JP2009250649A - 鉄道車両の模型実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両を所定のスケールで模型化し、地震時に軌道を介して実車に加えられる振動や変位を模擬し、地震対策用の解析に用いることができる鉄道車両の模型実験装置を提供する。
【解決手段】車両模型を製作する際に、長さ、ばね定数、減衰係数、質量、力、慣性モーメント、加速度、速度、時間、振動数といった各数値を物理的相似則に基づいてスケールダウンした数値に基づいて形成する。模型実験装置は、実験対象となる鉄道車両の車体に相当する車体相当荷重部材である車体相当荷重枠１０と、前記鉄道車両の台車に相当する台車模型２０と、前記鉄道車両が走行する軌道に相当する軌道模型３０と、この軌道模型３０に地震動に相当する変位を与えるための加振装置４０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の模型実験装置に係り、詳しくは、地震発生時に軌道に加えられる振動や変位を模擬し、地震対策用の解析に用いるための鉄道車両の模型実験装置に関し、さらに、この模型実験装置に用いるのに適した車両模型及び軌道模型に関する。

台車上に車両構体を載設した鉄道車両に対して、軌道側に振動や変位が加えられた場合の挙動を調査する方法としては、コンピューターによるシミュレーションや、実車の台車やレール及び車体質量に相当する荷重枠を用いた台上試験等が行われている。また、鉄道車両にかかる外力を模型で高精度に検出する装置としては、列車が高速で所定空間やトンネル内を通過する際や、トンネルに突入及び退出する際に発生する圧力変動や低周波音の解析のため、列車模型を高速で発射させ、試験区を通過後に停止させるようにした模型実験装置（例えば、特許文献１参照。）や、風洞内の鉄道車両の模型に気体を流し、この気体の流れによって鉄道車両の模型が受ける影響を試験する模型実験装置（例えば、特許文献２参照。）がある。
特開２００６−４４６０９号公報 特開２００４−１９８３１７号公報

しかし、上述のコンピュータによるシミュレーションは、主として走行安定性や曲線通過性能を確認することを目的としたものが殆どであり、また、上述の特許文献に示されるものは、主に鉄道車両が受ける空気抵抗等の調査に用いられるもので、これらは、台車の脱線や転覆等の大変位も想定して解析する地震動に対する台車の挙動をシミュレートするには、計算誤差が生じることから適していなかった。特に、線路やバラスト等の軌道側やレールの締結状態、脱線防止ガードへの接触の模擬等が難しく、また、ばねやゴム等がストッパに当たる程の大変位を想定しなければならないことから、通常の車両挙動シミュレーションで使用するばねやダンパモデルの単純な非線形特性（ストッパ隙間相当の変位に達するとばね定数が大きくなるような特性）で精度良く挙動を再現することは困難であった。

また、実台車・車体相当荷重枠を用いた台上試験の場合では、地震動を入力するための加振装置が大型化するとともに、レールやバラスト等の地上側の設備も必要となり、多大な手間を要していた。さらに安全上の配慮から、大きな振動を加えてシミュレーションすることはできなかった。

そこで本発明は、鉄道車両を所定のスケールで模型化し、地震時に軌道を介して実車に加えられる振動や変位を模擬し、地震対策用の解析に用いることができる鉄道車両の模型実験装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の鉄道車両の模型実験装置は、第１の構成として、鉄道車両の耐震性を、実験対象となる鉄道車両をスケールダウンした模型を用いて確認するための鉄道車両の模型実験装置において、前記鉄道車両の模型として、前記鉄道車両の台車を物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成した台車模型を備えた車両模型を使用することを特徴としている。

さらに、第１の構成において、前記車両模型が、一つの台車模型と、実験対象となる鉄道車両の長さ方向１／２に相当する半車体分の車体相当荷重部材とで形成され、前記台車模型の上部に枕ばね模型を介して前記車体相当荷重部材を載設するとともに、前記台車模型に対する前記車体相当荷重部材のピッチング及びヨーイングを抑制するためのリンク機構により台車模型と車体相当荷重部材とを連結したことを特徴とし、前記枕ばね模型は、実車の空気ばねを、上下方向に作用するコイルばね及びダンパと、枕木方向に作用するコイルばね及びダンパとの組み合わせで形成したことを特徴としている。また、前記各ダンパが、エアシリンダと、該エアシリンダ両端を流量制御手段を介して連通した連結パイプとで形成されていること、前記枕ばね模型における枕木方向に作用するダンパが、エアシリンダと、該エアシリンダのロッド外周に配置されたコイルスプリングとで形成されていること、前記台車模型における車軸は、該車軸の軸方向中央部を、実験対象となる鉄道車両の車軸に設けられている歯車装置の重量をスケールダウンした重量分だけ太く形成したこと、前記車両模型を枕木方向に付勢する付勢手段を備えていることを特徴としている。

また、本発明の鉄道車両の模型実験装置における第２の構成は、鉄道車両の耐震性を、実験対象となる鉄道車両が走行する軌道をスケールダウンした模型を用いて確認するための鉄道車両の模型実験装置において、前記鉄道車両をスケールダウンした車両模型を支持する軌道模型として、前記鉄道車両が走行する軌道を物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成した軌道模型を使用することを特徴としている。

さらに、第２の構成において、前記車両模型を載設する軌道模型は、水平方向に変位する加振台上に設けられるとともに、軌道模型と加振台との関係を、スラブ軌道を模擬した固定状態と、バラスト軌道を模擬した弾性支持状態とのいずれかの状態を選択可能に形成したことを特徴とし、前記軌道模型が、前記加振台上にリニアガイドを介して枕木方向に移動可能に支持されるレール枕木部と、加振台とレール枕木部との変位状態を制御する変位制御部とを備え、変位制御部は、加振台に設けられたスリ板と、該スリ板の上面を摺動する弾性摺動部材と、レール枕木部に設けられて前記弾性摺動部材を前記スリ板に向けて押圧する押圧手段とを有し、該押圧手段の押圧力を調整可能に形成したことを特徴としている。また、前記軌道模型におけるレールが、前記レール枕木部の上面に弾性部材を介して締結されるとともに、レールをレール枕木部に締結する締結手段の締結力を調整可能に形成したこと、前記軌道模型が、レール枕木部が上枕木部と下枕木部とに分割形成され、上枕木部と下枕木部との一側がレールと平行な枢軸を有するヒンジ部によって連結されるとともに、上枕木部と下枕木部との間にカント調整部材を挿入可能に形成したこと、前記軌道模型に隣接して駅ホームの先端部をスケールダウンしたホーム模型を配置したことを特徴としている。

