JP4200354B2 - センサ付軸受装置及びその軸受温度推定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等の運転状態での軸受の温度を検出するためのセンシング機能を備えたセンサ付軸受装置及びその軸受温度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両に固定した軸受箱（ハウジング）に対して車軸を回転自在に支持するために、転がり軸受が用いられている。この転がり軸受部分で異常が発生して、転がり軸受が焼き付くのを防止するために、転がり軸受に温度センサが組み込まれ、この温度センサにより転がり軸受の異常が検出されるようにしている。
【０００３】
図４及び図５に、従来の鉄道車両用の温度センサ付回転支持装置の一例を示す。図示しない車輪を支持固定した状態で、使用時に回転する回転部材である車軸１は、使用時にも回転しない静止部材である軸受箱２の内径側に、転がり軸受である複列円すいころ軸受３により、回転自在に支持されている。
複列円すいころ軸受３は、互いに同心に配置された静止側軌道輪である外輪４及び回転側軌道輪である一対の内輪５，５と、複列に配置された転動体である円すいころ６，６とを備えている。
外輪４は、全体が円筒状に形成され、内周側に静止側軌道である複列の外輪軌道７，７を有している。外輪軌道７，７は、それぞれが円すい内面状で、外輪４の軸方向端部に向かうほど内径が大きくなる方向に傾斜している。
【０００４】
一対の内輪５，５は、略短円筒形状に形成され、それぞれの外周面に、回転側軌道である円すい外面状の内輪軌道８を有している。これら内輪５，５は、小径側の端面同士を間座９を介して互いに突き合わせた状態で、外輪４の内径側に外輪４と同心に配置されている。
円すいころ６は、上記各外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に、それぞれ複数個ずつ配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている。
【０００５】
外輪４は、軸受箱２に内嵌保持されている。各内輪５，５は、間座９と共に、車軸１の外端（図５の左端）寄り部分に外嵌されている。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。したがって、一対の内輪５，５が車軸１の中央寄り（図５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の締め付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【０００６】
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したシールケース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、複数個の円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。
したがって、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に封入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に内に雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【０００７】
軸受箱２の外端開口は、軸受箱２の一端部に固定したカバー１８により塞がれている。このカバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により有低円筒形状に形成され、円筒部１９と、該円筒部１９の一端（図５中左端）の開口を塞ぐ底板部２０と、円筒部１９の他端部分（図５中右寄り）の外周面に設けられた外向フランジ状の取付部２１とを備えている。
カバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端に内嵌させると共に、取付部２１を軸受箱２の一端に突き当てた状態でボルト固定され、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【０００８】
軸受の温度を検出する温度ヒューズを組み込んだ温度センサユニット２４が軸受箱２に鉛直軸線にある程度の角度を有するように取り付けられている（図４参照）。
複列円すいころ軸受３の回転抵抗が、各列円すいころ６，６のスキュー、或いは空間１７内に封入したグリースの劣化等、何らかの原因で異常に上昇して、複列円すいころ軸受３の温度が上昇すると、温度センサ２４がこの温度上昇を検出する。
温度センサ２４による検出温度が所定値（アラームしきい値）を超えたことが検出されると、図示しない制御手段が、運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。このような警報が出された場合、運転手は緊急停止等の措置をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の温度センサユニット２４は、取付位置が軸受箱２に取り付けられているために、ある角度傾いて取り付けられている。そのため、図４に示した温度センサユニット２４の取付位置では、車両の走行方向によって風を直接受ける場合と、受けない場合がある。例えば、鉄道車両では、上り走行時に１両目が先頭であれば、下り走行時は１両目が最後尾となって走行するため、温度センサの出力が上りと下りでは異なってしまう。
【００１０】
