早急に補修するか交換しなければならない。よって、
車軸の疲労破壊に対しては、疲労損傷を早期に検知し、
予防保全を実施することが重要である。

【０００７】通常、状態基準保全では、設備異常のシグ
ナルが物理的に現れる設備内部信号または外部出力信号
を状態監視の対象とする。これを車軸の疲労保全に適用
しようとすると監視対象となる状態量は車軸の振動信号
などが考えられる。

【０００８】しかし、微少な疲労損傷を振動データなど
から検知する精度が得られない現状において、状態監視
するために他の状態量（監視指標）が必要になる。そこ
で本発明は、走行中の車軸に作用する変動応力（ストレ
ス）に着目し、このストレスの累積作用状態を監視（監
視指標）し、疲労損傷発生を発生確率でとらえ、車軸疲
労状態の評価、疲労損傷発生に至るまでの余寿命推定、
及び定期検査時の保守実施判定を行うことが可能となる
車両車軸の疲労監視装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
請求項１に対応する発明は、走行中の車両の車軸に作用
する応力振幅値のデータを計測する応力計測手段と、前
記応力計測手段で計測した応力振幅値の中から前記車軸
の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つ応力データを抽
出するフィルタリング手段と、前記フィルタリング手段
で抽出した応力データを所定期間入力し、該入力毎に、
前記抽出した応力振幅値を累積加算して応力振幅値の累
積値データを計算する累積応力計算手段と、前記車軸と
同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲労損傷の発
生確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用した応力振
幅値の累積値」の発生確率データを格納した疲労損傷デ
ータベースと、前記疲労損傷データベースからの疲労損
傷の発生確率データを入力し、前記疲労損傷の発生確率
データ上での許容不可能な疲労損傷の発生確率の下限値
を与える応力振幅値の累積値と、前記累積応力計算手段
で計算した前記応力振幅値の累積値とを比較して前記車
軸の疲労度を評価する疲労余裕評価手段とを具備した車
両車軸の疲労監視装置である。

【００１０】請求項１に対応する発明によれば、車軸に
作用するストレスの累積状況（応力振幅値の累積値）を
監視することにより、任意の累積走行距離における「車
軸疲労の程度」を評価することが可能になる。

【００１１】前記目的を達成するため請求項２に対応す
る発明は、走行中の車両の車軸に作用する応力振幅値の
データを計測する応力計測手段と、前記応力計測手段で
計測した応力振幅値の中から前記車軸の疲れ限界より大
きい応力振幅値を持つ応力データを抽出するフィルタリ
ング手段と、前記フィルタリング手段で抽出した応力デ
ータを所定期間入力し、該入力毎に、前記抽出した応力
振幅値を累積加算して応力振幅値の累積値データを計算
する累積応力計算手段と、前記車軸と同類の車軸に関す
る「過去の走行で生じた疲労損傷の発生確率と前記疲労
損傷が発生するまでに作用した応力振幅値の累積値」の
発生確率データを格納した疲労損傷データベースと、前
記疲労損傷データベースからの疲労損傷の発生確率デー
タを入力し、前記疲労損傷の発生確率データ上での許容
不可能な疲労損傷の発生確率の下限値を与える応力振幅
値の累積値と、前記累積応力計算手段で計算した前記応
力振幅値の累積値とを比較して前記車軸の疲労度を評価
する疲労余裕評価手段と、前記累積応力計算手段で計算
した応力振幅値の累積値の履歴データを格納する応力履
歴データベースと、前記応力履歴データベースに格納さ
れた前記履歴データと、前記疲労余裕評価手段で評価し
た結果とを入力し、前記履歴データの増加率を計算し、
該履歴データの増加率に伴って前記車軸の応力振幅値の
累積値が増加していくと仮定し、該仮定により、現在の
前記車軸の疲労余裕がなくなるまでの前記車軸の余寿命
を推定する余裕寿命推定手段とを具備した車両車軸の疲
労監視装置である。

【００１２】請求項２に対応する発明によれば、車軸に
作用するストレスの累積状況（応力振幅値の累積値）を
監視することで、任意の累積走行距離において、「車軸
疲労損傷の余寿命」を推定することが可能になる。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、前記疲労余裕評価手段は、前記疲労損傷デ
ータベースからの疲労損傷の発生確率データを入力し、
前記疲労損傷の発生確率データ上での許容不可能な疲労
損傷の発生確率の下限値を与える応力振幅値の累積値か
ら、前記累積応力計算手段で計算した前記応力振幅値の
累積値を減算し、該減算値が正値の場合、「前記車軸は
前記減算値分の疲労余裕がある」とし、前記減算値が零
又は負値である場合、「前記車軸の疲労余裕はなし」と
評価するものである請求項１または請求項２記載の車両
車軸の疲労監視装置である。

【００１４】請求項３に対応する発明によれば、車軸に
作用するストレスの累積状況（応力振幅値の累積値）を
監視することにより、任意の累積走行距離における「車
軸疲労の程度」を評価することが可能になる。

【００１５】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、前記余寿命推定手段で推定した前記車両車
軸の定期検査時における余寿命データを入力し、前記定
期検査時から次回定期検査時までの推定余寿命を前記余
寿命から減算した値が負値である場合、「前記車両車軸
の保守が必要」と判定し、前記余寿命から前記推定余寿
命を減算した値が零または正値である場合、「前記車両
車軸の保守が不必要」と判定する保守判定手段とを具備
した請求項２記載の車両車軸の疲労監視装置である。

【００１６】請求項４に対応する発明によれば、定期検
査時における余寿命データを入力し、定期検査時から次
回定期検査時までの例えば推定累積走行距離から前記余
寿命を減算した値を計算するので、定期検査時での車軸
の余寿命を推定できる。また、請求項４に対応する発明
によれば、前記減算値が負値である場合、「前記車軸の
保守が必要」と判定し、前記減算した値が零または負値
である場合、「前記車軸の保守は不必要」と判定するの
で、車軸に作用するストレスの累積状況（応力振幅値の
累積値）を監視することで、定期検査時での疲労寿命の
推定値から保守実施の有無の判定ができる。

【００１７】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、走行中の車両の車軸に作用する応力振幅値
のデータを計測する応力計測手段と、前記応力計測手段
で計測した応力振幅値の中から前記車軸の疲れ限界より
大きい応力振幅値を持つ応力データを抽出するフィルタ
リング手段と、前記フィルタリング手段で抽出した応力
データの応力振幅値が前記車両車軸に繰り返し作用した
場合に前記車両車軸が疲労破壊するまでの前記繰り返し
回数であるサイクル寿命を求め、該サイクル寿命と前記
「抽出した応力データ」の応力振幅値と前記車軸の疲れ
限界の応力振幅値と前記疲れ限界を与える限界繰り返し
回数とから応力振幅値の重み値を演算し、前記重み値と
前記「抽出した応力データ」の応力振幅値との積値を計
算（重み付け）する重み付け手段と、前記重み付け手段
で重み付けした応力振幅値の累積値を計算する累積応力
計算手段と、前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走
行で生じた疲労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生す
るまでに作用した重み付けした応力振幅値の累積値」の
発生確率データを格納した疲労損傷データベースと、前
記累積応力計算手段で計算した重み付けした応力振幅値
の累積値データと前記疲労損傷データベースから疲労損
傷の発生確率データとを入力し、前記疲労損傷の発生確
率データ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」の
下限値を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」と
前記「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力振
幅値の累積値」とを比較して前記車軸の疲労度を評価す
る疲労余裕評価手段とを具備した車両車軸の疲労監視装
置である。

【００１８】請求項５に対応する発明よれば、累積応力
計算手段において、重み付け手段で重み付けした応力振
幅値を逐次入力し、入力毎に、「重み付けした応力振幅
値」を逐次加算することで、重み付けした応力振幅値の
累積値を計算するので、重み付けしない場合より、車軸
疲労損傷に与える影響因子としては強い相関を与える指
標（重み付けした応力振幅値の累積値）を提供でき、車
軸と同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲労損傷
の発生確率と疲労損傷が発生するまでに作用した重み付
けした応力振幅値の累積値」の確率統計データ（フィー
ルド統計データ）を格納した疲労損傷データベースを装
備することで、フィールドで過去発生した車軸の疲労損
傷事例をデータとして使用でき、累積応力計算手段で計
算した重み付けした応力振幅値の累積値データを入力
し、疲労損傷データベースから疲労損傷の発生確率デー
タを入力し、前記疲労損傷の発生確率データ上での許容
不可能な「疲労損傷の発生確率」の下限値を与える「重
み付けした応力振幅値の累積値」から前記「応力累積計
算手段で計算した重み付けした応力振幅値の累積値」を
減算するので、疲労損傷するまでに（設定した発生確率
に至るまでに）、受けることが可能なストレス総量（残
「重み付けした応力振幅値の累積量」）を定量化するこ
とが可能になる。

