WO2014175092A1 - 振動測定ユニットおよびこれを用いた振動測定システム - Google Patents

振動測定ユニットおよびこれを用いた振動測定システム Download PDF

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WO2014175092A1
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vibration
vibration measurement
transmission
reception unit
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伊藤浩義
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Ntn株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis

Definitions

  • the present invention relates to a vibration measurement unit used for vibration measurement for detecting an abnormality of an axle bearing in a railway vehicle and a vibration measurement system using the vibration measurement unit.
  • thermo label whose color changes with a rise in temperature is attached to an axle bearing, and an operator visually confirms the color of the thermo label when the vehicle is stopped.
  • a temperature sensor is provided on an axle bearing, and a detection signal is transmitted wirelessly and monitored by a driver's seat monitor (for example, Patent Document 1).
  • an axle bearing is equipped with a temperature sensor and a vibration sensor and an IC tag for recording the detection result, and a tag reader is provided beside the track to read the recorded content of the IC tag when passing through the vehicle (for example, Patent Document 2).
  • the abnormality detection system of Patent Document 1 is very excellent in that it can monitor the abnormality of the axle bearing at the driver's seat during vehicle operation.
  • the vehicle operation may be hindered and safety is low.
  • the system configuration is excessive and expensive compared to the necessity, and the abnormality determination is performed only by the temperature. Therefore, it cannot be said that the abnormality detection accuracy is sufficient.
  • the data logger has wireless communication means, and a recording start command is transmitted wirelessly from the simultaneous storage start command means to each data logger of a train in a row.
  • the object of the present invention is that simultaneous measurement by a plurality of vibration measurement units is possible, it is easy to know the state of the rotation speed of the measurement object at the time of measurement, and it can be measured at a place where vibration measurement can be effectively performed on the measurement object.
  • the simultaneous measurement start command can also be received at a place where wireless communication is easy to perform, and vibration measurement data collected over a certain period of time can be recorded. It is to provide a transmission / reception unit set and a vibration measurement system.
  • this embodiment is an example applied to a vibration measurement system that measures vibration of an axle bearing of a railway vehicle.
  • this vibration measurement system is provided as a set with a plurality of vibration measurement units 4 that are detachably fixed to the axle box 3 of each axle bearing 2 of the railway vehicle 1 and these vibration measurement units 4.
  • a transmission / reception unit 5 and a simultaneous measurement start command transmitter 6 provided at a driver's seat or the like on a train of one row composed of a plurality of vehicles 1 are configured.
  • the vibration measurement unit 4 and the transmission / reception unit 5 constitute a signal measurement / transmission / reception unit set 7.
  • Analysis of vibration measurement data and determination of abnormality are performed by a vibration analysis device 8 such as a personal computer at an arbitrary place away from the train.
  • the vibration measurement unit 4 is a card writer capable of recording by holding a holder 12 detachably fixing the case 11 to a measurement object, a vibration sensor 13 and a card type recording medium 14 in the case 11. 15, a connector 17 connected to the transmission / reception unit 5 by a cable 16 or the like, a control circuit 18, and a power source 19.
  • the fixture 12 is made of a permanent magnet or the like.
  • the power source 19 includes a battery 19a and a power circuit 19b.
  • the control circuit 18 is a circuit that causes the vibration sensor 13 to start vibration measurement in response to a measurement start command given from the transmission / reception unit 5 and to record the vibration measurement data on the card type recording medium 14 by the card writer 15.
  • the transmission / reception unit 5 is attachable to and detachable from the measurement object by the relay means 33 that receives the simultaneous measurement start command wirelessly transmitted from the simultaneous measurement start command transmitter 6 and transmits it to the vibration measurement unit 4 by wire. It has a fixture 32 made of a permanent magnet or the like to be fixed.
  • the simultaneous measurement start command transmitter 6 includes a case 61, a measurement start switch 63 that transmits the simultaneous measurement start command when input is performed, a display unit 64 including an LED lamp or a liquid crystal display device, and a control circuit 65. And a fixture 62 made of a permanent magnet or the like.
  • the vibration measurement for detecting the abnormality of the axle bearing 2 is performed by using the vibration measurement unit 4 during maintenance inspection other than during vehicle operation.
  • the vibration measurement unit 4 is installed on each axle bearing 2 in each vehicle 1 of the train, or installed on a member that supports the axle bearing 2, and measures the vibration of each axle bearing 2, and the measured vibration data is stored in a card-type recording medium. 14 is recorded. Furthermore, it has a transmission / reception unit 5 and a simultaneous measurement start command transmitter 6 as wireless communication means for simultaneously starting vibration measurement of the axle bearings 2 when the vehicle reaches a constant traveling speed.
  • vibration measurement data of each axle bearing 2 is recorded on the card type recording medium 14, vibration measurement data collected over a certain period of time can be obtained. Further, it is necessary to know the bearing rotational speed for the analysis of the vibration measurement data, but the rotational speeds of all the axle bearings 2 at the start of the measurement have the same value and are easily understood with high accuracy.
  • the vibration measurement unit 4 and the transmission / reception unit 5 are individually provided and connected to each other by a communication cable 16.
  • the units 4 and 5 can be attached to and detached from the bearing 2 and the vehicle body 1a, which are measurement objects, by fixtures 12 and 32 made of permanent magnets. 4).
  • the simultaneous measurement start command transmitter 6 is arranged in the cab, and the communication cable 47 is taken out from the window or door of the vehicle and connected to the transmission / reception unit 5A.
  • the transmission / reception unit 5A is detachably installed on the body of the vehicle 1 with a permanent magnet. 5.
  • FIG. 5A to FIG. 5D show the configuration of the vibration measurement unit 4.
  • 5A and 5B show the external appearance
  • FIG. 5C shows a VC-VC cross section of FIG. 5A.
  • FIG. 5D shows a VD-VD cross section of FIG. 5C.
  • a fixture 12 made of a permanent magnet is attached to one end of the case 11 with a screw 21.
