JP2010111197A - 鉄道車両用電力変換装置の支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、鉄道車両用電力変換装置の振動の車内側床板への伝播を抑制し、かつ走行に伴う車両の振動による吊り下げボルトの軸部の過大な曲げ振動を抑制し、低騒音で、かつ機器の脱落を防止できる鉄道車両用電力変換装置の支持構造を得る。
【解決手段】鉄道車両用電力変換装置１の箱体２が、箱体２に取り付けられた取付金３が一対の防振ゴム１１，１２により挟持され状態で、吊り下げ用レール７から垂下された吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに挿通され、軸部１０ｂの延出端にワッシャ１３を介して螺着されたナット１４を締着して弾性的に支持されている。そして、軸部１０ｂは取付金３と非接触状態に取付金３を挿通しており、ストッパ５がワッシャ１３の車体６の幅方向の両側にワッシャ１３と所定の隙間ｄ１を持って取付金３に固着されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、パンタグラフから供給される電力を鉄道車両内の電気機器を駆動できる１００Ｖ或いは２００Ｖの商用電力に変換する鉄道車両用電力変換装置を鉄道車両に支持する支持構造に関するものである。

この鉄道車両用電力変換装置は、電力用半導体素子などで構成される電力変換部、主回路に含まれる高調波成分を除去するコンデンサ、緊急時に入力電源側と電力変換部との間を切り離す高速度遮断器などから構成され、車両の床下に設置された箱体に収納されている。そこで、鉄道車両用電力変換装置の振動が車内に伝わり、乗客に不快感を与える恐れがあった。

このような状況を鑑み、鉄道車両用電力変換装置が設置されている車外用床板に立設されて車内側床板を支持する根太と車内側床板との間に防振用弾性体を配置して、鉄道車両用電力変換装置から車外用床板および根太側を経由して車内側床板に伝播する振動を低減する鉄道車両用電力変換装置の支持構造が提案されていた（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１０−１５２０４９号公報 特開平１０−３２９７１１号公報

しかしながら、従来の鉄道車両用電力変換装置の支持構造では、防振用弾性体が単に車内側床板と根太との間に介装されているので、走行に伴う車両の振動により、根太側が大きく振動し、最悪の場合には、鉄道車両用電力変換装置の構成機器の脱落をもたらすという問題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、鉄道車両用電力変換装置の振動の車体への伝播を抑制し、かつ走行に伴う車体の振動により鉄道車両用電力変換装置側に誘発される過大な横揺れを抑制し、低騒音で、かつ機器の脱落を防止できる鉄道車両用電力変換装置の支持構造を得ることを目的とする。

この発明に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造は、鉄道車両用電力変換装置の箱体が、複数の支持点のそれぞれで、該箱体に取り付けられた取付金が一対の防振要素により挟持され状態で、車体の下面に取り付けられた吊り下げ用レールから垂下された吊り下げボルトの軸部に挿通され、該軸部の延出端にワッシャを介して螺着されたナットを締着して弾性的に支持されている。そして、上記軸部は上記取付金と非接触状態に該取付金を挿通しており、ストッパが上記ナット又は上記ワッシャの上記車体の幅方向の両側に該ナット又は該ワッシャと所定の隙間を持って上記取付金に固着されている。

この発明によれば、吊り下げ用レールから垂下された吊り下げボルトの軸部は取付金と非接触状態に取付金を挿通しているので、取付金と軸部との直接的な接触がない。そこで、鉄道車両用電力変換装置の振動は、取付金、防振要素、吊り下げボルトの軸部、および吊り下げ用レールを介して車体に伝達される。このとき、鉄道車両用電力変換装置の振動は、防振要素で低減されて車体に伝達されるので、車体側の床板が振動することに起因して客室内に放射される音圧が低減し、車内の静音化が図られる。

また、ストッパがナット又はワッシャの車体の幅方向の両側との間に所定の隙間を確保して配設されている。そこで、走行中の車体の横揺れにより軸部の曲げ振動が大きくなると、ナット又はワッシャがストッパに当接し、軸部のそれ以上の変形が阻止される。これにより、鉄道車両用電力変換装置が過大に振動することが抑制され、鉄道車両用電力変換装置の構成機器の脱落の発生が防止される。さらに、吊り下げボルトの軸部の過大な変形が抑制され、軸部の破断が防止される。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図であり、鉄道車両用電力変換装置が支持された車両の車体を走行方向から見た状態を模式的に示している。

