JP5583006B2 - 軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の、少なくとも１つの振動検出器を有する、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視装置から出発する。

軌道車両交通では台車の監視システムがますます重要になっている。一方でこの監視システムは安全性の理由から標準で、またはガイドラインで要求される。例として欧州全域の高速列車に対してTSI(Technische Spezifikation fuer die Interoperabilitaet - Amtsblatt der Europaeischen Gemeinschaft)の側から要求される以下のシステムが挙げられる：
・脱線検知用のオンボードシステム、
・熱軸箱検知ないし軸受摩耗識別用のオンボードシステム、
・不安定性検知ないし減衰器故障検知用のオンボードシステム、
他方で台車監視システムは、損傷した構成部材、危険状態ないしその他のエラーを診断し、早期発見のために使用され、これにより状態に基づいた早期の保守が達成される。ここでの目的は、停止状態時間の小さいこと、構成部材の効率的な利用、およびコストの節約である。

ICEでは不安定運転を識別するためのシステムが使用され、新しい自動走行モータでは脱線検知用システムが使用されている。これらのシステムでは共通して、システムが自立的に機能するよう構成されている。各システムは固有のセンサを使用する。

不安定性識別のために通例は１つまたは複数のセンサがボギー台車フレームに取り付けられる。センサは所定の周波数領域で横加速度(走行方向xに対して横)を測定し、限界値を越えると警報を発生する。

DE101 45 433 C2とEP 1 317 369には、軌道車両のコンポーネントのエラー監視方法および装置が記載されており、これらも同様に加速度値の測定に基づくものである。このコンポーネントは、構台に固定されたローリング減衰コンソールに取り付けられている。加速度センサの検知方向は走行方向に対して平行である。

脱線検知の方法および装置に対する例は、DE 199 53 677に記載されている。ここではベアリングシャフトに配置された加速度センサの測定信号が直接評価される。測定された加速度値は2回積分され、限界値と比較される。単純な加速度センサは、軌道車両の縦軸方向（ｚ方向）に検知方向を有する。しかし刊行物によれば、走行方向（ｘ方向）、走行方向に対して横方向（ｙ方向）、および上下方向（ｚ方向）に同時に検知方向を有する加速度センサも使用することができる。このような加速度センサはいわゆるマルチセンサであり、実際には少なくとも２つ、ここでは３つの加速度センサからなり、それぞれが１つの検知方向を測定する。このようなマルチセンサおよびその評価装置は比較的高価である。

脱線検知のための別の手段は、純粋に空気式に動作する空気式監視装置を提供する。このような監視装置に対する基礎はUIC541-08「貨物車用脱線検知器」である。この装置は貨物車の構体に配置されており、上下方向加速度をコントロールする。ここでセンサ素子としてバネ質量振動子が使用され、所定の限界値から空気弁を開放する。

このシステムの問題点は、不安定識別と脱線検知の枠内で高いコストがセンサ系に発生することである。なぜなら多数の個別のセンサが種々異なる取り付け箇所で使用されるからである。

DE101 45 433 C2 EP 1 317 369 DE 199 53 677

これに対して本発明の課題は、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視装置をさらに改善し、この装置ができるだけ少数の簡単で安価なセンサにより動作し、それでもなお台車コンポーネントを包括的に監視できるようにすることである。比較的少数のセンサによってコストおよび配線コストが節約される他に、技術的装備の複雑性も緩和される。

この課題は請求項１の特徴部分によって解決される。

本発明は、軌道車両の台車コンポーネントの種々のエラー監視機能、例えば冒頭に述べた不安定性識別および脱線検知のために共通のセンサ系を使用することを基礎とする。センサは振動検出器として構成されており、本発明の構成に依存して、軌道車両の縦軸方向（ｚ方向）および走行方向に対して横方向（ｙ方向）、または走行方向（ｘ方向）の加速度を検出することができる。ここでは本発明により２つの変形実施例が設けられている。

ａ）少なくとも１つの振動検出器が、軌道車両のボギー台車フレームまたはボギー台車の車軸のホイールセットベアリングに次のように配置されている。すなわち、振動検出器の検知方向が走行方向（ｘ方向）の成分、または走行方向に対して直角の成分（ｙ方向）および同時に軌道車両の縦軸（ｚ方向）に対して平行な成分を有するように配置される。