そして、本発明の鉄道車両の模型実験装置における第３の構成は、前記第１の構成に示した車両模型と、前記第２の構成に示した軌道模型とを使用し、前記軌道模型上に前記車両模型を載設した状態で前記軌道模型を枕木方向に加振する加振装置を備えていることを特徴としている。さらに、第３の構成において、前記車両模型の変位を測定するセンサとして、非接触センサを用いるとともに、センサ本体部を軌道模型側又は車体相当荷重部材側に設け、測定面を台車模型側に設けたことを特徴としている。

また、本発明の各模型は、前記スケールダウンを行う際のスケールをλとしたときに、次に示す物理的相似則に基づいた計算式を使用して模型を製作することを特徴としている。

変位量を含む長さ：δｓ＝δ×（１／λ）
ばね常数：Ｋｓ＝Ｋ×（１／λ）^２
減衰係数：Ｃｓ＝Ｃ×（１／λ）^２．５
質量：Ｍｓ＝Ｍ×（１／λ）^３
作用する力：Ｆｓ＝Ｆ×（１／λ）^３
慣性モーメント：Ｉｓ＝Ｉ×（１／λ）^５
加速度：αｓ＝α
速度：Ｖｓ＝Ｖ×（１／λ）^０．５
時間（秒）：ｔｓ＝ｔ×（１／λ）^０．５
振動数：ｆｓ＝ｆ×λ^０．５
（各値中、添え字としてｓを付した各値はスケールダウン後の値を示す。）

本発明の鉄道車両の模型実験装置によれば、物理的相似則によって寸法，質量，慣性モーメント，ばね常数，ダンパ減衰係数等を定められたスケールでスケールダウンした模型を用いて試験することにより、地震動に対する車両の挙動を実車の車両特性との関連性を持たせながら確認することができる。また、加振装置を大型化させることなく、模型に大きな加振を付与することができ、実車では危険なカントを模擬した試験も行うことができる。

さらに、車両特性の変更は、隙間調整やばねの変更により比較的簡単に行うことができ、車種の違いや各部材の隙間，ばね定数，軌道側の条件による挙動の違いの比較も容易に行え、地震動に対する車両側，軌道側双方の対策案を比較的容易に検討することが可能である。また、地震動に対してだけでなく、通常の軌道変位に対する車両挙動特性（例えば周波数対応解析や乗心地解析）の確認にも使用することが可能である。

以下、本発明の形態例を添付の図面を参照して説明する。まず、図１乃至図３は、模型実験装置の全体構成の概要を示すもので、図１は正面図、図２は側面図、図３は平面図である。

この模型実験装置は、実験対象となる鉄道車両を物理的相似則に基づいてスケールダウンした車両模型１を使用するもので、車両模型１は、前記鉄道車両の車体や乗客の荷重に相当する車体相当荷重部材である車体相当荷重枠１０と、前記鉄道車両の台車に相当する台車模型２０とを有するとともに、前記鉄道車両が走行する軌道に相当する軌道模型３０と、この軌道模型３０に地震動に相当する変位を与えるための加振装置４０とを備えている。

鉄道車両を模擬する車体相当荷重枠１０及び台車模型２０からなる車両模型１は、鉄道車両（実車）における長さ方向１／２に相当する半車体分の車体相当荷重枠１０と一つの台車模型２０とを組み合わせた半車体・一台車構造を有している。この半車体・一台車構造においては、実車では車体前後の台車によって抑制されるピッチング及びヨーイング動を抑える必要があるため、車体相当荷重枠１０と台車模型２０との間に制振用のリンク機構１１を設けている。このリンク機構１１は、車体相当荷重枠１０及び台車模型２０の両側面前後部にそれぞれ上下方向に回動可能に設けた上下２本のアーム部材１１ａをＶ字状に組み合わせるとともに、前後のアーム部材１１ａの連結部（屈曲部）を連結棒１１ｂで連結した構成となっている。

軌道模型３０は、一側方がレールと平行な枢軸を有するヒンジ部によりヒンジ結合された上枕木部３１ａと下枕木部３１ｂとに上下に分割京成したレール枕木部３１を有するもので、該レール枕木部３１がＬＭ（リニアモーション）ガイド及びＬＭレールからなるリニアガイド３２を介して加振台３３上に枕木方向（車体幅方向）に移動可能に支持されている。また、この加振台３３は、加振装置４０の土台４１にＬＭガイド及びＬＭレールからなるリニアガイド４２を介して枕木方向に移動可能に支持されるとともに、加振台３３の両側中央部が加振装置４０の加振用アーム４３に連結されている。

前記加振台３３の上面両側には、レール枕木部３１が脱落することを防止するためのストッパ３３ａが設けられ、土台４１の上面両側には、加振台３３が脱落することを防止するためのストッパ４１ａが設けられている。また、土台４１あるいは床面上には加振台３３の変位量を測定するための変位計４１ｂが設けられている。なお、加振装置４０には、正弦波だけではなく、過去の地震波や想定される大きな地震波に相当する振動を容易に模擬できるものを使用している。

前記車体相当荷重枠１０は、車体を想定した枠組み１２に複数のウエイト（図１１〜図１３参照）１３を積載したものであって、ウエイト１３の量、位置、積み方を調整することにより、実車における車体重量及び乗客数に応じた重量だけでなく、重心位置や慣性モーメントについても、模型のスケールに応じて調整できるようにしている。