図１において、鉄道車両用電力変換装置１は、電力用半導体素子などで構成される電力変換部、主回路に含まれる高調波成分を除去するコンデンサ、緊急時に入力電源側と電力変換部との間を切り離す高速度遮断器などから構成され、箱体２に収納されている。そして、取付金３は、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼材、またはアルミを用いて断面コ字状に作製され、コ字状の開口側を箱体２の上面に向けて、コ字状の相対する側壁部の離間方向を箱体２の幅方向に一致させて、箱体２の上面の四隅に固着されている。さらに、貫通穴４が取付金３の底部に穿設されている。また、ストッパ５が、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼材、またはアルミを用いて平板状に作製され、貫通穴４を挟んで、取付金３のコ字状の相対する側壁部の離間方向に相対するように、取付金３の底部の内壁面に立設されている。なお、ストッパ５には、緩衝のためゴムを貼り付けてもよい。

吊り下げ用レール７は、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼材、またはアルミを用いて断面コ字状に作製され、開口側を車両の車体６の下面に向けて、車体６の幅方向に離間して、かつ互いに平行に、車体６の下面に車両の走行方向に延設されている。ここで、車体６の幅方向とは、車体６の走行用レールの離間方向である。そして、貫通穴８が、吊り下げ用レール７の底部の所定位置に穿設されている。このとき、貫通穴８が、箱体２の上面に固着された４つの取付金３の底部に穿設された貫通穴４のそれぞれに対応するように、一対の吊り下げ用レール７の間隔および貫通穴８の穴位置が決められている。

箱体２は、その幅方向を車体６の幅方向に一致させて吊り下げ用レール７の下部に配置され、一対の防振ゴム１１，１２が各取付金３の底部を挟み込むように配設される。そして、吊り下げ用レール７内から貫通穴８を通して垂下された吊り下げボルト１０の軸部１０ｂを、防振ゴム１１，１２および取付金３の貫通穴１１ａ，１２ａ，４を挿通させ、さらにワッシャ１３の貫通穴１３ａを挿通させ、ワッシャ１３から延出する軸部１０ｂにナット１４を螺合させる。そして、ナット１４を締着することにより、防振ゴム１１，１２が圧縮され、箱体２、即ち鉄道車両用電力変換装置１が吊り下げボルト１０により吊り下げられた状態で弾性的に支持される。ここで、吊り下げボルト１０、ワッシャ１３、およびナット１４は、例えば炭素鋼で作製されている。また、防振ゴム１１，１２は、例えばクロロプレンゴムなどで作製され、防振要素を構成している。

このとき、取付金３の貫通穴４は吊り下げボルト１０の軸部１０ｂより大径に形成され、取付金３と軸部１０ｂとは離間している。また、ワッシャ１３の外径は、第２防振ゴム１２およびナット１４の外径より大径に形成されている。そして、ストッパ５は、ワッシャ１３の車体６の幅方向の両側に、ワッシャ１３との間に隙間ｄ１を確保して平行に配設されている。

この鉄道車両用電力変換装置１の支持構造では、取付金３が、一対の防振ゴム１１，１２に挟持された状態で、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂへのナット１４の締結力により吊り下げ用レール７内の吊り下げボルト１０の頭部１０ａとナット１４との間に加圧挟持されて、吊り下げ用レール７に支持されている。そして、取付金３は、吊り下げ用レール７、吊り下げボルト１０、およびナット１４との直接的な接触が回避されている。そこで、鉄道車両用電力変換装置１の振動は、取付金３から防振ゴム１１，１２、吊り下げボルト１０、および吊り下げ用レール７を介して車体６に伝達される。このとき、鉄道車両用電力変換装置１の振動は、防振ゴム１１，１２により低減されて車体６に伝達されるので、車体６側の床板が振動することに起因して客室内に放射される音圧が低減し、車内の静音化が図られる。

