JP2012251781A

JP2012251781A - 車両試験方法および車両試験装置

Info

Publication number: JP2012251781A
Application number: JP2011122419A
Authority: JP
Inventors: Teruya Yamaguchi; 輝也山口; Takayuki Shimomura; 隆行下村; Kimiaki Sasaki; 君章佐々木
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】軌道上での鉄道車両の走行状態を軌条輪上でより再現性を高めて模擬する車両試験方法を提供する。
【解決手段】台車枠１０２に一対の輪軸１０３が支持されそれぞれの輪軸に一対の車輪１０１が輪軸の軸線Ｃ１回りに回転可能に支持された鉄道車両１００について、二対の車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの台車枠の走行状態を、二対の車輪が軌条輪上で走行するときの台車枠の走行状態で模擬する車両試験方法であって、二対の車輪が軌道上で走行するときと二対の車輪が軌条輪上で走行するときとで、台車枠における鉄道車両の幅方向Ｄの加速度が等しくなるとともに、台車枠のヨー角加速度が等しくなるように、軌条輪を幅方向に移動させる量である補正通り不整の時間による微分値である補正通り不整変化量を求め、補正通り不整変化量に基づいて軌条輪を幅方向に移動させながら、軌条輪上で二対の車輪を走行させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の軌道上での走行状態を軌条輪上で模擬する車両試験方法および車両試験装置に関する。

鉄道車両が走行する軌道は、軌道の長手方向に対して歪んでいて、この歪みは、上下方向の高低不整と、軌道の幅方向の通り不整とに分類される。軌道に歪みがあると走行中に鉄道車両が振動して走行に支障をきたしたり、鉄道車両の乗客の乗り心地が悪くなったりする場合がある。
このため、軌道上を走行する鉄道車両の走行状態を、実験室内に配置された軌条輪上で再現させる車両試験方法が検討されている。前述した２つの不整のうちの高低不整は軌条輪上で再現できるようになったが、通り不整の再現は難しく検討が続けられている。

例えば、特許文献１に開示された車両試験方法は、軌条輪の駆動軸を回転させる駆動装置と、軌条輪を強制的に幅方向に振動させる加振装置と、駆動装置および加振装置を制御する制御装置とを備えている。
制御装置は、駆動軸の回転速度や、加振装置から軌条輪に加えられる振動の振幅などを制御する。制御装置には、軌道および軌条輪の上部に配置された鉄道車両の仮想の走行状態をシミュレーションするシミュレーション装置が接続されている。
シミュレーション装置は、複数の波長で振動する軌条輪の上部での鉄道車両の幅方向の振動加速度と、複数の波長で通り不整が生じる軌道の上部での鉄道車両の幅方向の振動加速度とを、波長ごとにシミュレーション結果から算出する。

特開２００５−２７４２１１号公報

しかしながら、上記特許文献１の車両試験方法では、鉄道車両の幅方向の加速度の振幅のみしか再現させることができない。
このため、軌道上の鉄道車両と軌条輪上の鉄道車両とで、ヨー角の大きさなどの走行状態の差が大きく、軌条輪上で鉄道車両の走行状態を適切に評価できないという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、軌道上での鉄道車両の走行状態を軌条輪上でより再現性を高めて模擬する車両試験方法および車両試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の車両試験方法は、台車枠に一対の輪軸が支持されそれぞれの前記輪軸に一対の車輪が前記輪軸の軸線回りに回転可能に支持された鉄道車両について、二対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記台車枠の走行状態を、二対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記台車枠の走行状態で模擬する車両試験方法であって、二対の前記車輪が前記軌道上で走行するときと二対の前記車輪が前記軌条輪上で走行するときとで、前記台車枠における前記鉄道車両の幅方向の加速度が等しくなるとともに、前記台車枠のヨー角加速度が等しくなるように、前記輪軸の質量ｍ_ｗ、前記輪軸のヨー慣性半径ｉ_ｗ、それぞれの前記輪軸の前記幅方向の変位ｙ_ｗ１、ｙ_ｗ２、それぞれの前記輪軸のヨー角度ψ_ｗ１、ψ_ｗ２、それぞれの前記輪軸の位置における前記軌道の前記通り不整ｙ_Ｒ１、ｙ_Ｒ２、前記台車枠の質量ｍ_ｔ、前記台車枠のヨー慣性半径ｉ_ｔ、前記台車枠の前記幅方向の変位ｙ_ｔ、前記台車枠のヨー角度ψ_ｔ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記鉄道車両の進行方向に支持する進行側支持部材の支持剛性ｋ_Ｘ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記幅方向に支持する一対の幅側支持部材の支持剛性ｋ_Ｙ、一対の前記幅側支持部材の中心の前記幅方向の距離２ｂ、それぞれの前記輪軸の重心と前記台車枠の重心との前記進行方向の距離ａ、前記軌道と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｒ、前記軌道と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｒ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｐ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｐ、前記車輪が前記軌道上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｒ、前記車輪が前記軌条輪上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｐ、前記鉄道車両の前記進行方向の走行速度ｖ、一対の前記車輪が前記軌道および前記軌条輪に接触する前記幅方向の間隔２ｄ、および、前記車輪の平均の半径ｒ_０を用いて、前記軌条輪を前記幅方向に移動させる量である補正通り不整の時間による微分値である補正通り不整変化量を求め、前記補正通り不整変化量に基づいて前記軌条輪を前記幅方向に移動させながら、前記軌条輪上で二対の前記車輪を走行させることを特徴としている。

