(57)【要約】【課題】車両の運行中に適切に軸ダンパの異常を検出可能な可変減衰軸ダンパの異常検出装置等を提供する。【解決手段】第１及び第２の台車２０，３０の軸ダンパ２３，３３と、台車枠２１，３１の振動挙動を検出する挙動センサ２４，２５，３４，３５と、第１の台車の挙動センサの出力に基づいて第１の台車の軸ダンパの減衰特性を変更し、第２の台車の挙動センサの出力に基づいて第２の軸ダンパの減衰特性を変更する減衰制御を行う制御手段４０とを有する可変減衰軸ダンパの異常検出装置４１を、走行中に減衰制御が実行された状態における第１及び第２の台車の挙動センサの出力を比較することによって軸ダンパの異常を検出する異常検出手段を備える構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行方向に沿って配置された第１の台車及び第２の台車の輪軸を支持する軸箱と台車枠との間にそれぞれ設けられ、前記軸箱と前記台車枠との上下方向相対速度及び減衰特性指令値に応じた減衰力を発生する軸ダンパと、
前記第１の台車及び前記第２の台車の前記台車枠に作用する振動挙動をそれぞれ検出する挙動センサと、
前記第１の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第１の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更し、前記第２の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第２の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更する減衰制御を行う制御手段と
を有する可変減衰軸ダンパの異常検出装置であって、
走行中に前記減衰制御が実行された状態における前記第１の台車の前記挙動センサの出力と前記第２の台車の前記挙動センサの出力とを比較することによって前記軸ダンパの異常を検出する異常検出手段を備えること
を特徴とする可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項２】
前記挙動センサは加速度センサを備え、
前記異常検出手段は、前記第１の台車の前記加速度センサの出力、及び、前記第２の台車の前記加速度センサの出力をそれぞれバンドパスフィルタ処理した後に２乗又は絶対値の平均値の比又は差に基づいて前記軸ダンパの異常を検出すること
を特徴とする請求項１に記載の可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項３】
前記異常検出手段は、前記第１の台車の前記挙動センサの出力、及び、前記第２の台車の前記挙動センサの出力をそれぞれ等時間間隔でサンプリングしたデータに基づいて前記軸ダンパの異常を検出すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項４】
前記制御手段は、少なくとも１つの振動モードの制御において、前記第１の台車の前記軸ダンパの制御に前記第２の台車の前記挙動センサの出力を用いずかつ前記第２の台車の前記軸ダンパの制御に前記第１の台車の前記挙動センサの出力を用いない制御則を用いること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項５】
前記制御則がスカイフック制御則であること
を特徴とする請求項４に記載の可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項６】
前記異常検出手段は、走行中に実時間で前記軸ダンパの異常検出を行うこと
を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の可変減衰軸ダンパの異常検出装置。
【請求項７】
進行方向に沿って配置された第１の台車及び第２の台車の輪軸を支持する軸箱と台車枠との間にそれぞれ設けられ、前記軸箱と前記台車枠との上下方向相対速度及び減衰特性指令値に応じた減衰力を発生する軸ダンパと、
前記第１の台車及び前記第２の台車の前記台車枠に作用する振動挙動をそれぞれ検出する挙動センサと、
前記第１の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第１の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更し、前記第２の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第２の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更する減衰制御を行う制御手段と
を有する可変減衰軸ダンパの異常検出方法であって、
走行中に前記減衰制御が実行された状態で前記第１の台車の前記挙動センサの出力と前記第２の台車の前記挙動センサの出力とを比較することによって前記軸ダンパの異常を検出すること
