WO2015137218A1 - 鉄道車両用軸受異常検知装置 - Google Patents

鉄道車両用軸受異常検知装置 Download PDF

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detection element
power supply
railway vehicle
processing circuit
detection device
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PCT/JP2015/056452
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Inventor
伊藤　浩義
雅也 冨永
Original Assignee
Ntn株式会社
伊藤　浩義
雅也 冨永
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/04—Detectors for indicating the overheating of axle bearings and the like, e.g. associated with the brake system for applying the brakes in case of a fault
    • 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

  • This invention relates to a railway vehicle bearing abnormality detection device for detecting an abnormality of an axle bearing in a railway vehicle.
  • a bearing device with a sensor for railway vehicles has been proposed in which various detection elements are attached to the bearing device to detect the operating state of the bearing device (Patent Document 1).
  • Ceramic capacitors are used for a power supply bypass capacitor, a power supply bypass capacitor of an operational amplification circuit, a bypass capacitor of a regulator that outputs a reference voltage, and the like.
  • the ceramic capacitor contributes to downsizing of the device because of its compactness. For example, when a ceramic capacitor is mounted on the surface of a printed circuit board, cracks are likely to occur due to external force due to warping of the printed circuit board or impact of the device. There are drawbacks. Further, if the ceramic capacitor is used in a cracked state, migration may occur and a short circuit may occur inside. When a ceramic capacitor is used as a power supply bypass capacitor, an excessive current flows because the power supply line and the ground line are short-circuited. In this case, the function of the sensor is incomplete.
  • An object of the present invention is to provide a bearing abnormality detecting device for a railway vehicle that can improve durability against external force and impact of the device and improve the reliability of the device.
  • a bearing abnormality detecting device for a railway vehicle is a bearing abnormality detecting device for a railway vehicle that detects an abnormality of a rolling bearing incorporated in a axle box provided on a carriage of the railway vehicle, and detects an operating state of the rolling bearing. At least one of a temperature detection element, a vibration detection element, and a speed detection element, a processing circuit that converts a physical quantity detected by the detection element into an output signal, and a voltage applied to the detection element or the processing circuit.
  • a power supply bypass capacitor is provided between a power supply line to which voltage is applied in the detection element and the processing circuit and a GND line, and the power supply bypass capacitor is a film type capacitor.
  • the detection element detects the operating state of the rolling bearing.
  • the processing circuit converts the physical quantity detected by the detection element into an output signal.
  • a voltage is applied from the power source to the detection element or the processing circuit.
  • a vibration detection element is applied as the detection element, if the rolling bearing of the axle box rotates during travel of the railway vehicle, natural vibration of the bearing is generated as the rolling element passes through.
  • vibration due to the abnormality of the rolling surface becomes significant, and a peak occurs in the passing cycle of the rolling elements.
  • These operating states are detected and recorded in the recording means, and for example, frequency analysis is performed by an external analyzer. Based on the analysis result, a bearing abnormality is determined.
  • the power supply bypass capacitor connected between the power supply line and the GND line bypasses noise superimposed on the power supply, supplies a stable voltage from the power supply to the voltage application target, and suppresses fluctuations in the power supply voltage.
  • a film type capacitor for the power supply bypass capacitor even if an impact acts on the power supply bypass capacitor, the impact can be reduced and absorbed on the capacitor surface.
  • the processing circuit may be mounted on a printed circuit board. Even when an external force is applied to the printed circuit board due to warping, etc., the use of a film-type capacitor for the power supply bypass capacitor can cause cracks in the power supply bypass capacitor due to elastic deformation of the power supply bypass capacitor. Can be prevented.
  • a case for storing the processing circuit may be provided, and the detection element may be attached to the case.
  • the detection element can be arranged at a measurement site closer to the detection target.
  • a permanent magnet that is attracted and fixed to a measurement site in the axle box and a holder that holds the permanent magnet may be provided, and the vibration detection element may be attached to the permanent magnet or the holder.
  • the vibration detecting element can be detachably provided to the measurement site in the axle box using the attractive force of the permanent magnet.
  • An electrically insulating insulator may be interposed between the permanent magnet and the holder and the vibration detecting element. With this insulator, it is possible to protect the vibration detection element from electrical noise flowing from the railway vehicle through the carriage and the axle box.
  • a bolt made of a magnetic material may be fastened to the axle box, and the permanent magnet may be attracted and fixed to the head of the bolt.
  • the bolt for example, a commercially available hexagon bolt can be applied. In this case, cost reduction can be achieved.
  • FIG. 2 is an end view taken along line AA in FIG. 1.
  • FIG. 2 is an end view taken along line AA in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a figure which shows schematic structure of the vibration measurement unit in the same bearing abnormality detection apparatus.
  • It is a circuit diagram which shows roughly the structure of the processing circuit of the same bearing abnormality detection apparatus.