または、
ｂ）車軸のホイールセットベアリングに複数の振動検出器を設け、それらの１つの振動検出器を車軸のホイールセットベアリングの一方に、その振動検出器の検知方向が走行方向に対して平行であるように配置し、別の１つの振動検出器を車軸のホイールセットベアリングの他方に、その振動検出器の検知方向が軌道車両の縦軸に対して平行であるように配置する。

変形実施例ａ）では、振動検出器の検知方向が斜めに配向されているため、ｚ方向の加速度値が横加速度または縦加速度(y方向およびx方向)の加速度値とベクトル的に加算される。測定された加速度値は、ｚ方向およびｙ方向ないしｚ方向の個別の加速度とベクトル的に加算されている。すでにこの値は、台車が不安定な走行状態を有する傾向があるか、または脱線しているかに対する尺度を形成する。選択的な監視は、測定された加速度値を周波数固有に判定することによって付加的に行うことができる。種々異なる空間軸での振動は種々異なる周波数帯域で発生する。特性が不安定な場合には、横方向と長手方向に、縦方向よりも傾向として低い周波数が発生する。脱線の場合には、縦軸における比較的高い周波数成分により監視基準が形成される。種々の周波数帯域を所期のように評価することによって、車両状態の不安定性および脱線を選択的に監視することができる。

前記方向（ｘ、ｙ、ｚ方向）の成分は、相応の面の検知方向の角度が０°以上、９０°以下の間にあれば常に存在する。とくに有利には検知方向の角度は１０°から８０°の領域にある。

これによりただ１つの振動検出器によって相互に直角のそれぞれ２つの検知方向（ｚ方向とｙ方向、ないしｚ方向とｘ方向）を検出することができる。これによりボギー台車または車軸の１つの振動検出器だけを用い、横加速度または長手加速度を監視することによって不安定性に関する予測を行い、縦軸方向の加速度を監視することにより同時に脱線に関する予測を行うことができる。

ボギー台車にただ１つの振動検出器を設けることにより、振動検出器の製造、取付け、および配線コストが最小になる。

変形実施例ｂ）によれば、ボギー台車の１つの車軸の各ホイールセットベアリングに1つの振動検出器が配属される。ここでは１つの車軸の両側に配属された２つの振動検出器の検知方向が相互に直角である。すなわち走行方向（ｘ方向）と縦軸方向（ｚ方向）である。これにより振動検出器の加速度を評価することによって同様に、脱線検知と不安定性識別を実行することができる。振動検出器はホイールセットベアリングに配属されているから同時にベアリングシャフトの監視も行うことができる。なぜならホイールセットベアリング領域における過剰の振動はこの領域の故障を示唆するからである。

ボギー台車の他方の車軸には同じ構成が、有利には検知方向に関して入れ替えた構成が実現される。このようにしてボギー台車の車軸について対角で見ると同じ検知方向が得られる。これにより各ボギー台車にそれぞれ同じ検知方向を備える２つの振動検出器が存在し、それぞれの検知方向に対して冗長性が得られる。

例えばDE 199 53 677 C1に記載されたような、２つの検知方向に対して振動検出器を組み合わせた形態のダブル検出器を１つのホイールセットベアリングに配属する解決手段に対して、台車コンポーネントの包括的監視が得られる。なぜなら各ホイールセットベアリングが監視されるからである。それでもそのためのコストは高くならない。なぜなら各ホイールベアリングセットには１つの振動検出器が配属されるだけだからである。

前記の監視機能、すなわち不安定性識別と脱線検知の他に、本発明の装置を用い、適切な評価方法と相応の評価電子回路によって、別の監視機能および別の診断機能を実現することができる。センサ系をボギー台車フレームに配置する構成では、フレームに直接取り付けられたコンポーネント、例えばコントロールアーム、ガイドブッシュ、ないしフレーム自体を監視することができる。

とりわけ振動検出器をホイールセットベアリングないしホイールセットベアリングハウジングに直接取り付ける場合、付加的な監視機能および診断機能が考えられる。これは例えば摩耗箇所の識別、ベアリング損傷の識別、またはホイールセットシャフトの損傷の識別、およびホイール自体の損傷の識別である。

従属請求項に記載された手段により、独立請求項に記載された発明の有利な別の構成および改良形が得られる。

変形実施例ａ）でとくに有利には、振動検出器の検知方向が一つの平面内でボギー台車の車軸と直角であり、縦軸（ｚ方向）と走行方向に対して平行に配置された軸（ｘ方向）を基準にして９０°の角度を有する。成分はそれぞれ同じ大きさであるから、有利には同値の信号がボギー台車ないしホイールセットベアリングの長手方向振動および上下方向振動に対して得られる。

