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加速度の影響を排除し車輪のフラット等の誤検知を抑制して、信頼性の高い異常診断を行う。
【解決手段】車両において、地面に対して垂直方向の振動を複数の振動センサで検出し、当該振動センサからの信号の周波数と異常を示す周波数との比較に基づいて軸受と車輪の異常診断を行う際、１つの振動センサとして、互いに直交する２方向の加速度を同時に検出可能な２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と同時に地面に対して水平で且つ鉄道車両の進行方向に直交する方向の加速度も検出し、その加速度センサからの信号のうち地面に対して水平で且つ鉄道車両の進行方向に直交する方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下であれば、前記比較の結果を無効にすることにより、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を排除し、誤検知を抑制する。
【解決手段】車両において、地面に対して垂直方向の振動を複数の振動センサで検出し、当該振動センサからの信号の周波数と異常を示す周波数との比較に基づいて軸受と車輪の異常診断を行う際、１つの振動センサとして、互いに直交する２方向の加速度を同時に検出可能な２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と同時に地面に対して水平で且つ鉄道車両の進行方向に直交する方向の加速度も検出し、その加速度センサからの信号のうち地面に対して水平で且つ鉄道車両の進行方向に直交する方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下であれば、前記比較の結果を無効にすることにより、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を排除し、誤検知を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等に用いられる回転或いは摺動する部品の異常診断装置に関し、特に、当該部品の異常の有無や前兆、或いはその異常部位を特定する異常診断装置および異常診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両の回転部品は、一定期間使用した後に、車軸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。この定期的な検査は、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することにより行なわれ、回転部品に発生した損傷や摩耗は、作業者が目視による検査により発見するようにしている。そして、検査で発見される主な欠陥としては、軸受の場合、異物の噛み込み等によって生ずる圧痕、転がり疲れによる剥離、その他の摩耗等、歯車の場合には、歯部の欠損や摩耗等、車輪の場合には、フラット等の摩耗があり、いずれの場合も新品にはない凹凸や摩耗等が発見されれば、新品に交換される。
【０００３】
しかし、機械設備全体を分解して、作業者が目視で検査する方法では、装置から回転体や摺動部材を取り外す分解作業や、検査済みの回転体や摺動部材を再度装置に組込み直す組込み作業に多大な労力がかかり、装置の保守コストに大幅な増大を招くという問題があった。
【０００４】
また、組立て直す際に検査前にはなかった打痕を回転体や摺動部材につけてしまう等、検査自体が回転体や摺動部材の欠陥を生む原因となる可能性があった。また、限られた時間内で多数の軸受を目視で検査するため、欠陥を見落とす可能性が残るという問題もあった。さらに、この欠陥の程度の判断も個人差があり実質的には欠陥がなくても部品交換が行なわれるため、無駄なコストがかかることにもなる。
【０００５】
そこで、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で回転部品の異常診断を行なう様々な方法が提案された（例えば、特許文献１〜３参照）。最も、一般的なものとしては、特許文献１に記載されるように、軸受部に加速度計を設置し、軸受部の振動加速度を計測し、更に、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。
【０００６】
また、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としても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について提案している。
【０００７】
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。
【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】特表平９−５００４５２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】
【０００８】
しかし、特許文献４、９に記載の欠陥状態の検出装置では、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という問題がある。また、特許文献７に記載の車輪用回転検出装置では、回転部品の２軸方向の振動をセンサで検出しているが、車輪の振動と車軸軸受の振動とを区別して検出していないため、異常発生部位を識別することはできない。また、特許文献８に記載のセンサ付軸受装置では、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。
【０００９】
したがって、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、車両の振動を検出する振動センサ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排除し誤検知などを抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる異常診断装置および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】
【００１０】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
(１) 車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記多軸加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
（２） （１）に記載の異常診断装置において、前記複数方向のうち、少なくとも１方向は地面に対して垂直方向であり、少なくとも１方向は地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向であることを特徴とする異常診断装置。
（３） 車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記加速度センサにより車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、前記比較の結果に基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の異常診断装置において、前記加速度センサはＭＥＭＳ式加速度センサであることを特徴とする異常診断装置。
（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の異常診断装置において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断装置。
（６） 車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と
地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度と地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車輪の異常を検知することを特徴とする異常診断方法。
（７） 車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断方法。
（８） （７）に記載の異常診断方法において、前記車両は軸受装置によって支持されており、当該軸受装置は少なくとも１つ以上の接触角を有する転がり軸受を有し、当該軸受装置に起因する振動と車輪に起因する振動を前記ＭＥＭＳ式加速度センサで同時に検出することを特徴とする異常診断方法。
（９） （６）〜（８）のいずれかに記載の異常診断方法において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異常診断装置によれば、下記（Ｉ）〜（ＩＶ）の効果が得られる。
（Ｉ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用し、前記加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＩ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＩＩ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うあたり、１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度に基づいて車輪の異常を検知するので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＶ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い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】
【００１２】
以下、本発明に係る異常診断装置の第１実施形態、第２実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
まず、図１〜図６を参照して、第１実施形態の異常診断装置について説明する。
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る。図２は、本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。図３は本発明に係る異常診断装置の構成を例示するブロック図である。図４は車輪のフラットの異常診断の場合の図３の診断処理部による第1実施形態の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。図５は図４のフロー中の定義済みステップの内容を例示するフローチャートである。図６は、診断処理部による第1実施形態における別の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【００１４】
