JP2013189088A - 鉄道車両用制振装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】曲線区間において車両における乗り心地を向上することができる鉄道車両用制振装置を提供することである。
【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の前側台車Ｔｆと車体Ｂとの間に介装される二つ以上の振動抑制力発生源Ａ１，Ａ２とを備えた鉄道車両用制振装置１であって、遠心加速度の周波数以上の横方向速度ｖの周波数成分を抽出する第一フィルタ４４を備え、第一フィルタ４４で濾波して得た横方向速度ｖの周波数成分に基づいて高周波振動抑制力ＦＨを求め、鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識すると、一部の振動抑制力発生源Ａ１に高周波振動抑制力ＦＨを出力させ、残りの振動抑制力発生源Ａ２をパッシブダンパとして機能させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用制振装置の改良に関する。
従来、この種の鉄道車両用制振装置にあっては、たとえば、鉄道車両に車体の進行方向に対して左右方向の振動を抑制すべく、車体と前後の台車との間に減衰力可変ダンパを介装し、車体中心におけるヨー方向の角速度とスエー方向の速度とから車体振動を抑制するために必要な減衰力を求め、減衰力可変ダンパにこの求めた減衰力を発揮させるようにしている。
より具体的には、上記鉄道車両用制振装置にあっては、ヨーレートに車両中心から台車中心までの距離と制御ゲインとを乗じてヨー方向の振動を抑制するのに必要な減衰力を求め、さらに、スエー方向の速度に制御ゲインを乗じてスエー方向の振動を抑制するのに必要な減衰力を求め、ヨー方向振動抑制用の減衰力とスエー方向振動抑制用の減衰力を足し合わせて減衰力を求める。
したがって、各減衰力可変ダンパは、それぞれがヨー方向とスエー方向の振動を抑制する減衰力を発揮し、これによって車体のヨー方向およびスエー方向の振動を抑制する（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２０９３１号公報
ところで、鉄道車両における車体の共振周波数帯は、０．５Ｈｚ〜２Ｈｚ程度であり、鉄道車両が曲線区間を走行する際に車体には遠心加速度が作用するがこの遠心加速度の周波数が車体の共振周波数に非常に近い。
そして、車体のヨーレートやスエー方向の速度を得るには、通常、車体の前後に加速度センサを設け、ヨーレートについては加速度センサで得た加速度の差に基づいて求め、スエー方向の速度については加速度センサで得た二つの加速度を加算した値に基づいて求める。
したがって、ヨーレートについては、加速度の差をとるため、鉄道車両が曲線区間を走行する際に車体に作用する遠心力等の影響は除去されるのであるが、スエー方向の速度については、加速度を加算して求めるため、加速度に重畳される遠心加速度を除去することができない。鉄道車両の高速化によって遠心加速度は、無視することができず、これがスエー方向の速度に重畳されたまま減衰力を求めると、減衰力が必要以上に大きくなって却って車両における乗り心地を損なう結果となる。
これを解消しようと、スエー方向の速度をバンドパスフィルタやハイパスフィルタで濾波して、車体の共振周波数帯の振動のみを抽出しようとしても、先ほど述べたように、遠心加速度の周波数が上記共振周波数に近いので、うまく遠心加速度を除去できない。また、曲線区間では車体の共振周波数帯におけるゲインを下げることで、遠心加速度の影響を受けないようにしようとすると、今度は、車体の共振周波数帯の振動を抑制する減衰力が不足することになって、やはり、車両における乗り心地を損なってしまう。
そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、曲線区間において車両における乗り心地を向上することができる鉄道車両用制振装置を提供することである。
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の前側台車と車体との間に介装される二つ以上の振動抑制力発生源と、上記車体の横方向速度に基づいて当該車体の振動を抑制する抑制力を求めて上記振動抑制力発生源を制御する鉄道車両用制振装置であって、上記鉄道車両が曲線区間走行時に車体に作用する遠心加速度の周波数以上の横方向速度の周波数成分を抽出する第一フィルタを備え、第一フィルタで濾波して得た横方向速度の上記周波数成分に基づいて高周波振動抑制力を求め、上記鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識すると、上記振動抑制力発生源の少なくとも一部に上記高周波振動抑制力を出力させ、上記振動抑制力発生源の残りの全部をパッシブダンパとして機能させることを特徴とする。
この鉄道車両用制振装置にあっては、鉄道車両が曲線区間を走行中の場合には、振動抑制力発生源の一部が高周波振動抑制力を出力し、残りの前側振動抑制力発生源がパッシブダンパとして機能するから、車体の高周波振動が効果的に低減されるとともに、低周波振動を遠心加速度の影響なく充分に抑制できる。
本発明の鉄道車両用制振装置によれば、曲線区間において車両における乗り心地を向上することができる。
一実施の形態における鉄道車両用制振装置を搭載した鉄道車両の平面図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるアクチュエータの詳細図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるコントローラの制御ブロック図である。
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂの制振装置として使用され、図１に示すように、台車Ｔと車体Ｂとの間に対として介装される振動抑制力発生源としてのアクチュエータＡ１，Ａ２と、これらアクチュエータＡ１，Ａ２をアクティブ制御するコントローラＣとを備えて構成されている。アクチュエータＡ１，Ａ２は、詳細には、鉄道車両の場合、車体Ｂの下方に垂下されるピンＰに連結され、車体Ｂと台車Ｔとの間で対を成して並列に介装されている。