を特徴とする可変減衰軸ダンパの異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の台車枠と軸箱との間に設けられ減衰特性が変更可能な可変減衰軸ダンパの異常検出装置及び異常検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な鉄道車両は、輪軸を支持する軸箱と台車枠との間に設けられる１次ばね系、及び、台車枠と車体との間に設けられる２次ばね系を備えている。
１次ばね系は、ばね要素である軸ばね、及び、軸ばねと並列に設けられる減衰要素である軸ダンパを備えている。
【０００３】
近年、車体上下方向の振動を抑制して乗り心地を改善するため、台車枠に取り付けられた加速度センサ等の出力に基づいて、軸ダンパの減衰力を走行中に逐次変更し、車体への主要な加振源となっている台車振動を抑制することが提案されている。
このような可変減衰軸ダンパ装置は、加速度センサにより得られた情報をもとに、車体の曲げ振動低減に適した減衰力指令値を制御装置で計算し、可変減衰軸ダンパに電流値で指令する。可変減衰軸ダンパは、指令された電流値に従って減衰特性を変更し、設定された減衰特性によりピストン速度に応じた減衰力を発生させる。
【０００４】
従来は軸ダンパの異常を発見する場合には、車両から取り外してダンパ単品状態での台上検査を行うことが一般的であった。
しかし、上述したような可変減衰軸ダンパ装置においては、指令電流に応じた減衰力の変更ができないなどの不具合が生じると、制御装置が健全な状態であっても適切な制御が行えなくなることから、可変減衰軸ダンパの健全性を車両の運行中に判別する技術が要望されている。
これに対し、例えばひずみゲージ等を用いてダンパの減衰力を測定することは可能ではあるが、実際の営業車両の全ダンパにこうした計測機器を設けることは現実的ではない。
【０００５】
鉄道車両の台車の異常検出に関する従来技術として、例えば特許文献１には、台車に設けた加速度検出手段の出力が所定の閾値以上となった場合に異常を判定することが記載されている。
また、特許文献２には、台車等の振動加速度を等距離間隔でサンプリングし、バンドパスフィルタ処理後２乗した平均加速度パワーの変化に基づいて異常を判定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−６８０７号公報
【特許文献２】特許第４２５２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、１つの台車に通常４本が設けられる軸ダンパのうち１本が故障したとしても、それによる台車の挙動変化はわずかであることが多く、上述した従来技術においては、適切な検出を行うためには閾値を相当に小さくする必要があるものと考えられる。しかし、このように閾値を小さくすると、例えば軌道不整の大きい箇所を通過する場合などに、軸ダンパが正常であるにも関わらず異常であると誤判定されることが懸念される。
また、上述した従来技術はいずれも軸ダンパの減衰制御を行わないものを対象としていることから、可変減衰軸ダンパの健全性判定への適否は不明である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、車両の運行中に適切に軸ダンパの異常を検出可能な可変減衰軸ダンパの異常検出装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した問題を解決する本発明の可変減衰軸ダンパの異常検出装置は、進行方向に沿って配置された第１の台車及び第２の台車の輪軸を支持する軸箱と台車枠との間にそれぞれ設けられ、前記軸箱と前記台車枠との上下方向相対速度及び減衰特性指令値に応じた減衰力を発生する軸ダンパと、前記第１の台車及び前記第２の台車の前記台車枠に作用する振動挙動をそれぞれ検出する挙動センサと、前記第１の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第１の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更し、前記第２の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第２の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更する減衰制御を行う制御手段とを有する可変減衰軸ダンパの異常検出装置であって、走行中に前記減衰制御が実行された状態における前記第１の台車の前記挙動センサの出力と前記第２の台車の前記挙動センサの出力とを比較することによって前記軸ダンパの異常を検出する異常検出手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明のように、各台車の挙動に基づいて軸ダンパの減衰特性を制御した場合、第１の台車と第２の台車とは、通常は実質的にほぼ同じ挙動を示すようになる。このとき、一部の軸ダンパに異常が生じた場合には、第１の台車と第２の台車との上下振動、ピッチング等の振動に差が生じることから、減衰制御を行った状態で各台車の挙動センサの出力を比較することによって、車両の運行中に適切に軸ダンパの異常を検出することができる。
