JP2014198533A - 軸重制御システム及び軸重制御装置を有する鉄道車両。 - Google Patents

Abstract

【課題】走行区間や運転動作の条件に関係なく複数の軸または台車間で牽引力を均等に安定させることができる軸重制御システムを提供することである【解決手段】上記を解決するため本発明のシステムは、各台車と車体結合部にセンサを設け、機関車走行時の軸重移動をモニタリング可能とし、そのデータを元に２つ以上に分割された燃料タンク間に設けられたポンプを制御し、燃料充填量を調整することで軸重移動を抑制する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、軸重制御システム及び軸重制御装置を有する鉄道車両に関する。

鉄道車両は、両端に車輪を有する車軸を複数本、有している。その車輪を電動機などの回転力により回転させると、車輪とレールとの間に摩擦力が生じ、その摩擦力によって前進または後進の走行が可能となる。

この摩擦力には「軸重」が大きく関係している。軸重とは、平坦なレール上に鉄道車両が静止している状態で、鉄道車両の１つの車輪にかかる垂直方向荷重（輪重）を左右両輪で和をとり、１つの輪軸で表したものである。軸重が大きい方が車輪とレール面の摩擦力が増し牽引力が上がる。一方で、軸重が大きくなるとレールに負担がかかり、レールが摩耗するなどの問題が生じる。

また、例えば機関車が被牽引車を牽引する際、機関車と被牽引車の連結器高さと、機関車が被牽引車を牽引する牽引力が働く高さには違いが生じる。その差による回転モーメントによって各軸重の値が変化し、一部の軸重が軽くなる「軸重移動」が生じる。

また、例えば、車両が上り勾配上に位置する場合、車両の重心位置は後方に移動するため、先頭側の軸重が軽くなる。これらの軸重移動により必要な牽引力が確保できず、起動に支障をきたす恐れがある。

このため車両の重さを大きくせずに必要な牽引力を得るために、車両内または台車間に配置された重量物を移動装置により前後に動かすことにより、軸重を移動させるような方法が考案されている（特許文献１、２参照）。

特開 ２００５−２８０５１７号公報 特開 ２００３−２８０１５号公報

しかしながら、従来の方法では重量物の移動が必須であるため、重量物が移動できる空間が必要となる。また車体の下部に移動物体を設ける場合、台車間に十分な移動空間を確保できず、重量物の移動がわずかとなり軸重差を抑制する効果を得にくくなる問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、車体形状に影響されることなく軸重を制御することが可能な軸重制御システム及び軸重制御装置を搭載した鉄道車両を提供することである。

上記を解決するため本発明のシステムは、各台車と車体搭載部の間に荷重検出センサを設け、勾配上における各軸の軸重移動（軸重差）をモニタリング可能とし、車両の前後と車体中央に燃料タンクを設け、タンク間で流体を移動できる構成とする。機関車のノッチ情報から算出される牽引力と、上記荷重検出センサのデータを元にポンプを制御し、タンク内の燃料流体充填量を調整することで軸重移動を抑制し、最適な牽引力を生み出す。

第１の実施形態の鉄道車両の軸重移動の概要を示す図。 第１の実施形態の軸重制御システムの動作を示す回路概略図。 第１の実施形態の燃料移動量算出フローチャートを示す図。 第１の実施形態の軸重制御システムまたは軸重制御装置の他の実施例。 第１の実施形態の軸重制御システムまたは軸重制御装置の他の実施例。 第２の実施形態の軸重移動の概要を示す図。 第２の実施形態の軸重制御システムの動作を示す回路概略図。 第２の実施形態のフローチャートを示す図。 第２の実施形態のフ他の実施形態におけるローチャートを示す図。 第３の実施形態の軸重移動の概要を示す図。 第３の実施形態の軸重制御システムの動作を示す回路概略図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１実施形態の概要を示す。図２は、第１実施形態の軸重制御システムの動作を示す回路概略図である。また、図３は、燃料移動量算出のフローチャートである。図４、図５は、燃料タンクの配置の異なる例を示す。