そして、これらアクチュエータＡ１，Ａ２は、基本的には、アクティブ制御で車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の振動を抑制するようになっており、この場合、コントローラＣは、前後のアクチュエータＡ１，Ａ２を制御して上記車体Ｂの水平横方向の振動を抑制するようになっている。
コントローラＣは、本実施の形態にあっては、車体Ｂの振動を抑制する制御を行う際に、車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の横方向加速度αとを検知し、横方向加速度αに基づいて車体Ｂの振動抑制に必要な低周波振動抑制力ＦＬと高周波振動抑制力ＦＨを求める。
また、コントローラＣは、鉄道車両の走行中である区間が曲線区間であるか曲線区間以外であるかを認識できるようになっており、曲線区間以外である場合には、アクチュエータＡ１，Ａ２の一部のアクチュエータＡ１に上記のようにして求めた高周波振動抑制力ＦＨを発揮させるとともに、アクチュエータＡ１，Ａ２の残り全部のアクチュエータＡ２に上記のようにして求めた低周波振動抑制力ＦＳを発揮させ、反対に、曲線区間である場合には、アクチュエータＡ１，Ａ２の一部のアクチュエータＡ１に高周波振動抑制力ＦＨを発揮させるとともに、アクチュエータＡ１，Ａ２の残り全部のアクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させるようになっている
つづいて、アクチュエータＡ１，Ａ２の具体的な構成について説明する。これらアクチュエータＡ１，Ａ２は、同じ構成であるので、説明の重複を避けるため、便宜上、一つのアクチュエータＡ１の構成のみを説明し、他のアクチュエータＡ２についての具体的な説明を省略することとする。
アクチュエータＡ１は、図２に示すように、鉄道車両の台車Ｔと車体Ｂの一方に連結されるシリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３と、シリンダ２内に挿入されてピストン３と台車Ｔと車体Ｂの他方に連結されるロッド４と、シリンダ２内にピストン３で区画したロッド側室５とピストン側室６と、タンク７と、ロッド側室５とピストン側室６とを連通する第一通路８の途中に設けた第一開閉弁９と、ピストン側室６とタンク７とを連通する第二通路１０の途中に設けた第二開閉弁１１と、ロッド側室５へ液体を供給するポンプ１２とを備えており、片ロッド型のアクチュエータとして構成されている。また、上記ロッド側室５とピストン側室６には液体が充填されるとともに、タンク７には、液体のほかに気体が充填されている。なお、タンク７内は、特に、気体を圧縮して充填することによって加圧状態とする必要は無い。
そして、基本的には、第一開閉弁９で第一通路８を連通状態とするとともに第二開閉弁１１を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、このアクチュエータＡ１を伸長作動させることができ、第二開閉弁１１で第二通路１０を連通状態とするとともに第一開閉弁９を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、アクチュエータＡ１を収縮作動させることができるようになっている。
以下、アクチュエータＡ１の各部について詳細に説明する。シリンダ２は筒状であって、その図２中右端は蓋１３によって閉塞され、図２中左端には環状のロッドガイド１４が取り付けられている。また、上記ロッドガイド１４内には、シリンダ２内に移動自在に挿入されるロッド４が摺動自在に挿入されている。このロッド４は、一端をシリンダ２外へ突出させており、シリンダ２内の他端を同じくシリンダ２内に摺動自在に挿入されているピストン３に連結してある。
なお、ロッド４の外周とシリンダ２との間は図示を省略したシール部材によってシールされており、これによりシリンダ２内は密閉状体に維持されている。そして、シリンダ２内にピストン３によって区画されるロッド側室５とピストン側室６には、上述のように液体が充填されている。シリンダ２内に充填される液体は、作動油の他、アクチュエータに適する液体を使用することができる。
また、このアクチュエータＡ１の場合、ロッド４の断面積をピストン３の断面積の二分の一にして、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積がピストン側室６側の受圧面積の二分の一となるようになっており、伸長作動時と収縮作動時とでロッド側室５の圧力を同じくすると、伸縮の双方で発生される推力が等しくなるようになっており、アクチュエータＡ１の変位量に対する液体量も伸縮両側で同じとなる。
詳しくは、アクチュエータＡ１を伸長作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６を連通させた状態とする。すると、ロッド側室５内とピストン側室６内の圧力が等しくなって、ピストン３におけるロッド側室５側とピストン側室６側の受圧面積差に上記圧力を乗じた推力を発生する。反対に、アクチュエータＡ１を収縮作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６との連通を断つ。すると、ピストン側室６がタンク７に連通した状態となるので、ロッド側室５内の圧力とピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積を乗じた推力を発生することになる。よって、アクチュエータＡ１の発生推力は伸縮の双方でピストン３の断面積の二分の一にロッド側室５の圧力を乗じた値となるのである。したがって、このアクチュエータＡ１の推力を制御する場合、伸長作動、収縮作動共に、ロッド側室５の圧力を制御すればよいが、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しているので、伸縮両側で同じ推力を発生する場合に伸長側と収縮側でロッド側室５の圧力が同じとなるので制御が簡素となり、加えて変位量に対する液体量も同じとなるので伸縮両側で応答性が同じとなる利点がある。なお、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しない場合にあっても、ロッド側室５の圧力でアクチュエータＡ１の伸縮両側の推力の制御をすることができる点は変わらない。
