JP2004175156A - 鉄道車両の異常振動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置本体の車体への搭載を容易に行うことが可能な鉄道車両の異常振動検出装置を提供すること。
【解決手段】異常振動検出装置１０は、鉄道車両１が路線を走行する際に、鉄道車両１の走行速度を検出すると共に、台車３のばね装置６よりも上側で車体２に発生する鉛直方向加速度を検出すると共に、鉛直方向加速度の所定周波数範囲における成分を抽出する。この周波数範囲における鉛直方向加速度の絶対値が、予め定められた走行速度に対応する限界鉛直方向加速度を超えた場合に、鉄道車両１に異常振動が発生したものと判定する。この異常振動検出装置１０は、加速度検出手段、フィルタ手段、車速検出手段、判定手段等を有し、車体２の妻部２ａに取り付けられて、配設されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道上を走行する鉄道車両に発生する異常振動を検出する鉄道車両の異常振動検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の異常振動検出装置として、鉄道車両の車体に加わる加速度を検出する加速度検出手段と、加速度検出手段の出力信号に基づいて車両に異常振動が発生したことを判定する判定手段とを有したものが存在する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開ＷＯ００／０９３７９号パンフレット
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、装置本体の車体への搭載を容易に行うことが可能な鉄道車両の異常振動検出装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
異常振動検出装置を車体に搭載するためには、当該装置に接続する配線（電源線、信号線等）を新設する必要がある。そこで、本発明者等は、異常振動検出装置を容易に搭載し得る位置について調査研究を重ねた結果、鉄道車両では、妻部に各種機器が搭載されており、また、つなぎ箱が車両端部に設けられていることが多く、配線を新設しやすいという事実に着目した。
【０００６】
かかる事実を踏まえ、本発明に係る鉄道車両の異常振動検出装置は、軌道上を走行する鉄道車両に発生する異常振動を検出する装置であって、鉄道車両の車体に加わる加速度を検出する加速度検出手段と、加速度検出手段の出力信号に基づいて、鉄道車両に異常振動が発生したと判定する判定手段と、を有しており、車体の妻部に設けられていることを特徴としている。
【０００７】
本発明に係る鉄道車両の異常振動検出装置においては、加速度検出手段及び判定手段を有する装置本体が車体の妻部に設けられているので、配線を容易に追加することができる。また、電力供給も妻部に設けられている既存の機器から並列に受けることができる。この結果、上記異常振動検出装置の車体への搭載を容易に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【０００９】
図１は本実施形態に係る鉄道車両の異常振動検出装置を適用した鉄道車両を示す概略構成図である。図１に示す鉄道車両１は、有人運転又は無人運転されるものであり、車体２と、車体に取り付けられた２体の台車３とを備える。台車３には、レール４上を転動する車輪５と、空気ばね等からなるばね装置６が含まれる。ばね装置６は、鉄道車両１が走行する際に、鉛直方向へ伸縮しつつ、ばね装置６より上側の部位（車体２を含む）に発生する振動を緩和するものである。
【００１０】
異常振動検出装置１０は、車体２の妻部２ａに取り付けられて、配設されている。異常振動検出装置１０は、それぞれ後述する判定手段１４、加速度検出手段１１及びフィルタ手段１５などが図示しない筐体内に収容された構成とされている。なお、図１においては、各車両１の両妻部２ａに異常振動検出装置１０を設置するように構成しているが、いずれか一方の妻部２ａにのみ設置するようにしてもよい。