図１に示すように、一両の鉄道車両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１０１が取り付けられている。各車輪１０１の軸受箱１１０には、軸受箱１１０の振動を検出する振動センサ２６（図２参照）を内蔵したセンサ本体１１１が取り付けられている。
【００１５】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、複数チャネルのセンサ信号を同時（ほぼ同時）に取り込んで診断処理を実施する異常診断回路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２６の出力信号が各々センサケーブル１１６を介して車台毎に別の異常診断回路１５０に入力される。
【００１６】
図２に示されるように、車軸１は、車輪１０１を支持固定した状態で、軸受箱１１０の内径側で、複列円錐ころ軸受である軸受３により、回転自在に支持されている。
軸受３は、内周面に外輪軌道７，７を有する外輪４と、外周面に内輪軌道８を有し、小径側の端面同士を、間座９を介して互いに突き合わされる一対の内輪５，５と、外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている円錐ころ６，６とを備えている。外輪４は、軸受箱１１０に内嵌保持されており、内輪５は、間座９と共に、車軸１の外端（図２の左端）寄り部分に外嵌されている。
【００１７】
車軸１の外端部で軸方向外側の内輪５よりも突出した部分には、油切りと称される環状部材１１，１１ａが外嵌されている。内側の内輪５の内端面は、別の環状部材を介して、車軸１の中間部に形成された段差面１２に突き当てられている。従って、一対の内輪５，５が車軸１の中央寄り（図２中右寄り）に変位することはない。
車軸１の外端部に外嵌した有底円筒状の押さえブラケット１３は、環状部材１１，１１ａを外側の内輪５の外端面に向けて押し付けている。この押さえブラケット１３は、車軸１の外端面に複数本のボルト１４，１４により固定され、各ボルト１４の締付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【００１８】
外輪４の両端部は、軟鋼板等の金属板を断面クランク形で円筒状に形成されたシールケース１５，１５の基端部を内嵌固定している。このシールケース１５，１５の内周面と各環状部材１１，１１ａの外周面との間には、シールリング１６，１６が設けられており、複数個の円錐ころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。
従って、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に密封した潤滑用のグリースが外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から空間１７内に雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【００１９】
軸受箱１１０の外端開口は、軸受箱１１０の一端部に固定したカバー１８により塞がれている。カバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により有底円筒状に形成されている。カバー１８は、カバー１８の開口側を軸受箱１１０の一端に突き当てた状態で、図示しないボルトにより軸受箱１１０に固定され、軸受箱１１０の外端開口を塞いでいる。
【００２０】
車軸１の外端面に固定された押さえブラケット１３の外周面には、被検出部としての速度検出用歯車２０が、車軸１と共に回転可能に設けられている。速度検出用歯車２０は、鋼材等の磁性金属材料からなり、その外周縁部における磁気特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。
なお、被検出部は、速度検出用歯車２０の代わりに、Ｓ極、Ｎ極が互い違いに着磁された磁極部がその外周面に形成された速度検出用エンコーダを採用することもできる。
【００２１】
また、軸受箱１１０の外周部には、速度検出用歯車２０の外周縁と径方向に関して対向する位置に、センサ本体１１１が挿入される取付け孔２２が設けられている。センサ本体１１１は、その取付けフランジ２１ａを軸受箱１１０の外面に突き当て、ボルト２３，２３により軸受箱１１０に固定されている。これにより、センサ本体１１１の先端面に設けた回転速度センサ２４は、速度検出用歯車２０と微少隙間を介して対向している。また、センサ本体１１１内部には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ２４に加え、軸受３の温度を検出する温度センサ２５と、軸受３の振動や車輪１０１のフラット等を検出する振動センサ２６とが備えられている。
【００２２】
上述の鉄道車両用センサ付軸受装置において、運転時、車輪１０１を支持固定した車軸１と共に速度検出用歯車２０が回転すると、回転速度センサ２４が速度検出用歯車２０の磁気特性の変化を検知する。回転速度センサ２４の出力もセンサケーブル１１６を介して異常診断回路１５０に送られ、車輪１０１の回転速度が検出される。
また、軸受３の回転抵抗が空間１７内に封入したグリースの劣化等の原因で異常に上昇し、軸受３内の温度が上昇すると温度センサ２５がこの温度を検出する。
さらに、振動センサ２６は、軸受３の剥離や車輪１０１のフラットの異常を検出している。振動センサ２６の出力信号も、センサケーブル１１６を介して異常診断回路１５０に送られる。
【００２３】
前記異常診断装置では、４つの振動センサ２６のうち３つは１軸の加速度センサを使用し、１つは２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを使用している。以下、１軸の加速度センサを用いたものを１軸振動センサ２６ａとし、２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いたものを２軸振動センサ２６ｂと記す。
１軸振動センサ２６ａの検出方向は、地面に対して垂直な方向（即ち、鉄道車両１００に対して重力方向）である。地面に対して垂直な方向の振動を加速度として検出することにより軸受３の剥離や車輪１０１のフラットの異常を検知できる。
一方、２軸振動センサ２６ｂの検出方向は、地面に対して垂直な方向（即ち、鉄道車両１００に対して重力方向）並びに、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向である。これにより、２軸振動センサ２６ｂで、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度の検出により当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度を検知できる。
【００２４】
また、鉄道車両１００がカーブを走行する場合、当該鉄道車両１００の横方向に遠心力が働き、加速度が発生する。この場合の当該加速度は遠心力が大きいほど大きな値となる。一方、ＭＥＭＳ式加速度センサは、加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力するので、圧電式加速度センサに比べて、方向性に対する検出精度が高い。したがって、２軸振動センサ２６ｂに２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、鉄道車両１００がカーブ走行中に当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度を正確に測定することができ、当該鉄道車両１００がカーブを進行しているか否かを判定することができる。
【００２５】
図３に示すように、異常診断回路１５０は、センサ信号処理部１５０Ａと、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂとを有する。センサ信号処理部１５０Ａは、５つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅと５つのローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５２ａ〜１５２ｅとを備えている。５つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅのうち２つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ、１５１ｂには、２軸振動センサ２６ｂからの２チャネルの出力信号が各々１チャネルずつ入力される。残りの３つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ｃ〜１５１ｅには、１軸振動センサ２６ａからの出力信号が各々入力される。そして、各増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅで増幅された信号が各々ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５２ａ〜１５２ｅを経て診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれる。
【００２６】
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、２軸振動センサ２６ｂ用のマルチプレクサ（ＭＵＸ０）１５３およびＡＤ変換器（ＡＤＣ０）１５５と、１軸振動センサ２６ａ用のマルチプレクサ（ＭＵＸ１）１５４およびＡＤ変換器（ＡＤＣ１）１５６とを備えている。２軸振動センサ２６ｂの２チャネルからの信号は、マルチプレクサ（ＭＵＸ０）１５３にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５にてデジタル信号に変換される。同様にして、３つの１軸振動センサ２６ａからの信号も、マルチプレクサ（ＭＵＸ１）１５４にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５６にてデジタル信号に変換される。
【００２７】