  • the permanent magnet is preferably a rare earth type having a high magnetic flux density, and Nd type and Sm type can be used.
  • the permanent magnet 12 is fixed to a holder 12a made of a magnetic material. Thereby, the leakage of the magnetic flux of the permanent magnet is reduced and the attractive force is increased.
  • the case 11 includes a case body formed in a box shape and a lid 11b.
  • a substrate 22 is fixed in the case 11 with a screw 23, and a battery holder (not shown), a power push button switch 24, a vibration sensor 13, a power circuit 19b, a control circuit 18, a card writer 15, an internal memory are mounted on the surface of the substrate 22. (Not shown) or the like is attached.
  • a battery 19a is attached to the battery holder.
  • the card writer 15 has a card slot and is attached so that the card type recording medium 14 can be inserted and removed.
  • the card type recording medium 14 for example, a micro SD card is used.
  • the storage capacity of the card type recording medium 14 is not limited, but is selected according to the amount of measurement data.
  • As the battery 19a it is desirable to use a lithium thionyl chloride battery having the highest voltage among the primary batteries and suitable for long-term use.
  • the vibration sensor 13 various acceleration sensors can be used, and it is desirable that the vibration sensor 13 be disposed on the substrate 22 at a position closer to the fixture 12 made of a permanent magnet, that is, closer to the measurement object.
  • the types of acceleration sensors that can be used for the vibration sensor 13 include a piezoresistive type, a capacitance type, a strain gauge type, a piezoelectric type, and an electrodynamic type. Since the natural frequency of the bearing is generally 1 kHz to 20 kHz, the measurable range of the acceleration sensor used for the vibration sensor 13 should be selected accordingly, and then the frequency range should be limited by a bandpass filter.
  • the push button switch 24 is provided with a through hole on one surface, for example, the front surface of the case 11 so that it can be operated from the outside of the case 11. Furthermore, in order to prevent water from entering from the outside, the through hole is closed with a flexible transparent film seal (not shown). Therefore, the operation of the push button 24 is performed from above the flexible transparent film seal.
  • the power supply circuit 19b includes a voltage conversion circuit (not shown) for supplying the power of the battery 19a to the control circuit 18, the acceleration sensor 13, and the like.
  • the control circuit 18 includes a transmission / reception circuit, a measurement start circuit, a microcomputer, a memory, a circuit for recording on the card type recording medium 14, and the like.
  • the card type recording medium 14 is provided with a through hole 25 on one side surface of the case 11 so that it can be mounted and removed.
  • the through hole 25 is closed by a door 26 that can be opened and closed. It is desirable to attach a seal packing (not shown) such as elastic rubber to the door 26.
  • the door 26 is fixed to the case 11 with a screw 27 with a shoot in the closed state.
  • an individual identification number for each axle box or bearing number to be measured is stored, and the individual identification number is card type together with the measurement data for each axle box (bearing). Write to the recording medium 14.
  • the vibration analysis apparatus 8 In order to capture the data recorded on the card type recording medium 14 into the vibration analysis apparatus 8 (FIG. 1) composed of a personal computer or the like, it is convenient to use an SD card hub that can be connected to a USB port.
  • the measurement data recorded on the card-type recording medium 14 is automatically erased from the measurement data measured last time when it is attached to the vibration measurement unit 4 at the next vibration measurement.
  • FIG. 6A to 6D show the configuration of the transmission / reception unit 5.
  • 6A and 6B show the external appearance, and a VIC-VIC cross section of FIG. 6A is shown in FIG. 6C.
  • FIG. 6D shows a VID-VID cross section of FIG. 6C.
  • a fixture 32 made of a permanent magnet is attached to one end of the case 31 with a screw 40.
  • the permanent magnet is preferably a rare earth system having a high magnetic flux density, and an Nd system or an Sm system can be used.
  • the permanent magnet is fixed to a holder 32a made of a magnetic material. Thereby, the leakage of the magnetic flux of the permanent magnet is reduced and the attractive force is increased.
  • the case 31 is formed in a box shape and is provided with a lid 11b that can be opened and closed.
  • the substrate 34 is fixed with screws 35 in the case 31, and wireless communication means (such as a ZigBee module) serving as the relay means 33 is attached to the surface of the substrate 34.
  • An antenna cable 37 is connected to the external antenna 36 from this wireless communication means.
  • the external antenna body 36 a of the external antenna 36 is attached to a through hole provided on one side surface of the case 31. In order to prevent the penetration of water from the outside, it is desirable to close the gap with a caulking agent or the like.
  • a connector 38 for connecting the cable 16 is attached to one side surface of the case 31, and a signal and power supply wire are connected between the connector 38 and the substrate 34.
  • the cables 16 and 37 are preferably shielded wires.
  • the power of the ZigBee module which is the wireless communication means of the relay means 33, is supplied from the power supply circuit 19b of the vibration measurement unit 4.
  • FIG. 3 and 4 show simplified diagrams around the bogie of each train vehicle 1.
  • FIG. 3 shows an appearance viewed from the traveling direction
  • FIG. 4 shows the IV-IV plane of FIG.
  • the axle box 3 is installed on the lower surface of the carriage 41, and the axle 42 is supported by the axle bearing 2 in the axle box 3.
  • the wheels 43 fixed to both ends of the axle 42 travel on the rail 44.
  • the vibration measuring unit 4 is fixed to the bolt head of the hexagonal bolt 45 of the axle box 3 by a fixing tool 12 (FIGS. 5A to 5D) made of a permanent magnet, and the transmitting / receiving unit 5 is fixed to the outside of the body 1a.
  • the hexagon bolt 46 protrudes in a part of the outer surface of the body 1a in the same manner as described above, and may be fixed to the bolt head. The two are connected by a cable 16 via connectors 17 and 38.
  • an aluminum alloy is often used as the material of the axle box 3, so a hexagonal bolt 45 is attached for attaching the vibration measuring unit 4 for vibration measurement.
