物理量測定装置、異常診断装置および異常診断方法
【課題】車両のカーブ走行に起因する振動の影響を抑制して、より正確な異常診断を行うことができる物理量測定装置および異常診断装置、異常診断方法を提供する。
【解決手段】鉄道車両１００に取付けられる車輪１０１、回転支持装置１１０から発せられる振動を検出する振動センサ１１１と、前記車両１００の異常診断装置１５０内の電子回路基板上に配設されるジャイロセンサ１１７と、を備えて、前記ジャイロセンサ１１７は、前記鉄道車両１００の進行方向に対し、前記鉄道車両１００のヨー方向の運動を検出し、且つ前記ジャイロセンサ１１７の出力信号に基づいて、前記振動センサ１１１の出力信号を処理し、この処理された出力信号により異常検出を実施する。
【解決手段】鉄道車両１００に取付けられる車輪１０１、回転支持装置１１０から発せられる振動を検出する振動センサ１１１と、前記車両１００の異常診断装置１５０内の電子回路基板上に配設されるジャイロセンサ１１７と、を備えて、前記ジャイロセンサ１１７は、前記鉄道車両１００の進行方向に対し、前記鉄道車両１００のヨー方向の運動を検出し、且つ前記ジャイロセンサ１１７の出力信号に基づいて、前記振動センサ１１１の出力信号を処理し、この処理された出力信号により異常検出を実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、自動車、搬送車等の車両に用いられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）の異常診断装置に関し、特に当該転動装置の異常の有無や前兆、あるいはその異常部位を特定するための物理量測定装置、および異常診断装置、異常診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械装置に取付けられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）は、一定期間使用した後に、回転軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この検査において、当該転動装置が取付けられる車両を分解することなく、実稼動状態で転動装置の異常診断を行なうことができるものが種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。最も代表的なものとしては、特許文献１に記載されるように、例えば軸受部に振動センサを設置して計測し、さらにこの信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行なって振動発生周波数成分の信号を抽出して診断を行なう方法が知られている。
【０００３】
また、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に関しては、例えば鉄道車両の車輪の転動面において、ブレーキの誤動作等による車輪のロックや滑走によるレールとの摩擦・摩耗によって生じるフラットと呼ぶ平坦部の検出方法が種々提案されている（例えば、特許文献４〜６参照）。特に特許文献４では、振動センサや回転測定装置等により鉄道車両車輪、および列車が通過する線路の欠陥状態を検出する装置が提案されている。
【０００４】
また、回転部品の２軸方向の振動を検出するセンサを備えた車輪用回転検出装置（例えば、特許文献７）、地面に垂直方向の振動の分力として発生する転がり軸受の軸方向の振動を検出するセンサを備えたセンサ付軸受装置（例えば、特許文献８）、鉄道車両の車輪及び当該車両が通過する線路の異常を検出する装置（例えば、特許文献９）なども提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２６１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２２７６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７８３６号公報
【特許文献４】特開平９−１１３４１６号公報
【特許文献５】特開平４−１４８８３９号公報
【特許文献６】特表２００３−５３５７５５号公報
【特許文献７】特開２００２−３４０９２２号公報
【特許文献８】特開２００５−２０５１６号公報
【特許文献９】米国特許第５４３３１１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、鉄道車両などの車両における車軸軸受および車輪の異常診断では、車輪にかかる荷重が変動して検出条件が不安定になると、振動検出信号の出力が安定しない。即ち、例えば鉄道車両の車軸軸受部の振動を検出して異常診断を行った場合、車軸の損傷、車輪のフラット、車輪とレールとの摩耗、あるいは車両の運動の影響、のいずれかによるのか特定できない場合があり、特にカーブの多い構内走行などで車軸軸受および車輪の異常診断を行う場合には、検出条件が常に安定しないことで、車輪フラットの誤検出、あるいは軸受剥離などの異常診断の検知精度の低下が起こってしまうという問題があった。
【０００７】
ここで、この問題に対しては、特許文献４、９に記載の異常状態の検出装置では、その異常振動が車輪のフラットによるものか、車軸軸受によるのか、あるいは線路または他の異常によるものなのかを識別できない限界がある上、検出条件の安定性について考慮されているものではなかった。
【０００８】
同じく、特許文献８に記載のセンサ付軸受装置においても、ＦＦＴによって処理された振動発生周波数成分の帯域の違いにより、振動発生周波数成分の車輪の振動と車軸軸受の振動とを区別して検出しているが、車両のカーブ走行に起因する振動の影響により検知精度が左右されやすいという問題があった。
【０００９】
また、発明者は、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に取付けられる転動装置の異常診断において、振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどを検出する検出手段などを用いて異常診断を行う際、これら車両走行時において直線あるいはカーブを走行しているのかなどによって、異常診断の検知精度が変動してしまうことを見出した。即ち、検出対象である転がり軸受や車輪などの回転部品の状態は同じであるにも係らず、カーブ時に発生する遠心力などによって、転動装置にかかる荷重が変動して、検出信号にノイズが含まれてしまい出力レベルが異なってしまうことを発見した。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に取付けられる転動装置の振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどの物理量を検出する検出手段の出力信号から車軸軸受や車輪などの異常振動を検出して、その異常振動が車軸軸受によるものか、車輪のフラットによるものかを特定して異常診断を行う際、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を抑制して、より正確な異常診断を行うことができる物理量測定装置および異常診断装置、異常診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
（１） 軸受装置が取付けられる車両に付設される物理量測定装置であって、少なくとも前記車両の１箇所に配設される角速度検出手段を有し、当該角速度検出手段は車両に係る物理量を検出することを特徴とする物理量測定装置。
（２） 前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出することを特徴とする上記（１）に記載の物理量測定装置。
（３） さらに前記転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段を有し、前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、当該検出手段の出力信号を処理することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の物理量測定装置。
（４） 前記検出手段と前記角速度検出手段とは、装置筐体内に一体的に組み込まれていることを特徴とする上記（３）に記載の物理量測定装置。
（５） 前記角速度検出手段は、前記車両に実装されて前記転動装置の異常診断を行う異常診断装置内に配設されることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載の物理量測定装置。
（６） 車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段と、前記車両の少なくとも１箇所に配設される角速度検出手段と、を備えて、前記転動装置の異常を検出する異常診断装装置であって、前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出し、且つ前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、前記検出手段の出力信号を処理し、この処理された出力信号により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断装置。
（７） 前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出手段の出力値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（６）に記載の異常診断装置。
（８） 前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以上であるときに、前記角速度検出手段の出力値に基づき前記検出手段の出力値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（６）に記載の異常診断装置。
