JP2006184068A - 鉄道車両の振動試験方法及び振動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の振動特性と軌条の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した振動試験が実施できる鉄道車両の振動試験装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両の車輪５に下方より当接する軌条輪８と、軌条輪８を回転駆動するモータ６ｂと、モータ６ｂの回転を制御する制御手段と、軌条輪８を変位させる加振手段１０とを備えた鉄道車両の振動試験装置であって、軌条輪８と加振手段１０との間に介在され、かつ鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を計測する反力計測手段１４と、軌条構造物の数値モデルを有し、かつ反力計測手段１４により計測された荷重を外力として一定時間後の数値モデルの振動応答を計算し、数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように加振手段１０を制御する振動応答計算手段１９から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の振動試験を行う振動試験方法及び振動試験装置に関する。

実車走行する鉄道車両の振動は、車両の乗心地に大きな影響を及ぼすことから、従来から振動試験装置を使用して鉄道車両の振動に関係する試験が実施されており、その方法や試験装置が例えば特許文献１や、非特許文献１に記載されている。
前記特許文献１に記載された鉄道車両の試験装置及び試験方法は、台車に車体の運動を模擬する車両を取り付けて、その模擬車両にデジタル計算機により制御されるアクチュエータにより振動を加えると共に、模擬車両からの反力から一定時刻毎の車体の運動を計算して、一定時間後に模擬車両にその運動を再現するようにしたもので、小規模な試験装置で実車走行試験と同等な試験が実施できるように構成されている。

また非特許文献１に記載された試験方法は、鉄道車両の実車走行試験と同等の試験が行えるように、実際の軌条に軌条測定車を走行させて実軌条の走行データを収集し、得られた走行データを試験装置に入力して軌条輪加振を行うことにより、試験装置で実車走行が再現できるようになっている。
特開平５−２８１０９６号公報 鉄道と技術 第１０巻 第７号 通巻９８号 ２００４年６月号／２００４年８月１０日発行 ページ２５−３１「在来線次世代走り装置開発に向けた車両運動調査結果の概要（下）」

しかし前記特許文献１や非特許文献１に記載された鉄道車両の振動試験方法では、軌条が鉄道車両に及ぼす振動特性についての試験は可能であるが、鉄道車両の振動が軌条に及ぼす振動特性については考慮されていないため、鉄道車両の振動特性と軌条の振動特性が互いに影響しあって走行する実際の鉄道車両の運動を再現することができず、精度の高い振動試験ができない等の問題がある。
本発明はかかる問題を改善するためになされたもので、鉄道車両の振動特性と軌条の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した振動試験が実施できる鉄道車両の振動試験方法及び振動試験装置を提供することを目的とするものである。

本発明の鉄道車両の試験方法は、鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置による振動試験方法であって、前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を反力計測手段により計測し、前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の数値モデルの振動応答を、軌条構造物の数値モデルを有する振動応答計算手段により計算して、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御することを特徴とするものである。

本発明の鉄道車両の試験方法は、前記軌条輪のトルクをトルク計測手段により計測し、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータを制御する台車駆動制御手段へ、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とするものである。

本発明の鉄道車両の試験方法は、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とするものである。

前記方法により、鉄道車両の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、鉄道車両に対して車輪接地位置の軌条変位を再現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となると共に、実際の鉄道車両を使用する必要がないため、振動試験がより経済的に行える。
また軌条輪を駆動するモータをモータ制御手段により制御することにより、軌条の勾配により試験車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬した振動試験も可能になる。

本発明の鉄道車両の試験装置は、鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置であって、前記軌条輪と前記加振手段との間に介在され、かつ前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を計測する反力計測手段と、軌条構造物の数値モデルを有し、かつ前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の前記数値モデルの振動応答を計算し、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御する振動応答計算手段とを具備したことを特徴とするものである。

本発明の鉄道車両の試験装置は、前記軌条輪のトルクを計測するトルク計測手段と、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータと、前記モータを制御する台車駆動制御手段とを備え、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を台車駆動制御手段に出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とするものである。

本発明の鉄道車両の試験装置は、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とするものである。

前記構成により、鉄道車両の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、鉄道車両に対して車輪接地位置の軌条変位を再現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となると共に、実際の鉄道車両を利用する必要がないため、振動試験がより経済的に行える。
また軌条輪を駆動するモータをモータ制御手段により制御することにより、軌条の勾配により試験車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬した振動試験も可能になる。