一方、回転速度センサ２４からの回転速度パルス信号は、波形整形回路（ＲＥＣＴ）１５７によって整形された後、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれ、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂ内のタイマカウンタ（ＴＣＮＴ）１５８により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が鉄道車両１００の車軸１の回転速度信号として処理されるようになっている。当該回転速度信号の処理は、ノイズの影響を抑えるために、例えば３回計測して相互差が５％以内の速度データが２回以上得られたときに、その平均値を出力するようになっている。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、振動センサ２６により検出された振動波形と回転速度センサ２４により検出された回転速度信号とをもとに異常診断を実行する。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂによる診断結果はラインドライバ（ＬＤ）１５９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、軸受３の剥離や車輪１０１のフラット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。
【００２８】
図４および図５のフローに従って診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂの動作を説明する。なお、図４は車輪１０１のフラットの異常診断の場合の処理フローである。
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂ内では、１軸振動センサ２６ａおよび２軸振動センサ２６ｂにより検出された信号が、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５，１５６からＤＭＡ（Direct Memory Access）方式でＣＰＵに取り込まれる。ＤＭＡの完了後（即ち、Ｓ１０１）、次回診断のためのＤＭＡを開始するとともに（即ち、Ｓ１１０）、回転速度の検出を行う（即ち、Ｓ１０２）。回転速度は、ＤＭＡにより取り込んだＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５，１５６の出力値から算出或いは回転速度パルス信号の単位時間当りのパルス数を計測することにより検出できる。次に、２軸振動センサ２６ｂからの信号に基づいて、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向、即ち鉄道車両１００の横方向に発生する加速度の値Ｇｒｍｓを算出する（即ち、Ｓ１０３）。ただし、値Ｇｒｍｓの算出にあたってはＲＭＳ値（２乗平均平方根）を求める。
【００２９】
そして、軸受３と車輪１０１における異常診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）を実行する。診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、１軸振動センサ２６ａおよび２軸振動センサ２６ｂにより検出された信号、即ち地面に対して垂直方向の振動に関する検出信号を解析することにより、軸受３の剥離と車輪１０１のフラットの異常診断を行う。その際、ＤＭＡにより新たに取得したデータ（例えば、整数１０ビットのデータ）をバッファに入れ替える処理を行う（即ち、Ｓ２０１）。次に、当該データを共通に用いて、軸受３のスペクトル診断用と車輪１０１のスペクトル診断用とに別々に処理を実行（即ち、Ｓ２１１、Ｓ２２１）する。このことにより、各々の部位における異常診断を行う。また、ＣＰＵには内部バスがハーバードアーキテクチャのものを使用することにより、サンプリング時間に対する計算時間に十分余裕を持たせる。
【００３０】
また、軸受３の剥離による異常を示す周波数と車輪１０１のフラットによる異常を示す周波数とでは、周波数帯域が１０倍程度異なり、後者の周波数帯域が低い。したがって、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、車輪１０１のスペクトル診断のためのデジタルフィルタ処置（即ち、Ｓ２１１、Ｓ２２１）やＦＦＴ処理（即ち、Ｓ２１２、Ｓ２２２）の分解能を軸受３よりも分解能を上げてスペクトル診断を実施している。例えば、軸受３のスペクトル診断のためのデジタルフィルタ処理やＦＦＴ処理の分解能を１Ｈｚと設定した場合、車輪１０１のスペクトル診断では分解能を０．２５Ｈｚと設定する。
【００３１】
また、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、固定小数点演算におけるＦＦＴの点数を抑えるため、軸受３と車輪１０１の両信号を絶対値化した後、デジタルフィルタ（例えば、ソフトウエアによるローパスフィルタ（ＬＰＦ））を施し、デシメーション処理と、必要であれば補間処理を行う（即ち、Ｓ２１１，Ｓ２２１）。この一連の処理により、周波数帯域とサンプリング周波数を最適化してＦＦＴを行うことができる。このＦＦＴの結果より得られたスペクトルのピーク検出結果と、軸受３或いは車輪１０１による異常を示す周波数との一致を基本波（１次）から高次成分（例えば４次成分）まで比較し、その比較の結果に基づいて１区間における各々の一致度として軸受異常診断点と車輪異常診断点を算出する（即ち、Ｓ２１４、Ｓ２２４）。ここで、１区間のサンプリング時間を、例えば０．５秒間単位とする場合、軸受３の剥離異常診断に関するデータは２区間連結され補間されて生成される。車輪１０１のフラット異常診断に関するデータは３区間連結され補間されて生成される。この補間はデータの後ろに値ゼロ（０）を詰めることによって行っており、この補間によってＦＦＴの分解能を向上させることができる。
【００３２】
さらに、車輪１０１の異常診断において（図４参照）、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）により算出された前記車輪１０１の異常診断点を一定期間累積計算し（即ち、Ｓ１０６）、その累積値Ｓｐが基準値を超えたか否かを判定する（即ち、Ｓ１０７）。
ただし、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向、即ち鉄道車両１００の横方向に発生する加速度の値Ｇｒｍｓ（ここでは、ＲＭＳ値（２乗平均平方根））が閾値以下であれば（即ち、Ｓ１０５）、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）により算出された前記異常診断点を強制的に無効にする（即ち、Ｓ１０９）。そして、異常診断点の累積処理（即ち、Ｓ１０６）には進まず、次のＤＭＡ完了を待つ（即ち、Ｓ１１１）。
【００３３】
即ち、累積値Ｓｐと基準値との比較判定（即ち、Ｓ１０７）の結果、累積値Ｓｐが基準値より小さければ（即ち、Ｓ１０７でＦＡＬＳＥ）、そのまま次のＤＭＡ完了を待ち（即ち、Ｓ１１１）、累積値Ｓｐが基準値より大きい場合には（即ち、Ｓ１０７でＴＲＵＥ）、車輪１０１のフラットの発生と診断し警報動作を行う（即ち、Ｓ１０８）。そして次のＤＭＡ完了を待つ（即ち、Ｓ１１１）。
なお、軸受３の異常診断の場合での異常診断点の累積値Ｓｐと基準値との比較をして行う警報動作について説明を省略したが、そのフローは車輪１０１と同様である。
【００３４】
本実施例では、２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いているが、少なくとも地面に水平で進行方向に直交する方向の加速を検出する加速度センサとしてＭＥＭＳ式加速度センサを用いればよく、地面に垂直方向の振動に起因する加速度を測定する加速度センサについては従来通り圧電型加速度センサを別に設けてもよい。
ただし、１箇所に２軸以上の加速度センサを取り付ける場合は、加工性及び組立性から同一の原理及び特性を有しているセンサを用いるのがよく、当該加速度センサをＭＥＭＳ式加速度センサで統一することが望ましい。
【００３５】
本実施形態によれば、地面に対して垂直方向の振動を複数（上記の例では４個）の振動センサ２６で検出し、当該振動センサ２６からの信号の周波数と異常を示す周波数との比較に基づいて軸受３と車輪１０１の異常診断を行う際、１つの振動センサ２６として、互いに直交する２方向の加速度を同時に検出可能な２軸のＭＥＭＳ式加速度センサ２６ｂを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と同時に地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度も検出し、前記加速度センサ２６（ｂ）からの信号のうち地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下であれば、前記比較の結果を無効にすることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態では、結果的に異常診断に影響を与える鉄道車両１００の横方向の加速度が発生しない、例えば直線走行部のみでの演算結果で診断が可能であるので、極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。鉄道車両１００が新幹線車両の場合、直線走行部が多い分、診断できる区間は十分長くなる。
【００３７】
なお、本実施形態では、鉄道車両１００の横方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下の場合に、異常診断点を無効にする（即ち、Ｓ１０９）こととしたが、図６に示すように、鉄道車両１００の横方向の加速度の値Ｇｒｍｓ（ｔ）の算出（即ち、Ｓ１０３）とともに、垂直方向すなわち鉄道車両１００に対して重力方向の加速度の値Ｇｒｍｓ（ｖ）の算出（即ち、Ｓ１１２）も実施し、両者の比Ｇｒｍｓ（ｔ）／Ｇｒｍｓ（ｖ）が一定値以下の場合に、異常診断点を無効にする（即ち、Ｓ１０９）ようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施形態では軸受として複列円錐ころ軸受を用いたが、複列円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、単列の円錐ころ軸受などの転がり軸受およびそれらの転がり軸受を複数組合せた組合せ軸受の場合にも適用できる。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る異常診断装置の第２実施形態について説明する。図７は本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
【００４０】
図７に示すセンサ付軸受装置８０は、鉄道車両用センサ付軸受装置であり、車軸１が、車輪１０１を支持固定した状態で、軸受箱１１０の内径側で、複列円錐ころ軸受けである軸受３により、回転自在に支持されている。
【００４１】
軸受３は、単一の外輪４、一対の内輪５、円錐ころ６及び打ち抜き保持器１０、内輪間座である間座９を有している。外輪４は、軸受箱１１０にねじ込まれた回り止めねじ部材８１によって回り止めされている。回り止めねじ部材８１は、外輪４に設けた有底穴８２に対して、軸受箱１０１にねじ止めして挿入している。なお、回り止めねじ部材８１の先端は、回り止めねじ部材８１のねじ部よりも小径（先細）としてねじ山を無くしているので、外輪４がクリープなどで回転してもねじ山がつぶれることが無い。
【００４２】