  • It is the schematic of the power supply circuit of the same bearing abnormality detection apparatus.
  • It is sectional drawing of the principal part of the bearing abnormality detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a view showing an example in which a railway vehicle bearing abnormality detection device according to a first embodiment of the present invention is provided in a railway vehicle
  • FIG. 2 is an end view taken along line AA of FIG.
  • the bearing abnormality detection device includes a vibration measurement unit 1 that measures vibration of a rolling bearing, and a transmission / reception unit 2 that receives data measured by the vibration measurement unit 1 and transmits the data to the outside.
  • a power source 3 (FIG. 4) for applying a voltage to the vibration measuring unit 1 and the transmitting / receiving unit 2.
  • a pair of axle boxes 5 are provided in the lower part of the carriage 4 so as to be separated from each other in the vehicle width direction, and a rolling bearing 6 is incorporated in each of the axle boxes 5.
  • a rolling bearing 6 is incorporated in each of the axle boxes 5.
  • a double-row tapered roller bearing is used as the rolling bearing 6 for one axle box 5.
  • the outer ring of the rolling bearing 6 is fitted to the inner peripheral surface of each axle box 5, and the axle 7 is fitted to the inner ring of the rolling bearing 6.
  • Wheels 8 are respectively attached to both axial ends of the axle 7. These wheels 8 are rotatably supported by rolling bearings 6 and are configured to be able to run on two rails 9 laid in parallel on the track.
  • a bolt 10 made of a magnetic material is fastened to the axle box 5. As the bolt 10, for example, a hexagonal bolt is applied. In addition, two hexagon bolts 10 are provided in one axle box 5 at a distance corresponding to the assembly position of the rolling bearing 6.
  • the permanent magnet 11 (FIG. 3) of the vibration measurement unit 1 can be attracted and fixed to the heads of the hexagon bolts 10 exposed from the axle box 5.
  • the vibration measurement unit 1 includes a case 12, a vibration detection element 13, a processing circuit 14 and a printed board 15, a permanent magnet 11, and a holder 16.
  • the case 12 is formed in, for example, a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape, and in this embodiment is a rectangular parallelepiped shape.
  • a processing circuit 14 mounted on the printed circuit board 15 is accommodated in the case 12.
  • the processing circuit 14 has a plurality of electronic components and is soldered to both surfaces of the printed circuit board 15.
  • a vibration detection element 13 for detecting the operation state of the rolling bearing is attached to one end of the case 12 in the axial direction (left end in the left-right direction in FIG. 3), and the vibration detection element main body is provided inside the case 12.
  • the vibration detection element 13 for example, a piezoelectric acceleration sensor is applied.
  • a lead wire 17 is connected from a lead terminal of the vibration detection element body to a connection terminal provided in the processing circuit 14.
  • An opening 12 a is formed at one end of the case 12 in the axial direction, and a threaded portion 13 a attached to the vibration detection element main body protrudes from the opening 12 a to the outside of the case 12.
  • the holder 16 made of a magnetic material is screwed and attached to a screw portion 13a protruding from the opening 12a of the case 12.
  • a female screw that is screwed into the screw portion 13a is formed on the bottom portion of the holder 16 on the case 12 side.
  • a wave washer, a spring washer (not shown) or the like is appropriately provided. It may be sandwiched. Moreover, you may apply the adhesive agent of a locking
  • FIG. 4 is a circuit diagram schematically showing the configuration of the processing circuit 14.
  • the processing circuit 14 includes an operational amplifier circuit 18, a filter circuit 19, a microcomputer 20, and a reference voltage circuit 21.
  • the analog output signal of the vibration detection element 13 is input from the operational amplifier circuit 18 to the microcomputer 20 via the filter circuit 19.
  • This analog output signal is A / D converted inside the microcomputer 20 and then recorded in the recording means.
  • a random access memory abbreviated as RAM: Random Access Memory
  • the data recorded in the recording means is transmitted from the vibration measurement unit 1 to the transmission / reception unit 2 via the cable 22, and is wirelessly transmitted from the transmission / reception unit 2 to an external analyzer.
  • the data transmitted to the analysis device is transferred to a recording medium of the analysis device and used for analysis.
  • a measurement start command signal is wirelessly transmitted from the external measurement start command device to the transmission / reception unit 2
  • the measurement start command signal is transmitted from the transmission / reception unit 2 that has received the measurement start command signal to the vibration measurement unit 1 via the cable 22.
  • the vibration measurement unit 1 may measure the vibration of the bearing in the axle box.
  • a power supply voltage is supplied from the power supply 3 to the vibration detection element 13 and the processing circuit 14.
  • the power supply voltage is set to a desired voltage by a power supply circuit described later.
  • the vibration detecting element 13 and the processing circuit 14 are connected to first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4.