図４乃至図１３は台車模型２０の構造及び台車模型２０と車体相当荷重枠１０との関係を示す図であって、図４は輪軸の断面図、図５は台車枠の平面図、図６は台車枠の正面図、図７は軸箱支持装置の正面図、図８は図７のVIII−VIII断面図、図９は軸箱支持装置の一部断面平面図、図１０は図５のＸ−Ｘ断面図、図１１は台車模型２０に車体相当荷重枠１０を載設した状態を示す正面図、図１２は同じく平面図、図１３は図１２のXIII−XIII断面図、図１４は図１１のXIV−XIV断面図である。

まず、前記台車模型２０は、実車の台車と同様に、輪軸２１，軸箱２２，軸箱支持装置２３，台車枠２４と、車体相当荷重枠１０を載設するための枕ばねを始めとする各種ばね・ダンパ装置及び牽引装置とを有しており、地震発生の際の変位や揺れを模型でできるだけ忠実に再現するため、実車の台車を物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成している。すなわち、実車の台車をスケールダウンして台車模型２０を製作する際のスケールをλとしたときに、次に示す物理的相似則に基づいた計算式を使用して台車模型の各種値（添え字としてｓを付した各値）を設定する。

変位量を含む長さ：δｓ＝δ×（１／λ）
ばね常数：Ｋｓ＝Ｋ×（１／λ）^２
減衰係数：Ｃｓ＝Ｃ×（１／λ）^２．５
質量：Ｍｓ＝Ｍ×（１／λ）^３
作用する力：Ｆｓ＝Ｆ×（１／λ）^３
慣性モーメント：Ｉｓ＝Ｉ×（１／λ）^５
加速度：αｓ＝α
速度：Ｖｓ＝Ｖ×（１／λ）^０．５
時間（秒）：ｔｓ＝ｔ×（１／λ）^０．５
振動数：ｆｓ＝ｆ×λ^０．５

例えば、スケール（λ）を「５」としたときに、模型の各部の長さ（δｓ）は実車の長さ（δ）に対して１／５に、模型の各部質量（Ｍｓ）は実車の質量（Ｍ）に対して（１／５）^３となるから、例えば、実車において直径８６０ｍｍの車輪は、模型では１／５の１７２ｍｍとなり、その重量は、実車で４５０ｋｇならば模型では（１／５）^３の約３．６ｋｇとなる。また、台車模型２０に作用する軌道からの変位量や振動数等、車体相当荷重枠１０からの荷重（質量）や慣性モーメント、車体相当荷重枠１０を支持するための各種ばねやダンパ装置におけるばね定数や減衰係数も、スケールに応じた前記物理的相似則に基づいて設定されている。例えば、ばね定数Ｋが６００Ｎ／ｍｍ場合、模型におけるばね定数Ｋｓは、６００×（１／５）^２＝２４Ｎ／ｍｍとなる。

図４に示す輪軸２１は、左右一対の車輪２１ａと車軸２１ｂとからなるもので、これらは実車と同じ炭素鋼で形成している。車輪２１ａの踏面２１ｃは、実際の踏面寸法をスケールダウンさせた数値により加工して踏面形状を忠実に再現している。また、電動機を備えた台車の輪軸の模型の場合には、実車では車軸に歯車装置が設けられているため、車軸２１ｂの軸方向中央部を、歯車装置の重量（質量）をスケールダウンさせた重量分だけ太く形成し、歯車装置に相当する重量になるようにしている。

なお、実車の歯車装置をスケールダウンした歯車を車軸２１ｂに装着することも可能である。さらに、車軸２１ｂの両端部には、軸受２１ｄ（図８参照）を圧入するためのジャーナル部２１ｅがそれぞれ設けられるとともに、両軸端には軸受脱出防止用の蓋２１ｆ（図８参照）を取り付けるボルト２１ｇを螺着するためのネジ穴２１ｈが車軸加工用のセンタ穴を兼ねた状態で設けられている。

図５及び図６に示す台車枠２４は、実車と同様の圧延鋼材を使用して側梁２４ａと横梁２４ｂとを組み合わせたＨ型の溶接構造となっており、軸ばね中心間隔や枕ばね中心間隔等は実車の値をスケールダウンした値になっている。この台車枠２４の各側梁２４ａの外側中央部には枕ばね１４ａ及び上下動ダンパ１４ｂ（図１１参照）を装着するための枕ばね受け２４ｃ及び上下動ダンパ受け２４ｄが設けられ、枕ばね受け２４ｃの下面にはヨーダンパ１４ｃ（図１１参照）を取り付けるためのヨーダンパ受け２４ｅが設けられている。さらに、各側梁２４ａの前後両端部には軸箱２２を支持する軸ばね２２ａ（図７参照）の上端が装着される前後一対の軸ばね受け２４ｆ及び軸ダンパ２２ｂ（図８参照）を装着する軸ダンパ受け２４ｇと、前記リンク機構１１の下部のアーム部材１１ａの下端を取り付けるリンク受け２４ｈとがそれぞれ設けられている。

また、前記各横梁２４ｂの前後には、コイルばね付き左右動ダンパ１４ｄ（図１３参照）を受けるための左右動ダンパ受け２４ｉがそれぞれ設けられ、電動機を備えた台車の模型の場合には、この左右動ダンパ受け２４ｉに電動機をスケールダウンした重量に相当するウエイト２４ｊを取り付けられるようにしている。さらに、一方の横梁２４ｂの中央部には、実車の台車と車体とを連結する一本リンク式牽引装置を模型化した牽引リンク１４ｅの台車側を回動可能に支持する牽引リンク連結部２４ｋが設けられ、これに対向する他方の横梁２４ｂの中央部には、前記牽引リンク１４ｅの車体相当荷重部材１側の上昇限を規制するリンクストッパ２４ｍが設けられている。また、両横梁２４ｂの間には、車体相当荷重部材１の下面に設けられた中心ピン１４ｆの枕木方向の移動量を規制する左右動ストッパ２４ｎを取り付けるための繋ぎ梁２４ｐが設けられている。前記リンクストッパ２４ｍ及び左右動ストッパ２４ｎは、牽引リンク１４ｅや中心ピン１４ｆの当接面に適宜な厚さのライナを挿入することにより、牽引リンク１４ｅの上昇限や中心ピン１４ｆの移動量を、実車の状態をスケールダウンした値に調整可能としている。