鉄道車両１は、車体床下に長手方向に沿って２つの台車２ａ、２ｂが設けられている。このとき台車２ａは、鉄道車両１の進行方向１１の、先頭側に設けられており、台車２ｂは鉄道車両１の被牽引車１０接続側に設けられている。また、台車２ａには、その左右端部に車輪を有する第１車軸３ａと第２車軸３ｂが設けられている。また台車２ｂには左右端部に車輪を有する第３車軸３ｃと第４車軸３ｄが設けられている。鉄道車両１は床下に設けられた中心ピン６により曲線上では回転可能な台車２ａ及び２ｂが支持するように接続されている。

鉄道車両１はディーゼルエンジンなどを主動力源や補助的な動力源として走行する場合がある。上記のように鉄道車両１が有する燃料は、床下の燃料タンク４に貯蓄される。燃料タンク４は、例えば第１燃料タンク４ａ、第２燃料タンク４ｂ、第３燃料タンク４ｃのように３つに分割される。そのうちの１つである第１燃料タンク４ａは鉄道車両１の床下の長手方向先頭側の端部に設けられている。また、第２燃料タンク４ｂは、台車２ａ、２ｂ間に設けられている。また、第３燃料タンク４ｃは長手方向被牽引車接続側の端部に設けられている。ここでは第１燃料タンク４ａ、第２燃料タンク４ｂ、第３燃料タンク４ｃを総称して燃料タンク４とする。燃料タンク４の形状は、箱形または円筒形状となっている。予め鉄道車両１の車体の一部として組み込むことが可能である。また、燃料タンク４は、取り付け枠等を有することで鉄道車両１の外部取り付け品として、鉄道車両１にボルトや溶接等で後から取り付けることも可能である。このとき、燃料タンク４は、鉄道車両１の床下かつ車両限界内であり、他の電気部品等が配置されていない余裕空間に設けられている。燃料タンク４内には燃料７が充填されている。第１燃料タンク４ａと第２燃料タンク４ｂは、第１燃料配管９ａｂによって接続される。第２燃料タンク４ｂと第３燃料タンク４ｃは、第２燃料配管９ｂｃによって接続される。

ポンプ８ａは、第１燃料配管９ａｂに取り付けられている。ポンプ８ｂは第２燃料配管９ｂｃに取り付けられている。ポンプ８ａ及びポンプ８ｂはポンプを動作させることにより各燃料タンク４間の燃料の移動を行う。通常走行時には各燃料タンク内の燃料が自由に連通できるよう、ここでは図示しない電磁締切弁がポンプ８ａ及びポンプ８ｂのそれぞれと並列に接続されている。ポンプ８を動作させない時は、電磁締切弁は常に開路している。車体１と台車２ａおよび２ｂの間に上下方向の荷重を検出するための荷重検出センサ５ａ及び５ｂを設ける。鉄道車両１の長手方向、被牽引車接続側の端部には連結器２７を介して被牽引車１０が連結される。鉄道車両１は、被牽引車１０を進行方向１１（図１の右側から左側へ向かって進む方向）へ向かって牽引力２４により牽引する。勾配１２（角度θ）はレール１９の水平方向に対する傾きを示す。

次に、上記のような構成を有する鉄道車両１の制御を行うコントロール装置１５と、コントロール装置１５と接続する機器について図２を用いて説明する。

図２は、鉄道車両１がディーゼルエンジン等の燃料を用いて動力源とする鉄道車両である場合の構成を図示したものである。エンジン１６は発電機１７と接続されている。エンジン１６は発電機１７を回転させ、発電機１７から得られた電力を電力変換装置２２にて例えば三相交流に変換し、モータ２１を回転させる。モータ２１の回転力で車輪３が回転し車両が走行する。図示しない各装置には発電機１７から電力が供給され、動作する。また、コントロール装置１５は、モニタリング装置１４、ポンプ８ａ、８ｂと接続されている。モニタリング装置１４は、台車２ａ、２ｂに掛かる荷重を検出する荷重センサ５ａ及び５ｂ、燃料残量ゲージ１８と接続される。モニタリング装置１４は、荷重センサ５ａ、５ｂ、燃料ゲージ１８からの情報をもとに車両情報をモニタリングする。また、外部から勾配地点情報２０をここでは図示しないアンテナなどにより受信する。

