WO2018100757A1 - 鉄道車両の状態監視装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a railway vehicle state monitoring apparatus.
- the carriage can be displaced relative to the vehicle body, and if wiring is made from the vehicle body to the temperature sensor of the carriage, the wiring is shaken due to the deviation of the carriage. Therefore, in order to reduce the wiring between the vehicle body and the carriage, it is conceivable that the temperature information detected by the temperature sensor is wirelessly transmitted to the vehicle body side, and the power source for the wireless transmission is also arranged on the carriage. Also, when the power source is arranged on the carriage, the number of power sources increases, so it is desirable to extend the life of the power source or to reduce the size, but if the power consumption is reduced by simply reducing the operation frequency of the temperature sensor, The amount of information related to bearing abnormalities is reduced, making it impossible to accurately grasp the state. The same applies when monitoring objects other than the bearing temperature as the monitoring target of the carriage.
- the present invention is suitable for a railway vehicle having a power source provided on a carriage, for extending the life or reducing the capacity of the power source by reducing power consumption, and securing a sufficient amount of state information indicating an abnormality or a sign of abnormality. It aims at making it compatible.
- a railway vehicle state monitoring apparatus is a railway vehicle state monitoring apparatus having a vehicle body and a carriage, the monitoring sensor provided in the carriage and detecting state information of the equipment of the carriage, A wireless transmitter that is provided in the carriage and wirelessly transmits a signal including state information detected by the monitoring sensor with a transmission interval, and is provided in the carriage and supplies power to the monitoring sensor and the wireless transmitter. And when the monitoring value using the state information is determined to be less than or equal to a threshold value, the wireless transmitter wirelessly transmits the signal using the transmission interval as a predetermined initial interval, When it is determined that the monitoring value exceeds the threshold value, the signal is wirelessly transmitted with the transmission interval being a narrow interval smaller than the initial interval.
- the transmission interval of the wireless transmitter is set wide, so that the power consumption by the wireless transmission operation can be reduced.
- the power consumption by the wireless transmission operation is usually larger than the power consumption by the detection operation of the monitoring sensor, it is possible to effectively save power.
- the transmission interval of the wireless transmitter is set to be narrow, so that it is possible to transmit the state information indicating an abnormality or a sign of abnormality of the cart device with a sufficient amount of information.
- a railway vehicle provided with a power source on a carriage, it is possible to extend the life or reduce the capacity of the power source by reducing power consumption, and to secure a sufficient amount of state information indicating an abnormality or a sign of abnormality. Both can be suitably achieved.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a railway vehicle 1 equipped with a bearing monitoring device 10 according to the embodiment.
- FIG. 2 is a block diagram of the bearing temperature sensor units 11F and 11R of the bearing monitoring apparatus 10 shown in FIG.
- FIG. 3 is a block diagram of the vehicle body mounting device 21 of the bearing monitoring device 10 shown in FIG.
- the railway vehicle 1 includes a vehicle body 2, a first carriage 3 ⁇ / b> F that is disposed near one end portion in the longitudinal direction of the vehicle body 2 and supports the vehicle body 2, and near the other end portion in the longitudinal direction of the vehicle body 2.
- a second carriage 3 ⁇ / b> R that supports the vehicle body 2.
- a first air spring 4F and a second air spring 4R are interposed between the vehicle body 2 and the carts 3F and 3R, respectively.
- the railway vehicle 1 is equipped with a bearing monitoring device 10 as an example of a state monitoring device.
- the bearing monitoring device 10 monitors the temperature of the bearing (equipment) housed in the axle box of each carriage 3F, 3R while referring to the load (hereinafter simply referred to as load) and the rotational speed, It is a device that detects abnormal signs.
- the bearing monitoring device 10 includes bearing temperature sensor units 11F and 11R attached to the respective axle boxes of the first carriage 3F and the second carriage 3R, and a vehicle body mounting device 21 mounted on the vehicle body 2.
- each of the bearing temperature sensor units 11F and 11R includes a power source 12, a bearing temperature sensor 13, a processor 14, a storage unit 15, and a wireless transmission / reception unit 16.
- the power supply 12 is a battery, for example.
- the power source 12 may be a power source using energy harvesting technology that obtains power by collecting energy such as vibration, heat, and sunlight.
- the bearing temperature sensor 13 detects the temperature of the bearing. Four bearing temperature sensors are installed per carriage, and the temperature of all the bearings of each carriage is detected. The bearing temperature sensor 13 directly detects the temperature of the bearing in contact with the bearing. However, the bearing temperature sensor 13 may be configured to detect the temperature of the bearing indirectly by contacting the axle box without contacting the bearing and detecting the temperature of the axle box.
- the processor 14 controls the read / write operation of the storage unit 15 and the operation of the wireless transmission / reception unit 16.
- the storage unit 15 stores temperature information (state information) detected by the bearing temperature sensor 13 and the like.
- the wireless transmission / reception unit 16 wirelessly transmits the temperature information stored in the storage unit 15 and receives a wireless signal from the vehicle body mounting device 21.
- the power source 12, the bearing temperature sensor 13, the processor 14, the storage unit 15, and the wireless transmission / reception unit 16 are integrated by a casing 17, and the casing 17 is a shaft. It is attached to the box.
- the vehicle body mounting device 21 includes a pair of radio transceivers 22F and 22R, a data processing device 23 incorporating an acceleration sensor 24, an air spring pressure sensor 25, an ambient temperature sensor 26, Is provided.
- the wireless transmitter / receiver 22F provided at one end of the vehicle body 2 receives sensor signals wirelessly transmitted from the four wireless transmitter / receivers 16 of the first carriage 3F.
- the second wireless transmitter / receiver 22R provided at the other end of the vehicle body 2 receives sensor signals wirelessly transmitted from the four wireless transmitter / receivers 16 of the second carriage 3R.
- the data processing device 23 is provided in the vehicle body 2 and is connected to the radio transceivers 22F and 22R via a communication line. Data stored in the data processing device 23 can be accessed from the outside. For example, the data processing device 23 is configured to be able to extract the data via a communication line, a recording medium, or the like (not shown).
