JP2004161115A

JP2004161115A - Rolling stock having truck frame turning device

Info

Publication number: JP2004161115A
Application number: JP2002328653A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsumoto; 陽松本; Yasuhiro Sato; 安弘佐藤; Hiroyuki Ono; 寛之大野; Yoshihiro Suda; 義大須田; Yohei Michitsuji; 洋平道辻; Masuhisa Tanimoto; 益久谷本; Eiji Miyauchi; 栄二宮内; Takuji Nakai; 拓自中居
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Foundation for the Promotion of Industrial Science; National Traffic Safety and Environment Laboratory
Current assignee: Nippon Steel Corp; Foundation for the Promotion of Industrial Science; National Traffic Safety and Environment Laboratory
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rolling stock having truck frame turning device with easy maintenance in which traveling stability is enhanced by applying a damper function to the rolling stock having the device turning a truck for the rolling stock toward an advancing direction according to the radius of a curved section to simultaneously satisfy smooth travel and high speed travel of the rolling stock on the sharply curved section. <P>SOLUTION: An actuator 1a which is operated during passing through a gently curved section is installed between a vehicle body 2 and a truck frame 3a of a single shaft which can turn with respect to the vehicle body 2. A control device 4 assisting the truck frame 3a to self-steer according to the radius of a gentle curve and applying turning force to the actuator 1a according to the radius of the gentle curve after detecting the entrance of the rolling stock to the gently curved section by travel position information of the rolling stock. The function of a damper 1b working in parallel to the actuator 1a is added to the actuator 1a. As the damper function working in parallel to the actuator is added to the actuator, the stability in the high speed travel is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に急曲線区間における鉄道車両のスムーズな運行と高速走行での安定性を同時に満足するために、鉄道車両用台車を曲線区間の半径に応じて進行方向に向けて旋回させる装置を備えた鉄道車両に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両が曲線区間を通過する時、車輪の踏面勾配に基づく輪軸の自己操舵機能により、台車は曲線方向に回転しようとする。この際、曲線半径が小さくなると、車輪径差が十分にとれなくなるので、台車前輪の外軌側車輪のフランジはレール肩部と激しく接触しながら走行する状態となる。この時、台車の前軸はレールに対してアタック角を持つことになって、車輪とレール間に大きな横圧が発生するのと同時に、横方向に大きな滑りを発生する。その結果、きしり音の発生や、横圧によるレールや車輪フランジの摩耗などを引き起こす原因となる。また、横圧の増大による脱線の危険を回避するために、走行速度に制限が加えられる場合もある。
【０００３】
上記の曲線区間通過時における問題を解決するための対策として、地上側と車両側の対策がある。
このうち、地上側の対策としては、曲線区間の入口に地上塗油装置を設置し、車両の通過を検知してレール肩部（コーナ部）に潤滑油を噴射することで、車輪が前記潤滑油の上を通過する際の車輪とレール間の摩擦係数を小さくし、横圧を減少させるもの等がある。
【０００４】
しかしながら、このような地上から塗油する対策では、▲１▼曲線区間毎に装置を設置する必要があるので、設置台数が非常に多くなって、塗油装置や塗油補給等のメンテナンスに人手と時間がかかる。▲２▼塗油にブレーキの火花が引火する可能性があり危険である。▲３▼塗油量の設定が難しい。すなわち、塗油量が多いと車輪の踏面にまで潤滑油が回って車輪が滑走したり、ブレーキ性能を阻害して停止距離が増加する危険がある。反対に、塗油量が少ないと、その効果が無い。という欠点がある。
【０００５】
これに対し、車両側の対策としては、
１）車輪の踏面形状を円弧状として左右の車輪径差を大きくしながら、直線での輪軸蛇行動を抑えつつ、曲線路をスムーズに通過するのに必要な車輪径差を得て自己操舵を行うもの。
２）曲線半径に応じて輪軸を強制的に操舵してアタック角を小さくすることにより横圧を減少させるもの（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６− ８７４４６号公報（段落００１１、図３）
【０００７】
３）軸箱の支持剛性を柔らかくして輪軸の自己操舵性を向上させ、アタック角を小さくして横圧を減少させるもの。
４）輪軸ヨー角の制御を台車枠から輪軸へのアクチュエータの取り付けによって行い、車両の振動を防止するもの（例えば、特許文献２参照。）。
５）台車側に塗油装置を設置し、曲線を検知してレールの肩部に油を噴射し、摩擦係数を下げることにより、横圧を減少させるもの。
などがある。
【０００８】
【特許文献２】
特開平３−２５８６５５号公報（第２頁左上欄）
【０００９】
これら車両側の対策では、５）の台車側に塗油装置を設置するものを除いて前述した地上側の対策にあった欠点を解決することができる。なお、５）の台車側に塗油装置を設置するものでも、地上側に塗油装置を設置するものに比べて設置台数が大幅に減少するので、設置台数が多いことに起因する欠点は解決できる。
【００１０】
しかしながら、１）及び３）の車両側の対策にあっても以下のような欠点がある。
１）の車輪の踏面形状を円弧状として自己操舵を行うものは、踏面を円錐状にしたものと比較すると車輪径差は大きくなるものの、それには限界があるので急曲線路の場合には効果が少ない。また、３）の軸箱の支持剛性を柔らかくして輪軸の自己操舵性を向上させるものは、直線路での高速走行時に走行安定性が低下するので、蛇行動が発生しやすくなる。このように、１）のものは曲線旋回性能の向上に限界があり、また、３）のものは曲線旋回性能の向上と相反して走行性能が低下する現象を有するという問題がある。
【００１１】
これに対して、輪軸の操舵をリンクによって行うものでは、リンクのピンジョイント部が摩耗したり抉りが発生したりした場合には、操舵性能が悪くなるという欠点もある。加えて、輪軸を操舵させるためのリンク構成が複雑で、メンテナンスが増加するという問題もある。さらに、輪軸毎の制御のためアクチュエータの数が多くなる欠点もある。また、２）４）の輪軸を強制的に操舵するものは、１）及び３）のような欠点は無いものの、台車（台車枠）に対して輪軸を旋回させる構成であるので、曲線路走行中は駆動装置の歯車の噛み合い状態が変化して走行性能が悪化したり、曲線路走行中にブレーキ力を作用させた場合に、車輪踏面やディスクに対するブレーキシューの当り面が変化し、ブレーキが均等に作用しなくなったり、ブレーキを作用させた時に台車枠に対して輪軸の位置が決められるため、操舵力が弱くなったりするという欠点がある。
【００１２】
すなわち、上記の何れの対策も夫々に車両運行や台車設計の上での限界があり、急曲線区間のスムーズな運行と高速走行での安定性を同時に満足することは困難であった。
