JP2010286459A

JP2010286459A - 鉄道車両用走行試験装置

Info

Publication number: JP2010286459A
Application number: JP2009142618A
Authority: JP
Inventors: Osamu Goto; 修後藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】車体の振動加速度を簡易に再現できるようにする。
【解決手段】台車を模擬した部材２ａ，２ｂの上面に配置した空気ばね５で車体を模擬した部材１を支持し、車体を模擬した部材１と台車を模擬した部材２ａ，２ｂをダンパー６で連結する。制御装置８からの加振指令により作動する油圧アクチュエータ７ａ，７ｂによって台車を模擬した部材２ａ，２ｂを加振する。車体を模擬した部材１に設置した加速度センサー９ａ，９ｂにより加速度を検出する鉄道車両用走行試験装置である。事前に台車を模擬した部材１を加振して求めた、加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から、台車を模擬した部材２ａ，２ｂを加振する加振指令値を求める。
【効果】車体に直接作用する空力外乱でも、台車を模擬した部材からの加振で同じ振動加速度を模擬でき、走行試験装置を大型化する必要がない。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行時に、鉄道車両の車体に発生する振動加速度を、簡易に模擬することができる試験装置に関するものである。

鉄道車両を案内する軌道には、軌道幅に狂いが生じる場合がある。この軌道幅の狂い（以下、軌道狂いという。）によっては、鉄道車両の車体に発生する車幅方向の振動が大きくなって、走行に支障をきたす場合がある。

そのため、走行時に、鉄道車両に発生する振動加速度を模擬的に試験する装置が提案されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、従来の走行試験装置は、回転する軌条輪上に鉄道車両を載せて走行試験を行うものであるため、大掛かりな装置が必要である。また、たとえ実車両と、軌道狂いの測定値、空力外乱を入手できても、実際に測定した車体の振動加速度を模擬することは難しいので、従来の走行試験装置で、車体に発生する振動加速度を簡易に模擬することは難しかった。

近年、車両走行試験に置き換わる仮想的な試験環境を構築するため、HILS（Hard-ware In the Loop Simulation）システムの開発が進められている（非特許文献１）。

しかしながら、HILSシステムで使用される車両モデルはリアルタイムでシミュレーションを実行できることが必要で、実車両の運動特性を忠実に再現する必要があるため、プログラミングの作成等に多大のコストがかかる。

特開２００５−２７４２１１号公報

「HILS用車両運動モデルの構築と検証」鉄道総研報告、第２３巻第４号、２００９年４月号

本発明が解決しようとする問題点は、従来の車両走行試験装置は、大掛かりな装置が必要で、走行時に鉄道車両の車体に発生する振動加速度を簡易に模擬することができないという点である。また、HILSシステムは、プログラミングの作成等に多大のコストがかかるという点である。

本発明の鉄道車両用走行試験装置は、実際の車体、空気ばね、ダンパー、台車などが無くても、車体の振動加速度を簡易に再現できるようにすることを目的としている。

すなわち、本発明の鉄道車両用走行試験装置は、
車体を模擬した部材と、
車体の下面前後に配置される２つの台車を模擬した部材と、
それぞれの台車を模擬した前記部材の上面に配置され、前記車体を模擬した部材を支持する空気ばねと、
前記車体を模擬した部材とそれぞれの台車を模擬した部材を連結すべく配置されたダンパーと、
前記台車を模擬した部材を加振する装置、及びこの装置に加振指令をだす制御装置と、
前記車体を模擬した部材に設置される加速度センサー、及びこの加速度センサーの計測器と、
で構成される鉄道車両用走行試験装置であって、
前記制御装置から前記加振装置に出力する加振指令値は、
事前に前記台車を模擬した部材を加振して求めた、加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から求めたものであることを最も主要な特徴としている。

本発明は、台車を模擬した部材を加振する指令値を、事前に台車を模擬した部材を加振して求めた、加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から求めるので、実測した車体振動加速度を精度良く再現できる。

本発明の鉄道車両用走行試験装置は、例えばヨーイング振動による加速度を再現する場合、台車を模擬した部材を加振する加振指令値は、ヨーイング振動を発生させるものとする。

本発明の鉄道車両用走行試験装置は、ヨーイングの他、スェイング、ローリング、ピッチング、上下動の何れの振動による加速度であっても、精度良く再現することができる。

本発明において、スェイング振動とは、鉄道車両の前後に配置された台車が、同位相で発生する左右動やローリングをいう。

本発明では、事前に求めた加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から、加振指令値を求めるので、車体に直接作用する空力外乱でも、台車を模擬した部材からの加振で同じ振動加速度を模擬できる。従って、走行試験装置を大型化する必要がない。