- the data processing device 23 includes an acceleration sensor 24 and a data processing unit 27, and the data processing unit 27 is housed in a housing 28 together with the acceleration sensor 24.
- the casing 28 is attached to the vehicle body 2 and is disposed under the floor of the vehicle body 2.
- the acceleration sensor 24 detects the acceleration in the vehicle longitudinal direction, that is, the acceleration in the vehicle traveling direction.
- the acceleration sensor 24 is used in the data processing device 23 to calculate the rotational speed of each bearing of each carriage 3F, 3R.
- the air spring pressure sensor 25 is provided in the vehicle body 2 and detects the internal pressure value of the first air spring 4F interposed between the vehicle body 2 and the first carriage 3F.
- the air spring pressure sensor 25 is connected to the data processing device 23 and is used in the data processing device 23 to calculate the load of each bearing of the first cart 3F and the second cart 3R.
- the atmospheric temperature sensor 26 is connected to the data processing device 23 and detects the atmospheric temperature outside the railway vehicle 1.
- the ambient temperature sensor 26 is disposed below the housing 28 of the data processing device 23, for example.
- the data processing unit 27 includes a processor, a volatile memory, a nonvolatile memory, an I / O interface, and the like.
- the data processing unit 27 includes a transmission / reception unit 31, a storage unit 32, a communication interval determination unit 33, a diagnosis unit 34, and an output unit 35.
- the transmission / reception unit 31 and the output unit 35 are realized by an I / O interface.
- the storage unit 32 is realized by a volatile memory and a nonvolatile memory.
- the nonvolatile memory of the storage unit 32 stores a program for executing the flowchart of FIG. 4, conversion tables of FIGS.
- the communication interval determination unit 33 and the diagnosis unit 34 are realized by the processor performing arithmetic processing using the volatile memory in accordance with a program stored in the nonvolatile memory of the storage unit 32.
- the transmission / reception unit 31 receives information on each temperature of each bearing received by the wireless transceivers 22F and 22R from the bearing temperature sensor units 11F and 11R wirelessly.
- the transmission / reception unit 31 receives acceleration data in the vehicle traveling direction from the acceleration sensor 24.
- the transmission / reception unit 31 receives data of the internal pressure value of the first air spring 4F from the air spring pressure sensor 25.
- the transmission / reception unit 31 receives the ambient temperature data outside the vehicle from the ambient temperature sensor 26.
- the storage unit 32 stores each data received by the transmission / reception unit 31.
- the communication interval determination unit 33 determines the transmission interval of the wireless transmission / reception unit 16 of the bearing temperature sensor units 11F and 11R according to the procedure of the flowchart of FIG.
- the transmission interval of the wireless transmission / reception unit 16 determined by the communication interval determination unit 33 is wirelessly transmitted as a command value from the wireless transmission / reception devices 22F and 22R to the wireless transmission / reception unit 16 of the bearing temperature sensor unit 11F.
- the diagnosis unit 34 diagnoses the state of all the bearings of the first carriage 3F and the second carriage 3R based on each data stored in the storage unit 32.
- the output unit 35 outputs the result determined by the diagnosis unit 34 to the outside in a predetermined manner (for example, transmission, display, sound, etc.).
- FIG. 4 is a flowchart of the bearing monitoring apparatus 10 shown in FIGS.
- FIG. 5 is a conversion table of the threshold value ⁇ T th (i) of the temperature increase ⁇ T depending on the bearing load F and the rotational speed V.
- FIG. 6 is a conversion table of the threshold value dT th (i) of the temperature increase rate dT depending on the load F and the rotation speed V of the bearing.
- FIG. 7 is a conversion table of the transmission interval C n and the abnormal levels I to III according to the temperature rise amount ⁇ T or the temperature rise rate dT.
- the processing content of the bearing monitoring apparatus 10 will be described according to the flowchart of FIG. 4 with reference to FIGS.
- a single bearing temperature sensor unit 11F will be described as an object.
- ⁇ T is the temperature rise amount (° C.)
- ⁇ T th (1) is the first threshold value for the temperature rise amount
- ⁇ T th (2) is the second threshold value for the temperature rise amount
- ⁇ T th (3) is the temperature rise.
- the third threshold value, dT is the temperature rise rate
- dT th (1) is the first threshold value for the temperature rise rate
- dT th (2) is the second threshold value for the temperature rise rate
- dT th (3) is the temperature rise rate.
- the third threshold, C is the transmission interval
- C 0 is the initial interval
- C 1 is the first narrow interval
- C 2 is the second narrow interval
- C 3 is the third narrow interval
- V is the bearing rotational speed
- F is the bearing load.
- the communication interval determination unit 33 sets the transmission interval C of the wireless transmission / reception unit 16 to the initial interval C 0 (step S1). As shown in the conversion table of FIG.
- the communication interval determining unit 33 When the transmission interval C remains the initial interval C 0 and the temperature increase amount ⁇ T or the temperature increase rate dT exceeds the first threshold values ⁇ T th (1), dT th (1), the transmission interval C is set to the first interval C 0.
- the narrow interval C 1 is set and the temperature rise amount ⁇ T or the temperature rise rate dT exceeds the second threshold values ⁇ T th (2) and dT th (2), the transmission interval C is set to the second narrow interval C 2 .
- the transmission interval C is set to the third narrow interval C 3 (step S2). ).
- the third threshold value ⁇ T th (3) is set to “50”, and regarding the temperature increase rate ⁇ dT, the first threshold value dT th (1) is “5”, and the second threshold value dT th (2) is “ 7 ”, the third threshold dT th (3) is set to“ 11 ”.
- the values of the first to third threshold values ⁇ T th (i) of the temperature rise amount ⁇ T are increased, and the value of the bearing rotational speed V is increased.
- the first to third threshold values ⁇ T th (i) of the temperature increase amount ⁇ T are increased. Further, as shown in FIG.
- step S3 it is determined whether or not the transmission interval C set by the communication interval determining unit 33 has changed (step S3).
- the data processing device 23 transmits information on the transmission interval C determined by the communication interval determination unit 33 to the bearing temperature sensor unit 11F, and the processor 14 performs wireless transmission / reception according to the information.
