TW201732167A - 鐵道車輛之軸承監視裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之鐵道車輛之軸承監視裝置，係監視支承車體之台車之軸承，具備：收訊器，接收軸承溫度之資料、與該軸承之負載及旋轉速度中之至少一方之資料；及診斷器，在監視值超過可變閾值之情形時，判定為於該軸承產生異常，該監視值係自該收訊器所接收之軸承溫度之資料獲得之溫度值及溫度上升率之至少一方；該診斷器，在該負載及該旋轉速度中之至少一方之資料之值減少時，降低該可變閾值。

Description

鐵道車輛之軸承監視裝置
本發明係關於一種監視支承車體之台車之軸承的鐵道車輛之軸承監視裝置。
於鐵道車輛之台車，已知有如下之裝置(例如，參照專利文獻1)：檢測支承車軸之軸承之溫度，在該溫度超過基準值時，判斷為於軸承產生異常。此外，亦有如下之裝置(例如，參照專利文獻2)：將複數個軸承之各溫度平均值與1個軸承之溫度的相對溫度差與閾值進行比較，以偵測軸承之異常。
專利文獻1：日本特開平9-79915號公報
專利文獻2：日本特開2012-98253號公報
然而，根據軸承之使用狀況，而即使軸承無異常，亦有軸承容易升溫之情形與難以升溫之情形。因此，於專利文獻1之裝置中，當配合軸承容易升溫之使用狀況而將基準值設定為較大值時，在軸承難以升溫之使用狀況中，即使軸承開始產生異常，軸承溫度亦不超過基準值，而使異常偵測遲晚。另一方面，當配合軸承難以升溫之使用狀況而將基準值設定為較小值時，在軸承容易升溫之使用狀況中，於軸承正常地升溫時，軸承溫度便超過基準值，而誤偵測軸承之異常。此外，於專利文獻2之裝置 中，在複數個軸承同時過熱之情形時，由於各軸承之溫度平均值與1個軸承之溫度的相對溫度差不產生變化，而無法正確地偵測軸承之異常。
因此，本發明之目的在於無論鐵道車輛中之軸承之使用狀況為何，均使軸承異常之早期偵測與防止誤偵測可並存。
本發明之一態樣之鐵道車輛之軸承監視裝置，係監視支承車體之台車之軸承，具備：收訊器，接收軸承溫度之資料、與該軸承之負載及旋轉速度中之至少一方之資料；及診斷器，在監視值超過可變閾值之情形時，判定為於該軸承產生異常，該監視值係自該收訊器所接收之軸承溫度之資料獲得之溫度值及溫度上升率之至少一方；該診斷器，在該負載及該旋轉速度中之至少一方之資料之值減少時，降低該可變閾值。
根據該構成，在軸承之負載及旋轉速度中之至少一方之值減少而使軸承難以過熱之狀況中，藉由降低可變閾值，能夠早期偵測軸承之異常之溫度上升。另一方面，在軸承之負載及旋轉速度中之至少一方之值增加而使軸承容易過熱之狀況中，藉由提高可變閾值，能夠防止將軸承之正常之溫度上升誤偵測為異常。
根據本發明，無論鐵道車輛中之軸承之使用狀況為何，都能夠使軸承異常之早期偵測與防止誤偵測可並存。
1‧‧‧列車編成
10‧‧‧軸承監視裝置
11~14‧‧‧車輛
21~24‧‧‧車體
31F~34F、31R~34R‧‧‧台車
41F~44F、41R~44R‧‧‧軸承溫度感測器
51F~54F、51R~54R‧‧‧無線訊號發送機
61F、61R、63F、63R‧‧‧無線訊號接收機
71~74‧‧‧空氣彈簧
81、83‧‧‧資料處理裝置
91、93‧‧‧加速度感測器
101、103‧‧‧空氣彈簧壓力感測器
121、123‧‧‧箱體
201‧‧‧收訊部(收訊器)
202‧‧‧記憶部(記憶器)
203‧‧‧診斷部(診斷器)
BR‧‧‧軸承
圖1，係搭載有實施形態之鐵道車輛之軸承監視裝置的列車編成之模式圖。
圖2，係圖1所示之軸承監視裝置之方塊圖。
圖3，係圖2所示之軸承監視裝置之診斷處理之流程圖。
