JP2005168177A - 列車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ少ない動力軸で高いバランス速度を得る。
【解決手段】電気車の動輪の軸毎、または台車毎、または車両毎に走行方向に対応して、一律に生成されたけん引力指令を補正するけん引力指令補正回路15と、動輪の空転を判定する判定回路16と、この判定回路16の判定結果により上記補正回路15によるけん引力の補正の有無を切替える切替スイッチ14とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に高速で走行する鉄道車両に好適な列車制御装置に関する。

加速及び減速を車輪とレールとの間の粘着に頼っている鉄道車両では、粘着特性がその鉄道の機能を決定する重要な要素となっている。なかでもブレーキ時の粘着特性は安全に関わり、且つ、粘着力不足は滑走に伴う車輪踏面のフラット、レールの損傷といった不都合を起こす可能性を持っている。

同様に、車輪の空転においても、車輪やレールが損傷してしまうという不都合のほか、加速不良によりダイヤの乱れを生じることも発生する。

また、従来には、車輪の空転・滑走を検知して誘導電動機の滑り周波数を強制的に制御し、長時間の空転等を防ぐようにした技術も考えられている。（例えば、特許文献１）
特開平０６−０７０４０７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、車輪の長時間の空転等を防ぐことはできるものの、車輪とレールとの粘着性能そのものを上げるものではない。
新幹線電車では粘着性能の目安がこれまでのいろんな試験、検証から次のように示されている。
湿潤時の最大粘着係数＝13.6／(Ｖ＋85) …(1)
（但し、Ｖ：速度［ｋｍ／ｈ］）
乾燥時の最大粘着係数＝27.2／(Ｖ＋85) …(2)
（但し、Ｖ：速度［ｋｍ／ｈ］）
一方、新幹線のように高速で走行する車両の走行抵抗は、特に高速領域では速度の二乗に比例し、高速でのバランス速度を得ようとすると、より大きなけん引力が必要となる。
このことより、高速車両で例えば３［％］の上り勾配で４００［ｋｍ／ｈ］のバランス速度を得ようとすると、４００［ｋｍ／ｈ］の速度域ではより大きなけん引力を必要とし、このけん引力を出すと、粘着限界を超えて、空転を発生することになる。
動力軸の最大けん引力は、軸重に利用粘着係数を乗じたもので決定されるので、軸重が固定されると、利用できる粘着係数が高くとれない限り、動力軸でのけん引力は制限される。

けん引力が限られた動力軸で目安となる粘着計画値以上の粘着係数を複数車両の編成として確保するためには、一般には動力軸の数を増やす方法が採られるが、上記の例に示したような４００［ｋｍ／ｈ］という高速度でのバランス速度を得ようとすると、すべての車軸を動力軸としても、必要なけん引力にまでは至らないことになる。

これはつまり、高速新幹線において、目安値である計画粘着係数値を使用する限り、必要な高速化を図ることができないことを意味している。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、できるだけ少ない動力軸で高いバランス速度を得ることが可能な列車制御装置を提供することにある。

レールが湿潤した状態であっても、先頭車輪が通過する時点と後尾車輪が通過する時点ではレールの状態が変わり、先頭車では一連の目安とされる計画粘着係数以下の値しかとれないが、例えば３両目以降ではそれ以上の値を取ることができる。これを、力行制御に適応し、本発明の請求項１記載の発明は、電気車の動輪の軸毎、または台車毎、または車両毎に走行方向に対応してけん引力を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、走行方向に対応して例えば環境に応じて粘着係数が低下しがちな先頭車両側のけん引力を低めに補正する一方で、その後方の車両ではけん引力を高めに補正するなど、個々のけん引力を補正しながらも編成全体では計画粘着係数以上のけん引力を得て、高いバランス速度での安定した走行を可能とする。

以下本発明を複数の車両からなる列車のけん引制御装置に適用した場合の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１はその機能回路構成を示すものである。図中、１１が運転台に配置された主幹制御器であり、１２が列車の速度検出器である。主幹制御器１１が運転士の操作に伴って発生するノッチ位置の情報からなるノッチ指令と、速度検出器１２が検出した列車の速度の各情報がけん引力指令生成回路１３及び判定回路１６に送出される。