すなわち、温度センサユニット２４が傾けて取り付けられた場合、車両が図４の左側に進行するときは、センサ取付位置が進行方向前側になるので、風の影響を受け検出温度がその冷却効果により低めに検出される。それに対して、車両が図４の右側に進行するときには、センサ取付位置が進行方向後側になるので、風の影響を受けず検出温度が高めに検出される。
また、温度センサユニット２４を取り付けている軸受箱２も走行方向によって冷却条件が異なることから、温度センサの出力に影響を与える。したがって、正確な軸受温度を推定することが困難であり、異常な温度上昇を精度良く検出することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、温度センサが検出した温度から実際の軸受温度を正確に検出して、異常発生を早期かつ確実に検知できるセンサ付き軸受装置及びその軸受温度推定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のセンサ付き軸受装置は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明の請求項２記載のセンサ付き軸受装置は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、を有することを特徴とするセンサ付軸受装置である。
【００１３】
本発明の請求項３記載のセンサ付き軸受装置は、前記前方及び後方の両方向に移動する車両は、高速で両方向に移動する鉄道車両である請求項１又は２に記載のセンサ付軸受装置である。
【００１４】
本発明の請求項４記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記軸受装置の前記軸受以外の場所に取り付けられている請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項５記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記車両の台車との位置的な干渉を避けるために前記軸受の周囲に設けられた軸受箱以外のセンサハウジングに取り付けられている請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項６記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記センサハウジングの鉛直方向上側に取り付けられている請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項７記載の軸受温度推定方法は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置において、前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法である。
本発明の請求項８記載の軸受温度推定方法は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置において、前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法である。
【００１５】
上記構成のセンサ付軸受装置によれば、温度センサユニットが走行方向によって影響を受けることなく、どちらの進行方向についても正確な軸受温度を推定することができ、異常な温度上昇を精度良く検知することができる。
また、転がり軸受の実際の温度と温度センサによる検出温度との関係に基づいて、温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から転がり軸受の正確な温度を推定できる。
【００１６】
また、温度センサユニットが軸受箱以外のセンサハウジングに取り付けられているため、台車との位置的な干渉が避けられ、従来通りの取付方法を変えることなく軸受を取り付けることができる。
また、鉄道車両用軸受装置の場合は、外部の冷却効果や軸受の発熱、熱伝導および熱伝達等の構造的問題から上部の方が温度が高くなるので、温度センサユニットを外筒上部に設ける方が温度センサによる精度をより高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を図１乃至図３に基づいて詳しく説明する。なお、既に説明した部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。図１は本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を示す正面図であり、図２は図１における縦断面図であり、図３は予め求められた実際の軸受温度とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【００１８】
図１及び図２に示すように、本実施形態のセンサ付軸受装置は、鉄道車両用温度センサ付回転支持装置である。車軸１は、軸受箱２の内径側に複列円すいころ軸受３により回転自在に支持されている。
複列円すいころ軸受３は、内周側に外輪軌道７，７を有する外輪４、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すいころ６，６とを備えている。
【００１９】
車軸１の外端部に外嵌され、ボルト１４，１４により固定されている押さえブラケット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。外輪４の両端部は、金属製のシールケース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、円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。したがって、空間１７内に封入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、外部から雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【００２０】