図７乃至図９に示す模型の軸箱２２にも実車と同様の材料を使用しており、中央部には前記車軸２１ｂを回転可能に保持する軸受２１ｄの圧入孔２２ｃを有する軸箱部２２ｄが設けられ、この軸受部２２ｃの前後に軸ばね２２ａの下端が装着される一対の軸ばね座２２ｅが一体に形成されている。また、圧入孔２２ｃの内部側には軸受２１ｄを保持するストッパ段部が設けられ、軸箱部２２ｄの外面には軸受２１ｄの抜止となる外蓋２２ｆが取り付けられ、ストッパ段部と外蓋２２ｆとの間に軸受２１ｄが保持されている。

さらに、軸箱部２２ｄの下部からは軸ダンパ取付座２２ｇが外方に向かって突設し、軸箱部２２ｄの上部外面には、台車枠２４に設けたフック２４ｑに上下方向の長孔が係止する台車吊り金具２２ｈが取り付けられている。この台車吊り金具２２ｈは、フック２４ｑと長孔との関係を実車の値をスケールダウンさせた値としている。また、軸箱部２２ｄへの取付部を上下方向の長孔とすることによって台車吊り金具２２ｈの上下位置を調整可能とし、台車枠２４に対する軸箱２２の上下動範囲を調整できるようにしている。また、車軸２１ｂと一体に回転する前記蓋２１ｆと、軸受２１ｄ及び外蓋２２ｆとの間には隙間が設けられ、輪軸２１が抵抗無く円滑に回転可能な状態としている。

コイルばねからなる軸ばね２２ａの前後の取り付け間隔は、実車寸法をスケールダウンさせた数値となっており、前記軸ばね座２２ｅに取り付けられた外筒２２ｉと、前記軸ばね受け２４ｆに取り付けられた内筒２２ｊと、前後・左右方向の力を伝えるためのゴム筒２２ｋとを備えており、ゴム筒２２ｋは内筒２２ｊの下端に取り付けられたストッパ２２ｍで内筒２２ｊの下部に保持され、外筒２２ｉ内で上下動可能に形成されている。軸ばね２２ａのばね定数は、実車のばね定数を前記物理的相似則に基づいてスケールダウンさせた値とし、取り付け時の軸ばね２２ａの高さも実車の高さを模擬できるように形成している。

同様に、ゴム筒２２ｋは、実車と同様に、前後方向と左右方向とで異なるばね定数が得られるように、ゴム筒２２ｋの両側面を幅方向に切り欠いた形状とし、主として前後方向が外筒２２ｉに摺接した状態になるようにしている。また、軸ダンパ取付座２２ｇと台車枠２４側の軸ダンパ受け２４ｇとの間に配置される軸ダンパ２２ｂも、実車の軸ダンパを前記物理的相似則に基づいてスケールダウンした各値とし、両端の取付部も実車をスケールダウンさせた状態としている。

このように形成した台車模型２０と前記車体相当荷重枠１０とは、前記枕ばね１４ａ、上下動ダンパ１４ｂ、ヨーダンパ１４ｃ、コイルばね付き左右動ダンパ１４ｄ及び牽引リンク１４ｅと、半車体・一台車構造としたことに起因する車体相当荷重枠１０のピッチング及びヨーイング動を抑えるための前記リンク機構１１とで連結されている。牽引リンク１４ｅは、図１０に示すように、台車側が前記牽引リンク連結部２４ｋに、車体側が前記中心ピン１４ｆの先端部に、それぞれ実車と同じ構造で連結されており、枕木方向の軸によって上下方向に回動可能、かつ、ゴムブッシュによって各方向に僅かに変位可能な状態となっている。

通常の実車においては、車体を支持する枕ばねとして空気ばねが使用されるとともに、車体荷重に対応するための空気ばね高さ自動調整装置が搭載されているが、模型製作の際に実車の空気ばねを前記物理的相似則に基づいてスケールダウンした空気ばね模型の製作が困難な場合は、枕ばね１４ａとしてコイルばねを使用するとともに、空気ばねの上下方向の減衰特性を模擬するための前記上下動ダンパ１４ｂと、空気ばねの横剛性（水平方向、特に枕木方向のばね特性）及び減衰係数を模擬するための前記コイルばね付き左右動ダンパ１４ｄとにより枕ばね模型を構成し、さらに、車体荷重の変動に対応するため、枕ばね１４ａとして使用するコイルばね及びコイルばね付き左右動ダンパ１４ｄを荷重条件に応じて交換して対応するようにしている。

なお、コイルばね付き左右動ダンパ１４ｄは、コイルばねとダンパとを別々に設けることもできるが、ダンパのロッド外周にコイルスプリングを配置することでコイルばね付き左右動ダンパ１４ｄを小型化でき、模型内への組み付けを容易に行うことができる。

枕ばね１４ａは、台車側の前記枕ばね受け２４ｃと、車体相当荷重枠１０の両側部下面に設けた枕ばね受け１４ｇとの間に配置されており、図１４に示すように、枕ばね１４ａのコイルばねの内部には、空気ばね高さ自動調整装置の機能に対応させるための隙間をライナの厚さで調整する調整ボルト１４ｈを設けている。上下動ダンパ１４ｂは、台車側の前記上下動ダンパ受け２４ｄと、車体相当荷重枠１０の両側部に突設した上下動ダンパ取付部材１４ｉとの間に取り付けられており、上下動ダンパ取付部材１４ｉには、上下動ダンパ受け２４ｄと上下動ダンパ取付部材１４ｉとの間の上下方向の変位量を測定する変位計１４ｊが取り付けられている。

