知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024157904
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】衝撃検出装置
(51)【国際特許分類】
B60L 3/00 20190101AFI20241031BHJP
B61K 9/08 20060101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
B60L3/00 Q
B61K9/08
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023072564
(22)【出願日】2023-04-26
(71)【出願人】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100104064
【弁理士】
【氏名又は名称】大熊 岳人
(72)【発明者】
【氏名】吉川 岳
【テーマコード（参考）】
5H125
【Ｆターム（参考）】
5H125AA05
5H125CD00
5H125EE52
(57)【要約】
【課題】非接触式の速度検出装置を利用することによって、車両の輪軸に加わる衝撃を低コストで簡単に検出することができる衝撃検出装置を提供する。
【解決手段】衝撃検出装置２４は、線路１上を走行する車両の輪軸に加わる衝撃を検出する装置であり、輪軸の車軸側とは非接触で車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出部２９を備えている。衝撃検出部は、輪軸の車軸端部を回転自在に支持する軸受と、この軸受を収容する軸箱体との間の隙間で、これらが相対変位したときに速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する。
【選択図】図８
【解決手段】衝撃検出装置２４は、線路１上を走行する車両の輪軸に加わる衝撃を検出する装置であり、輪軸の車軸側とは非接触で車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出部２９を備えている。衝撃検出部は、輪軸の車軸端部を回転自在に支持する軸受と、この軸受を収容する軸箱体との間の隙間で、これらが相対変位したときに速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
線路上を走行する車両の輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出装置であって、
前記輪軸の車軸側とは非接触で前記車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置の出力信号に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
前記輪軸の車軸側とは非接触で前記車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置の出力信号に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
【請求項2】
請求項１に記載の衝撃検出装置において、
前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
【請求項3】
請求項１に記載の衝撃検出装置において、
前記速度検出装置は、前記車両の輪軸毎に前記車両の速度を検出し、
前記衝撃検出部は、前記車両の輪軸毎に衝撃を検出すること、
を特徴とする衝撃検出装置。
前記速度検出装置は、前記車両の輪軸毎に前記車両の速度を検出し、
前記衝撃検出部は、前記車両の輪軸毎に衝撃を検出すること、
を特徴とする衝撃検出装置。
【請求項4】
請求項１に記載の衝撃検出装置において、
前記衝撃検出部の検出結果に基づいて、前記線路側及び／又は前記車両側の異常を検出する異常検出部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
前記衝撃検出部の検出結果に基づいて、前記線路側及び／又は前記車両側の異常を検出する異常検出部を備えること、
を特徴とする衝撃検出装置。
【請求項5】
請求項４に記載の衝撃検出装置において、
前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部を備え、
前記異常検出部は、前記フィルタ部の出力信号の振幅が基準値を超えるときには、前記線路側及び／又は前記車両側に異常が発生したと判定すること、
を特徴とする衝撃検出装置。
前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部を備え、
前記異常検出部は、前記フィルタ部の出力信号の振幅が基準値を超えるときには、前記線路側及び／又は前記車両側に異常が発生したと判定すること、
を特徴とする衝撃検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、線路上を走行する車両の輪軸に加わる衝撃を検出する衝撃検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の軌道モニタリング装置は、車両の車体床部の上下振動を時系列的に計測する振動計測器と、この振動計測器が計測する振動データを軌道の変位データに変換し、軌道変位量が予め設定したしきい値を超えたときに軌道に異常箇所があると判断する制御部などを備えている（例えば、特許文献１参照）。この従来の軌道モニタリング装置は、車両の位置を時系列的に計測するＧＰＳ受信機の位置データにより、軌道の状態の異常部の位置を制御部が特定している。
【0003】
従来の車両の異常検出装置は、車両の台車の振動を検出する台車加速度センサと、輪軸の振動を検出する輪軸加速度センサと、台車加速度センサによって検出された台車の振動値と輪軸加速度センサによって検出された輪軸の振動値とに基づいて、振動の原因が台車にあるか又は軌道にあるかを特定する制御装置などを備えている（例えば、特許文献２参照）。従来の車両の異常検出装置は、輪軸の振動値が所定のしきい値を超えたときには振動の原因が軌道にあると特定し、輪軸の振動値が所定のしきい値を超えず、かつ、台車の振動値が所定のしきい値を超える場合には、振動の原因が台車にあると特定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2005-231427号公報
【0005】
【特許文献2】特開2004-170080号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来、鉄道車両側から輪軸・軌道の異常を検出するためには、軸箱に振動加速度センサなどを取り付ける必要があった。経済的な余裕のある鉄道会社では、線路の検測機能を備えた営業列車を実用化可能である。しかし、経済的な余裕の少ない鉄道会社では、より低コストに営業列車からの異常検出が実現できないか要望があった。
【0007】
この発明の課題は、非接触式の速度検出装置を利用することによって、車両の輪軸に加わる衝撃を低コストで簡単に検出することができる衝撃検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１～図８及び図１２に示すように、線路（１）上を走行する車両（４Ａ～４Ｃ）の輪軸（８Ａ～８Ｄ）に加わる衝撃を検出する衝撃検出装置であって、前記輪軸の車軸（１０）側とは非接触で前記車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置（１７Ａ～１７Ｄ）の出力信号（Ｓ1）に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出（Ｓ４００）する衝撃検出部（２９）を備えることを特徴とする衝撃検出装置（２４）である。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１～図８及び図１２に示すように、線路（１）上を走行する車両（４Ａ～４Ｃ）の輪軸（８Ａ～８Ｄ）に加わる衝撃を検出する衝撃検出装置であって、前記輪軸の車軸（１０）側とは非接触で前記車両の速度を検出する非接触式の速度検出装置（１７Ａ～１７Ｄ）の出力信号（Ｓ1）に基づいて、この輪軸に加わる衝撃を検出（Ｓ４００）する衝撃検出部（２９）を備えることを特徴とする衝撃検出装置（２４）である。
【0009】
請求項２の発明は、請求項１に記載の衝撃検出装置において、図８に示すように、前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部（Ｆ，…，ＦN）を備えることを特徴とする衝撃検出装置である。
【0010】
請求項３の発明は、請求項１に記載の衝撃検出装置において、図１、図７及び図８に示すように、前記速度検出装置は、前記車両の輪軸毎に前記車両の速度を検出し、前記衝撃検出部は、前記車両の輪軸毎に衝撃を検出することを特徴とする衝撃検出装置である。
【0011】
請求項４の発明は、請求項１に記載の衝撃検出装置において、図７、図８、図１１及び図１２に示すように、前記衝撃検出部の検出結果に基づいて、前記線路側及び／又は前記車両側の異常を検出（Ｓ５００）する異常検出部（３０）を備えることを特徴とする衝撃検出装置である。
【0012】
請求項５の発明は、請求項４に記載の衝撃検出装置において、図８、図９及び図１１に示すように、前記衝撃検出部は、前記輪軸に加わる衝撃に起因する周波数成分を、前記速度検出装置の出力信号から抽出するフィルタ部（Ｆ，…，ＦN）を備え、前記異常検出部は、前記フィルタ部の出力信号（Ｓ3）の振幅が基準値（Th）を超えるときには、前記線路側及び／又は前記車両側に異常が発生したと判定することを特徴とする衝撃検出装置である。
【発明の効果】
【0013】
この発明によると、非接触式の速度検出部を利用することによって、車両に加わる衝撃を低コストで簡単に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える衝撃検出システムを模式的に示す側面図である。
【図2】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両を模式的に示す側面図である。
【図3】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両を模式的に示す平面図である。
【図4】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両の台車を模式的に示す正面図である。
【図5】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両に使用される速度検出装置の模式図である。
【図6】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両に使用される速度検出装置の検出原理を説明するための模式図であり、（Ａ）は磁束密度が高いときの模式図であり、（Ｂ）は磁束密度が低いときの模式図であり、（Ｃ）は速度検出装置の出力信号を模式的に示すグラフである。
【図7】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の構成図である。
【図8】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置による検出手順を示す模式図である。
【図9】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置による検出過程を一例として示すグラフである。
【図10】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の衝撃検出部による検出原理を説明するための模式図であり、（Ａ）（Ｂ）は軸受と軸箱体との位置が相対的に変動する前後の状態を示す模式図である。
【図11】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の異常検出部の検出原理を説明するために模式的に示すグラフであり、（Ａ）は線路側の異常を検出したときのグラフであり、（Ｂ）は車両側の異常を検出したときのグラフである。
【図12】この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図13】この発明の第３実施形態に係る衝撃検出システムの構成図である。
【図14】この発明の第３実施形態に係る衝撃検出システムの衝撃検出装置の構成図である。