また、本発明の車両試験装置は、台車枠に一対の輪軸が支持されそれぞれの前記輪軸に一対の車輪が前記輪軸の軸線回りに回転可能に支持された鉄道車両について、二対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記台車枠の走行状態を、二対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記台車枠の走行状態で模擬する車両試験装置であって、二対の前記車輪を支持する軌条輪と、前記軌条輪を前記軌条輪の軸線回りに回転させる回転部と、前記軌条輪を前記鉄道車両の幅方向に移動させる移動部と、二対の前記車輪が前記軌道上で走行するときと二対の前記車輪が前記軌条輪上で走行するときとで、前記台車枠における前記鉄道車両の幅方向の加速度が等しくなるとともに、前記台車枠のヨー角加速度が等しくなるように、前記輪軸の質量ｍ_ｗ、前記輪軸のヨー慣性半径ｉ_ｗ、それぞれの前記輪軸の前記幅方向の変位ｙ_ｗ１、ｙ_ｗ２、それぞれの前記輪軸のヨー角度ψ_ｗ１、ψ_ｗ２、それぞれの前記輪軸の位置における前記軌道の前記通り不整ｙ_Ｒ１、ｙ_Ｒ２、前記台車枠の質量ｍ_ｔ、前記台車枠のヨー慣性半径ｉ_ｔ、前記台車枠の前記幅方向の変位ｙ_ｔ、前記台車枠のヨー角度ψ_ｔ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記鉄道車両の進行方向に支持する進行側支持部材の支持剛性ｋ_Ｘ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記幅方向に支持する一対の幅側支持部材の支持剛性ｋ_Ｙ、一対の前記幅側支持部材の中心の前記幅方向の距離２ｂ、それぞれの前記輪軸の重心と前記台車枠の重心との前記進行方向の距離ａ、前記軌道と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｒ、前記軌道と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｒ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｐ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｐ、前記車輪が前記軌道上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｒ、前記車輪が前記軌条輪上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｐ、前記鉄道車両の前記進行方向の走行速度ｖ、一対の前記車輪が前記軌道および前記軌条輪に接触する前記幅方向の間隔２ｄ、および、前記車輪の平均の半径ｒ_０を用いて、前記軌条輪を前記幅方向に移動させる量である補正通り不整の時間による微分値である補正通り不整変化量を求める模擬部と、前記補正通り不整変化量に基づいて前記移動部を制御する動作制御部と、を備えることを特徴としている。

また、上記の車両試験方法において、前記補正通り不整変化量ｕ_ｐを、（１）式から（９）式を用いて求められる（１０）式の解として求めることがより好ましい。

ただし、前記変位ｙおよび前記ヨー角度ψにおける添え字ｒは、前記軌道上を走行するときの値であり、前記変位ｙおよび前記ヨー角度ψにおける添え字ｐは、前記軌条輪上を走行するときの値である。

また、上記の車両試験方法において、前記軌道における前記軌道の長手方向の各位置における前記通り不整に対して、前記補正通り不整変化量をそれぞれ求めることがより好ましい。
また、上記の車両試験方法において、前記鉄道車両は、一対の前記台車枠上に車体を有し、四対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記車体の走行状態を、四対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記車体の走行状態で模擬することがより好ましい。