  • the cable 16 is electrically connected between the vibration measurement unit 4 and the transmission / reception unit 5, and power is supplied from the vibration measurement unit 4 to the transmission / reception unit 5.
  • a simultaneous measurement start command signal is transmitted from the transmission / reception unit 5 to the vibration measurement unit 4, and then an answer back signal is transmitted from the vibration measurement unit 4 to the transmission / reception unit 5.
  • the answer back signal is transmitted by the control circuit 18 (FIGS. 1, 5C, and 5D).
  • FIG. 2 the figure which looked at a part of the head vehicle of the train in the Shinkansen from the side is shown.
  • the vibration measurement unit 4 attached to the bolt head of the hexagon bolt 45 of the axle box 3 shown in FIGS. 3 and 4
  • the transmission / reception unit 5 attached to the bolt head of the hexagon bolt 46 outside the body 1a.
  • the state where the cable 16 is connected is shown from the outside of the body 1a.
  • one end of a cable 47 is connected to the simultaneous measurement start command transmitter 6 disposed in the cab, and the other end is taken out from the window 49 of the cab door 48 to the outside of the body, and is attached to the outside of the body 1a. Shows the connected state.
  • This transmission / reception unit 5A is used as a pair with the simultaneous measurement start command transmitter 6, and transmits the simultaneous measurement start command to the transmission / reception unit 5 on each vibration measurement unit 4 side.
  • the cable 47 may be opened manually by opening the cab door 48.
  • this figure showed a part of head vehicle, the relationship between the vibration measurement unit 4 and the transmission / reception unit 5 performs the same attachment also about another part.
  • FIG. 7 shows the external appearance of the simultaneous measurement start command transmitter 6.
  • a measurement start switch 63 composed of a push button switch for transmitting a simultaneous measurement start command is attached to the case 61 of the transmitter main body, and corresponds to the layout of the axle box 3 arranged on the train 1.
  • a figure (layout) 64b showing the layout of the axle box 3 is applied to the case 61 of the transmitter body, and the LED lamp 64a is arranged in the layout 64b in accordance with the layout of the axle box 3 in the figure. .
  • a measurer in the driver's cab presses the measurement start switch 63 to start simultaneous measurement from the simultaneous measurement start command transmitter 6 by the processing of the control circuit 65 (FIG. 1).
  • a command is transmitted, and each transmission / reception unit 5 receives this command, and vibration measurement by each vibration measurement unit 4 is started.
  • One vehicle has eight axle boxes 3 in this example, and in the case of one train of eight vehicles, there are a total of 64, and the LED lamps 64a correspond to each.
  • the LED lamp 64a is turned on by the processing of the control circuit 65 upon receiving an answer back signal that is transmitted when each transmission / reception unit 5 normally receives the simultaneous measurement start command signal. Therefore, if transmission / reception is performed normally, all the LED lamps 64a corresponding to all parts of the axle box are turned on.
  • the simultaneous measurement start command transmitter 6 of this example is attached with a cable 47 and a connector 66 that are connected to the right and left transmission / reception units 5A of the train 1.
  • Simultaneous measurement start command signal Simultaneous measurement start command transmitter 6- (wired) ⁇ transmission / reception unit 5A- (wireless) ⁇ transmission / reception unit 5- (wired) ⁇ vibration measurement unit 4
  • Answer back signal Vibration measurement unit 4- (wired) ⁇ transmission / reception unit 5- (wireless) ⁇ transmission / reception unit 5A- (wired) ⁇ simultaneous measurement start command transmitter 6
  • FIG. 8 shows an example in which a wireless communication antenna 68 is integrally connected to the simultaneous measurement start command transmitter 6.
  • the simultaneous measurement start command transmitter 6 in this example is used when wirelessly communicating with the transmission / reception unit 5A attached to the outside of the body through the window glass of the cab door. Or it can be used when the window of the cab door is opened and the antenna 68 is directed to the outside to communicate wirelessly with the transmission / reception unit 5A attached to the outside of the body.
  • a simultaneous measurement start command transmitter 6 for the right side and the left side is necessary.
  • the lighting of the LED lamp 64a and the layout 64b are the same as in the embodiment of FIG. Note that the simultaneous measurement start command signal may be transmitted from the transmitter to each of the transmission / reception units in parallel or serially.
  • vibration measurement data recorded on a card-type recording medium 14 such as a micro SD card is stored in a recording device inside a personal computer that constitutes the vibration analysis device 8 by distinguishing each bearing 2.
  • This bearing abnormality detection is used for the purpose of detecting the separation phenomenon of each part of the bearing 2, and based on the bearing rotational speed obtained from the vehicle traveling speed, the generation period of forced (impact) vibration of each part of the bearing is calculated and vibration is detected.
  • a database is created in a recording device inside the analysis device 8. As shown below, the calculation is divided into the vibration frequency of the bearing inner ring, the vibration frequency of the bearing outer ring, and the vibration frequency of the bearing rolling element.
  • Inner ring vibration frequency z * fri * ((Dp + (dw * cos ⁇ )) / (2 * Dp)) (2) Outer ring vibration frequency: z * fri * ((Dp- (dw * cos ⁇ )) / (2 * Dp)) (3) Rolling body vibration frequency: fri * (((Dp ⁇ 2)-((dw ⁇ 2) * (cos ⁇ ⁇ 2))) / (Dp * dw))
  • z number of rolling elements
  • fri rotational speed
  • Dp pitch circle diameter
  • dw rolling element diameter
  • ⁇ contact angle
  • the vibration measurement data is taken into the vibration analyzer 8 and then subjected to processing such as a band pass filter and a low pass filter ⁇ envelope processing ⁇ FFT analysis, etc., and compared with the frequency of each database. If any of the above frequency components is confirmed, it is determined that the bearing is abnormal, and an abnormal (or NG) display is performed on the screen of the display device of the vibration analysis device 8. Display on the screen of the vibration analysis device 8 is performed for each axle box of the vehicle, and by clicking an abnormal (or NG) icon, details of vibration data of the bearing are displayed. If normal, normal (or OK) is displayed. Further, in order to confirm the degree of bearing separation, it is preferable to confirm the peak value of the waveform, the crest factor (ratio of the peak value of the vibration waveform to the effective value), and the like.