- the transmission interval C of the unit 16 is set (step S4).
- the data processing unit 27 acquires the temperature data T transmitted from the bearing temperature sensor unit 11F (step S5).
- the bearing temperature sensor 13 detects bearing temperature information at a sampling interval narrower than the initial interval C 0 , and the storage unit 15 has a capacity capable of storing a plurality of temperature information detected at least within the initial interval C 0 . .
- the sampling interval of the bearing temperature sensor 13 is narrower than any transmission interval C (C 0 , C 1 , C 2 , C 3 ).
- the wireless transmission / reception unit 16 wirelessly transmits only a part of the temperature information among the plurality of temperature information stored in the initial interval C 0 stored in the storage unit 15. To do.
- the wireless transmission / reception unit 16 wirelessly transmits only the latest temperature information among the plurality of temperature information within the initial interval C 0 stored in the storage unit 15.
- the data processing device 23 acquires the ambient temperature T 0 , the bearing load F, and the bearing rotational speed V (step S6).
- the ambient temperature T 0 is detected by the ambient temperature sensor 26.
- the bearing load F is calculated using the internal pressure value P of the first air spring 4F detected by the air spring pressure sensor 25 (step S7).
- the data processing unit 27 calculates the bearing load F by the following mathematical formula 4.
- A is a pressure receiving area of the air spring
- W is a weight of a member interposed between the air spring and the bearing in the carriage.
- the bearing rotation speed V is calculated from the acceleration Acc in the vehicle traveling direction detected by the acceleration sensor 24 (step S8). Specifically, the data processing unit 27 calculates the bearing rotation speed V by the following formula 5. Where D is the wheel diameter of the carriage and ⁇ is the circumference.
- step S9 it is determined whether or not the bearing rotational speed V is not zero (step S9). If the bearing rotational speed V is zero, it is determined whether or not the vehicle is already stopped (step S10). If the vehicle immediately before is already stopped, the process directly returns to step S6. If the vehicle is not stopped immediately before, the data processing unit 27 instructs the bearing temperature sensor unit 11F to stop transmission, and wirelessly The wireless transmission of temperature information from the transmission / reception unit 16 is stopped (step S11), and the process returns to step S6.
- step S12 it is determined whether or not the vehicle was stopped immediately before (step S12). If the vehicle is stopped immediately before, the data processing unit 27 commands the bearing temperature sensor unit 11F to transmit the transmission interval C determined by the communication interval determination unit 33, and receives the temperature data T from the bearing temperature sensor unit 11F. It receives by radio
- T is the detected bearing temperature (° C.)
- t 2 is the current time
- t 1 is the previous time
- ⁇ T 2 is ⁇ T at time t 2
- ⁇ T 1 is ⁇ T at time t 1 .
- the communication interval determination unit 33 determines the values of the first to third threshold values ⁇ T th (i) and the first to third threshold values dT th (i) from the conversion tables of FIGS. 5 and 6 (step S15). Then, the communication interval determination unit 33 determines whether at least one of the following condition 1 and condition 2 is satisfied.
- step S17 If neither condition 1 nor condition 2 is satisfied, it is determined whether or not the transmission interval C is the initial interval C 0 (step S17). If the transmission interval C is already the initial interval C 0 , the process returns to step S3 as it is. If the transmission interval C is not the initial gap C 0, the communication interval determination unit 33, the transmission interval C is determined in the initial interval C 0, sets the transmission interval C in the initial interval C 0 in bearing temperature sensor unit 11F Instructed by radio (step S18).
- the data processing unit 27 includes a plurality (for example, all) from the previous transmission to the current time stored in the storage unit 15 with respect to the bearing temperature sensor unit 11F. ) Of the temperature data is requested, and the temperature data is received (step S19). Then, the communication interval determination unit 33 selects an emergency level and issues an abnormality based on the conversion table of FIG. 7, and changes the transmission interval C (step S20). As an urgent level, “I” means an abnormal sign, “II” means a minor abnormality, and “III” means a severe abnormality.
- the diagnosis unit 34 makes an emergency
- the level is selected as “I” and the output unit 35 outputs a warning to the outside, and the communication interval determination unit 33 instructs the bearing temperature sensor unit 11F to change the transmission interval C to the first narrow interval C 1.
- the processor 14 sets the transmission interval C of the radio transmitting and receiving unit 16 to the first narrow gap C 1.
- step S20 the process returns to step S3.
- the radio transmission / reception unit 16 Since the transmission interval C is set wide, the power consumption by the wireless transmission operation can be reduced. In particular, since the power consumption by the wireless transmission operation is usually larger than the power consumption by the detection operation of the bearing temperature sensor 13, it is possible to effectively save power.
- the transmission interval C of the wireless transmission / reception unit 16 is set to be narrow.
- the previous transmission stored in the storage unit 15 to the current time are stored. Since only a part of the plurality of temperature data is wirelessly transmitted, it is possible to contribute to the suppression of the amount of transmission information and the reduction of power consumption.
- the monitored value temperature rise amount ⁇ T or temperature rise rate dT
- a temperature rise amount ⁇ T and a temperature rise rate dT are used as monitoring values, and at least one of the temperature rise amount ⁇ T and the temperature rise rate dT is the first to third threshold values ⁇ T th (i), dT th.
- the temperature increase ⁇ T and the temperature increase rate dT tend to increase even if the bearing is normal.
- the transmission interval C of the wireless transmission / reception unit 16 becomes narrow when the bearing is normal. Can be prevented.
- the temperature rise amount ⁇ T and the temperature rise rate dT are relatively low even if an abnormality occurs in the bearing, so the first to third threshold values ⁇ T.
- the wireless transmission / reception unit 16 stops wireless transmission when the bearing rotational speed V is zero. Can be effectively reduced.
- the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration can be changed, added, or deleted.
- the physical value indicating the state of the equipment of the cart is not limited thereto, and may be, for example, vibration of the bearing of the cart or state information of the leaf spring of the cart.
- both the temperature rise amount ⁇ T and the temperature rise rate dT are monitored as monitored values, only one of them may be monitored.