軸受箱２の外端開口は、合成樹脂若しくは金属材料により形成され、軸受箱２の一端部に固定されたカバー１８により塞がれている。このカバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端に内嵌させると共に、取付部２１を軸受箱２の一端に突き当てた状態でボルト固定され、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【００２１】
上述した構成に加えて、本実施形態の温度センサユニット３０は、軸受３の軸方向中心から所定距離、軸方向に離れた位置で、カバー１８に一体的に形成されたセンサハウジング３１の走行方向に対して鉛直となる位置に設けられた取付孔２２ａに装着され、ボルト２３により取り付けられている。この温度センサユニット３０内には、温度センサ（図示せず）が収容されており、センサハウジング３１の内面より径方向内側に突出した位置に配置されている。
【００２２】
温度センサユニット３０は、例えば複列円すいころ軸受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て、軸受内の温度が上昇すると、この温度上昇を検出する。
すなわち、温度センサユニット３０による検出温度が所定値（アラームしきい値）を超えたことが検出されると、温度センサの検出信号を処理して異常の有無等の判定を行う制御手段（図示せず）が運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。
【００２３】
前記制御手段は、温度センサユニット３０内に配置されるか、温度センサユニット３０から離れた位置に配置しても良い。また、制御手段の機能の一部を担う部品が、温度センサユニット３０内に配置されていても良い。
【００２４】
次に、本実施形態の温度センサユニット３０の作用について説明する。
図２に示すように、車両が走行し始めると、車軸１の回転と共に内輪５，５等が回転して、軸受３内に摩擦が発生し、その摩擦熱に応じて軸受温度が上昇する。この摩擦熱は、外周側にはハウジング２を通じて、内周側には車軸１を通じて、放熱される。
【００２５】
軸受３に生じた熱は、温度センサユニット３０の温度センサに到達するまでの間に徐々に放熱され、温度センサユニット３０でも放熱される。また、車両速度の増加に伴って、温度センサユニット３０に当たる風量も増加するため、さらに放熱される。例えば、軸受中心からセンサまでの距離が１６０ｍｍの場合、車両加速時及び定速走行時で、軸受発熱量の７０％（軸受中心とセンサとの距離により変わる）が温度センサユニット３０の温度センサに到達するまでの間に放熱される。
【００２６】
車両が停止すると、軸受３の温度は下降し始めるが、当たる風量が略ゼロになるので、放熱量が減少する。その結果、軸受箱２及び軸受３に蓄えられていた熱量が温度センサに少しずつ伝達され、温度センサによる検出温度が徐々に上昇する。
【００２７】
実際の車両を模した試験装置での結果を図３に示す。図３のグラフの横軸は、軸受温度上昇値（軸受の実温度から雰囲気温度を差し引いた値）を示し、縦軸は、センサ検出温度上昇値（センサ検出温度から雰囲気温度をさし引いた値）を示す。
【００２８】
図３に示すように、回帰曲線である温度曲線Ａ（以降、走行時温度曲線Ａと称す）は、車両加速時及び定速走行時相当における軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値との関係を示す。走行時温度曲線Ａは、右上がりの略直線になっており、軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値とが線形正比例の関係にあることが分かる。
したがって、走行時温度曲線を求めておけば、車両加速中及び定速走行中に温度センサからリアルタイムで得られるセンサ検出温度から、その時点における実際の軸受温度を推定することができる。
【００２９】
例えば、走行時温度曲線Ａを示すような計算式やデータテーブル又はデータ補正値を、ＲＯＭ等の記憶手段に予め格納しておき、車両加速中及び定速走行中に、その計算式やデータテーブル又はデータ補正値を読み出すようにする。これにより、その時点における実際の軸受温度を推定することができる。
【００３０】
具体的には、軸受装置周りの雰囲気温度を検出する手段（温度センサ）を、温度センサユニット３０付近又は温度センサユニット３０から離れた位置に設けて、雰囲気温度を常時検出する。そして、温度センサユニット３０内の温度センサより得られるセンサ検出温度から雰囲気温度を差し引いた値を求め、その値から図３で示したような関係を示す計算式やデータテーブルを参照して実際の軸受温度を推定する。
【００３１】
上述した走行時温度曲線Ａは、設備又は装置の種類や軸受３の形式、温度センサユニットの取付位置などの違いによって異なるものである。各種軸受装置について、予め試験運転を行い、これらの曲線を得ておくことで本発明のセンサ付軸受装置が適用できる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、温度上昇を計算するときの参照温度を、周囲雰囲気温度ではなく、始動時のセンサ検出温度とすることで、雰囲気温度の検出を不要にすることも可能である。
すなわち、温度センサユニット３０の温度センサにより、車軸１が回転を開始する直前或いは直後の始動時検出温度を得ておき、回転開始時に温度センサからリアルタイムで得られる検出温度を差し引くように構成することができる。したがって、別途の雰囲気温度検出手段を省略することができる。