また、本発明の鉄道車両用走行試験装置は、車体と台車間に設置するサスペンション装置を開発する場合の試験装置としても有効である。

本発明の鉄道車両用走行試験装置の一例を示したモデル図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は斜め上方から見た斜視図である。本発明の走行試験装置を用いてヨーイング加振試験を行った結果と理論値を示した図で、（ａ）は台車を模擬した部材を加振する時のゲインとその周波数の関係を示した図、（ｂ）は同じく位相とその周波数の関係を示した図である。本発明の走行試験装置を用いてヨーイング加振試験を行った際のヨーイング振動の実測値と加振指令値を示した図で、（ａ）はヨーイング振動の実測値、（ｂ）は実測値を逆関数にしたもの、（ｃ）は逆関数にしたものにハイパスフィルター処理を行ったもの、（ｄ）は同じくバンドパスフィルター処理を行ったものである。本発明の走行試験装置を用いてスェイング加振試験を行った結果と理論値を示した図で、（ａ）（ｃ）は台車を模擬した部材を加振する時のゲインとその周波数の関係を示した図、（ｂ）（ｄ）は同じく位相とその周波数の関係を示した図で、（ａ）（ｂ）は左右動加速度、（ｃ）（ｄ）はローリング加速度を示した図である。

本発明では、車体の振動加速度を簡易に再現するという目的を、事前に求めた加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から、加振指令値を求めることで実現した。

以下、本発明を実施するための形態例について、図１〜図４を用いて説明する。
図１において、１は車体を模擬した部材、２ａ，２ｂは車体の下面前後に配置される台車を模擬した部材であり、台車を模擬した部材２ａ，２ｂは、下面に例えばリニアガイドレール３が取付けられ、床面４上を移動が自在なようになされている。

５はそれぞれの台車を模擬した前記部材２ａ，２ｂの上面の幅方向両側に設置した空気ばねであり、これら空気ばね５により車体を模擬した部材１を支持している。６はそれぞれの台車を模擬した前記部材２ａ，２ｂと車体を模擬した部材１間に設けられて車体の左右方向の振動を抑制するダンパーである。

７ａ，７ｂは前記台車を模擬した部材２ａ，２ｂを加振する例えば油圧アクチュエータ、８はこれら油圧アクチュエータ７ａ，７ｂに加振指令をだす制御装置である。また、９ａ，９ｂは前記車体を模擬した部材１の、前記それぞれの台車を模擬した部材２ａ，２ｂの中心位置直上に設置された加速度センサー、１０はこれらの加速度センサー９ａ，９ｂに接続された計測器である。

本発明の鉄道車両用走行試験装置は、上記の構成部品からなるものであって、前記制御装置８は、油圧アクチュエータ７ａ，７ｂに、以下のようにして求めた加振指令値を出力する。

先ず、事前に前記台車を模擬した部材２ａ，２ｂを加振して、本発明の鉄道車両用走行試験装置における、加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数を求め、この求めた振動伝達関数の逆関数を計算する。

次に、この計算した振動伝達関数の逆関数と、事前に実測しておいた車体振動加速度から、台車を模擬した部材２ａ，２ｂを加振する加振指令値を求めるのである。

以下、本発明の鉄道車両用走行試験装置において、制御装置８から油圧アクチュエータ７ａ，７ｂに出力する加振指令値について、さらに詳細に説明する。

先ず、基本の考え方として、車体の質量をm、空気ばねの剛性をk、ダンパーの減衰をcとした場合、これらの質量m、剛性k、減衰cで運動方程式を立てると、下記数式１のようになる。

前記数式１をラプラス変換すると、下記数式２となる。

前記数式２を整理すると、加振振幅から車体の変位までの伝達関数は、下記数式３となる。

さらに、加振振幅から車体の振動加速度までの伝達関数G(s)は、下記数式４となる。

従って、加振振幅から車体の振動加速度までの伝達関数G(s) の逆関数、すなわち、車体の振動加速度から加振振幅までの伝達関数G⁻¹(s)は、下記数式５で示す値となる。

従って、実際に測定した車体振動加速度を実現するための加振指令値は、前記数式５で求められる伝達関数G⁻¹(s)（前記数式４で求められる伝達関数G(s) の逆関数）で事前に数値シミュレーションしたものであれば良いことになる。また、前記数式４で求められる伝達関数G(s)は、分母の次数が分子の次数よりも小さい、厳密にプロパーな伝達関数であるので、加振指令値は基線ずれなどを起こすことが無い。

ところで、正確には、本発明の鉄道車両走行試験装置の質量、剛性、減衰の数値は明確ではない。従って、加振指令値から車体の振動加速度までの正弦波による周波数加振、例えば周波数０．５Hzで振幅１０mm、周波数１Hzで振幅５mmのように、周波数×振幅（＝５mm／sec）を一定で加振して、前記数式４で表される伝達関数G(s)のゲイン及び位相と、前記加振によって得たゲイン及び位相を合わせ込んで、諸元を同定しておけば良い。