圖4(a)，係顯示監視值即溫度值之第1可變閾值與負載/旋轉速度之關係之圖；圖4(b)，係顯示監視值即溫度上升率之第2可變閾值與負載/旋轉速度之關係之圖。
圖5，係顯示特定之軸承負載及旋轉速度中的監視值之產生頻率之運用實績的分布之例。
以下，參照圖式說明實施形態。
圖1，係搭載有實施形態之鐵道車輛之軸承監視裝置10的列車編成1之模式圖。如圖1所示，列車編成1，具備第1車輛11、與第1車輛11鄰接之第2車輛12、與第2車輛12鄰接之第3車輛13、及與第3車輛13鄰接之第4車輛14。列車編成1，係該等車輛11~14透過連結器C串聯連接而成。另外，於圖1中，雖僅圖示5輛以上之編成的4輛，但編成之車輛之數量並不限於此。
第1車輛11，具有第1車體21、及靠近第1車體21之長邊方向之兩端部配置並支承第1車體21之一對第1台車31F、31R。第2車輛12，具有第2車體22、及靠近第2車體22之長邊方向之兩端部配置並支承第2車體22之一對第2台車32F、32R。第3車輛13，具有第3車體23、及靠近第3車體23之長邊方向之兩端部配置並支承第3車體23之一對第3台車33F、33R。第4車輛14，具有第4車體24、及靠近第4車體24之長邊方向之兩端部配置並支承第4車體24之一對第4台車34F、34R。於第1~第4車輛11~14中，在介於各車體21~24與各台車31F~34F、31R~34R 之間分別設有第1~第4空氣彈簧71~74。
於列車編成1，搭載鐵道車輛之軸承監視裝置10。軸承監視裝置10，係監視各台車31F~34F、31R~34R之軸箱BX內之軸承BR之溫度、負荷載重(以下，簡稱負載)及旋轉速度、偵測軸承BR之異常的裝置。軸承監視裝置10，具備第1~第4軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R、第1~第4無線訊號發送機51F~54F、51R~54R、第1及第2無線訊號接收機61F、61R、63F、63R、內藏有第1及第2加速度感測器91、93(狀態感測器)之第1及第2資料處理裝置81、83、第1及第2空氣彈簧壓力感測器101、103(狀態感測器)、及第1及第2環境氣氛溫度感測器111、113。
第1~第4軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R，分別設於第1~第4台車31F~34F、31R~34R之各軸箱BX，以檢測軸箱BX內之軸承BR之溫度。亦即，每一台車設置4個軸承溫度感測器，以檢測各台車之所有的軸承之溫度。各軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R，接觸軸承BR以直接檢測軸承BR之溫度。但是，各軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R，亦可不接觸軸承BR而接觸軸箱BX，藉由檢測軸箱BX之溫度而間接檢測軸承BR之溫度。
第1~第4無線訊號發送機51F~54F、51R~54R，以分別對應第1~第4軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R之方式設置於各軸箱BX，將包含以各軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R檢測出之溫度資訊的感測器訊號分別進行無線發送。本實施形態中，無線訊號發送機與軸承溫度感測器一起被收納於相同箱體內且該箱體安裝於軸箱，從而使每一台車之無線訊號發送機之數量與軸承溫度感測器同樣為4個。