（９） 車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出するとともに、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出して、前記転動装置の異常を検出する異常診断方法であって、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づいて、前記検出された物理量の値を処理し、この処理された物理量の値により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断方法。
（１０） 前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出された物理量の値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（９）に記載の異常診断方法。
（１１） 前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以上であるときに、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づき前記検出された物理量の値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（９）に記載の異常診断方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の異常診断装置および異常診断方法によれば、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に取付けられる転動装置の振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどの物理量を検出する検出手段の出力信号から車軸軸受や車輪などの異常振動を検出して、その異常振動が車軸軸受によるものか、車輪のフラットによるものかを特定して異常診断を行う際、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を抑制して、より正確な異常診断を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、図１（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図であり、図２は車軸軸受と振動センサとの位置関係を例示する概略図であり、図３は本発明に係る異常診断装置の第１実施形態のブロック構成図であり、図４は第１実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図であり、図５は第２実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図あり、図６は本発明に係る別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図であり、図７はさらに別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３に従って、本発明に係る第１実施形態の異常診断装置を搭載した鉄道車両について説明する。
図１に示すように、一両の鉄道車両（車両）１００は前後２つの車台によって支持され、各車台には４個の車輪（転動装置）１０１が取付けられている。また、車両に係る様々な物理情報を取得するため物理量測定装置が鉄道車両１００に付設されており、当該物理量測定装置は振動センサ（振動検出手段）１１１とジャイロセンサ（角速度検出手段）１１７とを備えて構成されている。
【００１６】
ここで、各車輪１０１の回転支持装置（転動装置）１１０には、運転中に当該回転支持装置１１０から発生する振動を検出する振動センサ１１１が取付けられている。
【００１７】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、４チャネル分の前記振動センサ１１１から出力されたセンサ信号（振動信号）を略同時に取り込んで診断処理を実施する異常診断装置１５０が２つ搭載されている。即ち、各車台に設けられている４つの振動センサ１１１の出力信号が各々信号線（有線）１１６を介して車台毎に別の異常診断装置１５０に絶えず入力される。また、異常診断装置１５０には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ（不図示）からの回転速度パルス信号も入力されるとともに、当該異常診断装置１５０内にはジャイロセンサ１１７が配設され、当該ジャイロセンサ１１７から出力されたセンサ信号（角速度信号）も合わせて入力される。なお、信号線１１６の有線に代えて、無線による信号伝達を行っても構わない。
【００１８】
前記ジャイロセンサ１１７は、鉄道車両１００の進行方向に対し、ヨー方向の運動を検出するように異常診断装置１５０内の電子回路基板上に配設され、鉄道車両１００のヨー方向の角速度あるいはヨーレートなどを検出するように構成されている。このため、異常診断装置１５０は鉄道車両１００がカーブにさしかかった否かを推定することができる。
【００１９】
また、前記ジャイロセンサ１１７には、種々のものを採用することができるが、ＭＥＭＳセンサが比較的安価で精度がよいので好適である。ＭＥＭＳセンサを採用することで、電子部品として異常診断装置１５０の電子回路基板などに実装でき、且つ安価にすることができる。
【００２０】
次に図２に示すように、回転支持装置１１０には、例えば車軸軸受１３０が組込まれており、当該車軸軸受１３０は例えば複列円すいころ軸受などであり、回転軸（不図示）に外嵌される回転輪である内輪１３１と、ハウジング（不図示）に内嵌される固定輪である外輪１３２と、内輪１３１および外輪１３２との間に配置された複数の転動体である玉１３３と、玉１３３を転動自在に保持する保持器（不図示）とを備えて構成されている。振動センサ１１１は、重力方向の振動加速度を検出し得る姿勢に保持されてハウジングの外輪１３２近傍に固定されている。当該振動センサ１１１には、加速度センサ、ＡＥ（acoustic emission）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサなど、種々のものを採用することができるが、加速度の検出方向性と回路の組込み容易性などを考慮するとＭＥＭＳ加速度センサが好適である。
【００２１】
次に図３に示すように、異常診断装置１５０は、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａと、センサ信号処理部１５０Ｂと、を有する。センサ信号処理部１５０Ｂは、５つの増幅・濾波器（ＡＦＩＬＴＥＲ）１５１を備えており、４つの振動センサ１１１と１つのジャイロセンサ１１７との出力信号が５つの増幅・濾波器１５１にそれぞれ個別に入力されるようになっている。当該増幅・濾波器１５１は、アナログアンプの機能とアンチエリアシングフィルタの機能とを兼ね備えており、これら５つの増幅・濾波器１５１で増幅且つ濾波された５チャネルのアナログ信号は、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａに取り込まれる。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａは、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１５２およびＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３を備えており、入力された５チャネルのアナログ信号を、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１５２にて１チャネルごとの信号に切換えて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換する。
【００２２】
一方、回転速度センサからの速度比例正弦波または回転速度パルス信号などの回転速度信号が波形整形回路１５５に入力される。当該回転速度信号は、波形整形回路１５５によって整形された後、タイマカウンタ（不図示）により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が回転速度信号として診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａに入力される。
【００２３】
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａは、ジャイロセンサ１１７により検出された角速度信号を参照するとともに、振動センサ１１１により検出された振動信号と回転速度センサにより検出された回転速度信号とに基づきに異常検出を実施する。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａによる異常検出結果はラインドライバ（ＬＤ）１５６を介して通信回線１２０（図１参照）に出力される。通信回線１２０は警報機に接続されており、車輪１０１のフラット等の異常発生時には然るべき警報動作がなされるようになっている。
【００２４】
また、この異常診断装置１５０は、電源が供給されなくてもデータを保持するために、バックアップ電池（Ｂａｔｔ）１６１を有するスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２を備え、後述する角速度信号に係る閾値などを記録保持している。
【００２５】
ここで、車軸軸受１３０に発生する異常の中で、静止輪の外輪軌道の剥離が最も起こりやすい。そこで、車軸軸受１３０の異常診断については、静止輪の外輪軌道の剥離（以下、車軸軸受の剥離とも記す）を検出対象として以下説明を行う。
