JP2007225353A

JP2007225353A - 車両の衝突試験装置

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Publication number: JP2007225353A
Application number: JP2006044684A
Authority: JP
Inventors: Mayumi Fukuyama; 満由美福山
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP4752537B2

Abstract

【課題】編成車両の衝突評価を実車によらず精度良く可能とし、試験自体の安全性が高く、コストの面からも有利なものとする。
【解決手段】編成車両とされた力学モデルの運動方程式から各車両の変位・速度・加速度を時間積分して算定する運動方程式の時間積分手段１０２と、各車両の質量データベース２０１と、各車両間のばね特性データベース２０２と、各車両間の減衰特性データベース２０３と、各車両の摩擦係数データベース２０４と、各車両の初期条件が記憶された衝突条件データベース２０５と、を備え、実物要素１に衝突状態を模擬する荷重を加え、データベース２０１〜２０５に基づいて時間積分を行い、一定時間後の実物要素１に与えるべき変位を演算し載荷手段２の制御手段へ伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の試験装置に関し、特に編成車両の衝突評価を可能とする車両の衝突試験装置に好適である。

従来、鉄道車両の衝突評価として、先頭車両が大型自動車との衝突時に生じる衝突シミュレーションを用いて解析したり、衝突実験を行ったりすることが知られ、例えば非特許文献１に開示されている。また、鉄道車両の乗り心地を評価するため、車両全体を模擬レール上で試験する代わりに、台車に模擬車両を取り付け、アクチェータで駆動し、反力をデジタル計算機に入力してシミュレーションすることが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

特開平５−２８１０９６号公報畑弘敏、大野潔「衝突シミュレーションを活用した車両の安全確保対策に関する研究」、JR EAST Technical Review-No.3(2003)、p.35-40

上記従来技術においては、単に先頭車両構造を検討することに限られており、編成車両を考慮していないので、より衝突安全性の高い車両開発するためには充分とはいい難い。また、模擬車両を用いるにしても編成車両を模擬車両とするには現実的ではない。

本発明の目的は、編成車両の衝突評価を実車によらず精度良く可能とし、試験自体の安全性が高く、コストの面からも有利なものとすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、鉄道車両の一部となる実物要素を加力可能に取り付ける載荷手段と、該載荷手段を加力する載荷手段の制御手段と、前記実物要素に加わる荷重を計測する荷重計測手段と、計測された荷重をデジタル計算機へ入力するためのＡＤ変換器と、入力された値に基づいて一定時間後の前記実物要素に与えるべき変位を演算する前記デジタル計算機と、演算された変位を前記載荷手段の制御手段へ出力するＤＡ変換器と、を備えた鉄道車両の衝突評価装置において、前記デジタル計算機に設けられ、編成車両として定義された力学モデルの運動方程式から一定時間後ごとに各車両の変位・速度・加速度を時間積分して算定する時間積分手段と、前記力学モデルにおいて各車両の質量として定義された値が記憶された質量データベースと、各車両間のばね特性として定義された値が記憶されたばね特性データベースと、各車両間の減衰特性として定義された値が記憶された減衰特性データベースと、各車両の摩擦係数として定義された値が記憶された摩擦係数データベースと、各車両の初期条件として定義された値が記憶された衝突条件データベースと、を備え、前記実物要素に衝突状態を模擬する荷重を加え、前記荷重計測手段により計測された荷重より、前記質量データベース，前記ばね特性データベース，前記減衰特性データベース，前記摩擦係数データベース，前記衝突条件データベース、に記憶された値に基づいて時間積分を行い、一定時間後の前記実物要素に与えるべき変位を演算し、前記載荷手段の制御手段へ伝達するものである。

また、上記のものにおいて、前記力学モデルは衝突物の力学特性が加えられ、前記衝突物の質量，衝突物自身の復元力，摩擦力として定義された値が記憶された衝突物のデータベースを備え、前記時間積分は前記衝突物のデータベースに記憶された値に基づいて行われることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、２つの車両の衝突部位を前記実物要素とし、前記質量データベース，前記ばね特性データベース，前記減衰特性データベース，前記摩擦係数データベース，前記衝突条件データベースは、それぞれ２つの編成車両の値が記憶されることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、先頭車両を前記実物要素としたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、車両間の連結器を前記実物要素としたことが望ましい。

本発明によれば、鉄道車両の一部となる実物要素の載荷実験と、編成車両の数値シミュレーションを連携させるので、編成車両の衝突実験を行わずに衝突評価を可能とする車両の衝突試験装置を得ることができる。