戻って、ロッド４の図２中左端とシリンダ２の右端を閉塞する蓋１３には、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータＡ１を鉄道車両における車体Ｂと台車Ｔとの間に介装することができるようになっている。
そして、ロッド側室５とピストン側室６とは、第一通路８によって連通されており、この第一通路８の途中には、第一開閉弁９が設けられている。この第一通路８は、シリンダ２外でロッド側室５とピストン側室６とを連通しているが、ピストン３に設けられてもよい。
第一開閉弁９は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第一通路８を開放してロッド側室５とピストン側室６とを連通する連通ポジション９ｂとロッド側室５とピストン側室６との連通を遮断する遮断ポジション９ｃとを備えたバルブ９ａと、遮断ポジション９ｃを採るようにバルブ９ａを附勢するバネ９ｄと、通電時にバルブ９ａをバネ９ｄに対向して連通ポジション９ｂに切換えるソレノイド９ｅとを備えて構成されている。
つづいて、ピストン側室６とタンク７とは、第二通路１０によって連通されており、この第二通路１０の途中には、第二開閉弁１１が設けられている。第二開閉弁１１は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第二通路１０を開放してピストン側室６とタンク７とを連通する連通ポジション１１ｂとピストン側室６とタンク７との連通を遮断する遮断ポジション１１ｃとを備えたバルブ１１ａと、遮断ポジション１１ｃを採るようにバルブ１１ａを附勢するバネ１１ｄと、通電時にバルブ１１ａをバネ１１ｄに対向して連通ポジション１１ｂに切換えるソレノイド１１ｅとを備えて構成されている。
ポンプ１２は、モータ１５によって駆動されるようになっており、ポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するポンプとされており、その吐出口は供給通路１６によってロッド側室５へ連通され、吸込口はタンク７に通じて、モータ１５によって駆動されると、タンク７から液体を吸込んでロッド側室５へ液体を供給する。
上述のようにポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するのみで回転方向の切換動作がないので、回転切換時に吐出量が変化するといった問題は皆無であり、安価なギアポンプ等を使用することができる。さらに、ポンプ１２の回転方向が常に同一方向であるので、ポンプ１２を駆動する駆動源であるモータ１５にあっても回転切換に対する高い応答性が要求されず、その分、モータ１５も安価なものを使用することができる。なお、供給通路１６の途中には、ロッド側室５からポンプ１２への液体の逆流を阻止する逆止弁１７を設けてある。
このアクチュエータＡ１にあっては、ポンプ１２から所定の吐出流量をロッド側室５へ供給するようにして、伸長作動させる際には、第一開閉弁９を開きつつ第二開閉弁１１を開閉させることによってロッド側室５内の圧力を調節し、逆に収縮作動させる際には第二開閉弁１１を開きつつ第一開閉弁９を開閉させることによってロッド側室５内の圧力を調節することで、上記したコントローラＣが求めた抑制力通りの推力を得ることが可能である。伸長作動時には、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれ、ピストン側室６内の圧力はロッド側室５の圧力と同じとなるため、このアクチュエータＡ１にあっては、伸長作動時も収縮作動時もロッド側室５の圧力をコントロールすることで推力をコントロールすることができる。なお、第一開閉弁９および第二開閉弁１１は、開弁圧を調節可能であって開閉機能を備えた可変リリーフ弁とされてもよい。この場合には、第一開閉弁９或いは第二開閉弁１１を伸縮作動時に開閉作動させるのではなく、開弁圧を調節することでアクチュエータＡ１の推力を調節することも可能である。
上記のように、アクチュエータＡ１の推力調節が可能ではあるが、より簡単に推力調節が可能なように、本実施の形態の鉄道車両用制振装置１にあっては、ロッド側室５とタンク７とを接続する排出通路２１と、この排出通路２１の途中に設けた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁２２とを設けている。
可変リリーフ弁２２は、この実施の形態では、比例電磁リリーフ弁とされており、排出通路２１の途中に設けた弁体２２ａと、排出通路２１を遮断するように弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂと、通電時にバネ２２ｂに対向する推力を発生する比例ソレノイド２２ｃとを備えて構成され、比例ソレノイド２２ｃに流れる電流量を調節することで開弁圧を調節することができるようになっている。
この可変リリーフ弁２２は、弁体２２ａに作用させる排出通路２１の上流となるロッド側室５の圧力がリリーフ圧（開弁圧）を超えると、当該排出通路２１を開放させる方向に弁体２２ａを推す上記圧力に起因する推力と比例ソレノイド２２ｃによる推力との合力が、排出通路２１を遮断させる方向へ弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂの附勢力に打ち勝つようになって、弁体２２ａを後退させて排出通路２１を開放するようになっている。
また、この可変リリーフ弁２２にあっては、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を増大させると、比例ソレノイド２２ｃが発生する推力を増大させることができるようになっており、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を最大とすると開弁圧が最小となり、反対に、比例ソレノイド２２ｃに全く電流を供給しないと開弁圧が最大となる。