【００１３】
そこで、本出願人らは、上記の問題点や限界をさらに超えるものとして、車体と台車枠間に設置したアクチュエータを曲線半径に対応して最適に制御し台車枠を旋回させることで、横圧を劇的に減少させることができる台車枠旋回装置付鉄道車両を提案した（特許文献３参照。）。
【００１４】
【特許文献３】
特開２００２−８７２６２号公報（第２頁、図１）
【００１５】
本出願人らが提案した台車枠旋回装置付鉄道車両は、台車枠に対して輪軸を旋回するのではなく、車体に対して台車枠が自己操舵方向に旋回するのを補助するようにしたので、輪軸を強制操舵するものと同様の作用効果を奏することに加えて、曲線路の通過中に、駆動装置の歯車の噛み合い状態や、車輪踏面又はブレーキディスクとブレーキシューとの当り面が変化することが無い等、輪軸を強制操舵する装置が有していた欠点も無く、走行性能を低下させること無く曲線旋回性能の向上を図り、しかも、簡単な装置構成で、メンテナンスも容易に行うことができるという長所を有する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人らが提案した台車枠旋回装置付鉄道車両において、通常曲線区間においては、曲線半径に対応した必要量を計算し、車体と台車枠の間に設置したアクチュエータの伸縮量を制御することで、台車枠を最適量旋回させて横圧を減少させることから、アクチュエータのストロークは曲線の半径によって決定される。
【００１７】
しかし、レールの分岐部のように直線区間から急に折れ曲る（曲線から直線の場合も同様）ような軌道外乱が発生する場合においては、十分に機能することが難しい。
【００１８】
本発明は、本出願人らが先に提案した台車枠旋回装置付鉄道車両に、更にダンパー機能を付加して走行安定性を高め、しかも、メンテナンスも容易な台車枠旋回装置付鉄道車両を提供することを目的としている。この本発明により鉄道車両の曲線路走行時における安全性は更に高まり、装置の簡単な構成からその信頼性及び経済性も先に提案した台車枠旋回装置付鉄道車両に比較して優れたものとなる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る台車枠旋回装置付鉄道車両は、例えば車両の走行位置情報により緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、制御装置から車体と車体に対して旋回できる一軸台車の台車枠間に介設された、並列作用するダンパー機能が付加されているアクチュエータに、緩和曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して緩和曲線半径に応じた旋回作動力を付与するようにしている。そして、このようにすることで、軌道外乱による一軸台車の蛇行動を防止することができ、不必要なアクチュエータの動作を防止できるようになるのと共に、高速走行での安定性を高めることができるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両は、車体と車体に対して旋回できる台車の台車枠間に介設されたアクチュエータと、車両の走行位置情報により、一軸台車の場合には緩和曲線区間への車両の進入を検知した後、緩和曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、緩和曲線区間の通過時のみ、緩和曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を、また、二軸台車の場合には曲線区間への車両の進入を検知した後、曲線半径に応じて台車枠が自己操舵するのを補助して、全曲線区間の通過時、曲線半径に応じた旋回作動力を前記アクチュエータに付与する制御装置を備え、前記アクチュエータに、アクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したものである。このダンパーは、車体と台車間のヨーイング変位に対して有効に働き、高速走行時に発生する台車蛇行動の発生を抑制し、走行安定性を高める機能を有する。車両の走行位置情報としては、検知器によって緩和曲線区間或いは曲線区間の進入を検知するものや、車両の走行位置情報と軌道管理情報から車両の緩和曲線区間或いは曲線区間への進入を計算するもの等がある。
【００２１】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両は、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加したので、高速走行での安定性が高くなる。
【００２２】
本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の内、二軸台車に適用した場合に、アクチュエータの作動を、緩和曲線区間だけでなく曲線区間全てとしたのは、二軸台車の場合には、曲線区間の通過時、進行方向後側の車輪の影響によって進行方向前側の車輪に横圧が発生するからである。
【００２３】
ところで、本発明に係る台車枠旋回装置付鉄道車両の本来の目的は、曲線区間での横圧を減少させることである。
そこで、上記本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両のように、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加するのに代えて、走行時、車輪とレール間に発生する横圧を、測定装置により直接測定しながら、この測定した横圧に基づき、前記車輪とレール間に発生する横圧を減少させるように、制御装置で前記アクチュエータを作動させるようにしたのが、本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両である。この場合、アクチュエータの作動制御区間に一軸台車、二軸台車の区別はない。
【００２４】
この本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両によれば、本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両のように、車両の走行位置情報を必要とすることなく、曲線区間全域に亘って最適な操舵力をアクチュエータに与えることが可能になり、しかも、車輪とレール間の摩擦係数に関係なく、最適な制御を簡単に行えるようになる。また、直線路での走行安定性も向上する。
【００２５】
また、上記の本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータに、このアクチュエータと並列作用するダンパー機能を付加し、一軸台車に適用した場合にはアクチュエータは緩和曲線区間の通過時のみ、また、二軸台車に適用した場合にはアクチュエータは曲線区間全ての通過時に作動させるようにした場合には、上記の理由により更に最適な制御が行なえるようになる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両を図１〜図７に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の概略説明図、図２はステアリングダンパの具体的な実施例を示す図、図３は先頭台車のボギー角より各台車の旋回作動力を制御する場合の説明図、図４は本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両の横圧検知装置の概略説明図、図５は横圧検知装置の他の例を示す概略説明図、図６及び図７はステアリングダンパのシミュレーション結果を示す図である。
【００２７】
図１は一軸台車の例を示したもので、１は車体２と台車３の台車枠３ａ間に介設されたステアリングダンパであり、図１に示した例では、アクチュエータ１ａと、このアクチュエータ１ａと並列に配置したダンパー１ｂと、これらアクチュエータ１ａ及びダンパー１ｂと直列に配置したばね１ｃを一体としたものを示している。
【００２８】
図１に示したステアリングダンパ１は、ダンパー１ｂとばね１ｃを直列に配置したパッシブ構造と、ダンパー１ｂに対して並列に配置したアクチュエータ１ａの３つの要素で構成されているので、このステアリングダンパ１の両端に定常的な力（低い周波数の振動）が作用した場合には、ステアリングダンパ１の両端間の長さは、ダンパー１ｂの作用によって容易に変位することになる。つまり、この機能により、定常曲線路を走行中の車輪が生成する縦クリープ力がなくなるように支持構造が伸縮する。
【００２９】
一方、高速走行時の輪軸蛇行動のように、前後支持構造の間で発現する高い周波数の振動に対しては、ダンパー１ｂが剛に作用することで、ばね１ｃの剛性で剛支持した状態を実現することができる。
つまり、ばね１ｃの剛性の自由な設定により、所望の蛇行動臨界速度を実現することができる。
このようなパッシブ系の機能によって車輪が純粋転がりする理想的な定常曲線旋回能力と、高い走行安定性を実現することができる。
【００３０】
しかしながら、高い走行安定性を実現するためには、ダンパー１ｂをある程度剛に設定しなければならず、車両が直線路から定常曲線路に進入する過程でダンパー１ｂの粘性が輪軸７の純粋転がり線（図１（ｃ）に実線で示す）への追従機能（自己操舵機能）の邪魔をすることになる。
【００３１】