【００１１】
図２は、異常振動検出装置１０の制御ブロック図である。図２に示すように、異常振動検出装置１０は、加速度検出手段１１と、車速検出手段１２とを含む。加速度検出手段１１は、車体２に取り付けられており、鉄道車両１が走行する際に、台車３のばね装置６よりも上側で車体２に発生する加速度の鉛直方向成分（ａ）（以下「鉛直方向加速度（ａ）」という）を検出する。車速検出手段１２は、鉄道車両１が走行する際の走行速度（ｖ）を検出する。車速検出手段１２は、検出した鉄道車両１の走行速度（ｖ）を示す信号を判定手段１４に与える。車速検出手段１２は、例えば車両１の車軸に取り付けられ車速に応じて周波数が変化する速度発電機（図示せず）からの信号に基づいて、走行速度（ｖ）を検出することができる。
【００１２】
一方、加速度検出手段１１は、バンドパスフィルタ等からなるフィルタ手段１５に接続されている。このフィルタ手段１５は、加速度検出手段１１の出力から所定周波数範囲における成分（この場合、例えば、６〜２０Ｈｚの周波数範囲とする。また、４〜８Ｈｚとしてもよい）を抽出する。ここで、加速度検出手段１１によって検出された鉛直方向加速度（ａ）から所定周波数範囲（６〜２０Ｈｚ）における成分を抽出するのは、つぎのような理由による。
【００１３】
すなわち、鉄道車両は、その乗り心地を良好に維持するために、車体における周波数ｆと鉛直方向加速度（ａ）の絶対値との関係が、例えば図３に示す特性を満足するように設計・製造される。図３は、車体における周波数ｆと鉛直方向加速度（ａ）の絶対値との間の関係を示した図表であり、乗り心地の各等級Ｇ１，Ｇ１．５，Ｇ２，Ｇ３における特性線が示されている。この場合、各等級Ｇ１〜Ｇ３に対応する特性線よりも下側が許容範囲内とされ、上側が許容範囲外とされる。
【００１４】
各等級において、周波数６〜２０Ｈｚの範囲における鉛直方向加速度は、乗り心地を悪化させる要因となることから、この周波数範囲では、鉛直方向加速度の許容値（許容鉛直方向加速度）の絶対値が、他の周波数範囲より小さくかつフラットになるように設定されている。つまり、周波数６〜２０Ｈｚの範囲では、正常走行時と異常振動発生時とにおける鉛直方向加速度の差違が明確になり、正確かつ確実に異常振動を検知することができる。
【００１５】
フィルタ手段１５によって抽出された周波数６〜２０Ｈｚの範囲における鉛直方向加速度（ａ）を示す信号は、判定手段１４に送られる。判定手段１４には、限界加速度記憶手段１６が接続されており、この限界加速度記憶手段１６には、異常振動の発生を検知するためのしきい値として所定速度ごとに定められた限界鉛直方向加速度（ａｌ）を示すデータが記憶されている。判定手段１４は、フィルタ手段１５を介して加速度検出手段１１から受け取った鉛直方向加速度（ａ）を示す信号及び車速検出手段１２から受け取った走行速度（ｖ）を示す信号に基づいて、周波数６〜２０Ｈｚの範囲における鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、車速検出手段１２によって検出された走行速度（ｖ）に対応する限界鉛直方向加速度（ａｌ）を超えるか否かを判定する。
【００１６】
判定手段１４は、図示しない鉄道車両１の運転装置又は、自動停止装置等に接続される。判定手段１４は、鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、限界鉛直方向加速度（ａｌ）を超えた場合、鉄道車両１が異常振動が発生したことを示す異常振動発生信号を運転装置等に与える。異常振動発生信号が発せられた場合、例えば、鉄道車両１の力行を停止し、かつ非常ブレーキを作動させて速やかに鉄道車両１を停止させるようにする。また、運転装置上に異常振動発生警告ランプを設けて、異常振動発生信号が発せられた場合に異常振動発生警告ランプを点滅させるようにしてもよい。
【００１７】