ここで、挙動センサとしては、例えば、上下方向等の並進運動の加速度を検出する加速度センサや、台車枠のピッチング方向等の回転運動を検出するジャイロセンサを用いることができる。また、複数の加速度センサの出力に基づいて回転運動の角加速度を求めてもよい。
【００１０】
本発明において、前記挙動センサは加速度センサを備え、前記異常検出手段は、前記第１の台車の前記加速度センサの出力、及び、前記第２の台車の前記加速度センサの出力をそれぞれバンドパスフィルタ処理した後に２乗又は絶対値の平均値の比又は差に基づいて前記軸ダンパの異常を検出する構成とすることができる。
これによれば、加速度を２乗して加速度パワーとし、あるいは加速度の絶対値をとって加速度振幅とすることによって、加速度の生データに微差しか生じない場合であっても、適切に軸ダンパの異常を検出することができる。
【００１１】
本発明において、前記異常検出手段は、前記第１の台車の前記挙動センサの出力、及び、前記第２の台車の前記挙動センサの出力をそれぞれ等時間間隔でサンプリングしたデータに基づいて前記軸ダンパの異常を検出する構成とすることができる。
これによれば、例えば等距離間隔でサンプリングする技術のように車両の走行距離等を検出する手段を設ける必要がなく、実際の車両の適用する場合の実装性を向上することができる。
【００１２】
本発明において、前記制御手段は、少なくとも１つの振動モードの制御において、前記第１の台車の前記軸ダンパの制御に前記第２の台車の前記挙動センサの出力を用いずかつ前記第２の台車の前記軸ダンパの制御に前記第１の台車の前記挙動センサの出力を用いない制御則を用いる構成とすることができる。
これによれば、各軸ダンパが正常である場合の第１の台車と第２の台車の挙動が近付くため、軸ダンパの異常をより精度よく検出することができる。
この場合、例えば、前記制御則がスカイフック制御則である構成とすることができる。
また、本発明において、前記異常検出手段は、走行中に実時間で前記軸ダンパの異常検出を行う構成とすることができる。
これによれば、営業運転中などであっても、軸ダンパの異常を検出した場合直ちにフェールセーフ状態とすることができる。
【００１３】
また、本発明の可変減衰軸ダンパの異常検出方法は、進行方向に沿って配置された第１の台車及び第２の台車の輪軸を支持する軸箱と台車枠との間にそれぞれ設けられ、前記軸箱と前記台車枠との上下方向相対速度及び減衰特性指令値に応じた減衰力を発生する軸ダンパと、前記第１の台車及び前記第２の台車の前記台車枠に作用する振動挙動をそれぞれ検出する挙動センサと、前記第１の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第１の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更し、前記第２の台車の前記挙動センサの出力に基づいて前記第２の台車の前記軸ダンパの減衰特性を変更する減衰制御を行う制御手段とを有する可変減衰軸ダンパの異常検出方法であって、走行中に前記減衰制御が実行された状態で前記第１の台車の前記挙動センサの出力と前記第２の台車の前記挙動センサの出力とを比較することによって前記軸ダンパの異常を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、車両の運行中に適切に軸ダンパの異常を検出可能な可変減衰軸ダンパの異常検出装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用した可変減衰軸ダンパの異常検出装置の実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態における異常検出の流れを示す図である。
【図３】実施形態における１位台車の加速度のピッチング成分の推移を示すグラフである。
【図４】実施形態における２位台車の加速度のピッチング成分の推移を示すグラフである。
【図５】実施形態における１位台車の加速度パワーの推移を示すグラフである。
【図６】実施形態における２位台車の加速度パワーの推移を示すグラフである。
【図７】実施形態における１位台車と２位台車との平均加速度パワー比の推移を示すグラフである。
【図８】実施形態における可変減衰軸ダンパの異常判別結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した可変減衰軸ダンパの異常検出装置及び方法の実施形態について図面等を参照して説明する。
実施形態の異常検出装置は、例えば高速電車列車に設けられ、台車枠等に作用する加速度の検出結果に基づいて軸ダンパの減衰特性を変更する可変減衰軸ダンパ装置に設けられるものである。
【００１７】