【００１９】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、走行中の車両の車軸に作用する応力振幅値
のデータを計測する応力計測手段と、前記応力計測手段
で計測した応力振幅値の中から前記車軸の疲れ限界より
大きい応力振幅値を持つ応力データを抽出するフィルタ
リング手段と、前記フィルタリング手段で抽出した応力
データの応力振幅値が前記車両車軸に繰り返し作用した
場合に前記車両車軸が疲労破壊するまでの前記繰り返し
回数であるサイクル寿命を求め、該サイクル寿命と前記
「抽出した応力データ」の応力振幅値と前記車軸の疲れ
限界の応力振幅値と前記疲れ限界を与える限界繰り返し
回数とから応力振幅値の重み値を演算し、前記重み値と
前記「抽出した応力データ」の応力振幅値との積値を計
算（重み付け）する重み付け手段と、前記重み付け手段
で重み付けした応力振幅値の累積値を計算する累積応力
計算手段と、前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走
行で生じた疲労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生す
るまでに作用した重み付けした応力振幅値の累積値」の
発生確率データを格納した疲労損傷データベースと、前
記累積応力計算手段で計算した重み付けした応力振幅値
の累積値データと前記疲労損傷データベースから疲労損
傷の発生確率データとを入力し、前記疲労損傷の発生確
率データ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」の
下限値を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」と
前記「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力振
幅値の累積値」とを比較して前記車軸の疲労度を評価す
る疲労余裕評価手段と、前記累積応力計算手段で計算し
た「重み付けした応力振幅値の累積値」の履歴データを
格納する応力履歴データベースと、前記応力履歴データ
ベースに格納された前記履歴データと前記疲労余裕評価
手段で評価した結果とを入力し、前記車両車軸の余寿命
を推定する余寿命推定手段とを具備した車両車軸の疲労
監視装置である。

【００２０】請求項６に対応する発明によれば、請求項
５の作用に加えて次のような作用が得られる。すなわ
ち、応力履歴データベースを装備するので、応力履歴を
データとして随時使用できる。余寿命推定手段を装備す
るので、未来の累積走行距離でのストレス累積状況（重
み付けした応力振幅値の累積値）の予測が過去の傾向の
みから容易に決定できる。この結果、監視する「重み付
けした応力振幅値の累積値」が重み付けしない場合よ
り、車軸疲労損傷発生と強い相関があるので、請求項２
の車軸余寿命推定装置より精度の高い余寿命推定が可能
になる。

【００２１】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、前記疲労余裕評価手段は、前記累積応力計
算手段で計算した重み付けした応力振幅値の累積値デー
タを入力し、前記疲労損傷データベースから疲労損傷の
発生確率データを入力し、前記疲労損傷の発生確率デー
タ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」の下限値
を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」から前記
「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力振幅値
の累積値」を減算し、該減算値が正値の場合、「前記車
軸は前記減算値分の疲労余裕がある」とし、前記減算値
が零又は負値である場合、「前記車軸の疲労余裕はな
し」と評価するものである請求項５または請求項６記載
の車両車軸の疲労監視装置である。

【００２２】請求項７に対応する発明によれば、前記疲
労余裕評価手段の出力である減算値が正値の場合、「前
記車軸は前記減算値分の疲労余裕がある」とし、減算値
が零又は負値である場合、「前記車軸の疲労余裕はな
し」と評価するので、車軸に作用するストレスの累積状
況（重み付けした応力振幅値の累積値）を監視すること
で、任意の累積走行距離における「車軸疲労の程度」を
評価することが可能になる。

【００２３】前記目的を達成するため、請求項８に対応
する発明は、前記余寿命推定手段で推定した前記車両車
軸の定期検査時における余寿命データを入力し、前記定
期検査時から次回定期検査時までの推定累積走行距離を
前記余寿命から減算した値が負値である場合、「前記車
両車軸の保守が必要」と判定し、前記余寿命から前記推
定累積走行距離を減算した値が零または正値である場
合、「前記車両車軸の保守が不必要」と判定する保守判
定手段とを具備した請求項６記載の車両車軸の疲労監視
装置。

【００２４】請求項８に対応する発明によれば、請求項
６の作用に加えて次のような作用が得られる。すなわ
ち、保守判定手段を装備するので、監視する「重み付け
した応力振幅値の累積値」が重み付けしない場合より、
車軸疲労損傷発生と強い相関があるので、請求項３の車
軸保守支援装置より精度の高い保守判定が可能になる。

【００２５】前記目的を達成するため、請求項９に対応
する発明は、請求項１〜請求項８のいずれかに記載のフ
ィルタリング手段として、前記応力計測手段で計測した
応力振幅値の中であって予め設定した前記入力データ数
毎に、前記データ数分の中で最大の応力振幅値を持ち、
且つ、前記車軸の疲れ限界より大きい応力のデータを抽
出するものを用いるようにした車両車軸の疲労監視装置
である。

【００２６】請求項９に対応する発明によれば、請求項
１〜８のいずれかに記載のフィルタリング手段を変更す
ることにより、請求項１〜８の作用に加えて次のような
作用が得られる。すなわち、該フィルタリング手段に置
き換えるので、車軸疲労損傷に最も影響力の大きい応力
にだけを抽出し、車軸の疲労評価、車軸の余寿命の推
定、車軸の保守判定のいずれかを行うことができる。

【００２７】前記目的を達成するため、請求項１０に対
応する発明は、請求項５、請求項６、請求項８のいずれ
かに記載の重み付け手段として、車軸の疲れ限界を与え
る限界繰り返し回数を前記車軸疲労評価装置のフィルタ
リング手段で抽出し応力振幅値のサイクル寿命で除算
し、前記除算した値を前記「抽出した応力振幅値」の重
み値とし、前記重み値と前記「抽出した応力振幅値」と
の積値を計算（重み付け）するものを用いるようにした
車両車軸の疲労監視装置である。

【００２８】請求項１０に対応する発明によれば、請求
項５、請求項６、請求項８のいずれかに記載の重み付け
手段を変更することにより、請求項５，６，８の作用に
加えて次のような作用が得られる。すなわち、サイクル
寿命で重み付けした応力振幅値を監視し、車軸の疲労評
価、車軸の余寿命の推定、車軸の保守判定のいずれかを
行うことができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明するが、始めに実施形態の説明に使用する用語「疲
れ限界」、「疲労余裕」、「同類の車軸」についてその
意味する点を明らかにしておく。

【００３０】「疲れ限界」の意味 車軸に繰り返し応力が生じると、車軸は疲労し、最終的
には疲労破壊に至る。この場合、いくら繰り返し作用し
ても疲労破壊しない応力振幅値の上限値を疲れ限界と言
う。

【００３１】「疲労余裕」の意味 変動応力が作用した車軸に疲労破壊初期現象である疲労
損傷（疲れ亀裂）が発生するまでに、今後、作用するこ
とが可能な応力振幅値の累積値を「疲労損傷するまでの
疲労の余裕」と定義し、これを該明細書では車軸の疲労
余裕と呼ぶ。

【００３２】「車軸と同類の車軸」の意味 車軸の構成材料，寸法，用途が同じ種類の車軸のことで
ある。 ＜第１の実施形態＞ （第１の実施形態の構成）図１に示すように、走行中の
例えば鉄道車両の車軸１に作用する応力振幅値のデータ
を逐次計測する応力計測手段例えばセンサ２、センサ２
で計測した応力振幅値を入力し、概略以下のような構成
の車軸疲労評価装置で車軸の評価を行う。すなわち、セ
ンサ２で計測した応力振幅値の中から車軸１の疲れ限界
より大きい応力振幅値を持つ応力データを抽出するフィ
ルタリング手段３１と、該フィルタリング手段３１で抽
出した応力データを所定期間入力し、該入力毎に、前記
抽出した応力振幅値を累積加算して応力振幅値の累積値
データを計算する累積応力計算手段３２と、車軸１と同
類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲労損傷の発生
確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用した応力振幅
値の累積値」の発生確率データを格納した疲労損傷デー
タベース３３と、疲労損傷データベース３３からの疲労
損傷の発生確率データを入力し、疲労損傷の発生確率デ
ータ上での許容不可能な疲労損傷の発生確率の下限値を
与える応力振幅値の累積値から、累積応力計算手段３２
で計算した応力振幅値の累積値を減算し、該減算値が正
値の場合、「前記車軸は前記減算値分の疲労余裕があ
る」とし、前記減算値が零又は負値である場合、「前記
車軸の疲労余裕はなし」と評価する疲労余裕評価手段３
４とを具備した構成されている。