  • the first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4 bypass the noise superimposed on the DC power supply to supply a stable power supply voltage and to suppress fluctuations in the power supply voltage, so that the power supply lines L1 and GND lines L2 Connected between.
  • Film type capacitors are used for the first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4 and the fifth to seventh power supply bypass capacitors C5 to C7 described later.
  • the film type capacitor for example, a thin film polymer multilayer capacitor is applied, and the material of the dielectric can be appropriately selected from, for example, PET, PP, PPS, PC, PEN, and mixed types thereof.
  • a first power supply bypass capacitor C1 is connected between the power supply line L1 and the GND line L2 of the vibration detecting element 13.
  • a stable power supply voltage is supplied to the vibration detection element 13 by the first power supply bypass capacitor C1, and fluctuations in the supplied power supply voltage are suppressed.
  • An analog output signal from the vibration detection element 13 is input to one input terminal of the operational amplifier 24 in the operational amplifier circuit 18 via the resistor 23.
  • a second power supply bypass capacitor C2 is connected between the power supply line L1 and the GND line L2 of the operational amplifier 24.
  • a stable power supply voltage with noise bypassed is supplied to the operational amplifier circuit 18 by the second power supply bypass capacitor C2, and fluctuations in the supplied power supply voltage are suppressed.
  • An output signal from the operational amplifier 24 is input to the other input terminal via a capacitor 25 and a resistor 26 connected in parallel to the capacitor 25.
  • the operational amplifier 24 amplifies and outputs the difference between the inputs (inverted input and non-inverted input) to the two input terminals.
  • the amplified output signal is input to one input terminal of the operational amplifier 29 in the filter circuit 19 via the resistors 27 and 28 connected in series.
  • a third power supply bypass capacitor C3 is connected between the power supply line L1 and the GND line L2 of the operational amplifier 29.
  • a stable power supply voltage with noise bypassed is supplied to the filter circuit 19 by the third power supply bypass capacitor C3, and fluctuations in the supplied power supply voltage are suppressed.
  • An output signal from the operational amplifier 29 is input to the other input terminal and is fed back between the resistors 27 and 28 via the capacitor 30.
  • This filter circuit 19 extracts only a predetermined frequency band corresponding to the natural vibration of the bearing and removes an unnecessary frequency band.
  • natural vibrations of the bearing occur as the rolling element passes through.However, if an abnormality occurs on the rolling surface of the bearing, vibration occurs at the passing period of the rolling element according to the bearing rotation speed. Peaks are superimposed.
  • the output signal that has passed through the filter circuit 19 is input to the microcomputer 20 via the resistor 31.
  • the output signal is A / D converted and then temporarily recorded in the recording means.
  • a reference voltage circuit 21 is connected to the microcomputer 20 so that an excessive voltage is not applied.
  • a fourth power supply bypass capacitor C4 is connected between the power supply line L1 and the GND line L2 of the reference voltage circuit 21. The first power supply bypass capacitor C4 supplies a stable power supply voltage with noise bypassed to the reference voltage circuit 21, and suppresses fluctuations in the supplied power supply voltage.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the power supply circuit 32.
  • the fifth to seventh power supply bypass capacitors C5, C6, and C7 are connected between the power supply line L1 and the GND line L2 of the power supply circuit 32.
  • the transmission / reception unit will be described. As shown in FIG. 1, data temporarily recorded in the vibration measurement unit 1 is transmitted to the transmission / reception unit 2 via the cable 22.
  • the transmission / reception unit 2 is fixed to a body 34 of a railway vehicle, for example.
  • the transmission / reception unit 2 converts the received data into a sensor signal of an electromagnetic wave having a predetermined frequency and transmits it to the analysis device through the antenna 2a.
  • a measurement start command signal is wirelessly transmitted from the external measurement start command device to the transmission / reception unit 2, and the measurement start command signal is transmitted from the transmission / reception unit 2 that has received the measurement start command signal to the vibration measurement unit 1 via the cable 22. May be measured by the vibration measurement unit 1 and recorded in the internal memory or recording medium. In this case, the recording medium is taken out from the vibration measurement unit 1 and analyzed by an analyzer.
  • data temporarily recorded in the memory inside the vibration measurement unit 1 is transmitted to the transmission / reception unit 2 via the cable 22, and the transmission / reception unit 2 transmits the data from a predetermined frequency. It may be converted into an electromagnetic wave sensor signal to be transmitted to the analysis device by the antenna 2a.
  • the analysis device will be described.
  • the analysis device is provided, for example, in the cab of the railway vehicle, and receives a frequency corresponding to the frequency transmitted from the transmission / reception unit 2.
  • the received sensor signal is subjected to bearing abnormality determination by frequency analysis in the abnormality determination unit.