また、外輪４の端部には、軸受構成部品である鉄製のシール部材８３が組付けられている。シール部材８３には、径方向内方に延びるフランジ部８４の先端部に、フランジ部８４に対してほぼ９０度に折曲されたシール板部８５が形成されている。また、内輪５の軸端部に設けられた間座９の外周面には、所定の隙間をもってシール板部８５を囲むように形成されたシール凹部８６が設けられている。従って、シール板部８５を有するシール部材８３とシール凹部８６を有する間座９は、軸受３内部への異物侵入を防止するためのシール手段であるラビリンスシール８７を構成する。
【００４３】
シール部材８３は、フランジ部８４にフランジ側挿通孔８８（片方のフランジ側挿通孔は図示しない。）が形成されており、フランジ側挿通孔８８から軸方向に延びるフランジ部８４の軸受３側に、センサ本体１１１を固定するための一対の雌ねじ部材９０（片方の雌ねじ部材は図示しない。）が配されている。雌ねじ部材９０には、フランジ側挿通孔８８に連通する雌ねじ９１（片方の雌ねじは図示しない。）がそれぞれ形成されている。
【００４４】
そして、シール部材８３のフランジ部８４にはセンサ本体１１１が固定されている。センサ本体１１１は、底部９３にセンサ孔９４が形成され、カバー９５により密閉されている。センサ本体１１１は、シール部材８３のフランジ部８４側の側板９６に、フランジ側挿通孔８８と雌ねじ部材９０の雌ねじ９１とに連通したセンサ側挿通孔９７が形成されている。
【００４５】
センサ本体１１１は、側板９６のセンサ側挿通孔９７から、フランジ側挿通孔８８を通じてボルト９９（片方のボルトは図示しない。）が挿通され、雌ねじ部材９０の雌ねじ９１にねじ込まれることで、雌ねじ部材９０とセンサ本体１１１とによりシール部材８３のフランジ部８４を挟み込むようにしてセンサ本体１１１をシール部材８３に固定している。
【００４６】
センサ本体１１１内には、回転速度センサ２４と、温度センサ２５と、振動センサ２６とが基板１０３に固定されている。
【００４７】
回転速度センサ２４は、速度検出用歯車２０に非接触にして、センサ本体１１１のセンサ孔９４内に配置されており、車軸１に固定された速度検出用歯車２０の回転を検出することによって車軸１の回転を計測しており、例えばパルス状の電気信号を発生し、発生した電気信号を異常診断回路１５０により監視している。
【００４８】
温度センサ２５は、センサ本体１１１の軸受３に近い、シール部材８３側に配されており、シール部材８３を介して伝達される軸受３内部の雰囲気温度を常時測定して異常診断回路１５０に与える。
【００４９】
振動センサ２６は、地面に水平で鉄道車両１００の進行方向に垂直な方向、すなわち車軸１の軸方向の加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力することのできるＭＥＭＳ式加速度センサであり、円錐ころ６、外輪４、内輪５に与えられた振動成分および車輪１０１に与えられた振動成分を電気信号に変換して異常診断回路１５０に送る。振動センサ２６は、軸方向の振動を測定するように設置されているので、軸受３の剥離等の異常振動を精度良く測定できるとともに、車軸１の偏摩耗及び車輪１０１のフラット等も精度良く測定することができる。また、取付け位置（位相）は円周上の任意の場所に設定することができる。
【００５０】
なお、地面に対して垂直方向の振動を測定して剥離等の軸受３の異常や車輪１０１のフラット等を正確に検知するには、振動センサ２６を異常発生部位の近傍や車軸１の上下に配置する必要がある。そのため、地面に対して垂直方向の振動を検出する場合には、軸受３の剥離や車輪１０１のフラットが最も発生しやすい負荷圏近傍に振動センサ２７を配置する必要がある。しかしながら、鉄道車両用車軸軸受の場合は、負荷圏が軸受の上側（台車側）にあるため、台車等が妨げとなり、センサを配置するスペースが取れない場合がある。また、振動センサ２６を取り付けた場所から離れた部位に軸受３の剥離や車輪１０１のフラット等の異常が発生した場合は、その異常振動を正確に測定することができない。
【００５１】
この対策として、本実施形態では、接触角を有する軸受３において、振動センサ２６により、地面に対して垂直方向の振動の発生に伴って発生する車軸１の軸方向の振動成分を測定する。この軸方向成分は、前記接触角の分力による成分であり、外輪４端面の円周方向のどの部位でも地面に対して垂直方向の振動とほぼ等しい値となる。このため、振動センサ２６をどの位置に配置しても、異常振動を正確に検出することができる。また、軸受３の剥離や車輪１０１のフラット等の異常が軸受３のいずれの場所に発生したとしても、その異常振動を正確に測定することができる。
【００５２】
即ち、軸受３は接触角を有するので、地面に対して垂直方向の振動が発生すると、その接触角の分力によって軸方向の振動が発生する。この軸方向の振動は、円周方向全面でほぼ同じ値となるため、センサ本体１１１をのどの円周方向位置に配置しても、軸受３の剥離や、車軸１の偏摩耗や車輪１０１のフラットを正確に測定することができる。なお、軸受３の代わりに、予圧を与えた組み合わせ転がり軸受でも同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、振動センサ２６として、加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力することができるＭＥＭＳ式加速度センサを用いているので、前記分力による軸方向の振動とともに、鉄道車両１００がカーブ走行中に当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度も同時に測定することができる。
【００５４】
第２実施形態によれば、振動センサ２６として、地面に水平で鉄道車両１００の進行方向に垂直な方向、すなわち車軸１の軸方向の加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力するＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、カーブに起因する加速度を検出することができる。さらに、接触角を有する軸受３を用いているので、接触角の分力によって発生する車軸１の軸方向の振動を検出することにより、車輪１０１のフラットに起因する振動を検出することができる。また、軸受３の剥離に起因する振動は車輪１０１のフラットよりも高い振動周波数として検出される。このように、振動センサ２６としてＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、上述した３つの異なる現象に起因する振動を同一のセンサで検出することができる。
【００５５】
したがって、接触角を有する転がり軸受を有する鉄道車両用軸受装置の異常診断においても、前記ＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、軸受３の剥離に起因する振動、車輪１０１に起因する信号、及び鉄道車両１００のカーブ走行に起因する加速度も併せて検出することにより、当該加速度と両周波数の一致度の演算結果とに基づいて異常診断を行う際、車両１００のカーブ走行に起因する加速度の影響を排除して誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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、そして（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る異常診断装置の構成を例示するブロック図である。
【図４】車輪のフラットの異常診断の場合の図３の診断処理部による第1実施形態の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【図５】図４のフロー中の定義済みステップの内容を例示するフローチャートである。
【図６】診断処理部による第1実施形態における別の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【図７】本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 車軸
３ 軸受
２６ 振動センサ
２６ａ １軸振動センサ
２６ｂ ２軸振動センサ（ＭＥＭＳ式加速度センサ）
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪
１５０ 異常診断回路
１５０Ａ センサ信号処理部
１５０Ｂ 診断処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等に用いられる回転或いは摺動する部品の異常診断装置に関し、特に、当該部品の異常の有無や前兆、或いはその異常部位を特定する異常診断装置および異常診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両の回転部品は、一定期間使用した後に、車軸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。この定期的な検査は、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することにより行なわれ、回転部品に発生した損傷や摩耗は、作業者が目視による検査により発見するようにしている。そして、検査で発見される主な欠陥としては、軸受の場合、異物の噛み込み等によって生ずる圧痕、転がり疲れによる剥離、その他の摩耗等、歯車の場合には、歯部の欠損や摩耗等、車輪の場合には、フラット等の摩耗があり、いずれの場合も新品にはない凹凸や摩耗等が発見されれば、新品に交換される。
【０００３】
しかし、機械設備全体を分解して、作業者が目視で検査する方法では、装置から回転体や摺動部材を取り外す分解作業や、検査済みの回転体や摺動部材を再度装置に組込み直す組込み作業に多大な労力がかかり、装置の保守コストに大幅な増大を招くという問題があった。
【０００４】
また、組立て直す際に検査前にはなかった打痕を回転体や摺動部材につけてしまう等、検査自体が回転体や摺動部材の欠陥を生む原因となる可能性があった。また、限られた時間内で多数の軸受を目視で検査するため、欠陥を見落とす可能性が残るという問題もあった。さらに、この欠陥の程度の判断も個人差があり実質的には欠陥がなくても部品交換が行なわれるため、無駄なコストがかかることにもなる。
【０００５】
そこで、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で回転部品の異常診断を行なう様々な方法が提案された（例えば、特許文献１〜３参照）。最も、一般的なものとしては、特許文献１に記載されるように、軸受部に加速度計を設置し、軸受部の振動加速度を計測し、更に、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。
【０００６】
