JP2008179361A - 鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車体傾斜制御のフェール、特に逆傾斜の検知を高い信頼性で行う。
【解決手段】車体に作用する左右方向の定常加速度を検出する加速度検出器１と、車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサー２と、この高さセンサーにより検出された車体の高さから定常的横加速度を演算した後、演算された定常的横加速度と前記加速度検出器により検知された定常加速度の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段３を備えた構成である。
【効果】制御対象となる検出器以外に、曲線を検知する検出器を設け、これら両者の結果を比較することで、逆傾斜を検知するので、従来の１重系のフェール検知に比べて信頼性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両における車体傾斜制御装置のフェール、特に逆傾斜を高い信頼性で検知する装置及びこの装置を備えた鉄道車両に関するものである。

鉄道車両が曲線路を通過するに際し、高速での通過と乗客の乗り心地の向上を図るため、軌道の曲線部分にはカントが施され、遠心力と重力との合力が車体床面に垂直に作用するようになされている。

この曲線路での走行速度を速くするには、カント量を大きくすれば良い。しかしながら、カント量を大きくし過ぎると、曲線路を低速で走行したり、あるいは、この曲線路で停車した場合には、車体の傾きが大きくなって曲線路の内軌側に転倒する危険性がある。従って、安全上、カント量には上限が設定されている。

ところで、最大カント量から算出される均衡速度を超えた速度で曲線路を通過すると、カントで相殺できない超過遠心力が発生し、乗り心地を悪くすると共に脱線の危険も生じる。

そこで、超過遠心力が作用した場合、超過遠心力と重力との合力が車体床面に垂直に働くように、台車はそのままで車体だけが更に傾くようにし、乗客に不快感を与えずにカント均衡速度以上の速度で曲線路を通過できるようにした振子車両が採用されている。

しかしながら、振子車両では、車体傾斜中心である振子中心が車体重心より上方にあり、車体を傾斜させると車体重心が反傾斜側に移動するため、曲線走行時に外輪荷重が増加する一方、内輪荷重が減少することになる。

従って、振子車両では、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、より高速で走行するためには、車体をより内側に傾斜させる必要があるが、車体の内側傾斜度合に伴って前記の輪重移動も多くなり、離心率が増して転覆の危険性も増大し、曲線路走行速度の更なる向上が図れないという問題があった。

そこで、振子車両に代えて、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、曲線路の更なる高速走行を可能とするべく、車体傾斜制御について種々の提案がなされている。このような車体傾斜制御においては、フェールしたときに逆傾斜しないようにすることが最も重要な点であり、各種のフェール検知方法が提案されている。

例えば特許文献１では、ある限度以上の傾斜を制限するリミッタ装置が動作し、かつ、一定値以上の横方向加速度がある時間継続している場合にはフェール検出としている。
特公昭５６−２３８２３号公報

また、特許文献２では、演算機内で設定値と検出した制御対象を比較することで異常を検出したり、先頭の車体に設けたチェック回路からの異常指令又は前記演算機からの異常指令のどちらか一方が働いた場合にフェール検出としている。
特公昭６２−３５９４２号公報

また、特許文献３では、ヨーイングジャイロによりヨーイング方向の検出を行い、曲線区間の曲がり方向を検出した場合に、路線地図の曲がり方向と一致するか否かを判断することで、フェールを検出している。
特開平７−８１５５８号公報

しかしながら、特許文献１で提案されたフェール検知方法では、傾斜がある限度未満の場合には当然にフェールの検知が行えない。
また、特許文献２で提案されたフェール検知方法のうち、前者の方法では、制御対象のみでフェール検知の判断を行う１重系の検知システムであるため、また、後者の方法でも、先頭車以外は１重系の検知システムであるため、中間車ではフェール検知の信頼性に乏しい。

また、特許文献３で提案されたフェール検知方法でも、ヨーイング方向のみの検出によりフェール検知を行う１重系の検知システムであるため信頼性に乏しい。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、車体傾斜制御のフェール、特に逆傾斜の検知を高い信頼性で行うことができる鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置、及び、このフェール検知装置を備えた鉄道車両を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置は、例えば車体に作用する左右方向の定常加速度を検出する加速度検出器と、車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、この高さセンサーにより検出された車体の高さから定常的横加速度αを演算した後、演算された定常的横加速度と前記加速度検出器により検知された定常加速度の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたこととしている。そして、このようにすることで、車体傾斜制御のフェール検知を高い信頼性で行うことが可能になる。
なお、定常加速度とは、振動成分を含まない定常的な加速度の事をいう（例えばＪＩＳ Ｅ ４０２３等参照）。