【００３３】
また、軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値との関係に基づいて軸受温度を推定しているが、実際の軸受温度と温度センサによる検出温度との関係に基づいて推定しても良い。例えば、センサ検出信号を、ローパスフィルタやオペアンプを介して、温度センサユニット３０の外部に伝送するようにしても良い。
また、センサ付軸受装置における転がり軸受は、複列円すいころ軸受に限らず、玉軸受、円筒ころ軸受、球面ころ軸受、単列・複列を問わず適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のセンサ付軸受装置によれば、温度センサユニットにより検出された温度から実際の軸受温度を正確に得て、異常発生を早期かつ確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１における縦断面図である。
【図３】予め求められた実際の軸受温度とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【図４】従来のセンサ付軸受装置の正面図である。
【図５】図４における縦断面図である。
【符号の説明】
１ 車軸
２ 軸受箱
３ 複列円すいころ軸受
４ 外輪
５ 内輪
６ 円すいころ
２２ａ 取付孔
３０ 温度センサユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両等の運転状態での軸受の温度を検出するためのセンシング機能を備えたセンサ付軸受装置及びその軸受温度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両に固定した軸受箱（ハウジング）に対して車軸を回転自在に支持するために、転がり軸受が用いられている。この転がり軸受部分で異常が発生して、転がり軸受が焼き付くのを防止するために、転がり軸受に温度センサが組み込まれ、この温度センサにより転がり軸受の異常が検出されるようにしている。
【０００３】
図４及び図５に、従来の鉄道車両用の温度センサ付回転支持装置の一例を示す。図示しない車輪を支持固定した状態で、使用時に回転する回転部材である車軸１は、使用時にも回転しない静止部材である軸受箱２の内径側に、転がり軸受である複列円すいころ軸受３により、回転自在に支持されている。
複列円すいころ軸受３は、互いに同心に配置された静止側軌道輪である外輪４及び回転側軌道輪である一対の内輪５，５と、複列に配置された転動体である円すいころ６，６とを備えている。
外輪４は、全体が円筒状に形成され、内周側に静止側軌道である複列の外輪軌道７，７を有している。外輪軌道７，７は、それぞれが円すい内面状で、外輪４の軸方向端部に向かうほど内径が大きくなる方向に傾斜している。
【０００４】
一対の内輪５，５は、略短円筒形状に形成され、それぞれの外周面に、回転側軌道である円すい外面状の内輪軌道８を有している。これら内輪５，５は、小径側の端面同士を間座９を介して互いに突き合わせた状態で、外輪４の内径側に外輪４と同心に配置されている。
円すいころ６は、上記各外輪軌道７，７と内輪軌道８，８との間に、それぞれ複数個ずつ配置され、保持器１０，１０により転動自在に保持されている。
【０００５】
外輪４は、軸受箱２に内嵌保持されている。各内輪５，５は、間座９と共に、車軸１の外端（図５の左端）寄り部分に外嵌されている。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。したがって、一対の内輪５，５が車軸１の中央寄り（図５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の締め付け力に基づき、外側の内輪５を軸方向内方に押圧している。
【０００６】
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したシールケース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、複数個の円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。
したがって、空間１７の内外を遮断して、空間１７内に封入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に内に雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【０００７】
軸受箱２の外端開口は、軸受箱２の一端部に固定したカバー１８により塞がれている。このカバー１８は、合成樹脂若しくは金属材料により有低円筒形状に形成され、円筒部１９と、該円筒部１９の一端（図５中左端）の開口を塞ぐ底板部２０と、円筒部１９の他端部分（図５中右寄り）の外周面に設けられた外向フランジ状の取付部２１とを備えている。
カバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端に内嵌させると共に、取付部２１を軸受箱２の一端に突き当てた状態でボルト固定され、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【０００８】
軸受の温度を検出する温度ヒューズを組み込んだ温度センサユニット２４が軸受箱２に鉛直軸線にある程度の角度を有するように取り付けられている（図４参照）。
複列円すいころ軸受３の回転抵抗が、各列円すいころ６，６のスキュー、或いは空間１７内に封入したグリースの劣化等、何らかの原因で異常に上昇して、複列円すいころ軸受３の温度が上昇すると、温度センサ２４がこの温度上昇を検出する。