上記のような構成を用いて、鉄道車両１の軸重移動の発生を抑え、起動時の牽引力を確保するため、燃料タンク４内の燃料７を移動させる。その軸重移動を発生させないための必要な燃料移動量Ｗ_Ｓを計算するフローチャートを図３に示す。

図３はコントロール装置１５にて演算される処理フローである。コントロール装置１５には、外部より鉄道車両１のノッチ情報（牽引力２４は車両ノッチ情報から算出）、レール１９の上面から連結器までの高さＨ、レール１９の上面から台車と車体との牽引力伝達点までの高さｈおよび車体中心から台車中心までの距離Ｌ、台車内の車軸間距離ｌが入力される。（Ｓｔｅｐ１）
次に式（１）より、図１に示す４軸の鉄道車両の場合の車体の回転モーメントを算出する（Ｓｔｅｐ２）。

次に、式（２）より台車間軸重移動量Ｗを算出する。また、式（３）より起動時の台車内軸重移動量ｗを算出する（Ｓｔｅｐ３）。

次に式（４）より起動時の１軸と４軸の軸重差Ｗ_１を算出する（Ｓｔｅｐ４）。

下記の式（５）は勾配上に停止している時の台車間の軸重差Ｗ_２を示す。この時、荷重検出センサ５ａは台車２ａに掛かる荷重ｗ_ａ、荷重検出センサ５ｂは台車２ｂに掛かる荷重ｗ_ｂを検出する。（Ｓｔｅｐ５）
そして台車間の軸重差Ｗ_２をコントロール装置１５へ出力する。（Ｓｔｅｐ６）

鉄道車両１の平坦なレール面上における起動時の最大軸重差は、式（４）に示すＷ_１である。また、鉄道車両１の勾配上における起動時の最大軸重差は、式（４）に示すＷ_１に式（５）に示すＷ_２を加えたものである。

次に、起動時の軸重差Ｗ_１、勾配停車時の軸重差Ｗ_２より燃料タンク４ｃから燃料タンク４ａへの燃料移動量Ｗ_Ｓを下記式（６）（７）から算出する。ここで、車体中心から台車中心距離をＬ、台車中心から燃料タンク中心までの距離も同様にＬである場合を例にとると、台車２ａと台車２ｂ間の距離２Ｌは燃料タンク４ａと燃料タンク４ｃ間の距離４Ｌの１／２であるから燃料タンク４ｃから燃料タンク４ａへの燃料移動量Ｗ_Ｓは軸重差の１／２となる。

式（６）は勾配なしの条件のため、右辺の項の勾配軸重差を抜いたものである。

以上より、燃料移動量Ｗは算出される。次に、コントロール装置１５は、ポンプ８ａ、８ｂと並列に設けられている電磁締切弁を閉じる。電磁締切弁を閉じることにより、燃料タンク４間の自由な連通機能を抑止し、必要な燃料量のみが移動するように制御可能となる。また、モニタリング装置１４を介して、燃料残量ゲージ１８にて燃料タンク４内の燃料量を検出する。次に、コントロール装置１５は、ポンプ８を作動させ、上記より算出された燃料移動量Ｗ_Ｓに基づき燃料を燃料タンク４ｃから４ａへ、を移動させる（Ｓｔｅｐ８）。

モニタリング装置１４は、燃料残量ゲージ１８から検出される燃料量により、燃料移動量Ｗ_Ｓの燃料移動が終了したことを検出する。モニタリング装置１４よりコントロール装置１５は、燃料移動が終了した信号を受け取る。コントロール装置１５が燃料移動の終了の信号を受け取った後、コントロール装置１５は、車両１を起動させる（Ｓｔｅｐ９）。