  • the relationship between the magnitude of peeling and the crest factor needs to be correlated in advance to determine the threshold value. If an abnormality does not occur in the same bearing, it may be used continuously and compared with the previous vibration data at the next inspection and measurement to check the bearing vibration history. Although shown as a reference example, instead of recording vibration measurement data on a card-type recording medium 14 such as a MicroSD card, the vibration analysis data may be taken into the vibration analyzer 8 by wireless communication.
  • the measured vibration data is recorded on a card-type recording medium 14 such as an internal MicroSD card together with an individual identification number for each axle box 3 or vibration measurement unit 4, so that it is taken into a personal computer serving as the vibration analyzer 8. No mistakes will occur in the subsequent data processing. 5.
  • the measured vibration data is recorded on a card-type recording medium 14 mounted inside the vibration measurement unit 4, so that no external recording means (such as a data logger) is used and no signal cable or the like is required. Compact and easy to work with. 6).
  • FFT is performed in order to calculate the frequency caused by damage in each part such as the outer ring, inner ring, and rolling element of the bearing 2 by calculation from the traveling speed of the vehicle, and create a database inside the personal computer serving as the vibration analysis device 8.
  • the abnormality of each axle bearing 2 in each vehicle 1 of the train can be accurately diagnosed, and the rotational speed at the time of vibration measurement of each axle bearing 2 for performing the diagnosis can be accurately and easily known. it can. Therefore, it can be an excellent abnormality detection system for railway vehicle bearings.
  • the vibration measurement unit 4 can be detachably attached to the measurement target portion of the vehicle 1 by a fixing tool 12 made of a permanent magnet, so that measurement preparation and clean-up can be performed quickly.
  • measurement data can be recorded on the card-type recording medium 14 inserted in the vibration measurement unit 4, an external data recorder or the like is not necessary.

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Abstract

　複数の振動測定ユニットによる同時測定が可能で、測定時の回転速度が知り易く、かつ測定対象物における効果的に振動測定できる箇所で測定できて、無線による同時測定開始指令の受信も行い易いようにする。鉄道車両１の各車軸軸受２の軸箱３に着脱可能に固定される複数の振動測定ユニット４と、これら各振動測定ユニット４と組として設けられる送受信ユニット５と、同時測定開始指令発信器６とで構成される。振動測定ユニット４は、永久磁石等の固定具１２、振動センサ１３、カード型記録媒体１４、および電源１９を有し、送受信ユニット５と有線で接続される。同時測定開始指令発信器６は、複数の振動測定ユニット４により同時測定させる指令を出力する。送受信ユニット５は、その同時測定開始指令を無線で受信して振動測定ユニット４に伝える。

Description

振動測定ユニットおよびこれを用いた振動測定システム 関連出願
　本出願は、２０１３年４月２５日出願の特願２０１３－０９２４３９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、鉄道車両における車軸軸受の異常の検知のための振動測定に用いられる振動測定ユニットおよびこれを用いた振動測定システムに関する。