ここで、走行する車体６には、数Ｈｚ程度の周波数に大きなピークを持ち、車体６の幅方向の振幅が大きな横揺れが発生する。一方、鉄道車両用電力変換装置１は、パンタグラフから供給される電力を鉄道車両内の電気機器を駆動するための商用電力に変換することから、１２０Ｈｚの周波数に大きなピークを持った振幅の小さい振動を発生する。

そこで、走行中の車体６の横揺れが支持機構を介して鉄道車両用電力変換装置１に伝達される。このとき、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに曲げ応力が作用し、軸部１０ｂの軸心からの車体６の幅方向の変位が先端側に行くほど大きくなる曲げ振動が軸部１０ｂに発生する。そして、軸部１０ｂの曲げ振動が大きくなると、ワッシャ１３がストッパ５に当接し、軸部１０ｂのそれ以上の変形が阻止される。これにより、鉄道車両用電力変換装置１が過大に振動することが抑制され、鉄道車両用電力変換装置１の振動に起因する構成機器の脱落の発生が防止される。さらに、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂの過大な変形が抑制され、軸部１０ｂが破断するような事態を未然に回避できる。

つぎに、本支持構造による車内の静音化について検討する。
まず、一対の防振ゴム１１，１２で構成される防振系のばね常数をＫ、鉄道車両用電力変換装置１と取付金３とで構成される防振系の質量をＭとすると、本支持構造の共振周波数ｆ_ｂは、式（１）で定義される。

ついで、共振周波数ｆ_ｂが７Ｈｚとなるように支持構造を構成し、吊り下げ用レール７に加速度センサを設置し、鉄道車両用電力変換装置１を加振する周波数ｆ_ｓを変えて、吊り下げ用レール７の周波数応答を計測した結果を図２に示す。
図２から、応答倍率は、鉄道車両用電力変換装置１の振動の周波数ｆ_ｓが７Ｈｚ（共振周波数ｆ_ｂ）のときにピークとなり、鉄道車両用電力変換装置１の振動の周波数ｆ_ｓが７Ｈｚ（共振周波数ｆ_ｂ）を超えると、急激に低下することがわかる。そして、鉄道車両用電力変換装置１の振動の周波数ｆ_ｓが１２０Ｈｚのときの応答倍率は０．０４以下となっている。

この鉄道車両用電力変換装置１の実際の振動は１２０Ｈｚの周波数に大きなピークを持っているので、本支持構造を採用することで、鉄道車両用電力変換装置１の振動の０．０４倍以下の振動しか吊り下げ用レール７、即ち車体６には伝達されない。このことから、車体６側の床板が振動することに起因して客室内に放射される音圧が低減し、車内の静音化が図られることがわかる。

また、図２から、支持構造の共振周波数ｆ_ｂが鉄道車両用電力変換装置１の実際の振動の周波数ｆ_ｓのピーク値である１２０Ｈｚより小さくなるほど、１２０Ｈｚでの応答倍率が小さくなることが推考される。このことから、支持構造は、鉄道車両用電力変換装置１の実際の振動の周波数ｆ_ｓのピーク値に対して十分に小さい共振周波数ｆ_ｂを有するように、例えば周波数ｆ_ｓのピーク値の１／２より小さい共振周波数ｆ_ｂを有するように構成することが望ましい。

つぎに、本支持構造による隙間ｄ１について検討する。
軸部１０ｂの曲げを抑制するためのストッパ５とワッシャ１３との間の隙間ｄ１によって、鉄道車両用電力変換装置１の重心が移動できる距離ｄ２が求められる。そして、車体６の横揺れによって、鉄道車両用電力変換装置１が横に揺れる限界の距離はｄ２となる。そこで、重心における重量をＭ、車体６の揺れの周波数をｆ_ｃ、重心から吊り下げボルト１０の軸部１０ｂまでの距離をｄ_ｂとすると、鉄道車両用電力変換装置１が吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに発生させるモーメントＭ_０は、式（２）で表される。