したがって、排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けることで、アクチュエータＡ１を伸縮作動させる際に、ロッド側室５内の圧力は可変リリーフ弁２２の開弁圧に調節され、ロッド側室５の圧力は可変リリーフ弁２２の開弁圧を調節することで容易に調節することができる。このように排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けることで、アクチュエータＡ１の推力を調節するために必要なセンサ類が不要となり、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の高速で開閉させたり、第一開閉弁９および第二開閉弁１１を開閉機能付きの可変リリーフ弁としたりする必要もなくなるので、鉄道車両用制振装置１が安価となり、ハードウェア的にもソフトウェア的にも堅牢なシステムを構築することができる。
なお、可変リリーフ弁２２は、与える電流量で開弁圧を比例的に変化させることができる比例電磁リリーフ弁を用いることで開弁圧の制御が簡単となるが、開弁圧を調節できるリリーフ弁であれば比例電磁リリーフ弁に限定されるものではない。
そして、可変リリーフ弁２２は、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の開閉状態に関わらず、アクチュエータＡ１に伸縮方向の過大な入力があって、ロッド側室５の圧力が開弁圧を超える状態となると、排出通路２１を開放してロッド側室５をタンク７へ連通し、ロッド側室５内の圧力をタンク７へ逃がして、アクチュエータＡ１のシステム全体を保護するようになっている。このように、排出通路２１と可変リリーフ弁２２を設けることでシステムの保護も可能となる。
さらに、この実施の形態のアクチュエータＡ１は、ダンパ回路Ｄを備えており、このダンパ回路Ｄは、第一開閉弁９および第二開閉弁１１が閉弁している場合に、アクチュエータＡ１をダンパとして機能させる。ダンパ回路Ｄは、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路１８と、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路１９を備えている。また、この実施の形態の場合には、アクチュエータＡ１が、排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを備えているので、可変リリーフ弁２２が減衰弁として機能するようになっている。
より詳細には、整流通路１８は、ピストン側室６とロッド側室５とを連通しており、途中に逆止弁１８ａが設けられ、この整流通路１８は、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。さらに、吸込通路１９は、タンク７とピストン側室６とを連通しており、途中に逆止弁１９ａが設けられ、この吸込通路１９は、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。なお、整流通路１８は、第一開閉弁９の遮断ポジション９ｃを逆止弁とすることで第一通路８に集約することができ、吸込通路１９についても、第二開閉弁１１の遮断ポジション１１ｃを逆止弁とすることで第二通路１０に集約することができる。
このように構成されたダンパ回路Ｄは、アクチュエータＡ１における第一開閉弁９と第二開閉弁１１がともに遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採ると、整流通路１８および吸込通路１９と排出通路２１で、ロッド側室５、ピストン側室６およびタンク７が数珠繋ぎに連通させる。そして、整流通路１８、吸込通路１９および排出通路２１は、一方通行の通路に設定されているので、アクチュエータＡ１が外力によって伸縮させられると、必ずシリンダ２から液体が排出されて排出通路２１を介してタンク７へ戻され、シリンダ２で足りなくなる液体は吸込通路１９を介してタンク７からシリンダ２内へ供給される。この液体の流れに対して上記可変リリーフ弁２２が抵抗となってシリンダ２内の圧力を開弁圧に調節する圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡ１は、パッシブなユニフロー型のダンパとして機能することになる。つまり、アクチュエータＡ１は、アクチュエータとしてもパッシブダンパとしても機能することが可能である。なお、可変リリーフ弁２２と排出通路２１とを設けない場合には、別途、ロッド側室５とタンク７とを接続する通路と、この通路の途中に減衰弁とを設けてダンパ回路Ｄを構成するようにしてもよい。また、アクチュエータＡ１の各機器への通電が不能となるようなフェール時には、第一開閉弁９と第二開閉弁１１のバルブ９ａ，１１ａがバネ９ｄ，１１ｄに押圧されて、それぞれ遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採り、可変リリーフ弁２２は、開弁圧が最大に固定された圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡｆ１は、自動的に、パッシブダンパとして機能することができる。また、アクチュエータＡｆ１がパッシブダンパとして機能する場合、可変リリーフ弁２２で開弁圧を調節することができるので、パッシブダンパとして機能させる際に減衰特性を設定できる。