以下、ヨーイング振動加速度を再現する場合について具体的に説明する。
例えば、台車中心の直上位置にある車体床面のヨーイング振動加速度を再現する場合は、ヨーイングの運動方程式は、前台車に対して後台車は１８０度位相をずらせて加振指令を行なうと、下記数式６となる。なお、実際の加振を行なう加振機としてのアクチュエータの伝達特性は、車両の伝達特性に比べて高応答であるために無視することができる。

前記数式６を整理すると、ヨーイング加振指令値からヨーイング振動加速度までの伝達関数G(s)は、下記数式７となる。

この理論的な伝達関数のゲインと位相を、図２に示すように実際の加振試験結果と一致するように合わせ込めば、本発明の鉄道車両用走行試験装置の各構成要素の諸元は、例えば下記表１に示した値となる。

前記数式７で示したヨーイング加振指令値からヨーイング振動加速度までの伝達関数G(s)の逆関数G⁻¹(s)は、下記数式８となる。

なお、前記表１に記載した応答遅れは、得られる車体振動加速度が実際の車体振動加速度に対して遅れていることを示すものであり、加振装置全体の遅れであるため、応答遅れを０（msec）として再現させる加振指令値を生成すれば良いだけである。

そこで、実際に測定した車体のヨーイング振動加速度α（m／sec2）を逆関数G⁻¹(s)で数値演算すれば、図３に示すような加振指令値を得ることができる。

数式７で示す伝達関数は積分系ではないので（分母の多項式の次数≧分子の多項式の次数）、加振指令値の基線ずれはない。しかしながら、図３（ａ）に示すように、測定したヨーイング振動加速度の零点がずれているので、伝達関数の逆関数としただけでは、図３（ｂ）に示すように実際に加振できるような指令値とすることができない。

２次のハイパスフィルター処置を行えば、図３（ｃ）に示したように、ある程度零点ずれを解消することができる。しかしながら、再現できる時間軸は開始から１０秒経過後に限られてしまう。

再現したい周波数帯域（例えば０．５Hz〜６Hz）をバンドパスフィルターで処置することにより、図３（ｄ）に示したように、開始直後から実用的な加振指令値が得られ、図３（ａ）に示す振動波形を再現できることを確認した。バンドパスフィルター処理を行う周波数帯域の上下限は上述した周波数の±１０％の範囲までであれば、すなわち０．５Hz±０．０５Hz〜６Hz±０．６Hzの範囲であれば実用的な振動波形を再現することができる。

本発明は、上記の例に限るものではなく、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

上記の例では、車体に作用するヨーイング加速度を再現する場合について説明したが、本発明の走行試験装置で加振できる車体の振動モード、例えばスェイング、上下動、ピッチング、ローリングに対しても同様の方法で再現することができる。

ちなみに、先に説明した本発明の走行試験装置を用いてスェイング振動を再現する場合における理論的な伝達関数のゲインと位相を、図４に示すように実際の加振試験結果と一致するように合わせ込んだ際の諸元を示したものが下記表２である。

また、本発明は、鉄道車両の一両相当の試験装置であるが、さらに試験装置のコスト・規模を抑えるために、半車体の試験装置でも同様の方法により車体振動を再現できることは言うまでもない。

１車体を模擬した部材
２ａ，２ｂ台車を模擬した部材
５空気ばね
６ダンパー
７ａ，７ｂ油圧アクチュエータ
８制御装置
９ａ，９ｂ加速度センサー
１０計測器

Claims

車体を模擬した部材と、
車体の下面前後に配置される２つの台車を模擬した部材と、
それぞれの台車を模擬した前記部材の上面に配置され、前記車体を模擬した部材を支持する空気ばねと、
前記車体を模擬した部材とそれぞれの台車を模擬した部材を連結すべく配置されたダンパーと、
前記台車を模擬した部材を加振する装置、及びこの装置に加振指令をだす制御装置と、
前記車体を模擬した部材に設置される加速度センサー、及びこの加速度センサーの計測器と、
で構成される鉄道車両用走行試験装置であって、
前記制御装置から前記加振装置に出力する加振指令値は、
事前に前記台車を模擬した部材を加振して求めた、加振指令値から車体振動加速度までの振動伝達関数の逆関数と、事前に実測した車体振動加速度から求めたものであることを特徴とする鉄道車両用走行試験装置。
前記台車を模擬した部材を加振する加振指令値は、ヨーイング振動、スェイング振動、ローリング振動、ピッチング振動、上下振動の何れかを発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用走行試験装置。
前記台車を模擬した部材を加振する加振指令値は、再現させたい周波数帯域をバンドパスフィルターで処理したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用走行試験装置。