また、図２に示すように、判定手段１４にカウンタ１７を接続し、鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、所定時間内に、走行速度（ｖ）に対応する限界鉛直方向加速度（ａｌ）を所定回数超えた場合に、鉄道車両１に異常振動が発生したものと判定するように構成すると好ましい。これにより、正常走行時に例外的に発生する著大な鉛直方向加速度（ａ）に起因して異常振動の発生を誤って検知してしまうといった事態が回避される。
【００１８】
本発明の第１実施形態による異常振動検出方法を適用する際には、予め、鉄道車両１を所定の路線（使用線区）で走行速度（ｖ）を変化させながら走行させる。そして、変化させた各走行速度（ｖ）ごとに、ばね装置６よりも上側で車体２に発生する周波数６〜２０Ｈｚの範囲内における鉛直方向加速度（ａ）を計測する。そして、周波数６〜２０Ｈｚの範囲内における鉛直方向加速度（ａ）に基づいて、限界鉛直方向加速度（ａｌ）を定める。限界鉛直方向加速度（ａｌ）を定めるに際しては、図４に示すように、予め計測した、各走行速度（ｖ）に対応する鉛直方向加速度（ａ）の最大値をプロットすると共に、各最大値よりも大きな値を通る直線を規定し、各直線上における値を限界鉛直方向加速度（ａｌ）として設定するとよい。そして、求められた限界鉛直方向加速度（ａｌ）を限界加速度記憶手段１６に記憶させておく。
【００１９】
鉄道車両１が路線を実際に走行する際（営業運転時）には、鉄道車両１の走行速度（ｖ）（実走行速度）を検出すると共に、ばね装置６よりも上側で車体２に発生する鉛直方向加速度（ａ）（実鉛直方向加速度）を検出する。検出された鉛直方向加速度（ａ）からは、フィルタ手段１５によって周波数６〜２０Ｈｚの範囲における成分が抽出される。そして、当該周波数範囲における鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、検出された走行速度（ｖ）に対応する限界鉛直方向加速度（ａｌ）を超えた場合に、判定手段１４によって、鉄道車両１に異常振動が発生したものと判定される。
【００２０】
このように、鉄道車両１の走行速度（ｖ）に対応させて限界鉛直方向加速度（ａｌ）を定め、実際に鉄道車両１が走行している際に、走行速度（ｖ）に対応する限界鉛直方向加速度（ａｌ）と、車体２等に発生する鉛直方向加速度（ａ）と比較することにより、正確かつ確実に異常振動の発生を検知することができる。
【００２１】
なお、限界鉛直方向加速度（ａｌ）は、走行速度に対応させて可変に設定するものとして説明したが、これに限られるものではない。すなわち、限界鉛直方向加速度（ａｌ）を一定にしてもよい。この場合は、判定手段１４を、フィルタ手段１５から受け取った鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、例えば、０．２Ｇを超えた場合に異常振動発生信号を発生するように構成するとよい。
【００２２】
図５は、本発明の第２実施形態による異常振動検出装置の制御ブロック図である。図５に示す異常振動検出装置２０も、上述した異常振動検出装置１０と同様に、それぞれが鉄道車両１の車体２の両妻部２ａに装備される。異常振動検出装置２０は、鉄道車両１が走行する際に、台車３のばね装置６よりも上側で車体２に発生する鉛直方向加速度（ａ）を検出する加速度検出手段２１を含む。加速度検出手段２１は、ばね装置６より上側の部位としての車体２に取り付けられる。加速度検出手段２１は、積分手段２２に接続されており、積分手段２２は、加速度検出手段２１の出力を二重積分して、加速度検出手段２１の取付ヶ所における鉛直方向変位量（ｄ）を算出する。
【００２３】