本発明の車両試験方法によれば、軌道上での鉄道車両の走行状態を軌条輪上でより再現性を高めて模擬することができる。

本発明の一実施形態の車両試験装置の正面図である。図１中の切断線Ａ−Ａの断面を模式的に示す図である。同車両試験装置のシミュレーション部のブロック図である。軌道を説明するための平面図である。同車両試験装置を用いて軌道上での車体の走行状態を軌条輪上で再現した結果を説明する図である。比較例として示す従来の車両試験装置を用いて軌道上での車体の走行状態を軌条輪上で再現した結果を説明する図である。

以下、本発明に係る車両試験装置の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。本車両試験装置は、鉄道車両が軌道上で走行する走行状態を模擬するものである。
図１に示すように、本実施形態の車両試験装置１は、鉄道車両１００の一対の車輪１０１を支持する軌条輪１１と、軌条輪１１を軌条輪１１の軸線Ｃ１回りに回転させる回転部１２と、軌条輪１１を鉄道車両１００の幅方向Ｄに移動させる移動部１３と、回転部１２および移動部１３に接続された制御部２０とを備えている。

本車両試験装置１で試験される鉄道車両１００は、図１および図２に示すように、台車枠１０２に一対の輪軸１０３が支持されるとともに、それぞれの輪軸１０３に一対の車輪１０１が輪軸１０３の軸線Ｃ２回りに回転可能に支持されている。車両一両には、前述の台車枠１０２が一対設けられている。台車枠１０２に支持されている一対の輪軸１０３を区別して表すときは、一方を添え字「１」を用いて「輪軸１０３_１」と表し、他方を添え字「２」を用いて「輪軸１０３_２」と表す。
鉄道車両１００は、台車枠１０２上に車体１０４が設けられている。台車枠１０２と車体１０４との間には、空気バネなどが配置されている場合がある。
ここで、水平面上において、図２に示すように、輪軸１０３の変位を表すｘ軸、ｙ軸、および、輪軸１０３のヨー角度ψを定義する。ｘ軸は鉄道車両１００の進行方向となり、ｙ軸は幅方向Ｄに平行となる。
輪軸１０３_１のｙ軸方向の変位をｙ_ｗ１、輪軸１０３_２のｙ軸方向の変位をｙ_ｗ２とする。輪軸１０３_１のヨー角度をヨー角度ψ_ｗ１、輪軸１０３_２のヨー角度をヨー角度ψ_ｗ２とする。
また、輪軸１０３_１、輪軸１０３_２の変位、ヨー角度、および後述する通り不整ｙ_Ｒにおいて、添え字「１」および「２」を示さない変数は、輪軸１０３_１および輪軸１０３_２の状態を区別なく表現できることを意味する。

台車枠１０２とそれぞれの輪軸１０３とは、ｘ軸方向にバネ部材（進行側支持部材）１０６により支持され、ｙ軸方向にバネ部材（幅側支持部材）１０７により支持されている。
バネ部材１０６による、台車枠１０２が輪軸１０３を支持するｘ軸方向の支持剛性をｋ_Ｘ、バネ部材１０７による、台車枠１０２が輪軸１０３を支持するｙ軸方向の支持剛性をｋ_Ｙとする。一対のバネ部材１０７の中心のｙ軸方向の距離を２ｂ、それぞれの輪軸１０３の重心と台車枠１０２の重心とのｘ軸方向の距離をａとする。
一対の車輪１０１が軌条輪１１に接触するｙ軸方向の間隔を２ｄとする。この間隔は、一対の車輪１０１が軌道Ｒに接触する場合も同様とする。車輪１０１の平均の半径をｒ_０とする。

軌条輪１１と車輪１０１との間のｘ軸方向のクリープ係数をＫ_１１ｐ、軌条輪１１と車輪１０１との間のｙ軸方向のクリープ係数をＫ_２２ｐとする。軌道ＲのレールＲ１（図４参照。）と車輪１０１との間のｘ軸方向のクリープ係数をＫ_１１ｒ、レールＲ１と車輪１０１との間のｙ軸方向のクリープ係数をＫ_２２ｒとする。
さらに、車輪１０１が軌条輪１１上を走行するときの等価踏面勾配をγ_ｅｐとし、車輪１０１がレールＲ１上を走行するときの等価踏面勾配をγ_ｅｒとする。
以下の例では、説明を簡単にするために、鉄道車両１００の中でも１つの輪軸１０３および一対の車輪１０１の走行状態について説明する。
本発明における台車枠１０２の走行状態とは、台車枠１０２の位置、速度、加速度、および、台車枠１０２のヨー、ロール、ピッチの角度、角速度、角加速度を意味する。