第1無線訊號接收機61F、61R，於第1車體21之前部及後部各設置1個，第2無線訊號接收機63F、63R，於第3車體23之前部及後部各設置1個。無線訊號接收機每隔一輛設置，於第2車輛12及第4車輛14，未設置有無線訊號接收機。亦即，列車編成1，係設置有無線訊號接收機之車輛每隔一輛連結而成。第1無線訊號接收機61F，設於第1車體21之一端部之下部，第1無線訊號接收機61R，設於第1車體21之另一端部之下部。第2無線訊號接收機63F，設於第3車體23之一端部之下部，第2無線訊號接收機63R，設於第3車體23之另一端部之下部。
第1無線訊號接收機61F，接收自4個無線訊號發送機51F發出之感測器訊號。第1無線訊號接收機61R，接收自4個第1無線訊號發送機51R及4個第2無線訊號發送機52F發出之感測器訊號。亦即，第1無線訊號接收機61R，接收自身車輛之第1台車31R之各感測器訊號、與鄰接車輛之第2台車32F之各感測器訊號。第2無線訊號接收機63F，亦接收自4個第2無線訊號發送機52R及4個第3無線訊號發送機53F發出之感測器訊號。第2無線訊號接收機63R，亦接收自4個第3無線訊號發送機53R及4個第4無線訊號發送機54F發出之感測器訊號。
第1資料處理裝置81，設於第1車體21，第2資料處理裝置83，設於第3車體23。於第2車輛12及第4車輛14，並未設置資料處理裝置。亦即，資料處理裝置，設於與設有連接該資料處理裝置之無線訊號接收機的車輛相同之車輛。第1資料處理裝置81，透過訊號線與第1無線訊號接收機61F、61R連接。第2資料處理裝置83，透過訊號線與第2無線訊號接收機63F、63R連接。第1及第2資料處理裝置81、83中所保存之 資料可從外部存取，例如，第1及第2資料處理裝置81、83，構成為可透過未圖示之訊號線或記錄媒體等將該資料取出。
第1資料處理裝置81，具有安裝於第1車體21之箱體121，且配置於第1車體21之地板下。第2資料處理裝置83，具有安裝於第3車體23之箱體123，且配置於第3車體23之地板下。根據此方式，由於在接近軸承溫度感測器41F~44F、41R~44R與空氣彈簧壓力感測器101、103之兩方的位置設置資料處理裝置81、83，因此能夠降低裝置成本及設置作業，並且亦能夠提高通訊穩定性。此外，在第1資料處理裝置81之箱體121，收容第1加速度感測器91，在第2資料處理裝置83之箱體123，收容第2加速度感測器93。藉此，能夠減少加速度感測器91、93之配線，且降低裝置成本及設置作業。加速度感測器91、93，檢測車輛長邊方向之加速度、即車輛行進方向之加速度。如以下所述，加速度感測器91、93，在第1及第2資料處理裝置81、83中使用於算出各台車31F~34F、31R~34R之各軸承BR之旋轉速度。
第1空氣彈簧壓力感測器101，設於第1車體21，檢測設於第1車體21與第1台車31F之間的第1空氣彈簧71之內壓值。第2空氣彈簧壓力感測器103，設於第3車體23，檢測設於第3車體23與第3台車33F之間的第3空氣彈簧73之內壓值。第1空氣彈簧壓力感測器101，與第1資料處理裝置81連接，第2空氣彈簧壓力感測器103，與第2資料處理裝置83連接。如以下所述，第1空氣彈簧壓力感測器101，在第1資料處理裝置81中使用於算出第1台車31F、31R之各軸承BR之負載。第2空氣彈簧壓力感測器103，在第2資料處理裝置83中使用於算出第3台車33F、33R 之各軸承BR之負載。
如上所述，使用於算出軸承BR之旋轉速度及負載的各感測器91、93、101、103，設於車體而非台車，因此無需將該等感測器91、93、101、103安裝於各個軸承BR，且無需將該等感測器91、93、101、103與資料處理裝置81、83之間的訊號線配置於台車，能夠降低裝置成本及設置作業。