【図15】置石を模擬した試験の結果を示すグラフである。
【図16】レールの継目段違いを模擬した試験の結果を示すグラフであり、（Ａ）は軸受と軸箱体との間の隙間の変動量の変化を示すグラフであり、（Ｂ）はこの変動量の実効値の変化を示すグラフである。
【図17】レールの異常摩耗を模擬した試験の結果を示すグラフであり、（Ａ）は軸受と続箱体との間の隙間の変動量の変化を示すグラフであり、（Ｂ）はこの変動量の実効値の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１、図２及び図４に示す線路１は、車両４Ａ～４Ｃが走行する通路（線路）である。線路１は、図４に示すように、左右一対のレール２を備えている。レール２は、車両４Ａ～４Ｃの車輪９を支持し案内して、車両４Ａ～４Ｃを走行させる部材である。レール２は、車両４Ａ～４Ｃの車輪９と接触するレール頭部２ａと、まくらぎ又はスラブ版などの支承体（支持体）に取り付けられるレール底部（フランジ部）２ｂと、レール頭部２ａとレール底部２ｂとを繋ぐレール腹部（ウェブ部）２ｃなどを備えている。
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１、図２及び図４に示す線路１は、車両４Ａ～４Ｃが走行する通路（線路）である。線路１は、図４に示すように、左右一対のレール２を備えている。レール２は、車両４Ａ～４Ｃの車輪９を支持し案内して、車両４Ａ～４Ｃを走行させる部材である。レール２は、車両４Ａ～４Ｃの車輪９と接触するレール頭部２ａと、まくらぎ又はスラブ版などの支承体（支持体）に取り付けられるレール底部（フランジ部）２ｂと、レール頭部２ａとレール底部２ｂとを繋ぐレール腹部（ウェブ部）２ｃなどを備えている。
【0016】
図１に示す列車３は、旅客又は貨物の運輸営業を行うことを目的として組成された車両である。列車３は、車両４Ａ～４Ｃによって編成されている。図１に示す車両４Ａ～４Ｃは、線路１に沿って移動する移動体である。車両４Ａ～４Ｃは、レール２上を走行する電気車、気動車又は客車などの鉄道車両である。車両４Ａ～４Ｃは、図１～図４に示す車体５と、図２及び図４に示す空気ばね６と、図２及び図３に示す台車７Ａ，７Ｂと、図１～図３に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄとを備えている。図１に示す車両４Ａは編成の先頭に位置する先頭車両であり、車両４Ｂは編成の中間に位置する中間車両であり、車両４Ｃは編成の後尾に位置する後尾車両（最後尾車両）である。車両４Ａ，４Ｃは、動力を発生せず電動車にけん引される付随車（Ｔ車）である。車両４Ｂは、動力を発生する主電動機（モータ）を備える電動車（Ｍ車）である。図１～図４に示す車体５は、旅客又は貨物などの積載物を輸送する部分である。
【0017】
図２及び図４に示す空気ばね６は、圧縮空気の弾性力を利用したばねである。空気ばね６は、車体５と台車枠１３との間を結合しており、主として車体５に作用する垂直荷重を支持しつつ、台車枠１３から車体５に伝わる振動を低減する装置（まくらばね）である。空気ばね６は、図４に示すように、台車７Ａ，７Ｂの右側と左側とにそれぞれ配置されている。
【0018】
図２及び図３に示す台車７Ａ，７Ｂは、車体５を支持して走行する装置である。台車７Ａ，７Ｂは、いずれも同一構造であり、台車７Ａは車両４Ａ～４Ｃの前位側の第１台車であり、台車７Ｂは車両４Ａ～４Ｃの後位側の第２台車である。台車７Ａ，７Ｂは、図２及び図３に示す輪軸８Ａ～８Ｄと、図４に示す軸受１１と、図１～図４に示す軸箱体１２と、図２～図４に示す台車枠１３と、図２に示す軸はり１４と、図２及び図４に示す軸ばね１５とを備えている。図２及び図３に示す台車７Ａ，７Ｂは、例えば、在来線車両などに使用される軸はり式の軸箱支持装置を備える台車であり、図２に示すように軸箱体１２と一体となった軸はり１４を台車枠１３に回転自在に連結する構造である。
【0019】
図２及び図３に示す輪軸８Ａ～８Ｄは、車輪９と車軸１０とを組み立てた部材である。輪軸８Ａ～８Ｄは、いずれも同一構造であり、輪軸８Ａは台車７Ａの前位側の輪軸であり、輪軸８Ｂは台車７Ａの後位側の輪軸であり、輪軸８Ｃは台車７Ｂの前位側の輪軸であり、輪軸８Ｄは台車７Ｂの後位側の輪軸である。車輪９は、レール２と転がり接触する部材である。車輪９は、図４に示すように、レール２のレール頭部２ａの頭頂面と接触して摩擦抵抗を受ける踏面９ａと、脱輪を防止するために車輪９の外周部に連続して形成されたフランジ面９ｂなどを備えている。車軸１０は、車輪９と一体となって回転する部材である。車軸１０は、この車軸１０の両端に車軸端部１０ａを備えている。車軸１０は、車軸端部１０ａ側に左右一対の車輪９が圧入され取り付けられている。図４に示す軸受１１は、車軸１０の車軸端部１０ａを回転自在に支持する部材である。軸受１１は、車軸１０のジャーナル部に取り付けられており、転動体の転がり運動によって荷重を支持しつつ回転を案内する転がり軸受である。
【0020】
図１～図４に示す軸箱体１２は、軸受１１を収容する部材である。軸箱体１２は、車軸１０を保持する軸箱を構成する鋳鋼製又はアルミニウム鋳物製の主要部材である。軸箱体１２は、図２に示すように、この軸箱体１２の外部に軸はり１４及び軸ばね１５が取り付けられており、図４に示すようにこの軸箱体１２の内部に軸受１１を介して車軸１０が嵌め込まれている。軸箱体１２は、軸箱支持装置によって台車枠１３の所定の位置に保持されている。軸箱体１２は、この軸箱体１２に軸受１１を挿入可能とするために、図１０に示すようにこの軸箱体１２の内周部と軸受１１の外周部との間に、在来線車両の場合に約0.3mm程度の隙間（遊び）Δ2が設計上形成されている。
【0021】
図２～図４に示す台車枠１３は、台車７Ａ，７Ｂを構成する主要部材である。台車枠１３は、左右の側梁とこれらをつなぐ横梁などによって構成されている。台車枠１３は、図示しないけん引装置によって車体５に連結されており、車体５との間で前後方向の力が伝達される。
【0022】
図２に示す軸はり１４は、軸箱体１２を支持する部材である。軸はり１４は、一方の端部が軸箱体１２と一体に固定されており、他方の端部がゴムブシュ及びピンを介して台車枠１３に回転自在に連結（ピン結合）されているリンク梁である。軸はり１４は、台車枠１３に対してピンを回転中心として回転することによって、軸箱体１２を上下方向に移動可能にする。
【0023】
図２及び図４に示す軸ばね１５は、軸箱体１２と台車枠１３との間の衝撃を緩和する部材である。軸ばね１５は、軸箱体１２と台車枠１３との間で垂直荷重を弾性的に支持しており、台車枠１３に対して上下支持ばね作用を軸箱体１２に付与するとともに、前後及び左右支持剛性を備えている。軸ばね１５は、例えば、コイルばね、積層ゴム又はロールゴムなどである。
【0024】
図１～図４に示す衝撃検出システム１６は、線路１上を走行する車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出するシステムである。衝撃検出システム１６は、図１～図３に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄと、図１～図４に示す衝撃検出装置２４と、告知装置３６Ａ，３６Ｂとを備えている。衝撃検出システム１６は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの出力信号を利用して、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出装置２４によって検出し、衝撃検出装置２４の出力信号に基づいて、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を衝撃検出装置２４によって検出する。衝撃検出システム１６は、既設の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄ及び告知装置３６Ａ，３６Ｂとともに列車３に搭載されている。衝撃検出システム１６は、車両４Ａ～４Ｃの各種機器を一括して管理する列車情報管理システムの一部を利用、又は列車情報管理システムに追加することによって構成されている。
【0025】
図１～図３に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する装置である。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０側とは非接触で車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する非接触式の速度検出装置である。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、図１に示すように、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄ毎に車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する。速度検出装置１７Ａは輪軸８Ａの軸周速度を検出し、速度検出装置１７Ｂは輪軸８Ｂの軸周速度を検出し、速度検出装置１７Ｃは輪軸８Ｃの軸周速度を検出し、速度検出装置１７Ｄは輪軸８Ｄの軸周速度を検出する。図１～図４に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０の回転数に応じた電圧を発生して、輪軸８Ａ～８Ｄの回転速度を計測する速度発電機である。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、図５及び図６に示すように、磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差を生じさせる電磁誘導を利用して発電する。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、いずれも同一構造であり、図５及び図６に示す歯車（回転子）１８と、発電部１９と、図５に示す保護部２３とを備えている。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄは、図５に示すように、車軸端部１０ａに取り付けた歯車の歯先１８ｂと磁極２１Ａ，２１Ｂとの間に1mm程度の隙間Δ1をあけて、非接触式の磁気センサを軸箱体１２に取り付けて、歯車の回転数を検知し列車速度に換算して出力する。以下では、図１～図５に示す速度検出装置１７Ａを中心に説明し、速度検出装置１７Ｂ～１７Ｄについては詳細な説明を省略する。
【0026】
図５及び図６に示す速度検出装置１７Ａは、輪軸８Ａ側の歯車１８と軸箱体１２側の磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の隙間Δ1で磁束が変化することによって発生する誘導起電力を出力信号として出力する。速度検出装置１７Ａは、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、歯車１８及び発電部１９によって磁気回路を構成しており、誘導子として機能する歯車１８が回転して磁束が変化したときに、図６（Ｃ）に示すように交流電圧（交流波形）を発生する。速度検出装置１７Ａは、車両４Ａの速度が極低速（例えば10km/h未満）であるときには速度に比例して周波数及び振幅が増加するような出力信号を出力し、車両４Ａの速度が約10km/h以上であるときには速度の影響が少なく、主に隙間Δ1に応じて振幅が変化するような出力信号を出力する。速度検出装置１７Ａは、図６（Ｃ）に示すように、車両４Ａの速度に応じた周波数と隙間Δ1に応じた振幅をもつ速度検出信号(出力信号 (出力電圧)) Ｓ1を衝撃検出装置２４に出力する。
【0027】
図５及び図６に示す歯車１８は、車軸端部１０ａと一体となって回転する部材である。歯車１８は、図５に示すように、この歯車１８の回転中心と車軸１０の車軸端部１０ａの中心線とが一致するように、図４に示すように車軸端部１０ａに取り付けられている。歯車１８は、図５及び図６に示すように、この歯車１８の外周部の周方向に所定の間隔をあけて歯１８ａを備えている。歯１８ａは、歯車１８の先端部である歯先１８ｂと、歯車１８の根本部である歯底１８ｃとを備えている。
【0028】
図５及び図６に示す発電部１９は、歯車１８の回転に応じて誘導起電力を発生する部分である。発電部１９は、歯車１８との間に隙間Δ1をあけて軸箱体１２に取り付けられており、歯車１８が回転することによって発生する誘導起電力を出力信号として出力する。発電部１９は、車両４Ａの速度を検出するセンサ部として機能し、歯車１８の回転数に比例する周波数の交流電圧を発生する。発電部１９は、図１、図２及び図５に示すように、軸箱体１２に対して略水平に取り付けられている。発電部１９は、図５及び図６に示すように、永久磁石２０と、検出コイル２２Ａ，２２Ｂとを備えている。