また、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としても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について提案している。
【０００７】
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。
【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】特表平９−５００４５２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】
【０００８】
しかし、特許文献４、９に記載の欠陥状態の検出装置では、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という問題がある。また、特許文献７に記載の車輪用回転検出装置では、回転部品の２軸方向の振動をセンサで検出しているが、車輪の振動と車軸軸受の振動とを区別して検出していないため、異常発生部位を識別することはできない。また、特許文献８に記載のセンサ付軸受装置では、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。
【０００９】
したがって、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、車両の振動を検出する振動センサ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排除し誤検知などを抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる異常診断装置および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】
【００１０】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
(１) 車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記多軸加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
（２） （１）に記載の異常診断装置において、前記複数方向のうち、少なくとも１方向は地面に対して垂直方向であり、少なくとも１方向は地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向であることを特徴とする異常診断装置。
（３） 車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記加速度センサにより車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、前記比較の結果に基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の異常診断装置において、前記加速度センサはＭＥＭＳ式加速度センサであることを特徴とする異常診断装置。
（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の異常診断装置において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断装置。
（６） 車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と
地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度と地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車輪の異常を検知することを特徴とする異常診断方法。
（７） 車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断方法。
（８） （７）に記載の異常診断方法において、前記車両は軸受装置によって支持されており、当該軸受装置は少なくとも１つ以上の接触角を有する転がり軸受を有し、当該軸受装置に起因する振動と車輪に起因する振動を前記ＭＥＭＳ式加速度センサで同時に検出することを特徴とする異常診断方法。
（９） （６）〜（８）のいずれかに記載の異常診断方法において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異常診断装置によれば、下記（Ｉ）〜（ＩＶ）の効果が得られる。
（Ｉ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用し、前記加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する振動の影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＩ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＩＩ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うあたり、１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度に基づいて車輪の異常を検知するので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
（ＩＶ）車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断を行うにあたり、１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うので、車両のカーブ走行に起因する影響を排除し車軸軸受の剥離や車輪のフラットの誤検知を抑制して極めて信頼性の高い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】
【００１２】
以下、本発明に係る異常診断装置の第１実施形態、第２実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
まず、図１〜図６を参照して、第１実施形態の異常診断装置について説明する。
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る。図２は、本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。図３は本発明に係る異常診断装置の構成を例示するブロック図である。図４は車輪のフラットの異常診断の場合の図３の診断処理部による第1実施形態の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。図５は図４のフロー中の定義済みステップの内容を例示するフローチャートである。図６は、診断処理部による第1実施形態における別の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【００１４】
図１に示すように、一両の鉄道車両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１０１が取り付けられている。各車輪１０１の軸受箱１１０には、軸受箱１１０の振動を検出する振動センサ２６（図２参照）を内蔵したセンサ本体１１１が取り付けられている。
【００１５】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、複数チャネルのセンサ信号を同時（ほぼ同時）に取り込んで診断処理を実施する異常診断回路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２６の出力信号が各々センサケーブル１１６を介して車台毎に別の異常診断回路１５０に入力される。
【００１６】
図２に示されるように、車軸１は、車輪１０１を支持固定した状態で、軸受箱１１０の内径側で、複列円錐ころ軸受である軸受３により、回転自在に支持されている。
軸受３は、内周面に外輪軌道７，７を有する外輪４と、外周面に内輪軌道８を有し、小径側の端面同士を、間座９を介して互いに突き合わされる一対の内輪５，５と、外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている円錐ころ６，６とを備えている。外輪４は、軸受箱１１０に内嵌保持されており、内輪５は、間座９と共に、車軸１の外端（図２の左端）寄り部分に外嵌されている。
【００１７】
車軸１の外端部で軸方向外側の内輪５よりも突出した部分には、油切りと称される環状部材１１，１１ａが外嵌されている。内側の内輪５の内端面は、別の環状部材を介して、車軸１の中間部に形成された段差面１２に突き当てられている。従って、一対の内輪５，５が車軸１の中央寄り（図２中右寄り）に変位することはない。
車軸１の外端部に外嵌した有底円筒状の押さえブラケット１３は、環状部材１１，１１ａを外側の内輪５の外端面に向けて押し付けている。この押さえブラケット１３は、車軸１の外端面に複数本のボルト１４，１４により固定され、各ボルト１４の締付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【００１８】
外輪４の両端部は、軟鋼板等の金属板を断面クランク形で円筒状に形成されたシールケース１５，１５の基端部を内嵌固定している。このシールケース１５，１５の内周面と各環状部材１１，１１ａの外周面との間には、シールリング１６，１６が設けられており、複数個の円錐ころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。
従って、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に密封した潤滑用のグリースが外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から空間１７内に雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【００１９】
軸受箱１１０の外端開口は、軸受箱１１０の一端部に固定したカバー１８により塞がれている。カバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により有底円筒状に形成されている。カバー１８は、カバー１８の開口側を軸受箱１１０の一端に突き当てた状態で、図示しないボルトにより軸受箱１１０に固定され、軸受箱１１０の外端開口を塞いでいる。
【００２０】
車軸１の外端面に固定された押さえブラケット１３の外周面には、被検出部としての速度検出用歯車２０が、車軸１と共に回転可能に設けられている。速度検出用歯車２０は、鋼材等の磁性金属材料からなり、その外周縁部における磁気特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。
なお、被検出部は、速度検出用歯車２０の代わりに、Ｓ極、Ｎ極が互い違いに着磁された磁極部がその外周面に形成された速度検出用エンコーダを採用することもできる。