図１に示すように、車両試験装置１において、一対の軌条輪１１は駆動軸１６によって連結されている。駆動軸１６は支持台１７によって支持され、回転部１２により軸線Ｃ１回りに回転可能になっている。
駆動軸１６には、フライホイール１８が連結されている。
移動部１３は、駆動軸１６を移動させることで、一対の軌条輪１１を一体にしてｙ軸方向に移動させる。

制御部２０は、回転部１２および移動部１３を制御する動作制御部２１と、シミュレーション部（模擬部）２２と、動作制御部２１およびシミュレーション部２２に与える命令などを入力する入力部２６とを有している。
制御部２０としては、パーソナルコンピュータなどを用いることができる。
動作制御部２１は、駆動軸１６に設けられた不図示のロータリエンコーダからの信号を受信して軌条輪１１の回転速度を制御するとともに、不図示の位置センサからの信号を受信して、軌条輪１１のｙ軸方向の位置を制御している。

シミュレーション部２２は、図３に示すように、参照モデル計算部２３と、通り不整計算部２４と、制御対象モデル計算部２５とを有している。
図４に示すように、一般的に軌道ＲのレールＲ１には、レールＲ１の長手方向に対して通り不整ｙ_Ｒが生じている。通り不整ｙ_Ｒは、軌道検測車などで測定され、得られた通り不整ｙ_Ｒから（１１）式により、通り不整の変化量ｕ_ｒが求められる。
なお、輪軸１０３_１の位置における軌道Ｒの通り不整をｙ_Ｒ１、輪軸１０３_２の位置における軌道Ｒの通り不整をｙ_Ｒ２とする。通り不整をｙ_Ｒ２は、通り不整をｙ_Ｒ１に対して、輪軸１０３_１と輪軸１０３_２とのｘ軸方向の距離だけずれたものである。
また、以下の式中の英字の上部に点が１つあるものは、その英字に対応する変数を時間で微分したものを意味する。また、英字の上部に点が２つあるものは、その英字に対応する変数を時間で２度微分したものを意味する。また、記号の右上部に「Ｔ」と記述しているものは、行列に対する転置操作（転置行列）を意味する。

ここで、台車枠１０２の運動方程式について説明する。
一対の車輪１０１が軌道Ｒ上で走行することで輪軸１０３がｘ軸に沿って走行速度ｖで直進し、台車枠１０２の影響を受けないとする。この場合、軌道Ｒ上の輪軸１０３の運動方程式は、ｙ軸およびヨー角度ψに対して、公知の運動方程式により、（１２）式および（１３）式のように表すことができる。
ここで、輪軸１０３の質量をｍ_ｗ、輪軸１０３のヨー慣性半径をｉ_ｗとする。
なお、変位ｙ_ｗおよびヨー角度ψ_ｗにおける添え字ｒは、添え字が付された変数が車輪１０１が軌道Ｒ上を走行するときの値であることを意味し、変位ｙ_ｗおよびヨー角度ψ_ｗにおける添え字ｐは、添え字が付された変数が車輪１０１が軌条輪１１上を走行するときの値であることを意味する。

同様に、一対の車輪１０１が軌条輪１１上で走行する場合には、輪軸１０３の運動方程式は、変位ｙ_ｗおよびヨー角度ψ_ｗに対して、（１４）式および（１５）式のようになる。

（１２）式および（１３）式を変形し、行列形式に書き表すと、（１６）式のようになる。なお、（１６）式は、軌道Ｒに通り不整ｙ_Ｒが無いときの式である。

（１６）式に通り不整ｙ_Ｒというｙ軸方向の変位を与えると、（１７）式のようになる。

同様に、一対の車輪１０１が軌条輪１１上で走行する場合には、輪軸１０３の運動方程式は、（１４）式および（１５）式を変形して（１８）式のようになる。

（１９）式から（２１）式に示すように定義するとともに（１１）式の定義を用い、さらに台車枠１０２の運動の影響を考慮すると、（１７）式は（２２）式のように表される。
ここで、台車枠１０２の質量をｍ_ｔ、台車枠１０２のヨー慣性半径をｉ_ｔ、台車枠１０２のｙ軸方向の変位をｙ_ｔ、そして、台車枠１０２のヨー角度をψ_ｔとする。