本発明の鉄道車両の試験装置によれば、試験車両の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、試験車両に対して車輪接地位置のレール変位を実現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となると共に、実際の鉄道車両を使用する必要がないため、振動試験がより経済的に行える。

本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。
図１は試験装置の構成図、図２は制御手段のブロック図、図３は試験方法を示すフローチャートである。
試験車両１は、台車２と車体荷重枠３により構成されていて、車体荷重枠３は実車の車体相当の荷重を台車２に対して負荷しており、台車２上に搭載されていると共に、車体荷重枠３に取り付けられた固定手段７により試験車両１の走行方向の運動が拘束されている。
台車２は、台車枠４の下側にモータ６ａにより回転駆動される前輪及び後輪とからなる車輪５が設けられており、車輪５の回転数は回転速度計測手段１７ａにより検出されて、モータ６ａを制御する台車駆動制御手段２０へ入力されようになっている。
各車輪５の下側には、試験車両１を下方から支持する円形状の軌条輪８が設けられていて、車輪５と軌条輪８の少なくとも一方を回転駆動することにより、軌条上を試験車両が走行する走行模擬を可能としている。

軌条輪８の中心部を貫通する回転軸９は、両端側が軸受け部材１５により回転自在に支承されており、回転軸９の一端側には、ユニバーサルジョイント１６を介してトルク計測手段１８とモータ６ｂが接続されていて、モータ６ｂにより軌条輪８が回転駆動されるようになっている。
トルク計測手段１８は、軌条輪８のトルクを計測するもので、ユニバーサルジョイント１６がモータ６ｂと軌条輪８の相対変位を吸収するようになっており、モータ６ｂには、軌条輪８の回転数を計測する回転数計測手段１７ｂが取り付けられている。
軌条輪８の下方に設置された垂直駆動加振手段１０は、変位計測手段１２を介して基盤１３上に固定されていて、上方に突出されたラム１１の先端は、反力計測手段１４を介して軸受け部材１５の下部に連結されていて、垂直駆動加振手段１０により軌条輪８を垂直方向に変位させることができ、軌条輪８の変位量は、変位計測手段１２が計測して振動応答計算手段１９へ入力するようになっている。

軸受け部材１５とラム１１の間に介在された反力計測手段１４は、軌条輪８にかかる試験車両１の荷重を計測するようになっており、振動応答計算手段１９は、図２に示すように数値計算手段２１と記憶手段２２、加振機制御手段２３及びモータ制御手段２４とから構成されていて、振動応答計算手段１９は、反力計測手段１４で計測された反力計測値ｃ１と、変位計測手段１２で計測された変位計測値ｃ３、回転速度計測手段１７ｂで計測された回転速度計測値ｃ６及びトルク計測手段１８で計測されたトルク計測値ｃ５が入力されており、後述する計算処理で得られた出力信号ｃ２を垂直駆動加振手段１０に出力し、同時に出力信号ｃ４をモータ６ｂに出力し、指令信号ｃ７を台車駆動制御手段２０に出力するようになっている。
なお図１では、車輪５のうち１輪にのみ軌条輪８や垂直駆動加振手段１０などを設置した状態を示しているが、他の３輪についても同様の軌条輪８や垂直駆動加振手段１０などが設置されている。

次に前記構成された試験装置を使用して、鉄道車両の振動試験を実施する試験方法を図２に示す制御系のブロック図及び図３に示すフローチャートを用いて説明する。
図３に示すフローチャートのステップＳ１０で振動試験が開始されると、数値計算手段２１が回転数計測手段１７ｂより入力される回転速度計測値ｃ６から試験車両１の現在位置を計算すると共に、ステップＳ１１で現在位置での数値計算に必要となる数値パラメータ情報ｃ１０を記憶手段２２から取得する。
そしてステップＳ１２で、反力計測値ｃ１を外力として数値パラメータ情報ｃ１０から構成された数値モデルに対する振動応答を計算したら、ステップＳ１３で車輪５の接地位置の軌条変位ｃ１２を加振機制御手段２３に出力する。
記憶手段２２は試験車両１の走行速度の指令信号ｃ７を台車駆動制御手段２０に出力して、現在位置の軌条の勾配に基づく試験車両１の車輪５にかかる抵抗力、あるいは推進力に相当するトルクの指令信号ｃ１３をステップＳ１３でモータ制御手段２４に出力する。