そこで、このダンパー１ｂの粘性による過渡特性悪化を補償するために、本発明ではアクチュエータ１ａを付加し、緩和曲線区間のみでアクチュエータ１ａを適切に作動させることで、曲線路通過全域で踏面の滑りが最小となる理想的な曲線旋回を実現できるようにしている。
【００３２】
ところで、前述のステアリングダンパ１のパッシブ部分であるばね１ｃやダンパー１ｂは、車両の走行安定性のみを考慮したパッシブな車両設計法によって決定することができる。定性的には、ばね剛性、ダンパー粘性共に大きな値であればよい。ここでは、緩和曲線通過に伴うアクチュエータ１ａの制御則について説明する。
【００３３】
簡単に言えば、アクチュエータ１ａは、輪軸７が曲線通過に際して純粋転がりをするときに、支持構造（ステアリングダンパ１）の伸縮に伴い、ダンパー１ｂが干渉する力と逆向きの力を生成させればよい。制御に関しては、車両の位置情報を取得することができ、それに基づいて曲線の推定値を観測できるものとすれば、この情報を用いて支持構造が発生すべき目標変位がＺｄとして幾何学的に算出される。
【００３４】
この目標変位Ｚｄを目標速度に変換することで、輪軸７が純粋転がりをしようとするのに対して発生するダンパー１ｂの干渉力が算出される。従って、アクチュエータ１ａによってこれと逆向きの力を加えることで、曲線区間の通過全域で輪軸７を純粋転がりさせることができる。なお、後軸のアクチュエータ１ａの駆動は、軸距と走行速度で決定する時間差を考慮した遅れを与えて動作させればよいことは言うまでもない。
【００３５】
次に、ステアリングダンパ１の理論を具体的に実現するハードウェアについて説明する。
ステアリングダンパ１を設けることによって輪軸７は概ね理想的な曲線旋回を実現できることになるが、図１に示したような構成のステアリングダンパ１では、ダンパー機能とアクチュエータ機能を実現する際、デバイスを別々に用意しなければならなくなる。そこで、ダンパー機能とアクチュエータ機能を一体とした機構を取り入れたものを、図２を用いて説明する。
【００３６】
図１のダンパー１ｂとアクチュエータ１ａの並列機構部分として、図２に示すように、ＤＣモータ１ｄ、電気抵抗１ｅ、制御電圧発生装置１ｆから構成される機構を導入する。このような構成により、磁気ダンピングによるダンパーとアクチュエータを並列にした機構を実現することができる。
【００３７】
図２に示したものでは、両側のゴムブッシュ１ｇ部分の剛性が、図１に示したステアリングダンパ１のばね１ｃ部に対応し、また、図１に示したステアリングダンパ１のアクチュエータ１ａの作動部の構造は、ＤＣモータ１ｄによって歯車装置１ｈを介したボールスクリュー１ｉの正逆回転によりロッド相当部分１ｊが出退移動する構造となっている。これは、いわゆる電磁ダンパーであるが、制御手法の特徴、機能から、ここではパワー・ステアリング・ヨーダンパ（以下、「ＰＳＹＤ」という。）と称する。
【００３８】
このＰＳＹＤにおけるアクティブ制御の概念は基本的に前述のステアリングダンパと同じである。ＰＳＹＤ単体を目標変位Ｚｄだけ変位させるには、ステアリングダンパのようなアクチュエータ入力ではなく、駆動電源の電圧を入力とした制御則になる。
【００３９】
目標変位Ｚｄを実現する駆動電圧Ｖｃの制御則は、ＰＳＹＤの内部慣性のダイナミクスを考慮すると、下記数式１のように表すことができる。下記数式１より判るように、電圧制御則は目標変位Ｚｄの一階及び二階微分を含んだ形で記述でき、ステアリングダンパと同様、定常曲線ではこれらの微分値は零になるため、制御電圧も零になる。下記数式１において、一階の微分が制御電圧に現れるのは、電磁ダンパーの粘性に対する補償であり、二階微分の部分がＤＣモータの慣性に対する補償である。
【００４０】
【数１】

【００４１】
ところで、車体２に対する台車枠３ａの旋回を、図１に示した例では、前記ステアリングダンパ１を、例えば各台車枠３ａ毎にレールの方向に２基ずつ並列に設け、アクチュエータ１ａのロッドを同調して出退移動させることで、車体２に対して台車枠３ａを所要角度だけ旋回させるように構成したものを示している。
【００４２】
なお、このステアリングダンパ１の取付けは、枕木の方向に取付けても良い。また、台車枠３ａの回転中心の定まった心皿方式の台車では、このステアリングダンパ１は１基でも良い。
【００４３】
緩和曲線区間において例えばアクチュエータ１ａを適切に作動させるための手段として、図３に示した実施例では、以下のような構成を採用している。
４は先頭車両５ａに積載される制御装置であり、緩和曲線区間の曲線半径を求める手段として、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａのボギー角度を取り込むと、例えばその取り込んだボギー角度に比例した旋回作動力を、それぞれ先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａ、Ｎｏ．２台車３Ｂａ、…最後尾車両５ｎのＮｏ．１台車３Ａｎ、Ｎｏ．２台車３Ｂｎの各台車枠３ａを旋回するアクチュエータ１ａに出力する。
【００４４】
すなわち、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａが緩和曲線区間に進入したことを検知すると、制御装置４では、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａのボギー角度を、その距離補正回路４ａに取り込む。距離補正回路４ａでは、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａから各車両５ａ…５ｎの各台車までの距離に基づいて、旋回作動力演算器４ｂに補正値βを出力する。
【００４５】
旋回作動力演算器４ｂでは、この各台車毎の補正値βを考慮して各アクチュエータ１ａに緩和曲線半径に比例した旋回作動力を出力し、緩和曲線半径に応じて各台車３の台車枠３ａが緩和曲線の方向に沿って自己操舵するのを補助する。なお、図３に示した実施例では、先頭車両５ａのＮｏ．１台車３Ａａの速度も同時に取り込んで前記補正値βを求めるものを示している。
【００４６】
そして、各台車３が緩和曲線区間を通過したならば、制御装置４は通過した台車３を旋回させるアクチュエータ１ａの旋回作動力を無くするように制御する。
【００４７】
上述のように、図１〜図３に示した本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両では、ばね・ダンパー機能により、直線区間での高速安定性が図れるようになるのと共に、定常曲線走行中での優れた旋回性能を発揮する。加えて、アクチュエータ１ａ（ＰＳＹＤ）によって緩和曲線区間の通過時のみ適正な制御力によるアシスト機能を付加することにより、曲線全域における通過時に輪軸の自己操舵機能を最大限発揮できるようになる。
【００４８】
ところで、車両が緩和曲線区間に進入したことを検知する検知器や、緩和曲線区間の曲線半径を検知する検知器の構成は特に限定されるものではなく、既存の構造のものを採用すればよい。例えば、▲１▼緩和曲線区間通過時の車体と台車間の回転角度（回転角度は曲線の曲率に比例する）を測定するものや、▲２▼曲線路の入口と出口の軌道側に設置したＩＤタグを車上のトランスポンダで検知することで緩和曲線区間を検知するものなどである。
【００４９】
また、検知器による緩和曲線区間の進入検知や緩和曲線半径の検知に代えて、先頭車両５ａに搭載した制御装置４に、予め走行路線の軌道管理情報（地点、曲線半径、曲線の方向など）を記憶させておき、実際の走行距離から走行位置情報を取り出し、車両が現在走行している位置の緩和曲線区間の半径、走行方向を計算し、その計算結果に基づいて各アクチュエータ１ａ（ＰＳＹＤ）への旋回作動力を制御するものでも良い。
【００５０】
また、例えば図４に示したように、軸箱６の内面と輪軸７の端面との間に横圧を検知するセンサー（例えばロードセル）８を設置し、このセンサー８によって、走行時に車輪９に作用する横圧を常時計測することで、曲線区間を検知するものでも良い。
【００５１】
この場合、例えば図１に示したステアリングダンパ１や図２に示したＰＳＹＤに代えて、車体２と台車３の台車枠３ａ間にアクチュエータ１ａのみを介設した台車枠旋回装置付鉄道車両を使用し、曲線区間の通過時には、前記センサー８によって計測した横圧を制御装置にフィードバックして制御量を調整し、横圧の大きさに応じて横圧が減少するように前記アクチュエータ１ａの作動を制御するようにしても良い。これが本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両である。
【００５２】
ところで、図４に示したように、軸端で測定する横圧は、走行する曲線路の曲線方向によって検知できる向きと、できない向きがある。更に、二軸台車の場合には、進行方向に対して前軸と後軸とで横圧の発生は全く異なる。このため、図４に示したように、軸端で横圧を測定する装置を採用する場合には、２対の輪軸の左右の軸箱に各々センサー８（計４か所）を設置し、各々のセンサー８で検出した横圧の値を用いて進行方向外軌側の車輪の横圧をゼロに近づけるように制御する。また、横圧値は定常曲線通過時においても一定ではなく、常に変動しているため、測定した横圧値はフィルターを通して衝撃的な横圧を無視するようにすることで、過度な制御を防ぐことができる。
【００５３】
