JP2019155935A - 鉄道車両用制振装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータを過負荷から保護できるとともに鉄道車両における乗心地を向上できる鉄道車両用制振装置の提供である。【解決手段】鉄道車両用制振装置1は、作動流体の供給により伸縮するシリンダ本体Cyと、シリンダ本体Cyへ作動流体を供給するポンプ12と、ポンプ12を駆動するモータ15とを有して鉄道車両に設置されるアクチュエータAと、モータ15を制御する制御部Cとを備え、制御部Cは、モータ15の過熱状態を示す指標Hiが第一閾値αを超過すると強制停止する保護機能を有し、指標Hiが第一閾値αよりも低い第二閾値βを超過すると、指標Hiが第二閾値βよりも低い第三閾値γ以下になるまで指標Hiが低下するようにモータ15への通電を制御する。【選択図】図2

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、車体と台車との間に介装されて使用されるものが知られている。
より詳しくは、鉄道車両用制振装置は、シリンダと、シリンダ内に摺動自在に挿入されてシリンダ内をロッド側室とピストン側室とに区画するピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドとを備えて車体と台車との間に介装されるアクチュエータと、タンクと、ロッド側室と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、ピストン側室と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、ロッド側室へ作動油を供給するポンプと、ポンプを駆動するモータと、ロッド側室を前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開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁とを備えており、前記したポンプ、第一開閉弁、第二開閉弁および可変リリーフ弁を駆動して、伸縮双方へ推力を発揮でき、この推力で車体の振動を抑制するようになっている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2010−65797号公報
従来の鉄道車両用制振装置は、モータでポンプを一定の回転速度(単位時間当たりの回転数)で駆動し、車体の振動状況に応じて第一開閉弁、第二開閉弁および可変リリーフ弁を適宜駆動し、油圧を利用して車体の振動を抑制する推力を得て車体を制振する。
このような従来の鉄道車両用制振装置では、鉄道車両がポイントを通過する際等、車体が高速で振動する状況では、アクチュエータの伸縮速度も速くなる。
アクチュエータが高速で伸縮するとアクチュエータ内の圧力が一時的に過大となる場合がある。このような場合にもポンプを等速回転させるためにはモータに定格トルク以上のトルクを発生させる必要がある。
モータは、一般的には、起動時等では定格トルクを超えるトルク(以下、「過トルク」という)を出力する必要があるので、過トルクの出力が可能となっている。しかしながら、モータが過トルクを出力し続けるとモータが焼付く、所謂、焼損するので、モータを過負荷から保護するために、このような過トルクを出力しても焼損に至らないよう過トルクの出力時間を制限している。具体的には、モータを駆動するモータドライバは、モータが定格トルクを超えた度合と時間を積算してカウントして得た値を指標として、指標が閾値に達すると、モータの緊急停止処理を実行する。
よって、従来の鉄道車両用制振装置は、ポイント通過時等では、モータの保護のためにモータが緊急停止してしまって制振制御が中断してしまう場合がある。モータが緊急停止してしまうと、モータを再起動させるにはリセットするより他なく、鉄道車両の運行中に制振制御の復帰ができないので鉄道車両における乗心地を悪くする一因となっている。
そこで、本発明の目的は、モータを過負荷から保護できるとともに鉄道車両における乗心地を向上できる鉄道車両用制振装置の提供である。
本発明の鉄道車両用制振装置は、作動流体の供給により伸縮するシリンダ本体と、シリンダ本体へ作動流体を供給するポンプと、ポンプを駆動するモータとを有して鉄道車両に設置されるアクチュエータと、モータを制御する制御部とを備え、モータの過熱状態を示す指標が第一閾値を超過すると強制停止する保護機能を有し、指標が第一閾値よりも低い第二閾値を超過すると、指標が第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまで指標が低下するようにモータへの通電を制御するようになっている。このように鉄道車両用制振装置は、モータの焼損を防止できモータを過負荷から保護でき、モータの温度を低下させてからモータの通常通電を再開し得る。
また、鉄道車両用制振装置は、指標が第一閾値よりも低い第二閾値を超過すると、指標が第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまでモータへの通電を停止するようになっていてもよい。このように構成された鉄道車両用制振装置によれば、モータへの通電を停止するので、モータの温度上昇を速やかに停止させ得るので、モータの停止から通常通電の再開までに要する時間が短くて済む。よって、このように構成された鉄道車両用制振装置によれば、アクチュエータがアクチュエータとして機能できない時間が短くなり、鉄道車両における乗心地が悪化する時間を最小限に留め得る。