【００３３】すなわち、車軸疲労評価装置３は車両車軸
１に設置したセンサ２で逐次計測した車軸１に作用する
応力データ（ａ）を逐次入力し、入力した応力データ
（ａ）の中から車軸１の材料種別により決まる疲れ限界
より大きい応力振幅を持つ応力データ（ｂ）を抽出する
フィルタリング手段３１と、フィルタリング手段３１で
抽出した応力データ（ｂ）を逐次入力し、入力毎に、応
力（ｂ）の応力振幅値を逐次加算することで、応力振幅
値の累積値（ｃ）を計算する累積応力計算手段３２と、
車軸１と同類の車軸（後述する）において、過去の走行
で生じた疲労損傷の発生確率データ（ｄ）を格納した疲
労損傷データベース３３と、累積応力計算手段３２で計
算した応力振幅値の累積値（ｃ）データを入力し、疲労
損傷データベース３３から応力振幅値の累積値に対する
疲労損傷発生の確率データ（ｄ）を入力し、疲労損傷の
発生確率データ（ｄ）上での許容不可能な「疲労損傷の
発生確率」の下限値を与える応力振幅値の累積値から応
力振幅値の累積値（ｃ）を減算し、前記減算値が正値の
場合、「車軸１は前記減算値分の疲労余裕がある」と
し、前記減算値が零又は負値である場合、「車軸１の疲
労余裕はなし」と評価する疲労余裕評価手段３４とから
構成されている。

【００３４】このように構成されているので、以下の作
用効果が得られる。すなわち、センサ２で逐次計測され
る車軸１に作用する応力（垂直方向に作用する力）のデ
ータは、フィルタリング手段３１において逐次入力さ
れ、ここで応力振幅値（フィールド統計データ）の中か
ら車軸１の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つデータ
を抽出する。この抽出された応力振幅値のデータは、累
積応力計算手段３２で逐次加算される。この結果、走行
中の車軸１に作用する変動応力（発生時間、大きさにお
いて不確実なストレス）に対し、車軸１の疲労損傷に影
響を与える大きさを持つ応力のみを監視し、ストレスの
累積度合いを把握することが可能になる。

【００３５】疲労損傷データベースでは、車軸１と同類
の車軸に関する「過去の走行で生じた疲労損傷の発生確
率と、疲労損傷が発生するまでに作用した応力振幅値の
累積値」の確率統計データが格納されており、このため
フィールドで過去発生した車軸１の疲労損傷事例をデー
タとして使用できる。

【００３６】また、疲労余裕評価手段３４では、累積応
力計算手段３２で計算した応力振幅値の累積データを入
力し、該疲労損傷データベース３３から疲労損傷の発生
確率データを入力し、疲労損傷の発生確率データ上での
許容不可能な「疲労損傷の発生確率」の下限値を与える
応力振幅値の累積値から該累積応力計算手段３２で計算
した応力振幅値」を減算するので、疲労損傷するまでに
（設定した発生確率に至るまでに）、受けることが可能
なストレス総量（残「応力振幅値の累積量）を定量化す
ることが可能になる。疲労余裕評価手段３４は、該減算
値が正値の場合、「車軸１は前記減算値分の疲労余裕が
ある」とし、前記減算値が零または負値である場合、
「前記車軸１の疲労余裕はなし」と評価するので、車軸
１に作用するストレスの累積状況（圧力振幅値の累積
値）を監視することで、任意の累積走行距離における
「車軸疲労の程度」を評価することが可能になる。

【００３７】しかして、前記累積応力計算手段３２で計
算した応力振幅値の累積値（ｃ）の履歴データを格納す
る応力履歴データベース４２と、応力履歴データベース
４２に格納された車軸１の応力振幅値の累積値（ｃ）の
履歴データ（ｆ）を入力し、疲労余裕評価手段３４で評
価した結果（ｅ）を入力し、履歴データ（ｆ）の回帰近
似により、前記鉄道車両の累積走行距離に対する履歴デ
ータ（ｆ）の増加率を計算し、前記増加率で未来の累積
走行距離における車軸１の応力振幅値の累積値が増加す
ると仮定し、前記仮定により、現在の車軸１の疲労余裕
が零値になるまでの前記鉄道車両の累積走行距離（余寿
命）（ｇ）を推定する余寿命推定手段４１と、余寿命推
定手段４１で推定した前記鉄道車両の定期検査時におけ
る余寿命（ｇ）を入力し、前記定期検査時から次回定期
検査時までの推定累積走行距離から余寿命（ｇ）を減算
した値が正値である場合、「車軸１の保守が必要」と判
定し、前記定期検査時から次回定期検査時までの推定累
積走行距離から余寿命（ｇ）を減算した値が零又は負値
である場合、「車軸１の保守は不必要」と判定（ｈ）
し、判定（ｈ）を外部へ出力する保守判定手段４３とが
連動して動作する車軸保守支援装置４を備えている。

【００３８】（第１の実施形態の作用）以上のように構
成した第１の実施形態の作用について、図２のフローチ
ャートを参照して説明する。走行中の鉄道車両の車軸１
には、車体，台車から受ける変動荷重により、変動応力
（ａ）が生じる。この応力の応力振幅値（ａ）を鉄道車
両に設置したセンサ２より逐次計測し、この逐次計測し
た応力振幅値（ａ）をフィルタリング手段３１へ入力す
る。

【００３９】ここで、応力（ａ）を計測するための応力
計測手段例えばセンサ２について具体例を１つ述べる。
図３は鉄道車両の台車の概略図を示す。図３では、車体
Ａと台車台枠Ｃが枕ばね（空気バネ）Ｂで接続され、車
輪Ｅは台車台枠Ｃの内側にあり、車軸１の両端には軸箱
Ｆがあり、車軸１への衝撃緩和のため台車台枠Ｃに軸バ
ネＧが設置されている。

【００４０】この場合、車軸１は軸バネＧを通して車体
Ａ，台車から変動荷重を受ける。この変動荷重は軸バネ
Ｇより車軸１に垂直に作用する。応力計測の一例とし
て、この変動荷重により車軸１に作用する垂直応力をセ
ンサ２より計測する方法を述べる。

【００４１】この変動荷重は軸バネＧから受けるので、
軸バネＧのたわみ（バネ伸縮の変位）Ｘを計測すれば、
バネ定数により荷重を計算することができる。いま、こ
の変位Ｘを変位変換器２１で計測し、変換値（ａ１）を
応力計算手段２２が入力し、応力（ａ）を計算する。こ
の応力（ａ）のデータは車軸疲労評価装置３に出力され
る。

【００４２】変位変換器２１は変位を電気，光の信号に
変換し、応力計算手段２２では、この変換を逆変換し
て、変位を求め、この変位から荷重を換算し、応力を計
算する。

【００４３】以上の応力計測方法で、変位変換器２１と
して差動変圧器Ｉを使用した例を図４に基づき、説明す
る。図４は軸箱Ｆに金属棒（測定棒）Ｈを固定し、その
測定棒Ｈの先端に磁性体コアＪを接続し、この磁性体コ
アＪの変位を台車台枠Ｃに固定した差動変圧器Ｉで電圧
に変換し、この変換電圧（ａ１）を応力計算手段２２へ
出力する構成を示している。

【００４４】軸バネＧの変位は磁性体コアＪの変位であ
るので、この磁性体コアＪの変位を測定すればよい。差
動変圧器Ｉは入力電圧側の１次コイル，出力電圧側の２
次コイルの間で磁性体コアＪを動かすことで、出力電圧
が磁性体コアＪの位置に依存して変化することを利用し
た変位変換器２１である。差動変圧器Ｉでは、磁性体コ
アＪの位置と出力電圧（ａ１）の関係（出力特性）が仕
様として与えられている。この出力特性を応力計算手段
２２にテーブルとして装備させておく。

【００４５】応力計算手段２２はこの出力特性仕様に従
い、差動変圧器Ｉの出力電圧（ａ１）を変位に変換す
る。例えば、差動変圧器Ｉの出力特性が出力電圧Ｖ，磁
性体コアＪの位置Ｘに対し、次の直線特性を示すとする
と、 Ｖ＝α×Ｘ …（１） 但し、αは比例定数で仕様で与えられる。