温度センサ２４による検出温度が所定値（アラームしきい値）を超えたことが検出されると、図示しない制御手段が、運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。このような警報が出された場合、運転手は緊急停止等の措置をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の温度センサユニット２４は、取付位置が軸受箱２に取り付けられているために、ある角度傾いて取り付けられている。そのため、図４に示した温度センサユニット２４の取付位置では、車両の走行方向によって風を直接受ける場合と、受けない場合がある。例えば、鉄道車両では、上り走行時に１両目が先頭であれば、下り走行時は１両目が最後尾となって走行するため、温度センサの出力が上りと下りでは異なってしまう。
【００１０】
すなわち、温度センサユニット２４が傾けて取り付けられた場合、車両が図４の左側に進行するときは、センサ取付位置が進行方向前側になるので、風の影響を受け検出温度がその冷却効果により低めに検出される。それに対して、車両が図４の右側に進行するときには、センサ取付位置が進行方向後側になるので、風の影響を受けず検出温度が高めに検出される。
また、温度センサユニット２４を取り付けている軸受箱２も走行方向によって冷却条件が異なることから、温度センサの出力に影響を与える。したがって、正確な軸受温度を推定することが困難であり、異常な温度上昇を精度良く検出することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、温度センサが検出した温度から実際の軸受温度を正確に検出して、異常発生を早期かつ確実に検知できるセンサ付き軸受装置及びその軸受温度推定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のセンサ付き軸受装置は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明の請求項２記載のセンサ付き軸受装置は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、を有することを特徴とするセンサ付軸受装置である。
【００１３】
本発明の請求項３記載のセンサ付き軸受装置は、前記前方及び後方の両方向に移動する車両は、高速で両方向に移動する鉄道車両である請求項１又は２に記載のセンサ付軸受装置である。
【００１４】
本発明の請求項４記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記軸受装置の前記軸受以外の場所に取り付けられている請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項５記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記車両の台車との位置的な干渉を避けるために前記軸受の周囲に設けられた軸受箱以外のセンサハウジングに取り付けられている請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項６記載のセンサ付き軸受装置は、前記温度センサユニットは、前記センサハウジングの鉛直方向上側に取り付けられている請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ付軸受装置である。
本発明の請求項７記載の軸受温度推定方法は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置において、前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法である。
本発明の請求項８記載の軸受温度推定方法は、前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置において、前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法である。
【００１５】
上記構成のセンサ付軸受装置によれば、温度センサユニットが走行方向によって影響を受けることなく、どちらの進行方向についても正確な軸受温度を推定することができ、異常な温度上昇を精度良く検知することができる。
また、転がり軸受の実際の温度と温度センサによる検出温度との関係に基づいて、温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から転がり軸受の正確な温度を推定できる。
【００１６】
また、温度センサユニットが軸受箱以外のセンサハウジングに取り付けられているため、台車との位置的な干渉が避けられ、従来通りの取付方法を変えることなく軸受を取り付けることができる。
また、鉄道車両用軸受装置の場合は、外部の冷却効果や軸受の発熱、熱伝導および熱伝達等の構造的問題から上部の方が温度が高くなるので、温度センサユニットを外筒上部に設ける方が温度センサによる精度をより高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を図１乃至図３に基づいて詳しく説明する。なお、既に説明した部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。図１は本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を示す正面図であり、図２は図１における縦断面図であり、図３は予め求められた実際の軸受温度とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【００１８】