近年、鉄道車両の衝突安全性評価の必要性が高まってきており、鉄道車両の一部を積極的に変形させることにより衝突荷重を吸収する構造の開発が進められている。このような構造体はクラッシャブルゾーンと呼ばれている。従来、クラッシャブルゾーンの設計・評価は非線形の強い現象を取り扱うことから、クラッシャブルゾーン単体の衝突実験により検討されている。しかし、クラッシャブルゾーンは、例えば車両先頭のみに設けるだけでなく、編成車両の各車端など複数箇所に設けることにより、より衝突安全性の高い車両開発が必要とされる。従って、クラッシャブルゾーンの衝突評価もクラッシャブルゾーン単体でなく、編成状態での玉突き衝突荷重下で行う。

図１を参照して一実施の形態の詳細を説明する。
鉄道車両の１部分となる実物要素（例えば、先頭車両，編成車両のクラッシャブルゾーン）の試験体１は、載荷手段２に取り付けられ、図１では剛壁３に押し付けられて衝突状態を模擬する荷重が加えられる。その際の荷重は、載荷手段２に設けられた荷重計測手段４により計測され、ＡＤ変換器５を介してデジタル計算機６に入力される。デジタル計算機６には、変位演算手段が搭載され、計測荷重とあらかじめ指定した条件を参照して、荷重計測時間から一定時間後の実物要素に与えるべき変位を算定する機能を有している。

算定された目標変位は、ＤＡ変換器８を介して、載荷手段を制御する載荷手段の制御手段９へ入力され、試験体１が加力される。ステップ管理手段１０は、これら一連の動作がサイクリックに実施されるよう管理する機能を有する。デジタル計算機６には、外部接続の入力装置１１，外部接続の出力装置１２などが設けられている。また、デジタル計算機６には、演算内容を試験後にも参照できるよう演算結果保存手段１３が搭載される。載荷手段２は１つ以上の加力装置により構成されている。

次に、変位演算を説明する。荷重入力手段１０１により取り込まれた計測荷重は、編成車両の運動方程式の時間積分手段１０２へ入力される。編成車両の運動方程式の時間積分手段１０２では、編成車両の運動方程式を定義し、離散化された時間刻みΔｔ時間ごとに、各車両の変位・速度・加速度を時間積分して算定する。変位演算手段の機能を、４車両による編成車両が剛壁に衝突する場合を例に説明する。
図２は４車両による編成車両のモデル図（５０１）と、運動方程式に反映するための力学モデル図（５０２）を示す。４車両をそれぞれ質点で模擬し、車両間の復元力特性をばね要素で、車両間の減衰特性を減衰要素で模擬している。車両間の復元力特性は、連結器の復元力特性や、車両の復元力特性を模擬するものなどである。また、各質点にはばね要素の復元力と摩擦力が作用している。衝突条件としては、時刻０である衝突速度Ｖｉが各質点に定義されている。先頭車両頭部を実物要素とした場合は、質点１に作用する復元力Ｆ１が計測荷重となり、変位Ｘ１が試験体１に与える変位となる。以下に、運動方程式を示す。

Ｍ１からＭ４：質量、Ｃ１からＣ４：減衰係数、Ｆ１からＦ４：復元力、Ｆｒ１から
Ｆｒ４：摩擦力、Ｘ１からＸ４：変位、Ｖ１からＶ４：速度、Ａ１からＡ４：加速度、ｇ：重力加速度、μ１からμ４：摩擦係数、ｆ１からｆ４：変位と復元力の関係を表す関数、である。

なお、（数１）の質量Ｍ１からＭ４は、編成車両の質量データベース２０１より定義される。（数１）の復元力Ｆ２からＦ４は、編成車両間のばね特性データベース２０２と、その時刻での変位Ｘ１からＸ４により定義される。（数１）の減衰係数Ｃ２からＣ４は、編成車両間の減衰特性データベース２０３より定義される。（数１）の摩擦係数μ１からμ４は、編成車両の減衰係数データベース２０４より定義される。時刻０での初期条件は衝突条件データベース２０５より定義される。