【００２１】
また、軸受箱１１０の外周部には、速度検出用歯車２０の外周縁と径方向に関して対向する位置に、センサ本体１１１が挿入される取付け孔２２が設けられている。センサ本体１１１は、その取付けフランジ２１ａを軸受箱１１０の外面に突き当て、ボルト２３，２３により軸受箱１１０に固定されている。これにより、センサ本体１１１の先端面に設けた回転速度センサ２４は、速度検出用歯車２０と微少隙間を介して対向している。また、センサ本体１１１内部には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ２４に加え、軸受３の温度を検出する温度センサ２５と、軸受３の振動や車輪１０１のフラット等を検出する振動センサ２６とが備えられている。
【００２２】
上述の鉄道車両用センサ付軸受装置において、運転時、車輪１０１を支持固定した車軸１と共に速度検出用歯車２０が回転すると、回転速度センサ２４が速度検出用歯車２０の磁気特性の変化を検知する。回転速度センサ２４の出力もセンサケーブル１１６を介して異常診断回路１５０に送られ、車輪１０１の回転速度が検出される。
また、軸受３の回転抵抗が空間１７内に封入したグリースの劣化等の原因で異常に上昇し、軸受３内の温度が上昇すると温度センサ２５がこの温度を検出する。
さらに、振動センサ２６は、軸受３の剥離や車輪１０１のフラットの異常を検出している。振動センサ２６の出力信号も、センサケーブル１１６を介して異常診断回路１５０に送られる。
【００２３】
前記異常診断装置では、４つの振動センサ２６のうち３つは１軸の加速度センサを使用し、１つは２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを使用している。以下、１軸の加速度センサを用いたものを１軸振動センサ２６ａとし、２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いたものを２軸振動センサ２６ｂと記す。
１軸振動センサ２６ａの検出方向は、地面に対して垂直な方向（即ち、鉄道車両１００に対して重力方向）である。地面に対して垂直な方向の振動を加速度として検出することにより軸受３の剥離や車輪１０１のフラットの異常を検知できる。
一方、２軸振動センサ２６ｂの検出方向は、地面に対して垂直な方向（即ち、鉄道車両１００に対して重力方向）並びに、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向である。これにより、２軸振動センサ２６ｂで、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度の検出により当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度を検知できる。
【００２４】
また、鉄道車両１００がカーブを走行する場合、当該鉄道車両１００の横方向に遠心力が働き、加速度が発生する。この場合の当該加速度は遠心力が大きいほど大きな値となる。一方、ＭＥＭＳ式加速度センサは、加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力するので、圧電式加速度センサに比べて、方向性に対する検出精度が高い。したがって、２軸振動センサ２６ｂに２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、鉄道車両１００がカーブ走行中に当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度を正確に測定することができ、当該鉄道車両１００がカーブを進行しているか否かを判定することができる。
【００２５】
図３に示すように、異常診断回路１５０は、センサ信号処理部１５０Ａと、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂとを有する。センサ信号処理部１５０Ａは、５つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅと５つのローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５２ａ〜１５２ｅとを備えている。５つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅのうち２つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ、１５１ｂには、２軸振動センサ２６ｂからの２チャネルの出力信号が各々１チャネルずつ入力される。残りの３つの増幅器（Ａｍｐ）１５１ｃ〜１５１ｅには、１軸振動センサ２６ａからの出力信号が各々入力される。そして、各増幅器（Ａｍｐ）１５１ａ〜１５１ｅで増幅された信号が各々ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５２ａ〜１５２ｅを経て診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれる。
【００２６】
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、２軸振動センサ２６ｂ用のマルチプレクサ（ＭＵＸ０）１５３およびＡＤ変換器（ＡＤＣ０）１５５と、１軸振動センサ２６ａ用のマルチプレクサ（ＭＵＸ１）１５４およびＡＤ変換器（ＡＤＣ１）１５６とを備えている。２軸振動センサ２６ｂの２チャネルからの信号は、マルチプレクサ（ＭＵＸ０）１５３にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５にてデジタル信号に変換される。同様にして、３つの１軸振動センサ２６ａからの信号も、マルチプレクサ（ＭＵＸ１）１５４にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５６にてデジタル信号に変換される。
【００２７】
一方、回転速度センサ２４からの回転速度パルス信号は、波形整形回路（ＲＥＣＴ）１５７によって整形された後、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれ、診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂ内のタイマカウンタ（ＴＣＮＴ）１５８により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が鉄道車両１００の車軸１の回転速度信号として処理されるようになっている。当該回転速度信号の処理は、ノイズの影響を抑えるために、例えば３回計測して相互差が５％以内の速度データが２回以上得られたときに、その平均値を出力するようになっている。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、振動センサ２６により検出された振動波形と回転速度センサ２４により検出された回転速度信号とをもとに異常診断を実行する。診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂによる診断結果はラインドライバ（ＬＤ）１５９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、軸受３の剥離や車輪１０１のフラット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。
【００２８】
図４および図５のフローに従って診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂの動作を説明する。なお、図４は車輪１０１のフラットの異常診断の場合の処理フローである。
診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂ内では、１軸振動センサ２６ａおよび２軸振動センサ２６ｂにより検出された信号が、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５，１５６からＤＭＡ（Direct Memory Access）方式でＣＰＵに取り込まれる。ＤＭＡの完了後（即ち、Ｓ１０１）、次回診断のためのＤＭＡを開始するとともに（即ち、Ｓ１１０）、回転速度の検出を行う（即ち、Ｓ１０２）。回転速度は、ＤＭＡにより取り込んだＡＤ変換器（ＡＤＣ）１５５，１５６の出力値から算出或いは回転速度パルス信号の単位時間当りのパルス数を計測することにより検出できる。次に、２軸振動センサ２６ｂからの信号に基づいて、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向、即ち鉄道車両１００の横方向に発生する加速度の値Ｇｒｍｓを算出する（即ち、Ｓ１０３）。ただし、値Ｇｒｍｓの算出にあたってはＲＭＳ値（２乗平均平方根）を求める。
【００２９】
そして、軸受３と車輪１０１における異常診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）を実行する。診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、１軸振動センサ２６ａおよび２軸振動センサ２６ｂにより検出された信号、即ち地面に対して垂直方向の振動に関する検出信号を解析することにより、軸受３の剥離と車輪１０１のフラットの異常診断を行う。その際、ＤＭＡにより新たに取得したデータ（例えば、整数１０ビットのデータ）をバッファに入れ替える処理を行う（即ち、Ｓ２０１）。次に、当該データを共通に用いて、軸受３のスペクトル診断用と車輪１０１のスペクトル診断用とに別々に処理を実行（即ち、Ｓ２１１、Ｓ２２１）する。このことにより、各々の部位における異常診断を行う。また、ＣＰＵには内部バスがハーバードアーキテクチャのものを使用することにより、サンプリング時間に対する計算時間に十分余裕を持たせる。
【００３０】
また、軸受３の剥離による異常を示す周波数と車輪１０１のフラットによる異常を示す周波数とでは、周波数帯域が１０倍程度異なり、後者の周波数帯域が低い。したがって、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、車輪１０１のスペクトル診断のためのデジタルフィルタ処置（即ち、Ｓ２１１、Ｓ２２１）やＦＦＴ処理（即ち、Ｓ２１２、Ｓ２２２）の分解能を軸受３よりも分解能を上げてスペクトル診断を実施している。例えば、軸受３のスペクトル診断のためのデジタルフィルタ処理やＦＦＴ処理の分解能を１Ｈｚと設定した場合、車輪１０１のスペクトル診断では分解能を０．２５Ｈｚと設定する。
【００３１】
