JP2013115987A - 鉄道列車の運転曲線の作成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 鉄道列車の運転曲線の作成方法において、鉄道列車の力行が開始されると、ノッチ毎の引張力曲線データの提供(ステップS11)と、粘着引張力データの提供(ステップS12)とに基づいて引張力曲線と粘性引張力との比較を行う(ステップS13)。次いで、その比較により、その速度における鉄道車両の有効なノッチのうち最大のものを選択する(ステップS14)。次に、一定時間、該当するノッチを保持する(ステップS15)。上記したステップを繰り返し、次いで、力行が終了する(ステップS16)と、エンドとする。
【選択図】 図9
Description
(1)運転途中のいかなる線路条件の箇所で停車しても、退行することなく、発車、加速できるけん引重量または編成であること。
(3)駅間の基準(計画)運転時分で必ず運転できること。
現在、運転理論に基づいて運転曲線を作成する場合、その列車が有する最大の力を用いるという観点から力行時には常に最大ノッチの使用を前提とする。しかし、動力集中方式の列車の場合、実際の運転場面においては、起動時から最大ノッチを使用することは難しい。そのため、運転曲線に示される加速度(性能)が実現できないため、運転曲線により得られる運転時分では走行できないという問題が生じている。そこで、基準運転時分の算出においては、最大ノッチを前提に作成した運転曲線より得られた時分に、担当者の経験などから多めに余裕時分を加算するなどして調整を行っている。つまり、客観的な運転曲線の作成方法が検討されていないのが現状である。
図10は従来の運転曲線の一例を示す図である。
運転曲線は横軸を距離として、列車の速度変化を示す速度曲線aと時間変化を示す時間曲線bから構成される。
運転曲線の作成においては、列車を1つの質点とし、以下の運動方程式を基本として用いる。
α:加速度〔m/s2 〕、T:引張力〔N〕、R:列車抵抗〔N〕
B:ブレーキ力〔N〕、W:列車重量〔kg〕
モータやエンジン等による引張力Tから、走行する際に生じる抵抗(列車抵抗)Rおよびブレーキ力Bを減じ、これを列車重量Wで除することにより、加減速度が得られる。この加減速度をもとにして、運転曲線の一部である速度曲線aが作成できる。さらに、以下の積分を用いることによって、得られた速度曲線から駅間走行時分を表す時間曲線bを求めることができる。
運転曲線の作成において、上記した通り使用するノッチが複数ある場合は最大ノッチの引張力を用いて作成するのが基本である。ただし、低いノッチを使用した方が速度制限条件等に対して有利な場合は除く。したがって、たとえ機関車けん引による列車の場合でも、最大ノッチにて運転曲線を作成することになる。
〔1〕鉄道列車の運転曲線の作成方法において、鉄道列車の客観的な指標である粘着引張力に基づいて運転曲線を作成することを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の鉄道列車の運転曲線の作成方法において、前記鉄道列車は動力集中方式の鉄道列車であることを特徴とする。
〔4〕上記〔3〕記載の鉄道列車の運転曲線の作成方法において、各ノッチの引張力と粘性引張力との比較を行い、鉄道車両の有効なノッチを選択し、一定時間、当該ノッチを保持し、速度上昇に伴い、粘性引張力以下となって選択可能なノッチが新たに現れると、その新たなノッチを選択することを特徴とする。
(1)動力集中方式の列車に対して、より現実に近い運転曲線の作成が可能になり、担当者の経験などではなく、力学的な数値に基づいた基準運転時分の策定が可能となる。
(2)海外においても適用が多い動力集中方式の列車における走行シミュレーションの精度も向上にも寄与することができる。
機関車けん引の列車は、列車の動力方式において「動力集中方式」に分類される。まず、この「動力集中方式」の特徴と、列車起動時に影響する「引張力」について検討する。
図1は列車の動力方式を示す模式図であり、図1(a)は動力分散方式、図1(b)は動力集中方式である。ここで、Mは動力車、Tは付随車を示している。
・起動引張力 起動時の起動電流により制限される引張力であり、抵抗制御車においては、限流値により影響を受ける。
・特性引張力 主電動機やディーゼル機関における高速度域の特性による引張力
・粘着引張力 粘着現象に起因する引張力であり、列車が空転せず加速が可能な最大上限の引張力
図2は有効な引張力を示す図である。
図3は引張力曲線を示す図である。
列車における有効な引張力を横軸を速度〔km/h〕として表したものが、この図に示す引張力曲線である。
動力車の引張力は、力行時に選択するノッチによって異なる。運転士はこのノッチ選択によって、列車の力行時の挙動を制御することができる。
粘着引張力とは、列車が空転せずに加速が可能な最大上限の引張力のことであるので、つまり、列車はこの粘着引張力を超える引張力を出力することは不可能である。その粘着引張力は、以下の式 (3) で表すことができる。
Ta =9.8×103 ×μ×Wd …(3)
粘着引張力の単位は〔N〕であり、μは粘着係数となる。また、Wd は動輪上重量(粘着重量) であり、この単位は〔ton〕である。