　鉄道車両においては、その車軸軸受に異常が発生した場合、車両の運転を停止するなどの処置が必要である。そのため、従来、温度上昇に伴って色が変化するサーモラベルを車軸軸受に貼り、車両停止時に作業員が目視によりサーモラベルの色を確認する方法が採られることがある。しかし、サーモラベルでは確実な異常発生を検出することが難しい。
　このような課題を解消したものとして、車軸軸受に温度センサを設け、その検出信号をワイヤレスで送信して運転席のモニタで監視するものが提案されている（例えば、特許文献１）。
　また、車軸軸受に温度センサおよび振動センサとその検出結果を記録するＩＣタグとを装備し、タグリーダを線路脇に設けて車両通過時にＩＣタグの記録内容を読み出すものが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平１０－２１７９６４号公報 特開２００５－３０５８９号公報
　特許文献１の異常検知システムは、車両運行中に車軸軸受の異常を運転席でモニタできる点で非常に優れている。しかし、運行中での軸受異常発見では車両運行に支障をきたす恐れがあり、安全性が低い。また、必要性に比べてシステムの構成が過剰で高価になるうえ、温度のみで異常判定を行うため、異常検出の精度が充分であるとは言えない。
　特許文献２の異常検知システムは、振動測定データを異常判定に用いるため、軸受異常の判定の精度が高められる。しかし、線路脇に軸受異常の検出のみの目的でタグリーダを設置することは、過剰な設備となる。また、振動測定データで異常判定を行う場合、周波数分析等を行うために、軸受回転数（＝回転速度）を正確に知ることが必要であるが、振動測定時の回転速度を求めることが難しい。
　このような課題を解消するものとして、列車の各車両における各主軸軸受を支持する軸箱にデータロガーを着脱自在に取付け、振動計による振動測定データを記録しておくものを提案した（特願２０１２－１３４５３３号）。前記データロガーは無線通信手段手段を有していて、１列の列車の各データロガーには、同時記憶開始指令手段から無線で記録開始指令を送信する。
　上記提案例によると、各データロガーで同時に振動計測を行うため、振動測定時の回転速度を求めることが容易に行えるという利点が得られる。しかし、軸箱における軸受の振動の検出が行い易い箇所は、列車間の無線通信が行い難い箇所である場合が多く、軸箱における適切な設置箇所が得難いという課題がある。また、記録したデータを読み出す操作性の面で今一つ改善が求められる。
　この発明の目的は、複数の振動測定ユニットによる同時測定が可能で、測定時の測定対象物の回転速度等の状態が知り易く、かつ測定対象物における効果的に振動測定できる箇所で測定できて、同時測定開始指令の受信も無線通信が行い易い箇所で行え、さらにある程度の時間に渡って纏まった振動測定データを記録でき、その記録データの取り出し性にも優れた振動測定ユニット、信号測定・送受信ユニット組、および振動測定システムを提供することである。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の一実施形態に係る振動測定ユニットの概念構成を示すブロックである。 同振動測定システムを設置した新幹線における列車の先頭車両の一部を側面から見た図である。 車両の台車周辺の部分背面図である。 車両の台車周辺の部分側面図である。 振動測定ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 振動測定ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 振動測定ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 振動測定ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 送受信ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 送受信ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 送受信ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 送受信ユニットの外観および各部の断面を示す図である。 同時測定開始指令発信器の外観を示す正面図である。 変形例となる左右の同時測定開始指令発信器の正面図である。
　この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この実施形態は、鉄道車両の車軸軸受の振動を測定する振動測定システムに適用した例である。図１によると、この振動測定システムは、鉄道の車両１の各車軸軸受２の軸箱３に着脱可能に固定される複数の振動測定ユニット４と、これら各振動測定ユニット４と組として設けられる送受信ユニット５と、複数の車両１からなる１列の列車上の運転席等に設けられる同時測定開始指令発信器６とで構成される。振動測定ユニット４と送受信ユニット５とで信号測定・送受信ユニット組７が構成される。振動測定データの解析および異常判定は、列車とは離れた任意場所のパーソナルコンピュータ等の振動解析装置８により行う。
　振動測定ユニット４は、ケース１１に、このケース１１を測定対象物に着脱可能に固定する固定具１２と、振動センサ１３と、カード型記録媒体１４を着脱自在に保持して記録可能なカードライタ１５と、送受信ユニット５にケーブル１６等で有線で接続されるコネクタ１７と、制御回路１８と、電源１９とを設けたものである。固定具１２は永久磁石等からなる。電源１９は、電池１９ａと電源回路１９ｂとを有する。制御回路１８は、送受信ユニット５から与えられる測定開始指令に応答して振動センサ１３に振動測定を開始させその振動測定データを前記カードライタ１５によってカード型記録媒体１４に記録させる回路である。
　送受信ユニット５は、ケース３１に、同時測定開始指令発信器６から無線で送信された同時測定開始指令を受信して振動測定ユニット４に有線で伝える中継手段３３、および測定対象物に着脱可能に固定する永久磁石等からなる固定具３２を有する。
　同時測定開始指令発信器６は、ケース６１と、入力操作されることで前記同時測定開始指令を送信させる測定開始スイッチ６３と、ＬＥＤランプまたは液晶表示装置などからなる表示手段６４と、制御回路６５を有し、更に永久磁石等からなる固定具６２を有する。
　この振動測定システムの構成，作用の要点を説明した後、各部の詳細を説明する。