【0029】
図５及び図６に示す永久磁石２０は、磁場を発生する部材である。永久磁石２０は、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石又はネオジム磁石などである。磁極２１Ａ，２１Ｂは、歯車１８を引き付ける力が最も強くなる部分である。磁極２１Ａ，２１Ｂは、永久磁石２０の両端部に形成されており、一方がＮ極であり他方がＳ極である。磁極２１Ａ，２１Ｂは、歯先１８ｂ及び歯底１８ｃと隙間Δ1をあけて対向するように配置されている。磁極２１Ａ，２１Ｂは、図６（Ａ）に示すように歯先１８ｂと対向しているときには隙間Δ1が狭くなり、図６（Ｂ）に示すように歯底１８ｃとが対向しているときには隙間Δ1が広くなる。
【0030】
図５及び図６に示す検出コイル２２Ａ，２２Ｂは、歯車１８と磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の磁束の変化によって発生する誘導起電力を検出するコイルである。検出コイル２２Ａは、磁極２１Ａに巻き回されており、検出コイル２２Ｂは磁極２１Ｂに巻き回されている。検出コイル２２Ａ，２２Ｂは、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、歯車１８が回転して磁極２１Ａ，２１Ｂと歯先１８ｂ及び歯底１８ｃとの間の隙間Δ1における磁束が連続的に繰り返して変化することによって、図６（Ｃ）に示すように交流電圧を発生する。図５に示す保護部２３は、歯車１８及び発電部１９を保護する部分である。保護部２３は、歯車１８及び発電部１９を覆う蓋状のカバーであり、軸箱体１２に着脱自在に取り付けられている。
【0031】
次に、この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置を備える車両に使用される速度検出装置の原理を説明する。
図１及び図２に示すように、線路１上を車両４Ａ～４Ｃが走行すると、レール２上を車輪９が転動して、車軸１０と一体となって歯車１８が回転する。図６（Ａ）に示すように、歯車１８の歯先１８ｂと磁極２１Ａ，２１Ｂとが対向すると、これらの間の隙間Δ1が狭くなるため、隙間Δ1の磁束が最大となり、検出コイル２２Ａ，２２Ｂが出力する電圧が最大になる。一方、図６（Ｂ）に示すように、歯車１８の歯底１８ｃと磁極２１Ａ，２１Ｂとが対向すると、これらの間の隙間Δ1が広くなるため、隙間Δ1の磁束が最小になり、検出コイル２２Ａ，２２Ｂが出力する電圧の最小になる。歯車１８が回転することによって、歯車１８と磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の磁束が連続して繰り返し変化して、図６（Ｃ）に示すように車両４Ａ～４Ｃの走行速度に応じた周波数の交流電圧を発電部１９が出力する。例えば、車両４Ａ～４Ｃの走行速度が比較的高いときには、周波数が比較的高い交流電圧を発電部１９が発生し、車両４Ａ～４Ｃの走行速度が比較的低いときには、周波数が比較的低い交流電圧を発電部１９が発生する。
図１及び図２に示すように、線路１上を車両４Ａ～４Ｃが走行すると、レール２上を車輪９が転動して、車軸１０と一体となって歯車１８が回転する。図６（Ａ）に示すように、歯車１８の歯先１８ｂと磁極２１Ａ，２１Ｂとが対向すると、これらの間の隙間Δ1が狭くなるため、隙間Δ1の磁束が最大となり、検出コイル２２Ａ，２２Ｂが出力する電圧が最大になる。一方、図６（Ｂ）に示すように、歯車１８の歯底１８ｃと磁極２１Ａ，２１Ｂとが対向すると、これらの間の隙間Δ1が広くなるため、隙間Δ1の磁束が最小になり、検出コイル２２Ａ，２２Ｂが出力する電圧の最小になる。歯車１８が回転することによって、歯車１８と磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の磁束が連続して繰り返し変化して、図６（Ｃ）に示すように車両４Ａ～４Ｃの走行速度に応じた周波数の交流電圧を発電部１９が出力する。例えば、車両４Ａ～４Ｃの走行速度が比較的高いときには、周波数が比較的高い交流電圧を発電部１９が発生し、車両４Ａ～４Ｃの走行速度が比較的低いときには、周波数が比較的低い交流電圧を発電部１９が発生する。
【0032】
図１～図４、図７及び図８に示す衝撃検出装置２４は、線路１上を走行する車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する装置である。衝撃検出装置２４は、車両４Ａ～４Ｃに搭載されている既設の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1を利用して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する。衝撃検出装置２４は、線路１側の異常に起因して輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃と、車両４Ａ～４Ｃ側の異常に起因して輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃とを検出する。衝撃検出装置２４は、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃の原因である線路１側の異常の内容と車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容とを検出するとともに、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常の発生箇所を検出する。
【0033】
ここで、線路１側の異常の内容とは、例えば、線路１上の置石などの障害物、レール継目部の前後のレール２の頭頂面の高さに差が生じる段違い、レール２の腐食による異常摩耗、レール２の頭頂面に一定間隔で形成される波状摩耗、レール２の傷又は折損、まくらぎを支持する道床が沈下する軌道沈下、まくらぎと道床との間に隙間ができる浮きまくらぎ、道床を支持する路盤の表面が陥没する路盤陥没などである。車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容とは、例えば、レール２上で車輪９が固着又は滑走したときにレール２との摩擦によって車輪９の踏面９ａに形成されるフラット、車軸１０又は軸受１１の亀裂又は摩耗などの損傷、空気ばね６、軸箱体１２、台車枠１３又は軸はり１４などの損傷である。異常の発生箇所とは、例えば、異常が発生した車両４Ａ～４Ｃの総数を表す車両数、異常が発生した車両４Ａ～４Ｃが何号車であるかを表す号車番号、異常が発生した輪軸８Ａ～８Ｄの総数を表す輪軸数、異常が発生した輪軸８Ａ～８Ｄが何番目であるかを表す軸番号などである。
【0034】
衝撃検出装置２４は、図１０に示すように、軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ2の変動によって生じる速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1の変化に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出して、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検出する。衝撃検出装置２４は、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号（電圧波形）Ｓ1を包絡線処理して振幅信号（振幅波形）Ｓ2を出力する。衝撃検出装置２４は、図９（Ｂ）（Ｃ）に示すように、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する周波数成分をフィルタ処理によって振幅信号Ｓ2から抽出し、抽出後の衝撃検出信号Ｓ3のレベルが基準値（しきい値）Thを超えるときには線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に異常があると判定する。衝撃検出装置２４は、図７に示す信号入力部２５と、図７及び図８に示す走行位置演算部２６と、速度演算部２７と、振幅抽出部２８と、衝撃検出部２９と、異常検出部３０と、異常判定基準記憶部３１と、告知指令部３２と、検出結果記憶部３３と、図７に示す衝撃検出プログラム記憶部３４と、制御部３５とを備えている。
【0035】
図９は、衝撃検出装置２４による衝撃の検出過程を一例として示すグラフである。図９（Ａ）は速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1の波形を一例として示すグラフであり、縦軸は出力信号[V]であり、横軸は時間[s]である。図９（Ｂ）は速度検出信号Ｓ1を包絡線処理して振幅を抽出した振幅信号Ｓ2の波形を一例として示すグラフであり、縦軸は出力信号[V]であり、横軸は時間[s]である。図９（Ｃ）は包絡線処理後の振幅信号Ｓ2をフィルタ処理して衝撃成分を抽出した抽出後の衝撃検出信号Ｓ3の波形を一例として示すグラフであり、縦軸はフィルタ処理後の成分[V]であり、横軸は時間[s]である。衝撃検出装置２４は、図９（Ａ）に示す速度検出信号Ｓ1を、図９（Ｂ）に示す包絡線処理して包絡線のみを取り出した振幅信号Ｓ2を生成し、図９（Ｂ）に示す包絡線処理後の振幅信号Ｓ2を、図９（Ｃ）に示すフィルタ処理して抽出後の衝撃検出信号Ｓ3を生成し、衝撃に起因する信号成分を抽出する。
【0036】
図７に示す信号入力部２５は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度出力信号Ｓ1を入力させる手段である。信号入力部２５は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1を制御部３５に出力する。信号入力部２５は、例えば、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1を制御部３５に入力させるインタフェース(I/F)回路などである。
【0037】
図７及び図８に示す走行位置演算部２６は、車両４Ａ～４Ｃの走行位置を演算する手段である。走行位置演算部２６は、例えば、線路１の特定地点に設置された自動列車停止装置(ATS)のATS車上子が出力する絶対位置情報を受信して車両４Ａ～４Ｃの絶対位置を検出し、次のATS地上子に車両４Ａ～４Ｃが到達するまで、車両４Ａ～４Ｃの走行距離を演算する。走行位置演算部２６は、例えば、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換部と、このA/D変換部が出力する出力信号を処理するディジタルフィルタ部などを備えている。走行位置演算部２６は、速度検出信号Ｓ1を距離パルス信号に変換して、この距離パルス信号を積算して車両４Ａ～４Ｃの走行距離を演算する。走行位置演算部２６は、起点からの車両４Ａ～４Ｃの走行距離（移動距離）を走行位置信号（走行位置データ）として制御部３５に出力する。
【0038】
速度演算部２７は、車両４Ａ～４Ｃの速度を演算する手段である。速度演算部２７は、例えば、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換部と、このA/D変換部が出力する出力信号を処理するディジタルフィルタ部などを備えている。速度演算部２７は、速度検出信号（図５に示す歯車１８の歯数に応じた交流波形）Ｓ1を距離パルス信号に変換して、この距離パルス信号を一定時間内で積算して移動平均を演算し車両４Ａ～４Ｃの走行速度を演算する。速度演算部２７は、車両４Ａ～４Ｃの走行速度を速度信号（速度データ）として制御部３５に出力する。
【0039】
振幅抽出部２８は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1から振幅を抽出する手段である。振幅抽出部２８は、例えば、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1を包絡線処理（エンベロープ処理）して速度検出信号Ｓ1の振幅を演算する。ここで、包絡線処理とは、図９（Ａ）に示す出力電圧の波形の包絡線を演算する処理である。振幅抽出部２８は、例えば、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1をアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換部と、このA/D変換部が出力する出力信号から包絡線を取り出す包絡線検波回路などを備えている。振幅抽出部２８は、例えば、図９（Ａ）に示すような速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する出力電圧の変化を表す波形の振幅の外形を取り出す包絡線処理して、図９（Ｂ）に示すような出力電圧の振幅の変化を表す波形に変換する。振幅抽出部２８は、抽出後の振幅信号（振幅データ）Ｓ2を制御部３５に出力する。