【００２６】
振動信号などから検出する異常は、車軸軸受１３０の剥離と車輪１０１のフラットである。車軸軸受１３０の剥離による異常周波数と車輪１０１のフラットによる異常周波数は、振動センサ１１１からの振動信号の周波数分布のピークとして表出する。また、両異常周波数も、１ｋＨｚ付近までの周波数帯域の振動信号として検知できる。さらに、車軸軸受１３０の剥離による異常周波数と車輪１０１のフラットによる異常周波数とでは、周波数帯域が１０倍程度異なるので、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換されたデータをソフトウエア処理により車軸軸受診断用と車輪診断用とに分離して、両者の異常診断を行なう。
【００２７】
車輪１０１のフラットによる異常基本周波数は、車輪１０１の回転速度（ｒ／ｓ）に等しい。したがって、診断すべき回転速度の範囲は新幹線を想定した場合には３〜３０ｒ／ｓとなるので、車輪１０１のフラットの異常基本周波数は３〜３０Ｈｚとなる。これに対して、車軸軸受１３０の剥離による異常基本周波数は、車輪１０１のフラットの欠陥周波数の約１０倍、２２〜２２０Ｈｚとなる。どちらも４次までの高調波を検査する場合、車輪１０１については３〜１２０Ｈｚ、車軸軸受１３０については２２〜８８０Ｈｚが各々の必要とされるＤＦＴ（離散フーリエ変換）の周波数分析範囲となる。
【００２８】
ここで、車軸軸受１３０の診断の際のＤＦＴの周波数分解能は１．０Ｈｚで十分であるが、車輪１０１の診断については車輪１０１のフラットによる異常周波数は低周波領域に偏っているため、１．０Ｈｚでは分解能が不足する。したがって、車輪１０１の診断の際のＤＦＴの周波数分解能を０．２５Ｈｚになるようにデータを別々に調整する必要がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換（サンプリング）したデータを、車軸軸受剥離解析用（以下「軸受用」とも記す）と車輪フラット解析用（以下、「車輪用」とも記す）とのサンプリング周波数の異なる２種類のデータに変換して、絶対処理を施した後、ＤＦＴのＦＦＴアルゴリズムに基づいて、周波数スペクトルを算出する。なお、ＦＦＴを実施する前処理として、振動信号の包絡線を求めるエンベロープ処理を行ってよい。
【００３０】
さらにここで、図４に従って、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａの動作フローについて説明する。
軸受用のデータについては、図４（ａ）に示すように、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ２０１）、回転速度と軸受内部諸元から得られる軸受１３０の剥離における異常周波数Ｚfcを求めるとともに（表１参照）、得られたデータに対し基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ２０２）。ここで、診断処理部１５０Ａは、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ２０３）。そして、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下である場合（即ち、Ｓ２０４のＹＥＳ）には、鉄道車両１００がカーブ走行していない、即ち直線走行にあると推定して、当該ピーク検出結果より得られたピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ２０５）。このような処理を一定回数繰り返して行い、この一連の判定により得られる一致度合計点数に基づいて車軸軸受１３０の異常判定を行なう。
なお、角速度信号が閾値以上である場合（即ち、Ｓ２０４のＮＯ）には、診断処理部１５０Ａは、一致具合の判定を行う工程を省略するかあるいは無効化して異常診断を行えず、処理を終了する。
【００３１】
【表１】
【００３２】
一方、車輪用のデータについては、図４（ｂ）に示すようにＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ３０１）、得られたデータについてピーク検出を行なうとともに、回転速度パルス信号から異常周波数を算出する（即ち、Ｓ３０２）。ここで、車軸軸受１３０の異常判定の場合と同じく、角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下である場合（即ち、Ｓ３０３、Ｓ３０４のＹＥＳ）には、鉄道車両１００が直線走行にあるとして推定して、ピーク値を示す周波数と車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数との比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ３０５）。そして、角速度信号が閾値以上の場合（即ち、Ｓ３０４のＮＯ）には両者の一致具合の判定を省略あるいは無効化して異常診断を行わず、処理を終了する。このような処理を一定回数繰り返して行い、この一連の判定により得られる一致度合計点数に基づいて車輪１０１の異常判定を行なう。
なお、車輪のフラットによる異常を示す周波数は、車輪１０１の回転速度（ｒ／ｓ）に等しい。したがって、車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数は、タイマカウンタ（図示省略）により回転速度パルス信号の単位時間当りのパルス数をカウントすることにより求めることができる。
【００３３】
したがって、本実施形態では、ジャイロセンサ１１７が異常診断装置１５０内に配設されて鉄道車両１００のヨー方向の運動を検出することにより、鉄道車両１００のカーブ走行と直線走行とのいずれにあるのかを推定する。即ち、当該ジャイロセンサ１１７により検出された角速度信号のレベルが予め設定された閾値以下のときに限り、振動信号に影響を及ぼさない程度の角加速度の変動で検出状態が安定しているとして判断して、異常検出を実施する。
【００３４】
また、異常判定については、種々の方法が採用できるが、例えば過去にＮ回の有効な角加速度のレベルにおいてＫ回以上の一致度合計点数がカウントされた場合に異常と判定するか、あるいは周波数スペクトルのレベルに応じて点数をつけ、過去にＮ回の有効な角加速度のレベルにおいて、その点数の合計点がＰ点以上となったときに異常を判定することなどが挙げられる。
なお、この場合には、前記値Ｎ、Ｋ、Ｐはスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２に予め記録保持される。
【００３５】
また、角速度信号のレベルが閾値を超える時間が長い場合には、診断不可能の警報を出力するか、あるいは診断不可能時刻を記録して過去の直前の有効な診断結果に基づいて行うようにしてもよい。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両１００にジャイロセンサ１１７を配設するようにしたので、カーブ時などに発生する遠心力などによるノイズの影響を排除して、より正確に異常診断を行うことができる。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、図５を参照しながら第１次実施形態の変形例である第２実施形態を説明する。
なお、以下説明する実施形態において、上述した第１実施形態と重複する構成要素および機能的に同様な構成要素などについては、図中に同一あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００３８】
本発明に係る異常診断装置の第２実施形態は、鉄道車両１００がカーブ走行している場合においても、ジャイロセンサ１１７から出力された角加速度信号に基づき、そのカーブ走行時に伴う振動の変動を補正して異常診断を実施する構成である。
【００３９】
図６に従って、第２実施形態の動作フローについて詳細に説明する。
即ち、軸受用のデータにおいては、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ４０１）、回転速度と軸受内部諸元から得られる軸受１３０の剥離における異常を示す周波数Ｚfcを求める（即ち、Ｓ４０２）とともに、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ４０３）。次に、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下であるか否かを判定する（即ち、Ｓ４０５）。当該角速度信号のレベルが閾値以下でない場合（即ち、Ｓ４０５のＮＯ）には、得られた軸受用データ（振動信号）に対し、ジャイロセンサ１１７から連続して出力される角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行い、この補正結果に基づき基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ４０６）。そして、当該ピーク検出結果より得られたピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ４０７）。
【００４０】
一方、前記角速度信号のレベルが、前記閾値以下である場合（即ち、Ｓ４０５のＹＥＳ）には、得られた軸受用データに対して補正を行わず、そのままピーク検出を行って（即ち、Ｓ４０８）、このピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較して異常検出を実施する。それ以外の態様は、第１実施形態と同様である。
【００４１】