（数１）の運動方程式を、例えば中央差分法を適用して時間積分する場合は、（数２）で示されるようなものになる。

ｔは現ステップでの時刻、ｔ−Δｔは１ステップ前での時刻、ｔ＋Δｔは次ステップでの時刻である。
（数１）（数２）に従い、上記の編成車両の力学特性に関するデータベース２０１から２０５と、時々刻々の計測荷重とを取り込んで図３に示すフローに従って各編成車両の変位・速度・加速度を時間積分して算定する。
図３のフローにおいて、開始処理３０１により開始され、初期値セット処理３０２により初期値がセットされる。ここで速度の初期値Ｖ１₀からＶ４₀には衝突条件データベース２０５を参照して衝突速度Ｖｉなどが定義される。荷重入力処理３０３では荷重入力手段１０１から荷重Ｆ１_t が入力される。時間増分処理３０４では時間をｔからｔ＋Δｔへ増加する。変位抽出処理３０５では、（数２）に従い変位Ｘ１_t+Δt，Ｘ２_t+Δt，
Ｘ３_t+Δt，Ｘ４_t+Δtを求める。ここでは、編成車両の力学特性に関する諸データベース２０１から２０４より質量等の物性値を定め、前ステップまでの変位，速度，加速度，荷重を使用する。

変位出力処理３０６では、試験体１の目標変位Ｘ１_t+Δt を出力し、変位出力手段103を介して載荷手段の制御手段９へ伝達する。判定処理３０７では次ステップへ進むか否かを判断する。次ステップへ進む場合は、荷重計測処理３０３へ戻り、進まない場合は終了処理３０８を実行する。

以上は、先頭車両東部が実物要素とした場合を例に記載したが、図４に示すように、車両間の構造物、例えば連結器を実物要素としても良い。２両目と３両目の間の連結器を実物要素とした場合、計測荷重は（数１）のＦ３になり、試験体１への目標変位は、質点２と３の相対変位となり、Ｘ３−Ｘ２となる。

以上により、鉄道車両の一部分となる実物要素の載荷試験を行うことにより、編成車両における衝突安全性評価が可能となる。

図５を参照して他の実施の形態を説明する。図１の例との差異は、衝突物のデータベース２０６を備えていることである。衝突物が剛壁で無い場合は、その力学特性を考慮する必要があり、例えば図６に示すような編成車両モデル５０３及びその力学モデル５０４となる。図６では、図２の４車両編成のモデルに、衝突物の力学モデルを加えた例である。衝突物の質量Ｍ０とし、衝突により発生する衝突物自身の復元力をＦ０，摩擦力をＦｒ０としている。この場合の運動方程式は（数３）になり、図１で示した実施例と同様に（数２）により時間積分されて、目標変位Ｘ１−Ｘ０を算定する。変位演算手段７は、編成車両の力学特性に関する諸データベース２０１から２０５だけでなく、衝突物のデータベース２０６も参照して係数を定め、時間積分を実施する。

Ｍ０からＭ４：質量、Ｃ０からＣ４：減衰係数、Ｆ０からＦ４：復元力、Ｆｒ０から
Ｆｒ４：摩擦力、Ｘ０からＸ４：変位、Ｖ０からＶ４：速度、Ａ０からＡ４：加速度、ｇ：重力加速度、μ０からμ４：摩擦係数、ｆ０からｆ４：変位と復元力の関係を表す関数、である。

以上により、鉄道車両の一部分となる実物要素の載荷試験を行うことにより、トラック衝突など衝突物の力学特性を反映した、編成車両における衝突安全性評価が可能となる。

図７を参照して、さらに他の実施の形態を説明する。図１の例との差異は、２つの編成車両の衝突を扱うために、２つの編成車両の質量データベース４０１，２つの編成車両のばね特性データベース４０２，２つの編成車両の減衰特性データベース４０３，２つの編成車両の摩擦係数データベース４０４，２つの編成車両の衝突条件データベース４０５を備えている点である。図８は２組の編成車両のモデル図（５０５）を示し、図２の４車両編成のモデルに、もう一組の４車両編成のモデルが衝突しているモデルである。両方の車両の衝突部位を実物要素とし、残りの部分を数値モデル化する場合を示している。その力学モデルは図の（５０６）となる。この場合の運動方程式は（数４）となり、第１の実施例と同様に（数２）により時間積分されて、目標変位ＸＢ１−ＸＡ１を算定する。

ｇ：重力加速度、ＭＡ１からＭＡ４：右側の編成車両の質量、ＣＡ２からＣＡ４：右側の編成車両の減衰係数、ＦＡ２からＦＡ４：右側の編成車両間の復元力、ＦＡｒ１から
ＦＡｒ４：右側の編成車両の摩擦力、ＸＡ１からＸＡ４：右側の編成車両の変位、ＶＡ１からＶＡ４：右側の編成車両の速度、ＡＡ１からＡＡ４：右側の編成車両の加速度、μＡ１からμＡ４：右側の編成車両の摩擦係数、ｆａ２からｆａ４：右側の編成車両の変位と復元力の関係を表す関数、ＭＢ１からＭＡ４：左側の編成車両の質量、ＣＢ２からＣＢ４：左側の編成車両の減衰係数、ＦＢ２からＦＢ４：左側の編成車両間の復元力、ＦＢｒ１からＦＢｒ４：左側の編成車両の摩擦力、ＸＢ１からＸＢ４：左側の編成車両の変位、
ＶＢ１からＶＢ４：左側の編成車両の速度、ＡＢ１からＡＢ４：左側の編成車両の加速度、μＢ１からμＢ４：左側の編成車両の摩擦係数、ｆｂ２からｆｂ４：左側の編成車両の変位と復元力の関係を表す関数、Ｆ１：左右編成車両の先頭車両間の復元力、ｆ１：左右編成車両の編成車両の変位と復元力の関係を表す関数、である。