同様に、（２３）式から（２５）式に示すように定義すると、（１８）式は（２６）式のように表される。

ただし、（２６）式において、ｕ_ｐは、補正通り不整の時間による微分値（補正通り不整を時間で微分した値）である補正通り不整変化量であり、成分を２つ有するベクトルである。補正通り不整の成分は、通り不整ｙ_Ｒとは異なり、軌条輪１１をｙ軸方向に移動させる量である通り不整を、通り不整ｙ_Ｒから後述するように修正した変数である。
ここで、軌道Ｒ上の台車枠１０２の状態方程式として、（２７）式および（２８）式を作成する。

Ｙ_ｒは、車輪１０１が軌道Ｒ上で走行する場合と軌条輪１１上で走行する場合とで一致させたい状態量であり、台車枠１０２のｙ軸方向の加速度と、台車枠１０２のヨー角加速度である。なお、Ｙ_ｒを評価出力と呼ぶ。
具体的には、（２８）式は（２９）式のように表すことができる。

同様に、軌条輪１１上の台車枠１０２の状態方程式として、（３０）式および（３１）式を作成する。
なお、具体的には、（３１）式は（３２）式のように表すことができる。

（２８）式の両辺を微分して（２７）式を代入することで、（３３）式が導かれる。

一方で、通り不整ｙ_Ｒの入力がない（ｕ_ｐの２つの成分がともに０になる。）場合には、（３１）式の両辺を微分して（３０）式を代入することで、（３４）式が導かれる。

（３３）式の右辺と（３４）式の右辺との差と、通り不整ｙ_Ｒの入力が加えられる（ｕ_ｐが加えられる）ことによって（３４）式の左辺に与えられるｕ_ｐの影響が等しくなれば、このときのｕ_ｐを通り不整ｙ_Ｒの入力として実際に加えることで、（３３）式の右辺と（３４）式の右辺との差を無くし、評価出力Ｙ_ｒとＹ_ｐとを等しくすることができる。
この場合、下記の（３５）式および（３６）式を導くことができる。

すなわち、（３６）式より得られる補正通り不整変化量ｕ_ｐだけ軌条輪１１をｙ軸方向に移動し続ければ、それぞれのモデルの初期値が等しい場合において、評価出力Ｙ_ｒとＹ_ｐとを等しくすることができる。
この例では、車輪１０１が軌道Ｒ上で走行する場合と軌条輪１１上で走行する場合とで、台車枠１０２のｙ軸方向の加速度、および、台車枠１０２のヨー角加速度を一致させている。この２つの値が一致していれば、車輪１０１が軌道Ｒ上で走行する場合と軌条輪１１上で走行する場合とで、この２つの値以外の台車枠１０２のｙ軸方向の変位ｙ_ｔや、台車枠１０２のヨー角度ψ_ｔなど、台車枠１０２の全ての位置および向きを一致させることができる。

ここで、再び、図３に基づいてシミュレーション部２２について説明する。
参照モデル計算部２３は、通り不整の変化量ｕ_ｒから前述の（２２）式を用いてｘ_ｒを求める。
通り不整計算部２４は、参照モデル計算部２３で得られたｘ_ｒ、および通り不整の変化量ｕ_ｒから、（３６）式を用いて補正通り不整変化量ｕ_ｐを求める。
制御対象モデル計算部２５は、通り不整計算部２４で得られた補正通り不整変化量ｕ_ｐから（２６）式を用いてｘ_ｐを求める。
このとき求めたｘ_ｒおよびｘ_ｐは、シミュレーション部２２が有する不図示のメモリなどに記憶される。

次に、以上のように構成された車両試験装置１による本実施形態の車両試験方法について説明する。
まず、モデル構築工程において、一対の車輪１０１が軌道Ｒ上および軌条輪１１上で走行するそれぞれの場合について、台車枠１０２の力学モデル（運動方程式）を求める。具体的には、前述の（２０）式および（２４）式に示す行列式Ａ_ｒ、Ａ_ｐの各成分の値を求める。
輪軸１０３の質量ｍ_ｗ、バネ部材１０６のｘ軸方向の支持剛性ｋ_Ｘ、および、軌条輪１１と車輪１０１との間のｘ軸方向のクリープ係数をＫ_１１ｐなどは、輪軸１０３、バネ部材１０６、および車輪１０１などの設計値のパラメータから求めることができる。
次に、通り不整測定工程において、軌道検測車などにより軌道ＲのレールＲ１の通り不整ｙ_Ｒを測定し、得られた通り不整ｙ_Ｒから（１１）式により、通り不整の変化量ｕ_ｒを求める。この通り不整の変化量ｕ_ｒを入力部２６から入力し、シミュレーション部２２のメモリに記憶させておく。