積分手段２２は、車輪５の一軸がレール４の高さｈだけ自由落下する際に、車体２が下降を開始してからレール４の高さの１／２、すなわち、ｈ／２（図１参照）だけ下降するまでの時間を評価時間（Ｔ）（図６参照）として、この評価時間（Ｔ）ごとに鉛直方向加速度（ａ）を二重積分して鉛直方向変位量（ｄ）を算出する。この評価時間（Ｔ）は、コンピュータシミュレーション等を行うことにより、異常振動検出装置２０を適用する鉄道車両１固有の値を予め算出しておく。また、積分手段２２は、鉛直方向変位量（ｄ）を算出するにあたって、初期速度をゼロとして二重積分を行う。つまり、積分手段２２による二重積分は、積分定数をすべてゼロとした状態で行われる。これにより、鉄道車両１が勾配区間を高速で正常走行する場合における車体２等の定常的な鉛直方向変位量を相殺することができ、正確かつ確実に異常振動の発生を検知することができる。
【００２４】
積分手段２２によって算出された演算結果は、判定手段２３に送られる。判定手段２３は、鉛直方向変位量（ｄ）が負であり、かつ、その絶対値が所定の基準値（ｄｃ）（この場合は、例えば、４０ｍｍ）以上である時に鉄道車両１に異常振動が発生したものと判定する。ここで、鉛直方向加速度（ａ）を二重積分して求めた鉛直方向変位量（ｄ）と比較するための基準値（ｄｃ）は、鉄道車両１が正常に走行している際のばね装置６の鉛直方向における最大変化量より大きい値に設定すると好ましい。これにより、平坦区間及び勾配区間の双方において、正常走行時における車体２等の定常的な鉛直方向変位量と、異常振動発生時における車体２等の鉛直方向変位量とを確実に識別することができる。
【００２５】
図７は、加速度検出手段２１によって検出される異常振動発生時の鉛直方向加速度（ａ）の時間変化を例示する図表であり、図８は、図７における鉛直方向加速度（ａ）に基づいて積分手段２２が算出した鉛直方向変位量（ｄ）の時間変化を示した図表である。脱線時には、鉄道車両１の車輪５はレール４から地面へ落下するので、鉛直方向変位量（ｄ）は評価時間（Ｔ）内に大幅に下降する。一方、鉄道車両１の正常走行中、車体２は、ばね装置６によって鉛直方向の振動を緩和されつつ、ばね装置６の鉛直方向における伸縮量の範囲内で鉛直方向に振動している。一般に、レール４の高さは、ばね装置６の鉛直方向における正常時の最大変化量より大きい。従って、鉄道車両１が脱線すると、ばね装置６の鉛直方向における正常時の最大変化量を超える量だけ車体等は下降することになる。
【００２６】
一般的に、ばね装置６の伸縮量は、例えば±３０ｍｍであり、その場合、ばね装置６の最大変化量は６０ｍｍとなる。また、通常、評価時間（Ｔ）は、一般的な鉄道車両の場合、０．２秒程度であり、評価時間（Ｔ）（約０．２秒）の間におけるばね装置６の変化量は２０ｍｍ以下である。一方、レール４の高さｈは通常、１５０ｍｍである。２軸構成の台車では、車輪１軸が脱線した場合、車体の鉛直方向変化量（ｄ）は、台車３の心皿部において、およそ７５ｍｍとなる。従って、図８に示すように、基準値（ｄｃ）＝−４０ｍｍとし、積分手段２２によって算出された鉛直方向変位量（ｄ）が、鉛直方向変位量（ｄ）＜−４０ｍｍを満たすか否かを判定手段２３が判定するようにするとよい。この場合、判定手段２３は、鉛直方向変位量（ｄ）＜−４０ｍｍであるとき、異常振動発生信号を発生する。
【００２７】
本発明の第２実施形態による異常振動検出方法では、鉄道車両１がレール４上を走行する際に、加速度検出手段２１を用いて、ばね装置６よりも上側で車体２に発生する鉛直方向加速度（ａ）を検出する。そして、積分手段２２を用いて、検出された鉛直方向加速度（ａ）を評価時間（Ｔ）ごとに二重積分し、ばね装置６より上側の部位が評価時間（Ｔ）当たりに鉛直方向に変位する量、すなわち、鉛直方向変位量（ｄ）を求める。そして、判定手段２３によって、鉛直方向変位量（ｄ）が負であり、かつ、その絶対値が所定の基準値（ｄｃ）以上である時に鉄道車両１に異常振動が発生したものと判定される。本発明の第２実施形態による異常振動検出方法によっても、正確かつ確実に異常振動の発生を検知することができる。
【００２８】