けん引力指令生成回路１３は、これら２つの情報に基づいて、後述する電動機１９，１９，‥‥がそれぞれ一律に必要なけん引力を発生するための指令、具体的にはトルク電流値を示す指令を生成して切替スイッチ１４及びけん引力指令補正回路１５へ出力する。

判定回路１６は、動輪の空転を検出した場合、及び同空転の可能性が高い場合を判定して判定結果を上記けん引力指令補正回路１５へ出力する一方で、上記切替スイッチ１４を切替制御する。

けん引力指令補正回路１５は、けん引力指令生成回路１３から与えられる各電動機１９，１９，‥‥一律のけん引力指令に対し、予め設定されている比率にしたがって動輪の軸毎、または台車毎、または車両毎に走行方向に対応して各けん引力指令を補正するもので、その補正後の各けん引力指令もまた上記切替スイッチ１４に出力される。

しかして、切替スイッチ１４でけん引力指令生成回路１３から直接出力されたけん引力指令と、判定回路１６で補正されたけん引力指令の一方が切替選択され、電動機制御回路１７，１７，‥‥に送られる。

これら電動機制御回路１７，１７，‥‥は、この列車の編成に応じたｍ個の電動機（Ｍ）１９，１９，‥‥に１対１に対応して設けられるもので、それぞれ与えられたけん引力指令に基づいて台車１８，１８，‥‥に設けられた電動機１９，１９，‥‥を回転駆動し、ここでは図示しない車軸を介して各動輪にけん引力を発生させる。

次に上記判定回路１６の詳細な回路構成について図２により説明する。

判定回路１６は、正確には本体の判定回路１６と空転検知回路１６ａとから構成される。上記各電動機制御回路１７，１７，‥‥から出力される、各電動機１９，１９，‥‥毎の回転速度の情報が一括して空転検知回路１６ａに入力され、空転検知回路１６ａはこれらの回転速度情報から、所定の比率により他の回転速度情報と比して突出した値となっている回転速度情報があった場合に空転が発生しているものと検知して、その検知結果を判定回路１６へ出力する。

判定回路１６にはまた、上記主幹制御器１１からのノッチ指令と速度検出器１２からの速度の情報の他に、上記主幹制御器１１が配置されている運転台位置からの切替信号と、ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ：自動列車制御装置）からの地点情報が入力される。

判定回路１６は、各入力に基づいてけん引力指令生成回路１３が出力するけん引力指令の補正を行なうか否かを判定し、補正を行なうと判定した場合には切替スイッチ１４をけん引力指令生成回路１３の出力ではなく、けん引力指令補正回路１５の出力側に切替選択して、各電動機制御回路１７，１７，‥‥に供給させる。

また、判定回路１６は、後述する如くけん引力指令補正回路１５が複数のステップでけん引力指令の補正を実行する場合には、けん引力指令補正回路１５に対してもその都度指示信号を送出する。

次に上記実施の形態の動作について説明する。

図３は、複数、例えば１０両編成の車両からなる列車として、具体的に４００［ｋｍ／ｈ］のバランス速度が要求される高速新幹線を想定した場合の、車両位置毎の各粘着係数を例示するものである。

同図に示すように、全車両を一律に考えた場合の新幹線粘着式からの粘着係数の限界βが「２．８」であり、一方で上記高速走行させるために必要な平均粘着係数αが「３．０」であるので、そのまま全車両の各動輪が同一のけん引力となるように各電動機１９，１９，‥‥を回転駆動しても、必要な粘着が得られず、車輪が空転してしまうことがわかる。

ところで、先頭に位置する車両に比べ、２両目、３両目と走行方向に対して後方に位置する車両の方が粘着係数が高くなるので、各車両位置による粘着限界γを求めると同図に示すようになる。