続いて、軌道上状態算出工程において、参照モデル計算部２３は、レールＲ１の長手方向の初期位置に対して、（２２）式を用いて軌道Ｒ上の台車枠１０２の運動方程式を計算しｘ_ｒを求める。なお、この例では、（２２）式のｘ_ｒおよび（２６）式のｘ_ｐは、数値積分することでそれぞれ求められる。
次に、通り不整算出工程において、レールＲ１の初期位置に対して、通り不整計算部２４は、参照モデル計算部２３で得られたｘ_ｒ、および通り不整の変化量ｕ_ｒから、（３６）式を用いて補正通り不整変化量ｕ_ｐを求める。さらに、制御対象モデル計算部２５は、通り不整計算部２４で得られた補正通り不整変化量ｕ_ｐから（２６）式を用いて軌条輪１１上の台車枠１０２の運動方程式を計算しｘ_ｐを求める。
このとき求めたｘ_ｒおよびｘ_ｐを、メモリに記憶しておく。
レールＲ１の長手方向の位置を、初期位置から刻み長さだけ移動した位置における通り不整の変化量ｕ_ｒに対して、メモリに記憶したｘ_ｒおよびｘ_ｐの値を用いて、前述の軌道上状態算出工程および通り不整算出工程を行う。
このように、レールＲ１の長手方向の位置を刻み長さだけ移動させながら、軌道ＲにおけるレールＲ１の長手方向の通り不整の変化量ｕ_ｒに対して、補正通り不整変化量ｕ_ｐおよびｘ_ｐをそれぞれ求めることを繰り返し、軌道Ｒの必要な長さに対する補正通り不整変化量ｕ_ｐおよびｘ_ｐを求める。

続いて、算出結果確認工程において、車両試験装置１の軌条輪１１上に鉄道車両１００を配置する。
動作制御部２１は、回転部１２を制御して軌条輪１１を軸線Ｃ１回りに一定の回転速度で回転させ、軌条輪１１上で一対の車輪１０１を走行させておく。そして、シミュレーション部２２のメモリに記憶されたレールＲ１の長手方向の各位置における補正通り不整変化量ｕ_ｐに基づいて軌条輪１１をｙ軸方向に移動させることで、鉄道車両１００の走行試験を行う。

以上説明したように、本実施形態の車両試験装置１および車両試験方法によれば、軌道Ｒ上を走行する台車枠１０２と軌条輪１１上を走行する台車枠１０２との、台車枠１０２のｙ軸方向の加速度、および、台車枠１０２のヨー角加速度を一致させている。このため、軌道Ｒ上で走行するときと軌条輪１１上で走行するときとで、台車枠１０２のｙ軸方向の変位ｙ、速度、加速度、台車枠１０２のヨー角度ψ、ヨー角度ψの角速度、および角加速度、さらには、台車枠１０２のロール角加速度を一致させることができる。
これにより、軌道Ｒ上での鉄道車両１００の走行状態を軌条輪１１上で、より再現性を高めて模擬することができる。

また、軌道Ｒ上で走行するときと軌条輪１１上で走行するときとで、台車枠１０２の振動の振幅だけでなく位相もほぼ一致させることができる。
これに対して、前述の特許文献１に記載された車両試験方法では、軌条輪に与える入力に対して周波数に重みをかけているだけなので、振動の振幅は一致しても位相が一致する保証がない。

レールＲ１の長手方向の刻み長さごとの各位置における通り不整ｙ_Ｒに対して補正通り不整変化量ｕ_ｐをそれぞれ求めるため、鉄道車両１００の軌条輪１１上での走行状態の再現性をさらに高めることができる。