【００４６】よって、 Ｘ＝Ｖ／ａ …（２） この（２）式により、出力電圧Ｖから変位の絶対値Ｘが
逆変換できる。

【００４７】ここで、逆変換した変位の絶対値Ｘによ
り、軸バネＧにかかる荷重Ｗは（３）式で計算できる。 Ｗ＝Ｋ×Ｘ …（３） 但し、Ｋ：バネ定数、Ｘ：変位の絶対値 いま、軸バネＧを通して荷重が車軸１に作用する接触面
の面積をＭとすると、応力σは（４）式で与えられる。

【００４８】 σ＝Ｗ／Ｍ …（４） 差動変圧器Ｉ以外の変位変換器（可変抵抗など）でも同
様の手順で使用できる。また、測定棒Ｈを使用せず、非
接触で変位Ｘを光センサで測定する方法もある。

【００４９】さらに、図３の車体に設置した振動計で、
車体振動の加速度を測定し、枕バネＢ上の重量と前記加
速度の積をとると、この積値は枕バネＢが車体Ａから受
ける荷重となる。

【００５０】枕バネＢにかかる荷重が車軸１にどの程度
作用するか、その比率を実験等で明らかにしておけば、
枕バネＢにかかる荷重とその比率から車軸１にかかる荷
重が推定できる。このように応力を推定する方法もあ
る。

【００５１】（ステップＳ１）図５はフィルタリング手
段３１で、フィルタリングする様子を示している。図５
では、鉄道車両の累積走行距離Ｄに対して、計測された
と想定した応力振幅σ_W の値（図中の白丸点）をプロッ
トし、折れ線グラフで表示した応力振幅波形σである。
同図中の疲れ限界σ_L は車軸の材料強度から決まる値で
あり、通常、疲労破壊試験（車軸材料が疲労破壊するま
で、一定の応力振幅を繰り返し車軸材料に作用させる試
験）より決定される。フィルタリング手段３１では、こ
の疲れ限界σ_L より大きい応力振幅値を抽出する。

【００５２】図５では、累積走行距離Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ
₃ ，Ｄ₄ ，Ｄ₅ に対するプロット点Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ ，
Ｐ₄ ，Ｐ₅ の各応力振幅値σ₁ ，σ₂ ，σ₃ ，σ₄ ，σ
₅ が疲れ限界σ_L より大きい。よって、 （累積走行距離，応力振幅値）：（Ｄ₁ ，σ₁ ），（Ｄ
₂ ，σ₂ ），（Ｄ₃ ，σ₃ ），（Ｄ₄ ，σ₄ ），（Ｄ
₅ ，σ₅ ） の各応力データ（ｂ）が、計測毎に抽出される。（ステ
ップＳ２） 累積応力計算手段３２では、フィルタリング手段３１で
抽出した応力データ（ｂ）を逐次加算する。すなわち、
各累積走行距離で車軸１に作用した疲れ限界σ_L より大
きい応力振幅値の累積値を計算する。この応力振幅値の
累積値（ｃ）を図５に基づき、具体的に示すと、累積走
行距離の初期値Ｄ_O 〜現在の累積走行距離Ｄ_N までの間
の応力振幅値の累積値Ｓは、 応力振幅値の累積値Ｓ＝σ₁ ＋σ₂ ＋σ₃ ＋σ₄ ＋σ₅ …（５） で与えられる。（ステップＳ３） 累積応力計算手段３２では、計算した「任意の累積走行
距離での応力振幅値の累積値」（ｃ）を応力履歴データ
ベース４２に格納する。（ステップＳ４）以上ステップ
Ｓ１〜ステップＳ４はセンサ２で応力（ａ）が逐次計測
される毎に繰り返される。（プロセスＰ１） 疲労余裕評価手段３４では、車軸１の疲労余裕を計算・
評価する。

【００５３】以下、疲労余裕の計算とその評価方法を図
６に基づき説明する。疲労損傷データベース３３には、
車軸１と同類の車軸に関し、過去の走行で生じた疲労損
傷の発生頻度とそのときの応力振幅値の累積値との実績
値より、統計上推定される疲労損傷の発生確率密度関数
データ（ｄ）が格納されている。

【００５４】この疲労損傷データベース３３の構築方法
を簡単に述べる。日常運転において、車軸に作用する応
力振幅値の累積値をカウントし、定期検査時の非破壊検
査（超音波探傷検査など）で車軸疲労損傷を発見した
ら、その損傷車軸に対してカウントした応力振幅値の累
積値を調べる。

【００５５】そして、この応力振幅値の累積値と損傷発
生頻度から頻度グラフを作成し、その頻度グラフの分布
形状から発生確率密度関数を推定すればよい。ここで、
前述の車軸１と同類の車軸とは、車軸の構成材料，寸
法，用途が同じ種類の車軸である。

【００５６】疲労余裕評価手段３４は疲労損傷データベ
ース３３に格納されている車軸１と同類の車軸に関する
疲労損傷の発生確率密度関数データ（ｄ）を入力する。
（ステップＳ５） この疲労損傷の発生確率密度関数データ（ｄ）より、許
容不可能な「疲労損傷の発生確率」の下限値（以後、限
界疲労発生確率と呼ぶ）を与える応力振幅値の累積値
（以後、限界累積応力と呼ぶ）を計算する。但し、限界
疲労発生確率は本実施形態の装置使用者が設定する値で
ある。

【００５７】図６では、応力振幅値の累積値Ｓに対する
疲労損傷の発生確率密度関数Ｆを略図として示してい
る。いま、限界累積応力をＳ_MAX 点とすると、このＳ
_MAX 点より左へ超過した発生確率密度関数Ｆの面積（図
中の斜線部分）が限界疲労発生確率Ｐ_S となる。逆に、
図中の斜線部分の面積Ｐ_S が決まればＳ_MAX が与えられ
る。

【００５８】このＳ_MAX 点の計算方法は次の２通りあ
る。 （方法１）疲労損傷の発生確率密度関数Ｆの「応力振幅
値の累積値Ｓ」に関する積分値Ｆ_P （疲労損傷の発生確
率の分布関数）を計算し、その逆関数Ｆ_P ^-1に限界疲労
発生確率Ｐ_S を代入して（６）式のＳ_MAX を得る。

【００５９】

【数１】

【００６０】（方法２）疲労損傷の発生頻度を正規分布
で近似すれば、統計学上よく使われている正規分布表
（確率変数値とその値をとる確率値の一覧表）をテーブ
ルとして装備し、限界疲労発生確率Ｐ_S に対する確率変
数である応力振幅値の累積値Ｓを参照すればよい。な
お、一覧表中になければ補間で計算すれば求めることが
できる。

【００６１】また、他の分布で近似した場合も統計学
上、用意されている分布表をテーブルとして装備し、そ
れを参照すればよい。 （ステップＳ
６） このようにして計算した限界累積応力Ｓ_MAX を使用し
て、疲労余裕Ｍ_S を（７）式で計算する。

【００６２】 疲労余裕Ｍ_S ＝Ｓ_MAX −Ｓ₁ …（７） 但し、Ｓ₁ ：車軸１に作用した応力振幅値の累積値
（ｃ） （ステップＳ７） ここで、 疲労余裕Ｍ_S ≦０である場合 車軸１の疲労損傷の発生確率が限界疲労発生確率Ｐ_S と
等しいか又は大きいので、「車軸１の疲労余裕はない」 疲労余裕Ｍ_S ＞０である場合 車軸１の疲労損傷の発生確率が限界疲労発生確率Ｐ_S よ
り小さいので、「車軸１はＭ_S （＞０）の疲労余裕があ
る」と評価する。（ステップＳ８） 余寿命推定手段４１では、疲労余裕評価手段３４で評価
した結果に基づき、次の処理１又は処理２を行う。（ス
テップＳ９） （処理１）「車軸１はＭ_S （＞０）の疲労余裕がある」
と評価された場合 「応力履歴データ（ｆ）を回帰近似し、過去から現在ま
での累積走行距離に対する応力振幅値の累積値の増加率
を計算する」以下、作用を述べる。

【００６３】「疲労余裕評価手段３４において、疲労余
裕Ｍ_S の計算に使用した限界累積応力Ｓ_MAX と車軸１に
作用した応力振幅値の累積値Ｓ₁ 及び、評価した結果」
（ｅ）を入力し、さらに、応力振幅値がＳ₁ となった累
積走行距離より一定距離数だけ過去にさかのぼって、そ
の間に受けた任意の累積走行距離での応力振幅値の累積
値の履歴データ（ｆ）を応力履歴データベース４２から
入力する。（ステップＳ１０） 図７を例に、応力振幅値の累積値の増加率を計算する方
法を説明する。