図１に示すように、列車編成中に組み込まれる車両１は、車体１０、１位台車２０、２位台車３０等を備えて構成されている。
車体１０は、例えば屋根構、側構、妻構の各構体及び台枠等の床部構造体からなる六面体状に形成されている。
【００１８】
１位台車２０及び２位台車３０は、車両１の進行方向前方側から順次配置され、車体１０の下部に取り付けられている。
１位台車２０及び２位台車３０は、台車枠２１，３１、輪軸２２，３２を備えている。
台車枠２１，３１は、車体１０の下部に例えば空気ばねからなる枕ばね等の２次ばね系を介して取り付けられた枠状の構造体である。
輪軸２２，３２は、左右車輪及び車軸を組み合わせたものであって、車軸両端部には軸受や潤滑装置等を有する軸箱Ｂが設けられている。
各軸箱Ｂは、図示しない軸箱支持装置を介して、台車枠２１，３１に対して上下方向に相対移動可能に取り付けられている。
【００１９】
また、軸箱Ｂと台車枠２１，３１との間には、１次ばね系として図示しない軸ばね及び軸ダンパ２３，３３が設けられている。
軸ばねは、軸箱Ｂの台車枠２１，３１に対する上下方向の相対変位に応じて反力を発生するばね要素である。
軸ダンパ２３，３３は、軸箱Ｂの台車枠２１，３１に対する上下方向の相対速度に応じて減衰力を発生する油圧緩衝器である。軸ダンパ２３，３３は、後述する制御装置４０から指令された電流値に応じて、ある伸縮速度（ピストンスピード）に対する減衰力を複数段階又は無段階に変更可能な減衰特性可変式のダンパとなっている。
また、軸ダンパ２３，３３は、フェールセーフ性を高めるため、制御電源が供給されていない場合には、一般的な減衰特性固定式のダンパと実質的に同等の減衰特性を発揮するようフェールセーフ弁が設けられている。
軸ダンパ２３，３３は、１つの台車２０，３０当たり、前後左右に１本ずつ計４本が設けられる。
【００２０】
台車枠２１には、前方側から順に加速度センサ２４，２５が設けられている。
台車枠３１には、前方側から順に加速度センサ３４，３５が設けられている。
これらの各加速度センサ２４，２５，３４，３５は、取付箇所における上下方向加速度を検出する。
【００２１】
また、車両１は、各加速度センサ２４，２５，３４，３５の検出結果に基づいて、各軸ダンパ２３，３３の減衰特性を切替える制御装置４０を備えている。
制御装置４０は、例えばＬＱＧ制御則に従って車体１０の１次曲げモードの振動抑制に有利なよう各軸ダンパ２３，３３の減衰特性を制御する。
【００２２】
また、制御装置４０は、加速度センサ２４，２５の出力差に基づいて１位台車２０の台車枠２１のピッチング方向の角加速度を演算し、加速度センサ３４，３５の出力差に基づいて２位台車３０の台車枠３１のピッチング方向の角加速度を演算する。
制御装置４０は、演算された各台車枠２１，３１のピッチング方向の角加速度に基づいて、例えばスカイフック制御則に従い、各台車枠２１，３１のピッチング抑制に有利なよう各軸ダンパ２３，３３の減衰特性を制御する。
【００２３】
制御装置４０は、軸ダンパ２３，３３の異常を検出する異常検出部４１を備えている。
異常検出部４１は、上述した減衰制御を実行しながら車両が走行する際の各加速度センサ２４，２５，３４，３５の出力に基づいて、複数の軸ダンパ２３，３３のうち一部に発生した異常を検出するものである。
異常検出部４１は、この異常検出を走行中に実時間で行い、各軸ダンパ２３，３３の状態を逐次モニタする。
異常検出部４１による異常検出の流れ（実施形態の異常検出方法）を図２に示す。
【００２４】
図２に示すように、先ず、等時間間隔でサンプリングされた加速度センサ２４の出力ｇ１と加速度センサ２５の出力ｇ２の出力との差分から、台車枠２１のピッチング方向の角加速度が演算される。
同様に、加速度センサ３４の出力ｇ３と加速度センサ３５の出力ｇ４との差分から、台車枠３１のピッチング方向の角加速度が演算される。
【００２５】
次に、各台車枠２１，３１のピッチング方向の角加速度は、例えば４次のバタワースフィルタを有するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）処理がなされ、軸ダンパの故障時に変化が生じやすい特定の周波数帯域が他の帯域に対して強調、抽出される。
ＢＰＦ出力後の角加速度は、自乗されて加速度パワーに変換され、その後さらに例えば時定数を十分に大きくとった１次のバタワースフィルタを有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理がなされ、所定期間内における平均パワーへと変換される。なお、このときに、必要に応じて１位台車２０と２位台車３０が軌道上の所定箇所を通過するタイムラグを考慮した時間遅れ補正を行ってもよい。
【００２６】
そして、異常検出部４１は、１位台車２０の平均パワーと２位台車３０の平均パワーとの比をとり、この比を走行速度に応じて予め設定されている閾値と比較することによって、各軸ダンパ２３，３３の正常あるいは異常を判別する。
【００２７】
次に、上述した可変減衰軸ダンパの異常検出装置、方法の実証試験データについて説明する。