第1及第2環境氣氛溫度感測器111、113，分別與第1及第2資料處理裝置81、83連接，檢測列車編成1車外之環境氣氛溫度。第1及第2環境氣氛溫度感測器111、113，例如，透過第1及第2資料處理裝置81、83之箱體121、123配置於第1及第2資料處理裝置81、83之下方。以如此方式，使環境氣氛溫度感測器111、113充分地從車體21、23之地板往下方分離，且在車體21、23與環境氣氛溫度感測器111、113之間設置資料處理裝置81、83，因此能夠抑制自車體21、23輻射出之熱對環境氣氛溫度感測器111、113之熱影響。
圖2係圖1所示之軸承監視裝置10之方塊圖。另外，軸承監視裝置10中，搭載於第1車輛11之構成與搭載於第3車輛13之構成實質上相同，因此圖2中作為代表而針對搭載於第3車輛13之構成進行說明。如圖2所示，資料處理裝置83，在其箱體123內具有資料處理單元200及加速度感測器93。資料處理單元200，具有處理器、揮發性記憶體、非揮發性記憶體及I/O介面等。資料處理單元200，具有收訊部201、記憶部202、診斷部203及輸出部204。收訊部201及輸出部204，藉由I/O介面實現。記憶部202，藉由揮發性記憶體及非揮發性記憶體實現。診斷部203，依照 保存於非揮發性記憶體之程式藉由處理器使用揮發性記憶體進行演算處理來實現。
收訊部201，接收無線訊號接收機63F、63R自無線訊號發送機52R、53F、53R、54F所接收之16個軸承BR之各溫度之資訊。此外，收訊部201，自加速度感測器93接收車輛行進方向之加速度資料。此外，收訊部201，自空氣彈簧壓力感測器103接收空氣彈簧73之內壓值資料。此外，收訊部201，自環境氣氛溫度感測器113接收車外之環境氣氛溫度資料。記憶部202，保存收訊部201接收之各資料。診斷部203，根據保存於記憶部202之各資料來診斷4個台車32R、33F、33R、34F之所有的軸承BR之狀態。輸出部204，將以診斷部203所判定的結果藉由既定之態樣(例如，送訊、顯示、警告音)輸出。
圖3，係圖2所示之軸承監視裝置10之診斷處理之流程圖。如圖2及圖3所示，首先，診斷部203，自收訊部201所接收的各軸承溫度資料，算出用於監視各軸承BR之狀態的監視值(步驟S1)。具體而言，診斷部203，算出自收訊部201所接收的各軸承溫度Tn(n為1~16之整數)減去環境氣氛溫度感測器113所檢測出之環境氣氛溫度T0而得到之各溫度值△Tn以作為第1監視值。藉此，能夠防止因環境氣氛溫度之變動而使異常偵測之精度降低。此外，診斷部203，算出收訊部201所接收的各軸承溫度Tn之正的時間變化率即各溫度上升率(d/dt)．△Tn以作為第2監視值。
接著，診斷部203，使用空氣彈簧壓力感測器103所檢測出的空氣彈簧73之內壓值P算出各軸承BR所承受的鉛直方向之負載F(步驟S2)。具體而言，診斷部203，係藉由以下之式1算出軸承BR之負載F。其 中，A為空氣彈簧之受壓面積，W為台車之中介於空氣彈簧與軸承之間的構件之重量。
F=(P．A+W/2)/2‧‧‧‧‧(式1)
如上述，自空氣彈簧71、73之內壓值算出施加於各軸承BR之負載，因此能夠無需如習知般於各軸承BR安裝應變計，且減少裝置成本及設置作業。此時，考量各車輛11~14之空氣彈簧71~74之各內壓值之差異小，因此，未搭載資料處理裝置81、83之第2及第4車輛12、14之空氣彈簧72、74之內壓值，可以第1及第3車輛11、13之空氣彈簧71、73之內壓值代用。例如，於第2車輛12之各空氣彈簧72之中第1車輛11側之空氣彈簧72之內壓值，使用第1車輛11之空氣彈簧71之內壓值，於第2車輛12之各空氣彈簧72之中第3車輛13側之空氣彈簧72之內壓值，使用第3車輛13之空氣彈簧73之內壓值，藉此，能夠防止車輛間之配線增加，且減少裝置成本及設置作業。