加振機制御手段２３は、軌条変位ｃ１２を軌条輪変位として実現するために、軌条変位ｃ１２に対して、少なくとも変位計測値ｃ３をフィードバックする制御系で構成されていて、この制御系の出力信号ｃ２をステップＳ１４で垂直駆動加振手段１０に出力し、垂直駆動加振手段１０は、ステップＳ１５で出力信号ｃ２に基づいて軌条輪８を変位させる。
台車駆動制御手段２０は、指令信号ｃ７を試験車両１の速度として実現するために、指令信号ｃ７に対して、少なくとも回転速度計測値ｃ９をフィードバックする制御系で構成されていて、この制御系の出力信号ｃ８をステップＳ１４でモータ６ａに出力し、ステップＳ１５でこの出力信号ｃ８に基づいてモータ６ａが車輪５を駆動する。

モータ制御手段２４は、指令信号ｃ１３を軌条輪８のトルクとして実現するために、指令信号ｃ１３に対して、少なくともトルク計測値ｃ５をフィードバックする制御系で構成されていて、この制御系の出力信号ｃ４をステップＳ１５でモータ６ｂに出力し、この出力信号ｃ４に基づいてモータ６ｂが軌条輪８を駆動すると共に、予め定めた区間を走行した場合、ステップＳ１６で試験を終了するが、実時間で試験を行うために、振動応答計算手段１９内では高速な処理が実施される。
以上説明したように本試験方法によれば、試験車両１の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、試験車両１に対して車輪接地位置の軌条変位を再現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となると共に、実際の鉄道車両を利用する必要がないため、より経済的な振動試験が可能となる上、軌条輪８を駆動するモータ６ｂをモータ制御手段２４により制御することにより、軌条の勾配により試験車両１の重力が車輪５にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬することもできる。

なお車輪５を駆動するモータ６ａがない試験車両１を使用してもよく、この場合台車駆動制御手段２０に出力する指令信号ｃ７と回転速度計測手段１７ａが不要となる。
記憶手段２２は、目標の走行速度である指令信号ｃ１３をモータ制御手段２４に出力し、モータ制御手段２４は指令信号ｃ１３を鉄道車両の速度として再現するために、指令信号ｃ１３に対して少なくとも回転速度計測値ｃ６をフィードバックする制御系で構成されており、この制御系は出力信号ｃ４をモータ６ｂに出力し、モータ６ｂは出力信号ｃ４に基づいて軌条輪８を駆動するようになっている。

またこの例によれば、モータ６ａを備えていない試験車両１に対して、試験車両１の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、試験車両１に対して車輪接地位置の軌条変位を実現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となり、また実際の鉄道車両を使用する必要がないため、振動試験がより経済的に実施可能となる。
次に車体荷重枠３の代わりに一車両分の車体を搭載した場合の例について説明すると、この例では１両の車両を２組の加振手段１０に搭載し、それぞれの数値モデルが台車間隔に応じた位相差を持っており、車体荷重枠３では実現できない実際の１車両分の試験車両の振動特性が軌条構造物へ入力されるため、より精度の高い試験が実施できるようになる。

次に軌条構造物の数値モデルの計算方法に関する例を図４及び図５により説明する。
図４は軌条構造物の数値モデルを３次元モデルとした一例を示したもので、図４(ａ)は試験車両１の側面から見た軌条構造物の数値モデルの構成を示し、図４(ｂ)は図４(ａ)のｐ−ｐ線に沿う断面における試験車両１を前方から見た状態を示しており、図４(ｃ)は(ａ)のｑ−ｑ線に沿う断面における試験車両１を上から見た状態を示している。
軌条と枕木部分は、質点ｍ１１とバネ・ダンパｄ１１を有する数値モデルy１、道床部分も同様に質点ｍ２１とバネ・ダンパｄ２１を有する数値モデルz１で構成され、各質点ｍ１１、ｍ２１の初期位置は数値モデルy１、z１内で軌条狂いを再現させるように定義されている。
さらには、軌条構造物の数値モデルに地震波を入力することで、地震の影響を受ける軌条構造物の振動応答を再現することができる。