【0040】
衝撃検出部２９は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの出力信号に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する手段である。衝撃検出部２９は、振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する。衝撃検出部２９は、図１０に示す軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ2でこれらが相対変位することによって、図５に示す歯車１８と磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の隙間Δ1でこれらが相対変位したときに、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する。衝撃検出部２９は、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄ毎に衝撃を検出する。衝撃検出部２９は、複数のフィルタ部Ｆ1，…，ＦNを備えている。
【0041】
次に、この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の衝撃検出部による検出原理を説明する。
図１０は、軸受１１と軸箱体１２との位置が相対的に変動する状態を示す模式図である。図１０に示すように、主に前後接線力Ｆtの影響によって軸受１１と軸箱体１２との位置が相対的に変動する。ここで、図１０に示す垂直荷重Ｆvは、車体５及び台車７Ａ，７Ｂに対して垂直方向に作用する荷重である。前後接線力Ｆtは、レール２上を車輪９が転がるときに、レール２と車輪９との接触面に平行な方向に作用する力である。隙間Δ21～Δ24は、それぞれ上方、下方、前方及び後方に形成される軸受１１の外周部と軸箱体１２の内周部との間の間隔である。前後接線力Ｆtは、車両４Ａ～４Ｃが引張力を発生して走行する力行時には進行方向前側に作用し、走行している車両４Ａ～４Ｃを減速又は停止させるブレーキ時には進行方向後側に作用する。
図１０は、軸受１１と軸箱体１２との位置が相対的に変動する状態を示す模式図である。図１０に示すように、主に前後接線力Ｆtの影響によって軸受１１と軸箱体１２との位置が相対的に変動する。ここで、図１０に示す垂直荷重Ｆvは、車体５及び台車７Ａ，７Ｂに対して垂直方向に作用する荷重である。前後接線力Ｆtは、レール２上を車輪９が転がるときに、レール２と車輪９との接触面に平行な方向に作用する力である。隙間Δ21～Δ24は、それぞれ上方、下方、前方及び後方に形成される軸受１１の外周部と軸箱体１２の内周部との間の間隔である。前後接線力Ｆtは、車両４Ａ～４Ｃが引張力を発生して走行する力行時には進行方向前側に作用し、走行している車両４Ａ～４Ｃを減速又は停止させるブレーキ時には進行方向後側に作用する。
【0042】
図１に示すように、車両４Ａ～４Ｃが走行しているときに輪軸８Ａ～８Ｄに作用する外力が変化すると、図１０に示すように軸受１１と軸箱体１２との相対位置が変動して前後方向の隙間Δ21，Δ22が変動する。図１及び図５に示すように、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの発電部１９が輪軸８Ａ～８Ｄに対して前後方向に取り付けられているため、図１０に示す軸受１１と軸箱体１２との相対位置が変動すると、図５に示す歯車１８の歯先１８ｂと磁極２１Ａ,２１Ｂとの間の相対位置も変動する。このため、図１０に示す輪軸８Ａ～８Ｄに衝撃が加わって、軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ21，Δ22が変動すると、図５に示す車軸端部１０ａに取り付けられている歯車１８と発電部１９との間の隙間Δ1も変動し、図９に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に振幅の変化として現れる。その結果、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1の振幅の変化を輪軸８Ａ～８Ｄへの外力の変化として衝撃検出装置２４が検出する。
【0043】
図８に示すフィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する周波数成分を速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの出力信号から抽出する手段である。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、図９（Ｂ）に示す包絡線の波形から所定の周波数成分を取り出すために、振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2をフィルタ処理する。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、例えば、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する通過帯域（周波数帯域）の出力信号のみを通過させ、この通過帯域以外の出力信号を減衰させる帯域通過フィルタ(band-pass filter(BPF))などのフィルタ回路である。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、例えば、異なる複数の通過帯域を有するデュアルバンド帯域通過フィルタを構成している。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃の原因となる異常の内容毎に通過帯域が設定されている。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、例えば、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に発生した異常によって輪軸８Ａ～８Ｄに衝撃が加わったときに、この衝撃に起因する周波数成分を抽出可能なように、衝撃の原因となった異常の内容毎にそれぞれ異なる通過帯域に設定されている。
【0044】
フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、車両４Ａ～４Ｃの速度に応じてこのフィルタ部Ｆ1，…，ＦNの通過帯域を変更する。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、例えば、速度演算部２７が演算する車両４Ａ～４Ｃの速度に基づいて、車輪９の回転周期よりも早い脈動成分を、振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2から抽出する。フィルタ部Ｆ1，…，ＦNは、抽出後の衝撃に起因する周波数成分を衝撃検出信号Ｓ3として制御部３５に出力する。
【0045】
図７及び図８に示す異常検出部３０は、衝撃検出部２９の検出結果に基づいて、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検出する手段である。異常検出部３０は、車両４Ａ～４Ｃの各輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０毎に異常が発生したか否かを検出する。異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3のレベルと基準値Thとを比較する比較器として機能するとともに、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に異常が発生したか否かを判定する判定器としても機能する。異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3に基づいて、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に異常が発生したか否かを判定する。異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3のレベルが基準値Thを超えるか否かを判定する。
【0046】
異常検出部３０は、図１１に示すように、輪軸８Ａ～８Ｄに衝撃が加わったときの速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの出力信号の振幅が基準値Thを超えるときには、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に異常が発生したと判定する。異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3が基準値Thを超えるときには線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に異常が発生したと判定する。一方、異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3が基準値Th以下であるときには線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側が正常であると判定する。異常検出部３０は、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNを通過後の衝撃検出信号Ｓ3が、異常の内容毎に設定されている基準値Thを超えたか否かを判定することによって、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃の原因となった異常の内容が何であるかを検出する。例えば、障害物を踏んだときに発生する異常であるか否かを判定するために設定されている基準値Thを、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNを通過後の衝撃検出信号Ｓ3が超えたときには、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃の原因となる異常の内容が障害物を踏んだことにより発生した異常であると判定する。
【0047】
異常検出部３０は、線路１側に起因する異常又は車両４Ａ～４Ｃ側に起因する異常であるかを、衝撃検出信号Ｓ3が基準値Thを超える頻度（衝撃検出信号Ｓ3の繰り返し周波数）を利用して判別する。異常検出部３０は、例えば、図１１（Ａ）に示すように、衝撃検出信号Ｓ3が基準値Thを１回のみ超えており、衝撃を検出した通過地点を通過した後には基準値Thを超えていないときには、車輪９が障害物を踏んだか継目段違いを通過するなどのような線路１側の異常に起因すると判断する。一方、異常検出部３０は、例えば、図１１（Ｂ）に示すように、衝撃検出信号Ｓ3が基準値Thを所定の時間間隔ΔＴで繰り返し超えて衝撃が継続するときには、車輪９のフラットや軸受１１の損傷などのような車両４Ａ～４Ｃ側の異常に起因すると判断する。
【0048】
異常検出部３０は、異常の発生箇所を検出する。異常検出部３０は、例えば、先頭から何両目の車両４Ａ～４Ｃに異常が発生したか、先頭から何番目の輪軸８Ａ～８Ｄに異常が発生したかなどを検出する。異常検出部３０は、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検出したときには、各異常の内容及び各異常の発生箇所に対応する異常検出信号Ｓ4を制御部３５に出力する。
【0049】