ヨーダンパ１４ｃは、実車と同様に、台車側のヨーダンパ受け２４ｅと車体側のヨーダンパ受け１４ｋとの間に設けられ、両取付部に球面軸受を使用して地震動による大変位に追従できるようにしている。また、コイルばね付き左右動ダンパ１４ｄは、台車側の前記左右動ダンパ受け２４ｉと、車体相当荷重枠１０の下面に設けた左右動ダンパ受け１４ｍとの間に設けられている。

実車に設けられているヨーダンパ１４ｃ及び軸ダンパ２２ｂは、ダンパ減衰力に対して、シリンダとピストン、ロッドとの間に存在するオイルシールによる摩擦抵抗の割合が大きくなるため、低摩擦係数のオイルシールを用いることにより、実車のヨーダンパや軸ダンパの減衰力を忠実にスケールダウンさせたオイルダンパを使用している。一方、実車の空気バネの減衰を模擬する上下動ダンパ１４ｂ及びコイルばね付き左右動ダンパ１４ｄには、ロッドの摺動抵抗が小さなエアシリンダ２５を用いるとともに、エアシリンダ２５のシリンダチューブ両端を流量制御手段（スピードコントローラ）２５ａを介して連結パイプ２５ｂにより連通させ、スピードコントローラ２５ａにて連結パイプ２５ｂ内を通過するエアの流量を調整することにより、エアシリンダ２５の特性を変化させて空気バネの減衰特性を模擬できるようにしている（図１１，図１３，図１４，図２１，図２２参照）。

また、ヨーダンパ１４ｃや軸ダンパ２２ｂに使用するオイルダンパ２６においても、シリンダチューブ両端をスピードコントローラ２６ａを介して連結パイプ２６ｂにて連通させることにより、ヨーダンパ１４ｃや軸ダンパ２２ｂのダンパ特性を変化させることができるようにしている。

なお、実車の枕ばねのばね定数及び減衰係数を模型の空気ばねで模擬できる場合は、枕ばね１４ａとして使用した前記コイルばねを空気ばね模型に変更することができ、この場合は、上下動ダンパ１４ｂ及びコイルばね付き左右動ダンパ１４ｄを省略することが可能である。また、前記枕ばね１４ａでは、調整ボルト１４ｈで上下ストッパ隙間を実車の値をスケールダウンした値に調整できるようにしているが、模型で空気ばね及び高さ自動調整装置を用いた場合は、空気ばね模型で隙間の設定が可能なので、調整ボルト１４ｈのような調整機構は不要となる。

図１５乃至図１９は、軌道模型３０の詳細を示すもので、図１５は正面図、図１６は側面図、図１７は平面図、図１８は図１５のXVIII−XVIII断面図、図１９はカントを模擬した状態の正面図である。

軌道模型３０は、前述のように、物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成した上枕木部３１ａと下枕木部３１ｂとからなるレール枕木部３１と、該レール枕木部３１をリニアガイド３２を介して支持する加振台３３とで形成されており、前述のように、この加振台３３がリニアガイド４２を介して加振装置４０の土台４１に支持されている。リニアガイド３２は、加振台３３上に枕木方向に敷設された一対のＬＭレール３２ａと、下枕木部３１ｂの下面に取り付けられて前記ＬＭレール３２ａ上を移動する４個のＬＭガイド３２ｂとを有しており、ＬＭレール３２ａに対するＬＭガイド３２ｂの変位、すなわち、加振台３３に対するレール枕木部３１の変位を、加振台３３とレール枕木部３１との間に設けられた変位制御部３４によって制御できるように形成されている。

上枕木部３１ａの上面には、弾性部材であるゴム板３５ａ及びレール締結金具３５ｂを用いてレール３５が敷設されており、ゴム板３５ａによってレール小返りを再現可能な状態とし、ゴム板３５ａの板厚やレール締結金具３５ｂの締め付け量によって小返り量を調整できるようにしている。なお、レール３５の小返りは、レールクリップやばね鋼金具によっても再現可能である。この模型のレール３５は、実際のレールと同じ炭素鋼で形成され、レール頭部の寸法は実際のレール頭部寸法をスケールダウンさせた数値に基づいて加工している。また、レール３５の長さは、台車模型２０を載置可能な長さに設定されており、両端部には車輪２１ａの転動を防止するための車止め金具３５ｃがそれぞれ設けられ、前述のように車体相当荷重枠１０と台車模型２０とを組み合わせた車両模型が停止状態で載設される。

さらに、レール３５の内側には、レール３５に沿って脱線防止ガード３５ｄが設けられるとともに、レール３５の外側における車輪２１ａ載置部に対応する位置には、軌道側脱輪ガード３５ｅと車輪固定用のジャッキ３５ｆとが設けられている。また、加振台３３の一側には、レール枕木部３１の左右方向の変位量を測定するための変位計３３ｃ（図１，図３，図１９参照）が設けられている。

変位制御部３４は、図１８に示すように、ＬＭレール３２ａを跨ぐようにして加振台３３の上面中央部に設けられたスリ板３４ａと、このスリ板３４ａの上に配置された第１摺動部３６と第２摺動部３７とを備えており、第１摺動部３６は枕木方向に所定の長さを有している。

第１摺動部３６は、平面視が長方形状の弾性摺動部材であるゴム板３６ａ及び押さえ板３６ｂと、押さえ板３６ｂをゴム板３６ａに押し付けるための３組のボルト３６ｃ及びロックナット３６ｄとで形成され、ボルト３６ｃは、下枕木部３１ｂからリブ３１ｃを介して突出した突出片３１ｄ及び補強片３１ｅに設けられた雌ネジ部３６ｅに所定量ねじ込まれてロックナット３６ｄで固定される。

また、第２摺動部３７は、前記スリ板３４ａの枕木方向中央部上面に配置された円盤状のスリ板３７ａ、ゴム板３７ｂ及び押さえ板３７ｃと、これらを覆う円筒部材３７ｄと、押さえ板３７ｃをゴム板３７ｂに押し付けるためのボルト３７ｅ及びロックナット３７ｆとで形成され、円筒部材３７ｄが下枕木部３１ｂの上面板と前記突出片３１ｄに固着されている。第２摺動部３７のボルト３７ｅは、円筒部材３７ｄに設けられた雌ネジ部３７ｇに所定量ねじ込まれてロックナット３７ｆで固定される。