　１．車軸軸受２の異常検出のための振動測定は、車両運行時以外の保守点検時に振動測定ユニット４を用いて行う。
　２．振動測定ユニット４は、列車の各車両１における各車軸軸受２に設置、または車軸軸受２を支持する部材に設置され、それぞれ車軸軸受２の振動を測定し、測定した振動データをカード型記録媒体１４に記録する。更に、車両が一定走行速度に達した時点で、各車軸軸受２の振動測定を同時に開始させるための、ワイヤレス通信手段となる送受信ユニット５および同時測定開始指令発信器６を有する。
　これらの構成によると、各車軸軸受２の振動測定データをカード型記録媒体１４に記録しておくため、ある程度の時間に渡って纏まった振動測定データを得ることができる。また、振動測定データの解析のためには軸受回転速度を知る必要があるが、測定開始時の全ての車軸軸受２の回転速度が同等の値となり、精度良く分かり易い。
　３．振動測定ユニット４と送受信ユニット５を個別に設け、相互間を通信ケーブル１６で接続する。また、それぞれのユニット４，５は、永久磁石からなる固定具１２，３２によって測定対象物である軸受２や車両のボディ１ａに着脱可能とする。
　４．運転室内に同時測定開始指令発信器６を配置し、通信ケーブル４７を車両の窓または扉から取り出して、送受信ユニット５Ａに接続する。送受信ユニット５Ａは、車両１のボディに永久磁石により着脱可能に設置する。
　５．運転室内の測定者が、同時測定開始指令発信器６の測定開始スイッチ６３を押すことにより、車両１のボディに取り付けた各送受信ユニット５に信号が送信され、そのタイミングで振動測定ユニット４により振動測定が行われる。
　６．各車軸軸受２で測定された振動測定データは、振動測定ユニット４毎の個別認識番号と共に、内部のカード型記録媒体１４（MicroSDカード）に記録される。
　７．各振動測定ユニット４からカード型記録媒体１４を取り出し、振動解析装置８となるパーソナルコンピュータなどに測定データを取り込む。パーソナルコンピュータなどに予めインストールしたＦＦＴ解析ソフトにて周波数分析を行い、軸受２の異常診断を行う。なお、振動解析装置８に取り込んだ測定データには、上記の様に個別の認識番号が割り当てられ、軸受２毎に管理され異常診断を行う。また、振動の履歴を比較する。
　図５Ａ～図５Ｄに振動測定ユニット４の構成を示す。図５Ａ及び図５Ｂは外観を示し、図５ＡのＶＣ－ＶＣ断面を図５Ｃに示す。また、図５ＣのＶＤ－ＶＤ断面を図５Ｄに示す。これらの図に示す様に、ケース１１の一端に永久磁石からなる取付具１２をねじ２１にて取り付ける。この永久磁石は、磁束密度の高い希土類系が望ましく、Ｎｄ系，Ｓｍ系を使用することができる。また、この永久磁石１２は、磁性体からなるホルダ１２ａに固定される。これにより、永久磁石の磁束の漏れが少なくなり吸引力が大きくなる。ケース１１は箱状に形成されたケース本体と蓋１１ｂとで構成される。
　ケース１１内に基板２２をねじ２３で止め、基板２２の表面に電池ホルダ（図示せず）、電源用押し釦スイッチ２４、振動センサ１３、電源回路１９ｂ、制御回路１８、カードライタ１５、内部メモリ（図示せず）などが取り付けられる。電池ホルダには、電池１９ａが取付けられる。カードライタ１５は、カードスロットを有しカード型記録媒体１４が挿脱可能に取付けられる。カード型記録媒体１４には、例えばマイクロＳＤカードが用いられる。カード型記録媒体１４の記憶容量は限定しないが、測定データの量に応じて選定する。電池１９ａは、一次電池の中で電圧が最も高く長期間の使用に適した、塩化チオニルリチウム電池を使用することが望ましい。
　振動センサ１３は、種々の加速度センサを使用することが可能で、また、基板２２上において永久磁石からなる固定具１２により近い、すなわち測定対象物により近い個所に配置することが望ましい。振動センサ１３に用いることのできる加速度センサの種類には、ピエゾ抵抗型，静電容量型，歪ゲージ式，圧電式，動電式などがある。なお、軸受の固有振動数は一般的に１ｋＨｚ～２０ｋＨｚとされるため、振動センサ１３に用いる加速度センサの測定可能範囲もそれに合わせて選定し、その後バンドパスフィルタにて周波数範囲を限定すると良い。
　押し釦スイッチ２４は、ケース１１の外部から操作が可能なように、ケース１１の一つの面、例えば正面に貫通穴を設ける。更に、外部からの水の浸入を防止するために、柔軟性のある透明フィルムシール（図示せず）にて貫通穴を塞ぐ。従って、押し釦２４の操作は、柔軟性のある透明フィルムシールの上から行う。
　電源回路１９ｂには、電池１９ａの電力を制御回路１８や加速度センサ１３などに供給するための、電圧変換回路（図示せず）などが含まれる。
　制御回路１８には、送受信回路や、測定開始回路や、マイクロコンピュータや、メモリや、カード型記録媒体１４に記録するための回路などが含まれる。
　カード型記録媒体１４は、ケース１１の一側面に貫通穴２５を設けて装着及び取出しを可能とする。なお、外部からの水の浸入を防止するために、開閉可能な扉２６にて貫通穴２５を塞ぐ。この扉２６には、弾力性のあるゴムなどのシールパッキン（図示せず）を貼り付けることが望ましい。扉２６は、閉じ状態で撮み付きのねじ２７によりケース１１に固定する。
　予め、振動測定ユニット４の内部メモリには、測定対象物となる軸箱または軸受番号毎の個別認識番号を記憶させ、軸箱（軸受）毎の測定データと一緒に個別の認識番号をカード型記録媒体１４に書き込む。
　カード型記録媒体１４に記録されたデータをパーソナルコンピュータ等からなる振動解析装置８（図１）に取り込むには、ＵＳＢポートに接続可能なＳＤカードハブを使用すると便利である。なお、カード型記録媒体１４に記録した測定データは、次回の振動測定時に振動測定ユニット４に取り付けた時点で、前回測定した測定データを自動的に消去するようにする。
　図６Ａ～図６Ｄに、送受信ユニット５の構成を示す。図６Ａ及び図６Ｂは外観を示し、図６ＡのVIＣ－VIＣ断面を図６Ｃに示す。また、図６ＣのVIＤ－VIＤ断面を図６Ｄに示す。図に示す様に、ケース３１の一端に永久磁石からなる固定具３２をねじ４０にて取り付ける。永久磁石は、磁束密度の高い希土類系が望ましく、Ｎｄ系，Ｓｍ系を使用することができる。また、永久磁石は、磁性体からなるホルダ３２ａに固定される。これにより、永久磁石の磁束の漏れが少なくなり吸引力が大きくなる。ケース３１は、箱状に形成され、開閉可能な蓋１１ｂが設けられている。
　更に、ケース３１内に基板３４をねじ３５で止め、基板３４の表面に前記中継手段３３となる無線通信手段（ZigBeeモジュールなど）を取り付ける。この無線通信手段から、外部アンテナ３６にアンテナケーブル３７を接続する。外部アンテナ３６の外部アンテナ本体３６ａは、ケース３１の一側面に設けた貫通穴に取り付けられる。この貫通穴は、外部からの水の浸入を防止するために、コーキング剤などで隙間を塞ぐことが望ましい。