図１及び図２に示すように、本実施形態のセンサ付軸受装置は、鉄道車両用温度センサ付回転支持装置である。車軸１は、軸受箱２の内径側に複列円すいころ軸受３により回転自在に支持されている。
複列円すいころ軸受３は、内周側に外輪軌道７，７を有する外輪４、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すいころ６，６とを備えている。
【００１９】
車軸１の外端部に外嵌され、ボルト１４，１４により固定されている押さえブラケット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。外輪４の両端部は、金属製のシールケース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、円すいころ６，６を設置した空間１７の両端開口部を塞いでいる。したがって、空間１７内に封入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、外部から雨水や塵埃等の異物が侵入するのを防いでいる。
【００２０】
軸受箱２の外端開口は、合成樹脂若しくは金属材料により形成され、軸受箱２の一端部に固定されたカバー１８により塞がれている。このカバー１８は、円筒部１９の他端部を軸受箱２の一端に内嵌させると共に、取付部２１を軸受箱２の一端に突き当てた状態でボルト固定され、軸受箱２の外端開口を塞いでいる。
【００２１】
上述した構成に加えて、本実施形態の温度センサユニット３０は、軸受３の軸方向中心から所定距離、軸方向に離れた位置で、カバー１８に一体的に形成されたセンサハウジング３１の走行方向に対して鉛直となる位置に設けられた取付孔２２ａに装着され、ボルト２３により取り付けられている。この温度センサユニット３０内には、温度センサ（図示せず）が収容されており、センサハウジング３１の内面より径方向内側に突出した位置に配置されている。
【００２２】
温度センサユニット３０は、例えば複列円すいころ軸受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て、軸受内の温度が上昇すると、この温度上昇を検出する。
すなわち、温度センサユニット３０による検出温度が所定値（アラームしきい値）を超えたことが検出されると、温度センサの検出信号を処理して異常の有無等の判定を行う制御手段（図示せず）が運転席に設置した警告灯を点灯させる等の警報を発する。
【００２３】
前記制御手段は、温度センサユニット３０内に配置されるか、温度センサユニット３０から離れた位置に配置しても良い。また、制御手段の機能の一部を担う部品が、温度センサユニット３０内に配置されていても良い。
【００２４】
次に、本実施形態の温度センサユニット３０の作用について説明する。
図２に示すように、車両が走行し始めると、車軸１の回転と共に内輪５，５等が回転して、軸受３内に摩擦が発生し、その摩擦熱に応じて軸受温度が上昇する。この摩擦熱は、外周側にはハウジング２を通じて、内周側には車軸１を通じて、放熱される。
【００２５】
軸受３に生じた熱は、温度センサユニット３０の温度センサに到達するまでの間に徐々に放熱され、温度センサユニット３０でも放熱される。また、車両速度の増加に伴って、温度センサユニット３０に当たる風量も増加するため、さらに放熱される。例えば、軸受中心からセンサまでの距離が１６０ｍｍの場合、車両加速時及び定速走行時で、軸受発熱量の７０％（軸受中心とセンサとの距離により変わる）が温度センサユニット３０の温度センサに到達するまでの間に放熱される。
【００２６】
車両が停止すると、軸受３の温度は下降し始めるが、当たる風量が略ゼロになるので、放熱量が減少する。その結果、軸受箱２及び軸受３に蓄えられていた熱量が温度センサに少しずつ伝達され、温度センサによる検出温度が徐々に上昇する。
【００２７】
実際の車両を模した試験装置での結果を図３に示す。図３のグラフの横軸は、軸受温度上昇値（軸受の実温度から雰囲気温度を差し引いた値）を示し、縦軸は、センサ検出温度上昇値（センサ検出温度から雰囲気温度をさし引いた値）を示す。
【００２８】
図３に示すように、回帰曲線である温度曲線Ａ（以降、走行時温度曲線Ａと称す）は、車両加速時及び定速走行時相当における軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値との関係を示す。走行時温度曲線Ａは、右上がりの略直線になっており、軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値とが線形正比例の関係にあることが分かる。
したがって、走行時温度曲線を求めておけば、車両加速中及び定速走行中に温度センサからリアルタイムで得られるセンサ検出温度から、その時点における実際の軸受温度を推定することができる。
【００２９】
例えば、走行時温度曲線Ａを示すような計算式やデータテーブル又はデータ補正値を、ＲＯＭ等の記憶手段に予め格納しておき、車両加速中及び定速走行中に、その計算式やデータテーブル又はデータ補正値を読み出すようにする。これにより、その時点における実際の軸受温度を推定することができる。
【００３０】
具体的には、軸受装置周りの雰囲気温度を検出する手段（温度センサ）を、温度センサユニット３０付近又は温度センサユニット３０から離れた位置に設けて、雰囲気温度を常時検出する。そして、温度センサユニット３０内の温度センサより得られるセンサ検出温度から雰囲気温度を差し引いた値を求め、その値から図３で示したような関係を示す計算式やデータテーブルを参照して実際の軸受温度を推定する。
【００３１】