また、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）では、固定小数点演算におけるＦＦＴの点数を抑えるため、軸受３と車輪１０１の両信号を絶対値化した後、デジタルフィルタ（例えば、ソフトウエアによるローパスフィルタ（ＬＰＦ））を施し、デシメーション処理と、必要であれば補間処理を行う（即ち、Ｓ２１１，Ｓ２２１）。この一連の処理により、周波数帯域とサンプリング周波数を最適化してＦＦＴを行うことができる。このＦＦＴの結果より得られたスペクトルのピーク検出結果と、軸受３或いは車輪１０１による異常を示す周波数との一致を基本波（１次）から高次成分（例えば４次成分）まで比較し、その比較の結果に基づいて１区間における各々の一致度として軸受異常診断点と車輪異常診断点を算出する（即ち、Ｓ２１４、Ｓ２２４）。ここで、１区間のサンプリング時間を、例えば０．５秒間単位とする場合、軸受３の剥離異常診断に関するデータは２区間連結され補間されて生成される。車輪１０１のフラット異常診断に関するデータは３区間連結され補間されて生成される。この補間はデータの後ろに値ゼロ（０）を詰めることによって行っており、この補間によってＦＦＴの分解能を向上させることができる。
【００３２】
さらに、車輪１０１の異常診断において（図４参照）、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）により算出された前記車輪１０１の異常診断点を一定期間累積計算し（即ち、Ｓ１０６）、その累積値Ｓｐが基準値を超えたか否かを判定する（即ち、Ｓ１０７）。
ただし、地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向、即ち鉄道車両１００の横方向に発生する加速度の値Ｇｒｍｓ（ここでは、ＲＭＳ値（２乗平均平方根））が閾値以下であれば（即ち、Ｓ１０５）、診断演算処理（即ち、Ｓ１０４）により算出された前記異常診断点を強制的に無効にする（即ち、Ｓ１０９）。そして、異常診断点の累積処理（即ち、Ｓ１０６）には進まず、次のＤＭＡ完了を待つ（即ち、Ｓ１１１）。
【００３３】
即ち、累積値Ｓｐと基準値との比較判定（即ち、Ｓ１０７）の結果、累積値Ｓｐが基準値より小さければ（即ち、Ｓ１０７でＦＡＬＳＥ）、そのまま次のＤＭＡ完了を待ち（即ち、Ｓ１１１）、累積値Ｓｐが基準値より大きい場合には（即ち、Ｓ１０７でＴＲＵＥ）、車輪１０１のフラットの発生と診断し警報動作を行う（即ち、Ｓ１０８）。そして次のＤＭＡ完了を待つ（即ち、Ｓ１１１）。
なお、軸受３の異常診断の場合での異常診断点の累積値Ｓｐと基準値との比較をして行う警報動作について説明を省略したが、そのフローは車輪１０１と同様である。
【００３４】
本実施例では、２軸のＭＥＭＳ式加速度センサを用いているが、少なくとも地面に水平で進行方向に直交する方向の加速を検出する加速度センサとしてＭＥＭＳ式加速度センサを用いればよく、地面に垂直方向の振動に起因する加速度を測定する加速度センサについては従来通り圧電型加速度センサを別に設けてもよい。
ただし、１箇所に２軸以上の加速度センサを取り付ける場合は、加工性及び組立性から同一の原理及び特性を有しているセンサを用いるのがよく、当該加速度センサをＭＥＭＳ式加速度センサで統一することが望ましい。
【００３５】
本実施形態によれば、地面に対して垂直方向の振動を複数（上記の例では４個）の振動センサ２６で検出し、当該振動センサ２６からの信号の周波数と異常を示す周波数との比較に基づいて軸受３と車輪１０１の異常診断を行う際、１つの振動センサ２６として、互いに直交する２方向の加速度を同時に検出可能な２軸のＭＥＭＳ式加速度センサ２６ｂを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と同時に地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度も検出し、前記加速度センサ２６（ｂ）からの信号のうち地面に対して水平で且つ鉄道車両１００の進行方向に直交する方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下であれば、前記比較の結果を無効にすることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態では、結果的に異常診断に影響を与える鉄道車両１００の横方向の加速度が発生しない、例えば直線走行部のみでの演算結果で診断が可能であるので、極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。鉄道車両１００が新幹線車両の場合、直線走行部が多い分、診断できる区間は十分長くなる。
【００３７】
なお、本実施形態では、鉄道車両１００の横方向の加速度の値Ｇｒｍｓが閾値以下の場合に、異常診断点を無効にする（即ち、Ｓ１０９）こととしたが、図６に示すように、鉄道車両１００の横方向の加速度の値Ｇｒｍｓ（ｔ）の算出（即ち、Ｓ１０３）とともに、垂直方向すなわち鉄道車両１００に対して重力方向の加速度の値Ｇｒｍｓ（ｖ）の算出（即ち、Ｓ１１２）も実施し、両者の比Ｇｒｍｓ（ｔ）／Ｇｒｍｓ（ｖ）が一定値以下の場合に、異常診断点を無効にする（即ち、Ｓ１０９）ようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施形態では軸受として複列円錐ころ軸受を用いたが、複列円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、単列の円錐ころ軸受などの転がり軸受およびそれらの転がり軸受を複数組合せた組合せ軸受の場合にも適用できる。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る異常診断装置の第２実施形態について説明する。図７は本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
【００４０】
図７に示すセンサ付軸受装置８０は、鉄道車両用センサ付軸受装置であり、車軸１が、車輪１０１を支持固定した状態で、軸受箱１１０の内径側で、複列円錐ころ軸受けである軸受３により、回転自在に支持されている。
【００４１】
軸受３は、単一の外輪４、一対の内輪５、円錐ころ６及び打ち抜き保持器１０、内輪間座である間座９を有している。外輪４は、軸受箱１１０にねじ込まれた回り止めねじ部材８１によって回り止めされている。回り止めねじ部材８１は、外輪４に設けた有底穴８２に対して、軸受箱１０１にねじ止めして挿入している。なお、回り止めねじ部材８１の先端は、回り止めねじ部材８１のねじ部よりも小径（先細）としてねじ山を無くしているので、外輪４がクリープなどで回転してもねじ山がつぶれることが無い。
【００４２】
また、外輪４の端部には、軸受構成部品である鉄製のシール部材８３が組付けられている。シール部材８３には、径方向内方に延びるフランジ部８４の先端部に、フランジ部８４に対してほぼ９０度に折曲されたシール板部８５が形成されている。また、内輪５の軸端部に設けられた間座９の外周面には、所定の隙間をもってシール板部８５を囲むように形成されたシール凹部８６が設けられている。従って、シール板部８５を有するシール部材８３とシール凹部８６を有する間座９は、軸受３内部への異物侵入を防止するためのシール手段であるラビリンスシール８７を構成する。
【００４３】
シール部材８３は、フランジ部８４にフランジ側挿通孔８８（片方のフランジ側挿通孔は図示しない。）が形成されており、フランジ側挿通孔８８から軸方向に延びるフランジ部８４の軸受３側に、センサ本体１１１を固定するための一対の雌ねじ部材９０（片方の雌ねじ部材は図示しない。）が配されている。雌ねじ部材９０には、フランジ側挿通孔８８に連通する雌ねじ９１（片方の雌ねじは図示しない。）がそれぞれ形成されている。
【００４４】
そして、シール部材８３のフランジ部８４にはセンサ本体１１１が固定されている。センサ本体１１１は、底部９３にセンサ孔９４が形成され、カバー９５により密閉されている。センサ本体１１１は、シール部材８３のフランジ部８４側の側板９６に、フランジ側挿通孔８８と雌ねじ部材９０の雌ねじ９１とに連通したセンサ側挿通孔９７が形成されている。
【００４５】
センサ本体１１１は、側板９６のセンサ側挿通孔９７から、フランジ側挿通孔８８を通じてボルト９９（片方のボルトは図示しない。）が挿通され、雌ねじ部材９０の雌ねじ９１にねじ込まれることで、雌ねじ部材９０とセンサ本体１１１とによりシール部材８３のフランジ部８４を挟み込むようにしてセンサ本体１１１をシール部材８３に固定している。
【００４６】
センサ本体１１１内には、回転速度センサ２４と、温度センサ２５と、振動センサ２６とが基板１０３に固定されている。
【００４７】
回転速度センサ２４は、速度検出用歯車２０に非接触にして、センサ本体１１１のセンサ孔９４内に配置されており、車軸１に固定された速度検出用歯車２０の回転を検出することによって車軸１の回転を計測しており、例えばパルス状の電気信号を発生し、発生した電気信号を異常診断回路１５０により監視している。
【００４８】
温度センサ２５は、センサ本体１１１の軸受３に近い、シール部材８３側に配されており、シール部材８３を介して伝達される軸受３内部の雰囲気温度を常時測定して異常診断回路１５０に与える。
【００４９】
振動センサ２６は、地面に水平で鉄道車両１００の進行方向に垂直な方向、すなわち車軸１の軸方向の加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力することのできるＭＥＭＳ式加速度センサであり、円錐ころ６、外輪４、内輪５に与えられた振動成分および車輪１０１に与えられた振動成分を電気信号に変換して異常診断回路１５０に送る。振動センサ２６は、軸方向の振動を測定するように設置されているので、軸受３の剥離等の異常振動を精度良く測定できるとともに、車軸１の偏摩耗及び車輪１０１のフラット等も精度良く測定することができる。また、取付け位置（位相）は円周上の任意の場所に設定することができる。
【００５０】
なお、地面に対して垂直方向の振動を測定して剥離等の軸受３の異常や車輪１０１のフラット等を正確に検知するには、振動センサ２６を異常発生部位の近傍や車軸１の上下に配置する必要がある。そのため、地面に対して垂直方向の振動を検出する場合には、軸受３の剥離や車輪１０１のフラットが最も発生しやすい負荷圏近傍に振動センサ２７を配置する必要がある。しかしながら、鉄道車両用車軸軸受の場合は、負荷圏が軸受の上側（台車側）にあるため、台車等が妨げとなり、センサを配置するスペースが取れない場合がある。また、振動センサ２６を取り付けた場所から離れた部位に軸受３の剥離や車輪１０１のフラット等の異常が発生した場合は、その異常振動を正確に測定することができない。
【００５１】
この対策として、本実施形態では、接触角を有する軸受３において、振動センサ２６により、地面に対して垂直方向の振動の発生に伴って発生する車軸１の軸方向の振動成分を測定する。この軸方向成分は、前記接触角の分力による成分であり、外輪４端面の円周方向のどの部位でも地面に対して垂直方向の振動とほぼ等しい値となる。このため、振動センサ２６をどの位置に配置しても、異常振動を正確に検出することができる。また、軸受３の剥離や車輪１０１のフラット等の異常が軸受３のいずれの場所に発生したとしても、その異常振動を正確に測定することができる。
【００５２】