また、車輪用のデータについても、軸受用のデータと同様に処理を実施する。即ち、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ５０１）、回転速度パルス信号から異常周波数を算出する（即ち、Ｓ５０２）とともに、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ５０３）。次に、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下であるか否かを判定する（即ち、Ｓ５０５）。当該角速度信号のレベルが閾値以下でない場合（即ち、Ｓ５０５のＮＯ）には、得られた車輪用データ（振動信号）に対し、ジャイロセンサ１１７から連続して出力される角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行い、この補正結果に基づき基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ５０６）。その後に、ピーク値を示す周波数と車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数との比較を行ない、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ５０７）。それ以外の態様は、第１実施形態と同様である。
【００４２】
一方、前記角速度信号のレベルが、前記閾値以下である場合（即ち、Ｓ５０５のＹＥＳ）には、得られた車輪用データに対して補正を行わず、そのままピーク検出を行って（即ち、Ｓ５０８）、このピーク値を示す周波数と値Ｚfcとを比較して異常検出を実施する。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両が直線走行あるいはカーブ走行にあるかを問わず、異常診断をより正確に行うことができる。なお、補正としては周知の補正方法が種々採用できるが、カルマンフィルタが、非定常における迅速な逐次推定アルゴリズムであるので好適である。
【００４４】
なお、ここでは、角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行うとして説明したが、これに代えて検出される角速度を所定の時間区間に区切り、この区間内で平均値を算出してこの結果に基づき補正するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、本実施形態では角速度信号に基づいて振動センサ１１１の出力信号を補正するとして説明したが、これに代えてに回転支持装置１１０に荷重センサを付設し、この荷重センサから出力された荷重信号を補正するようにしてもよい。この場合には、車輪１０１および車軸軸受１３０の負荷状態を直接把握することができるので、より正確に補正することができて好適である。
【００４６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、図６に示すように回転支持装置１１０毎にジャイロセンサ３１７を付設して振動センサ１１１装置筐体内に一体的に組み込むように構成してもよく、この場合には各軸受装置における各速度検出の応答性を向上させることができる。
【００４７】
また、図７に示すように異常診断装置１５０内に電子回路基板にジャイロのみならず２軸のＭＥＭＳセンサ４０１を付設してもよく、この場合には横方向の加速度および進行方向の加速度をも含めて異常診断することができるので、より精度よく異常診断を行うことができる。
【００４８】
さらに、転動装置としては、転がり軸受、歯車、車軸、ボールねじ等の回転部品や、リニアガイド、リニアボールベアリング等の部品であってもよく、損傷によって周期的な振動を発生する部品であれば良い。また、回転部品の損傷に起因する周波数成分を算出するための速度信号としては、回転速度信号を例示して説明したが、摺動部品の場合の速度信号として移動速度信号も用いることができる。
【００４９】
また、これら実施形態では、デジタル処理の大部分をソフトウエアによって行なっているが、その一部またはすべてをＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウエアで実現してもよい。さらに、入力される信号のＳＮ比を向上させるため、フィルタ処理部の前段に増幅処理ないしはアンチエリアシングフィルタ処理を施す演算部を設けてもよい。
【００５０】
そして、車両は異常診断対象である転動装置を備えたものであればよく、上述したもの以外に、普通乗用車、フォークリフトなどの車両も含むことができる。
【００５１】
さらに、上記複数の実施形態では検出される信号を振動または荷重として例示して説明したが、これに代えて音、超音波（ＡＥ）、応力、変位、歪みなどの機械量、物理量を含み、これらの信号では、回転あるいは摺動部品を含む転動装置に異常がある場合に、その異常を示す信号成分を含んでいるので、異常診断の対象信号とすることができる。
【００５２】
またさらに、上記構成におけるジャイロセンサの出力信号は、異常診断に限らず、例えばカーブ時に所定以上の角速度を検出した場合に速度を緩める速度制御など、種々の車両の運行を制御する信号としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図であり、（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】車軸軸受と振動センサとの位置関係を例示する概略図である。
【図３】本発明に係る異常診断装置の第１実施形態のブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図であり、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図である。
【図５】第２実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図であり、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図である。
【図６】本発明に係る別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【図７】さらに別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪（転動装置）
１１０ 回転支持装置（転動装置）
１１１ 振動センサ（振動検出手段）
１１７ ジャイロセンサ（角速度検出手段）
１３０ 車軸軸受
１５０ 異常診断装置
１５０Ａ 診断処理部
１５０Ｂ センサ信号処理部
１６２ スタティックランダムアクセスメモリー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、自動車、搬送車等の車両に用いられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）の異常診断装置に関し、特に当該転動装置の異常の有無や前兆、あるいはその異常部位を特定するための物理量測定装置、および異常診断装置、異常診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械装置に取付けられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）は、一定期間使用した後に、回転軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この検査において、当該転動装置が取付けられる車両を分解することなく、実稼動状態で転動装置の異常診断を行なうことができるものが種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。最も代表的なものとしては、特許文献１に記載されるように、例えば軸受部に振動センサを設置して計測し、さらにこの信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行なって振動発生周波数成分の信号を抽出して診断を行なう方法が知られている。
【０００３】
また、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に関しては、例えば鉄道車両の車輪の転動面において、ブレーキの誤動作等による車輪のロックや滑走によるレールとの摩擦・摩耗によって生じるフラットと呼ぶ平坦部の検出方法が種々提案されている（例えば、特許文献４〜６参照）。特に特許文献４では、振動センサや回転測定装置等により鉄道車両車輪、および列車が通過する線路の欠陥状態を検出する装置が提案されている。
【０００４】
また、回転部品の２軸方向の振動を検出するセンサを備えた車輪用回転検出装置（例えば、特許文献７）、地面に垂直方向の振動の分力として発生する転がり軸受の軸方向の振動を検出するセンサを備えたセンサ付軸受装置（例えば、特許文献８）、鉄道車両の車輪及び当該車両が通過する線路の異常を検出する装置（例えば、特許文献９）なども提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２６１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２２７６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７８３６号公報
【特許文献４】特開平９−１１３４１６号公報
【特許文献５】特開平４−１４８８３９号公報
【特許文献６】特表２００３−５３５７５５号公報
【特許文献７】特開２００２−３４０９２２号公報
【特許文献８】特開２００５−２０５１６号公報
【特許文献９】米国特許第５４３３１１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、鉄道車両などの車両における車軸軸受および車輪の異常診断では、車輪にかかる荷重が変動して検出条件が不安定になると、振動検出信号の出力が安定しない。即ち、例えば鉄道車両の車軸軸受部の振動を検出して異常診断を行った場合、車軸の損傷、車輪のフラット、車輪とレールとの摩耗、あるいは車両の運動の影響、のいずれかによるのか特定できない場合があり、特にカーブの多い構内走行などで車軸軸受および車輪の異常診断を行う場合には、検出条件が常に安定しないことで、車輪フラットの誤検出、あるいは軸受剥離などの異常診断の検知精度の低下が起こってしまうという問題があった。