【００６４】同図では、車軸１の鉄道車両の累積走行距
離Ｄ_A （初期値）から現在の累積走行距離Ｄ_B までの応
力振幅値の累積値の履歴データを白丸点で図示（説明の
ために簡略化した略図）している。

【００６５】現在の累積走行距離Ｄ_B で車軸１の疲労余
裕Ｍ_SB（＝Ｓ_MAX −Ｓ_B ）は正値である。いま、累積走
行距離Ｄ_A での「応力振幅値の累積値Ｓ_A 」の点Ｐ_A か
ら累積走行距離Ｄ_B の点Ｐ_B 間での履歴データを回帰近
似する。回帰近似は最小二乗法で計算する。ここで、回
帰近似した回帰線（又は回帰曲線）より、累積走行距離
Ｄに対する増加率が決定できる。

【００６６】例えば、一次の回帰近似を行った場合を例
に説明する。一次の回帰近似では、最小二乗法により、
（８）式のパラメータβ，γが決定される。

【００６７】 一次近似の回帰線Ｆ_S ：Ｓ＝β×Ｄ＋γ …（８） 但し、Ｓ：応力振幅値の累積値 Ｄ：累積走行距離 このときのβが累積走行距離に対する応力振幅値の累積
値の増加率となる。

【００６８】回帰近似の近似次数に関しては、近似誤差
が実用上、許容できる範囲に入る次数で近似すればよ
い。これは履歴データ（ｆ）の実績値のトレンドにより
決まる。（ステップＳ１１） 回帰近似で計算した「累積走行距離に対する応力振幅値
の増加率」より、未来の累積走行距離での「車軸１に作
用する応力振幅値の累積値」を予測する。

【００６９】この予測にあたり、本実施形態では次の仮
定を導入する。 （仮定）未来の累積走行距離での「車軸１に作用する応
力振幅値の累積値」の増加率は過去の「車軸１に作用し
た応力振幅値の累積走行距離に対する増加率」と同じ大
きさと見なす。

【００７０】上記仮定の根拠は次の通りである。 （根拠）通常、鉄道車両は同じ走行区間を同じ速度で走
行し、区間内での停車駅も変わらないことから、発進・
停止回数，積載重量も平均して同じとみなせ、さらに、
走行区間内での停車駅間で不用意に起こる減速，加速，
非常停止回数などもランダム現象と判断できるので、車
軸に生じる応力振幅値の大きさ，回数の平均は累積走行
距離に依存せず、一定と考えられる。よって、過去から
現在までの増加率を現在から未来への予測に使用しても
よい。

【００７１】以上の仮定の下、未来の累積走行距離での
「車軸１に作用する応力振幅値の累積値」を一次近似の
回帰線より決定した増加率βを使用して具体的に説明す
る。未来の累積走行距離での「車軸１に作用する応力振
幅値の累積値」の予測推移をグラフＦ_S1（図７参照）で
示す。このＦ_S1は（９）式で表せる。

【００７２】 Ｆ_S1：Ｓ＝β×Ｄ＋δ δ＝Ｓ_B −β×Ｄ_B …（９） 余寿命推定手段４１では、疲労余裕Ｍ_S ＝０となるまで
の累積走行距離を車軸の寿命と定義する。この定義によ
り、Ｆ_S1が限界累積応力Ｓ_MAX と等しくなる点Ｐ_C での
累積走行距離Ｄ_C が寿命点となる。

【００７３】このとき、現在の累積走行距離Ｄ_B から見
た車軸１の余寿命（ｇ）は（１０）式で計算される。 車軸１の余寿命＝Ｄ_C −Ｄ_B …（１０） （１０）式からも分かるように、余寿命（ｇ）は限界疲
労発生確率に至るまでの累積走行距離の残数で与えられ
る。

【００７４】同様にして、未来の累積走行距離での「車
軸１に作用する応力振幅値の累積値」を２次以上で近似
した回帰曲線の増加率を使用した場合の予測推移Ｆ_S2を
図７に略図で示した。

【００７５】この場合は点Ｐ_D での累積走行距離Ｄ_D が
寿命点となる。このとき、現在までの累積走行距離Ｄ_B
から見た車軸１の余寿命（ｇ）は（１１）式で計算され
る。

【００７６】 車軸１の余寿命＝Ｄ_D −Ｄ_B …（１１） （ステップＳ１２） （処理２）「車軸１の疲労余裕はない」と評価された場
合 疲労余裕がないので、余寿命もなしと見なし、ステップ
Ｓ１０，ステップＳ１１を行わない。

【００７７】ステップＳ１２では、何の計算もせず、余
寿命＝０と判定する。（ステップＳ１２） 保守判定手段４３では、鉄道車両の定期検査時に、車軸
１を保守検査する必要があるか判定する。

【００７８】この場合、鉄道車両の定期検査時での余寿
命を余寿命推定手段４１で推定し、その推定結果（ｇ）
に基づき、保守判定する。これを図７を例に説明する。

【００７９】保守判定手段４３の作用の説明のため、図
７中の累積走行距離Ｄ_B は、定期検査時での累積走行距
離とする。すなわち、前回の定期検査時（過去）での累
積走行距離がＤ_A ，今回の定期検査時（現在）での累積
走行距離がＤ_B ，次回の定期検査時（未来）までの推定
累積走行距離がＤ_E とする。

【００８０】この次回の定期検査時のＤ_E は、保守計画
により検査周期を一定の累積走行距離Ｄ^* で決めている
場合は、 Ｄ_E ＝Ｄ_B ＋Ｄ^* …（１２） とし、保守検査周期が累積走行距離で決めていない場合
は、 Ｄ_E ＝（Ｄ_B ＋Ｄ_A ）＋Ｄ_B …（１３） とする。

【００８１】保守判定は次の通りである。今回の定期検
査時（現在）に寿命推定手段４１で推定した車軸１の余
寿命Ｄ_Lが次回の定期検査時（未来）まである場合、す
なわち Ｄ_E −Ｄ_B ≦Ｄ_L …（１４） のとき、「車軸１の保守検査は必要なし」と判定する。

【００８２】今回の定期検査時（現在）に寿命推定手段
４１で推定した車軸１の余寿命Ｄ_Lが次回の定期検査時
（未来）までない場合、すなわち Ｄ_E −Ｄ_B ＞Ｄ_L …（１５） のとき、「車軸１の保守検査が必要」と判定する。

【００８３】以上の判定結果（ｈ）を外部の画面装置等
に表示出力する。ここで、保守検査とは、車軸１の未使
用車軸との交換または補修，補強を意味する。保守検査
が実施され、車軸の交換，補強，補修を実施した場合、
車軸１に現在まで生じた応力振幅値の累積値を０にリセ
ットする。

【００８４】（ステップＳ１３） （第１の実施形態の効果）本実施形態では、車軸疲労評
価装置３において、走行中の鉄道車両の車軸に作用する
変動応力（ストレス）の累積値（ストレスの累積値）を
監視し、「その累積値と車軸疲労損傷頻度」との過去の
実績統計データ（フィールドデータ）を参照して、任意
の累積走行距離までに応力振幅値の累積値（ストレスの
累積）が作用した車軸の疲労余裕を計算・評価するの
で、フィールドでのストレス環境（鉄道車両の車軸に種
々の変動荷重が繰り返し作用する環境）が原因で疲労す
る車軸材料の疲労余裕を、作用するストレス（応力振幅
値）の累積量で定量化することが可能になる。

【００８５】車軸疲労評価装置３と連動して動作する余
寿命評価手段４１において、車軸疲労評価装置３で監視
している変動応力の累積値を履歴データとして参照し、
車軸疲労評価装置３での評価結果を受けて、疲労余裕が
あると評価された車軸に対し、現在までの「変動応力の
累積値」の履歴データの回帰近似から得られる「累積走
行距離に対する変動応力の累積値」の増加率により、未
来の寿命時点を予測し、余寿命を推定するので、フィー
ルドでのストレス環境（鉄道車両の車軸に種々の変動荷
重が繰り返し作用する環境）が原因で疲労する車軸材料
の余寿命（限界疲労発生確率に至るまでの累積走行距離
の残数）を、車軸の検査（解体検査）をせずに、走行中
の車軸に作用するストレス（応力振幅値）の累積状況を
監視するだけで、疲労程度の推定可能になる。