接著，診斷部203，自加速度感測器93所檢測出之車輛行進方向之加速度Acc算出軸承BR之旋轉速度N(步驟S3)。具體而言，診斷部203，藉由以下之式2算出軸承BR之旋轉速度N。其中，D為台車之車輪直徑，π為圓周率。如上述，自設置於車體之加速度感測器93所檢測出的加速度算出軸承BR之旋轉速度N，因此能夠減少車體與台車之間的配線，且減少裝置成本及設置作業。
N=∫ Acc．dt/(π D)‧‧‧‧‧(式2)
接著，診斷部203，判定第1監視值(溫度值△Tn)是否為固定閾值THX1、THX2(THX1<THX2)以下，且判定第2監視值(溫度上升率(d/dt)． △Tn)是否為固定閾值THY1、THY2(THY1<THY2)以下(步驟S4)。具體而言，診斷部203，在判定溫度值△Tn超過固定閾值THX1，且該判定為既定轉速或既定時間以上的情形(步驟S5)時，判定為輕度異常並自輸出部204進行通知輕度異常之輸出(步驟S6)，並於記憶部202進行其記錄(步驟S10)。診斷部203，在判定溫度值△Tn超過固定閾值THX2，且該判定為既定轉速或既定時間以上的情形(步驟S5)時，判定為重度異常並自輸出部204進行通知重度異常之輸出(步驟S6)，並於記憶部202進行其記錄(步驟S10)。
此外，同樣地，診斷部203，在判定溫度上升率(d/dt)．△Tn超過固定閾值THY1/THY2，且該判定為既定轉速或既定時間以上的情形(步驟S5)時，判定為輕度/重度異常，自輸出部204進行通知異常之輸出(步驟S6)，並於記憶部202進行其記錄(步驟S10)。如上述，在以步驟S4~S6進行了利用固定閾值進行異常偵測的情形時，不進行下述之監視值與可變閾值的比較(步驟S7)而直接至步驟S10。
步驟S4中，在溫度值及溫度上升率之兩方被判定為均未超過固定閾值的情形時，診斷部203，判定第1監視值(溫度值△Tn)是否為第1可變閾值THa以下，且判定第2監視值(溫度上升率(d/dt)．△Tn)是否為第2可變閾值THb以下(步驟S7)。
如圖4(a)所示，溫度值用之第1可變閾值THa，設定為隨著軸承BR之負載F減少而減少，且設定為隨著軸承BR之旋轉速度N減少而減少。如圖4(b)所示，溫度上升率用之第2可變閾值THb，亦設定為隨著軸承BR之負載F減少而減少，且設定為隨著軸承BR之旋轉速度N減少而減少。於可變閾值THa、THb之設定時，就每一特定之軸承負載及旋轉速度作 成顯示事先使列車編成1實際行走而獲得之監視值(溫度值/溫度上升率)之產生頻度之運用實績的分布，將從監視值之產生頻度中σ~3 σ之範圍選出之值決定為可變閾值THa、THb。
另外，可變閾值THa、THb，可以三維圖表保存於記憶部202，亦可藉由以軸承之負載及旋轉速度作為輸入之演算式求出。此外，雖例示可變閾值THa、THb係隨著負載F/旋轉速度N減少而呈一維函數狀減少，但亦可呈非線性函數狀減少，或階段狀減少。亦即，可變閾值THa、THb，只要設定為負載F/旋轉速度N與第1值時相比第2值時較小之值即可。
步驟S7中，診斷部203，在判定第1監視值(溫度值△Tn)超過第1可變閾值THa，且該判定為既定轉速或既定時間以上的情形(步驟S8)時，判定為輕度異常，自輸出部204進行通知輕度異常之輸出(步驟S9)，並於記憶部202進行其記錄(步驟S10)。此外，同樣地，在步驟S7中，診斷部203，在判定第2監視值(溫度上升率(d/dt)．△Tn)超過第2可變閾值THb，且該判定為既定轉速或既定時間以上的情形(步驟S8)時，亦判定為輕度異常，自輸出部204進行通知異常之輸出(步驟S6)，並於記憶部202進行其記錄(步驟S10)。