ここで、４つの吊り下げボルト１０を用いて４箇所で鉄道車両用電力変換装置１を吊設しており、重心から各吊り下げボルト１０の軸部１０ｂまでの距離ｄ_ｂを一定とすると、各吊り下げボルト１０の軸部１０ｂは、式（２）で表されるＭ_０の４分の１のモーメントを受け持つことになる。吊り下げボルト１０の軸部１０ｂの直径をｄ_ｃとすると、軸部１０ｂに発生する応力σは、式（３）で表される。

この応力σが吊り下げボルト１０の疲労限界未満となるように隙間ｄ１を設計すれば、吊り下げボルト１０の疲労破壊を回避することができる。
例えば、隙間ｄ１を１ｍｍとし、これによって重心が移動できる距離ｄ２が１０ｍｍであったとする。そして、重心における重量Ｍを１００Ｋｇ、車体６の揺れの周波数ｆ_ｃを１Ｈｚ、重心から吊り下げボルト１０の軸部１０ｂまでの距離ｄ_ｂを０．５ｍとすると、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに発生するモーメントＭ_０は、式（２）から１９．７Ｎｍとなる。

ここで、Ｍ１６の吊り下げボルト１０を使用した場合、その軸部１０ｂの直径ｄ_ｃは１５．７ｍｍであるから、応力σは、式（３）から１．３×１０^７Ｐａとなる。一方、炭素鋼製のＭ１６の吊り下げボルト１０の疲労限界は、７×１０^７Ｐａであるので、吊り下げボルト１０は疲労破壊しない。

このように、隙間ｄ１を調整することで、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに発生する応力σが使用する吊り下げボルト１０の疲労限界を超えないようにすることができる。言い換えれば、吊り下げボルト１０の疲労破壊の発生を抑制するためには、吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに発生する応力σが吊り下げボルト１０の疲労限界を超えないように隙間ｄ１を設定すればよい。また、隙間ｄ１は鉄道車両用電力変換装置１の振動による振幅より十分大きく設定されている。これにより、鉄道車両用電力変換装置１の振動時に、ストッパ５がワッシャ１３に触れて、鉄道車両用電力変換装置１の振動が吊り下げボルト１０を介して車体６に伝達するような事態を未然に回避できる。

なお、上記実施の形態１では、平板状のストッパを、貫通穴を挟んで、取付金のコ字状の相対する側壁部の離間方向に相対するように、取付金の底部の内壁面に立設するものとしているが、円筒状に形成されたストッパを貫通穴と同心状に取付金の底部の内壁面に立設してもよい。この場合、ストッパとワッシャとの間には、ワッシャの周方向の全域で隙間ｄ１が確保されているので、取付金のコ字状の相対する側壁部の離間方向と箱体の幅方向とが異なっても、車体の横揺れに起因して曲げ振動する吊り下げボルトの軸部は確実にストッパに当接し、軸部のそれ以上の変形が阻止される。したがって、箱体に対する取付金の取付精度が緩和され、取付金の取り付けが簡易となる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図であり、鉄道車両用電力変換装置が支持された車両の車体を走行方向から見た状態を模式的に示している。
図３において、緩衝部材１５は、例えばゴムなどの弾性体で作製され、ストッパ５のワッシャ１３に相対する壁面に固着されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２においても、車体６の横揺れにより吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに大きな曲げが発生しても、ストッパ５とワッシャ１３とが緩衝部材１５を介して接触し、軸部１０ｂのそれ以上の変形が阻止され、鉄道車両用電力変換装置１が過大に振動することが抑制される。したがって、吊り下げボルト１０の疲労破壊の発生が抑制されるとともに、鉄道車両用電力変換装置１の構成機器の脱落の発生が防止される。
また、この実施の形態２によれば、ストッパ５とワッシャ１３とが緩衝部材１５を介して接触することになり、ストッパ５とワッシャ１３との接触時の衝撃が緩和される。これにより、吊り下げボルト１０に過剰な力が負荷されることが防止されるとともに、衝撃が車体６に伝達されて乗り心地が低下することが回避される。