なお、本実施形態では、鉄道車両１００の一部である１つの台車枠１０２の運動方程式について説明した。
一般的に、鉄道車両１００の車両一両は、車体の下部に一対の台車枠１０２を有し、一対の台車枠１０２には四対の車輪１０１を備えている。車両一両分のモデルを構築する場合には、台車枠１０２と車体１０４との相互作用を考慮したり、車体１０４の状態量も運動方程式に入れたりする必要があるため、運動方程式のサイズが非常に大きくなる。しかし、行列やベクトルのサイズが大きくなるだけで、軌道Ｒ上を走行する車両一両のモデル、および、軌条輪１１上を走行する車両一両のモデルが、（２７）式および（３０）式と同様に表せることには変わりない。
車両一両のモデルにおける（２７）式のｘ_ｒは、車両一両の運動状態を表現するための全ての情報をベクトルの形で格納している。この場合のｘ_ｒは、モデルの複雑さによってサイズが異なるが、成分の数は少なくとも１００以上になる。
この場合のｘ_ｒの成分には、本実施形態のｘ_ｒの要素以外に、車体１０４の上下方向やｙ軸方向の変位などがある。
また、車両一両に対する通り不整の変化量ｕ_ｒは、車両一両が４つの輪軸を備えている場合には、４次元のベクトルになる。
このように、運動方程式のサイズが大きくなるが、上記実施形態と同様に運動方程式をたてることで、四対の車輪１０１に対して、軌道Ｒ上で走行するときの車体１０４の走行状態を軌条輪１１上で走行するときの車体１０４の走行状態で模擬することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。
たとえば、前記実施形態では、動作制御部２１およびシミュレーション部２２をパーソナルコンピュータとして一体に構成したが、動作制御部とシミュレーション部とを互いに独立した構成にしてもよい。
また、前記実施形態の車両試験方法では、モデル構築工程より前に通り不整測定工程を行ってもよいし、これら２つの工程を同時に行ってもよい。

前記実施形態では、台車枠１０２と不図示の軸箱とを前述のバネ部材１０６、１０７により支持し、それぞれの輪軸１０３が軸箱により、輪軸１０３の軸線Ｃ２回りに回転可能に支持されるように構成してもよい。

（実施例）
本車両試験装置１を用いて補正通り不整変化量ｕ_ｐを求め、軌道Ｒ上での車体１０４の走行状態を軌条輪１１上で再現した結果について図５に示す。横軸は時刻を、縦軸は車体１０４のｙ軸方向の加速度をそれぞれ示している。なお、走行速度ｖは、１５０ｋｍ／ｈとした。
図中５の実線は軌条輪１１上での車体１０４のｙ軸方向の加速度を示し、点線は軌道Ｒ上での車体１０４のｙ軸方向の加速度を示す。
軌道Ｒ上で走行するときと軌条輪１１上で走行するときとで、車体１０４のｙ軸方向の加速度の振幅だけでなく位相もほぼ一致していることがわかる。

図６には、比較例として、従来の車両試験装置を用いて軌道Ｒ上での車体１０４のｙ軸方向の走行状態を再現した結果について示す。図６の縦軸と横軸、および台車枠１０２の走行速度ｖは図５の場合と同様である。
軌道Ｒ上での車体１０４のｙ軸方向の加速度に対して、軌条輪１１上で車体１０４のｙ軸方向の加速度の振幅や位相のずれが大きいことが分かる。

１車両試験装置
１１軌条輪
１２回転部
１３移動部
２１動作制御部
２２シミュレーション部（模擬部）
１００鉄道車両
１０１車輪
１０２台車枠
１０３輪軸
１０６バネ部材（進行側支持部材）
１０７バネ部材（幅側支持部材）
Ｃ１、Ｃ２軸線
Ｒ軌道
ｘ軸（進行方向）
ｙ軸（幅方向）
ｙ_Ｒ通り不整

Claims

台車枠に一対の輪軸が支持されそれぞれの前記輪軸に一対の車輪が前記輪軸の軸線回りに回転可能に支持された鉄道車両について、二対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記台車枠の走行状態を、二対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記台車枠の走行状態で模擬する車両試験方法であって、
二対の前記車輪が前記軌道上で走行するときと二対の前記車輪が前記軌条輪上で走行するときとで、前記台車枠における前記鉄道車両の幅方向の加速度が等しくなるとともに、前記台車枠のヨー角加速度が等しくなるように、
前記輪軸の質量ｍ_ｗ、前記輪軸のヨー慣性半径ｉ_ｗ、それぞれの前記輪軸の前記幅方向の変位ｙ_ｗ１、ｙ_ｗ２、それぞれの前記輪軸のヨー角度ψ_ｗ１、ψ_ｗ２、それぞれの前記輪軸の位置における前記軌道の前記通り不整ｙ_Ｒ１、ｙ_Ｒ２、前記台車枠の質量ｍ_ｔ、前記台車枠のヨー慣性半径ｉ_ｔ、前記台車枠の前記幅方向の変位ｙ_ｔ、前記台車枠のヨー角度ψ_ｔ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記鉄道車両の進行方向に支持する進行側支持部材の支持剛性ｋ_Ｘ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記幅方向に支持する一対の幅側支持部材の支持剛性ｋ_Ｙ、一対の前記幅側支持部材の中心の前記幅方向の距離２ｂ、それぞれの前記輪軸の重心と前記台車枠の重心との前記進行方向の距離ａ、前記軌道と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｒ、前記軌道と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｒ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｐ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｐ、前記車輪が前記軌道上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｒ、前記車輪が前記軌条輪上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｐ、前記鉄道車両の前記進行方向の走行速度ｖ、一対の前記車輪が前記軌道および前記軌条輪に接触する前記幅方向の間隔２ｄ、および、前記車輪の平均の半径ｒ_０を用いて、前記軌条輪を前記幅方向に移動させる量である補正通り不整の時間による微分値である補正通り不整変化量を求め、
前記補正通り不整変化量に基づいて前記軌条輪を前記幅方向に移動させながら、前記軌条輪上で二対の前記車輪を走行させることを特徴とする車両試験方法。
前記補正通り不整変化量ｕ_ｐを、（１）式から（９）式を用いて求められる（１０）式の解として求めることを特徴とする請求項１に記載の車両試験方法。