- the communication interval determination unit 33 is provided in the data processing unit 27, it may be provided in the bearing temperature sensor unit 11F.
- the conversion tables in FIGS. 5 to 7 are merely examples, and specific values of the conversion tables are appropriately determined according to specifications. Moreover, you may change a threshold value based on the numerical formula which inputs a bearing load and a bearing rotational speed instead of changing based on a conversion table.
- the air spring pressure sensor 25 was illustrated as a state sensor used for calculation of the bearing load F, it is not limited to this, For example, you may detect the bearing load F using a load cell.
- the acceleration sensor 24 was illustrated as a state sensor used for calculation of the bearing rotational speed V, it is not limited to this, For example, you may detect the bearing rotational speed V using a vehicle speed sensor.
- the sampling frequency of the bearing temperature sensor 13 may be changed for further power saving of the bearing temperature sensor unit 11F. That is, the processor sets the sampling interval of the bearing temperature sensor 13 to a predetermined initial interval when it is determined that the monitored value is equal to or less than the threshold value, and when it is determined that the monitored value exceeds the threshold value, the bearing The sampling interval of the temperature sensor 13 may be set to a narrow interval smaller than the initial interval.
- the monitored value to be compared with the threshold value is the temperature increase amount ⁇ T or the temperature increase rate dT, but may be the temperature increase amount ⁇ T and the temperature increase rate dT.
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Abstract
鉄道車両の状態監視装置は、台車の機器の状態情報を検出する監視センサと、前記監視センサで検出された状態情報を含む信号を送信間隔をあけて無線送信する無線送信器と、を備え、前記無線送信器は、前記状態情報を用いた監視値が閾値以下であると判定された場合に、前記送信間隔を所定の初期間隔として前記信号を無線送信し、前記監視値が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記送信間隔を前記初期間隔よりも小さい狭間隔として前記信号を無線送信する。
Description
本発明は、鉄道車両の状態監視装置に関する。
鉄道車両の台車では、軸箱に収容された軸受の焼き付き防止のために、軸受の温度を定期的に測定し、突然の運行停止を予防することが重要である。そのため、軸受に温度センサを取り付け、温度センサで測定された温度に基づいて軸受の異常を検知するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、鉄道車両では、台車は車体に対して相対変位可能であり、台車の温度センサに車体から配線を行うと、台車の偏倚によって配線に動揺が生じる。よって、車体と台車との間の配線を削減すべく、温度センサで検出された温度情報を車体側に無線送信し、その無線送信のための電源も台車に配置することが考えられる。また、電源を台車に配置するとなると、電源の個数も多くなるため、電源を長寿命化あるいは小型化することも望まれるが、単に温度センサの動作頻度を減らす等して消費電力を低減すると、軸受の異常に関する情報量が減り、的確な状態把握ができなくなる。なお、台車の監視対象として軸受温度以外のものを監視する場合も同様である。
そこで本発明は、電源が台車に設けられた鉄道車両において、消費電力の低減による電源の長寿命化あるいは小容量化と、異常又は異常予兆を示す状態情報の十分な情報量の確保とを好適に両立させることを目的とする。
本発明の一態様に係る鉄道車両の状態監視装置は、車体及び台車を有する鉄道車両の状態監視装置であって、前記台車に設けられ、前記台車の機器の状態情報を検出する監視センサと、前記台車に設けられ、前記監視センサで検出された状態情報を含む信号を送信間隔をあけて無線送信する無線送信器と、前記台車に設けられ、前記監視センサ及び前記無線送信器に電力を供給する電源と、を備え、前記無線送信器は、前記状態情報を用いた監視値が閾値以下であると判定された場合に、前記送信間隔を所定の初期間隔として前記信号を無線送信し、前記監視値が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記送信間隔を前記初期間隔よりも小さい狭間隔として前記信号を無線送信する。