択一的に振動検出器の検知方向は一つの平面内で走行方向に対して直角であり、縦軸（ｚ方向）ならびに走行方向に対して直角の軸（ｙ方向）を基準にして４５°の角度を有する。この場合、同値の信号がボギー台車ないしホイールセットベアリングの横方向振動と上下方向振動に対して得られる。

変形実施例a)でとくに有利には、１つの車軸の２つのホイールセットベアリングのそれぞれ１つに１つの振動検出器が配置される。この振動検出器の検知方向が一つの平面内で車軸に対して直角であり、縦軸ならびに走行方向に対して平行な軸を基準にして４５°の角度を有していれば、この振動検出器の測定信号から脱線傾向と台車の安定性特性について同様の予測を行うことができる。例えばこのような２つの振動検出器がボギー台車の垂直回転軸に対して対角に配置されれば、付加的に冗長的測定が得られる。このことは監視装置の安全性を高める。

有利にはこの変形実施例で、振動検出器はパルス発生器と組み合わされる。電子監視ユニットに対して信号を送出し、付加的に滑り防止のために車軸回転数を検出する集積センサを使用すれば、センサ組み込みおよび配線のためのコストがさらに低減される。

製造コスト、取付けコスト、ならびに配線に関するコストを最小にするため、変形実施例ｂ）の改善形態によれば、一つの車軸の各ホイールセットベアリングには一つの振動検出器だけが設けられる。この振動検出器は有利には、ボギー台車の車軸のホイールセットベアリングに配置されており、走行方向で見て振動検出器の検知方向は各車両側で変わる。したがってボギー台車の垂直回転軸を基準にして、同じ検知方向を備える振動検出器が対角に配置されている。

これによって有利な冗長性が得られ、このことは監視装置の故障安全性を高める。

有利にはこの変形実施例でも少なくとも１つの振動検出器がパルス発生器と組み合わされる。このことはすでに上に述べた利点をもたらす。付加的に、ホイールセットベアリング内の目下のベアリング温度を測定する温度センサをコンビネーションセンサに組み込むことができる。このようなコンビネーションセンサの構造についてはDE 10 2005 010 118を参照されたい。

軌道車両の滑り防止システムおよび/またはブレーキ制御システムにおける、台車コンポーネントをエラー監視するための装置の電子評価ユニットについても、同様にDE 10 2005 010 118に記載されている。

詳細は以下の実施例の説明から明らかとなる。

以下に、本発明の実施例を図面に基づき詳しく説明する。

本発明の第1実施例による、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視を行う装置の一部を備えるボギー台車の概略的平面図である。 図１のボギー台車の概略的正面図である。 本発明の別の実施例による、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視を行う装置の一部を備えるボギー台車の概略的平面図である。 図３のボギー台車の概略的側面図である。 本発明の別の実施例による、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視を行う装置の一部を備えるボギー台車の概略的平面図である。 図５のボギー台車の概略的側面図である。 図５と図６の実施例による軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視を行う装置の概略的回路図である。

図１には、本発明の第1実施例による、軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視を行う装置２の一部を備えるボギー台車の概略的平面図が示されている。

ボギー台車１は、図示しない構体を基準にして垂直回転軸３６を中心に回転可能に配置されており、ボギー台車フレーム４を有する。ボギー台車フレームは、本発明にとっては二次的であるので同様に図示しないサスペンションシステムによって軌道車両の構体に支持されている。

ボギー台車フレーム４は他方では４つのホイールセットベアリングハウジング６，８，１０，１２の一次サスペンション上に支持されている。ホイールセットベアリングハウジングには車軸２２，２４を支承するためのホイールセットベアリング１４，１６，１８，２０がそれぞれ１つ収容されており、車軸の端部は２つの車輪２６を支持する。全部で２つの車軸２２，２４が１つのボギー台車１に備わっている。ボギー台車１とそのコンポーネント４〜２０を監視するために、エラー監視を行う装置2が設けられている。それらのうち図１と図２では振動検出器２８だけが示されている。

振動検出器２８はボギー台車のボギー台車フレーム4に、矢印３０により示すその検知方向が、縦軸（ｚ方向）に対して平行な成分および軌道車両の走行方向（ｘ方向）の成分または走行方向に対して直角（ｙ方向）の成分を有するように配置されている。有利には加速度センサとして構成された振動検出器２８の検知方向３０は、軌道車両の走行方向（ｙ方向）に対して直角の成分と、縦軸（ｚ方向）に対して平行な成分を同時に有する。このことは図２から分かる。