このように形成した変位制御部３４は、押圧手段となる前記両ボルト３６ｃ，ボルト３７ｅのねじ込み量を調節し、各押さえ板３６ｂ，３７ｃによる各ゴム板３６ａ，３７ｂの押し付け力を調整することで、スリ板３４ａと加振台３３との間の摺動抵抗を任意に調整して設定することができ、加振台３３からレール枕木部３１に伝達される振動をバラスト軌道で発生する横滑り振動に近似させることができる。一方、図示しない適宜な固定治具で加振台３３とレール枕木部３１とを剛に結合することにより、路盤の変位が直接枕木に伝わるスラブ軌道における振動を模擬することができる。

さらに、上枕木部３１ａと下枕木部３１ｂとを一側のヒンジ部３１ｆで回動可能に結合し、図１９に示すように、上枕木部３１ａの反ヒンジ側を上昇させて上枕木部３１ａと下枕木部３１ｂとの間に所定角度のカント形成治具３１ｇを挿入して固定することにより、任意のカント量を再現可能としている。

図２０乃至図２２は、車両模型１の変位を測定する変位計（センサ）の取付例を示すもので、図２０は概略正面図、図２１は上下動ダンパ部分の概略側面図、図２２は軸箱部分の概略側面図である。

前記変位計１４ｊをはじめとする各センサには、超音波や光を利用した非接触センサを用いるとともに、相対的に重量物であるセンサ本体部５１ａを、重量バランスを容易に調整することができる軌道模型３０側又は車体相当荷重部材１０側に設けるとともに、微妙な重量バランスがバネ特性やダンパ特性に影響する台車模型２０に相対的に軽量な測定面５１ｂ（一部省略）を台車模型２０側に設けるようにしている。これにより、台車模型２０における重量バランスを実車に合わせてより忠実に再現することができる。

なお、センサとしては、車体と台車との上下変位を測定する前記変位計１４ｊ、レールからの車輪の浮き上がりを測定する変位計５２、軸バネの上下変位を測定する変位計５３、輪軸の左右変位を測定する変位計５４、台車と車軸との左右変位を測定する変位計５５、車体と台車との左右変位を測定する変位計５６など、実験内容に応じて様々な変位計が要所要所に設けられており、台車と車軸との左右変位を測定する変位計５５のように、台車部分に設ける必要があるものを除いてセンサ本体部５１ａを軌道模型３０側又は車体相当荷重部材１０側に設けるようにしている。

図２３は、ホーム模型を配置した例を示す正面図である。このホーム模型６１は、軌道模型３０の一側に駅ホームの先端部をスケールダウンしたものであって、前記土台４１に立設した支持フレーム６２と、該支持フレーム６２の上端部に高さ調整部材６３を介して設けられたホーム先端板６４とを有している。ホーム先端板６４は、高さ調整部材６３の上面にボルト６５によって固定されるもので、ホーム先端板６４の先端位置が調整可能に形成されており、ホーム先端板６４の下面と高さ調整部材６３の上面とには凹凸係止部６６がそれぞれ設けられてボルト固定時の位置ズレが防止されている。

ホーム先端板６４の位置は、図に実線で示す先端位置６４ａで直線部に設けられたホームを、該先端位置６４ａの下方で、車両模型１から離れた下部位置６４ｂで曲線内側に設けられたホームを、前記先端位置６４ａの上方で、車両模型１に近付いた上部位置６４ｃで曲線外側に設けられたホームを、それぞれ模擬できるようにしている。

図２４は、車両模型１を枕木方向に付勢する付勢手段を設けた例を示す正面図である。この付勢手段７１は、高速での曲線通過時に車体に作用する遠心力や強風時に車体に作用する横方向の風圧を模擬するためのものであって、車両模型１の車体相当荷重枠１０又は台車模型２０の一側部に先端が取り付けられたスプリング７２と、該スプリング７２の他端を複数の滑車７３を介してワイヤー７４にて牽引するための複数のウエイト７５と、滑車７３を回転可能に保持する支持枠７６とを有しており、支持枠７６は、土台４１と同様に床面に固定されている。この付勢手段は、ウエイト７５の量を変更することにより、実車の曲線通過時におけるカントや速度に対応した遠心力を車両模型１に作用させることができる。

本形態例に示すように、本発明の鉄道車両の模型実験装置は、実車の台車を物理的相似則に基づいて忠実にスケールダウンし、適所に変位量を規制又は調整するストッパを設けて形成した台車模型２０を備えた車両模型１を用いることにより、地震発生時に軌道から伝わる変位を模型で再現することができ、台車及び台車に載設した車体の揺れを確実に捉えることができる。また、台車模型２０は、実車の台車と基本的に同じ構成を有しているため、製作、組立、調整を実車の台車と同じようにして行うことができ、模型であっても特別な配慮が不要であり、これらの作業を容易かつ確実に行うことができる。なお、各部のストッパや隙間等の調整は、その位置に応じた適宜な手段で行うことができ、本形態例に示す手段に限るものではない。

また、車両模型１を載置する軌道模型３０にも実際の軌道を物理的相似則に基づいてスケールダウンし、スラブ軌道及びバラスト軌道のいずれにも対応可能に形成するとともに、曲線のカントも模擬できるように形成することにより、実車が走行する軌道の各種状況における実験を容易に行うことができる。

さらに、ホーム模型６１を配置することにより、車体とホームとの関係も確認することができ、特に、ホーム先端板６４の位置を調整可能とすることにより、曲線路に設けられたホームの通過中又は停車中を想定した実験も行うことができる。また、付勢手段７１を設けて車両模型１を側方に付勢することにより、高速で曲線を通過しているときの状態や強風時の状態も再現することができる。