　また、前記ケーブル１６を接続するためのコネクタ３８が、ケース３１の一側面に取り付けられ、コネクタ３８と基板３４の間に、信号及び電力供給用電線が接続される。各ケーブル１６，３７は、シールド線が望ましい。中継手段３３の無線通信手段であるZigBeeモジュールの電力は、振動測定ユニット４の電源回路１９ｂから供給される。
　図３，図４に、列車各車両１の台車周辺の簡略図を示す。図３は進行方向から見た外観を示し、図４は図３のIV－IV面を示す。台車４１の下面に軸箱３が設置され、軸箱３内の車軸用軸受２に車軸４２が支持されている。車軸４２の両端に固定された車輪４３は、レール４４上を走行する。
　図に示す様に、振動測定ユニット４を軸箱３の六角ボルト４５のボルト頭に永久磁石からなる固定具１２（図５Ａ～図５Ｄ）により固定し、送受信ユニット５をボディ１ａの外側に固定する。なお、ボディ１ａの外側表面の一部には上記と同様に六角ボルト４６が出ており、そのボルト頭に固定しても良い。両者の間は、コネクタ１７，３８を介してケーブル１６にて接続される。なお、軸箱３の材質は近年ではアルミニウム合金が採用されることが多いため、振動測定のために振動測定ユニット４の取付用として六角ボルト４５を取り付ける。
　上記ケーブル１６は、振動測定ユニット４と送受信ユニット５の間に電気的に接続され、振動測定ユニット４から送受信ユニット５に対して電力が供給される。一方、送受信ユニット５から振動測定ユニット４に対して同時測定開始指令信号が送信され、その後、振動測定ユニット４から送受信ユニット５に対してアンサーバック信号が送信される。このアンサーバック信号の送信は、前記制御回路１８（図１，図５Ｃ、図５Ｄ）により行う。
　図２に、新幹線における列車の先頭車両の一部を側面から見た図を示す。この図では、図３，図４に示す軸箱３の六角ボルト４５のボルト頭に取り付けた振動測定ユニット４と、ボディ１ａの外側の六角ボルト４６のボルト頭に取り付けた送受信ユニット５の間に、ケーブル１６を接続した状態を、ボディ１ａの外側から示す。また、運転室内に配置した同時測定開始指令発信器６にケーブル４７の一端を接続し、他端を運転室扉４８の窓４９からボディ外側に取り出して、ボディ１ａの外側に取り付けた送受信ユニット５Ａに接続した状態を示す。この送受信ユニット５Ａは、同時測定開始指令発信器６と対として用いられるものであり、同時測定開始指令を各振動測定ユニット４側の送受信ユニット５へ送信する。なお、ケーブル４７は、運転室扉４８を手動で開きその隙間から取り出しても良い。
　なお、この図は、先頭車両の一部を示したが、振動測定ユニット４と送受信ユニット５の関係は、他の部分についても同様な取り付けを行う。
　図７に、同時測定開始指令発信器６の外観を示す。図に示す様に、発信器本体のケース６１に、同時測定開始指令発信のための押し釦スイッチからなる測定開始スイッチ６３を取り付け、また、列車１に配置された軸箱３のレイアウトに対応するＬＥＤランプ６４ａを取付ける。発信器本体のケース６１には、前記軸箱３のレイアウトを示す図（レイアウト）６４ｂが施されこのレイアウト６４ｂの中に前記ＬＥＤランプ６４ａが図中の軸箱３のレイアウトに応じて配置される。車両１がある一定の速度に到達した時点で、運転室内の測定者がこの測定開始スイッチ６３を押すことにより、制御回路６５（図１）の処理によって同時測定開始指令発信器６から同時測定開始指令が発信され、これを各送受信ユニット５が受信して各振動測定ユニット４による振動測定が開始される。
　一車両には、この例では軸箱３が８個あり、一編成８車両の場合では合計６４個になり、ＬＥＤランプ６４ａはそれぞれに対応する。このＬＥＤランプ６４ａは、各送受信ユニット５が上記同時測定開始の指令信号を正常に受け取った時に発信する、アンサーバック信号を受け取ったことにより、制御回路６５の処理により点灯する。従って、送受信が正常に行われれば、軸箱全個所に対応するＬＥＤランプ６４ａが全て点灯することになる。なお、この例の同時測定開始指令発信器６には、列車１の右側及び左側の送受信ユニット５Ａに接続するケーブル４７とコネクタ６６が取り付けられる。
　ここで、一連の信号の流れを整理する。
　同時測定開始指令の信号：同時測定開始指令発信器６－（有線)→送受信ユニット５Ａ－（無線)→送受信ユニット５－（有線)→振動測定ユニット４
　アンサーバック信号：振動測定ユニット４－（有線)→送受信ユニット５－（無線)→送受信ユニット５Ａ－（有線)→同時測定開始指令発信器６
　図８に、同時測定開始指令発信器６に、無線通信用アンテナ６８を一体に接続した例を示す。この例の同時測定開始指令発信器６は、運転室扉の窓ガラス越しに、ボディ外側部に取り付けた送受信ユニット５Ａに無線で通信する場合に使用する。または、運転室扉の窓を開けてアンテナ６８を外部に向け、ボディ外側に取り付けた送受信ユニット５Ａに無線で通信する場合に使用することができる。
　この場合、図に示す様に右側用と左側用の同時測定開始指令発信器６が必要である。ＬＥＤランプ６４ａの点灯、およびレイアウト６４ｂについては、図７の実施例と同様である。
　なお、同時測定開始指令の信号は、発信器から各送受信ユニットに対してパラレルに発信されても、シリアルに発信されてもどちらでも良い。
　上記構成の振動測定システムにより得た振動測定データの処理につき説明する。図１において、マイクロＳＤカード等のカード型記録媒体１４に記録された振動測定データは、軸受２毎に区別して振動解析装置８を構成するパーソナルコンピュータ内部の記録装置に記憶される。
　この軸受異常検出は、軸受２の各部の剥離現象を検出する目的に使用され、車両走行速度から求めた軸受回転速度を基に、軸受各部の強制（衝撃）振動の発生周期を計算し、振動解析装置８の内部の記録装置にデータベースを作成する。以下に示すように、軸受内輪の振動周波数，軸受外輪の振動周波数，軸受転動体の振動周波数に分けて計算する。
　(1)内輪振動周波数：z*fri*((Dp+(dw*cosΘ))/(2*Dp))
　(2)外輪振動周波数：z*fri*((Dp-(dw*cosΘ))/(2*Dp))
　(3)転動体振動周波数：fri*(((Dp＾2)-((dw＾2)*(cosΘ＾2)))/(Dp*dw))
　ここで、ｚ＝転動体数，fri：回転速度，Dp：ピッチ円直径，dw：転動体径，Θ：接触角