そして、上記の本発明に係る車体傾斜制御のフェール検知装置を搭載した鉄道車両にあっては、曲線路の更なる高速走行が安全にかつ乗客に不快な遠心力を感じさせることなく行えることになる。

本発明では、制御対象となる検出器以外に、曲線を検知する検出器を設け、これら両者の結果を比較することで、制御フェールや逆傾斜を検知するので、従来の１重系のフェール検知に比べて信頼性が向上することになって、曲線路の更なる高速走行が、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、安全に行えることになる。

本発明者等は、逆傾斜が発生する場所は必ず曲線区間であることから、車体傾斜制御のフェール、特に逆傾斜を高精度に検出するためには、
(A) 曲線を検知すること、
(B) 検知した曲線の傾斜方向と車体の傾斜する方向を検知し、この曲線の傾斜方向と車体の傾斜する方向が一致するか否かを判定すればよいこと、
の２点が必要であると考えた。

そして、曲線の検知は、
(a) 左右方向の加速度検出器により車体に作用する左右方向の定常加速度を検知する。
(b) レートジャイロによりロール方向、或いは、ロール方向とヨーイング方向の信号を検知する。
(c) 傾斜角検出器により車体の絶対傾斜角を検知する。
(d) ボギー角検出器により曲線を検知する。
ことによって可能である。

また、前記検出には、
(C) 検出の判定は、１重系より２重系としたほうが、信頼性が高くなること、
(D) 必ずしも、先頭車両が一番危険性が高いということはないこと、
ということも考慮し、以下の本発明を成立させた。

すなわち、第１の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置は、車体に作用する左右方向の定常加速度α’を検出する加速度検出器と、車体の左右両側での上下方向の高さｈ₁、ｈ₂を検出する高さセンサーと、この高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から定常的横加速度αを演算した後、演算された定常的横加速度αと前記加速度検出器により検知された定常加速度α’の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたものである。

また、第２の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置は、台車に取付けられ車両の少なくともロール方向の信号を検出するレートジャイロと、車体の左右両側での上下方向の高さｈ₁、ｈ₂を検出する高さセンサーと、この高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から車体の傾斜角θを、また、レートジャイロで検出した前記信号からカント量を夫々演算した後、この演算した傾斜角θの方向と前記レートジャイロにより検知した曲線入口での出力信号より判断した曲線の傾斜方向の両者の符号を比較し、この比較と前記演算したカント量により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたものである。

また、第３の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置は、車体の絶対傾斜角θ’を検出する傾斜角検出器と、車体の左右両側での上下方向の高さｈ₁、ｈ₂を検出する高さセンサーと、この高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から車体の傾斜角θを演算した後、この演算した傾斜角θの方向と前記傾斜角検出器により検知された絶対傾斜角θ’の方向の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたものである。

また、第４の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置は、車体と台車間のボギー角θｂを検出するボギー角検出器と、車体の左右両側での上下方向の高さｈ₁、ｈ₂を検出する高さセンサーと、この高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から車体の傾斜角θを、また、ボギー角検出器で検出した前記ボギー角θｂから曲線半径を夫々演算した後、この演算した傾斜角θの方向と前記ボギー角検出器により検知されたボギー角θｂより判断する傾斜方向の両者の符合を比較し、この比較と、計算により求めた曲線半径と、予め保有している曲線情報により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたものである。

上記の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置では、制御対象となる高さセンサー以外に、曲線を検知する検出器、例えば加速度検出器、レートジャイロ、傾斜角検出器、ボギー角検出器等を設け、これら両者の結果を比較することで、逆傾斜を検知するので、従来の１重系のフェール検知に比べて信頼性が向上することになる。

そして、上記の第１から第４の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置を２つ以上組み合わせた場合には、更なる信頼性の向上が図れることになる。これが、第５の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置である。

上記の第１〜第５の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置において、高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂からの車体の傾斜角θの検出は、高さセンサーの左右の取付け間隔をＬとした場合（図２，３の（ｄ）参照）、
θ＝（ｈ₁−ｈ₂）／Ｌ …(1)
の計算式によって得ることができる。

また、上記の第１の本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置において、高さセンサーにより検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂からの定常的横加速度α（ｇ単位で表される無次元数）の演算は、走行速度をＶ（ｍ／秒）、曲線半径をＲ（ｍ）、重力加速度をｇ（ｍ／秒²）、軌間をＧ（ｍ）、超過遠心力に対する車体の傾斜角をθ（ｒａｄ）とすると、
α＝（Ｖ²／Ｒ・ｇ）−（Ｃ／Ｇ）−θ …(2)
の計算式によって得ることができる。