したがって、これらの車体相当荷重枠１０、台車模型２０、軌道模型３０、その他の構成品を適宜使用して模型実験を行うことにより、地震時に軌道を介して実車に加えられる振動や変位を忠実に模擬することができ、地震対策用の解析に有効な各種データを採取することができる。また、この実験装置で得られた結果とコンピュータによるシミュレーションで得られた結果とを比較することにより、シミュレーションプログラムの良否の判定にも活用することができシミュレーション精度の向上にも寄与できる。

模型化する際のスケールλは任意に設定することが可能であるが、質量や慣性モーメントの値を考慮すると、３〜７程度が適当であり、３未満では車両模型が大きすぎて模型とした意味が薄れてしまい、７を超えると小さくなりすぎて各部材の製作等が困難となる。したがって、模型の製作性や材料の加工性、各種数値のわかりやすさなどを考慮すると、スケールλは５が最適であり、スケールλを５としたときの模型の質量は、実車に対して１／１２５となり、クレーン等での吊り上げや模型の設置作業を容易に行うことができる。

さらに、半車体分で実験を行うことにより、加振装置４０を含めた実験装置全体を更に小型化することができ、ばねやゴムが常にストッパ当たりするほどの大きな加振を与えても安全性上の問題はほとんどなく、様々な振動を想定した実験を行うことができる。また、従来の台上試験に比べて大幅な小型化を図れるので、加振装置４０として汎用のものを選択することが可能となり、実験装置に与える影響が少なく、実験装置を設置する基礎、土台の簡略化も図れる。

特に、車両模型１を半車体分とし、台車模型２０と車体相当荷重枠１０とをリンク機構で連結してピッチング及びヨーイングを抑制することにより、全車体分に相当する実験を半車体分で行うことができ、実験装置をより小型化することができる。さらに、台車模型２０に加わる車体荷重の変更も容易に行うことができる。加えて、枕ばねの模型として、上下方向のコイルばね及びダンパーと、左右方向のコイルばね及びダンパーとを組み合わせて構成したことにより、空気ばねの模型を製作する場合に比べて容易かつ安価に模型を製作することができる。

また、本形態例に示す実験装置では、軌道模型３０に軌道側脱輪ガード装置３５ｅを設けており、軸箱２２には逸走防止ガード２２ｎ（図７、図８参照）を装着可能としているので、これらからなる脱線防止ガードを実車に設置した状態での実験を行うこともできる。

模型実験装置の全体構成の概要を示す正面図である。 同じく模型実験装置の側面図である。 同じく模型実験装置の平面図である。 輪軸の断面図である。 台車枠の平面図である。 台車枠の正面図である。 軸箱支持装置の正面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 図５のＸ−Ｘ断面図である。 台車模型に車体相当荷重枠を載設した状態を示す正面図である。 同じく載設状態の平面図である。 図１２のXIII−XIII断面図である。 図１１のXIV−XIV断面図である。 軌道模型の正面図である。 軌道模型の側面図である。 軌道模型の平面図である。 図１５のXVIII−XVIII断面図である。 カントを模擬した状態の正面図である。 車両模型の変位を測定するセンサの取付例を示す概略正面図である。 上下動ダンパ部分のセンサの取付例を示す概略側面図である。 軸箱部分のセンサの取付例を示す概略側面図である。 ホーム模型を配置した例を示す正面図である。 車両模型を枕木方向に付勢する付勢手段を設けた例を示す正面図である。

符号の説明

１…車両模型、１０…車体相当荷重枠、１１…リンク機構、１１ａ…アーム部材、１１ｂ…連結棒、１２…枠組み、１３…ウエイト、１４ａ…枕ばね、１４ｂ…上下動ダンパ、１４ｃ…ヨーダンパ、１４ｄ…コイルばね付き左右動ダンパ、１４ｅ…牽引リンク、１４ｆ…中心ピン、１４ｇ…枕ばね受け、１４ｈ…調整ボルト、１４ｉ…上下動ダンパ取付部材、１４ｊ…変位計、１４ｋ…ヨーダンパ受け、１４ｍ…左右動ダンパ受け、２０…台車模型、２１…輪軸、２１ａ…車輪、２１ｂ…車軸、２１ｃ…踏面、２１ｄ…軸受、２１ｅ…ジャーナル部、２１ｆ…蓋、２１ｇ…ボルト、２１ｈ…ネジ穴、２２…軸箱、２２ａ…軸ばね、２２ｂ…軸ダンパ、２２ｃ…圧入孔、２２ｄ…軸箱部、２２ｅ…軸ばね座、２２ｆ…外蓋、２２ｇ…軸ダンパ取付座、２２ｈ…台車吊り金具、２２ｉ…外筒、２２ｊ…内筒、２２ｋ…ゴム筒、２２ｍ…ストッパ、２３…軸箱支持装置、２４…台車枠、２４ａ…側梁、２４ｂ…横梁、２４ｃ…枕ばね受け、２４ｄ…上下動ダンパ受け、２４ｅ…ヨーダンパ受け、２４ｆ…軸ばね受け、２４ｇ…軸ダンパ受け、２４ｈ…リンク受け、２４ｉ…左右動ダンパ受け、２４ｊ…ウエイト、２４ｋ…牽引リンク連結部、２４ｍ…リンクストッパ、２４ｎ…左右動ストッパ、２４ｐ…繋ぎ梁、２４ｑ…フック、３０…軌道模型、３１…レール枕木部、３１ａ…上枕木部、３１ｂ…下枕木部、３１ｃ…リブ、３１ｄ…突出片、３１ｅ…補強片、３１ｆ…ヒンジ部、３１ｇ…カント形成治具、３２…リニアガイド、３２ａ…ＬＭレール、３２ｂ…ＬＭガイド、３３…加振台、３３ａ…ストッパ、３３ｂ…リンク受、３３ｃ…変位計、３４…変位制御部、３４ａ…スリ板、３５…レール、３５ａ…ゴム板、３５ｂ…レール締結金具、３５ｃ…車止め金具、３５ｄ…脱線防止ガード、３５ｅ…軌道側脱輪ガード、３５ｆ…ジャッキ、３６…第１摺動部、３６ａ…ゴム板、３６ｂ…押さえ板、３６ｃ…ボルト、３６ｄ…ロックナット、３６ｅ…雌ネジ部、３７…第２摺動部、３７ａ…スリ板、３７ｂ…ゴム板、３７ｃ…押さえ板、３７ｄ…円筒部材、３７ｅ…ボルト、３７ｆ…ロックナット、４０…加振装置、４１…土台、４１ａ…ストッパ、４１ｂ…変位計、４２…リニアガイド、４３…加振用アーム、５１ａ…センサ本体部、５１ｂ…測定面、５２〜５６…変位計、６１…ホーム模型、６２…支持フレーム、６３…高さ調整部材、６４…ホーム先端板、６５…ボルト、６６…凹凸係止部、７１…付勢手段、７２…スプリング、７３…滑車、７４…ワイヤー、７５…ウエイト、７６…支持枠