【０００７】
ここで、この問題に対しては、特許文献４、９に記載の異常状態の検出装置では、その異常振動が車輪のフラットによるものか、車軸軸受によるのか、あるいは線路または他の異常によるものなのかを識別できない限界がある上、検出条件の安定性について考慮されているものではなかった。
【０００８】
同じく、特許文献８に記載のセンサ付軸受装置においても、ＦＦＴによって処理された振動発生周波数成分の帯域の違いにより、振動発生周波数成分の車輪の振動と車軸軸受の振動とを区別して検出しているが、車両のカーブ走行に起因する振動の影響により検知精度が左右されやすいという問題があった。
【０００９】
また、発明者は、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に取付けられる転動装置の異常診断において、振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどを検出する検出手段などを用いて異常診断を行う際、これら車両走行時において直線あるいはカーブを走行しているのかなどによって、異常診断の検知精度が変動してしまうことを見出した。即ち、検出対象である転がり軸受や車輪などの回転部品の状態は同じであるにも係らず、カーブ時に発生する遠心力などによって、転動装置にかかる荷重が変動して、検出信号にノイズが含まれてしまい出力レベルが異なってしまうことを発見した。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に取付けられる転動装置の振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどの物理量を検出する検出手段の出力信号から車軸軸受や車輪などの異常振動を検出して、その異常振動が車軸軸受によるものか、車輪のフラットによるものかを特定して異常診断を行う際、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を抑制して、より正確な異常診断を行うことができる物理量測定装置および異常診断装置、異常診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
（１） 軸受装置が取付けられる車両に付設される物理量測定装置であって、少なくとも前記車両の１箇所に配設される角速度検出手段を有し、当該角速度検出手段は車両に係る物理量を検出することを特徴とする物理量測定装置。
（２） 前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出することを特徴とする上記（１）に記載の物理量測定装置。
（３） さらに前記転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段を有し、前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、当該検出手段の出力信号を処理することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の物理量測定装置。
（４） 前記検出手段と前記角速度検出手段とは、装置筐体内に一体的に組み込まれていることを特徴とする上記（３）に記載の物理量測定装置。
（５） 前記角速度検出手段は、前記車両に実装されて前記転動装置の異常診断を行う異常診断装置内に配設されることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載の物理量測定装置。
（６） 車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段と、前記車両の少なくとも１箇所に配設される角速度検出手段と、を備えて、前記転動装置の異常を検出する異常診断装装置であって、前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出し、且つ前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、前記検出手段の出力信号を処理し、この処理された出力信号により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断装置。
（７） 前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出手段の出力値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（６）に記載の異常診断装置。
（８） 前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以上であるときに、前記角速度検出手段の出力値に基づき前記検出手段の出力値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（６）に記載の異常診断装置。
（９） 車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出するとともに、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出して、前記転動装置の異常を検出する異常診断方法であって、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づいて、前記検出された物理量の値を処理し、この処理された物理量の値により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断方法。
（１０） 前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出された物理量の値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（９）に記載の異常診断方法。
（１１） 前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以上であるときに、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づき前記検出された物理量の値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする上記（９）に記載の異常診断方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の異常診断装置および異常診断方法によれば、鉄道車両、自動車、搬送車などの車両に取付けられる転動装置の振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みなどの物理量を検出する検出手段の出力信号から車軸軸受や車輪などの異常振動を検出して、その異常振動が車軸軸受によるものか、車輪のフラットによるものかを特定して異常診断を行う際、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を抑制して、より正確な異常診断を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、図１（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図であり、図２は車軸軸受と振動センサとの位置関係を例示する概略図であり、図３は本発明に係る異常診断装置の第１実施形態のブロック構成図であり、図４は第１実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図であり、図５は第２実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図あり、図６は本発明に係る別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図であり、図７はさらに別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３に従って、本発明に係る第１実施形態の異常診断装置を搭載した鉄道車両について説明する。
図１に示すように、一両の鉄道車両（車両）１００は前後２つの車台によって支持され、各車台には４個の車輪（転動装置）１０１が取付けられている。また、車両に係る様々な物理情報を取得するため物理量測定装置が鉄道車両１００に付設されており、当該物理量測定装置は振動センサ（振動検出手段）１１１とジャイロセンサ（角速度検出手段）１１７とを備えて構成されている。
【００１６】
ここで、各車輪１０１の回転支持装置（転動装置）１１０には、運転中に当該回転支持装置１１０から発生する振動を検出する振動センサ１１１が取付けられている。
【００１７】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、４チャネル分の前記振動センサ１１１から出力されたセンサ信号（振動信号）を略同時に取り込んで診断処理を実施する異常診断装置１５０が２つ搭載されている。即ち、各車台に設けられている４つの振動センサ１１１の出力信号が各々信号線（有線）１１６を介して車台毎に別の異常診断装置１５０に絶えず入力される。また、異常診断装置１５０には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ（不図示）からの回転速度パルス信号も入力されるとともに、当該異常診断装置１５０内にはジャイロセンサ１１７が配設され、当該ジャイロセンサ１１７から出力されたセンサ信号（角速度信号）も合わせて入力される。なお、信号線１１６の有線に代えて、無線による信号伝達を行っても構わない。