また、図５は横圧を計測する他の例として、軸箱６と台車枠３ａの軸ばね座との左右変位を測定することにより、横圧を計測する装置を示す。曲線通過時には車体２と台車３間でボギー変位が発生する。ボルスタレス台車において、車体２と台車３間でボギー変位が発生すると、台車３の左右に設置されている車体荷重を支持する空気ばね１０は前後方向に大きく変位する。この時、空気ばね１０の前後剛性により、空気ばねは元の位置に戻ろうとする復元力が発生する。
【００５４】
この力により台車枠３ａはボギー角が小さくなろうとする方向に動く。しかしながら、台車枠３ａに支持された輪軸７は外軌側車輪９のフランジ部がレール１１と接触した状態になってこれ以上左右方向には移動できなくなる。このため、特に曲線半径が小さくなると、横圧が増大し、それに伴って軸箱６と軸ばね座間の左右変位が増加する。つまり、横圧と左右変位との間には相関がある。そこで、軸箱６の左右変位を測定することにより、横圧を推定することが可能となる。
【００５５】
ところで、横圧は曲線半径のみで決まるのではなく、車輪９とレール１１間の摩擦係数に大きく影響される。このことは、横圧を減少させるために台車枠３ａを操舵させるに際し、アクチュエータ１ａを曲率半径に対応して制御するのみでは、車輪９とレール１１間の摩擦係数を全く考慮していないことになって、適正な操舵が行われていないことを意味する。これに対し、直接測定した横圧には当然に前記摩擦係数も加味されていることから、横圧を直接測定し、この横圧に基づいてアクチュエータ１ａを制御することが、適正な操舵を行うために望ましいことが判る。
【００５６】
この際も、前記センサー８によって横圧を計測する場合と同様、横圧値は定常曲線通過時においても一定ではなく常に変動しており、測定した軸箱左右変位も横圧の変動に応じて変動するため、測定値はフィルターを通して衝撃的な横圧を無視するようにすることにより、過度な制御を防ぐことができる。
【００５７】
以下、数値シミュレーションによってＰＳＹＤによる車両の運動性能向上について説明する。
車両のモデルには、一軸台車を備えた１７自由度一車両モデルを使用した。
曲線条件は曲線半径が２００ｍ、緩和曲線長は９０ｍの軌道条件で均衡カントの状態を想定している。この時、曲線半径が１５０ｍまで純粋転がりが可能な車輪を装着したものを使用している。ＰＳＹＤは車輪の自己操舵能力を最大限高める作用を有するため、自己操舵の限界が高まるようにフランジ遊間、踏面勾配を設計しておく。
【００５８】
通常のばね支持した一軸台車を備えた車両モデルのシミュレーション結果を図６に示すが、非制御時の車輪アタック角は、（ａ）に示すように、後軸（破線）に比べ、特に前軸（実線）が大きくなっていることが判る。また、輪軸の左右動変位を（ｂ）に示すが、前軸、後軸共にフランジ接触していることが判る。このことにより、踏面、フランジ、レールの摩耗やきしり音といった騒音、さらに走行抵抗によるエネルギー損失を伴っているのが通常の車両の運動特性であることが判る。
【００５９】
これに対して、車両、台車間の前後支持ばねをＰＳＹＤによって置き換え、適切な電圧制御を行った場合におけるＰＳＹＤのシミュレーション結果を図７に示す。適切な電圧制御を行った場合には、（ａ）に示すように、車輪アタック角は前軸（実線）、後軸（破線）共に曲線通過全域で零となっていることが判る。
【００６０】
同時に、（ｂ）に示すように、輪軸の左右動変位は、純粋転がり変位１１ｍｍに一致した挙動を描いている。これは、輪軸単体が純粋転がりしている状態であり、フランジ接触をせず、かつ、縦・横クリープ力は発生していない状態が実現できていることを意味している。この時の横圧は、車輪接触点における踏面勾配による重量復元力であり、非常に小さいものである。なお、レールに作用する横力、輪重比の値は車輪接触点における踏面勾配の値そのものとなる。
【００６１】
ところで、前記制御時のＰＳＹＤの制御電圧はフィードフォワード制御でＤＣモータに印加される曲率半径によって決定する特定のパターンをもった入力である。今回の入力では、図７（ｃ）に示したように、緩和曲線の中間地点で最大となり（曲率の微分が最大となるところ）、電圧値で最大１．８Ｖである。なお、実装したＰＳＹＤは原理上、アクチュエータが定常的な力を発生する必要がないため、非常に小型のＤＣモータで実現できる。
【００６２】
ＰＳＹＤは静的に無支持であるという性質から、車輪に定常的な縦クリープ力は発生しない。超過遠心力Ｆｃｅｎが作用する時の車輪踏面のクリープ力のベクトルを図７（ｄ）に示すが、前軸と後軸の横クリープ力ＦＬ、ＦＲの総和が超過遠心力Ｆｃｅｎと釣り合うような状態になる。
【００６３】
輪軸ははじめ超過遠心力Ｆｃｅｎに応じて一旦は左右変位し、縦クリープ力が発生するが、縦クリープ力が零となるまでＰＳＹＤが変位する。そして、最終的には、輪軸が純粋転がり軌道よりも内側に切り込む形で超過遠心力Ｆｃｅｎと釣り合うように横クリープ力ＦＬ、ＦＲのみを発生するのである。このように超過遠心力Ｆｃｅｎの存在下でも、輪軸は必要最小限のクリープ力を発生し、踏面摩耗、騒音の低減といったことに大きな効果を有すると考える。
【００６４】
本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は図１や図４に示したような一軸台車を備えたものに限らず、図５に示したような二軸台車を備えたもの、或いは、図示省略したが連接台車を備えたものでも良いことは言うまでもない。
但し、図１に示した本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両において、二軸台車を備えたものでは、前述のように、進行方向後側の車輪の影響によって進行方向前側の車輪に横圧が発生することから、緩和曲線の通過時だけでなく、曲線の全域においてアクチュエータ１ａやＰＳＹＤの制御を行う必要がある。
【００６５】
また、図１で説明したステアリングダンパ１のばね１ｃや、図２で説明したＰＳＹＤのゴムブッシュ１ｇを省略した場合でも、曲線区間のスムーズな運行は可能であり、本発明の技術的範囲であることは言うまでもない。
更に、本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両において、アクチュエータ１ａのみに代えてステアリングダンパ１やＰＳＹＤを設置したものでも良い。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は、
▲１▼ 横圧が減少する。
▲２▼ きしり音や振動、騒音等の発生が大幅に減少する。
▲３▼ 車輪踏面、フランジの摩耗、レール頭頂面摩耗、騒音等の諸問題が解決する。
といった輪軸を強制操舵するものと同様の作用効果を、
ａ）レールの分岐部のように直線区間から急に折れ曲るような軌道外乱が発生する場合においても脱線の危険性なく、
ｂ）直線区間でも曲線区間と錯覚してアクチュエータを誤動作させることなく、
ｃ）レールが乾燥していても、雨であっても、地上塗油区間であっても、必要以上の旋回力を与えたり、逆に旋回力が不足したりして、走行性が不安定になることなく、
奏することができるようになる。
【００６７】
しかも、本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両は、簡単な装置構成で、メンテナンスも容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両の概略説明図、（ｂ）はステアリングダンパの構成を拡大して示した図、（ｃ）は本発明に係る第１の台車枠旋回装置付鉄道車両が曲線を通過する際の台車枠の制御を説明する図である。
【図２】ステアリングダンパの具体的な実施例を示す図である。
【図３】先頭台車のボギー角より各台車の旋回作動力を制御する場合の説明図で、（ａ）は本発明の台車枠旋回装置付鉄道車両を側面方向から見た概略図、（ｂ）は制御装置の説明図である。
【図４】本発明に係る第２の台車枠旋回装置付鉄道車両の横圧検知装置の構成を拡大して示した図である。
【図５】横圧検知装置の他の例を示す説明図である。
【図６】通常一軸台車を備えた車両モデルのシミュレーション結果を示す図で、（ａ）はアタック角、（ｂ）は輪軸の左右変位である。
【図７】ＰＳＹＤの電圧制御を適切に行った場合におけるのシミュレーション結果を示す図で、（ａ）はアタック角、（ｂ）は輪軸の左右変位、（ｃ）は制御電圧、（ｄ）は超過遠心力が作用する時の車輪踏面のクリープ力を示した図である。
【符号の説明】
１ステアリングダンパ
１ａアクチュエータ
１ｂダンパー
１ｃばね
１ｄＤＣモータ
１ｅ電気抵抗
１ｆ制御電圧発生装置
１ｇゴムブッシュ
２車体
３台車
３ａ台車枠
４制御装置
５ａ先頭車両
６軸箱
７輪軸
８センサー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an apparatus for turning a bogie for a railway vehicle in the traveling direction according to the radius of the curved section, in order to simultaneously satisfy the smooth operation of the railway car and the stability at high speed traveling particularly in a sharp curved section. The present invention relates to a railway vehicle provided.