異常検出部３０は、車両４Ａ～４Ｃの走行位置に基づいて基準値Thを変更して、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検出する。異常検出部３０は、異常判定基準記憶部３１が記憶する基準値Thを、車両４Ａ～４Ｃの走行位置に基づいて変更し、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNを通過後の衝撃検出信号Ｓ3が、変更後の基準値Thを超えたか否かを判定する。異常検出部３０は、例えば、車両４Ａ～４Ｃの走行位置に基づいて、車両４Ａ～４Ｃが分岐器やレール継目部を通過していると判定したときには、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃が通常よりも大きくなることが正常であるため、基準値Thを比較的高い値に変更して、異常の有無を判定する。一方、異常検出部３０は、車両４Ａ～４Ｃの走行位置に基づいて、分岐器やレール継目部以外を通過していると判定したときには、輪軸８Ａ～８Ｄに僅かな衝撃が加わったときでも異常であるため、基準値Thを比較的低い値に変更して、異常の有無を判定する。
【0050】
異常判定基準記憶部３１は、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を判定するときの判定基準を記憶する手段である。異常判定基準記憶部３１は、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側に発生する異常の内容毎に基準値Thを判定基準データとして記憶する記憶装置である。異常判定基準記憶部３１は、例えば、線路１側の異常を異常の内容毎に判定するための基準値Thと、車両４Ａ～４Ｃ側の異常を異常の内容毎に判定するための基準値Thとを記憶する。異常判定基準記憶部３１は、制御部３５によってアクセス可能なように判定基準データが電子的に保存されているデータベースである。
【0051】
告知指令部３２は、異常検出部３０の検出結果の告知を告知装置３６Ａ，３６Ｂに指令する手段である。告知指令部３２は、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容及び発生箇所を告知装置３６Ａ，３６Ｂが告知するように、告知装置３６Ａ，３６Ｂに告知動作を指令する。告知指令部３２は、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に発生する異常の内容及び異常の検出箇所に応じた告知指令信号を告知装置３６Ａ，３６Ｂに出力する。
【0052】
検出結果記憶部３３は、衝撃検出装置２４の検出結果を記憶する手段である。検出結果記憶部３３は、衝撃検出部２９の検出結果及び異常検出部３０の検出結果を検出時間及び走行距離と対応させて記憶する記憶装置である。検出結果記憶部３３は、例えば、車両４Ａ～４Ｃに衝撃が加わった場所及び時間を特定可能なように、衝撃検出部２９の検出結果を記憶するとともに、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常が検出された場所及び時間を特定可能なように、異常検出部３０の検出結果を記憶する。
【0053】
図７に示す衝撃検出プログラム記憶部３４は、線路１上を走行する車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出する衝撃検出プログラムを記憶する手段である。衝撃検出プログラム記憶部３４は、情報記録媒体から読み取った衝撃検出プログラム又は電気通信回線を通じて取り込まれた衝撃検出プログラムを記憶する記憶装置などである。
【0054】
制御部３５は、衝撃検出装置２４に関する種々の動作を制御する中央処理部(CPU)である。制御部３５は、衝撃検出プログラム記憶部３４から衝撃検出プログラムを読み出して、この衝撃検出プログラムに従って衝撃検出処理を実行する。制御部３５は、例えば、信号入力部２５から入力する速度検出信号Ｓ1を走行位置演算部２６、速度演算部２７及び振幅抽出部２８に出力したり、走行位置演算部２６が出力する走行位置信号を検出結果記憶部３３に出力したり、走行位置演算部２６の演算結果の記憶を検出結果記憶部３３に指令したり、速度演算部２７が出力する速度信号を衝撃検出部２９に出力したり、振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2を衝撃検出部２９に出力したり、異常判定基準記憶部３１から判定基準データを読み出して異常検出部３０に出力したり、衝撃検出部２９が出力する衝撃検出信号Ｓ3を異常検出部３０に出力したり、衝撃検出部２９の検出結果及び異常検出部３０の検出結果の記憶を検出結果記憶部３３に指令したり、異常判定基準記憶部３１から基準値Thを読み出して異常検出部３０に出力したり、異常検出部３０の検出結果の記憶を検出結果記憶部３３に指令したり、異常検出部３０が出力する異常検出信号Ｓ4を告知指令部３２に出力したりする。制御部３５は、信号入力部２５、走行位置演算部２６、速度演算部２７、振幅抽出部２８、衝撃検出部２９、異常検出部３０、異常判定基準記憶部３１、告知指令部３２、検出結果記憶部３３及び衝撃検出プログラム記憶部３４などと通信可能に接続されている。
【0055】
図１に示す告知装置３６Ａ，３６Ｂは、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を告知する装置である。告知装置３６Ａ，３６Ｂは、衝撃検出装置２４の異常検出部３０が線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検出したときに、告知指令部３２が出力する告知指令信号を受信して、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側に発生する異常の内容及び発生箇所を告知する。告知装置３６Ａ，３６Ｂは、乗務員が乗務する乗務員室内で種々の情報を乗務員に対して表示する運転台表示器などである。図１～図４に示す告知装置３６Ａは先頭の車両４Ａの乗務員室内に設置されており、図１に示す告知装置３６Ｂは後尾の車両４Ｃの乗務員室内に設置されている。告知装置３６Ａ，３６Ｂは、例えば、異常の内容、発生箇所、発生地点及び発生時刻などの情報を文字、図形、記号、色彩又はこれらの組み合わせによって案内する液晶画面などの表示装置や、これらの情報を音で案内するスピーカ又は警報音などの音発生装置である。告知装置３６Ａ，３６Ｂは、例えば、列車情報管理システムの表示装置又は音声発生装置を利用可能である。
【0056】
次に、この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置の動作について説明する。
以下では、図７に示す制御部３５の動作を中心に説明する。
図１２に示すステップ（以下、Ｓという）１００において、衝撃検出プログラム記憶部３４から衝撃検出プログラムを制御部３５が読み込む。図１に示す車両４Ａ～４Ｃが運行を開始して衝撃検出装置２４に電源装置から電力が供給されて衝撃検出装置２４が起動すると、図７に示す衝撃検出プログラム記憶部３４から衝撃検出プログラムを制御部３５が読み出して、一連の衝撃検出処理を制御部３５が実行する。
以下では、図７に示す制御部３５の動作を中心に説明する。
図１２に示すステップ（以下、Ｓという）１００において、衝撃検出プログラム記憶部３４から衝撃検出プログラムを制御部３５が読み込む。図１に示す車両４Ａ～４Ｃが運行を開始して衝撃検出装置２４に電源装置から電力が供給されて衝撃検出装置２４が起動すると、図７に示す衝撃検出プログラム記憶部３４から衝撃検出プログラムを制御部３５が読み出して、一連の衝撃検出処理を制御部３５が実行する。
【0057】
Ｓ２００において、速度検出信号Ｓ1が入力したか否かを制御部３５が判断する。図１に示す車両４Ａ～４Ｃが走行を開始して速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが速度検出信号Ｓ1を衝撃検出装置２４に出力すると、図８に示す速度検出信号Ｓ1が信号入力部２５を通じて図７に示す制御部３５に入力する。図１に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄから速度検出信号Ｓ1が入力したと制御部３５が判断したときにはＳ３００に進み、速度検出信号Ｓ1が入力していないと制御部３５が判断したときには、速度検出信号Ｓ1が入力するまでＳ２００の判断を制御部３５が繰り返す。
【0058】
Ｓ３００において、振幅抽出部２８に振幅の抽出を制御部３５が指令する。図１に示す速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1が図８に示す振幅抽出部２８に入力すると、図９（Ｂ）に示すように速度検出信号Ｓ1を振幅抽出部２８が包絡線処理して、包絡線処理後の振幅信号Ｓ2を振幅抽出部２８が衝撃検出部２９に出力する。
【0059】
Ｓ４００において、衝撃検出部２９に衝撃の検出を制御部３５が指令する。図８に示す振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2が衝撃検出部２９に入力すると、図９（Ｃ）に示すように輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する周波数成分を振幅信号Ｓ2からフィルタ部Ｆ1，…，ＦNが抽出して、抽出後の衝撃検出信号Ｓ3を衝撃検出部２９が異常検出部３０に出力する。この実施形態では、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容毎に、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNの各通過帯域が設定されている。このため、異常の内容毎に衝撃の有無を衝撃検出部２９が検出し、異常の内容に応じた衝撃検出信号Ｓ3を異常検出部３０に衝撃検出部２９が出力する。
【0060】
Ｓ５００において、異常検出部３０に異常の検出を制御部３５が指令する。図８に示す衝撃検出部２９が出力する衝撃検出信号Ｓ3が異常検出部３０に入力すると、図１１に示すように衝撃検出信号Ｓ3のピーク値が基準値Thを超えているか否かを異常検出部３０が判定する。線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側に発生する異常の内容毎に基準値Thが設定されているため、異常の内容毎に衝撃検出信号Ｓ3が基準値Thを超えているか否かを異常検出部３０が判断する。
【0061】
図１に示すように、列車３が矢印方向に走行しているときに、車両４Ａ～４Ｃの各輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０毎に異常が発生したか否かを異常検出部３０が検出する。例えば、先頭の車両４Ａの第１軸の輪軸８Ａに大きな衝撃が加わって異常検出部３０が異常を検出したが、先頭の車両４Ａの第２軸以降の輪軸８Ｂ～８Ｄに大きな衝撃が加わらず異常検出部３０が異常を検出しない場合がある。この場合には、第１軸の輪軸８Ａが置石のような障害物を踏んだことが衝撃の原因であり、この障害物を輪軸８Ａが踏んだ時点でこの障害物が取り除かれたものと異常検出部３０が判断する。また、図１に示すように、列車３が矢印方向に走行している場合に、編成中の車両４Ａ～４Ｃの全ての輪軸８Ａ～８Ｄが同じ通過位置を通過するときに、異常検出部３０が異常を検出する場合がある。この場合には、異常発生時の走行位置が検出結果記憶部３３に記録されているため、鉄道会社が保有する線路上の軌道構造及び設備などを起点からの距離と対応させてデータベースとして記憶している線路情報を照合して、異常発生時の通過地点がレール継目部又は分岐器などであるか特定される。一方、異常発生時の通過地点が特別な場所ではないときには、レール２の異常摩耗や損傷などがこの通過地点で生じていると異常検出部３０が判断し、検出結果記憶部３３に記録されている異常発生時の通過位置が特定される。さらに、列車３が矢印方向に走行しているときに、走行位置にかかわらず車輪９の回転周波数の整数倍で、異常検出部３０が常に異常を検出するときには、車輪９又は軸受１１が損傷していると異常検出部３０が判断する。その結果、異常の内容毎に異常の発生の有無を異常検出部３０が判定するとともに、異常の発生箇所を異常検出部３０が判断し、異常の内容及び発生箇所に応じた異常検出信号Ｓ4を告知指令部３２に異常検出部３０が出力する。線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側の異常を異常検出部３０が検出したときにはＳ６００に進み、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側の異常を異常検出部３０が検出しなかったときにはＳ７００に進む。
【0062】