如上述，診斷部203，在軸承BR之負載F/旋轉速度N減少而軸承BR難以過熱之狀況中，藉由降低可變閾值THa、THb，能夠早期偵測軸承BR之異常的溫度上升。另一方面，在軸承BR之負載F/旋轉速度N增加而軸承BR容易過熱之狀況中，藉由提高可變閾值THa、THb，能夠防止誤偵測軸承BR之正常的溫度上升。此外，診斷部203，由於在溫度 值或溫度上升率之任一方超過可變閾值之階段判定異常產生，因此能夠更早期偵測軸承BR之異常的溫度上升。例如，即使溫度值未超過可變閾值，但溫度上升率超過可變閾值之情形時，能夠偵測異常，與僅監視溫度值之情形相比，能夠早期偵測故障之預兆。
另外，本發明並不限定於上述實施形態，可變更、追加、或刪除其構成。在上述實施形態中，雖每隔一車輛設置1個空氣彈簧壓力感測器，算出一對台車之各空氣彈簧之內壓值，但亦可於每個空氣彈簧設置空氣彈簧壓力感測器。在第1及第3車輛之資料處理裝置中，雖構成為不輸入第2及第4車輛之空氣彈簧之實際的內壓值資料，但亦可構成為將第2及第4車輛之空氣彈簧之內壓值資料分別以有線或無線之方式輸入至第1及第3車輛之兩資料處理裝置。加速度感測器，雖就每一資料處理裝置設置，但亦可於列車編成設置1個加速度感測器，各資料處理裝置共用該加速度感測器所檢測出之加速度資訊。環境氣氛溫度感測器，亦可收容於資料處理裝置之箱體。環境氣氛溫度感測器，亦可於資料處理裝置之箱體內配置於資料處理單元之下方。監視值，亦可僅為溫度值或溫度上升率之一方。此外，溫度值，亦可為軸承溫度本身。診斷部203，亦可構成為不設於資料處理裝置而設於車輛之外部(例如，遠隔設置)，並與資料處理裝置進行通訊。
52R、53F、53R、54F‧‧‧無線訊號發送機
63F、63R‧‧‧無線訊號接收機
83‧‧‧資料處理裝置
93‧‧‧加速度感測器
103‧‧‧空氣彈簧壓力感測器
113‧‧‧環境氣氛溫度感測器
123‧‧‧箱體
201‧‧‧收訊部(收訊器)
202‧‧‧記憶部(記憶器)
203‧‧‧診斷部(診斷器)
204‧‧‧輸出部

Claims (4)

  1. 一種鐵道車輛之軸承監視裝置，係監視支承車體之台車之軸承，具備：收訊器，係接收軸承溫度之資料、與該軸承之負載及旋轉速度中之至少一方之資料；及診斷器，係在監視值超過可變閾值之情形時，判定為於該軸承產生異常，該監視值係自該收訊器所接收之軸承溫度之資料獲得之溫度值及溫度上升率之至少一方；該診斷器，在該負載及該旋轉速度中之至少一方之資料之值減少時，降低該可變閾值。
  2. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛之軸承監視裝置，其中，該可變閾值，包含第1可變閾值與第2可變閾值；該診斷器，在該溫度值超過該第1可變閾值的第1條件、及該溫度上升率超過該第2可變閾值的第2條件之至少一方之條件成立的情形時，判定為於該軸承產生異常。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之鐵道車輛之軸承監視裝置，其中，該診斷器，亦在該監視值超過固定閾值的情形時，判定為於該軸承產生異常；該診斷器，在該監視值超過該可變閾值的情形時，判定為輕度異常，在該監視值超過該固定閾值的情形時，判定為重度異常。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之鐵道車輛之軸承監視裝置，其中，該收訊器，接收環境氣氛溫度之資料；該診斷器，算出自該軸承溫度減去該環境氣氛溫度後之值作為該溫度 值。
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