【００８６】車軸疲労評価装置３と余寿命評価手段４１
と連動して動作する保守判定手段４３において、鉄道車
両の定期検査時における車軸の余寿命を車軸疲労評価装
置３と余寿命評価手段４１が連動して動作することを推
定し、この推定余寿命と次回定期検査までの推定累積走
行距離を比較し、次回定期検査まで車軸に寿命がなけれ
ば現定期検査時での保守実施が必要と判定するので、フ
ィールドでのストレス環境（鉄道車両の車軸に種々の変
動荷重が繰り返し作用する環境）が原因で疲労する車軸
が、定期検査以後、次回定期検査前に疲労損傷する危険
性を回避する保守が可能になる。

【００８７】＜第２の実施形態＞ （第２の実施形態の構成）図８の機能ブロックに示すよ
うに、図１の機能ブロック（第１の実施形態）と異なる
点はフィルタリング手段３１と累積応力計算手段３２の
間に、以下のような機能を有する重み付け手段３５を挿
入した点であり、これ以外の点は第１の実施形態と同一
である。

【００８８】重み付け手段３５は、走行中の鉄道車両に
おいて、フィルタリング手段３１から車軸１の疲れ限界
より大きい応力振幅値（ｂ）を逐次入力し、応力振幅値
（ｂ）が繰り返し作用した場合の疲労破壊するまでの前
記繰り返し回数（以下サイクル寿命と呼ぶ）を、車軸１
と同類の車軸の疲労破壊試験から得られた「一定の繰り
返し応力振幅値とサイクル寿命」の関係データから決定
し、前記決定した「応力振幅値（ｂ）が繰り返し作用し
た場合のサイクル寿命」と応力振幅値（ｂ）との積値を
計算し、車軸１の材料種別により決まる疲れ限界の応力
振幅値と前記疲れ限界を与える限界繰り返し回数の積値
を前記計算した積値で除算し、該除算した値を応力振幅
値（ｂ）の重み値とし、該重み値と応力振幅値（ｂ）と
の積値（ｉ）を計算（重み付け）するものである。

【００８９】重み付け手段３５で重み付けした応力振幅
値（ｉ）を逐次入力し、入力毎に、重み付けした応力振
幅値（ｉ）を逐次加算することで、重み付けした応力振
幅値の累積値（ｃ）を計算する累積応力計算手段３２
と、疲労損傷データベース３３と、疲労余裕評価手段３
４とが連動する構成に変更した車軸疲労評価装置３と、
余寿命推定手段４１と、重み付けした応力振幅値の累積
値（ｃ）を格納する応力履歴データベース４２と、保守
判定手段４３とが連動して動作する車軸保守支援装置４
を具備している。

【００９０】（第２の実施形態の作用）以上のように構
成した第２の実施形態実施の作用について図９のフロー
チャートを参照して説明する。図９は図２のプロセスＰ
１部分が異なるだけであり、変更点はステップＳ２とス
テップＳ３の間に２つの処理ブロック（ステップＳ１
４，Ｓ１５）を挿入したことである。

【００９１】以下、ステップＳ１４，Ｓ１５について説
明する。ステップＳ１４，Ｓ１５は重み付け手段３５で
行う処理であり、車軸１の応力振幅値（ｂ）の重み付け
を行う。

【００９２】この重み値は作用する変動応力が車軸１の
疲労損傷発生に与える影響の強さを以下に説明する手順
で数値化したものである。この重み付け方法を図１０を
例に説明する。

【００９３】同図は、車軸１と同類の車軸に対して疲労
破壊試験を実施して得られた結果の略図である。同図は
車軸に一定の応力振幅値σ_W を繰り返し作用させたと
き、車軸が疲労破壊するまでの繰り返し回数Ｎ（サイク
ル寿命）を、各応力振幅値につき図示した応力−寿命曲
線ＳＮ（Ｓ−Ｎ曲線と言う）である。

【００９４】このＳ−Ｎ曲線に基づき、以下の手順１〜
３で重み値を決定する。 手順１：応力−寿命曲線ＳＮから、疲れ限界σ_L （曲線
ＳＮが水平になる応力振幅値）になるサイクル寿命Ｎ_f
（曲線ＳＮが水平になる最初の点Ｐ_Sfにおけるサイクル
寿命で、これを限界繰り返し回数と言う）までに、疲れ
限界の応力振幅値σ_L が繰り返し作用した場合の応力振
幅値の累積値Ｓσ_L を（１６）式で計算する。

【００９５】 Ｓσ_L ＝σ_L ×Ｎ_f …（１６） 手順２：フィルタリング手段３１から入力した車軸１の
応力振幅値（ｂ）に対し、この応力振幅値（ｂ）が繰り
返し作用した場合のサイクル寿命Ｎを応力−寿命曲線Ｓ
Ｎから求める。そして、手順１と同様に、応力振幅値
（ｂ）の一定の応力振幅が繰り返し作用した場合の応力
振幅値の累積値を計算する。

【００９６】例えば、図１０において、車軸１の応力振
幅値（ｂ）がσ_A である場合、曲線ＳＮ上の点はＰ_SA，
サイクル寿命がＮ_A である。この応力振幅値σ_A が繰り
返し作用した場合の応力振幅値の累積値Ｓσ_A は（１
７）式で計算できる。

【００９７】 Ｓσ_A ＝σ_A ×Ｎ_A …（１７） 手順３：Ｓσ_L に対するＳσ_A の比率を計算する。この
比率の逆数を応力振幅値（ｂ）の重み値とする。

【００９８】例えば、手順２で示した振幅応力値σ_A の
重み値は次の（１８）式の通りである。 振幅応力値σ_A の重み値Ｗσ_A ＝Ｓσ_L ÷Ｓσ_A …（１８） 同様にして、図１０に示す応力振幅値σ_B ，σ_C に対す
る重み値は（１９），（２０）式で計算できる。

【００９９】 振幅応力値σ_B の重み値Ｗσ_B ＝Ｓσ_L ÷Ｓσ_B …（１９） 振幅応力値σ_C の重み値Ｗσ_C ＝Ｓσ_L ÷Ｓσ_C …（２０） ただし、応力振幅値の弾性範囲が小さく、上記手順１，
２で計算した応力振幅値の累積値の比率（Ｓσ_L ：Ｓσ
_A ）が近似的にサイクル寿命の比率で与えて実用上有意
差がない場合、重み値をサイクル寿命比で与えてもよ
い。

【０１００】例えば、 Ｓσ_L ：Ｓσ_A ≒Ｎ_f ：Ｎ_A …（２１） と見なせる場合、 振幅応力値σ_A の重み値Ｗσ_A ＝Ｎ_f ÷Ｎ_A …（２２） として、重み値を計算してもよい。

【０１０１】（ステップＳ１４） フィルタリング手段３１から入力した「各累積走行距離
における各応力振幅値（ｂ）」に対して、上記手順で逐
次計算した重み値と応力振幅値（ｂ）の積算（重み付
け）を行う。

【０１０２】例えば、３点の累積走行距離において、車
軸１に作用した応力振幅値が図１０中のσ_A ，σ_B ，σ
_C とすると、重み付けした応力振幅値σ_AW，σ_BW，σ_CW
は、 σ_AW＝σ_A ×Ｗσ_A σ_BW＝σ_B ×Ｗσ_B σ_CW＝σ_C ×Ｗσ_C …（２３） となる。

【０１０３】以上、重み付け手段３５で重み付けした応
力振幅値の累積値（ｉ）を累積応力計算手段３２で計算
する。以後のステップに関する説明は、図２で説明した
作用（本文中、図２〜図７を含めて）とほぼ同一であ
り、ただ異なる点は、応力振幅値が「重み付けした応力
振幅値」に変更される点であるので、ここではその説明
を省略する。

【０１０４】また、第２の実施形態の疲労損傷データベ
ース３３では、車軸１と同類の車軸に関し、過去の走行
で生じた疲労損傷の発生頻度と、その疲労損傷発生まで
に作用した「重み付けした応力振幅値の累積値」の実績
値より、統計上推定される疲労損傷の発生確率密度デー
タが格納されている。

【０１０５】さらに、疲れ限界σ_L の重み値（これは常
に１と見なす）と応力振幅値の弾性範囲での上限値の重
み値との差が極端に大きく、疲れ限界より大きい「作用
した応力振幅値」すべてに対て、重み付けし、累積値を
とった結果と、疲れ限界より大きい応力振幅値のデータ
に対し、設定した前記データ数間で最大となる応力振幅
値のみフィルタリングし、重み付けした最大応力振幅値
の累積値との間に、実用上有意差がない場合、最大応力
振幅値の累積値を監視対象として、本実施形態１を適用
してもよい。