[0002]
[Prior art]
When a railway vehicle passes through a curved section, the bogie attempts to rotate in a curved direction due to the self-steering function of the wheel set based on the gradient of the tread surface of the wheel. At this time, if the radius of the curve is small, the difference in wheel diameter cannot be sufficiently obtained, so that the flange of the outer track-side wheel of the bogie front wheel comes into a state of traveling while being in vigorous contact with the rail shoulder. At this time, the front axle of the bogie has an attack angle with respect to the rail, so that a large lateral pressure is generated between the wheel and the rail, and at the same time, a large slide is generated in the lateral direction. As a result, squeak noise is generated, and rail and wheel flanges are worn due to lateral pressure. In some cases, the traveling speed is limited in order to avoid the risk of derailment due to an increase in lateral pressure.
[0003]
As a measure for solving the problem at the time of passing the curved section, there are measures on the ground side and on the vehicle side.
Among these measures, as a countermeasure on the ground side, a ground oiling device is installed at the entrance of the curved section, the passage of the vehicle is detected, and the lubricant is injected into the shoulder (corner) of the rail, so that the wheels are lubricated. Some of them reduce the coefficient of friction between the wheel and the rail when passing over oil and reduce the lateral pressure.
[0004]
However, such measures to lubricate from the ground require the installation of equipment for each (1) curved section, so the number of installations becomes extremely large, and manual work is required for maintenance of the oiling equipment and oil supply. And take time. (2) There is a danger that the spark of the brake may ignite in the lubrication. (3) It is difficult to set the amount of oil applied. That is, if the amount of oil applied is large, there is a danger that the lubricating oil will reach the tread of the wheel and the wheel will slide, or the braking performance will be impaired and the stopping distance will increase. Conversely, if the amount of oil applied is small, the effect is not obtained. There is a disadvantage that.
[0005]
On the vehicle side,
1) While making the tread shape of the wheels arc-shaped and increasing the difference between the left and right wheel diameters, while suppressing the wheel snake behavior in a straight line, obtaining the wheel diameter difference necessary to smoothly pass through a curved road and performing self-steering. What to do.
2) The lateral pressure is reduced by forcibly steering the wheel axle according to the radius of the curve to reduce the attack angle (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-87446 (paragraph 0011, FIG. 3)
[0007]
3) Softening the rigidity of the support of the axle box to improve the self-steering performance of the wheel set, reduce the attack angle, and reduce the lateral pressure.
4) A device that controls the yaw angle of the wheel axle by attaching an actuator from the bogie frame to the wheel axle to prevent the vibration of the vehicle (for example, see Patent Document 2).
5) A lateral pressure is reduced by installing an oiling device on the bogie side, detecting the curve and injecting oil to the shoulder of the rail to lower the friction coefficient.
and so on.
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-3-258655 (top left column of page 2)
[0009]
These measures on the vehicle side can solve the above-mentioned disadvantages of the measures on the ground side except for the method of 5) in which the oiling device is installed on the truck side. In the case of 5), where the oiling device is installed on the trolley side, the number of installed oiling devices is greatly reduced compared to the case where the oiling device is installed on the ground side. it can.
[0010]
However, even the measures 1) and 3) on the vehicle side have the following disadvantages.
In the case of 1), in which self-steering is performed with the wheel tread shape being circular, the difference in wheel diameter is larger than that in the case where the tread is conical, but there is a limit to this, so there is an effect on sharp curves. Less is. In the case of (3), in which the support rigidity of the axle box is softened to improve the self-steering property of the wheel axle, the running stability is reduced at the time of high-speed running on a straight road, so that the snake action is likely to occur. As described above, the method 1) has a limit in improving the curve turning performance, and the method 3) has a problem that the running performance is reduced contrary to the improvement in the curve turning performance.
[0011]
On the other hand, in the case where the steering of the wheel axle is performed by the link, there is also a disadvantage that the steering performance is deteriorated when the pin joint portion of the link is worn out or when gouging occurs. In addition, there is a problem that the link configuration for steering the wheel set is complicated and maintenance is increased. Further, there is a disadvantage that the number of actuators is increased due to control for each wheelset. 2) Forcibly steering the wheel set of 4) does not have the drawbacks of 1) and 3), but has a configuration in which the wheel set is turned with respect to the bogie (bogie frame). During this time, the running performance deteriorates due to the change in the meshing state of the gears of the drive unit, or when the brake force is applied during running on curved roads, the contact surface of the brake shoes against the wheel treads and discs changes, and the brakes There is a disadvantage in that the steering force is weakened because the wheel axis does not work evenly or the position of the wheel axis is determined with respect to the bogie frame when the brake is applied.
[0012]
That is, each of the above measures has limitations in vehicle operation and bogie design, and it has been difficult to simultaneously satisfy smooth operation in a sharply curved section and stability in high-speed traveling.
[0013]
Accordingly, the present applicants have set the lateral pressure by controlling the actuator installed between the vehicle body and the bogie frame optimally in accordance with the curve radius and turning the bogie frame to further exceed the above problems and limitations. Proposed a railway vehicle with a bogie frame turning device capable of dramatically reducing the vehicle speed (see Patent Document 3).
[0014]
[Patent Document 3]
JP-A-2002-87262 (page 2, FIG. 1)
[0015]
Since the railway vehicle with a bogie frame turning device proposed by the present applicants does not turn the wheel set with respect to the bogie frame, it assists the bogie frame to turn in the self-steering direction with respect to the vehicle body. In addition to having the same effect as that of forcibly steering the wheel axle, the meshing state of the gears of the drive unit and the contact surface between the wheel tread surface or the brake disc and the brake shoe change during the passage on a curved road. There are no drawbacks of the device that forcibly steers the wheelset, such as the absence of any problems, and it is possible to improve the curve turning performance without deteriorating the running performance, and it is easy to maintain with a simple device configuration It has the advantage of being able to.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In a railway car with a bogie frame turning device proposed by the present applicants, in a normal curved section, a required amount corresponding to a curve radius is calculated, and the amount of expansion and contraction of an actuator installed between the vehicle body and the bogie frame is controlled. Since the bogie frame is turned by an optimum amount to reduce the lateral pressure, the stroke of the actuator is determined by the radius of the curve.
[0017]
However, it is difficult to function satisfactorily when a track disturbance such as a branch of a rail suddenly bends from a straight section (the same applies to a straight line from a curve).
[0018]
The present invention provides a railway vehicle with a bogie frame turning device, which is further improved in running stability by adding a damper function to the railway vehicle with a bogie frame turning device previously proposed by the present applicants, and which is also easy to maintain. It is intended to be. According to the present invention, the safety of the railway vehicle when traveling on curved roads is further enhanced, and the reliability and economic efficiency of the railway vehicle are superior to those of the railway vehicle with the bogie frame turning device proposed earlier because of the simple configuration of the device. Become.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the bogie frame turning device-equipped railway vehicle according to the present invention, for example, after detecting the entry of the vehicle into the transition curve section based on the traveling position information of the vehicle, the control device sends the vehicle body and the vehicle body The actuator, which is interposed between the bogie frames of a single-axle bogie that can be turned and has a damper function that acts in parallel, assists the bogie frame to self-steer according to the radius of the transition curve, and responds to the radius of the transition curve. The turning operation force is applied. By doing so, it is possible to prevent the single-axle bogie from snaking due to a track disturbance, to prevent unnecessary operation of the actuator, and to enhance stability at high speed running. Become like
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The first railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention is configured such that, in the case of a single-axle bogie, based on the vehicle body and an actuator interposed between the bogie frames of the bogie capable of turning with respect to the vehicle body, and traveling position information of the vehicle. After detecting the entry of the vehicle into the transition curve section, the bogie frame assists self-steering according to the transition curve radius, and only when passing through the transition curve section, the turning actuation force according to the transition curve radius is used. After detecting the entry of the vehicle into the curved section in the case of a two-axle bogie, the controller provided to the actuator, and assisting the bogie frame to self-steer according to the curve radius, A control device is provided for applying a turning actuation force according to the radius of the curve to the actuator when passing, and a damper function for acting in parallel with the actuator is added to the actuator. The damper has a function of effectively acting on yaw displacement between the vehicle body and the bogie, suppressing the bogie snaking action that occurs during high-speed running, and improving running stability. As the traveling position information of the vehicle, a detector that detects the entry of a transition section or a curved section by a detector, or a section that calculates the entry of the vehicle into the transition section or the curved section from the traveling position information and the track management information of the vehicle. Etc.