この試験は、輪軸が載せられるローラを回転させながら加振することによって走行状態を模擬する車両試験台に、実物の新幹線車両１両を設置して行った。
加振条件は、現実の本線を３２０ｋｍ／ｈで走行した際の実測データに基づく加振波形としている。
また、可変減衰軸ダンパの制御としては、ＬＱＧ制御則による台車の上下並進モード制振、及び、スカイフック制御則による台車のピッチングモード制振を行っている。
そして、加振開始６０秒後に、軸ダンパ２３の故障を模擬するため、１位台車２０に設けられる軸ダンパ２３のうち１本の減衰特性を、減衰力が最低となるように変更した。
【００２８】
図３及び図４は、それぞれ１位台車２０及び２位台車３０におけるピッチング方向の角加速度及びＢＰＦ後の値の推移を示している。ここで、ＢＰＦとしては、例えば１０〜１５Ｈｚの４次バタワースフィルタが用いられる。
図３及び図４を比較すると、１位台車２０のほうが２位台車３０よりもわずかに振幅が少ない傾向にあることがわかるが、顕著な差とはなっていない。
【００２９】
図５及び図６は、それぞれ１位台車２０及び２位台車３０における角加速度パワー及びその平均パワーの推移を示している。
角加速度パワーは上述したＢＰＦ後の値を２乗したものであり、平均パワーはこれに例えば０．０１Ｈｚの１次バタワースフィルタであるＬＰＦ処理を施したものである。
図６に示す正常な２位台車３０の平均パワーは、６０秒から８０秒の間で上昇しているのに対し、図５に示す１位台車２０の平均パワーは比較的変動が少ない。
【００３０】
図７は、１位台車２０の平均パワーで２位台車３０の平均パワーを除した平均パワーの比を示している。平均パワーの比は、６０秒から８０秒の間で顕著に増加している。ここで、閾値は、加速度振幅の比がプラスマイナス３０％となる値に設定している。
図８は、この閾値範囲を超えているか否かの判定結果を示すものである。図８に示すように、故障を模擬してからわずか１２秒後の７２秒で異常が検出されていることがわかる。
【００３１】
以上説明したように本実施形態によれば、台車枠２１，３１の加速度センサ２４，２５，３４，３５の出力に基づいて軸ダンパ２３，３３の減衰特性を切替える減衰制御を実行した状態で鉄道車両１を走行させながら、台車枠２１，３１のピッチング方向角加速度パワーの平均値の比を所定の閾値と比較することによって、例えば１台車の１本の軸ダンパが故障した場合のようなわずかな振動変化から軸ダンパ２３，３３の異常を適切に検出することができる。
本実施形態によれば、例えば従来行われていたように、車両を工場に入庫させて軸ダンパの検査をするなどせずに、通常の営業運転を行いながら軸ダンパの異常を検出することができる。
また、本実施形態によれば、軸ダンパの異常に限らず、加速度センサ２４，２５，３４，３５の異常も検出することができ、異常検出時に制振制御を停止することによって、異常な加速度データに基づいた不正な制御が行われることを防止できる。
【００３２】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、本発明が適用される鉄道車両は、電車に限らず、気動車や機関車に牽引される客車、貨車等であってもよい。
また、可変減衰軸ダンパの制御則も上述した実施形態のものには限定されないが、一方の台車の挙動を他方の台車の軸ダンパ制御に用いる制御則の場合には、正常時であっても各台車がほぼ同じ挙動を示すとは限らないため、各台車を独立して制御する制御則とすることが望ましい。このような制御則であれば、実施形態のようなピッチング挙動ではなく、上下並進モードの振動を利用した異常検出も可能である。
また、実施形態では複数の加速度センサを用いてピッチング方向の角加速度を演算しているが、本発明はこれに限らず、例えばレートジャイロ等を用いて直接角加速度を演算してもよい。
また、実施形態ではＢＰＦ後の加速度を２乗した加速度パワーの平均値を用いて異常の検出を行っているが、これに限らず、絶対値をとった加速度振幅を用いてもよい。
また、実施形態では平均加速度パワーの比を用いて異常を判別しているが、これに限らず例えば平均加速度パワーの差を用いて異常を判別してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１    鉄道車両                    １０    車体
２０    １位台車                    ３０    ２位台車
２１，３１    台車枠                ２２，３２    輪軸
２３，３３    軸ダンパ              ２４，２５，３４，３５    加速度センサ
４０    制御装置                    ４１    異常検出部
Ｂ    軸箱
【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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