この各車両位置による粘着限界γでは、走行方向先頭に位置する１号車の粘着限界が「２．５２」であり、上記新幹線粘着式からの限界βを下回っているものの、２号車の粘着限界は「２．８」であり、新幹線粘着式からの限界βと等しいことがわかる。

さらに、３号車以降、最後尾の１０号車までは、必要な平均粘着係数αを大きく上回る粘着限界「３．６５」を得ることができるので、これらの車両の範囲でなら、充分な値のけん引力指令により所望のバランス速度での走行を実現することができる。

したがって、例えば１号車の利用粘着係数をその粘着限界「２．５２」を下回る「２．３８」、２号車の利用粘着係数をその粘着限界「２．８」を下回る「２．６６」とした上で、３号車以降１０号車までの各車両では利用粘着係数をその粘着限界「３．６５」を下回る「３．１９」とすれば、
２．３８＋２．６６＋３．１９×８＝３０．５６
となり、必要な平均粘着係数α「３．０」×１０（車両）分の総計値「３０．０」を上回って、１０両編成の列車全体においても、いずれの車両の動輪も空転を発生することなく、充分に必要な粘着を得た上での高速走行が実現可能であることがわかる。

そのために上記けん引力指令補正回路１５は、けん引力指令生成回路１３から与えられる全車両とも一様なけん引力指令に対して、上記図３で示した車両毎の利用粘着係数δに従った補正を施して出力するものとする。

図４は、判定回路１６での補正のオン／オフ設定に係る処理内容を示すものである。
その当初には、補正が既にオン設定されているか否かを判断する（ステップＡ１）。
オン設定されていなければ、動輪のいずれか少なくとも１つで空転が発生しているか否か（ステップＡ２）、補正運転のオン切替がなされているか否か（ステップＡ３）、動輪の空転が発生し得る所定の速度を超過しているか否か（ステップＡ４）、動輪の空転が発生する所定の速度範囲となりうるノッチ位置範囲となっているか否か（ステップＡ５）、そしてＡＴＣから動輪の空転が発生し易い地点情報が入力されているか否か（ステップＡ６）を順次判断する。

上記ステップＡ２は、空転検知回路１６ａからの検知信号により判断するもので、１つでも動輪が空転しており、その他の動輪よりも突出して高い回転速度で回転している場合にこれを検出する。

上記ステップＡ３は、例えば悪天候でレールが湿潤な状態となっている場合などに運転台から運転士が直接操作により切り替えるとこれを判断する。
上記ステップＡ４は、予め設定された走行速度のしきい値を速度検出器１２からの速度情報の値が超過しているか否かにより判断する。

上記ステップＡ５は、単純に運転士が操作するノッチ位置が予め設定した位置以上となった場合にこれを判断する。
上記ステップＡ６は、動輪の空転が発生しやすい地点位置に予め設置されているＡＴＣの通過時に信号があるか否かを判断する。

しかるに、上記ステップＡ２〜Ａ６のいずれかで該当するものと判断した場合、その判断時点で即時けん引力指令の補正をオン設定して切替スイッチ１４をけん引力指令補正回路１５の出力側に切替選択させた後（ステップＡ７）、今度は運転台から運転士の直接操作により補正のオン設定を解除するオフ設定操作がないことを確認した上で（ステップＡ８）、再び上記ステップＡ１からの処理に戻って同様の処理を繰返す。

また、上記ステップＡ１で既に補正が既にオン設定されていると判断した場合、及び上記ステップＡ６でＡＴＣからの信号もなかったと判断した場合には、上記ステップＡ７の補正のオン設定処理は省略して、上記ステップＡ８に至る。

しかして、上記ステップＡ８で運転台から運転士の直接操作により補正のオン設定を解除するオフ設定操作が合ったと判断すると、とりあえずは動輪の空転の発生の虞れがないものとして、補正をオフ設定し、切替スイッチ１４をけん引力指令補正回路１５の出力側からけん引力指令生成回路１３の出力側に切替選択させた後（ステップＡ９）、再び上記ステップＡ１からの処理に戻る。