【０１０６】この場合、例えば、図５において、設定デ
ータ数を８個としたとすると、最初の入力データ８点
（図中の白丸点）では、疲れ限界超過点Ｐ₁ 〜Ｐ₃ の中
の最大応力振幅値を与える点Ｐ₃ （Ｄ₃ ，σ₃）、次の
入力データ８点では、疲れ限界超過点Ｐ₄ 〜Ｐ₅ の中の
最大応力振幅値を与える点Ｐ₅ （Ｄ₅ ，σ₅ ）、がフィ
ルタリング手段３１で抽出されることになる。

【０１０７】（第２の実施形態の効果）第２の実施形態
では、作用する変動応力が車軸の疲労損傷発生に与える
影響を重み値として与え、その重みで重み付けした応力
の累積を監視する。

【０１０８】「応力振幅値の累積値と疲労損傷の発生頻
度」の相関より、「重み付けした応力振幅値の累積値と
疲労損傷の発生頻度」の相関の方が相関度が大きいと考
えられるので、重み付けしない場合よりも重み付けした
場合の方が精度の高い車軸疲労評価，車軸余寿命推定及
び保守判定を行うことができる。

【０１０９】＜変形例＞前述の第１及び第２の実施形態
では、余寿命推定手段４１において、余寿命推定を累積
走行距離で行っている場合について説明したが、該累積
走行距離に代えて累積走行時間を用いることにより、余
寿命推定および保守判定を行うことができる。この場
合、作用説明は、前述の第１及び第２の実施形態の作用
説明文とほぼ同一で、異なる点は同作用説明文中で「累
積走行距離」が「累積走行時間」に変更（置き換えて）
読み直せばよいだけであるので、その説明を省略する。

【０１１０】また、本発明は、前述した実施形態の鉄道
車両の車軸に限らず、これ以外にも、台車を構成する他
の機構部（車体支持装置，けん引装置，歯車装置など）
にも、作用する変動応力を計測することにより同様に適
用できる。

【０１１１】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、以下のよう
な作用効果が得られる。 （１）走行中の車軸に作用する変動応力（発生時間、大
きさにおいて不確定なストレス）に対し、車軸の疲労損
傷に影響を与える大きさを持つ応力の累積状況を監視す
ることで、車軸疲労の程度を疲労余裕として定量化する
ことが可能になる。

【０１１２】（２）車軸に作用するストレスの累積状況
（応力振幅値の累積値）を監視することで、任意の累積
走行距離における（又は累積走行時間）において、「車
軸疲労損傷の余寿命」を推定することが可能になる。

【０１１３】車軸に作用するストレスの累積状況（応力
振幅値の累積値）を監視することで、定期検査時での疲
労寿命の推定値から保守実施の有無の判定ができる。 （３）疲労破壊試験で得られた「応力振幅値−サイクル
寿命」の関係から、作用応力が車軸疲労損傷に与える影
響を相対的数値で表現した重み値を使用するので、重み
付けしない場合より、車軸疲労破壊に与える影響因子と
しては強い相関を与える指標（重み付けした応力振幅値
の累積値）が得られる。そのため、車軸に作用するスト
レスの累積状況（重み付けした応力振幅値の累積値）を
監視することで、重み付けしない場合より、精度の高い
車軸疲労余裕の評価、余寿命推定及び保守判定が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す機能ブロック
図。