Ｓ６００において、異常発生の告知の指令を告知指令部３２に制御部３５が指令する。図８に示す異常検出部３０が出力する異常検出信号Ｓ4が告知指令部３２に入力すると、図１に示す線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容及び発生箇所に応じた告知指令信号を告知指令部３２が告知装置３６Ａ，３６Ｂに指令する。その結果、異常の内容及び発生箇所に応じた警報を告知装置３６Ａ，３６Ｂが発生し、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容及び発生箇所を乗務員が把握して、線路１又は車両４Ａ～４Ｃの安全を乗務員が確認する。例えば、図２に示す先頭の車両４Ａの第１軸の輪軸８Ａに異常が検出されて、先頭の車両４Ａの第２軸以降の輪軸８Ｂ～８Ｄに異常が検出されない場合がある。この場合には、第１軸の輪軸８Ａに損傷がないか乗務員が確認すれば足り、第２軸以降の輪軸８Ｂ～８Ｄについては損傷がないか乗務員が確認する必要がない。また、例えば、図１に示す列車３の編成中の車両４Ａ～４Ｃのうち一部の車両４Ａのみに異常が検出された場合や、図２に示す全ての輪軸８Ａ～８Ｄのうち一部の輪軸８Ａのみに異常が検出されたような場合がある。この場合には、異常が検出された車両４Ａや輪軸８Ａのみを乗務員が確認すれば足り、異常の発生していない車両４Ｂ，４Ｃや輪軸８Ｂ～８Ｄについては乗務員が確認する必要がない。
【0063】
Ｓ７００において、車両４Ａ～４Ｃが運行を終了したか否かを制御部３５が判断する。車両４Ａ～４Ｃが運行を終了したと制御部３５が判断したときには、一連の衝撃検出処理を制御部３５が終了する。一方、車両４Ａ～４Ｃが運行を継続していると制御部３５が判断したときにはＳ２００に戻り、Ｓ２００以降の衝撃検出処理を制御部３５が繰り返す。
【0064】
この発明の第１実施形態に係る衝撃検出装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０側とは非接触で車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出部２９が検出する。このため、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄを利用することによって、車両４Ａ～４Ｃに加わる衝撃を低コストで簡単に検出することができる。例えば、車両４Ａ～４Ｃに搭載されている鉄道車両の既設の非接触式の速度発電機の出力電圧を応用することによって、振動センサや加速度センサなどの新規の検出装置を導入せずに、レール２上の障害物やレール２の異常摩耗のような線路１側の異常や、輪軸８Ａ～８Ｄや軸受１１の損傷などのような車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検知することができる。その結果、レール２や車両４Ａ～４Ｃの状態を監視することによって、走行安全性を向上させることができるとともに、レール２や車両４Ａ～４Ｃの不具合を早期に発見することができる。
(1) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０側とは非接触で車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出部２９が検出する。このため、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄを利用することによって、車両４Ａ～４Ｃに加わる衝撃を低コストで簡単に検出することができる。例えば、車両４Ａ～４Ｃに搭載されている鉄道車両の既設の非接触式の速度発電機の出力電圧を応用することによって、振動センサや加速度センサなどの新規の検出装置を導入せずに、レール２上の障害物やレール２の異常摩耗のような線路１側の異常や、輪軸８Ａ～８Ｄや軸受１１の損傷などのような車両４Ａ～４Ｃ側の異常を検知することができる。その結果、レール２や車両４Ａ～４Ｃの状態を監視することによって、走行安全性を向上させることができるとともに、レール２や車両４Ａ～４Ｃの不具合を早期に発見することができる。
【0065】
(2) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄの車軸端部１０ａを回転自在に支持する軸受１１と、軸受１１を収容する軸箱体１２との間の隙間Δ2で、これらが相対変位したときに速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出部２９が検出する。このため、軸受１１と軸箱体１２との間に形成されている設計上の隙間（遊び）Δ2が変化したときに、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1の振幅が変化する現象を利用して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出することができる。
【0066】
(3) この第１実施形態では、輪軸８Ａ～８Ｄの車軸端部１０ａと一体となって回転する歯車１８と軸箱体１２側の磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の隙間Δ1で磁束が変化することによって発生する誘導起電力を速度検出信号Ｓ1として速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する。また、この第１実施形態では、歯車１８と磁極２１Ａ，２１Ｂとの間の隙間Δ1でこれらが相対変位したときに発生する速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出部２９が検出する。このため、速度検出用の非接触式の速度発電機が鉄道車両に搭載されているときに、振動加速度センサなどを導入せずに、既設の速度発電機の出力電圧を応用して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を簡単に検出することができる。
【0067】
(4) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃに異常が発生したときに輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する周波数成分を、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1からフィルタ部Ｆ1，…，ＦNが抽出する。速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する振幅波形のレベルはレール/車輪間の摩擦係数の影響によって増減するため、正常な場合であっても振幅波形のレベルが増減し、振幅波形のレベルをしきい値によって判定しても異常を正確に検出することができない。この第１実施形態では、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1から衝撃に起因する信号を取り出すことによって、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を簡単に検出することができる。
【0068】
(5) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃの速度に応じてフィルタ部Ｆ1，…，ＦNの通過帯域を変更する。このため、速度検出装置１７Ａ～１７Ｃが出力する速度検出信号Ｓ1に基づいて車軸１０の軸速度を演算し、車輪回転数に応じてフィルタ部Ｆ1，…，ＦNの通過帯域を変更させて、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を正確に検出することができる。
【0069】
(6) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄ毎に速度検出装置１７Ａ～１７Ｂが車両４Ａ～４Ｃの速度を検出し、車両４Ａ～４Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄ毎に衝撃検出部２９が衝撃を検出する。このため、先頭の車両４Ａの輪軸８Ａに過大な衝撃が加わったときには、障害物を輪軸８Ａが踏んだことによって生じる異常であると判断することができる。また、列車３の編成中の全ての輪軸８Ａ～８Ｄに同じ通過地点で過大な衝撃が加わったときには、この通過地点においてレール２の異常摩耗や継目段違いにより発生した異常であると判断することができる。また、通過地点にかかわらず一定間隔で過大な衝撃が加わったときには、車輪９のフラットや軸受１１の損傷により発生した異常であると判断することができる。また、輪軸８Ａ～８Ｄの一部又は全部に過大な衝撃が加わったときに、列車３の何両目までに異常が発生したか、列車３の何号車の何軸目に異常が発生したかを判断することができる。その結果、乗務員が異常の発生している号車の車輪９を確認すれば足りるため、乗務員の安全確認を短時間で行うことができ、列車３の運転を早期に再開することができる。さらに、この第１実施形態では、Ｔ車にのみ搭載されている速度検出装置１７Ａ～１７Ｄを、Ｍ車についても搭載することによって、従来Ｍ車に搭載されているモータの回転から速度を検出する検出装置を省略することができる。その結果、従来Ｍ車に搭載されている検出装置のスペースが空くため、Ｍ車のモータを大型化して高出力化を図ることができる。
【0070】
(7) この第１実施形態では、衝撃検出部２９の検出結果に基づいて、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の異常を異常検出部３０が検出する。このため、例えば、レール２上の障害物、レール２の継目段違い及びレール２の異常摩耗のような線路１側の異常の内容又は発生箇所を具体的に検出することができるとともに、車輪９のフラット及び軸受１１の損傷のような車両４Ａ～４Ｃ側の異常の内容や発生箇所を具体的に検出することができる。
【0071】
(8) この第１実施形態では、車両４Ａ～４Ｃに異常が発生したときに輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃に起因する周波数成分を、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1からフィルタ部Ｆ1，…，ＦNが抽出し、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3の振幅が基準値Thを超えるときには、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側に異常が発生したと異常検出部３０が判定する。このため、例えば、フィルタ部Ｆ1，…，ＦNを通過した後の衝撃検出信号Ｓ3のレベルが基準値Thを超えたか否かを判定することによって、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側に発生した異常を検出することができる。
【0072】
(9) この第１実施形態では、異常検出部３０の検出結果の告知を告知装置３６Ａ，３６Ｂに告知指令部３２が指令する。このため、例えば、車両４Ａ，４Ｃの運転台表示器などを利用して異常を発報することができ、車両４Ａ，４Ｃの乗務員などに異常の発生を迅速に知らせることができる。その結果、車両４Ａ，４Ｃを乗務員が停止させて、乗務員によって線路１や車両４Ａ～４Ｃの安全を確認することができる。また、運転士による運転操作を行わずに列車３を運転する自動運転を実施する場合に、運転士以外の乗務員によっても異常を確認することができる。
【0073】
（第２実施形態）
以下では、図１～図８及び図１０に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２実施形態は、図７及び図８に示す振幅抽出部２８の包絡線処理とは異なる処理によって振幅信号Ｓ2を出力する。振幅抽出部２８は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する位相がずれた複数の速度検出信号Ｓ1から振幅を抽出する。振幅抽出部２８は、交流波形(サイン波形）Ｓ11と、この交流波形Ｓ11に対して90°位相がずれた交流波形（コサイン波）Ｓ12とに基づいて、以下の数１によって振幅波形Ｓ21を演算する。
以下では、図１～図８及び図１０に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２実施形態は、図７及び図８に示す振幅抽出部２８の包絡線処理とは異なる処理によって振幅信号Ｓ2を出力する。振幅抽出部２８は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する位相がずれた複数の速度検出信号Ｓ1から振幅を抽出する。振幅抽出部２８は、交流波形(サイン波形）Ｓ11と、この交流波形Ｓ11に対して90°位相がずれた交流波形（コサイン波）Ｓ12とに基づいて、以下の数１によって振幅波形Ｓ21を演算する。