このように、実際に動輪の空転を検出した場合に加え、運転士が例えば天候に応じてレールが湿潤であると判断した場合、動輪の空転が発生し得る走行速度域あるいは主幹制御器１１のノッチ位置となった場合、及びＡＴＣからの地点情報が得られた場合には、けん引力指令補正回路１５が車両位置毎に補正したけん引力指令を即時切替選択して適宜電動機制御回路１７，１７，‥‥に供給するものとし、動輪の空転を発生させずに動輪とレール間の粘着を維持し、必要なけん引力を得て充分高速なバランス速度での走行を実現させるようにした。

なお、上記実施の形態では、けん引力指令補正回路１５が車両の位置毎に粘着係数が異なるようにけん引力指令を補正するものとして説明したが、同一の車両位置でも走行方向に対応した台車１８，１８，‥‥の位置毎に粘着限界は異なり、さらには同一の台車位置でも走行方向に対応した電動機１９，１９，‥‥の位置毎に粘着限界は異なる。

したがって、けん引力指令補正回路１５は、それら台車や電動機の位置毎によりきめ細かくけん引力指令を補正するものとしてもよく、そうすることで利用粘着係数をより適切に設定して列車全体の粘着限界を高め、動輪が空転することなくより高いバランス速度で走行させることが可能となる。

また、上記実施の形態では、全電動機１９，１９，‥‥からの回転速度の情報により判定回路１６の空転検知回路１６ａが空転状態の検知を行なうものとして説明したが、実際に動輪の空転が発生するのは、特に動輪を有する複数の車両中で走行方向に対して最も先頭側に位置する車両であるものと考えられる。

したがって、特に１号車のみ、あるいは１号車と２号車のみの空転状態の検知を実行する一方で、２号車あるいは３号車以降の車両の空転状態の検知は省略するものとしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、判定回路１６に列車外部のＡＴＣから地点情報が入力されるものとして説明したが、列車外部から入力される地点情報で、動輪の空転に関する内容であれば、ＡＴＣに限らず、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）に基づく測位データを予め動輪の空転が予想される地点データと照合して一致した場合に得られるような地点情報が入力されるものとしてもよい。

また、上記実施の形態では、図３に示した如く各車両位置による粘着限界γに対して１段階の利用粘着係数δを設定するものとして説明したが、他の動作例としては、複数段階の利用粘着係数δを設定するものとしてもよい。

この場合、補正オン設定時の段階が進むに連れて先頭側の１号車及び２号車の利用粘着係数を徐々に低く、それに連れて３号車以降の各車両の利用粘着係数を徐々に高く設定するものとする。

以下そのような動作例を図５のけん引力指令補正回路１５での処理内容で行なうものとして説明する。

ここでは、けん引力指令の補正をオン設定する当初のみならず、既にオン設定されている状態であっても、判定回路１６の空転検知回路１６ａで動輪の空転を検出した場合には常に補正指定の信号が判定回路１６からけん引力指令補正回路１５へ送出されるものとし、反対にけん引力指令の補正をオフ設定する場合には補正解除指定の信号が判定回路１６からけん引力指令補正回路１５へ送出されるものとする。

図５においてけん引力指令補正回路１５では、判定回路１６から補正指定の信号が入力されたか否か（ステップＢ１）、補正解除指定の信号が入力されたか否か（ステップＢ２）を繰返し判断することで、これらの信号の入力を待機する。

ステップＢ１で補正指定の信号が入力されたと判断した場合、次にその時点で既に補正のオン設定がなされており、判定回路１６は切替スイッチ１４の切替選択によりこのけん引力指令補正回路１５が補正したけん引力指令を各電動機制御回路１７，１７，‥‥に供給しているか否かを判断する（ステップＢ３）。