  • the abnormality determination unit specifies, for example, a vibration frequency caused by the abnormality of the rolling bearing from the rotation speed of the rolling bearing and the sensor signal, and determines whether or not the bearing has an abnormality based on the vibration frequency.
  • the rotation speed of the rolling bearing may be obtained by calculation from a driving source of the railway vehicle, or a rotation detecting means for detecting the rotation speed of the rolling bearing may be provided.
  • the rolling bearing 6 of the axle box 5 rotates during traveling of the railway vehicle, the natural vibration of the bearing occurs as the rolling element passes through.
  • vibration due to the abnormality of the rolling surface becomes remarkable, and a peak occurs in the passing cycle of the rolling elements.
  • film type capacitors for the first to seventh power supply bypass capacitors C1 to C7 even if an impact is applied to the first to seventh power supply bypass capacitors C1 to C7, the impact is alleviated and absorbed on the capacitor surface. be able to.
  • the first to seventh power supply bypass capacitors C1 to C7 can be prevented from cracking, and the occurrence of migration can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the power supply line L1 and the GND line L2 from being short-circuited and to prevent an excessive current from flowing.
  • the processing circuit 14 is mounted on the printed circuit board 15. Even when an external force due to warping or the like acts on the printed circuit board 15, the first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4 are elastically deformed by using film type capacitors as the first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4. Thus, it is possible to prevent cracks from occurring in the first to fourth power supply bypass capacitors C1 to C4.
  • the vibration detection element 13 Since the vibration detection element 13 is attached to the holder 16 of the permanent magnet 11, the vibration detection element 13 can be detachably provided to the measurement site in the axle box 5 using the attractive force of the permanent magnet 11. .
  • the bolt 10 for attracting and fixing the permanent magnet 11 for example, a commercially available hexagon bolt can be applied, so that the cost can be reduced.
  • an electrical insulator 35 may be interposed between the permanent magnet 11 and its holder 16 and the vibration detection element 13.
  • the vibration detection element 13 can be protected from electrical noise flowing from the railway vehicle through the carriage 4 and the axle box 5.
  • the vibration detection element is applied as the detection element for detecting the operation state of the rolling bearing, but the present invention is not limited to this vibration detection element.
  • a temperature detection element that detects the temperature of the rolling bearing or a speed detection element that detects the rotation speed of the rolling bearing may be applied.