前記構成によれば、監視値が閾値を超えていないときには、無線送信器の送信間隔が広く設定されるので、無線送信動作による消費電力を低減できる。特に、監視センサの検出動作による電力消費量に比べ、無線送信動作による電力消費量の方が大きくなるのが通常であるため、効果的に省電力化を図ることができる。そして、監視値が閾値を超えたときには、無線送信器の送信間隔が狭く設定されるので、台車の機器の異常又は異常予兆を示す状態情報を十分な情報量で送信できる。よって、電源が台車に設けられた鉄道車両において、消費電力の低減による電源の長寿命化あるいは小容量化と、異常又は異常予兆を示す状態情報の十分な情報量の確保とを好適に両立できる。
本発明によれば、電源が台車に設けられた鉄道車両において、消費電力の低減による電源の長寿命化あるいは小容量化と、異常又は異常予兆を示す状態情報の十分な情報量の確保とを好適に両立できる。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図1は、実施形態に係る軸受監視装置10が搭載された鉄道車両1の模式図である。図2は、図1に示す軸受監視装置10の軸受温度センサユニット11F,11Rのブロック図である。図3は、図1に示す軸受監視装置10の車体搭載装置21のブロック図である。図1に示すように、鉄道車両1は、車体2と、車体2の長手方向の一端部寄りに配置されて車体2を支持する第1台車3Fと、車体2の長手方向の他端部寄りに配置されて車体2を支持する第2台車3Rとを有する。車体2と各台車3F,3Rとの間には、それぞれ第1空気バネ4F及び第2空気バネ4Rが介在している。なお、図1では、1両の車両のみ図示したが、2両以上の鉄道車両でよいことは言うまでもない。
鉄道車両1には、状態監視装置の一例としての軸受監視装置10が搭載されている。軸受監視装置10は、負荷荷重(以下、単に荷重と称す)及び回転速度を参照しながら、各台車3F,3Rの軸箱に収容された軸受(機器)の温度を監視し、軸受の異常又は異常予兆を検知する装置である。軸受監視装置10は、第1台車3F及び第2台車3Rの各軸箱にそれぞれ取り付けられた軸受温度センサユニット11F,11Rと、車体2に搭載された車体搭載装置21と、を備える。
図1及び2に示すように、軸受温度センサユニット11F,11Rの各々は、電源12と、軸受温度センサ13と、プロセッサ14と、記憶部15と、無線送受信部16とを有する。電源12は、例えば、電池である。なお、電源12は、振動・熱・太陽光等のエネルギーを採取して電力を得るエネルギーハーベスト技術を利用した電源等でもよい。軸受温度センサ13は、軸受の温度を検出する。1台車あたり4つの軸受温度センサが設置され、各台車の全ての軸受の温度が検出される。軸受温度センサ13は、軸受に接触して軸受の温度を直接的に検出する。但し、軸受温度センサ13は、軸受に接触せずに軸箱に接触し、軸箱の温度を検出することで間接的に軸受の温度を検出するもの等としてもよい。
プロセッサ14は、記憶部15の読み書き動作や無線送受信部16の動作等を制御する。記憶部15は、軸受温度センサ13で検出された温度情報(状態情報)等を保存する。無線送受信部16は、記憶部15に保存された温度情報を無線送信し、車体搭載装置21からの無線信号を受信する。本実施形態では、軸受温度センサユニット11F,11Rの各々では、電源12、軸受温度センサ13、プロセッサ14、記憶部15及び無線送受信部16は、筐体17により一体化され、筐体17が軸箱に取り付けられている。
図1及び3に示すように、車体搭載装置21は、一対の無線送受信器22F,22Rと、加速度センサ24を内蔵したデータ処理装置23と、空気バネ圧力センサ25と、雰囲気温度センサ26と、を備える。車体2の一端部に設けられた無線送受信器22Fは、第1台車3Fの4つの無線送受信部16から無線送信されたセンサ信号を受信する。車体2の他端部に設けられた第2無線送受信器22Rは、第2台車3Rの4つの無線送受信部16から無線送信されたセンサ信号を受信する。
データ処理装置23は、車体2に設けられ、無線送受信器22F,22Rに通信線を介して接続される。データ処理装置23に保存されたデータは外部からアクセス可能であり、例えば、データ処理装置23は、図示しない通信線や記録媒体等を介して当該データを抽出可能に構成されている。データ処理装置23は、加速度センサ24と、データ処理ユニット27とを備え、データ処理ユニット27は、加速度センサ24とともに筐体28に収容されている。筐体28は、車体2に取り付けられ、車体2の床下に配置される。加速度センサ24は、車両長手方向の加速度、即ち、車両進行方向の加速度を検出する。加速度センサ24は、データ処理装置23において各台車3F,3Rの各軸受の回転速度の算出に用いられる。
空気バネ圧力センサ25は、車体2に設けられ、車体2と第1台車3Fとの間に介在する第1空気バネ4Fの内圧値を検出する。空気バネ圧力センサ25は、データ処理装置23に接続され、データ処理装置23において第1台車3F及び第2台車3Rの各軸受の荷重の算出に用いられる。雰囲気温度センサ26は、データ処理装置23に接続され、鉄道車両1の車外の雰囲気温度を検出する。雰囲気温度センサ26は、例えば、データ処理装置23の筐体28の下方に配置される。
データ処理ユニット27は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びI/Oインターフェース等を有する。データ処理ユニット27は、送受信部31、記憶部32、通信間隔決定部33、診断部34及び出力部35を有する。送受信部31及び出力部35は、I/Oインターフェースにより実現される。記憶部32は、揮発性メモリ及び不揮発性メモリにより実現される。記憶部32の不揮発性メモリには、図4のフローチャートを実行するためのプログラム及び後述する図5~7の換算表等が保存されている。通信間隔決定部33及び診断部34は、記憶部32の不揮発性メモリに保存されたプログラムに従ってプロセッサが揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。
送受信部31は、無線送受信器22F,22Rが軸受温度センサユニット11F,11Rから無線で受信した各軸受の各温度の情報を受信する。送受信部31は、加速度センサ24から車両進行方向の加速度のデータを受信する。送受信部31は、空気バネ圧力センサ25から第1空気バネ4Fの内圧値のデータを受信する。送受信部31は、雰囲気温度センサ26から車外の雰囲気温度のデータを受信する。記憶部32は、送受信部31が受信した各データを保存する。