つづいて、上記のように構成された各アクチュエータＡ１，Ａ２に所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、たとえば、コントローラＣは、モータ１５を回転させポンプ１２からシリンダ２内へ液体を供給しつつ、各アクチュエータＡ１，Ａ２の第一開閉弁９を連通ポジション９ｂとし第二開閉弁１１を遮断ポジション１１ｃとする。このようにすることで、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれて両者にポンプ１２から液体が供給され、ピストン３が図２中左方へ押されアクチュエータＡ１，Ａ２は伸長方向の推力を発揮する。ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力が可変リリーフ弁２２の開弁圧を上回ると、可変リリーフ弁２２が開弁して液体が排出通路２１を介してタンク７へ逃げるので、ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力は、可変リリーフ弁２２に与える電流量で決まる可変リリーフ弁２２の開弁圧にコントロールされる。そして、各アクチュエータＡ１，Ａ２は、ピストン３におけるピストン側室６側とロッド側室５側の受圧面積差に上記した可変リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力を乗じた値の伸長方向の推力を発揮する。
これに対して、各アクチュエータＡ１，Ａ２に所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、コントローラＣは、モータ１５を回転させてポンプ１２からロッド側室５内へ液体を供給しつつ、各アクチュエータＡ１，Ａ２の第一開閉弁９を遮断ポジション９ｃとし第二開閉弁１１を連通ポジション１１ｂとする。このようにすることで、ピストン側室６とタンク７が連通状態におかれるとともにロッド側室５にポンプ１２から液体が供給されるので、ピストン３が図２中右方へ押され各アクチュエータＡ１，Ａ２は収縮の推力を発揮する。上記したところと同様に、可変リリーフ弁２２の電流量を調節することで、各アクチュエータＡ１，Ａ２は、ピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積と可変リリーフ弁２２にコントロールされるロッド側室５内の圧力を乗じた収縮方向の推力を発揮する。
また、このアクチュエータＡ１，Ａ２にあっては、アクチュエータとして機能するのみならず、モータ１５の駆動状況に関わらず、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の開閉のみでパッシブダンパとしても機能させることができるので、面倒かつ急峻な弁の切換動作を伴うことが無いので、応答性および信頼性が高いシステムを提供することができる。
なお、このアクチュエータＡ１，Ａ２にあっては、片ロッド型に設定されているので、両ロッド型のアクチュエータに比較してストローク長を確保しやすく、アクチュエータの全長が短くなって、鉄道車両への搭載性が向上する。
また、このアクチュエータＡ１，Ａ２におけるポンプ１２からの液体供給および伸縮作動による液体の流れは、ロッド側室５、ピストン側室６を順に通過して最終的にタンク７へ還流するようになっており、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、アクチュエータＡ１，Ａ２の伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、推進力発生の応答性の悪化を阻止できる。
したがって、アクチュエータＡ１，Ａ２の製造にあたって、面倒な油中での組立や真空環境下での組立を強いられることが無く、液体の高度な脱気も不要となるので、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。
さらに、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、気体は、アクチュエータＡ１，Ａ２の伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、性能回復のためのメンテナンスを頻繁に行う必要もなくなり、保守面における労力とコスト負担を軽減することができる。
つづいて、コントローラＣは、図２および図３に示すように、車体前側としての車体Ｂの台車Ｔの直上付近の車両進行方向に対して水平横方向の横方向加速度αを検出する加速度センサ４０と、鉄道車両の走行中である地点情報を取得する地点情報取得部４１と、横方向加速度αを処理するとともに、地点取得部で得た鉄道車両の地点情報から走行区間が曲線区間であるかを認識し、各アクチュエータＡ１，Ａ２のモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ制御指令を出力する制御部４２とを備えて構成されていて、各アクチュエータＡ１，Ａ２の推力を制御するようになっている。
地点情報取得部４１は、この場合、編成列車中のある車両に設置される中央車両モニタ或いはこれに接続される車両モニタ端末とされており、リアルタイムに鉄道車両の走行地点を得ることができるようになっている。なお、地点情報取得部４４は、車両モニタによらず、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等といった鉄道車両の走行地点を検出することができるものであってもよい。
制御部４２は、加速度センサ４０で検知した横方向加速度αを積分して横方向速度ｖを求める積分器４３と、横方向速度ｖを濾波する第一フィルタ４４および第二フィルタ４５と、第一フィルタ４４が濾波した横方向速度ｖにスカイフックゲインを乗算して高周波抑制力ＦＨを求める乗算器４６と、第二フィルタ４５が濾波した横方向速度ｖにスカイフックゲインを乗算して低周波抑制力ＦＬを求める乗算器４７と、地点情報取得部４１から得た地点情報から走行区間が曲線区間であるか否かを判断する走行区間認識部４８と、走行区間認識部４８の認識結果、低周波振動抑制力ＦＬおよび高周波振動抑制力ＦＨから各アクチュエータＡ１，Ａ２個々に与える制御指令Ｆ１，Ｆ２を求める指令生成部４９と、制御指令Ｆ１，Ｆ２に基づいてモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃを駆動する駆動部５０とを備えて構成されている。