[0021]
In the first railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention, the damper function acting in parallel with the actuator is added to the actuator, so that the stability at high speed running is improved.
[0022]
When applied to a two-axle bogie in the first bogie frame turning device with a bogie frame turning device according to the present invention, the actuation of the actuator is performed not only in the transitional curve section but also in all the curved sections in the case of the two-axle bogie. This is because when passing through a curved section, lateral pressure is generated on the front wheels in the traveling direction due to the influence of the rear wheels in the traveling direction.
[0023]
The original purpose of the railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention is to reduce the lateral pressure in a curved section.
Thus, instead of adding a damper function acting in parallel with the actuator to the actuator as in the first bogie frame turning device according to the present invention, a train is generated between the wheel and the rail during traveling. While the lateral pressure is directly measured by the measuring device, based on the measured lateral pressure, the actuator is operated by the control device so as to reduce the lateral pressure generated between the wheel and the rail, It is the 2nd bogie frame turning device equipped railway vehicle concerning this invention. In this case, there is no distinction between a single-axle carriage and a two-axle carriage in the operation control section of the actuator.
[0024]
According to the second railcar with a bogie frame turning device according to the present invention, unlike the first railroad vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention, curve information can be obtained without requiring traveling position information of the vehicle. Optimal steering force can be applied to the actuator over the entire section, and optimal control can be easily performed regardless of the friction coefficient between the wheel and the rail. In addition, running stability on a straight road is also improved.
[0025]
In the above-mentioned railway vehicle with a bogie frame turning device according to the second aspect of the present invention, the actuator is provided with a damper function acting in parallel with the actuator. Only in the case where the actuator is applied to a two-axle bogie, and when the actuator is operated when the vehicle passes through all the curved sections, more optimal control can be performed for the above-described reason.
[0026]
【Example】
Hereinafter, a railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention will be described based on an embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a railway car with a first bogie frame turning device according to the present invention, FIG. 2 is a view showing a specific embodiment of a steering damper, and FIG. 3 is a turning of each bogie from a bogie angle of a leading bogie. FIG. 4 is an explanatory diagram for controlling an operating force, FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of a lateral pressure detecting device of a railway vehicle with a second bogie frame turning device according to the present invention, and FIG. 5 shows another example of the lateral pressure detecting device. FIGS. 6 and 7 are schematic explanatory diagrams showing simulation results of the steering damper.
[0027]
FIG. 1 shows an example of a single-axle bogie. Reference numeral 1 denotes a steering damper provided between a vehicle body 2 and a bogie frame 3a of a bogie 3. In the example shown in FIG. 1, the actuator 1a and the actuator 1a And a spring 1c arranged in series with the actuator 1a and the damper 1b.
[0028]
The steering damper 1 shown in FIG. 1 includes a passive structure in which a damper 1b and a spring 1c are arranged in series and an actuator 1a arranged in parallel with the damper 1b. When a steady force (low-frequency vibration) acts on both ends of the steering damper 1, the length between both ends of the steering damper 1 is easily displaced by the action of the damper 1b. That is, by this function, the support structure expands and contracts so that the longitudinal creep force generated by the wheels traveling on the steady curved road is eliminated.
[0029]
On the other hand, with respect to high-frequency vibrations generated between the front and rear support structures, such as the wheel-shaft snaking behavior during high-speed running, the damper 1b acts stiffly, so that the spring 1c rigidly supports the state. Can be realized.
That is, a desired critical speed of the snake action can be realized by freely setting the rigidity of the spring 1c.
With such a passive system function, it is possible to realize an ideal steady curve turning ability in which the wheels purely roll and high running stability.
[0030]
However, in order to achieve high running stability, the damper 1b must be set to a certain degree of rigidity, and the viscosity of the damper 1b increases when the vehicle enters a steady curved road from a straight road. This obstructs the function (self-steering function) of following up (shown by a solid line in FIG. 1C).
[0031]
Accordingly, in order to compensate for the deterioration of the transient characteristics due to the viscosity of the damper 1b, the present invention adds the actuator 1a and appropriately operates the actuator 1a only in the relaxation curve section. It is designed to realize the ideal curve turning which is the minimum.
[0032]
By the way, the spring 1c and the damper 1b, which are the passive portions of the steering damper 1, can be determined by a passive vehicle design method considering only the running stability of the vehicle. Qualitatively, it is sufficient that both the spring stiffness and the damper viscosity are large values. Here, the control law of the actuator 1a accompanying the passage of the relaxation curve will be described.
[0033]
Simply put, the actuator 1a generates a force in the opposite direction to the force that the damper 1b interferes with the expansion and contraction of the support structure (steering damper 1) when the wheel set 7 purely rolls when passing through a curve. Good. Regarding the control, if it is possible to obtain the position information of the vehicle and observe the estimated value of the curve based on the information, the target displacement to be generated by the support structure using this information is geometrically defined as Zd. Is calculated.
[0034]
By converting the target displacement Zd into the target speed, the interference force of the damper 1b generated when the wheel shaft 7 tries to perform pure rolling is calculated. Therefore, by applying a force in the opposite direction by the actuator 1a, the wheelset 7 can be purely rolled over the entire area passing through the curved section. Needless to say, the drive of the rear shaft actuator 1a may be performed with a delay in consideration of a time difference determined by the wheelbase and the traveling speed.
[0035]
Next, hardware for specifically realizing the theory of the steering damper 1 will be described.
By providing the steering damper 1, the wheel shaft 7 can realize substantially ideal curve turning. However, in the steering damper 1 having the configuration as shown in FIG. Must be prepared. Therefore, a system incorporating a mechanism integrating the damper function and the actuator function will be described with reference to FIG.
[0036]
As shown in FIG. 2, a mechanism including a DC motor 1d, an electric resistor 1e, and a control voltage generator 1f is introduced as a parallel mechanism portion of the damper 1b and the actuator 1a in FIG. With such a configuration, it is possible to realize a mechanism in which the damper and the actuator by magnetic damping are arranged in parallel.
[0037]
2, the rigidity of the rubber bush 1g on both sides corresponds to the spring 1c of the steering damper 1 shown in FIG. 1, and the operating portion of the actuator 1a of the steering damper 1 shown in FIG. Has a structure in which the rod-equivalent portion 1j moves forward and backward by the forward / reverse rotation of the ball screw 1i via the gear device 1h by the DC motor 1d. Although this is a so-called electromagnetic damper, it is referred to as a power steering yaw damper (hereinafter, referred to as “PSYD”) from the characteristics and functions of the control method.
[0038]
The concept of active control in this PSYD is basically the same as that of the above-described steering damper. In order to displace the PSYD alone by the target displacement Zd, a control law using a drive power supply voltage as an input instead of an actuator input such as a steering damper is obtained.