上記の第１〜第５の何れかの本発明に係る鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置を搭載した鉄道車両にあっては、曲線路の更なる高速走行が、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、安全に行えることになる。これが本発明に係る鉄道車両である。

以下、本発明を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。
図１〜図４は請求項１〜請求項４に対応する本発明の説明図である。

Ａ．請求項１に対応する実施例
図１（ａ）において、１は例えば車体に取付けられ、車体に作用する左右方向の定常加速度α’を検出する加速度検出器、２は例えば車体の左右両側での上下方向の高さｈ₁、ｈ₂を検出する空気ばね高さセンサー（以下、単に「高さセンサー」という。）、３は判定手段を示す。

そして、前記判定手段３では、図１（ｂ）のフロー図に示したように、先ず高さセンサー２により検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から、前述の(1)(2)式を用いて定常的横加速度αを演算するのである。その後、この演算した定常的横加速度αと前記加速度検出器１によって検知された定常加速度α’（図１（ｃ）参照）の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定するのである。

この請求項１に対応する車体傾斜制御のフェール検知装置では、前述の(1)(2)式を利用することで、判定手段３においても定常的横加速度αの検出が容易に行えることになって、従来のフェール検知と比べてより確実なフェール検知が可能になる。

Ｂ．請求項２に対応する実施例
図２（ａ）において、４は車両の例えばロール方向の信号を検出するレートジャイロであり、台車に取付けられている。

そして、請求項２に対応する実施例にあっては、判定手段３は、図２（ｂ）のフロー図に示したように、先ず前記の高さセンサー２により検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から前述の(1)式より車体の傾斜角θを（図２（ｄ）参照）、また、レートジャイロ４で検出した前記信号からカント量を夫々演算するのである。

その後、この演算した傾斜角θの方向と前記レートジャイロ４により検知した曲線入口での出力信号より判断した曲線の傾斜方向の両者の符号を比較し、この比較と前記演算したカント量により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定するのである。

なお、カント量は図２（ｃ）に示したように、ロール方向の傾斜角速度における斜線部（入口の緩和曲線部）の面積を演算することで求めることができる。

この請求項２に対応する車体傾斜制御のフェール検知装置では、レートジャイロ４による方向の検出以外に、カント量を演算し、車両側の曲線情報と照合するので、請求項１に対応する車体傾斜制御のフェール検知装置に比べ、信頼性がさらに向上することになる。

なお、本実施例では、レートジャイロ４によって車両のロール方向の信号のみを検出するものについて説明したが、ロール方向の信号に加えてヨーイング方向の信号も加味すればさらに信頼性が向上することは言うまでもない。

Ｃ．請求項３に対応する実施例
図３（ａ）において、５は車体に取付けられ、車体の絶対傾斜角θ’を検出する傾斜角検出器である。

そして、請求項３に対応する実施例にあっては、判定手段３は、図３（ｂ）のフロー図に示したように、先ず前記高さセンサー２により検出された車体の左右高さｈ₁、ｈ₂から前述の(1)式により車体の傾斜角θを演算するのである。

その後、前記演算した傾斜角θの方向と前記傾斜角検出器５により検知された絶対傾斜角θ’の方向（図３（ｃ）参照）の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定するのである。

この請求項３に対応する車体傾斜制御のフェール検知装置では、車体の実際の傾斜角度（絶対傾斜角θ’）を検出するので、高い信頼性を得るに際しての比較が容易に行えることになる。

Ｄ．請求項４に対応する実施例
図４（ａ）において、７は例えば前台車に取り付けられ、車体のボギー角θｂ（図４（ｄ）参照）を検出するボギー角検出器である。

そして、請求項４に対応する実施例にあっては、判定手段３は、図４（ｂ）のフロー図に示したように、前記高さセンサー２により検出された車体の高さｈ₁、ｈ₂から前述の(1)式により車体の傾斜角θを、また、ボギー角検出器７で検出した前記ボギー角θｂ（図４（ｃ）参照）から曲線半径を夫々演算するのである。

その後、前記演算した傾斜角θの方向と前記ボギー角検出器７により検知されたボギー角θｂより判断する傾斜方向の両者の符合を比較し、この比較と、計算により求めた曲線半径ｒと、例えば車両が持っている曲線情報により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定するのである。