【００１８】
前記ジャイロセンサ１１７は、鉄道車両１００の進行方向に対し、ヨー方向の運動を検出するように異常診断装置１５０内の電子回路基板上に配設され、鉄道車両１００のヨー方向の角速度あるいはヨーレートなどを検出するように構成されている。このため、異常診断装置１５０は鉄道車両１００がカーブにさしかかった否かを推定することができる。
【００１９】
また、前記ジャイロセンサ１１７には、種々のものを採用することができるが、ＭＥＭＳセンサが比較的安価で精度がよいので好適である。ＭＥＭＳセンサを採用することで、電子部品として異常診断装置１５０の電子回路基板などに実装でき、且つ安価にすることができる。
【００２０】
次に図２に示すように、回転支持装置１１０には、例えば車軸軸受１３０が組込まれており、当該車軸軸受１３０は例えば複列円すいころ軸受などであり、回転軸（不図示）に外嵌される回転輪である内輪１３１と、ハウジング（不図示）に内嵌される固定輪である外輪１３２と、内輪１３１および外輪１３２との間に配置された複数の転動体である玉１３３と、玉１３３を転動自在に保持する保持器（不図示）とを備えて構成されている。振動センサ１１１は、重力方向の振動加速度を検出し得る姿勢に保持されてハウジングの外輪１３２近傍に固定されている。当該振動センサ１１１には、加速度センサ、ＡＥ（acoustic emission）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサなど、種々のものを採用することができるが、加速度の検出方向性と回路の組込み容易性などを考慮するとＭＥＭＳ加速度センサが好適である。
【００２１】
次に図３に示すように、異常診断装置１５０は、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａと、センサ信号処理部１５０Ｂと、を有する。センサ信号処理部１５０Ｂは、５つの増幅・濾波器（ＡＦＩＬＴＥＲ）１５１を備えており、４つの振動センサ１１１と１つのジャイロセンサ１１７との出力信号が５つの増幅・濾波器１５１にそれぞれ個別に入力されるようになっている。当該増幅・濾波器１５１は、アナログアンプの機能とアンチエリアシングフィルタの機能とを兼ね備えており、これら５つの増幅・濾波器１５１で増幅且つ濾波された５チャネルのアナログ信号は、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａに取り込まれる。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａは、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１５２およびＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３を備えており、入力された５チャネルのアナログ信号を、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１５２にて１チャネルごとの信号に切換えて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換する。
【００２２】
一方、回転速度センサからの速度比例正弦波または回転速度パルス信号などの回転速度信号が波形整形回路１５５に入力される。当該回転速度信号は、波形整形回路１５５によって整形された後、タイマカウンタ（不図示）により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が回転速度信号として診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａに入力される。
【００２３】
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａは、ジャイロセンサ１１７により検出された角速度信号を参照するとともに、振動センサ１１１により検出された振動信号と回転速度センサにより検出された回転速度信号とに基づきに異常検出を実施する。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａによる異常検出結果はラインドライバ（ＬＤ）１５６を介して通信回線１２０（図１参照）に出力される。通信回線１２０は警報機に接続されており、車輪１０１のフラット等の異常発生時には然るべき警報動作がなされるようになっている。
【００２４】
また、この異常診断装置１５０は、電源が供給されなくてもデータを保持するために、バックアップ電池（Ｂａｔｔ）１６１を有するスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２を備え、後述する角速度信号に係る閾値などを記録保持している。
【００２５】
ここで、車軸軸受１３０に発生する異常の中で、静止輪の外輪軌道の剥離が最も起こりやすい。そこで、車軸軸受１３０の異常診断については、静止輪の外輪軌道の剥離（以下、車軸軸受の剥離とも記す）を検出対象として以下説明を行う。
【００２６】
振動信号などから検出する異常は、車軸軸受１３０の剥離と車輪１０１のフラットである。車軸軸受１３０の剥離による異常周波数と車輪１０１のフラットによる異常周波数は、振動センサ１１１からの振動信号の周波数分布のピークとして表出する。また、両異常周波数も、１ｋＨｚ付近までの周波数帯域の振動信号として検知できる。さらに、車軸軸受１３０の剥離による異常周波数と車輪１０１のフラットによる異常周波数とでは、周波数帯域が１０倍程度異なるので、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換されたデータをソフトウエア処理により車軸軸受診断用と車輪診断用とに分離して、両者の異常診断を行なう。
【００２７】
車輪１０１のフラットによる異常基本周波数は、車輪１０１の回転速度（ｒ／ｓ）に等しい。したがって、診断すべき回転速度の範囲は新幹線を想定した場合には３〜３０ｒ／ｓとなるので、車輪１０１のフラットの異常基本周波数は３〜３０Ｈｚとなる。これに対して、車軸軸受１３０の剥離による異常基本周波数は、車輪１０１のフラットの欠陥周波数の約１０倍、２２〜２２０Ｈｚとなる。どちらも４次までの高調波を検査する場合、車輪１０１については３〜１２０Ｈｚ、車軸軸受１３０については２２〜８８０Ｈｚが各々の必要とされるＤＦＴ（離散フーリエ変換）の周波数分析範囲となる。
【００２８】
ここで、車軸軸受１３０の診断の際のＤＦＴの周波数分解能は１．０Ｈｚで十分であるが、車輪１０１の診断については車輪１０１のフラットによる異常周波数は低周波領域に偏っているため、１．０Ｈｚでは分解能が不足する。したがって、車輪１０１の診断の際のＤＦＴの周波数分解能を０．２５Ｈｚになるようにデータを別々に調整する必要がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５３にてデジタル信号に変換（サンプリング）したデータを、車軸軸受剥離解析用（以下「軸受用」とも記す）と車輪フラット解析用（以下、「車輪用」とも記す）とのサンプリング周波数の異なる２種類のデータに変換して、絶対処理を施した後、ＤＦＴのＦＦＴアルゴリズムに基づいて、周波数スペクトルを算出する。なお、ＦＦＴを実施する前処理として、振動信号の包絡線を求めるエンベロープ処理を行ってよい。
【００３０】
さらにここで、図４に従って、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ａの動作フローについて説明する。
軸受用のデータについては、図４（ａ）に示すように、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ２０１）、回転速度と軸受内部諸元から得られる軸受１３０の剥離における異常周波数Ｚfcを求めるとともに（表１参照）、得られたデータに対し基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ２０２）。ここで、診断処理部１５０Ａは、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ２０３）。そして、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下である場合（即ち、Ｓ２０４のＹＥＳ）には、鉄道車両１００がカーブ走行していない、即ち直線走行にあると推定して、当該ピーク検出結果より得られたピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ２０５）。このような処理を一定回数繰り返して行い、この一連の判定により得られる一致度合計点数に基づいて車軸軸受１３０の異常判定を行なう。
なお、角速度信号が閾値以上である場合（即ち、Ｓ２０４のＮＯ）には、診断処理部１５０Ａは、一致具合の判定を行う工程を省略するかあるいは無効化して異常診断を行えず、処理を終了する。
【００３１】
【表１】
【００３２】
一方、車輪用のデータについては、図４（ｂ）に示すようにＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ３０１）、得られたデータについてピーク検出を行なうとともに、回転速度パルス信号から異常周波数を算出する（即ち、Ｓ３０２）。ここで、車軸軸受１３０の異常判定の場合と同じく、角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下である場合（即ち、Ｓ３０３、Ｓ３０４のＹＥＳ）には、鉄道車両１００が直線走行にあるとして推定して、ピーク値を示す周波数と車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数との比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ３０５）。そして、角速度信号が閾値以上の場合（即ち、Ｓ３０４のＮＯ）には両者の一致具合の判定を省略あるいは無効化して異常診断を行わず、処理を終了する。このような処理を一定回数繰り返して行い、この一連の判定により得られる一致度合計点数に基づいて車輪１０１の異常判定を行なう。