ここで、ある荷重を有する貨物車１０が接続されている鉄道車両１が、ある勾配に停止状態から走行を開始する場合の例について説明する。鉄道車両１は、貨物車１０を必要牽引力Ｆ＝１５０ｋＮで起動する。車体中心から台車中心距離Ｌが３、４００ｍｍ、車輪間距離がｌ＝２、５００ｍｍ、レール１９面から連結器までの高さＨが８８０ｍｍ、レール１９面から台車と車体の連結点までの高さを２１０ｍｍとした場合、式（１）（２）（３）（４）より台車２ａと台車２ｂ間（１軸と４軸の間）の軸重差Ｗ_１が約４、２１６ｋｇとなる。また、式（５）より、勾配停止時の軸重差Ｗ_２が２００ｋｇになる。この軸重移動量Ｗ_１＋Ｗ_２を補償するために、式（６）より、燃料移動量を算出し、約２２００ｋｇの燃料（軽油の場合約２６００Ｌ）を第２燃料タンク４ｂまたは第３燃料タンク４ｃから第１燃料タンク４ａへ、第１燃料配管９ａｂ及び第２燃料配管９ｂｃを介して送油することで、勾配起動時の軸重移動量の補正量は１００％となる。

次に、ある荷重を有する被牽引車１０が接続されている鉄道車両１が、平坦路線に停止している状態から走行を開始する場合について説明する。上記と同条件とすると、式（１）（２）（３）（４）より台車２ａと台車２ｂ間（１軸と４軸の間）の軸重差は約４２００ｋｇとなる。燃料移動量は式（６）より算出し、約２０００ｋｇの燃料を第３燃料タンク４ｃから第１燃料タンク４ａへ移動させる。この結果１００％補償される。

またモニタリング装置１４には、燃料タンク４内の燃料量情報１８、および外部からの勾配地点情報２０が入力される。タンクの容量を越えた量の燃料を移動することはできないから、燃料タンクの容量に対して上限が設けられており、その上限を閾値とし、第１燃料タンク４ａ、第２燃料タンク４ｂ、第３燃料タンク４ｃのいずれかの燃料タンクに閾値以上の燃料７が流入してきた場合、上限監視センサ１８が“超過”情報を検出する。上限監視センサ１８の超過情報は、モニタリング装置１４を介してコントロール装置１５に送信される。超過情報を得たコントロール装置１５は、ポンプ８の作動を停止させ、超過が検出された燃料タンク４への燃料７の送油を停止する。反対に、燃料を移動することによって、タンクの下限を下回ってしまうとエンジンが燃料を吸引することができなくなってしまうため、下限に対しても閾値を設け、その閾値を下回った場合にもポンプ８を停止させる。また勾配地点情報２０より計算される軸重差と（４）式から算出される軸重差に大きな差異が無いことなどを監視している。

このように構成したので、鉄道車両１が平坦あるいは勾配上で起動する場合において、燃料を移動させることで軸重バランスが調整でき、全軸において牽引力が確保でき安定した引き出しを行うことができる。つまり、車体形状に影響されることなく軸重を制御することが可能な軸重制御システム及び軸重制御システムを搭載した鉄道車両１を提供することが可能となる。

また図４、図５はタンク配置の他の実施例を示している。図４は燃料タンクを台車の外に設けることで、車体が短い場合や燃料が少ない場合でもより大きな効果を得ることができる例を示す。図５はタンクを台車間に配置しており、車体が長い場合など、車端にタンクを配置しなくても大きな効果を得ることができる例を示す。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図６は、第２の実施形態の概要を示す。図７は第２の実施形態の軸重制御システムの回路概略図である。図８は第２の実施形態の動作を示すフローチャートである。

図６は、モータの駆動を制御する電力変換装置２２を図１の構成に追加して図示したものである。電力変換装置２２は、鉄道車両１の内部に配置されている。

図７に示すように、電力変換装置２２はモニタリング装置１４と接続されている。モニタリング装置１４は、勾配地点情報２０、ノッチ情報２６および電力変換装置から検出される電力変換装置の電流値２５及び車両の速度２９を常時モニタリングしている。