なお、コントローラＣは、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、加速度センサ４０が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、横方向加速度αを取り込んでアクチュエータＡ１，Ａ２を制御するのに必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、上記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備えて構成されればよく、コントローラＣの制御部４５における各部は、ＣＰＵが上記処理を行うためのプログラムを実行することで実現することができる。また、第一フィルタ４４および第二フィルタ４５は、上記ＣＰＵがプログラムを実行することで実現されてもよいし、別途、設けるようにしてもよい。
つづいて、横方向加速度αは、たとえば、図１中車体Ｂの中央を左右に通る軸を基準として上方側へ向く方向となる場合に、正の符号を採り、反対に、図１中車体Ｂの中央を左右に通る軸を基準として下方側へ向く方向となる場合に、負の符号を採るように設定される。加速度センサ４０の設置箇所は、車体Ｂの台車Ｔの直上付近に配置されるとよいが、これに限られるものではない。そして、横方向加速度αは積分器４３によって積分されて横方向速度ｖが演算される。
この場合、第一フィルタ４４は、鉄道車両が曲線区間を走行する際に車体Ｂに作用する遠心加速度の周波数以上の横方向速度ｖの周波数成分を抽出するハイパスフィルタとされており、鉄道車両が曲線区間を走行することによって車体Ｂに作用する遠心加速度の周波数は、実際の鉄道車両の走行速度等にもよるが、概ね０．５Ｈｚ以下であるため、具体的には、たとえば、第一フィルタ４４のカットオフ周波数は、１Ｈｚ以上とすればよいが、この本実施の形態では、高周波振動抑制力ＦＨが遠心加速度の影響を受けず遠心加速度に無反応となるようにするため２Ｈｚに設定されている。
第二フィルタ４５は、車体Ｂの共振周波数以上の横方向速度ｖの周波数成分を抽出するハイパスフィルタとされており、一般的には、台車Ｔにばねで支持された車体Ｂの共振周波数は１Ｈｚ前後であるので、実際の車体Ｂの共振周波数にもよるが、第二フィルタ４５のカットオフ周波数は、具体的には、たとえば、０．３Ｈｚ程度に設定される。
なお、第一フィルタ４４および第二フィルタ４５のカットオフ周波数より低い周波数帯域は位相が進むので位相補償器を別途設けるようにしてもよく、また、第二フィルタ４５は、車体Ｂの共振周波数帯成分のみを抽出するバンドパスフィルタであってもよいし、車体Ｂの共振周波数帯以下の成分を抽出するローパスフィルタで構成することも可能である。
このように、第一フィルタ４４と第二フィルタ４５とで濾波した横方向速度をそれぞれ乗算器４６，４７に入力する。乗算器４６は、第一フィルタ４４で濾波して遠心加速度の周波数以下の周波数成分が取り除かれた横方向速度ｖの周波数成分にスカイフックゲインを乗じて高周波振動抑制力ＦＨを求める。また、乗算器４７は、第二フィルタ４５で濾波して車体Ｂの共振周波数成分が含まれる横方向速度ｖの周波数成分にスカイフックゲインを乗じて低周波振動抑制力ＦＬを求める。
走行区間認識部４８は、地点情報取得部４１から得た地点情報から鉄道車両が走行中である区間が曲線区間かそれ以外の区間かを判断し、判断結果を指令生成部４９へ出力する。具体的には、たとえば、走行区間認識部４８は、走行地点に走行区間情報を関連付けたマップを有しており、鉄道車両の走行地点からマップを参照し、曲線区間であるか否かを判断するようにしておけばよい。また、これに限らず、たとえば、曲線区間とそれ以外の区間の境や曲線区間の前後に信号を発信する発信機を設けるとともに、鉄道車両側に発信機の信号を受信する受信機を地点情報取得部として設けておき、走行区間認識部は、曲線区間入口側の発信機の信号の受信をもって曲線区間に入ったことを認識し、曲線区間出口側の発信機の信号の受信をもって曲線区間以外に脱したことを認識するようにしてもよい。要するに、走行区間認識部４８は、鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識することができればよい。なお、曲線区間の走行時における乗り心地を良好に保つため、鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両が路線を走行中に曲線区間以外の区間での制御から曲線区間内で行う制御を切換える都合上、実際には、鉄道車両が曲線区間に進入する前に制御の切換を行えるようにするとよいので、曲線区間に進入する場合に曲線区間であると認識する地点を実際の曲線区間より手前し、曲線区間からそれ以外の区間へ脱する場合に曲線区間以外の区間であると認識する地点を実際の曲線区間の終了地点よりも奥へ設定するとよい。また、走行地点に関連付けられる走行区間の情報として、曲線区間とそれ以外の区間の種別のほか、後述するアクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させる際の減衰係数を曲線区間に最適となるように設定できるようにする場合には、曲線区間のカント量、曲率、緩和曲線か定常曲線区間の別、緩和曲線である場合の緩和曲線のパターン、スラック等といった曲線区間がどのような曲線であるかを特定できる情報を関連付けておいてもよい。
指令生成部４９は、走行区間認識部４８の認識結果、低周波振動抑制力ＦＬおよび高周波振動抑制力ＦＨから各アクチュエータＡ１，Ａ２個々に与える制御指令Ｆ１，Ｆ２を求める。
具体的には、走行区間認識部４８の認識結果が鉄道車両の走行地点が曲線区間以外の区間である場合、指令生成部４９は、高周波振動抑制力ＦＨをアクチュエータＡ１に出力させる制御指令Ｆ１を生成し、さらに、低周波振動抑制力ＦＬをアクチュエータＡ２に出力させる制御指令Ｆ２を生成する。
これに対して、走行区間認識部４８の認識結果が鉄道車両の走行地点が曲線区間の区間である場合、指令生成部４９は、高周波振動抑制力ＦＨをアクチュエータＡ１に出力させる制御指令Ｆ１を生成し、さらに、アクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させる制御指令Ｆ２を生成する。
駆動部５０は、制御指令Ｆ１，Ｆ２通りに各アクチュエータＡ１，Ａ２に推力を発揮させ、或いは、パッシブダンパとして機能させるべく、モータ１５、各アクチュエータＡ１，Ａ２の第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅおよび可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与えるべき電流指令を求めて当該電流指令を出力する。