また図５は数値計算領域５０が、時刻（ｔ）から時刻(ｔ+δｔ)にかけて試験車両１の走行方向にシフトしている様子を示すもので、数値計算領域５０は軌条構造物の数値モデルの数値計算を実施する範囲を表しており、この範囲は試験車両１の位置をほぼ中央とし、試験車両１の軌条構造物に対する影響が及ぶ範囲であり、試験開始前に定義される。
時刻（ｔ）では、数値計算には数値計算領域５０内の質点とバネ・ダンパを用いており、軌条構造物の数値モデルへの入力となる試験車両１の荷重３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、質点４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに働き、数値モデルの計算方法には、中央差分法を用いており、設定時間後の質点４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの垂直方向位置と一致するように、軌条変位ｃ１２が生成され、加振機制御手段２３に出力されるが、好ましくは、試験装置は左右方向の軌条狂いと勾配を実現させるための左右方向加振手段を備え、各質点ｍ１１、ｍ２１の初期位置は数値モデルy１、z１内で軌条狂いと勾配を再現させるように定義されており、垂直方向加振と同様の手段で生成された指令値が左右方向の加振機制御手段２３に出力される。
さらには、軌条構造物の数値モデルに地震波を入力することで、地震の影響を受ける軌条構造物の振動応答を再現することができるために、垂直方向加振と同様の手段で生成された振動応答の指令値が左右方向の加振制御手段２３に出力される。

回転速度計測値ｃ６から得られる時刻（ｔ+δｔ）の試験車両１の位置を基準として、車輪５の位置に軌条構造物の質点４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが定義されるが、これらの質点４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを基準として、その他の質点を等間隔に配置する。その際に、軌条と枕木の数値モデルy２と道床の数値モデルz２の各バネ・ダンパ（ｄ'１１、ｄ'２１）のパラメータは、それらが配置された領域の軌条構造物の振動特性を実現するように設定されている。
時刻（ｔ+δｔ）の各質点（ｍ'１１、ｍ'２１）の初期変位、初期速度、初期加速度はそれぞれ時刻（ｔ）の各質点（ｍ１１、ｍ２１）の変位、速度、加速度から線形補間により設定されているが、好ましくは、数値モデルにはレール継目、橋などの特性が含まれるものとし、この数値モデルに使用される数値パラメータは実測値でもよく、仮想的な軌条構造物の値でもよい。

なお本実施の形態によれば、数値計算を行なう区間を区切るため、数値計算に用いられる数値モデルの規模が縮小されており、これによってより短い時間刻みで数値計算を行えるため、計算精度が向上される。また、軌条変位ｃ１２の生成時間が短くなるので試験を短時間で実施することが可能となる。

本発明の実施の形態になる鉄道車両の振動試験装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態になる鉄道車両の振動試験装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の実施の形態になる鉄道車両の振動試験方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態になる鉄道車両の振動試験装置に用いられた軌条構造物の数値モデルを説明図である。 本発明の実施の形態になる鉄道車両の振動試験装置に用いられた軌条構造物の計算例を示す説明図である。

符号の説明

１ 鉄道車両（試験車両）
５ 車輪
６ａ モータ
６ｂ モータ
８ 軌条輪
１０ 加振手段
１４ 反力計測手段
１９ 振動応答計算手段
１８ トルク計測手段
２０ 台車駆動制御手段

Claims (6)

1. 鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置による振動試験方法であって、前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を反力計測手段により計測し、前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の数値モデルの振動応答を、軌条構造物の数値モデルを有する振動応答計算手段により計算して、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の振動試験方法において、前記軌条輪のトルクをトルク計測手段により計測し、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータを制御する台車駆動制御手段へ、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
3. 請求項１または２に記載の鉄道車両の振動試験方法において、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
4. 鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置であって、前記軌条輪と前記加振手段との間に介在され、かつ前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を計測する反力計測手段と、軌条構造物の数値モデルを有し、かつ前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の前記数値モデルの振動応答を計算し、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御する振動応答計算手段とを具備したことを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
5. 請求項４に記載の鉄道車両の振動試験装置おいて、前記軌条輪のトルクを計測するトルク計測手段と、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータと、前記モータを制御する台車駆動制御手段とを備え、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を台車駆動制御手段に出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
6. 請求項４または５に記載の鉄道車両の振動試験装置おいて、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
   

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