振動検出器２８の検知方向３０が斜めに配向されていることにより、ｚ方向の加速度値がｙ方向（横加速度）の加速度値とベクトル的に加算されるｚ方向およびｙ方向の目下の加速度値は、図７に示した評価電子回路３２によって振動検出器２８の測定信号から計算され、台車が脱線する傾向に対する尺度（ｚ方向の測定信号）および/または過度の横揺れのような不安定な走行状態に対する尺度（ｙ方向の測定信号）が形成される。

さらに各車軸２２，２４には回転数測定のために公知のパルス発生器３４が配属されている。このパルス発生器は、有利にはホイールセットベアリングハウジング６，８に配置されるか、または固有のハウジングによりフランジ留めされる。

図１と図２の実施例によれば振動検出器２８の検知方向３０は一つの平面内で走行方向（ｘ方向）に対して直角であり、縦軸（ｚ方向）および走行方向に対して直角な軸（ｙ方向）を基準にして有利には４５°の角度を有する。コンポーネントはこの軸の方向でそれぞれ同じ大きさであるから、有利には同値の信号がボギー台車１の横方向振動および上下方向振動に対して得られる。

択一的に振動検出器２８の検知方向３０は一つの平面内でボギー台車の車軸２２，２４に対して直角であり、縦軸（ｚ方向）ならびに走行方向（ｘ方向）を基準にして４５°の角度を有する。この場合、同値の信号がボギー台車１の長手方向振動と上下方向振動に対して得られる。

図３と図４の実施例によれば、一つの車軸２２，２４の２つのホイールセットベアリング１６と２０、ないし１４と１８のそれぞれ１つのホイールセットベアリング１６、１８に振動検出器２８′が配置されている。２つの振動検出器２８′の検知方向３０′が同じに配向されており、一つの平面内でボギー台車１の車軸２２，２４に対して直角であり、縦軸（ｚ方移行）ならびに走行方向に対して平行な軸（ｘ方向）を基準にして有利には４５°の角度を有していれば、振動検出器２８′の測定信号から脱線傾向と台車の安定性特性について同値の予測を行うことができる。とくに有利には図３に示すように、車軸２２，２４に配属された２つの振動検出器２８′は、台車１の垂直回転軸３６に対して対角に配置されているこの実施形態で振動検出器２８′は付加的に、車輪速度測定のためのパルス発生器３４と統合されており、１つの集積コンビネーションセンサ３８を形成している。

図５と図６の実施形態では、ボギー台車１の各ホイールセットベアリング１４〜２０に１つの振動検出器２８″が配属されている。ここで振動検出器２８″はそれぞれの車軸２４，２２のホイールセットベアリング１６ないし１８に、振動検出器の検知方向３０″が走行方向（ｘ方向）に対して平行であるように配置されており、他方の振動検出器２８″はそれぞれの車軸２２，２４の他方のホイールセットベアリング１４ないし２０に、その検知方向３０″が軌道車両の縦軸（ｚ方向）に対して平行であるように配置されている。相応にして、ボギー台車１のそれぞれの車軸２２，２４に配属された２つの振動検出器２８″の検知方向３０″はそれぞれ相互に直角であり、走行方向（ｘ方向）と縦軸方向（ｚ方向）を指す。したがって有利には同じ検知方向３０″を有する振動検出器２８″が、ボギー台車１の回転軸３６に対して対角に配置されている。

有利にはこの変形実施例でも少なくとも１つの振動検出器２８″がパルス発生器３４と組み合わされ、コンビネーションセンサ３８を形成する。このことはすでに上に述べた利点をもたらす。付加的に、それぞれのホイールセットベアリング１４〜２０内の目下のベアリング温度を測定する温度センサ３９をコンビネーションセンサ３８に組み込むことができる。