図８は第２実施形態の動作フローチャートを示す。フローは、列車走行前もしくは惰行中（ノッチオフ時）であることを条件とする（ＳＴＥＰ１）。 まず、荷重検出センサ５にて自重（対象となる鉄道車両１の重さ）を測定する（ＳＴＥＰ２）。その後、ノッチを入れて起動又は加速する（ＳＴＥＰ３）。 起動時の牽引力と加速度から、自重および被牽引車の総重量を推定する（ＳＴＥＰ４）。 走行中勾配地点に到達する前に、路線の勾配地点情報２０をモニタリング装置１４にて取得する（ＳＴＥＰ５）。第１の実施形態では勾配上における実際の軸重の変化量を荷重検出センサ５ａ及び５ｂによって算出した。本実施形態はこの第１実施形態と異なり、予め鉄道車両１が勾配に入る前に、勾配地点情報２０を用いて燃料移動量を算出する。算出した燃料移動量をもとに、勾配到達前に燃料を移動させることが特徴である。いかに示す式（８）により必要な燃料移動量を算出する（ＳＴＥＰ６）。レール面から車体重心までの距離をａ、勾配１２をθとすると勾配時の燃料移動量は式（８）で表すことができる。

以上より、燃料移動量Ｗ_Ｓは算出される。第１の実施形態と同様に、コントロール装置１５は、ポンプ８を作動させ、上記より算出された燃料移動量Ｗ_Ｓに基づき燃料を燃料タンク４ｃから４ａへ移動させる（ＳＴＥＰ７）。これにより、鉄道車両１の前方の台車２ａの軸重移動を防止できる。

次に電力変換装置による電流制御と、前述した本実施形態の構成を組合せた場合の例について説明する。

一般に、軸重が増加する軸に対しては、その軸に取り付けられているモータに出力する電流量を増やすことで牽引力を増大させる。また、軸重が減少する軸に対しては、その軸に取り付けられているモータに出力する電流量を絞って牽引力を減少させる。このような電流制御によって、各軸の車輪が空転することを抑制している。

モータへの電流制御による軸重移動補償は、電流量の絞込みが行われるためモータの牽引力が低下する。そのため本実施形態の構成を電流制御と組み合わせることで、牽引力を低下させずに、軸重バランスをとることが可能となる。

図９に電力変換装置による電流制御と組合せた軸重移動制御システムのフローチャートを示す。本実施形態では、基本的に電力変換装置による電流制御にてモータ電流値を制御し、軸重移動補償を行なっているものとする。列車走行中、（ＳＴＥＰ６）において計算された軸重移動量のうち、最後部の移動量が、モータへ流す電流値の閾値（流せる上限）を超えるかどうかの判断を行う（ＳＴＥＰ７）。 閾値を越えない場合は、電力変換装置による電流制御のみで走行する。一方で、勾配が急である、あるいは牽引力が大きいなどの理由により閾値を越えた場合は、前述した形態と同様に作用する。つまり、燃料７を鉄道車両１の第２燃料タンク４ｂまたは第３燃料タンク４ｃから第１燃料タンク４ａへ、第１燃料配管９ａｂまたは第２燃料配管９ｂｃを介して送油する（ＳＴＥＰ８）。送油することで、軸重が重くなる軸のモータへ流す電流を増やさずに、鉄道車両１の前方の第１車軸３ａ、第２車軸３ｂの軸重移動を防止することができる。

このように構成したので、鉄道車両１が勾配前に起動・加速する場合、予め燃料を移動させることで軸重移動を抑制でき、全軸において牽引力が確保でき安定した引き出しを行うことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１０は、第３の実施形態の概要を示す。図１１は第３の実施形態の軸重抑制システムの回路概略図である。

（構成）
図１０に示すように、本形態では牽引される車両１０（動力を搭載しない車両）から、総重量データを取得し、第２の実施形態と同様に総重量から必要な牽引力を推定する。総重量データの取得方法としては、被牽引車１０に搭載された荷重検出センサから重量を検出し、鉄道車両１のモニタリング装置１４に送信する手段や、被牽引車の車端部に赤外線送受信機を取付け、被牽引車１０から車両１に送信する手段などが考えられる。

このようにして、得られた総重量データから必要牽引力を推定する。

（作用）
第３の実施形態は、軸重移動防止および牽引力確保のため、牽引される車両から重量情報２７を取り込むことで、予め必要牽引力を求めることができる。基本的な作用は第２実施形態と同様である。