より詳細には、制御指令Ｆ１，Ｆ２がアクチュエータＡ１，Ａ２をパッシブダンパとして機能させるものでない場合、駆動部５０は、制御指令Ｆ１，Ｆ２から各アクチュエータＡ１，Ａ２の推力の発揮方向、推力の大きさに応じて、モータ１５、各アクチュエータＡ１，Ａ２の第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅおよび可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与えるべき電流指令を生成するが、比例ソレノイド２２ｃへ与える電流指令についてはアクチュエータＡ１，Ａ２が出力している推力をフィードバックして求めるようにしてもよい。
また、制御指令Ｆ２がアクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させるものである場合、駆動部５０は、モータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅおよび可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与えるべき電流を０とする電流指令を各アクチュエータＡ２へ出力する。すると、アクチュエータＡ２は、伸縮の際に、必ずシリンダ２から液体が排出されて排出通路２１を介してタンク７へ戻され、この流れに可変リリーフ弁２２で抵抗を与えるので、パッシブダンパとして機能する。この場合、モータ１５については、電流を完全に０とせずに、各アクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させる上で弊害の無い程度に回転数を低くするようにしてもよい。鉄道車両が曲線区間を走行した後に曲線区間以外の区間へ侵入すると、制御指令Ｆ２は、それぞれ、低周波振動抑制力ＦＬをアクチュエータＡ２に出力させる指令として生成され、アクチュエータＡ２はパッシブダンパ状態から低周波振動抑制力ＦＬ通りの推力を発揮する状態に復帰することになる。
なお、上記したように曲線区間におけるカント量、曲率等といった情報を得ることができる場合、アクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させる際に、カント量、曲率等といった情報から可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃに与える電流量を決定し、アクチュエータＡ２の減衰係数を鉄道車両が走行中の曲線区間に最適となるように設定することも可能である。この場合、曲線区間に減衰係数を関連付けるか可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与える電流量を関連付けしておくようにして、アクチュエータＡ２の減衰係数を鉄道車両が走行中の曲線区間に最適となるように設定してもよい。
以上のように、この鉄道車両用制振装置１にあっては、鉄道車両が曲線区間以外の区間を走行中の場合には、一部のアクチュエータＡ１が高周波振動抑制力ＦＨの合力を出力し、残りのアクチュエータＡ２が低周波振動抑制力ＦＬを出力するから、車体Ｂの広範な周波数域の振動に対して適切な抑制力を発揮でき、車体Ｂの振動が低減されて乗り心地を向上することができる。
また、鉄道車両用制振装置１にあっては、鉄道車両が曲線区間を走行中の場合には、前後の一部のアクチュエータＡ１が高周波振動抑制力ＦＨを出力し、残りのアクチュエータＡ２がパッシブダンパとして機能する。そのため、鉄道車両用制振装置１は、曲線区間走行時における車体Ｂの遠心加速度の周波数よりも高周波の振動については効果的に抑制することができ、低周波振動に対してもパッシブダンパが発揮する減衰力で遠心加速度の影響なく効果的に制振できるため、曲線区間走行時にあっても車両における乗り心地を向上することができる。つまり、曲線区間走行中の加速度センサ４０で検出する加速度には、車体Ｂの共振周波数帯に非常に近い周波数帯の遠心加速度成分が含まれていてフィルタ処理しても遠心加速度成分を完全には取り除くことができないため、曲線区間走行時に単に抑制力を求めてアクチュエータＡ１，Ａ２を制御すると推力過多となり、逆に、これを嫌って加速度センサ４０で検出する加速度から遠心加速度の振動成分を除去してしまうと、横方向速度の遠心加速度の周波数帯に近い車体Ｂの共振周波数帯の成分も除去されてしまって、却ってアクチュエータＡ１，Ａ２の推力が不足してしまい乗り心地の悪化につながるが、上記したように、本発明の鉄道車両制振装置１では、曲線区間において遠心加速度の周波数帯および車体Ｂの共振周波数帯の低周波振動に対してはアクチュエータＡ２がパッシブダンパとして機能し、遠心加速度の周波数以上の周波数帯の振動に対してはアクチュエータＡ１が抑制力を発揮して振動を抑制するから、車体Ｂの共振周波数帯の振動を充分に抑制できるとともに高周波振動に対しても効果的に抑制することができ、曲線区間走行中であっても良好な乗り心地を保つことができるのである。このことは曲線区間が緩和曲線であっても定常円曲線であっても有効である。
なお、曲線区間以外の区間では各アクチュエータＡ１，Ａ２のそれぞれに低周波振動抑制力ＦＬおよび高周波振動抑制力ＦＨの合力を発揮させることも可能で、曲線区間でアクチュエータＡ１に高周波振動抑制力ＦＨを出力させるとともに、アクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させることもできる。さらに、たとえば、曲線区間ではアクチュエータＡ１をパッシブダンパとし、アクチュエータＡ２に高周波振動抑制力ＦＨを出力させ、曲線区間以外でアクチュエータＡ１に高周波振動抑制力ＦＨを出力させるとともに、アクチュエータＡ２に低周波振動抑制力ＦＬを出力させるといったこともできる。