なお、車輪のフラットによる異常を示す周波数は、車輪１０１の回転速度（ｒ／ｓ）に等しい。したがって、車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数は、タイマカウンタ（図示省略）により回転速度パルス信号の単位時間当りのパルス数をカウントすることにより求めることができる。
【００３３】
したがって、本実施形態では、ジャイロセンサ１１７が異常診断装置１５０内に配設されて鉄道車両１００のヨー方向の運動を検出することにより、鉄道車両１００のカーブ走行と直線走行とのいずれにあるのかを推定する。即ち、当該ジャイロセンサ１１７により検出された角速度信号のレベルが予め設定された閾値以下のときに限り、振動信号に影響を及ぼさない程度の角加速度の変動で検出状態が安定しているとして判断して、異常検出を実施する。
【００３４】
また、異常判定については、種々の方法が採用できるが、例えば過去にＮ回の有効な角加速度のレベルにおいてＫ回以上の一致度合計点数がカウントされた場合に異常と判定するか、あるいは周波数スペクトルのレベルに応じて点数をつけ、過去にＮ回の有効な角加速度のレベルにおいて、その点数の合計点がＰ点以上となったときに異常を判定することなどが挙げられる。
なお、この場合には、前記値Ｎ、Ｋ、Ｐはスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２に予め記録保持される。
【００３５】
また、角速度信号のレベルが閾値を超える時間が長い場合には、診断不可能の警報を出力するか、あるいは診断不可能時刻を記録して過去の直前の有効な診断結果に基づいて行うようにしてもよい。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両１００にジャイロセンサ１１７を配設するようにしたので、カーブ時などに発生する遠心力などによるノイズの影響を排除して、より正確に異常診断を行うことができる。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、図５を参照しながら第１次実施形態の変形例である第２実施形態を説明する。
なお、以下説明する実施形態において、上述した第１実施形態と重複する構成要素および機能的に同様な構成要素などについては、図中に同一あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００３８】
本発明に係る異常診断装置の第２実施形態は、鉄道車両１００がカーブ走行している場合においても、ジャイロセンサ１１７から出力された角加速度信号に基づき、そのカーブ走行時に伴う振動の変動を補正して異常診断を実施する構成である。
【００３９】
図６に従って、第２実施形態の動作フローについて詳細に説明する。
即ち、軸受用のデータにおいては、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ４０１）、回転速度と軸受内部諸元から得られる軸受１３０の剥離における異常を示す周波数Ｚfcを求める（即ち、Ｓ４０２）とともに、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ４０３）。次に、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下であるか否かを判定する（即ち、Ｓ４０５）。当該角速度信号のレベルが閾値以下でない場合（即ち、Ｓ４０５のＮＯ）には、得られた軸受用データ（振動信号）に対し、ジャイロセンサ１１７から連続して出力される角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行い、この補正結果に基づき基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ４０６）。そして、当該ピーク検出結果より得られたピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較し、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ４０７）。
【００４０】
一方、前記角速度信号のレベルが、前記閾値以下である場合（即ち、Ｓ４０５のＹＥＳ）には、得られた軸受用データに対して補正を行わず、そのままピーク検出を行って（即ち、Ｓ４０８）、このピーク値を示す周波数と、値Ｚfcとを比較して異常検出を実施する。それ以外の態様は、第１実施形態と同様である。
【００４１】
また、車輪用のデータについても、軸受用のデータと同様に処理を実施する。即ち、ＦＦＴ処理後（即ち、Ｓ５０１）、回転速度パルス信号から異常周波数を算出する（即ち、Ｓ５０２）とともに、ジャイロセンサ１１７から出力された角速度信号のレベルを算出する（即ち、Ｓ５０３）。次に、当該角速度信号のレベルが、予め設定されてＳＲＡＭ１６２に記録保持されている閾値以下であるか否かを判定する（即ち、Ｓ５０５）。当該角速度信号のレベルが閾値以下でない場合（即ち、Ｓ５０５のＮＯ）には、得られた車輪用データ（振動信号）に対し、ジャイロセンサ１１７から連続して出力される角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行い、この補正結果に基づき基本波から４次までのピーク検出を行なう（即ち、Ｓ５０６）。その後に、ピーク値を示す周波数と車輪１０１のフラットでの異常を示す周波数との比較を行ない、両者の一致具合を判定する（即ち、Ｓ５０７）。それ以外の態様は、第１実施形態と同様である。
【００４２】
一方、前記角速度信号のレベルが、前記閾値以下である場合（即ち、Ｓ５０５のＹＥＳ）には、得られた車輪用データに対して補正を行わず、そのままピーク検出を行って（即ち、Ｓ５０８）、このピーク値を示す周波数と値Ｚfcとを比較して異常検出を実施する。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両が直線走行あるいはカーブ走行にあるかを問わず、異常診断をより正確に行うことができる。なお、補正としては周知の補正方法が種々採用できるが、カルマンフィルタが、非定常における迅速な逐次推定アルゴリズムであるので好適である。
【００４４】
なお、ここでは、角速度信号のレベルに逐次対応して補正を行うとして説明したが、これに代えて検出される角速度を所定の時間区間に区切り、この区間内で平均値を算出してこの結果に基づき補正するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、本実施形態では角速度信号に基づいて振動センサ１１１の出力信号を補正するとして説明したが、これに代えてに回転支持装置１１０に荷重センサを付設し、この荷重センサから出力された荷重信号を補正するようにしてもよい。この場合には、車輪１０１および車軸軸受１３０の負荷状態を直接把握することができるので、より正確に補正することができて好適である。
【００４６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、図６に示すように回転支持装置１１０毎にジャイロセンサ３１７を付設して振動センサ１１１装置筐体内に一体的に組み込むように構成してもよく、この場合には各軸受装置における各速度検出の応答性を向上させることができる。
【００４７】
また、図７に示すように異常診断装置１５０内に電子回路基板にジャイロのみならず２軸のＭＥＭＳセンサ４０１を付設してもよく、この場合には横方向の加速度および進行方向の加速度をも含めて異常診断することができるので、より精度よく異常診断を行うことができる。
【００４８】
さらに、転動装置としては、転がり軸受、歯車、車軸、ボールねじ等の回転部品や、リニアガイド、リニアボールベアリング等の部品であってもよく、損傷によって周期的な振動を発生する部品であれば良い。また、回転部品の損傷に起因する周波数成分を算出するための速度信号としては、回転速度信号を例示して説明したが、摺動部品の場合の速度信号として移動速度信号も用いることができる。
【００４９】
また、これら実施形態では、デジタル処理の大部分をソフトウエアによって行なっているが、その一部またはすべてをＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウエアで実現してもよい。さらに、入力される信号のＳＮ比を向上させるため、フィルタ処理部の前段に増幅処理ないしはアンチエリアシングフィルタ処理を施す演算部を設けてもよい。
【００５０】
そして、車両は異常診断対象である転動装置を備えたものであればよく、上述したもの以外に、普通乗用車、フォークリフトなどの車両も含むことができる。
【００５１】
さらに、上記複数の実施形態では検出される信号を振動または荷重として例示して説明したが、これに代えて音、超音波（ＡＥ）、応力、変位、歪みなどの機械量、物理量を含み、これらの信号では、回転あるいは摺動部品を含む転動装置に異常がある場合に、その異常を示す信号成分を含んでいるので、異常診断の対象信号とすることができる。
【００５２】
またさらに、上記構成におけるジャイロセンサの出力信号は、異常診断に限らず、例えばカーブ時に所定以上の角速度を検出した場合に速度を緩める速度制御など、種々の車両の運行を制御する信号としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図であり、（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】車軸軸受と振動センサとの位置関係を例示する概略図である。