通信間隔決定部33は、後述する図4のフローチャートの手順に従って軸受温度センサユニット11F,11Rの無線送受信部16の送信間隔を決定する。通信間隔決定部33が決定した無線送受信部16の送信間隔は、指令値として、無線送受信器22F,22Rから軸受温度センサユニット11Fの無線送受信部16に無線送信される。診断部34は、記憶部32に保存された各データに基づいて第1台車3F及び第2台車3Rの全ての軸受の状態を診断する。出力部35は、診断部34で判定された結果を所定の態様(例えば、送信、表示、音等)により外部に出力する。
図4は、図2及び3に示す軸受監視装置10のフローチャートである。図5は、軸受の荷重F及び回転速度Vによる温度上昇量ΔTの閾値ΔTth(i)の換算表である。図6は、軸受の荷重F及び回転速度Vによる温度上昇率dTの閾値dTth(i)の換算表である。図7は、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTによる送信間隔Cn及び異常レベルI~IIIの換算表である。以下、図5~7等を適宜参照しながら、図4のフローチャートに従って軸受監視装置10の処理内容を説明する。また、説明の便宜のため、単一の軸受温度センサユニット11Fを対象として説明する。
以下の説明では、ΔTは温度上昇量(℃)、ΔTth(1)は温度上昇量の第1閾値、ΔTth(2)は温度上昇量の第2閾値、ΔTth(3)は温度上昇量の第3閾値、dTは温度上昇率、dTth(1)は温度上昇率の第1閾値、dTth(2)は温度上昇率の第2閾値、dTth(3)は温度上昇率の第3閾値、Cは送信間隔、C0は初期間隔、C1は第1狭間隔、C2は第2狭間隔、C3は第3狭間隔、Vは軸受回転速度、Fは軸受荷重を意味する。なお、各値の大小関係は、以下の数式1~3に示す通りである。
ΔTth(1)<ΔTth(2)<ΔTth(3) ・・・・・(数式1)
dTth(1)<dTth(2)<dTth(3) ・・・・・(数式2)
C0>C1>C2>C3 ・・・・・(数式3)
まず、軸受監視装置10が始動されると、通信間隔決定部33は、無線送受信部16の送信間隔Cを初期間隔C0に設定する(ステップS1)。そして、図7の換算表に示すように、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第1閾値ΔTth(1),dTth(1)以下である場合には、通信間隔決定部33は、送信間隔Cを初期間隔C0のままとし、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第1閾値ΔTth(1),dTth(1)を超えた場合に、送信間隔Cを第1狭間隔C1に設定し、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第2閾値ΔTth(2),dTth(2)を超えた場合に、送信間隔Cを第2狭間隔C2に設定し、温度上昇量ΔT又は温度上昇率ΔdTが、第3閾値ΔTth(3),dTth(3)を超えた場合に、送信間隔Cを第3狭間隔C3に設定する(ステップS2)。
dTth(1)<dTth(2)<dTth(3) ・・・・・(数式2)
C0>C1>C2>C3 ・・・・・(数式3)
まず、軸受監視装置10が始動されると、通信間隔決定部33は、無線送受信部16の送信間隔Cを初期間隔C0に設定する(ステップS1)。そして、図7の換算表に示すように、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第1閾値ΔTth(1),dTth(1)以下である場合には、通信間隔決定部33は、送信間隔Cを初期間隔C0のままとし、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第1閾値ΔTth(1),dTth(1)を超えた場合に、送信間隔Cを第1狭間隔C1に設定し、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが、第2閾値ΔTth(2),dTth(2)を超えた場合に、送信間隔Cを第2狭間隔C2に設定し、温度上昇量ΔT又は温度上昇率ΔdTが、第3閾値ΔTth(3),dTth(3)を超えた場合に、送信間隔Cを第3狭間隔C3に設定する(ステップS2)。
その際、温度上昇量ΔTの第1~第3閾値ΔTth(i)は、図5の換算表を参照して設定され、温度上昇率dTの第1~第3閾値dTth(i)は、図6の換算表を参照して設定される(i=1~3の自然数)。例えば、軸受回転速度Vが200rpm以下かつ軸受荷重が20kN以下である場合には、温度上昇量ΔTに関しては、第1閾値ΔTth(1)が「20」、第2閾値ΔTth(2)が「40」、第3閾値ΔTth(3)が「50」に設定され、温度上昇率ΔdTに関しては、第1閾値dTth(1)が「5」、第2閾値dTth(2)が「7」、第3閾値dTth(3)が「11」に設定される。そして、図5に示すように、軸受荷重Fの値が増加したときには、温度上昇量ΔTの第1~第3閾値ΔTth(i)の値が上げられ、軸受回転速度Vの値が増加したときにも、温度上昇量ΔTの第1~第3閾値ΔTth(i)の値が上げられる。また、図6に示すように、軸受荷重Fの値が増加したときには、温度上昇率dTの第1~第3閾値dTth(i)の値が上げられ、軸受回転速度Vの値が増加したときにも、温度上昇率dTの第1~第3閾値dTth(i)の値が上げられる。
次いで、通信間隔決定部33により設定される送信間隔Cに変化があったか否かが判定される(ステップS3)。送信間隔Cに変化があった場合には、データ処理装置23は、通信間隔決定部33で決定された送信間隔Cの情報を軸受温度センサユニット11Fに送信し、その情報に従ってプロセッサ14が無線送受信部16の送信間隔Cを設定する(ステップS4)。ステップS3で送信間隔Cに変化がない場合あるいはステップS4の後、データ処理ユニット27は、軸受温度センサユニット11Fから送信された温度データTを取得する(ステップS5)。
軸受温度センサ13は、初期間隔C0よりも狭いサンプリング間隔で軸受の温度情報を検出し、記憶部15は、少なくとも初期間隔C0内で検出された複数の温度情報を保存可能な容量を有する。本実施形態では、軸受温度センサ13のサンプリング間隔は、いずれの送信間隔C(C0,C1,C2,C3)よりも狭い。無線送受信部16は、送信間隔Cが初期間隔C0に設定されているときは、記憶部15に保存された初期間隔C0内の複数の温度情報のうち一部の温度情報のみを無線送信する。例えば、無線送受信部16は、記憶部15に保存された初期間隔C0内の複数の温度情報のうち最新の温度情報のみを無線送信する。
更に、データ処理装置23は、雰囲気温度T0と、軸受荷重Fと、軸受回転速度Vとを取得する(ステップS6)。雰囲気温度T0は、雰囲気温度センサ26で検出される。軸受荷重Fは、空気バネ圧力センサ25で検出された第1空気バネ4Fの内圧値Pを用いて算出される(ステップS7)。具体的には、データ処理ユニット27は、以下の数式4により軸受荷重Fを算出する。但し、Aは、空気バネの受圧面積であり、Wは、台車のうち空気バネと軸受との間に介在する部材の重量である。