【0074】
【数1】
【0075】
この第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する位相がずれた複数の速度検出信号Ｓ1に基づいて、速度検出信号Ｓ1の振幅を振幅抽出部２８が抽出する。車両４Ａ～４Ｃの速度の演算に使用される交流波形Ｓ11と、従来全く利用されておらず交流波形Ｓ11に対して位相が90°ずれた交流波形Ｓ12とを、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力している。この第２実施形態では、第１実施形態のような比較的複雑な包絡線処理を行わずに、従来全く利用されていなかった90°位相がずれた交流波形Ｓ12を有効に利用して、簡単な演算式によって交流波形Ｓ11，Ｓ12から振幅波形Ｓ21を演算することができる。
この第２実施形態では、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する位相がずれた複数の速度検出信号Ｓ1に基づいて、速度検出信号Ｓ1の振幅を振幅抽出部２８が抽出する。車両４Ａ～４Ｃの速度の演算に使用される交流波形Ｓ11と、従来全く利用されておらず交流波形Ｓ11に対して位相が90°ずれた交流波形Ｓ12とを、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力している。この第２実施形態では、第１実施形態のような比較的複雑な包絡線処理を行わずに、従来全く利用されていなかった90°位相がずれた交流波形Ｓ12を有効に利用して、簡単な演算式によって交流波形Ｓ11，Ｓ12から振幅波形Ｓ21を演算することができる。
【0076】
（第３実施形態）
図１３及び図１４に示す列車３Ａ～３Ｃは、図１～図４に示す列車３と略同一構造であり、列車間隔をあけて線路１上を走行する。列車３Ａ～３Ｃは、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄと、告知装置３６Ａ，３６Ｂと、送受信装置３７Ａとを備えているが、図１～図４に示す衝撃検出装置２４を備えていない。
図１３及び図１４に示す列車３Ａ～３Ｃは、図１～図４に示す列車３と略同一構造であり、列車間隔をあけて線路１上を走行する。列車３Ａ～３Ｃは、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄと、告知装置３６Ａ，３６Ｂと、送受信装置３７Ａとを備えているが、図１～図４に示す衝撃検出装置２４を備えていない。
【0077】
図１３及び図１４に示す衝撃検出システム１６は、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄと、衝撃検出装置２４と、告知装置３６Ａ～３６Ｃと、送受信装置３７Ａ，３７Ｂとを備えている。衝撃検出システム１６は、各列車３Ａ～３Ｃの送受信装置３７Ａから送信される車両側の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果を地上側の送受信装置３７Ｂによって受信する。衝撃検出システム１６は、各列車３Ａ～３Ｃから受信した速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果に基づいて、地上側の衝撃検出装置２４によって各列車３Ａ～３Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出するとともに、各列車３Ａ～３Ｃの車両４Ａ～４Ｃ側又は線路１側の異常を検出する。衝撃検出システム１６は、地上側の衝撃検出装置２４によって異常を検出したときには、告知装置３６Ｃによって地上側の司令員に異常を告知するとともに、衝撃検出装置２４による異常の検出を地上側の送受信装置３７Ｂから車両側の送受信装置３７Ａに送信する。衝撃検出システム１６は、各列車３Ａ～３Ｃの告知装置３６Ａ，３６Ｂによって異常の発生した各列車３Ａ～３Ｃの乗務員に異常を告知する。
【0078】
衝撃検出装置２４は、各列車３Ａ～３Ｃの車両４Ａ～４Ｃ側から送信される速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果を受信して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を地上側で検出する。衝撃検出装置２４は、各列車３Ａ～３Ｃの車両側の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果を受信する送受信装置３７Ｂが出力する速度検出信号Ｓ1から振幅抽出部２８によって振幅を抽出する。衝撃検出装置２４は、振幅抽出部２８が出力する振幅信号Ｓ2に基づいて、各列車３Ａ～３Ｃの輪軸８Ａ～８Ｃに加わる衝撃を衝撃検出部２９によって検出する。衝撃検出装置２４は、衝撃検出部２９のフィルタ部Ｆ1，…，ＦNが出力する衝撃検出信号Ｓ3に基づいて、各列車３Ａ～３Ｃの車両４Ａ～４Ｃ側の異常又は線路１側に異常が発生したか否かを異常検出部３０によって判定する。衝撃検出装置２４は、異常検出部３０の検出結果の告知を地上側の告知装置３６Ａ，３６Ｂに告知指令部３２によって指令する。衝撃検出装置２４は、異常検出部３０の検出結果を各列車３Ａ～３Ｃの告知装置３６Ａ，３６Ｂが告知するように、地上側の送受信装置３７Ｂから各列車３Ａ～３Ｃの送受信装置３７Ａに告知指令部３２によって指令される。
【0079】
告知装置３６Ｃは、図１～図４、図７及び図８に示す告知装置３６Ａ，３６Ｂと同一構造であり、運転指令所３８の司令員に種々の情報を告知する表示装置又は音発生装置である。告知装置３６Ｃは、例えば、列車３Ａ～３Ｃの運行を管理する運行管理システムの表示装置又は音発生装置を利用可能である。
【0080】
送受信装置３７Ａ，３７Ｂは、列車３Ａ～３Ｃ側と運転指令所３８側との間で種々のデータを送受信する装置である。送受信装置３７Ａは、各列車３Ａ～３Ｃの速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1を速度検出データとして記憶装置に記憶するとともに、この速度検出データを運転指令所３８に逐次送信する車両側サーバなどである。送受信装置３７Ｂは、送受信装置３７Ａが逐次送信する速度検出データを受信して記憶装置に記憶する地上側サーバなどである。送受信装置３７Ａ，３７Ｂは、例えば、無線、電話回線又はインターネット回線などの電気通信回線によって、列車３Ａ～３Ｃと運転指令所３８との間で相互に通信する。送受信装置３７Ｂは、線路１又は車両４Ａ～４Ｂの異常を衝撃検出装置２４が検出したときには、送受信装置３７Ａに異常検出信号Ｓ4を送信するとともに、故障復旧を行う現地作業員の携帯端末装置や、車両４Ａ～４Ｃの検査及び修繕を行う車両基地の端末装置などに異常検出信号Ｓ4を送信する。
【0081】
運転指令所３８は、列車３Ａ～３Ｃを集中監視する機関である。運転指令所３８は、この運転指令所３８内で指令業務を行う指令員が従事する現業機関であり、運行管理システムによって管理される列車３Ａ～３Ｃの運行状況の監視などの業務が指令員によって行われる。運転指令所３８は、衝撃検出装置２４と、告知装置３６Ｃと、送受信装置３７Ｂとを備えている。
【0082】
この発明の第３実施形態に係る衝撃検出システムには、第１実施形態及び第２実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第３実施形態では、輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０側とは非接触で車両４Ａ～４Ｃの速度を速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが車両４Ａ～４Ｃ側で検出し、車両４Ａ～４Ｃ側から送信される速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果を衝撃検出装置２４が受信して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出装置２４が地上側で検出する。このため、線路１上を走行する複数の列車３Ａ～３Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を地上側で集約して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を列車３Ａ～３Ｃ毎に分析することができる。その結果、例えば、列車３Ａ～３Ｃ毎に異常が発生したか否かを判断して、各列車３Ａ～３Ｃの乗務員に異常を告知することができる。
この第３実施形態では、輪軸８Ａ～８Ｄの車軸１０側とは非接触で車両４Ａ～４Ｃの速度を速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが車両４Ａ～４Ｃ側で検出し、車両４Ａ～４Ｃ側から送信される速度検出装置１７Ａ～１７Ｄの検出結果を衝撃検出装置２４が受信して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を衝撃検出装置２４が地上側で検出する。このため、線路１上を走行する複数の列車３Ａ～３Ｃの輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を地上側で集約して、輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を列車３Ａ～３Ｃ毎に分析することができる。その結果、例えば、列車３Ａ～３Ｃ毎に異常が発生したか否かを判断して、各列車３Ａ～３Ｃの乗務員に異常を告知することができる。
【実施例0083】
公益財団法人鉄道総合技術研究所内の試験線に試験車両を走行させて、この試験車両の既設の非接触式の速度発電機の出力信号を使用して、線路及び輪軸の異常検出の可能性を確認するための試験を行った。試験車両は、研究所内の試験線を走行する２両片編成の在来線直流試験電車である。速度発電機は、シンフォニアテクノロジー株式会社製の型式AG48であり、試験車両の付随車（Ｔ車）の軸端に取り付けられている。
【0084】
（置石を模擬した試験）
試験線のレール上に置石した状態で車輪を通過させた置石試験のときの速度発電機の出力信号と、試験線のレール上に置石がない状態で車輪を通過させた通常試験のときの速度発電機の出力信号とを測定した。置石試験及び通常試験は、試験車両を時速30[km/h]で走行させて行った。図１５は、置石試験及び通常試験の結果を示すグラフである。図１５に示す縦軸は第１軸の速度発電機の出力信号を包絡線処理したときの振幅[V]であり、横軸は走行位置[m]である。図１５に示す「置石なし」は通常試験のときの波形であり、「置石あり」は置石試験のときの波形である。図１５の破線部分に示すように、置石通過時の衝撃で波形が変化している。その結果、車輪が置石を踏んだときの衝撃を速度発電機の出力信号の振幅の変化として検知できることが確認された。
試験線のレール上に置石した状態で車輪を通過させた置石試験のときの速度発電機の出力信号と、試験線のレール上に置石がない状態で車輪を通過させた通常試験のときの速度発電機の出力信号とを測定した。置石試験及び通常試験は、試験車両を時速30[km/h]で走行させて行った。図１５は、置石試験及び通常試験の結果を示すグラフである。図１５に示す縦軸は第１軸の速度発電機の出力信号を包絡線処理したときの振幅[V]であり、横軸は走行位置[m]である。図１５に示す「置石なし」は通常試験のときの波形であり、「置石あり」は置石試験のときの波形である。図１５の破線部分に示すように、置石通過時の衝撃で波形が変化している。その結果、車輪が置石を踏んだときの衝撃を速度発電機の出力信号の振幅の変化として検知できることが確認された。
【0085】
（レールの継目段違いを模擬した試験）
試験線のレールの継目板を外して前後のレールの頭頂面の高さ違いを強める継目段違いを施工した状態で車輪を通過させて、図１０に示す軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ21の変動量の変化を測定した。試験線の継目段違いがある状態で車輪を通過させた施工後試験のときの隙間Δ21の変動量と、試験線の継目段違いがない状態で車輪を通過させた施工前試験のときの隙間Δ21の変動量とを測定した。施工後試験は、レール頭頂面の低い側から高い側に車輪が乗り上がるように車輪を通過させた。施工前試験及び施工後試験は、試験車両を時速15[km/h]で走行させて行った。施工前の継目段違いは2.6mmであり、施工後の継目段違いは8mmである。