  • the bearing temperature rises as the rotational speed of the rolling bearing increases, so these relations are recorded in advance in the relation setting means.
  • the analysis device has detected an abnormality in the rolling bearing by comparing the relationship setting unit with the measured rotational speed. Can be determined.
  • the analysis device detects the rotational speed of the rolling bearing detected by the speed detection element and processed by the processing circuit with respect to the rotational speed of the driving source of the railway vehicle. When it is off, it can be determined that an abnormality has occurred in the rolling bearing.
  • These threshold values, allowable rotation speeds, and the like are determined from the results of experiments and simulations, for example.
  • a film made of a highly conductive metal or the like may be formed on the inner surface of the case 12.
  • the noise flowing through this film may be grounded to the axle box 5 side. Therefore, such a thing is also included in the scope of the present invention.

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Abstract

　鉄道車両用軸受異常検知装置は、鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、転がり軸受の運転状態を検出する検出素子（１３）と、検出素子（１３）で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路（１４）と、検出素子（１３）または処理回路（１４）に電圧を印加する電源（３）とを備える。検出素子（１３）および処理回路（１４）における電圧印加対象の電源ライン（Ｌ１）とＧＮＤライン（Ｌ２）の間に、電源バイパスコンデンサ（Ｃ１～Ｃ４）を設け、この電源バイパスコンデンサ（Ｃ１～Ｃ４）が、フィルムタイプのコンデンサである。

Description

鉄道車両用軸受異常検知装置 関連出願
　この出願は、２０１４年３月１０日出願の特願２０１４－０４６３８６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を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置に関する。
　鉄道車両においては、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となり、多大な損失が発生する。そこで、各種検出素子を軸受装置に取り付け、軸受装置の運転状態を検出する鉄道車両用センサ付軸受装置が提案されている（特許文献１）。この鉄道車両用センサ付軸受装置によると、電源バイパスコンデンサ、演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ、基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサなどに、セラミックコンデンサを採用している。
特許第４３２１１７１号公報
　前記セラミックコンデンサは、コンパクトである点で装置の小形化に貢献するが、例えば、プリント基板の表面にセラミックコンデンサを実装した場合、プリント基板の反りなどによる外力や装置の衝撃により、クラックが生じやすい欠点がある。また、セラミックコンデンサにクラックが発生した状態で使用すると、マイグレーションを起こして内部でショートすることがある。セラミックコンデンサを電源用バイパスコンデンサとして使用する場合、電源ラインとグランドラインがショートすることになるため、過大な電流が流れる。この場合、センサの機能が不完全となる。
　この発明の目的は、外力や装置の衝撃に対する耐久性を改善し、装置の信頼性を向上することができる鉄道車両用軸受異常検知装置を提供することである。
　この発明の鉄道車両用軸受異常検知装置は、鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、前記転がり軸受の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、および速度検出素子の少なくともいずれか１つの検出素子と、この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路と、前記検出素子または前記処理回路に電圧を印加する電源とを備え、前記検出素子および前記処理回路における電圧印加対象の電源ラインとＧＮＤラインの間に、電源バイパスコンデンサを設け、この電源バイパスコンデンサが、フィルムタイプのコンデンサである。
　この構成によると、検出素子は転がり軸受の運転状態を検出する。処理回路は、この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する。検出素子または処理回路には、電源から電圧が印加される。検出素子として、例えば、振動検出素子が適用された場合、鉄道車両の走行時に軸箱の転がり軸受が回転すると、転動体の回転通過に伴い軸受の固有振動が発生する。軸受の転がり面に異常が発生すると、この転がり面の異常に起因する振動が顕著となり、転動体の通過周期でピークが発生する。これらの運転状態を検出して記録手段に記録し、例えば、外部の解析装置にて周波数解析を行う。この解析結果により、軸受の異常判定を行う。
　電源ラインとＧＮＤラインの間に接続される電源バイパスコンデンサは、電源に重畳するノイズをバイパスして、電源から電圧印加対象に安定した電圧を供給するうえ、電源電圧の変動を抑える。この電源バイパスコンデンサに、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサに衝撃が作用しても、コンデンサ表面でその衝撃を緩和、吸収することができる。これにより、電源バイパスコンデンサにクラックが生じることを未然に防止し、マイグレーションの発生を抑えることができる。したがって、電源ラインとＧＮＤラインがショートすることを防止し、過大な電流が流れることを防止することができる。