F=(P・A+W/2)/2 ・・・・・(数式4)
軸受回転速度Vは、加速度センサ24で検出された車両進行方向の加速度Accから軸受の回転速度Vを算出する(ステップS8)。具体的には、データ処理ユニット27は、以下の数式5により軸受回転速度Vを算出する。但し、Dは、台車の車輪直径であり、πは円周率である。
軸受回転速度Vは、加速度センサ24で検出された車両進行方向の加速度Accから軸受の回転速度Vを算出する(ステップS8)。具体的には、データ処理ユニット27は、以下の数式5により軸受回転速度Vを算出する。但し、Dは、台車の車輪直径であり、πは円周率である。
V=∫Acc・dt/(πD) ・・・・・(数式5)
次いで、軸受回転速度Vがゼロでないか否かが判定される(ステップS9)。軸受回転速度Vがゼロである場合には、既に車両停止中であったか否かが判定される(ステップS10)。直前が既に車両停止中であった場合には、そのままステップS6に戻り、直前が車両停止中でなかった場合には、データ処理ユニット27は、軸受温度センサユニット11Fに送信停止を指令し、無線送受信部16からの温度情報の無線送信を停止させ(ステップS11)、ステップS6に戻る。
次いで、軸受回転速度Vがゼロでないか否かが判定される(ステップS9)。軸受回転速度Vがゼロである場合には、既に車両停止中であったか否かが判定される(ステップS10)。直前が既に車両停止中であった場合には、そのままステップS6に戻り、直前が車両停止中でなかった場合には、データ処理ユニット27は、軸受温度センサユニット11Fに送信停止を指令し、無線送受信部16からの温度情報の無線送信を停止させ(ステップS11)、ステップS6に戻る。
ステップS9で軸受回転速度Vがゼロでなかった場合にも、直前が車両停止中であったか否かが判定される(ステップS12)。直前が車両停止中であった場合には、データ処理ユニット27は、通信間隔決定部33で決定される送信間隔Cを軸受温度センサユニット11Fに指令し、軸受温度センサユニット11Fから温度データTを無線で受信し(ステップS13)、ステップS14に進む。直前が車両停止中でなかった場合には、そのままステップS14に進む。
次いで、通信間隔決定部33は、温度上昇量ΔT(=T-T0)と、温度上昇率dT(=(ΔT2-ΔT1)/(t2-t1))とを求める(ステップS14)。なお、Tは検出された軸受温度(℃)、t2は今回時刻、t1は前回時刻、ΔT2は時刻t2でのΔT、ΔT1は時刻t1でのΔTを意味する。通信間隔決定部33は、図5及び6の換算表より、第1~第3閾値ΔTth(i)及び第1~第3閾値dTth(i)の値を決める(ステップS15)。そして、通信間隔決定部33は、以下の条件1及び条件2の少なくとも一方が成立したか否かを判定する。
ΔT>ΔTth(i) ・・・・・(条件1)
dT>dTth(i) ・・・・・(条件2)
条件1及び条件2のいずれも成立していない場合には、送信間隔Cが初期間隔C0であるか否かが判定される(ステップS17)。送信間隔Cが既に初期間隔C0であった場合には、そのままステップS3に戻る。送信間隔Cが初期間隔C0でなかった場合には、通信間隔決定部33は、送信間隔Cを初期間隔C0に決定し、軸受温度センサユニット11Fに送信間隔Cを初期間隔C0に設定するように無線で指令する(ステップS18)。
dT>dTth(i) ・・・・・(条件2)
条件1及び条件2のいずれも成立していない場合には、送信間隔Cが初期間隔C0であるか否かが判定される(ステップS17)。送信間隔Cが既に初期間隔C0であった場合には、そのままステップS3に戻る。送信間隔Cが初期間隔C0でなかった場合には、通信間隔決定部33は、送信間隔Cを初期間隔C0に決定し、軸受温度センサユニット11Fに送信間隔Cを初期間隔C0に設定するように無線で指令する(ステップS18)。
条件1及び条件2の少なくとも一方が成立している場合には、データ処理ユニット27は、軸受温度センサユニット11Fに対して記憶部15に保存されている前回送信から今回までの複数(例えば、全て)の温度データの無線送信を要求し、当該温度データを受信する(ステップS19)。そして、通信間隔決定部33は、図7の換算表に基づいて、緊急レベルを選定して異常発報するとともに、送信間隔Cを変更する(ステップS20)。緊急レベルとしては、「I」が異常予兆を意味し、「II」が軽度異常を意味し、「III」が重度異常を意味する。
具体的には、温度上昇量ΔTが第1閾値ΔTth(1)を超えた場合、又は、温度上昇率dTが第1閾値dTth(1)を超えた場合には、診断部34が緊急レベルを「I」に選定して出力部35が警告を外部出力するとともに、通信間隔決定部33が、送信間隔Cを第1狭間隔C1に変更するように軸受温度センサユニット11Fに指令する。当該指令を受けた軸受温度センサユニット11Fでは、プロセッサ14が無線送受信部16の送信間隔Cを第1狭間隔C1に設定する。また、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが第2閾値ΔTth(2),dTth(2)を超えた場合には、緊急レベルが「II」に選定され、無線送受信部16の送信間隔Cが第2狭間隔C2に変更される。また、温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTが第3閾値ΔTth(3),dTth(3)を超えた場合には、緊急レベルが「III」に選定され、無線送受信部16の送信間隔Cが第3狭間隔C3に変更される。ステップS20の後は、ステップS3に戻る。
以上に説明した構成によれば、監視値(温度上昇量ΔT又は温度上昇率dT)が第1~第3閾値ΔTth(i),dTth(i)を超えていないときには、無線送受信部16の送信間隔Cが広く設定されるので、無線送信動作による消費電力を低減できる。特に、軸受温度センサ13の検出動作による電力消費量に比べ、無線送信動作による電力消費量の方が大きくなるのが通常であるため、効果的に省電力を図ることができる。そして、監視値(温度上昇量ΔT又は温度上昇率dT)が第1~第3閾値ΔTth(i),dTth(i)を超えたときには、無線送受信部16の送信間隔Cが狭く設定されるので、台車の軸受の異常又は異常予兆を示す温度情報を十分な情報量で送信できる。よって、電源12が台車3F,3Rに設けられた鉄道車両1において、消費電力の低減による電源12の長寿命化あるいは小容量化と、異常又は異常予兆を示す温度情報の十分な情報量の確保とを好適に両立できる。