[0039]
The control law of the drive voltage Vc for realizing the target displacement Zd can be expressed as the following equation 1 in consideration of the dynamics of the PSYD internal inertia. As can be seen from the following equation 1, the voltage control law can be described in a form including the first and second derivatives of the target displacement Zd, and like the steering damper, since these differential values become zero in a steady curve, the control voltage is also reduced. Becomes zero. In Equation 1 below, the first-order derivative appears in the control voltage as compensation for the viscosity of the electromagnetic damper, and the second-order derivative is compensation for the inertia of the DC motor.
[0040]
(Equation 1)

[0041]
By the way, in the example shown in FIG. 1, the turning of the bogie frame 3a with respect to the vehicle body 2 is such that two steering dampers 1 are provided in parallel in the rail direction for each bogie frame 3a, and the rod of the actuator 1a is synchronized. In this case, the bogie frame 3a is rotated by a required angle with respect to the vehicle body 2 by moving the bogie frame 3a back and forth.
[0042]
The steering damper 1 may be mounted in the direction of the sleeper. In a bogie of a heart dish type in which the center of rotation of the bogie frame 3a is fixed, the steering damper 1 may be one.
[0043]
In the embodiment shown in FIG. 3, for example, as a means for appropriately operating the actuator 1a in the transition curve section, the following configuration is employed.
Reference numeral 4 denotes a control device mounted on the leading vehicle 5a. When the bogie angle of the single vehicle 3Aa is captured, for example, the turning operation force proportional to the captured bogie angle is set to the No. of the leading vehicle 5a. One truck 3Aa, No. Two bogies 3Ba,... No. of the last vehicle 5n. One truck 3An, No. It outputs to the actuator 1a which turns each bogie frame 3a of the two bogies 3Bn.
[0044]
That is, No. of the leading vehicle 5a. When detecting that the single vehicle 3Aa has entered the transitional curve section, the control device 4 sets the No. of the leading vehicle 5a. The bogie angle of one truck 3Aa is taken into the distance correction circuit 4a. In the distance correction circuit 4a, the No. of the leading vehicle 5a is determined. A correction value β is output to the turning operation force calculator 4b based on the distance from the one truck 3Aa to each of the vehicles 5a... 5n.
[0045]
The turning operation force calculator 4b outputs a turning operation force proportional to the radius of the transition curve to each actuator 1a in consideration of the correction value β for each truck, and the bogie frame 3a of each truck 3 according to the transition curve radius. Assist in self-steering along the direction of the transition curve. In the embodiment shown in FIG. 3, the No. of the leading vehicle 5a. In this case, the speed of the single vehicle 3Aa is also taken in at the same time to obtain the correction value β.
[0046]
Then, when each truck 3 has passed through the transition curve section, the control device 4 performs control so as to eliminate the turning operation force of the actuator 1a that turns the passing truck 3.
[0047]
As described above, in the first bogie frame turning device-equipped railway vehicle according to the present invention shown in FIGS. 1 to 3, high speed stability in a straight section can be achieved by the spring / damper function. Demonstrates excellent turning performance during steady curve running. In addition, by adding an assist function with an appropriate control force only when passing through the transition curve section by the actuator 1a (PSYD), the self-steering function of the wheel set can be maximized when passing through the entire curve area.
[0048]
The configuration of the detector that detects that the vehicle has entered the transition curve section and the detector that detects the curve radius of the transition curve section are not particularly limited, and those having an existing structure may be adopted. . For example, (1) measuring the rotation angle (the rotation angle is proportional to the curvature of the curve) between the vehicle body and the bogie when passing through the transitional curve section, or (2) installing it on the track side of the entrance and exit of the curved road For example, a transition curve section is detected by detecting an ID tag with a transponder on a vehicle.
[0049]
Also, instead of detecting the entry of the transition curve section and the transition curve radius by the detector, the control device 4 mounted on the leading vehicle 5a provides the track management information (point, curve radius, curve direction, etc.) of the traveling route in advance. Is stored, the traveling position information is extracted from the actual traveling distance, the radius and the traveling direction of the transition curve section of the position where the vehicle is currently traveling are calculated, and each actuator 1a (PSYD) is calculated based on the calculation result. It may be one that controls the turning operation force to the turning.
[0050]
Further, as shown in FIG. 4, for example, a sensor (for example, a load cell) 8 for detecting a lateral pressure is installed between the inner surface of the axle box 6 and the end surface of the wheel shaft 7. A curve section may be detected by constantly measuring the acting lateral pressure.
[0051]
In this case, for example, instead of the steering damper 1 shown in FIG. 1 or the PSYD shown in FIG. 2, a railway vehicle with a bogie frame turning device in which only the actuator 1a is interposed between the vehicle body 2 and the bogie frame 3a of the bogie 3 is used. When passing through the curved section, the lateral pressure measured by the sensor 8 is fed back to the control device to adjust the control amount, and the operation of the actuator 1a is reduced so that the lateral pressure decreases according to the magnitude of the lateral pressure. You may make it control. This is the second railcar with a bogie frame turning device according to the present invention.
[0052]
By the way, as shown in FIG. 4, the lateral pressure measured at the shaft end has a direction that can be detected based on the curved direction of the traveling curved road and a direction that cannot be detected. Further, in the case of a two-axle bogie, the generation of lateral pressure is completely different between the front shaft and the rear shaft in the traveling direction. For this reason, as shown in FIG. 4, when adopting a device for measuring the lateral pressure at the shaft end, sensors 8 (a total of four places) are installed in the left and right axle boxes of the two pairs of wheel sets, respectively. Using the value of the lateral pressure detected by each sensor 8, control is performed so that the lateral pressure of the wheel on the outer rail side in the traveling direction approaches zero. Also, since the lateral pressure value is not constant even when passing through the steady curve, it is always fluctuating, so that the measured lateral pressure value is ignored through the filter and the impactful lateral pressure is prevented, thereby preventing excessive control. be able to.
[0053]
FIG. 5 shows, as another example of measuring the lateral pressure, an apparatus for measuring the lateral pressure by measuring the lateral displacement between the axle box 6 and the shaft spring seat of the bogie frame 3a. At the time of passing through the curve, a bogie displacement occurs between the vehicle body 2 and the bogie 3. When a bogie displacement occurs between the vehicle body 2 and the bogie 3 in the bolsterless bogie, the air springs 10 installed on the left and right sides of the bogie 3 and supporting the vehicle body load are largely displaced in the front-rear direction. At this time, due to the longitudinal rigidity of the air spring 10, a restoring force is generated to return the air spring to its original position.
[0054]
With this force, the bogie frame 3a moves in a direction in which the bogie angle is about to be reduced. However, the wheel shaft 7 supported by the bogie frame 3a is in a state in which the flange portion of the outer rail 9 is in contact with the rail 11, and cannot be moved further in the left-right direction. Therefore, particularly when the radius of the curve is reduced, the lateral pressure increases, and the lateral displacement between the axle box 6 and the shaft spring seat increases accordingly. That is, there is a correlation between the lateral pressure and the lateral displacement. Therefore, by measuring the lateral displacement of the axle box 6, the lateral pressure can be estimated.
[0055]
Incidentally, the lateral pressure is not determined only by the radius of the curve, but is greatly affected by the coefficient of friction between the wheel 9 and the rail 11. This means that when the bogie frame 3a is steered to reduce the lateral pressure, the friction coefficient between the wheels 9 and the rails 11 is not considered at all simply by controlling the actuator 1a in accordance with the radius of curvature. Means that proper steering is not being performed. On the other hand, since the friction coefficient is naturally added to the directly measured lateral pressure, it is necessary to directly measure the lateral pressure and control the actuator 1a based on the lateral pressure to perform appropriate steering. It turns out to be desirable.
[0056]
At this time, as in the case where the lateral pressure is measured by the sensor 8, the lateral pressure value is not constant even when passing through the steady curve, and is constantly fluctuating, and the measured lateral displacement of the axle box also depends on the fluctuation of the lateral pressure. Due to the variability, the measured values can be filtered through the filter and negligible lateral pressure can be avoided to prevent over-control.
[0057]
Hereinafter, improvement of the vehicle motion performance by PSYD will be described by numerical simulation.