（動作）
図１１は第３実施形態の軸重制御システムの動作を示す回路概略図である。基本は第１の実施形態と同様であるが、第３実施形態では荷物総重量を事前に把握することで、起動・加速時および上り坂における必要牽引力を推定し、第２実施形態の式（８）を用いて燃料移動量を計算し、軸重が軽くなる前方のタンク４ａに燃料を移送する。台車間の軸重差が目標値に達するとコントロール装置により自動的にポンプを停止する。また、目標値到達前でも、後タンクに設けられた燃料容量が制限値を下回った場合、及び前タンク側の燃料容量が制限値を超えた場合はポンプが自動停止する。

（効果）
このように構成したので、鉄道車両１が起動・走行中および勾配上で起動する場合において、牽引力２４不足を防止し、安定した引き出しを行うことができる。

なお、ここでは、ディーゼルエンジン等を主たる動力源とする内燃式車両を例にとって、燃料タンク内の燃料を移動する実施例を説明したが、蒸気暖房に用いる水タンク内の水を移動するなど、他の用途の他の種類の液体によっても同様に実現可能である。特に水を用いる場合は、その水を本発明の軸重移動保障の目的だけに搭載する電気車の例も考えられ、内燃式車両のように燃料を消費するに伴って車両全体の重さが軽くなったり、軸重移動保障に一定の限度を生じることもないので好都合である。

１ 鉄道車両
２ａ 前台車
２ｂ 後台車
３ａ 第１車軸
３ｂ 第２車軸
３ｃ 第３車軸
３ｄ 第４車軸
４ａ 第１燃料タンク
４ｂ 第２燃料タンク
４ｃ 第３燃料タンク
５ａ 前荷重検出センサ
５ｂ 後荷重検出センサ
６ 中心ピン
７ 燃料
８ ポンプ
９ 配管
９ａｂ 第１燃料配管
９ｂｃ 第２燃料配管
１０ 被牽引車
１１ 進行方向
１２ 傾斜
１３ａ 前軸重
１３ｂ 後軸重
１４ モニタリング装置
１５ コントロール装置
１６ エンジン
１７ 発電機（電源）
１８ 燃料残量ゲージ
１９ レール
２０ 勾配地点情報（ＧＰＳ）
２１ モータ
２２ 電力変換装置
２３ 回転モーメント
２４ 牽引力
２５ 電力変換装置電流値
２６ ノッチ情報
２７ 連結器
２８ 重量情報
２９ 速度情報

Claims (8)

1. 鉄道車両の床下部に配置される２つ以上に分割された燃料タンクと、
   前記燃料タンク間で燃料を移送可能なポンプと、
   荷重検出センサにより軸重差を検出する軸重検出手段と、
   前記軸重検出手段により検出された荷重値より燃料移動料を計算する燃料移動料計算手段と
   を有する鉄道車両用軸重移動制御システム。
2. 前記燃料移動料計算手段に基づいてポンプを動作させて、燃料タンクにある燃料を鉄道車両が上り勾配にある時は前記鉄道車両の前方タンクへ移動させる請求項１記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
3. 前記燃料タンクが車両端と台車間に配置し、より短時間で燃料を移送し軸重変化する請求項１または２記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
4. 前記燃料タンクが両車端に配置される請求項１または２記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
5. 該鉄道車両搭載の電力変換装置による電流制御における電流値の増減とその限度を超えた場合に動作する請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
6. 鉄道車両が牽引する車両の総重量を加速時におけるモータ電流値から計算する請求項１から５のいずれか１項に記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
7. 鉄道車両が牽引する車両の総重量を前記被牽引車から情報を受信する請求項１から６のいずれか１項に記載の鉄道車両用軸重移動制御システム。
8. 鉄道車両の床下部に配置される２つ以上に分割された流体バラストタンクと、
   流体バラストタンク間で流体バラストを移送可能なポンプと、
   荷重検出センサにより軸重差を検出する軸重検出手段と、
   検出された軸重差より燃料移動料を計算する手段と、
   前記計算手段に基づいて前記ポンプを動作させて、流体バラストタンクにある燃料を鉄道車両が上り勾配にある時は前記鉄道車両の前方タンクへ移動させる鉄道車両用軸重移動制御システム。