【図３】本発明に係る異常診断装置の第１実施形態のブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図であり、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図である。
【図５】第２実施形態に係る異常診断の動作フロー図であり、（ａ）は車軸軸受に係る動作フロー図であり、（ｂ）は車輪に係る動作フロー図である。
【図６】本発明に係る別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【図７】さらに別の変形例を示す鉄道車両の概略平面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪（転動装置）
１１０ 回転支持装置（転動装置）
１１１ 振動センサ（振動検出手段）
１１７ ジャイロセンサ（角速度検出手段）
１３０ 車軸軸受
１５０ 異常診断装置
１５０Ａ 診断処理部
１５０Ｂ センサ信号処理部
１６２ スタティックランダムアクセスメモリー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受装置が取付けられる車両に付設される物理量測定装置であって、
少なくとも前記車両の１箇所に配設される角速度検出手段を有し、
当該角速度検出手段は車両に係る物理量を検出することを特徴とする物理量測定装置。
【請求項２】
前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出することを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
【請求項３】
さらに前記転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段を有し、
前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、当該検出手段の出力信号を処理することを特徴とする請求項１または２に記載の物理量測定装置。
【請求項４】
前記検出手段と前記角速度検出手段とは、装置筐体内に一体的に組み込まれていることを特徴とする請求項３に記載の物理量測定装置。
【請求項５】
前記角速度検出手段は、前記車両に実装されて前記転動装置の異常診断を行う異常診断装置内に配設されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の物理量測定装置。
【請求項６】
車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段と、
前記車両の少なくとも１箇所に配設される角速度検出手段と、を備えて、前記転動装置の異常を検出する異常診断装装置であって、
前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出し、且つ
前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、前記検出手段の出力信号を処理し、
この処理された出力信号により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断装置。
【請求項７】
前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出手段の出力値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項６に記載の異常診断装置。
【請求項８】
前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以上であるときに、前記角速度検出手段の出力値に基づき前記検出手段の出力値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項６に記載の異常診断装置。
【請求項９】
車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出するとともに、
前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出して、前記転動装置の異常を検出する異常診断方法であって、
前記検出されたヨー方向の運動の値に基づいて、前記検出された物理量の値を処理し、
この処理された物理量の値により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断方法。
【請求項１０】
前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出された物理量の値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項９に記載の異常診断方法。
【請求項１１】
前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以上であるときに、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づき前記検出された物理量の値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項９に記載の異常診断方法。
【請求項１】
軸受装置が取付けられる車両に付設される物理量測定装置であって、
少なくとも前記車両の１箇所に配設される角速度検出手段を有し、
当該角速度検出手段は車両に係る物理量を検出することを特徴とする物理量測定装置。
【請求項２】
前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出することを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
【請求項３】
さらに前記転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段を有し、
前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、当該検出手段の出力信号を処理することを特徴とする請求項１または２に記載の物理量測定装置。
【請求項４】
前記検出手段と前記角速度検出手段とは、装置筐体内に一体的に組み込まれていることを特徴とする請求項３に記載の物理量測定装置。
【請求項５】
前記角速度検出手段は、前記車両に実装されて前記転動装置の異常診断を行う異常診断装置内に配設されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の物理量測定装置。
【請求項６】
車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出する検出手段と、
前記車両の少なくとも１箇所に配設される角速度検出手段と、を備えて、前記転動装置の異常を検出する異常診断装装置であって、
前記角速度検出手段は、前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出し、且つ
前記角速度検出手段の出力信号に基づいて、前記検出手段の出力信号を処理し、
この処理された出力信号により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断装置。
【請求項７】
前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出手段の出力値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項６に記載の異常診断装置。
【請求項８】
前記角速度検出手段の出力値が予め設定された閾値以上であるときに、前記角速度検出手段の出力値に基づき前記検出手段の出力値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項６に記載の異常診断装置。
【請求項９】
車両に取付けられる転動装置から発せられる振動、音、超音波、荷重、応力、変位または歪みの少なくともいずれかの物理量を検出するとともに、
前記車両の進行方向に対し、前記車両のヨー方向の運動を検出して、前記転動装置の異常を検出する異常診断方法であって、
前記検出されたヨー方向の運動の値に基づいて、前記検出された物理量の値を処理し、
この処理された物理量の値により前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする異常診断方法。
【請求項１０】
前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以下であるときに限り、前記検出された物理量の値を取り込んで、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項９に記載の異常診断方法。
【請求項１１】
前記検出されたヨー方向の運動の値が予め設定された閾値以上であるときに、前記検出されたヨー方向の運動の値に基づき前記検出された物理量の値を補正して、前記転動装置の異常検出を実施することを特徴とする請求項９に記載の異常診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２０９２２９（Ｐ２００８−２０９２２９Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４５９３０（Ｐ２００７−４５９３０）
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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