即ち、軸受３は接触角を有するので、地面に対して垂直方向の振動が発生すると、その接触角の分力によって軸方向の振動が発生する。この軸方向の振動は、円周方向全面でほぼ同じ値となるため、センサ本体１１１をのどの円周方向位置に配置しても、軸受３の剥離や、車軸１の偏摩耗や車輪１０１のフラットを正確に測定することができる。なお、軸受３の代わりに、予圧を与えた組み合わせ転がり軸受でも同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、振動センサ２６として、加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力することができるＭＥＭＳ式加速度センサを用いているので、前記分力による軸方向の振動とともに、鉄道車両１００がカーブ走行中に当該鉄道車両１００の横方向に発生する加速度も同時に測定することができる。
【００５４】
第２実施形態によれば、振動センサ２６として、地面に水平で鉄道車両１００の進行方向に垂直な方向、すなわち車軸１の軸方向の加速度に応じたアナログ電圧などの信号を出力するＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、カーブに起因する加速度を検出することができる。さらに、接触角を有する軸受３を用いているので、接触角の分力によって発生する車軸１の軸方向の振動を検出することにより、車輪１０１のフラットに起因する振動を検出することができる。また、軸受３の剥離に起因する振動は車輪１０１のフラットよりも高い振動周波数として検出される。このように、振動センサ２６としてＭＥＭＳ式加速度センサを用いることにより、上述した３つの異なる現象に起因する振動を同一のセンサで検出することができる。
【００５５】
したがって、接触角を有する転がり軸受を有する鉄道車両用軸受装置の異常診断においても、前記ＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、軸受３の剥離に起因する振動、車輪１０１に起因する信号、及び鉄道車両１００のカーブ走行に起因する加速度も併せて検出することにより、当該加速度と両周波数の一致度の演算結果とに基づいて異常診断を行う際、車両１００のカーブ走行に起因する加速度の影響を排除して誤検知を抑制して極めて信頼性の高い異常診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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、そして（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る異常診断装置の構成を例示するブロック図である。
【図４】車輪のフラットの異常診断の場合の図３の診断処理部による第1実施形態の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【図５】図４のフロー中の定義済みステップの内容を例示するフローチャートである。
【図６】診断処理部による第1実施形態における別の異常判定処理の内容を例示するフローチャートである。
【図７】本発明に係る異常診断装置の構成要素の一つである振動センサを備えたセンサ付軸受装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 車軸
３ 軸受
２６ 振動センサ
２６ａ １軸振動センサ
２６ｂ ２軸振動センサ（ＭＥＭＳ式加速度センサ）
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪
１５０ 異常診断回路
１５０Ａ センサ信号処理部
１５０Ｂ 診断処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記多軸加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の異常診断装置において、前記複数方向のうち、少なくとも１方向は地面に対して垂直方向であり、少なくとも１方向は地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向であることを特徴とする異常診断装置。
【請求項３】
車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記加速度センサにより車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、前記比較の結果に基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の異常診断装置において、前記加速度センサはＭＥＭＳ式加速度センサであることを特徴とする異常診断装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の異常診断装置において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断装置。
【請求項６】
車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、
地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度と地面に対し垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車輪の異常を検知することを特徴とする異常診断方法。
【請求項７】
車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断方法。
【請求項８】
請求項７に記載の異常診断方法において、前記車両は軸受装置によって支持されており、当該軸受装置は少なくとも１つ以上の接触角を有する転がり軸受を有し、当該軸受装置に起因する振動と車輪に起因する振動を前記ＭＥＭＳ式加速度センサで同時に検出することを特徴とする異常診断方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の異常診断方法において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断方法。
【請求項１】
車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記多軸加速度センサからの信号のうち特定の方向の加速度を示す信号と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の異常診断装置において、前記複数方向のうち、少なくとも１方向は地面に対して垂直方向であり、少なくとも１方向は地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向であることを特徴とする異常診断装置。
【請求項３】
車両の振動を検出する１つまたは複数の振動センサと、
前記振動センサからの信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う診断処理部とを備えた異常診断装置において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサは、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、当該加速度に応じた信号を出力する加速度センサであり、
前記診断処理部は、
前記加速度センサにより車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、前記比較の結果に基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の異常診断装置において、前記加速度センサはＭＥＭＳ式加速度センサであることを特徴とする異常診断装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の異常診断装置において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断装置。
【請求項６】
車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、互いに直交する複数方向の加速度を同時に検出可能な多軸加速度センサを使用して、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度と地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出し、地面に対して垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車軸軸受の異常を検知するとともに、
地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度と地面に対し垂直方向の振動に起因する加速度に基づいて車輪の異常を検知することを特徴とする異常診断方法。
【請求項７】
車両の振動を１つまたは複数の振動センサで検出し、当該振動センサから信号の周波数分布を求め、当該周波数分布に含まれるピーク値を示す周波数と異常を示す周波数との比較を行い、当該比較の結果に基づいて異常診断を行う異常診断方法において、
前記１つまたは複数の振動センサのうち少なくとも１つの振動センサとして、地面に対して水平で且つ車両の進行方向に直交する方向の加速度を検出するＭＥＭＳ式加速度センサを使用して、車両のカーブ走行に起因する加速度を検出し、当該加速度と前記比較の結果とに基づいて異常診断を行うことを特徴とする異常診断方法。
【請求項８】
請求項７に記載の異常診断方法において、前記車両は軸受装置によって支持されており、当該軸受装置は少なくとも１つ以上の接触角を有する転がり軸受を有し、当該軸受装置に起因する振動と車輪に起因する振動を前記ＭＥＭＳ式加速度センサで同時に検出することを特徴とする異常診断方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の異常診断方法において、前記車両は鉄道車両であることを特徴とする異常診断方法。
【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２００７−２７８８９５（Ｐ２００７−２７８８９５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０６５８５（Ｐ２００６−１０６５８５）
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【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１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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