まだ補正のオン設定がなされておらず、判定回路１６は切替スイッチ１４の切替選択によりこのけん引力指令補正回路１５ではなく上記けん引力指令生成回路１３が生成したけん引力指令をそのまま各電動機制御回路１７，１７，‥‥に供給していると判断した場合には、あらためて補正をオン設定した上で（ステップＢ４）、第１補正ステップとして先頭側の１号車及び２号車の利用粘着係数をそれぞれ車両位置の粘着限界γよりやや低く、合わせて３号車以降の各車両の利用粘着係数も適正範囲内で最も低く設定し（ステップＢ５）、以後上記ステップＢ１からの処理に戻る。

また、上記ステップＢ３で既に補正のオン設定がされていると判断した場合には、次いでその時点で設定されている補正ステップを１つ更新設定し（ステップＢ６）、その更新設定した補正ステップが最終ステップの最大値「ｎ」を越えていないことを確認した上で（ステップＢ７）、再び上記ステップＢ１からの処理に戻る。

この補正ステップの更新設定に際しては、先頭側の１号車及び２号車の利用粘着係数を徐々に低く、それに連れて３号車以降の各車両の利用粘着係数を徐々に高く設定するものとする。

また、上記ステップＢ７で更新設定した補正ステップが最終ステップの最大値「ｎ」を越えたと判断した場合には、補正ステップの更新設定を無効として第ｎ補正ステップでの補正処理に止めておき（ステップＢ８）、再び上記ステップＢ１からの処理に戻る。

さらに、上記ステップＢ２で補正解除指定の信号が入力されたと判断した場合には、それまで実行していた補正オン設定を解除して補正オフ設定とした上で（ステップＢ９）、再び上記ステップＢ１からの処理に戻る。

このように、けん引力指令補正回路１５が実行するけん引力指令の補正を複数の段階に分けて設定し、動輪の空転の発生に際して段階的に補正の度合を強めていくようにしたことで、適宜その時点で最小限の補正を実行することにより、利用粘着係数をより適切に設定することが可能となる。

その他、本発明は上記実施の形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であるものとする。

さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の実施の一形態に係るけん引力制御装置の機能回路構成を示すブロック図。 図１の判定回路の詳細な回路構成を示すブロック図。 同実施の形態に係る高速新幹線の車両位置毎の各種粘着係数を例示する図。 同実施の形態に係る判定回路で実行される処理内容を示すフローチャート。 同実施の形態に係るけん引力指令補正回路で実行される他の動作例での処理内容を示すフローチャート。

符号の説明

１１…主幹制御器、１２…速度検出器、１３…けん引力指令生成回路、１４…切替スイッチ、１５…けん引力指令補正回路、１６…判定回路、１６ａ…空転検知回路、１７…電動機制御回路、１８…台車、１９…モータ（Ｍ）、α…必要な平均粘着係数、β…新幹線粘着式からの粘着係数の限界、γ…各車両位置による粘着限界、δ…利用粘着係数。

Claims (9)

1. 電気車の動輪の軸毎、または台車毎、または車両毎に走行方向に対応してけん引力を補正する補正手段を備えたことを特徴とした列車制御装置。
2. 上記補正手段によるけん引力の補正の有無を切替える切替手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の列車制御装置。
3. 上記動輪の空転を検知する検知手段をさらに備え、
   上記切替手段は、上記検知手段が動輪の空転を検知した場合にけん引力の補正に切替える
   ことを特徴とする請求項２記載の列車制御装置。
4. 上記検知手段は、先頭車両の動輪の空転を検知することを特徴とする請求項３記載の列車制御装置。
5. 上記切替手段に係る切替操作部を運転台に配置することを特徴とする請求項２記載の列車制御装置。
6. 上記切替手段は、主幹制御器のノッチ位置情報に基づいてけん引力の補正に切替えることを特徴とする請求項２記載の列車制御装置。
7. 上記切替手段は、列車の速度情報に基づいてけん引力の補正に切替えることを特徴とする請求項２記載の列車制御装置。
8. 上記切替手段は、列車外部から与えられる地点情報に基づいてけん引力の補正に切替えることを特徴とする請求項２記載の列車制御装置。
9. 上記補正手段は、走行方向に対応したけん引力を補正を段階的に実行することを特徴とする請求項１記載の列車制御装置。

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