なお、上記実施の形態２では、緩衝部材１５がストッパ５に取り付けられるものとしているが、緩衝部材１５をワッシャ１３の外周部に取り付けるようにしてもよい。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図であり、鉄道車両用電力変換装置が支持された車両の車体を走行方向から見た状態を模式的に示している。
図４において、ストッパ１６が、ステンレス鋼、炭素鋼などの鋼材を用いて平板状に作製され、ワッシャ１３の車体６の幅方向の両側に、ワッシャ１３との隙間ｄ１を有するように取付金３の相対する側壁部の内壁面に固着されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３においても、車体６の横揺れにより吊り下げボルト１０の軸部１０ｂに大きな曲げが発生しても、ストッパ５とワッシャ１３とが接触し、軸部１０ｂのそれ以上の変形が阻止され、鉄道車両用電力変換装置１が過大に振動することが抑制される。したがって、吊り下げボルト１０の疲労破壊の発生が抑制されるとともに、鉄道車両用電力変換装置１の構成機器の脱落の発生が防止される。
また、実施の形態３によれば、取付金３の相対する側壁部の間隔を狭く構成することで、ストッパ１６の取付金３の相対する側壁部からの延出長さを短くでき、材料費を削減することができる。

なお、上記各実施の形態では、防振ゴムで取付金を挟持するものとしているが、取付金を挟持する防振要素は防振ゴムに限定されるものではなく、コイルバネ、板ばねなどを用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、ストッパがワッシャに接触して吊り下げボルトの軸部の曲げ変形を規制するもとしているが、ワッシャより大径のナットを用いた場合には、ストッパはナットに接触して吊り下げボルトの軸部の曲げ変形を規制することになる。

また、上記各実施の形態では、吊り下げ用レールが断面コ字状に作製されているものとしているが、吊り下げ用レールの形状は断面コ字状に限定されるものではなく、取付金を支持できるものであればよく、例えばＬ字状であってもよい。
また、上記各実施の形態では、吊り下げ用レールが２個の取付金を支持するものとしているが、吊り下げ用レールを分割構成し、各吊り下げ用レールが１個の取付金を支持するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、取付金が断面コ字状に作製されているものとしているが、取付金の形状は断面コ字状に限定されるものではなく、吊り下げ用レールに支持されるものであればよく、例えばＬ字状であってもよい。
また、上記各実施の形態では、取付金が箱体の上面の四隅に取り付けられているものとしているが、取付金は箱体の側面に取り付けられてもよく、取付金の個数も４つに限定されるものではない。

この発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造における周波数応答を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図である。 この発明の実施の形態３に係る鉄道車両用電力変換装置の支持構造を説明するための要部断面図である。

符号の説明

１ 鉄道車両用電力変換装置、２ 箱体、３ 取付金、５ ストッパ、６ 車体、７ 吊り下げ用レール、１０ 吊り下げボルト、１０ｂ 軸部、１１，１２ 防振ゴム（防振要素）、１３ ワッシャ、１４ ナット、１５ 緩衝部材、１６ ストッパ。

Claims (5)

1. 鉄道車両用電力変換装置の箱体が、複数の支持点のそれぞれで、該箱体に取り付けられた取付金が一対の防振要素により挟持され状態で、車体の下面に取り付けられた吊り下げ用レールから垂下された吊り下げボルトの軸部に挿通され、該軸部の延出端にワッシャを介して螺着されたナットを締着して弾性的に支持されている鉄道車両用電力変換装置の支持構造であって、
   上記軸部は上記取付金と非接触状態に該取付金を挿通しており、
   ストッパが上記ナット又は上記ワッシャの上記車体の幅方向の両側に該ナット又は該ワッシャと所定の隙間を持って上記取付金に固着されていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置の支持構造。
2. 緩衝部材が上記ストッパの上記ナット又は上記ワッシャと相対する部位、或いは上記ナット又は上記ワッシャの上記ストッパと相対する部位に配設されていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置の支持構造。
3. 上記ストッパは円筒体に作製されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄道車両用電力変換装置の支持構造。
4. 上記一対の防振要素、上記鉄道車両用電力変換装置、および上記取付金からなる防振系の共振振動数が、上記鉄道車両用電力変換装置が発生する振動の周波数より低いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置の支持構造。
5. 上記隙間は、上記車体の横揺れにより上記吊り下げボルトの軸部に発生する応力が該吊り下げボルトの疲労限界より小さくなり、かつ上記鉄道車両用電力変換装置が発生する振動による振幅より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置の支持構造。

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