図９は、本発明の第３実施形態による異常振動検出装置の制御ブロック図である。図９に示す異常振動検出装置３０は、上述した第１実施形態による異常振動検出装置１０と第２実施形態による異常振動検出装置２０とを組み合わせたものに相当する。この異常振動検出装置３０も、上述した異常振動検出装置１０と同様に、それぞれが鉄道車両１の車体２の両妻部２ａに装備される。異常振動検出装置３０では、加速度検出手段３１によって検出された鉛直方向加速度（ａ）が、積分手段３３を介して変位判定手段３４に送られると共に、フィルタ手段３５を介して加速度判定手段３６とに送られる。
【００２９】
そして、変位判定手段３４によって鉛直方向変位量（ｄ）が負であり、かつ、その絶対値が所定の基準値ｄｃ以上であると判定された場合、又は、加速度判定手段３６によって、所定の周波数範囲における鉛直方向加速度（ａ）の絶対値が、車速検出手段３２によって検出された走行速度（ｖ）に対応する限界鉛直方向加速度（ａｌ）を超えたと判定された場合に、ＯＲゲート３８によって異常振動発生信号が発せられる。このような異常振動検出装置３０を用いても、正確かつ確実に異常振動の発生を検知することができる。
【００３０】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、妻部２ａに非常通報器（マイク、スピーカ、押しボタンスイッチ等）が配設されている場合には、当該非常通報器に接続される信号線等に対して、異常振動の発生を知らせる信号を異常振動検出装置１０，２０，３０から出力するための信号線等を並列に接続するようにしてもよい。この場合、異常振動検出装置１０，２０，３０から出力するための信号と、非常通報器のボタンが押されることにより出力される信号とを異ならせることで、異常振動検出と非常通報とを容易に区別することが可能となる。また、異常振動検出装置１０，２０，３０は、妻部２ａに配設されているその他の機器（例えば、上記非常通報器等）とユニット化するように構成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、装置本体の車体への搭載を容易に行うことが可能な鉄道車両の異常振動検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る異常振動検出装置を適用した鉄道車両を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態による鉄道車両の異常振動検出装置の制御ブロック図である。
【図３】鉄道車両の車体における周波数と鉛直方向加速度の絶対値との関係を示す図表である。
【図４】限界鉛直方向加速度の規定手順を説明するための図表である。
【図５】第２実施形態による鉄道車両の異常振動検出装置の制御ブロック図である。
【図６】評価時間の設定手順を説明するための図表である。
【図７】図５の加速度検出手段により検出される異常振動発生時の鉛直方向加速度の時間変化を例示する図表である。
【図８】図７における鉛直方向加速度に基づいて図５の積分手段が算出した鉛直方向変位量の時間変化を示す図表である。
【図９】第３実施形態による鉄道車両の異常振動検出装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１…鉄道車両、２…車体、２ａ…妻部、３…台車、４…レール、５…車輪、１０，２０，３０…異常振動検出装置、１１，２１，３１…加速度検出手段、１２，３２…車速検出手段、１４，２３…判定手段、１５，３５…フィルタ手段、１６…限界加速度記憶手段、１７…カウンタ、２２，３３…積分手段、３４…変位判定手段、３６…加速度判定手段、３８…ゲート。

Claims (1)

1. 軌道上を走行する鉄道車両に発生する異常振動を検出する装置であって、
   前記鉄道車両の車体に加わる加速度を検出する加速度検出手段と、
   前記加速度検出手段の出力信号に基づいて、前記鉄道車両に異常振動が発生したと判定する判定手段と、を有しており、
   前記車体の妻部に設けられていることを特徴とする鉄道車両の異常振動検出装置。

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