　前記処理回路は、プリント基板に実装されるものであっても良い。プリント基板に反りなどによる外力が作用する場合においても、電源バイパスコンデンサに、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、この電源バイパスコンデンサが弾性変形することで、電源バイパスコンデンサにクラックが生じることを未然に防止できる。
　前記処理回路を収納するケースを設け、前記検出素子は、前記ケースに取り付けられるものであっても良い。この場合、検出素子をより被検出体に近い測定部位に配置することができる。
　前記軸箱における測定部位に吸引固定される永久磁石と、この永久磁石を保持するホルダとを設け、前記振動検出素子は、前記永久磁石または前記ホルダに取り付けられるものとしても良い。この場合、軸箱における測定部位に対し、永久磁石の吸引力を利用して振動検出素子を着脱自在に設けることができる。
　前記永久磁石および前記ホルダと前記振動検出素子との間には、電気的に絶縁する絶縁体を介在させても良い。この絶縁体によって、鉄道車両から台車および軸箱を介して流れる電気ノイズから、振動検出素子を保護することができる。
　前記軸箱に磁性体からなるボルトを締結し、このボルトの頭部に前記永久磁石を吸引固定させても良い。前記ボルトとして、例えば、市販品の六角ボルトを適用することができる。この場合、コスト低減を図れる。
　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。
　本発明は、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、本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。本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部品番号は、同一または相当部分を示す。
この発明の第１実施形態に係る鉄道車両用軸受異常検知装置を鉄道車両に設けた例を示す図である。 図１のＡ－Ａ線端面図である。 同軸受異常検知装置における振動測定ユニットの概略構成を示す図である。 同軸受異常検知装置の処理回路の構成を概略示す回路図である。 同軸受異常検知装置の電源回路の概略図である。 第２実施形態に係る軸受異常検知装置の要部の断面図である。
　この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１は、この発明の第１実施形態に係る鉄道車両用軸受異常検知装置を鉄道車両に設けた例を示す図であり、図２は図１のＡ－Ａ線端面図である。図１および図２に示すように、この軸受異常検知装置は、転がり軸受の振動を測定する振動測定ユニット１と、この振動測定ユニット１で測定したデータを受信し外部に送信する送受信ユニット２と、これら振動測定ユニット１および送受信ユニット２に電圧を印加する電源３（図４）とを有する。
　台車４の下部に車幅方向に離隔して一対の軸箱５が設けられ、これら軸箱５にそれぞれ転がり軸受６が組み込まれている。１つの軸箱５に対し、転がり軸受６として、例えば、複列円すいころ軸受が適用される。
　各軸箱５の内周面に転がり軸受６の外輪がそれぞれ嵌合され、転がり軸受６の内輪に車軸７が嵌合される。車軸７の軸方向両端部に車輪８がそれぞれ取り付けられている。これら車輪８が転がり軸受６により回転自在に支持されて、軌道上に平行に敷設された２本のレール９上を走行可能に構成される。軸箱５には、磁性体からなるボルト１０が締結されている。ボルト１０として、例えば、六角ボルトが適用される。また１つの軸箱５に、転がり軸受６の組み込み位置に対応して２本の六角ボルト１０が離隔して設けられる。軸箱５から露出する各六角ボルト１０の頭部に、振動測定ユニット１の永久磁石１１（図３）が吸引固定可能となっている。
　振動測定ユニット１について説明する。図３に示すように、振動測定ユニット１は、ケース１２と、振動検出素子１３と、処理回路１４およびプリント基板１５と、永久磁石１１と、ホルダ１６を有する。ケース１２は、例えば、円筒形状や直方体形状に形成され、この実施形態では直方体形状である。ケース１２の内部に、プリント基板１５に実装される処理回路１４が収納されている。処理回路１４は複数の電子部品を有し、プリント基板１５の両面に半田付けされる。プリント基板１５としては、剛性の高いガラス入りエポキシ樹脂が望ましい。
　ケース１２の軸方向一端部（図３の左右方向の左端部）に、転がり軸受の運転状態を検出する振動検出素子１３が取り付けられ、振動検出素子本体がケース１２内部に設けられている。振動検出素子１３として、例えば、圧電型の加速度センサが適用される。ケース１２の内部において、振動検出素子本体のリード端子から、処理回路１４に設けた接続端子にリード線１７が結線されている。
　ケース１２の軸方向一端部に開口部１２ａが形成され、この開口部１２ａから、振動検出素子本体に付設されたねじ部１３ａがケース１２の外側に突出している。このケース１２の開口部１２ａから突出するねじ部１３ａに、磁性体からなる前記ホルダ１６が螺合されて取り付けられている。ホルダ１６におけるケース１２側の底部には、ねじ部１３ａに螺合される雌ねじが形成されている。ねじ部１３ａをホルダ１６の雌ねじに締め付けることで、振動検出素子本体およびホルダ１６が、ケース１２の軸方向一端部の壁を挟み込む状態で、ケース１２の一端部に固定される。
　ケース１２の軸方向一端部の壁と振動検出素子本体との間に、振動検出素子１３のねじ部１３ａの緩みを防止するために、適宜ウェーブワッシャ、スプリングワッシャ（いずれも図示せず）等を挟み込んでもよい。また、ねじ部１３ａと前記雌ねじとの嵌合部に、緩み止めの接着剤を塗布しても良い。接着剤としては、嫌気性のタイプを使用することが望ましい。ホルダ１６におけるケース１２と反対側の先端部に凹部１６ａが形成され、この凹部１６ａに永久磁石１１が保持されている。したがって、永久磁石１１は、ホルダ１６と共に、軸箱における測定部位であるボルト１０に吸引固定される。
　図４は、処理回路１４の構成を概略示す回路図である。処理回路１４は、演算増幅回路１８と、フィルタ回路１９と、マイクロコンピュータ２０と、基準電圧回路２１を有する。振動検出素子１３のアナログ出力信号は、演算増幅回路１８からフィルタ回路１９を介してマイクロコンピュータ２０に入力される。このアナログ出力信号は、マイクロコンピュータ２０の内部でＡ／Ｄ変換された後に、記録手段に記録される。この記録手段として、データの書換えが可能なランダムアクセスメモリ（略称ＲＡＭ：Random Access Memory）が適用される。