【図２】図１の実施形態の作用を説明するためのフロー
チャート。

【図３】図１のセンサと車両車軸の関係を説明するため
の図。

【図４】図１のセンサとして差動変圧器を使用した場合
の概略構成を示す図。

【図５】図１のフィルタリング手段の機能を説明するた
めの図。

【図６】図１の疲労余裕を説明するための図。

【図７】図１の応力履歴データの回帰近似と予測を説明
するための図。

【図８】本発明の第２の実施形態を示す機能ブロック
図。

【図９】図８の実施形態の作用を説明するためのフロー
チャート。

【図１０】図８の実施形態の重み付け手段の機能を説明
するための応力振幅値−寿命曲線を示す図。

【符号の説明】

１：走行中の鉄道車両車軸、 ２：応力計測センサ、 ２１：変位変換器、 ２２：応力計算手段、 ３：車軸疲労評価装置、 ３１：フィルタリング手段、 ３２：累積応力計算手段、 ３３：疲労損傷データベース、 ３４：疲労余裕評価手段、 ３５：重み付け手段、 ４：車軸保守支援装置、 ４１：余寿命推定手段、 ４２：応力履歴データベース、 ４３：保守判定手段、 Ａ：車体、 Ｂ：枕バネ、 Ｃ：台車台枠、 Ｅ：車輪、 Ｆ：軸箱、 Ｇ：軸バネ、 Ｈ：測定棒、 Ｉ：差動変圧器、 Ｊ：磁性体コア、 Ｘ：軸バネのたわみ（伸縮変位）、 σ_W ：応力振幅値、 σ_L ：疲れ限界、 Ｆσ：応力振幅波形、 Ｄ：累積走行距離、 Ｐ₁ 〜Ｐ₅ ：疲れ限界超過点、 Ｄ₁ 〜Ｄ₅ ：Ｐ₁ 〜Ｐ₅ 点での累積走行距離、 Ｄ_O ：累積走行距離の初期値、 Ｄ_N ：現在の累積走行距離、 σ₁ 〜σ₅ ：Ｐ₁ 〜Ｐ₅ 点での応力振幅値、 Ｐ：疲労損傷発生確率密度、 Ｓ：応力振幅値の累積値、 Ｆｄ：疲労損傷発生確率密度関数、 Ｍ_S ：疲労余裕、 Ｓ_MAX ：限界累積応力、 Ｍ：限界累積応力Ｓ_MAX の疲労損傷発生確率密度関数Ｆ
上の点、 Ｐ_S ：限界疲労発生確率、 Ｄ_A ：累積走行距離の初期値（または前回定期検査時の
累積走行距離）、 Ｄ_B ：現在までの累積走行距離（または今回定期検査時
の累積走行距離）、 Ｆ_S1：１次回帰近似による予測線、 Ｆ_S2：２次以上の回帰近似による予測線、 Ｄ_C ：１次回帰近似による予測線Ｆ_S1から推定した寿命
（累積走行距離）、 Ｄ_D ：２次以上の回帰近似による予測線Ｆ_S2から推定し
た寿命（累積走行距離）、 Ｄ_E ：次回定期検査時の累積走行距離、 Ｆ_S ：回帰近似直線、 Ｓ_A ：Ｄ_A における応力振幅値の累積値、 Ｓ_B ：Ｄ_B における応力振幅値の累積値、 Ｐ_A ：点（Ｄ_A ，Ｓ_A ）、 Ｐ_B ：点（Ｄ_B ，Ｓ_B ）、 Ｐ_C ：点（Ｄ_C ，Ｓ_MAX ）、 Ｐ_D ：点（Ｄ_D ，Ｓ_MAX ）、 Ｍ_SB：Ｄ_B での疲労余裕、 Ｎ：サイクル寿命（繰り返し回数）、 ＳＮ：応力−寿命曲線、 Ｐ_SA〜Ｐ_SC：応力−寿命曲線ＳＮ上の点、 Ｎ_A 〜Ｎ_C ：Ｐ_SA〜Ｐ_SC点のときのサイクル寿命（繰り
返し回数）、 σ_A 〜σ_C ：Ｐ_SA〜Ｐ_SC点のときの応力振幅値、 Ｎ_f ：限界繰り返し回数、 Ｐ_Sf：限界繰り返し回数Ｎ_f を与える応力−寿命曲線Ｓ
Ｎ上の点。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走行中の車両の車軸に作用する応力振幅
   値のデータを計測する応力計測手段と、 前記応力計測手段で計測した応力振幅値の中から前記車
   軸の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つ応力データを
   抽出するフィルタリング手段と、 前記フィルタリング手段で抽出した応力データを所定期
   間入力し、該入力毎に、前記抽出した応力振幅値を累積
   加算して応力振幅値の累積値データを計算する累積応力
   計算手段と、 前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲
   労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用
   した応力振幅値の累積値」の発生確率データを格納した
   疲労損傷データベースと、 前記疲労損傷データベースからの疲労損傷の発生確率デ
   ータを入力し、前記疲労損傷の発生確率データ上での許
   容不可能な疲労損傷の発生確率の下限値を与える応力振
   幅値の累積値と、前記累積応力計算手段で計算した前記
   応力振幅値の累積値とを比較して前記車軸の疲労度を評
   価する疲労余裕評価手段とを具備した車両車軸の疲労監
   視装置。
2. 【請求項２】 走行中の車両の車軸に作用する応力振幅
   値のデータを計測する応力計測手段と、 前記応力計測手段で計測した応力振幅値の中から前記車
   軸の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つ応力データを
   抽出するフィルタリング手段と、 前記フィルタリング手段で抽出した応力データを所定期
   間入力し、該入力毎に、前記抽出した応力振幅値を累積
   加算して応力振幅値の累積値データを計算する累積応力
   計算手段と、 前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲
   労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用
   した応力振幅値の累積値」の発生確率データを格納した
   疲労損傷データベースと、 前記疲労損傷データベースからの疲労損傷の発生確率デ
   ータを入力し、前記疲労損傷の発生確率データ上での許
   容不可能な疲労損傷の発生確率の下限値を与える応力振
   幅値の累積値と、前記累積応力計算手段で計算した前記
   応力振幅値の累積値とを比較して前記車軸の疲労度を評
   価する疲労余裕評価手段と、 前記累積応力計算手段で計算した応力振幅値の累積値の
   履歴データを格納する応力履歴データベースと、 前記応力履歴データベースに格納された前記履歴データ
   と、前記疲労余裕評価手段で評価した結果とを入力し、
   前記履歴データの増加率を計算し、該履歴データの増加
   率に伴って前記車軸の応力振幅値の累積値が増加してい
   くと仮定し、該仮定により、現在の前記車軸の疲労余裕
   がなくなるまでの前記車軸の余寿命を推定する余裕寿命
   推定手段とを具備した車両車軸の疲労監視装置。
3. 【請求項３】 前記疲労余裕評価手段は、前記疲労損傷
   データベースからの疲労損傷の発生確率データを入力
   し、前記疲労損傷の発生確率データ上での許容不可能な
   疲労損傷の発生確率の下限値を与える応力振幅値の累積
   値から、前記累積応力計算手段で計算した前記応力振幅
   値の累積値を減算し、該減算値が正値の場合、「前記車
   軸は前記減算値分の疲労余裕がある」とし、前記減算値
   が零又は負値である場合、「前記車軸の疲労余裕はな
   し」と評価するものである請求項１または請求項２記載
   の車両車軸の疲労監視装置。
4. 【請求項４】 前記余寿命推定手段で推定した前記車両
   車軸の定期検査時における余寿命データを入力し、前記
   定期検査時から次回定期検査時までの推定余寿命を前記
   余寿命から減算した値が負値である場合、「前記車両車
   軸の保守が必要」と判定し、前記余寿命から前記推定余
   寿命を減算した値が零または正値である場合、「前記車
   両車軸の保守が不必要」と判定する保守判定手段とを具
   備した請求項２記載の車両車軸の疲労監視装置。
5. 【請求項５】 走行中の車両の車軸に作用する応力振幅
   値のデータを計測する応力計測手段と、 前記応力計測手段で計測した応力振幅値の中から前記車
   軸の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つ応力データを
   抽出するフィルタリング手段と、 前記フィルタリング手段で抽出した応力データの応力振
   幅値が前記車両車軸に繰り返し作用した場合に前記車両
   車軸が疲労破壊するまでの前記繰り返し回数であるサイ
   クル寿命を求め、該サイクル寿命と前記「抽出した応力
   データ」の応力振幅値と前記車軸の疲れ限界の応力振幅
   値と前記疲れ限界を与える限界繰り返し回数とから応力
   振幅値の重み値を演算し、前記重み値と前記「抽出した
   応力データ」の応力振幅値との積値を計算（重み付け）
   する重み付け手段と、 前記重み付け手段で重み付けした応力振幅値の累積値を
   計算する累積応力計算手段と、 前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲
   労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用
   した重み付けした応力振幅値の累積値」の発生確率デー
   タを格納した疲労損傷データベースと、 前記累積応力計算手段で計算した重み付けした応力振幅
   値の累積値データと前記疲労損傷データベースから疲労
   損傷の発生確率データとを入力し、前記疲労損傷の発生
   確率データ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」
   の下限値を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」
   と前記「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力
   振幅値の累積値」とを比較して前記車軸の疲労度を評価
   する疲労余裕評価手段とを具備した車両車軸の疲労監視
   装置。
6. 【請求項６】 走行中の車両の車軸に作用する応力振幅
   値のデータを計測する応力計測手段と、 前記応力計測手段で計測した応力振幅値の中から前記車
   軸の疲れ限界より大きい応力振幅値を持つ応力データを
   抽出するフィルタリング手段と、 前記フィルタリング手段で抽出した応力データの応力振
   幅値が前記車両車軸に繰り返し作用した場合に前記車両
   車軸が疲労破壊するまでの前記繰り返し回数であるサイ
   クル寿命を求め、該サイクル寿命と前記「抽出した応力
   データ」の応力振幅値と前記車軸の疲れ限界の応力振幅
   値と前記疲れ限界を与える限界繰り返し回数とから応力
   振幅値の重み値を演算し、前記重み値と前記「抽出した
   応力データ」の応力振幅値との積値を計算（重み付け）
   する重み付け手段と、 前記重み付け手段で重み付けした応力振幅値の累積値を
   計算する累積応力計算手段と、 前記車軸と同類の車軸に関する「過去の走行で生じた疲
   労損傷の発生確率と前記疲労損傷が発生するまでに作用
   した重み付けした応力振幅値の累積値」の発生確率デー
   タを格納した疲労損傷データベースと、 前記累積応力計算手段で計算した重み付けした応力振幅
   値の累積値データと前記疲労損傷データベースから疲労
   損傷の発生確率データとを入力し、前記疲労損傷の発生
   確率データ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」
   の下限値を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」
   と前記「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力
   振幅値の累積値」とを比較して前記車軸の疲労度を評価
   する疲労余裕評価手段と、 前記累積応力計算手段で計算した「重み付けした応力振
   幅値の累積値」の履歴データを格納する応力履歴データ
   ベースと、 前記応力履歴データベースに格納された前記履歴データ
   と前記疲労余裕評価手段で評価した結果とを入力し、前
   記車両車軸の余寿命を推定する余寿命推定手段とを具備
   した車両車軸の疲労監視装置。
7. 【請求項７】 前記疲労余裕評価手段は、前記累積応力
   計算手段で計算した重み付けした応力振幅値の累積値デ
   ータを入力し、前記疲労損傷データベースから疲労損傷
   の発生確率データを入力し、前記疲労損傷の発生確率デ
   ータ上での許容不可能な「疲労損傷の発生確率」の下限
   値を与える「重み付けした応力振幅値の累積値」から前
   記「応力累積計算手段で計算した重み付けした応力振幅
   値の累積値」を減算し、該減算値が正値の場合、「前記
   車軸は前記減算値分の疲労余裕がある」とし、前記減算
   値が零又は負値である場合、「前記車軸の疲労余裕はな
   し」と評価するものである請求項５または請求項６記載
   の車両車軸の疲労監視装置。
8. 【請求項８】 前記余寿命推定手段で推定した前記車両
   車軸の定期検査時における余寿命データを入力し、前記
   定期検査時から次回定期検査時までの推定累積走行距離
   を前記余寿命から減算した値が負値である場合、「前記
   車両車軸の保守が必要」と判定し、前記余寿命から前記
   推定累積走行距離を減算した値が零または正値である場
   合、「前記車両車軸の保守が不必要」と判定する保守判
   定手段とを具備した請求項６記載の車両車軸の疲労監視
   装置。
9. 【請求項９】 請求項１〜請求項８のいずれかに記載の
   フィルタリング手段として、前記応力計測手段で計測し
   た応力振幅値の中であって予め設定した前記入力データ
   数毎に、前記データ数分の中で最大の応力振幅値を持
   ち、且つ、前記車軸の疲れ限界より大きい応力のデータ
   を抽出するものを用いるようにした車両車軸の疲労監視
   装置。
10. 【請求項１０】 請求項５、請求項６、請求項８のいず
    れかに記載の重み付け手段として、車軸の疲れ限界を与
    える限界繰り返し回数を前記車軸疲労評価装置のフィル
    タリング手段で抽出し応力振幅値のサイクル寿命で除算
    し、前記除算した値を前記「抽出した応力振幅値」の重
    み値とし、前記重み値と前記「抽出した応力振幅値」と
    の積値を計算（重み付け）するものを用いるようにした
    車両車軸の疲労監視装置。