As a vehicle model, a 17-DOF single-vehicle model equipped with a single-axle bogie was used.
The curve condition assumes a balanced cant state with a track radius of 200 m and a transition curve length of 90 m. At this time, a wheel equipped with wheels capable of pure rolling up to a curve radius of 150 m is used. Since PSYD has the effect of maximizing the self-steering ability of the wheels, the flange clearance and tread slope are designed so that the limit of self-steering is increased.
[0058]
FIG. 6 shows a simulation result of a vehicle model provided with a normal spring-supported single-axle bogie. The wheel attack angle during non-control is, as shown in FIG. It can be seen that (solid line) has increased. The lateral displacement of the wheel set is shown in (b), and it can be seen that both the front and rear shafts are in flange contact. From this, it can be seen that the motion characteristics of a normal vehicle are accompanied by noise such as abrasion and squeaking of treads, flanges and rails, and energy loss due to running resistance.
[0059]
On the other hand, FIG. 7 shows a PSYD simulation result when the front and rear support springs between the vehicle and the bogie are replaced by PSYD and appropriate voltage control is performed. When appropriate voltage control is performed, as shown in (a), it can be seen that both the front shaft (solid line) and the rear shaft (dashed line) are zero throughout the curve.
[0060]
At the same time, as shown in (b), the lateral displacement of the wheelset shows a behavior corresponding to a pure rolling displacement of 11 mm. This means that the wheelset alone is in a pure rolling state, and a state in which no flange contact is made and no vertical and horizontal creep forces are generated can be realized. The lateral pressure at this time is a weight restoring force due to the tread surface gradient at the wheel contact point, and is extremely small. Note that the values of the lateral force and the wheel load ratio acting on the rail are the values of the gradient of the tread surface at the wheel contact point.
[0061]
By the way, the control voltage of PSYD at the time of the control is an input having a specific pattern determined by the radius of curvature applied to the DC motor in the feedforward control. In this input, as shown in FIG. 7C, the maximum value is obtained at the middle point of the relaxation curve (where the derivative of the curvature is maximum), and the voltage value is 1.8 V at the maximum. Since the mounted PSYD does not need to generate a steady force in the actuator in principle, it can be realized with a very small DC motor.
[0062]
Since PSYD is statically unsupported, no steady longitudinal creep force is generated on the wheels. The vector of the creep force of the wheel tread when the excessive centrifugal force Fcen acts is shown in FIG. 7 (d). become.
[0063]
The wheelset is initially displaced left and right according to the excessive centrifugal force Fcen, and a vertical creep force is generated. Finally, only the lateral creep forces FL and FR are generated so that the wheel set is cut inward from the pure rolling orbit so as to balance the excess centrifugal force Fcen. Thus, even in the presence of the excessive centrifugal force Fcen, the wheelset generates the necessary minimum creep force, and is considered to have a great effect in reducing tread wear and noise.
[0064]
The railcar with a bogie frame turning device of the present invention is not limited to the one having a single-axle bogie as shown in FIGS. 1 and 4, but the one having a two-axle bogie as shown in FIG. However, it is needless to say that a vehicle equipped with an articulated truck may be used.
However, in the first railcar with a bogie frame turning device according to the present invention shown in FIG. 1, which has a two-axle bogie, as described above, the front wheel in the traveling direction is affected by the rear wheels in the traveling direction. Since lateral pressure is generated on the wheels, it is necessary to control the actuator 1a and the PSYD not only during the passage of the relaxation curve but also over the entire area of the curve.
[0065]
Further, even if the spring 1c of the steering damper 1 described in FIG. 1 and the rubber bush 1g of PSYD described in FIG. 2 are omitted, smooth operation in a curved section is possible, which is within the technical scope of the present invention. Needless to say.
Further, in the second railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention, a steering damper 1 or a PSYD may be provided instead of the actuator 1a alone.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, the bogie frame turning device-equipped railway vehicle of the present invention includes:
(1) Lateral pressure decreases.
(2) The generation of creaking noise, vibration, noise, etc. is greatly reduced.
(3) Problems such as wheel treads, flange wear, rail top wear, and noise are solved.
The same operational effects as those that forcibly steer the wheelset, such as
a) There is no danger of derailment even when a track disturbance that suddenly bends from a straight section such as a branch of a rail occurs.
b) Even if it is a straight section, the actuator does not malfunction due to the illusion of a curved section.
c) Even if the rails are dry, rainy, or on the ground oiling section, the running performance is unstable due to the application of excessive swivel force or insufficient swivel force. Without becoming
Will be able to play.
[0067]
Moreover, the railway vehicle with the bogie frame turning device of the present invention can be easily maintained with a simple device configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic explanatory view of a first railcar with a bogie frame turning device according to the present invention, FIG. 1B is an enlarged view of a configuration of a steering damper, and FIG. It is a figure explaining control of the bogie frame when the 1st railcar with a bogie frame turning device passes a curve.
FIG. 2 is a diagram showing a specific example of a steering damper.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams in the case where the turning operation force of each bogie is controlled from the bogie angle of the leading bogie. FIG. 3A is a schematic diagram of a railcar with a bogie frame turning device according to the present invention viewed from the side, and FIG. () Is an explanatory diagram of the control device.
FIG. 4 is an enlarged view showing a configuration of a lateral pressure detecting device of a second railway vehicle with a bogie frame turning device according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing another example of the lateral pressure detection device.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing simulation results of a vehicle model provided with a normal uniaxial bogie, wherein FIG. 6A shows an attack angle, and FIG.
7A and 7B are diagrams showing simulation results in a case where voltage control of PSYD is appropriately performed. FIG. 7A is an attack angle, FIG. 7B is a lateral displacement of a wheel axle, FIG. 7C is a control voltage, and FIG. It is the figure which showed the creep force of the wheel tread when excess centrifugal force acts.
[Explanation of symbols]
1 Steering damper
1a Actuator
1b damper
1c spring
1d DC motor
1e Electric resistance
1f Control voltage generator
1g rubber bush
2 Body
3 bogies
3a bogie frame
4 Control device
5a Leading vehicle
6 axle box
7 Wheelset
8 sensors

Claims

An actuator interposed between the bogie frame of the one-axle bogie that can turn with respect to the vehicle body and is activated only when passing through the transition curve section, and after detecting the entry of the vehicle into the transition curve section by the traveling position information of the vehicle, A control device that assists the bogie frame in self-steering according to the radius of the relaxation curve and applies a turning actuation force to the actuator according to the radius of the relaxation curve, wherein the actuator has a damper function that acts in parallel with the actuator. A railcar with a bogie frame turning device, characterized by being added.

An actuator that is interposed between the bogie frames of a two-axle bogie that can turn with respect to the vehicle body and that is activated when the vehicle passes through all curved sections, and detects the entry of the vehicle into the curved section based on vehicle travel position information, A control device that assists the bogie frame in self-steering according to the radius and applies a turning operation force according to a curve radius to the actuator; and the actuator has a damper function that acts in parallel with the actuator. A railway vehicle equipped with a bogie frame turning device.

An actuator interposed between a bogie frame of a bogie capable of turning with respect to the vehicle body, a device for measuring a lateral pressure generated between wheels and a rail during traveling, and a lateral pressure measured by the device are input, A railway vehicle equipped with a bogie frame turning device, comprising: a control device that operates the actuator based on the measured measured lateral pressure to reduce the lateral pressure when the vehicle passes through all the curved sections.

4. The railway vehicle with a bogie frame turning device according to claim 3, comprising a single-axle bogie, wherein the actuator is provided with a damper function acting in parallel with the actuator, and the actuator is operated only when passing through a transition curve section. A railcar with a bogie frame turning device.

4. The railway vehicle with a bogie frame turning device according to claim 3, comprising a two-axle bogie, wherein the actuator is provided with a damper function acting in parallel with the actuator, and the actuator is operated when passing through all the curved sections. A railcar with a bogie frame turning device.