Claims (16)

1. 鉄道車両の耐震性を、実験対象となる鉄道車両をスケールダウンした模型を用いて確認するための鉄道車両の模型実験装置において、前記鉄道車両の模型として、前記鉄道車両の台車を物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成した台車模型を備えた車両模型を使用することを特徴とする鉄道車両の模型実験装置。
2. 前記車両模型は、一つの台車模型と、実験対象となる鉄道車両の長さ方向１／２に相当する半車体分の車体相当荷重部材とで形成され、前記台車模型の上部に枕ばね模型を介して前記車体相当荷重部材を載設するとともに、前記台車模型に対する前記車体相当荷重部材のピッチング及びヨーイングを抑制するためのリンク機構により台車模型と車体相当荷重部材とを連結したことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の模型実験装置。
3. 前記枕ばね模型は、実車の空気ばねを、上下方向に作用するコイルばね及びダンパと、枕木方向に作用するコイルばね及びダンパとの組み合わせで形成したことを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の模型実験装置。
4. 前記各ダンパは、エアシリンダと、該エアシリンダ両端を流量制御手段を介して連通した連結パイプとで形成されていることを特徴とする請求項３記載の鉄道車両の模型実験装置。
5. 前記枕ばね模型における枕木方向に作用するダンパは、エアシリンダと、該エアシリンダのロッド外周に配置されたコイルスプリングとで形成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の鉄道車両の模型実験装置。
6. 前記台車模型における車軸は、該車軸の軸方向中央部を、実験対象となる鉄道車両の車軸に設けられている歯車装置の重量をスケールダウンした重量分だけ太く形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
7. 前記車両模型を枕木方向に付勢する付勢手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
8. 鉄道車両の耐震性を、実験対象となる鉄道車両が走行する軌道をスケールダウンした模型を用いて確認するための鉄道車両の模型実験装置において、前記鉄道車両をスケールダウンした車両模型を支持する軌道模型として、前記鉄道車両が走行する軌道を物理的相似則に基づいてスケールダウンして形成した軌道模型を使用することを特徴とする鉄道車両の模型実験装置。
9. 前記車両模型を載設する軌道模型は、水平方向に変位する加振台上に設けられるとともに、軌道模型と加振台との関係を、スラブ軌道を模擬した固定状態と、バラスト軌道を模擬した弾性支持状態とのいずれかの状態を選択可能に形成したことを特徴とする請求項８記載の鉄道車両の模型実験装置。
10. 前記軌道模型は、前記加振台上にリニアガイドを介して枕木方向に移動可能に支持されるレール枕木部と、加振台とレール枕木部との変位状態を制御する変位制御部とを備え、変位制御部は、加振台に設けられたスリ板と、該スリ板の上面を摺動する弾性摺動部材と、レール枕木部に設けられて前記弾性摺動部材を前記スリ板に向けて押圧する押圧手段とを有し、該押圧手段の押圧力を調整可能に形成したことを特徴とする請求項８又は９記載の鉄道車両の模型実験装置。
11. 前記軌道模型におけるレールは、前記レール枕木部の上面に弾性部材を介して締結されるとともに、レールをレール枕木部に締結する締結手段の締結力を調整可能に形成したことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
12. 前記軌道模型は、レール枕木部が上枕木部と下枕木部とに分割形成され、上枕木部と下枕木部との一側がレールと平行な枢軸を有するヒンジ部によって連結されるとともに、上枕木部と下枕木部との間にカント調整部材を挿入可能に形成したことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
13. 前記軌道模型に隣接して駅ホームの先端部をスケールダウンしたホーム模型を配置したことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
14. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の車両模型と、請求項８乃至１３のいずれか１項記載の軌道模型とを使用し、前記軌道模型上に前記車両模型を載設した状態で前記軌道模型を枕木方向に加振する加振装置を備えていることを特徴とする鉄道車両の模型実験装置。
15. 前記車両模型の変位を測定するセンサは、非接触センサを用いるとともに、センサ本体部を軌道模型側又は車体相当荷重部材側に設け、測定面を台車模型側に設けたことを特徴とする請求項１４記載の鉄道車両の模型実験装置。
16. 前記スケールダウンを行う際のスケールをλとしたときに、次に示す物理的相似則に基づいた計算式を使用して模型を製作することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項記載の鉄道車両の模型実験装置。
    変位量を含む長さ：δｓ＝δ×（１／λ）
    ばね常数：Ｋｓ＝Ｋ×（１／λ）^２
    減衰係数：Ｃｓ＝Ｃ×（１／λ）^２．５
    質量：Ｍｓ＝Ｍ×（１／λ）^３
    作用する力：Ｆｓ＝Ｆ×（１／λ）^３
    慣性モーメント：Ｉｓ＝Ｉ×（１／λ）^５
    加速度：αｓ＝α
    速度：Ｖｓ＝Ｖ×（１／λ）^０．５
    時間（秒）：ｔｓ＝ｔ×（１／λ）^０．５
    振動数：ｆｓ＝ｆ×λ^０．５
    （各値中、添え字としてｓを付した各値はスケールダウン後の値を示す。）

Images