　記録手段に記録されたデータは、図１に示すように、振動測定ユニット１からケーブル２２を介して送受信ユニット２に送信され、この送受信ユニット２から外部の解析装置に無線送信される。解析装置に送信されたデータは、解析装置の記録媒体に転送されて解析に供される。これに代えて、外部の測定開始指令装置から測定開始指令信号を送受信ユニット２に無線送信し、測定開始指令信号を受信した送受信ユニット２からケーブル２２を介して振動測定ユニット１に測定開始指令信号を送信することにより、振動測定ユニット１で軸箱内の軸受の振動を測定しても良い。
　図４に示すように、電源３から振動検出素子１３および処理回路１４に電源電圧が供給される。なお、電源電圧は、後述の電源回路により所望の電圧とされる。これら振動検出素子１３および処理回路１４には、第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４が接続される。第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４は、直流電源に重畳するノイズをバイパスして、安定した電源電圧を供給する目的や、電源電圧の変動を抑える目的で、電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に接続される。
　第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４および後述の第５～７電源バイパスコンデンサＣ５～Ｃ７は、フィルムタイプのコンデンサが用いられる。フィルムタイプのコンデンサとして、例えば、薄膜高分子積層コンデンサが適用され、誘電体の材質は、例えば、ＰＥＴ，ＰＰ，ＰＰＳ，ＰＣ，ＰＥＮやこれらの混合タイプの内から適宜選択可能である。
　振動検出素子１３の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、第１電源バイパスコンデンサＣ１が接続される。第１電源バイパスコンデンサＣ１により、振動検出素子１３に安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。振動検出素子１３からのアナログ出力信号は、抵抗２３を介して、演算増幅回路１８における演算増幅器２４の一方の入力端子に入力される。
　この演算増幅器２４の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、第２電源バイパスコンデンサＣ２が接続される。第２電源バイパスコンデンサＣ２により、演算増幅回路１８にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。演算増幅器２４からの出力信号は、コンデンサ２５およびこのコンデンサ２５に並列接続された抵抗等２６を介して、他方の入力端子に入力される。演算増幅器２４は、２つの入力端子への入力（反転入力、非反転入力）の差を増幅して出力する。
　増幅された出力信号は、直列接続された抵抗２７，２８を介して、フィルタ回路１９における演算増幅器２９の一方の入力端子に入力される。この演算増幅器２９の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、第３電源バイパスコンデンサＣ３が接続される。第３電源バイパスコンデンサＣ３により、フィルタ回路１９にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。演算増幅器２９からの出力信号は、他方の入力端子に入力されると共に、コンデンサ３０を介して抵抗２７，２８間に帰還する。
　このフィルタ回路１９により、軸受の固有振動に対応した所定の周波数帯域のみを抽出し、不要な周波数帯域を除去する。軸受の正常運転時は、転動体の回転通過に伴う軸受の固有振動が発生するが、軸受の転がり面に異常が発生した場合には、軸受回転数に応じた転動体の通過周期で振動のピークが重畳される。
　フィルタ回路１９を通過した出力信号は、抵抗３１を介してマイクロコンピュータ２０に入力される。このマイクロコンピュータ２０内部において、出力信号はＡ／Ｄ変換された後に記録手段に一時的に記録される。マイクロコンピュータ２０に、過大な電圧が印加されないように基準電圧回路２１が接続されている。この基準電圧回路２１の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間には、第４電源バイパスコンデンサＣ４が接続される。第１電源バイパスコンデンサＣ４により、基準電圧回路２１にノイズがバイパスされた安定した電源電圧が供給され、且つ、この供給される電源電圧の変動が抑えられる。
　電源３には、所望の電圧を取り出すために電源回路３２が接続される。
　図５は、電源回路３２の概略図である。電源ラインＬ１に、電源回路３２におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３３の入力端子を接続することで、このＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力端子から所望の電圧が取り出される。この電源回路３２の電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に、第５～７電源バイパスコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７が接続される。これら第５～７電源バイパスコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７により、電源回路３２からノイズがバイパスされた安定した電源電圧で且つ変動が抑えられた電源電圧が出力される。
　送受信ユニットについて説明する。図１に示すように、振動測定ユニット１に一時的に記録されたデータは、ケーブル２２を介して、送受信ユニット２に送信される。この送受信ユニット２は、例えば、鉄道車両のボディー３４に固定される。送受信ユニット２は、例えば、受信したデータを、定められた周波数からなる電磁波のセンサ信号にしてアンテナ２ａにより解析装置に送信する。
　これに代えて、外部の測定開始指令装置から測定開始指令信号を送受信ユニット２に無線送信し、測定開始指令信号を受信した送受信ユニット２からケーブル２２を介して振動測定ユニット１に測定開始指令信号を送信することにより、振動測定ユニット１で軸箱内の軸受の振動を測定し、内部のメモリや記録メディアに記録しても良い。この場合、振動測定ユニット１から記録メディアを取り出して解析装置にて解析を行う。
　さらに、これらに代えて、振動測定ユニット１の内部のメモリに一時的に記録されたデータを、ケーブル２２を介して送受信ユニット２に送信し、この送受信ユニット２がこのデータを定められた周波数からなる電磁波のセンサ信号に変換して、アンテナ２ａにより解析装置に送信しても良い。
　解析装置について説明する。解析装置は、例えば、鉄道車両の運転室内に設けられ、送受信ユニット２から送信される周波数に対応した周波数を受信する。受信したセンサ信号は、異常判定部で周波数解析により軸受の異常判定に供される。異常判定部は、例えば、転がり軸受の回転数とセンサ信号とから、転がり軸受の異常に起因する振動周波数を特定し、この振動周波数により軸受に異常があるか否かを判定する。転がり軸受の回転数は、鉄道車両の駆動源から演算により求めても良いし、転がり軸受の回転数を検出する回転検出手段を設けても良い。