　振動測定データは振動解析装置８内に取り込まれた後、バンドパスフィルタやローパスフィルタなどの処理→エンベロープ処理→ＦＦＴ解析などを行い、上記各データベースの周波数と比較する。上記いずれかの周波数成分が確認された場合、その軸受は異常と判定され、振動解析装置８の表示装置の画面に異常（またはＮＧ）表示を行う。振動解析装置８の画面上の表示は車両の軸箱毎に行い、異常（またはＮＧ）アイコンをクリックすることにより、その軸受の振動データの詳細が表示される。正常な場合は正常（またはＯＫ）が表示される。また、軸受剥離の程度を確認するためには、波形のピーク値や波高率（振動波形のピーク値の実効値に対する比率）などを確認すると良い。
　なお、剥離の大きさと波高率の大きさの関係は、予め相関を取り閾値を決定する必要がある。同一軸受に異常が発生しなければ継続使用し、次回点検測定時に前回までの振動データと比較し、軸受振動の履歴を確認しても良い。
　また、参考例として示すが、振動測定データをMicroSDカード等のカード型記録媒体１４に記録する代わりに、無線通信により振動解析装置８に取り込んでも良い。
　上記構成の振動測定システムによる効果を説明する。
　１．全ての軸受２の振動測定が、一定の回転速度に達した時点で同時に行われるため、軸受２毎に回転速度が異なることがなく、振動解析を正確に行える。
　２．振動測定ユニット４と送受信ユニット５を別体とし、両者間をケーブル１６により接続するため、軸箱２と車両１のボディ１ａ間の距離が大きい場合でも、確実に同時測定開始指令信号を送受信することができる。また、送受信ユニット５，５Ａをボディ１ａの外側に取り付けるので、送受信が確実になる。永久磁石からなる固定具１２，３２にてボディ１ａに着脱できるため、取り付け取り外しが容易で、手間を要しない。
　３．同時測定開始指令発信器６と送受信ユニット５Ａの関係についても、上記と同様である。
　４．測定された振動データは、軸箱３または振動測定ユニット４毎の個別の認識番号と共に、内部のMicroSDカード等のカード型記録媒体１４に記録されるため、振動解析装置８となるパーソナルコンピュータに取り込んだ後のデータ処理に間違いが発生しない。
　５．測定された振動データは、振動測定ユニット４の内部に装着したカード型記録媒体１４に記録されるため、外部の記録手段（データロガーなど）を使用せず、信号ケーブルなどの取り回しが不要となり、コンパクトかつ作業が容易である。
　６．車両の走行速度から計算により、軸受２の外輪，内輪，転動体などの各部位での損傷に起因する周波数を計算し、振動解析装置８となるパーソナルコンピュータの内部にデータベースを作成するため、ＦＦＴ解析結果と照らし合わせて損傷の有無や部位を特定することが容易になる。また、点検毎にデータを蓄積すれば、軸受振動値の変化を比較することができる。さらには、軸受損傷（表面剥離）を予測することができる。
　７．カード型記録媒体１４に記録された前回の測定データは、次回測定時に振動測定ユニットに取り付けた時点で消去されるため、振動解析装置８となるパーソナルコンピュータへの取り込み時に測定データを間違える事がない。
　このように、列車の各車両１における各車軸軸受２の異常を精度良く診断でき、またその診断を行うための各車軸軸受２の振動測定時の回転速度を、正確にかつ簡単に知ることができる。そのため、鉄道車両用軸受の優れた異常検知システムとできる。
　更に、振動測定ユニット４は車両１の測定対象個所に永久磁石からなる固定具１２により着脱可能な構成とする事で、測定準備や後片付けが迅速にできる。また、振動測定ユニット４の内部に挿入されるカード型記録媒体１４に測定データを記録することができるため、外部のデータレコーダなどが不要である。
　なお、上記各実施形態は、鉄道車両の車軸軸受２が測定対象物である場合につき説明したが、この発明は外の種々の測定対象物の振動測定に適用することができる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
１…車両
１ａ…ボディ
２…車軸軸受（測定対象物）
３…軸箱
４…振動測定ユニット
５…送受信ユニット
５Ａ…送受信ユニット
６…同時測定開始指令発信器
７…信号測定・送受信ユニット組
８…振動解析装置
１１…ケース
１２…固定具
１３…振動センサ
１４…カード型記録媒体
１５…送受信ユニット
１６…ケーブル
１７…コネクタ
１８…制御回路
１９…電源
１９ａ…電池
１９ｂ…電源回路
３１…ケース
３２…固定具
３３…中継手段
４１…ケース
６２…固定具
６３…測定開始スイッチ
６４…表示手段
６４ａ…ＬＥＤランプ
６５…制御回路

Claims (6)

  1. 　ケースを有し、このケース内に、少なくとも、このケースを測定対象物に着脱可能に固定する固定具と、振動センサと、カード型記録媒体を着脱自在に保持して記録可能なカードライタと、無線の送受信を行う送受信ユニットに有線で接続されるコネクタと、前記送受信ユニットから与えられる測定開始指令に応答して前記振動センサに振動測定を開始させその振動測定データを前記カードライタによって前記カード型記録媒体に記録させる制御回路とを設けた振動測定ユニット。
  2. 　請求項１に記載の振動測定ユニットと、この振動測定ユニットに有線で接続された前記送受信ユニットとからなり、この送受信ユニットは、複数の送受信ユニットに対して同時測定開始指令を発信する同時測定開始指令発信器から無線で送信された前記同時測定開始指令を受信して前記振動測定ユニットに有線で伝える中継手段、および前記測定対象物に着脱可能に固定する固定具を有する振動測定・送受信ユニット組。
  3. 　請求項２に記載の振動測定・送受信ユニット組において、前記振動測定ユニットの前記固定具および前記送受信ユニットの前記固定具が永久磁石である振動測定・送受信ユニット組。
  4. 　請求項２または請求項３に記載の振動測定・送受信ユニット組の複数組と、前記同時測定開始指令発信器とからなり、前記同時測定開始指令発信器は、入力操作されることで前記同時測定開始指令を送信させる測定開始スイッチを有する振動測定システム。
  5. 　請求項４に記載の振動測定システムにおいて、前記各振動測定ユニットは、鉄道の車両の軸箱に取付けられ、前記送受信ユニットは、前記車両のボディに取付けられ、前記同時測定開始指令発信器は、複数の前記車両からなる列車上に設置される振動測定システム。
  6. 　請求項４または請求項５に記載の振動測定システムにおいて、前記各振動測定ユニットの前記カード型記録媒体に前記測定対象物を特定する識別番号を記憶させる振動測定システム。
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