ただし、前記変位ｙおよび前記ヨー角度ψにおける添え字ｒは、前記軌道上を走行するときの値であり、前記変位ｙおよび前記ヨー角度ψにおける添え字ｐは、前記軌条輪上を走行するときの値である。
前記軌道における前記軌道の長手方向の各位置における前記通り不整に対して、前記補正通り不整変化量をそれぞれ求めることを特徴とする請求項２に記載の車両試験方法。
前記鉄道車両は、一対の前記台車枠上に車体を有し、
四対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記車体の走行状態を、四対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記車体の走行状態で模擬することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両試験方法。
台車枠に一対の輪軸が支持されそれぞれの前記輪軸に一対の車輪が前記輪軸の軸線回りに回転可能に支持された鉄道車両について、二対の前記車輪が通り不整を有する軌道上で走行するときの前記台車枠の走行状態を、二対の前記車輪が軌条輪上で走行するときの前記台車枠の走行状態で模擬する車両試験装置であって、
二対の前記車輪を支持する軌条輪と、
前記軌条輪を前記軌条輪の軸線回りに回転させる回転部と、
前記軌条輪を前記鉄道車両の幅方向に移動させる移動部と、
二対の前記車輪が前記軌道上で走行するときと二対の前記車輪が前記軌条輪上で走行するときとで、前記台車枠における前記鉄道車両の幅方向の加速度が等しくなるとともに、前記台車枠のヨー角加速度が等しくなるように、
前記輪軸の質量ｍ_ｗ、前記輪軸のヨー慣性半径ｉ_ｗ、それぞれの前記輪軸の前記幅方向の変位ｙ_ｗ１、ｙ_ｗ２、それぞれの前記輪軸のヨー角度ψ_ｗ１、ψ_ｗ２、それぞれの前記輪軸の位置における前記軌道の前記通り不整ｙ_Ｒ１、ｙ_Ｒ２、前記台車枠の質量ｍ_ｔ、前記台車枠のヨー慣性半径ｉ_ｔ、前記台車枠の前記幅方向の変位ｙ_ｔ、前記台車枠のヨー角度ψ_ｔ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記鉄道車両の進行方向に支持する進行側支持部材の支持剛性ｋ_Ｘ、それぞれの前記輪軸と前記台車枠とを前記幅方向に支持する一対の幅側支持部材の支持剛性ｋ_Ｙ、一対の前記幅側支持部材の中心の前記幅方向の距離２ｂ、それぞれの前記輪軸の重心と前記台車枠の重心との前記進行方向の距離ａ、前記軌道と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｒ、前記軌道と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｒ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記幅方向のクリープ係数Ｋ_２２ｐ、前記軌条輪と前記車輪との間の前記進行方向のクリープ係数Ｋ_１１ｐ、前記車輪が前記軌道上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｒ、前記車輪が前記軌条輪上を走行するときの等価踏面勾配γ_ｅｐ、前記鉄道車両の前記進行方向の走行速度ｖ、一対の前記車輪が前記軌道および前記軌条輪に接触する前記幅方向の間隔２ｄ、および、前記車輪の平均の半径ｒ_０を用いて、前記軌条輪を前記幅方向に移動させる量である補正通り不整の時間による微分値である補正通り不整変化量を求める模擬部と、
前記補正通り不整変化量に基づいて前記移動部を制御する動作制御部と、
を備えることを特徴とする車両試験装置。