すべての実施形態で有利には、１つの検知方向３０、３０′、３０″でだけ作用する同形式の振動検出器２８、２８′、２８″を使用する。

図７は、装置２の評価電子回路３２を示す。この装置２は、２つのボギー台車４２、４４を有する旅客用機関車の車輪と、速度２００ｋｍ／ｈ用のレールとの間で最適のスリップを調整するための滑り防止システムの滑り防止電子回路４０に組み込まれている。評価電子回路３２はセンサ線路４６を介して、ホイールセットベアリングにあるそれぞれのコンビネーションセンサ３８と信号伝送するように接続されている。旅客用機関車には有利にはホイールセットベアリングごとに、車輪速度（パルス発生器）、ホイールベアリング温度（温度発生器）、およびそれぞれの検知方向３０″での車輪加速度（加速度センサ）を測定するためのコンビネーションセンサ３８が設けられている。これらセンサ３８の測定信号は、中央評価電子回路３２に読み込まれ、そこで評価される。全体としてコンビネーションセンサ３８によって以下の監視機能を実現することができる。
・回転監視（回転しない車輪の識別）、
・熱検知および熱軸箱検知（ホイールセットベアリングの温度監視）、
・振動測定によるベアリング損傷識別、
・台車の不安定な動作ないし減衰器の故障の識別、
・脱線検知、
・摩耗箇所および非真円車輪の検知。

さらに故障した構成部材を早期に識別するための付加的診断機能が可能である。線路損傷に関して軌道区間を診断することも考えられる。入出力装置４８を介してデータの書き込み、読み出し、または表示を行うことができる。

１ ボギー台車
２ 装置
４ ボギー台車フレーム
６ ホイールセットベアリングハウジング
８ ホイールセットベアリングハウジング
１０ ホイールセットベアリングハウジング
１２ ホイールセットベアリングハウジング
１４ ホイールセットベアリング
１６ ホイールセットベアリング
１８ ホイールセットベアリング
２０ ホイールセットベアリング
２２ 車軸
２４ 車軸
２６ 車輪
２８、２８′、２８″ 振動検出器
３０、３０′、３０″ 検知方向
３２ 評価電子回路
３４ パルス発生器
３６ 回転軸
３８ コンビネーションセンサ
３９ 温度センサ
４０ 滑り防止電子回路
４２ ボギー台車
４４ ボギー台車
４６ センサ線路
４８ 入出力装置

Claims (5)

1. 軌道車両の台車コンポーネントのエラー監視装置（２）であって、
   少なくとも１つの振動検出器（２８′′）が、軌道車両のボギー台車（１）の１つの車軸（２２，２４）の少なくとも１つのホイールセットベアリング（１４〜２０）に配置されており、
   （ａ）１つの車軸（２２，２４）に配置された振動検出器（２８′′）が第１および第２のホイールセットベアリング（１４〜２０）に設けられており、第１の振動検出器（２８′′）が車軸（２４，２２）の第１のホイールセットベアリング（１６〜１８）に、その検出方向（３０′′）が走行方向（ｘ方向）に平行であるように設けられており、かつ、第２の振動検出器（２８′′）が車軸（２２，２４）の第２のホイールセットベアリング（１４〜２０）に、その検出方向（３０′′）が軌道車両の縦軸（ｚ方向）に平行であるように設けられており、
   （ｂ）一つの車軸（２２，２４）の各ホイールセットベアリング（１４〜２０）に１つの振動検出器（２８′′）が設けられており、振動検出器（２８′′）はボギー台車（１）の車軸（２２，２４）のホイールセットベアリング（１４〜２０）に、走行方向（Ｘ方向）で見て振動検出器（２８′′）の検知方向（３０′′）が車両の両側で異なるように配置されており、
   （ｃ）前記少なくとも１つの振動検出器（２８′′）は加速度検出器として構成されており、
   （ｄ）測定された加速度値を周波数固有に判定することによってエラー監視を行い、この際、どの周波数帯域においてどの空間軸における振動が生じるか判別し、これに基づいて、不安定な車両状態または脱線を選択的に監視する、
   ことを特徴とする装置。
2. 測定された加速度値の周波数固有の判定の際に、縦軸（ｚ方向）における加速度の監視により脱線傾向に関する予測を行い、かつ、走行方向（ｘ方向）における加速度の監視によって不安定な車両状態に関する予測を行う、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 請求項１または２記載の装置において、
   振動検出器（２８′′）は、目下の車輪速度を測定するための少なくとも１つの速度センサ（３４）とともに、および／またはホイールセットベアリング（１４〜２０）の目下の温度を測定するための温度センサ（３９）とともに１つのコンビネーションセンサ（３８）に集積されている、ことを特徴とする装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の装置において、
   前記装置（２）の少なくとも１つの電子評価ユニット（３２）は、軌道車両の滑り防止システムおよび／または制動制御システムの集積構成部材である、ことを特徴とする装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の装置において、
   少なくとも複数の振動検出器（２８′′）が冗長的に設けられている、ことを特徴とする装置。

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