以上により、鉄道車両の一部分となる実物要素の載荷試験を行うことにより、２つの編成車両における衝突安全性評価が可能となる。

本発明による一実施の形態を示すブロック図。一実施の形態による編成車両の力学モデル図。一実施の形態による時間積分を説明するフロー図。本発明による他の実施の形態を示すブロック図。本発明によるさらに他の実施の形態を示すブロック図。他の実施の形態による編成車両の力学モデル図。本発明によるさらに他の実施の形態を示すブロック図。さらに、他の実施の形態による編成車両の力学モデル図。

符号の説明

１…試験体（実物要素）、２…載荷手段、３…剛壁、４…荷重計測手段、５…ＡＤ変換器、６…デジタル計算機、８…ＤＡ変換器、９…載荷手段の制御手段、１０…ステップ管理手段、１１…外部接続の入力装置、１２…外部接続の出力装置、１３…演算結果保存手段、１０１…荷重入力手段、１０２…時間積分手段、１０３…変位出力手段、２０１…質量データベース、２０２…ばね特性データベース、２０３…減衰特性データベース、204…減衰係数データベース、２０５…衝突条件データベース、２０６…衝突物のデータベース、５０１…４車両による編成車両のモデル、５０２…５０１の力学モデル、５０３…衝突物の特性を考慮する場合の４車両による編成車両のモデル、５０４…５０３の力学モデル、５０５…２組の編成車両のモデル、５０６…５０５の力学モデル。

Claims

鉄道車両の一部となる実物要素を加力可能に取り付ける載荷手段と、該載荷手段を加力する載荷手段の制御手段と、前記実物要素に加わる荷重を計測する荷重計測手段と、計測された荷重をデジタル計算機へ入力するためのＡＤ変換器と、入力された値に基づいて一定時間後の前記実物要素に与えるべき変位を演算する前記デジタル計算機と、演算された変位を前記載荷手段の制御手段へ出力するＤＡ変換器と、を備えた鉄道車両の衝突評価装置において、
前記デジタル計算機に設けられ、編成車両として定義された力学モデルの運動方程式から一定時間後ごとに各車両の変位・速度・加速度を時間積分して算定する時間積分手段と、
前記力学モデルにおいて各車両の質量として定義された値が記憶された質量データベースと、各車両間のばね特性として定義された値が記憶されたばね特性データベースと、各車両間の減衰特性として定義された値が記憶された減衰特性データベースと、各車両の摩擦係数として定義された値が記憶された摩擦係数データベースと、各車両の初期条件として定義された値が記憶された衝突条件データベースと、
を備え、前記実物要素に衝突状態を模擬する荷重を加え、前記荷重計測手段により計測された荷重より、前記質量データベース，前記ばね特性データベース，前記減衰特性データベース，前記摩擦係数データベース，前記衝突条件データベース、に記憶された値に基づいて時間積分を行い、一定時間後の前記実物要素に与えるべき変位を演算し、前記載荷手段の制御手段へ伝達することを特徴とする鉄道車両の衝突評価装置。
請求項１に記載のものにおいて、前記力学モデルは衝突物の力学特性が加えられ、前記衝突物の質量，衝突物自身の復元力，摩擦力として定義された値が記憶された衝突物のデータベースを備え、前記時間積分は前記衝突物のデータベースに記憶された値に基づいて行われることを特徴とする鉄道車両の衝突評価装置。
請求項１に記載のものにおいて、２つの車両の衝突部位を前記実物要素とし、前記質量データベース，前記ばね特性データベース，前記減衰特性データベース，前記摩擦係数データベース，前記衝突条件データベースは、それぞれ２つの編成車両の値が記憶されることを特徴とする鉄道車両の衝突評価装置。
請求項１に記載のものにおいて、先頭車両を前記実物要素としたことを特徴とする鉄道車両の衝突評価装置。
請求項１に記載のものにおいて、車両間の連結器を前記実物要素としたことを特徴とする鉄道車両の衝突評価装置。