前記曲線半径ｒは、例えば台車のボギーによる車体と台車間の相対回転変位を検知する変位計の変位量をｘ、前記変位計の取付け位置（車体中心からの距離）をａ、台車中心間距離の半分をＬとした場合、
ｒ＝ａ・Ｌ／ｘ
で求めることができる（特許第２８９７５７６号の段落００１３，００１４及び図３、図４参照）。

この請求項４に対応する車体傾斜制御のフェール検知装置では、方向の検出以外に、曲線半径を計算し、車両側の曲線情報と照合するので、更なる信頼性の向上が図れる。

Ｅ．請求項５に対応する実施例
前記Ａ．〜Ｄ．で説明した請求項１〜４の何れかに対応するフェール検知装置を２つ以上組み合わせたものが請求項５に対応する鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置である。この請求項５に対応する鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置では、上記のフェール検知装置が有する効果が組み合わされ、信頼性の更なる向上が期待できることになる。

そして、上記の請求項１〜請求項５の何れかに対応する車体傾斜制御のフェール検知装置を搭載した本発明に係る鉄道車両にあっては、曲線路の更なる高速走行が、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、安全に行えることになる。

上記の実施例では、判定手段３は、演算装置、比較装置、判定装置のうちの少なくとも何れか１つを含み、適宜それらが組み合わされる事により、場合に応じて最適なものとして構成されている。そして、最も好ましくは、演算、比較、判定装置が組み込まれたもので、これにより本発明のすべてが対応可能となる。

請求項１に対応する本発明の説明図で、（ａ）はフェール検知装置の概略構成を示すブロック図、（ｂ）はフェール検知のフロー図、（ｃ）は曲線区間における加速度を示した図である。 請求項２に対応する本発明の説明図で、（ａ）はフェール検知装置の概略構成を示すブロック図、（ｂ）はフェール検知のフロー図、（ｃ）は曲線区間における傾斜角速度とカント量の算出方法を示した図、（ｄ）は曲線区間における車体傾斜を説明した図である。 請求項３に対応する本発明の説明図で、（ａ）はフェール検知装置の概略構成を示すブロック図、（ｂ）はフェール検知のフロー図、（ｃ）は曲線区間における傾斜角を示した図、（ｄ）は曲線区間における車体傾斜を説明した図である。 請求項４に対応する本発明の説明図で、（ａ）はフェール検知装置の概略構成を示すブロック図、（ｂ）はフェール検知のフロー図、（ｃ）は曲線区間におけるボギー角を示した図、（ｄ）は曲線区間における車体とボギー角の関係を説明した図である。

符号の説明

１ 加速度検出器
２ 高さセンサー
３ 判定手段
４ レートジャイロ
５ 傾斜角検出器
７ ボギー角検出器

Claims (6)

1. 車体に作用する左右方向の定常加速度を検出する加速度検出器と、
   車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、
   この高さセンサーにより検出された車体の高さから定常的横加速度を演算した後、演算された定常的横加速度と前記加速度検出器により検知された定常加速度の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたことを特徴とする鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置。
2. 台車に取付けられ車両の少なくともロール方向の信号を検出するレートジャイロと、
   車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、
   この高さセンサーにより検出された車体の高さから車体の傾斜角を、また、レートジャイロで検出した前記信号からカント量を夫々演算した後、この演算した傾斜角の方向と前記レートジャイロにより検知した曲線入口での出力信号より判断した曲線の傾斜方向の両者の符号を比較し、この比較と前記演算したカント量により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたことを特徴とする鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置。
3. 車体の絶対傾斜角を検出する傾斜角検出器と、
   車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、
   この高さセンサーにより検出された車体の高さから車体の傾斜角を演算した後、この演算した傾斜角の方向と前記傾斜角検出器により検知された絶対傾斜角の方向の両者の符合を比較し、車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたことを特徴とする鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置。
4. 車体と台車間のボギー角を検出するボギー角検出器と、
   車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、
   この高さセンサーにより検出された車体の高さから車体の傾斜角を、また、ボギー角検出器で検出した前記ボギー角から曲線半径を夫々演算した後、この演算した傾斜角の方向と前記ボギー角検出器により検知されたボギー角より判断する傾斜方向の両者の符合を比較し、この比較と、計算により求めた曲線半径と、予め保有している曲線情報により車体傾斜制御が正常か逆傾斜かを判定する判定手段を備えたことを特徴とする鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置。
5. 請求項１〜４の何れか記載のフェール検知装置を２つ以上組み合わせたことを特徴とする鉄道車両における車体傾斜制御のフェール検知装置。
6. 請求項１〜５の何れか記載の車体傾斜制御のフェール検知装置を搭載したことを特徴とする鉄道車両。

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