上述した走行時温度曲線Ａは、設備又は装置の種類や軸受３の形式、温度センサユニットの取付位置などの違いによって異なるものである。各種軸受装置について、予め試験運転を行い、これらの曲線を得ておくことで本発明のセンサ付軸受装置が適用できる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、温度上昇を計算するときの参照温度を、周囲雰囲気温度ではなく、始動時のセンサ検出温度とすることで、雰囲気温度の検出を不要にすることも可能である。
すなわち、温度センサユニット３０の温度センサにより、車軸１が回転を開始する直前或いは直後の始動時検出温度を得ておき、回転開始時に温度センサからリアルタイムで得られる検出温度を差し引くように構成することができる。したがって、別途の雰囲気温度検出手段を省略することができる。
【００３３】
また、軸受温度上昇値とセンサ検出温度上昇値との関係に基づいて軸受温度を推定しているが、実際の軸受温度と温度センサによる検出温度との関係に基づいて推定しても良い。例えば、センサ検出信号を、ローパスフィルタやオペアンプを介して、温度センサユニット３０の外部に伝送するようにしても良い。
また、センサ付軸受装置における転がり軸受は、複列円すいころ軸受に限らず、玉軸受、円筒ころ軸受、球面ころ軸受、単列・複列を問わず適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のセンサ付軸受装置によれば、温度センサユニットにより検出された温度から実際の軸受温度を正確に得て、異常発生を早期かつ確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ付軸受装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１における縦断面図である。
【図３】予め求められた実際の軸受温度とセンサ検出温度との関係を表すグラフである。
【図４】従来のセンサ付軸受装置の正面図である。
【図５】図４における縦断面図である。
【符号の説明】
１ 車軸
２ 軸受箱
３ 複列円すいころ軸受
４ 外輪
５ 内輪
６ 円すいころ
２２ａ 取付孔
３０ 温度センサユニット
Claims (8)
- 前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、
前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、
前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、
車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、
を有することを特徴とするセンサ付軸受装置。 - 前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備えた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置であって、
前記温度センサユニットを前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付け、
前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を格納する記憶手段と、
車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定する制御手段と、
を有することを特徴とするセンサ付軸受装置。 - 前記前方及び後方の両方向に移動する車両は、高速で両方向に移動する鉄道車両である請求項１又は２に記載のセンサ付軸受装置。
- 前記温度センサユニットは、前記軸受装置の前記軸受以外の場所に取り付けられている請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
- 前記温度センサユニットは、前記車両の台車との位置的な干渉を避けるために前記軸受の周囲に設けられた軸受箱以外のセンサハウジングに取り付けられている請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
- 前記温度センサユニットは、前記センサハウジングの鉛直方向上側に取り付けられている請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
- 前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置の軸受温度推定方法であって、
前記転がり軸受の実際の温度と前記温度センサによる検出温度との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、
車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法。 - 前方及び後方の両方向に移動する車両の静止側軌道輪及び回転側軌道輪の間に転動体が複数個設けられた転がり軸受と、前記転がり軸受の温度を検出するための温度センサを備え前記車両の走行方向に対して鉛直となる位置に取り付けられた温度センサユニットとを備えたセンサ付軸受装置の軸受温度推定方法であって、
前記転がり軸受の実際の温度上昇と前記温度センサによる検出温度上昇との関係を予め求めた計算式、データテーブル又はデータ補正値を記憶手段に格納し、
車両加速中及び低速走行中に、前記計算式、データテーブル又はデータ補正値を読み出すことにより、前記温度センサからリアルタイムで求められる検出温度から前記転がり軸受の実際の温度を推定することを特徴とする軸受温度推定方法。
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