図4は粘着係数の変化を示す図である。この図では、aは直流及び交直流電気機関車の場合、bは交流電気機関車の場合、cはディーゼル機関車・気動車の場合、dは電車の場合、eは新幹線電車の場合のそれぞれの粘着係数の変化を示している。
運転計画における粘着係数は、現車試験から得られたデータに基づいて処理し、以下の式 (4) に示す粘着係数式としている。尚、JRにおいては、一般的に表1に示す係数値が用いられる。
引張力は、粘着引張力より低くなくてはならない。そこで、機関車における引張力と粘着引張力との関係を調査する。
図5は引張力曲線と粘着引張力(DF200形)の比較結果を示す図である。
ここでは、DF200形機関車を例として、その引張力曲線11〜18と粘着引張力19を比較する。粘着係数を算出する際に用いるパラメータは、運転理論におけるディーゼル機関車のものを基本とした以下の式 (6) を用いる。また、DF200形機関車における粘着重量は96〔ton〕である。これより、以下の式 (7) から粘着引張力を得る。
<粘着係数の算出>
μ=0.285×(1+0.114×v)/(1+0.150×v)…(6)
<粘着引張力の算出>
Ta =9.8×103 ×μ×96 …(7)
この図により、粘着引張力を超えているので、起動時に8ノッチ(従来の運転曲線の作成時に想定していたDF200形における最大ノッチ)を使用できないことが明白に示される。また、速度が上がるにつれて発揮しうる引張力の値が粘着引張力以下となり、使用可能となるノッチが徐々に増えていく状態が確認できる。
このことより、粘着引張力以下の値を持つノッチを選択するという条件が見えてくる。したがって、運転曲線の作成においても、粘着引張力に基づいた以下のノッチ選択ロジックを適用する。
<粘着引張力を考慮したノッチ選択>
ステップS1:引張力が粘着引張力以下のうち、最も大きいノッチを選択する。
ステップS2:ステップS1で選択したノッチを一定時間保持する。
ステップS3:(速度上昇に伴い)粘着引張力以下となって選択可能なノッチが新たに現れる。
上記ステップS1〜S3の通り粘着引張力を考慮して運転曲線を作成する。例えば、前述のDF200形のデータを用い、粘着引張力を考慮した引張力曲線を作成すると図6のようになる。
この図6に示す引張力曲線を用いて運転曲線を作成したものが図7および図8である。
図7は本発明に係る粘着引張力を考慮した運転曲線と従来の運転曲線との比較(勾配なし)を示す図、図8は本発明に係る粘着引張力を考慮した運転曲線と従来の運転曲線との比較(勾配あり)を示す図である。
このように、本発明によれば、鉄道車両の粘着引張力に基づいて、より実際の運転に即した運転曲線を作成することができる。
鉄道列車の力行が開始されると、図3に示したノッチ毎の引張力曲線データの提供(ステップS11)と、図5に示した粘着引張力データの提供(ステップS12)とに基づいて引張力曲線と粘着引張力との比較を行う(ステップS13)。次いで、その比較により、その速度における鉄道車両の有効なノッチのうち最大のものを選択する(ステップS14)。次に、一定時間、該当するノッチを保持する(ステップS15)。上記したステップを繰り返し、次いで、力行が終了するかをチェックし(ステップS16)、終了しなければステップS13に戻り、ステップS13からステップS16を繰り返す。力行が終了するとエンドとする。
すなわち、引張力曲線と粘性引張力との比較を行い、引張力が粘性引張力以下のノッチを選択し、その選択したノッチを一定時間保持し、速度上昇に伴い、粘性引張力以下となって選択可能なノッチが新たに現れると、その新たなノッチを選択する。このステップを繰り返す。なお、ノッチを一定時間保持するのは、実際の鉄道車両の運転において、瞬時にノッチ操作できない点を考慮している。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
2 起動引張力
3 特性引張力
4 有効な引張力
11 1N(第1ノッチ)の引張力曲線
12 2N(第2ノッチ)の引張力曲線
13 3N(第3ノッチ)の引張力曲線
14 4N(第4ノッチ)の引張力曲線
15 5N(第5ノッチ)の引張力曲線
16 6N(第6ノッチ)の引張力曲線
17 7N(第7ノッチ)の引張力曲線
18 8N(第8ノッチ)の引張力曲線
19 粘着引張力
21〜26 粘着引張力を超えない点
31 粘着引張力に基づいた引張力曲線
Claims (4)
- 鉄道列車の客観的な指標である粘着引張力に基づいて運転曲線を作成することを特徴とする鉄道列車の運転曲線の作成方法。
- 請求項1記載の鉄道列車の運転曲線の作成方法において、前記鉄道列車は動力集中方式の鉄道列車であることを特徴とする鉄道列車の運転曲線の作成方法。
- 請求項2記載の鉄道列車の運転曲線の作成方法において、前記運転曲線の作成時に用いる前記動力集中方式の鉄道列車のノッチとして、引張力が粘着引張力以下のノッチを選択することを特徴とする鉄道列車の運転曲線の作成方法。
- 請求項3記載の鉄道列車の運転曲線の作成方法において、各ノッチの引張力と粘性引張力との比較を行い、鉄道車両の有効なノッチを選択し、一定時間、当該ノッチを保持し、速度上昇に伴い、粘性引張力以下となって選択可能なノッチが新たに現れると、その新たなノッチを選択することを特徴とする鉄道列車の運転曲線の作成方法。
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