また、監視値(温度上昇量ΔT又は温度上昇率dT)が第1閾値ΔTth(1),dTth(1)を超えていないときには、記憶部15に保存されている前回送信から今回までの複数の温度データのうち一部のデータのみを無線送信するので、送信情報量の抑制及び消費電力の低減に寄与できる。他方、監視値(温度上昇量ΔT又は温度上昇率dT)が第1閾値ΔTth(1),dTth(1)を超えたときには、その超えた時点で記憶部15に保存されている前回送信から今回までの複数の温度データが無線送信されるので、異常又は異常予兆の発生直前の温度データを詳細に無線送信でき、異常又は異常予兆の発生原因の究明に寄与できる。
また、監視値として温度上昇量ΔTと温度上昇率dTとの2種類の物理量を用い、温度上昇量ΔT及び温度上昇率dTの少なくとも一方が第1~第3閾値ΔTth(i),dTth(i)を超えたときに、送信間隔Cの変更及び緊急レベル選定を行うので、軸受の異常又は異常予兆の発生を的確に監視できる。
また、軸受荷重F及び軸受回転速度Vの少なくとも一方の値が高くなると、軸受が正常であっても温度上昇量ΔT及び温度上昇率dTが高くなる傾向にあるので、軸受荷重及び軸受回転速度の少なくとも一方の値が増加したときに第1~第3閾値ΔTth(i),dTth(i)を上げることで、軸受が正常であるときに無線送受信部16の送信間隔Cが狭くなることを防止できる。また、軸受荷重F及び回転速度Vの少なくとも一方の値が高い状態でないときには、軸受に異常が生じても温度上昇量ΔT及び温度上昇率dTが比較的に低いので、第1~第3閾値ΔTth(i),dTth(i)を下げることで、軸受の異常又は異常予兆を的確に検知できる。
また、鉄道車両1が停止しているときは軸受の異常事象が発生し難いと考えられるところ、無線送受信部16は、軸受回転速度Vがゼロであるときに無線送信を停止するので、消費電力を効果的に低減できる。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、軸受温度に基づいた値を監視値としたが、台車の機器の状態を表す物理量であれば、これに限られず、例えば、台車の軸受の振動や台車の板バネの状態情報等でもよい。また、監視値として温度上昇量ΔTと温度上昇率dTの両方を監視したが、いずれか一方のみを監視してもよい。また、通信間隔決定部33は、データ処理ユニット27に設けたが、軸受温度センサユニット11Fに設けられてもよい。
また、図5~7の換算表は単なる例示に過ぎず、換算表の具体的な数値は仕様に応じて適宜決定される。また、閾値は、換算表に基づいて変更する代わりに、軸受荷重及び軸受回転速度を入力とする数式に基づいて変更してもよい。また、軸受荷重Fの算出に用いる状態センサとして空気バネ圧力センサ25を例示したが、これに限定されず、例えば、ロードセルを用いて軸受荷重Fを検出してもよい。また、軸受回転速度Vの算出に用いる状態センサとして加速度センサ24を例示したが、これに限定されず、例えば、車速センサを用いて軸受回転速度Vを検出してもよい。
また、無線送受信部16の送信間隔のみを変更したが、軸受温度センサユニット11Fの更なる省電力化のために、軸受温度センサ13のサンプリング周波数も変更してもよい。即ち、プロセッサは、監視値が閾値以下であると判定された場合に、軸受温度センサ13のサンプリング間隔を所定の初期間隔に設定し、監視値が前記閾値を超えたと判定された場合に、軸受温度センサ13のサンプリング間隔を前記初期間隔よりも小さい狭間隔に設定するようにしてもよい。なお、閾値と比較する監視値は温度上昇量ΔT又は温度上昇率dTとしたが、温度上昇量ΔT及び温度上昇率dTとしてもよい。
1 鉄道車両
2 車体
3F,3R 台車
10 軸受監視装置
12 電源
13 軸受温度センサ(監視センサ)
14 プロセッサ
15 記憶部(記憶器)
16 無線送受信部(無線送信器)
32 記憶部(第2の記憶器)
33 通信間隔決定部(通信間隔決定器)
34 診断部(診断器)
2 車体
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10 軸受監視装置
12 電源
13 軸受温度センサ(監視センサ)
14 プロセッサ
15 記憶部(記憶器)
16 無線送受信部(無線送信器)
32 記憶部(第2の記憶器)
33 通信間隔決定部(通信間隔決定器)
34 診断部(診断器)
Claims (6)
- 車体及び台車を有する鉄道車両の状態監視装置であって、
前記台車に設けられ、前記台車の機器の状態情報を検出する監視センサと、
前記台車に設けられ、前記監視センサで検出された状態情報を含む信号を送信間隔をあけて無線送信する無線送信器と、
前記台車に設けられ、前記監視センサ及び前記無線送信器に電力を供給する電源と、を備え、
前記無線送信器は、前記状態情報を用いた監視値が閾値以下であると判定された場合に、前記送信間隔を所定の初期間隔として前記信号を無線送信し、前記監視値が前記閾値を超えたと判定された場合に、前記送信間隔を前記初期間隔よりも小さい狭間隔として前記信号を無線送信する、鉄道車両の状態監視装置。 - 前記台車に設けられ、前記状態情報を保存可能な記憶器を更に備え、
前記監視センサは、前記初期間隔よりも小さいサンプリング間隔で前記状態情報を検出し、
前記記憶器は、少なくとも前記初期間隔内で検出された複数の前記状態情報を保存可能な容量を有し、
前記無線送信器は、前記送信間隔が前記初期間隔に設定されているとき、前記記憶器に保存された前記初期間隔内の前記複数の状態情報のうち一部の状態情報を無線送信し、
前記無線送信器は、前記送信間隔が前記初期間隔から前記狭間隔に変更されるとき、その変更時点で前記記憶器に保存されている前記複数の状態情報を無線送信する、請求項1に記載の鉄道車両の状態監視装置。 - 前記監視センサは、前記状態情報として前記台車の軸受の温度情報を検出する軸受温度センサであり、
前記監視値は、前記温度情報から得られる温度上昇量及び温度上昇率の少なくとも一方である、請求項1又は2に記載の鉄道車両の状態監視装置。 - 前記監視値と前記閾値との間の大小関係を判定して前記無線送信器の前記送信間隔を決定する通信間隔決定器を更に備え、
前記通信間隔決定器は、前記軸受の荷重及び回転速度の少なくとも一方の値が増加したときに前記閾値を上げる、請求項3に記載の鉄道車両の状態監視装置。 - 前記無線送信器は、前記軸受の回転速度がゼロであるとき、前記温度情報の無線送信を停止する、請求項3又は4に記載の鉄道車両の状態監視装置。
- 前記車体に設けられ、前記無線送信器から送信された信号のデータを記憶する第2の記憶器と、
前記第2の記憶器に保存された前記各データに基づいて前記機器の状態を診断する診断器と、を更に備える、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の鉄道車両の状態監視装置。
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