試験線のレールの継目板を外して前後のレールの頭頂面の高さ違いを強める継目段違いを施工した状態で車輪を通過させて、図１０に示す軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ21の変動量の変化を測定した。試験線の継目段違いがある状態で車輪を通過させた施工後試験のときの隙間Δ21の変動量と、試験線の継目段違いがない状態で車輪を通過させた施工前試験のときの隙間Δ21の変動量とを測定した。施工後試験は、レール頭頂面の低い側から高い側に車輪が乗り上がるように車輪を通過させた。施工前試験及び施工後試験は、試験車両を時速15[km/h]で走行させて行った。施工前の継目段違いは2.6mmであり、施工後の継目段違いは8mmである。
【0086】
図１６は、継目段違いの施工後及び施工前の結果を示すグラフであり、（Ａ）は図１０に示す軸受１１と軸箱体１２との間の隙間Δ21の変動量の変化を示すグラフであり、（Ｂ）は隙間Δ21の変動量の実効値の変化を示すグラフである。図１６（Ａ）に示す縦軸は隙間Δ21の変動量[mm]であり、図１６（Ｂ）に示す縦軸は隙間Δ21の変動量の実効値であり、図１６（Ａ）（Ｂ）に示す横軸は位置[m]である。隙間Δ21の変動量の実効値は、8Hzのハイパスフィルタ通過後の値である。隙間Δ21の変動量は、レーザ変位計（株式会社キーエンス製、型式IL-S025）を試験車両に取り付けて測定した。図１６に示すように、段違いの施工前後で隙間Δ21の変動量及びこの変動量の実効値が大きく変化しており、隙間Δ21の変動量の脈動から衝撃の違いを検知可能である。その結果、レールの継目段違いの増加を速度発電機の出力信号の振幅の変化として検知できることが確認された。
【0087】
（レールの異常摩耗を模擬した試験）
試験線のレールを研磨して最大1.5mmの凹みを施工して腐食による異常摩耗を模擬した試験を行った。試験線に異常摩耗がある状態で車輪を通過させた施工後試験のときの隙間Δ21の変動量と、試験線に異常摩耗がない状態で車輪を通過させた施工前試験のときの隙間Δ21の変動量とを測定した。施工前試験及び施工後試験は、試験車両を時速20[km/h]で走行させて行った。
試験線のレールを研磨して最大1.5mmの凹みを施工して腐食による異常摩耗を模擬した試験を行った。試験線に異常摩耗がある状態で車輪を通過させた施工後試験のときの隙間Δ21の変動量と、試験線に異常摩耗がない状態で車輪を通過させた施工前試験のときの隙間Δ21の変動量とを測定した。施工前試験及び施工後試験は、試験車両を時速20[km/h]で走行させて行った。
【0088】
図１７は、異常摩耗の施工後及び施工前の結果を示すグラフであり、（Ａ）は隙間Δ21の変動量の変化を示すグラフであり、（Ｂ）は隙間Δ21の変動量の実効値の変化を示すグラフである。図１７（Ａ）に示す縦軸は隙間Δ21の変動量[mm]であり、図１７（Ｂ）に示す縦軸は隙間Δ21の変動量の実効値であり、図１７（Ａ）（Ｂ）に示す横軸は位置[m]である。隙間Δ21の変動量の実効値は、8Hzのハイパスフィルタ通過後の値である。図１７に示すように、異常摩耗の施工前後で隙間Δ21の変動量及びこの変動量の実効値が大きく変化しており、隙間Δ21の変動量の脈動から衝撃の違いを検知可能である。その結果、異常摩耗を速度発電機の出力信号の振幅の変化として検知できることが確認された。
【0089】
以上より、線路上を車両が走行しているときに輪軸に働く衝撃によって、軸受と軸箱体との間の隙間が変動し、この隙間の変動によって速度発電機の歯車と磁極との間の隙間も変動して、速度発電機の出力信号の振幅の脈動として検出可能であることが確認された。その結果、速度発電機の出力信号に基づいて車両に加わる衝撃を検出可能であることが確認され、速度発電機の出力信号の振幅に基づいて、線路側及び車両側の異常を検出可能であることが確認された。
【0090】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、複数両の車両４Ａ～４Ｃによって列車３が編成されている場合を例に挙げて説明したが、列車３が１両編成である場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、台車７Ａ，７Ｂが軸はり式台車である場合を例に挙げて説明したが、２枚の板ばねによって軸箱体１２と台車枠１３とを連結する板ばね式台車、又は平行リンク機構を構成する段違いの２つのリンク部材によって軸箱体１２と台車枠１３とを連結するリンク式台車などについても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、在来線を走行する在来線の車両４Ａ～４Ｃの台車７Ａ，７Ｂである場合を例に挙げて説明したが、新幹線（登録商標）を走行する新幹線の車両の台車、又は新幹線と在来線とを相互に走行可能な新在直通運転用の車両の台車などについても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７ＤをＴ車及びＭ車が備えている場合を例に挙げて説明したが、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７ＤをＴ車のみが備える場合についても、この発明を適用することができる。
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、複数両の車両４Ａ～４Ｃによって列車３が編成されている場合を例に挙げて説明したが、列車３が１両編成である場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、台車７Ａ，７Ｂが軸はり式台車である場合を例に挙げて説明したが、２枚の板ばねによって軸箱体１２と台車枠１３とを連結する板ばね式台車、又は平行リンク機構を構成する段違いの２つのリンク部材によって軸箱体１２と台車枠１３とを連結するリンク式台車などについても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、在来線を走行する在来線の車両４Ａ～４Ｃの台車７Ａ，７Ｂである場合を例に挙げて説明したが、新幹線（登録商標）を走行する新幹線の車両の台車、又は新幹線と在来線とを相互に走行可能な新在直通運転用の車両の台車などについても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７ＤをＴ車及びＭ車が備えている場合を例に挙げて説明したが、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７ＤをＴ車のみが備える場合についても、この発明を適用することができる。
【0091】
(2) この実施形態では、非接触式の速度検出装置１７Ａ～１７Ｄとして磁界を通過する歯車１８の回転によって発生する誘導起電力によって車両４Ａ～４Ｃの速度を検出する非接触式の速度発電機を例に挙げて説明したが、このような非接触式の速度発電機にこの発明を限定するものではない。例えば、車軸端部１０ａの速度方向の前方及び後方から２つのレーザ光を照射しそれぞれの反射レーザ光を受光して車両４Ａ～４Ｃの速度を検出するレーザドップラ速度計のような非接触式の速度検出装置についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、磁極２１Ａ，２１Ｂと歯車１８との間に永久磁石２０によって磁場を発生させる場合を例に挙げて説明したが、交流電源から励磁コイル（一次コイル）に電流を流して磁極２１Ａ，２１Ｂと歯車１８との間に磁場を発生させる場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、歯車１８の歯先１８ｂ及び歯底１８ｃと磁極２１Ａ，２１Ｂとを隙間Δ1をあけて対向させる場合を例に挙げて説明したが、歯車１８の一方の側面と磁極２１Ａとを隙間Δ1をあけて対向させ、歯車１８の他方の側面と磁極２１Ｂとを隙間Δ1をあけて対向させる場合についても、この発明を適用することができる。
【0092】
(3) この実施形態では、速度検出装置１７Ａ～１７Ｄが出力する速度検出信号Ｓ1とATS車上子の出力信号とに基づいて車両４Ａ～４Ｃの走行距離を走行位置演算部２６が演算する場合を例に挙げて説明したが、このような演算方法にこの発明を限定するものではない。例えば、GPS(Global Positioning System(全地球測位システム))又は自律航行装置(ジャイロ)を併用して車両４Ａ～４Ｃの走行位置を演算する場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、走行位置演算部２６及び速度演算部２７を衝撃検出装置２４が備えている場合を例に挙げて説明したが、車両４Ａ～４Ｃの既設の速度演算装置及び走行位置演算装置の出力信号を衝撃検出装置２４に入力させて走行位置演算部２６及び速度演算部２７を省略する場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、線路１側及び車両４Ａ～４Ｃ側の衝撃を検出してこれらの異常を検出する場合を例に挙げて説明したが、線路１側又は車両４Ａ～４Ｃ側のいずれか一方の衝撃を検出してこれらの異常を検出する場合についても、この発明を適用することができる。
【0093】
(4) この実施形態では、複数のフィルタ部Ｆ1，…，ＦNを衝撃検出部２９が備える場合を例に挙げて説明したが、１つのフィルタ部Ｆ1を衝撃検出部２９が備える場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、全ての輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出して異常を検出する場合を例に挙げて説明したが、一部の輪軸８Ａ～８Ｄに加わる衝撃を検出して異常を検出する場合についても、この発明を適用することができる。例えば、先頭の車両４Ａの第１軸である輪軸８Ａに加わる衝撃のみを検出して異常を検出することもできる。また、この実施形態では、複数の異常の内容を異常検出部３０が検出する場合を例に挙げて説明したが、一つの異常の内容を異常検出部３０が検出する場合についても、この発明を適用することができる。例えば、置石によって発生する衝撃のみを衝撃検出部２９によって検出し、異常検出部３０によって異常を検出することもできる。さらに、この第１実施形態では、車両４Ａ，４Ｃ側の告知装置３６Ａ，３６Ｂに異常を告知しているが、告知装置３６Ａ，３６Ｂだけではなく運転指令所３８側の告知装置３６Ｃに異常を告知する場合についても、この発明を適用することができる。
【符号の説明】
【0094】
１ 線路
２ レール
３，３Ａ～３Ｃ 列車
４Ａ～４Ｃ 車両
７Ａ，７Ｂ 台車
８Ａ～８Ｄ 輪軸
９ 車輪
１０ 車軸
１０ａ 車軸端部
１１ 軸受
１２ 軸箱体
１４ 軸はり
１６ 衝撃検出システム
１７Ａ～１７Ｄ 速度検出装置
１８ 歯車
１８ａ 歯
１８ｂ 歯先
１８ｃ 歯底
１９ 発電部
２０ 永久磁石
２１Ａ，２１Ｂ 磁極
２２Ａ，２２Ｂ 検出コイル
２４ 衝撃検出装置
２６ 走行位置演算部
２７ 速度演算部
２８ 振幅抽出部
２９ 衝撃検出部
３０ 異常検出部
３１ 異常判定基準記憶部
３２ 告知指令部
３５ 制御部
３６Ａ～３６Ｃ 告知装置
３７Ａ，３７Ｂ 送受信装置
２８ 運転指令所
Δ1，Δ2 隙間
Ｆ1，…，ＦN フィルタ部
Ｓ1 速度検出信号（出力信号）
Ｓ2 振幅信号
Ｓ3 衝撃検出信号
Ｓ4 異常検出信号
Th 基準値
２ レール
３，３Ａ～３Ｃ 列車
４Ａ～４Ｃ 車両
７Ａ，７Ｂ 台車
８Ａ～８Ｄ 輪軸
９ 車輪
１０ 車軸
１０ａ 車軸端部
１１ 軸受
１２ 軸箱体
１４ 軸はり
１６ 衝撃検出システム
１７Ａ～１７Ｄ 速度検出装置
１８ 歯車
１８ａ 歯
１８ｂ 歯先
１８ｃ 歯底
１９ 発電部
２０ 永久磁石
２１Ａ，２１Ｂ 磁極
２２Ａ，２２Ｂ 検出コイル
２４ 衝撃検出装置
２６ 走行位置演算部
２７ 速度演算部
２８ 振幅抽出部
２９ 衝撃検出部
３０ 異常検出部
３１ 異常判定基準記憶部
３２ 告知指令部
３５ 制御部
３６Ａ～３６Ｃ 告知装置
３７Ａ，３７Ｂ 送受信装置
２８ 運転指令所
Δ1，Δ2 隙間
Ｆ1，…，ＦN フィルタ部
Ｓ1 速度検出信号（出力信号）
Ｓ2 振幅信号
Ｓ3 衝撃検出信号
Ｓ4 異常検出信号
Th 基準値
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