　以上説明した鉄道車両用軸受異常検知装置によると、鉄道車両の走行時に軸箱５の転がり軸受６が回転すると、転動体の回転通過に伴い軸受の固有振動が発生する。軸受６の転がり面に異常が発生すると、この転がり面の異常に起因する振動が顕著となり、転動体の通過周期でピークが発生する。これらの運転状態を検出してマイクロコンピュータ２０内部の記録手段に記録し、外部の解析装置にて周波数解析を行う。この解析結果により、軸受６の異常判定を行う。
　電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２の間に接続される第１～７電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ７は、電源３に重畳するノイズをバイパスして、電源３から電圧印加対象に安定した電圧を供給するうえ、電源電圧の変動を抑える。第１～７電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ７に、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、第１～７電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ７に衝撃が作用しても、コンデンサ表面でその衝撃等を緩和、吸収することができる。これにより、第１～７電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ７にクラックが生じることを未然に防止し、マイグレーションの発生を抑えることができる。したがって、電源ラインＬ１とＧＮＤラインＬ２がショートすることを防止し、過大な電流が流れることを防止することができる。
　処理回路１４はプリント基板１５に実装される。プリント基板１５に反りなどによる外力が作用する場合においても、第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４に、フィルムタイプのコンデンサを用いることにより、第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４が弾性変形することで、第１～４電源バイパスコンデンサＣ１～Ｃ４にクラックが生じることを未然に防止できる。
　振動検出素子１３は、永久磁石１１のホルダ１６に取り付けられているので、軸箱５における測定部位に対し、永久磁石１１の吸引力を利用して振動検出素子１３を着脱自在に設けることができる。永久磁石１１を吸引固定させるボルト１０として、例えば、市販品の六角ボルトを適用できるので、コスト低減を図れる。
　第２実施形態として、図６に示すように、永久磁石１１およびそのホルダ１６と、振動検出素子１３との間に電気絶縁体３５を介在させても良い。この場合、鉄道車両から台車４および軸箱５を通じて流れる電気ノイズから、振動検出素子１３を保護することができる。
　本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、転がり軸受の運転状態を検出する検出素子として振動検出素子を適用したが、この振動検出素子に限定されるものではない。例えば、転がり軸受の温度を検出する温度検出素子または転がり軸受の回転速度を検出する速度検出素子を適用しても良い。
　前記温度検出素子を適用する場合、例えば、転がり軸受の回転数が上がる程、軸受温度が上昇するため、これらの関係を予め関係設定手段に記録しておく。解析装置は、例えば、計測された回転数に対し、前記関係設定手段を照らし合わせ、温度検出素子で検出され処理回路で処理された軸受温度が閾値よりも大きいとき、転がり軸受に異常が発生したと判定できる。
　検出素子として前記速度検出素子を適用する場合、解析装置は、例えば、鉄道車両の駆動源の回転数に対し、速度検出素子で検出され処理回路で処理された転がり軸受の回転速度が許容回転速度から外れているとき、転がり軸受に異常が発生したと判定できる。これら閾値、許容回転速度等は、例えば、実験やシミュレーションの結果から定められる。
　鉄道車両の発信装置より空中を飛ぶ電磁ノイズから検出素子を保護するために、ケース１２の内面に導電性の高い金属等の膜を形成しても良い。この膜を流れるノイズは、軸箱５側にアースしても良い。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
３　電源
４　台車
５　軸箱
６　転がり軸受
１１　永久磁石
１２　ケース
１３　振動検出素子
１４　処理回路
１５　プリント基板
１６　ホルダ
Ｃ１～Ｃ７　第１～第７電源バイパスコンデンサ

Claims (6)

  1. 　鉄道車両の台車に設けた軸箱に組み込まれる転がり軸受の異常を検知する鉄道車両用軸受異常検知装置であって、
    　前記転がり軸受の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、および速度検出素子の少なくともいずれか１つの検出素子と、
    　この検出素子で検出した物理量を出力信号に変換する処理回路と、
    　前記検出素子または前記処理回路に電圧を印加する電源と、
    　を備え、
    　前記検出素子および前記処理回路における電圧印加対象の電源ラインとＧＮＤラインの間に、電源バイパスコンデンサを設け、この電源バイパスコンデンサが、フィルムタイプのコンデンサである鉄道車両用軸受異常検知装置。
  2. 　請求項１記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記処理回路は、プリント基板に実装されている鉄道車両用軸受異常検知装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記処理回路を収納するケースを設け、前記検出素子は、前記ケースに取り付けられている鉄道車両用軸受異常検知装置。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記軸箱における測定部位に吸引固定される永久磁石と、この永久磁石を保持するホルダとを設け、
    　前記振動検出素子は、前記永久磁石または前記ホルダに取り付けられている鉄道車両用軸受異常検知装置。
  5. 　請求項４に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記永久磁石および前記ホルダと前記振動検出素子との間に、電気的に絶縁する絶縁体が介在されている鉄道車両用軸受異常検知装置。
  6. 　請求項４または請求項５に記載の鉄道車両用軸受異常検知装置において、前記軸箱に磁性体からなるボルトが締結され、
    　このボルトの頭部に前記永久磁石が吸引固定されている鉄道車両用軸受異常検知装置。
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