ただし、本実施の形態の鉄道車両用制振装置１のように、アクチュエータＡ１，Ａ２のうち一部のアクチュエータＡ１を高周波振動の抑制に充て、残りのアクチュエータＡ２を低周波振動の抑制に充てることで、つまり、低周波振動抑制力ＦＬを出力させるアクチュエータＡ２のみをパッシブダンパとして機能させることで、アクチュエータＡ１の制御を切換えずに済み、制御指令の急変を回避して曲線区間におけるモードと曲線区間以外におけるモードとの切換えがスムーズに行え、モード切換時における車体Ｂの挙動も安定させることができ、車両における乗り心地をより一層向上させることができる。
なお、上記したところでは、振動抑制力発生源をパッシブダンパとして機能可能な上記構成のアクチュエータＡ１，Ａ２としているので、推力調整が可変リリーフ弁２２の開弁圧の調整で行えるのでセンサレスで、モータ１５の回転方向も一方向で回転切換に対する高い応答性が要求されずに安価なモータを使用することができ、制御も簡単であるからコスト面で有利で、ハードウェア的にもソフトウェア的にも堅牢であるから鉄道車両用制振装置１に最適となる。さらに、アクチュエータＡ１，Ａ２がフェール時には全てがパッシブダンパとして機能するから、フェール時にあっても車体Ｂの乗り心地の悪化を抑制することができる。
また、振動抑制力発生源に減衰力可変ダンパを用いることもでき、その場合、スカイフックダンパを実現するためにカルノップ制御を用いることもでき、車体Ｂの横方向速度ｖと、減衰力可変ダンパのストローク方向と、スカイフックゲインとから低周波振動抑制力ＦＬおよび高周波振動抑制力ＦＨを求めるようにしてもよい。
なお、上記した実施の形態の場合、アクチュエータＡ２をパッシブダンパとして機能させれば足りるため、アクチュエータＡ１についてはアクチュエータ機能のみを発揮するものであってもよい。さらに、アクチュエータの本数は、上記した本数に限られず、２本以上設置されていて、曲線区間では、アクチュエータの一部に高周波振動抑制力ＦＨを発揮させ、残りのアクチュエータをパッシブダンパとして機能させるようになっていればよい。
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
本発明は、鉄道車両等の制振に利用可能である。
１ 鉄道車両用制振装置
２ シリンダ
３ ピストン
４ ロッド
５ ロッド側室
６ ピストン側室
７ タンク
８ 第一通路
９ 第一開閉弁
１０ 第二通路
１１ 第二開閉弁
１２ ポンプ
１６ 供給通路
１７ 逆止弁
１８ 整流通路
１９ 吸込通路
２１ 排出通路
２２ 可変リリーフ弁
４４ 地点情報取得部
４４ 第一フィルタ
４５ 第二フィルタ
Ａ１，Ａ２ 振動抑制力発生源としてのアクチュエータ
Ｂ 車体
Ｔ 台車

Claims (5)

  1. 鉄道車両の前側台車と車体との間に介装される二つ以上の振動抑制力発生源と、上記車体の横方向速度に基づいて当該車体の振動を抑制する抑制力を求めて上記振動抑制力発生源を制御する鉄道車両用制振装置であって、上記鉄道車両が曲線区間走行時に車体に作用する遠心加速度の周波数以上の横方向速度の周波数成分を抽出する第一フィルタを備え、当該第一フィルタで濾波して得た横方向速度の上記周波数成分に基づいて高周波振動抑制力を求め、上記鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識すると、上記振動抑制力発生源の少なくとも一部に上記高周波振動抑制力を出力させ、上記振動抑制力発生源の残りの全部をパッシブダンパとして機能させることを特徴とする鉄道車両用制振装置。
  2. 少なくとも横方向速度の車体共振周波数成分を抽出する第二フィルタを備え、当該第二フィルタで濾波して得た横方向速度の上記周波数成分に基づいて低周波振動抑制力を求め、上記鉄道車両が曲線区間以外を走行中であることを認識する場合、上記振動抑制力発生源の少なくとも一部に上記高周波振動抑制力を出力させ、上記振動抑制力発生源の残りの全部に上記低周波振動抑制力を出力させ、上記鉄道車両が曲線区間を走行中であることを認識すると、上記低周波振動抑制力を出力させる振動抑制力発生源をパッシブダンパとして機能させることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制振装置。
  3. 上記振動抑制力発生源は、通電不能時にパッシブダンパ機能を発揮するアクチュエータであることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用制振装置。
  4. 上記鉄道車両の走行位置情報である地点情報を取得する地点情報取得部を備え、当該地点情報から当該鉄道車両が走行中の区間が曲線区間であるか否かを認識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鉄道車両用制振装置。
  5. 上記振動抑制力発生源は、シリンダと、当該シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、上記シリンダ内に挿入されて上記ピストンに連結されるロッドと、上記シリンダ内に上記ピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、上記ロッド側室と上記ピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、上記ピストン側室と上記タンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、上記タンクから上記ロッド側室へ液体を供給するポンプと、上記ロッド側室を上記タンクへ接続する排出通路と、当該排出通路の途中に設けられた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁と、上記タンクから上記ピストン側室へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路と、上記ピストン側室から上記ロッド側室へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路とを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
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