さらに、鉄道車両用制振装置におけるアクチュエータは、モータが停止しているとセミアクティブダンパ或いはパッシブダンパとして機能するようになっていてもよい。このように構成された鉄道車両用制振装置では、モータが停止されてから通常通電に復帰するまでのアクチュエータがアクチュエータとしての機能を発揮できなくなる間は、アクチュエータがセミアクティブダンパ或いはパッシブダンパとして機能するので、その間の鉄道車両における乗心地の悪化を抑制できる。
また、鉄道車両用制振装置は、指標が第二閾値を超過すると、指標が第三閾値以下になるまで、モータを駆動する駆動部へ与える電流指令のゲインを低下させるようになっていてもよい。このように構成された鉄道車両用制振装置によれば、モータが停止されずに推力が低下するもののアクチュエータがアクチュエータとして機能し続けるので、モータの通電を制限している最中の鉄道車両における乗心地の悪化を最小限に留め得る。
さらに、鉄道車両用制振装置は、指標が第二閾値を超過すると指標が第三閾値以下になるまで、モータの出力トルクを定格トルク未満に制限するようにしてもよい。このように構成された鉄道車両用制振装置によれば、モータが停止されずに推力が低下するもののアクチュエータがアクチュエータとして機能し続けるので、モータの通電を制限している最中の鉄道車両における乗心地の悪化を最小限に留め得る。
また、鉄道車両用制振装置は、シリンダとピストンとロッドとを備えるシリンダ本体と、タンクと、ロッド側室と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、ピストン側室と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、ロッド側室とタンクとを接続する排出通路と、排出通路の途中に設けた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁と、ピストン側室からロッド側室へ向かう作動流体の流れのみを許容する整流通路と、タンクからピストン側室へ向かう作動流体の流れのみを許容する吸込通路とをさらに備えており、ポンプはロッド側室へ作動流体を供給するようになっている。このように構成された鉄道車両用制振装置では、モータが停止されていても、アクチュエータがセミアクティブダンパとして機能するので、モータの停止中も制振効果が失われない。
本発明の鉄道車両用制振装置によれば、モータを過負荷から保護できるとともに鉄道車両における乗心地を向上できる。
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断面図である。 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回路図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置における制御部の制御ブロック図である。 モータの電流値を決定する手順の一例を示したフローチャートである。
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、本例では、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との間に設置されたアクチュエータAと、制御部Cとを備えて構成されている。そして、本例の鉄道車両用制振装置1は、アクチュエータAが発揮する推力で車体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いる。
アクチュエータAは、本例では図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内に挿入されて一端がピストン3に連結されるとともに他端が台車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とを備えるシリンダ本体Cyに加え、作動油を貯留するタンク7と、タンク7から作動油を吸い上げてロッド側室5へ作動油を供給するポンプ12と、ポンプ12を駆動するモータ15と、シリンダ本体Cyの伸縮の切換と推力を制御するための流体圧回路HC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、前記ロッド側室5とピストン側室6には、本例では、作動流体として作動油が充填されるとともに、タンク7には、作動油の他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して加圧状態とする必要は無い。また、作動流体は、作動油以外にも他の液体を利用してもよい。
流体圧回路HCは、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とを備えている。
そして、基本的には、第一開閉弁9で第一通路8を連通状態とし、第二開閉弁11を閉じてポンプ12を駆動すると、シリンダ本体Cyが伸長し、第二開閉弁11で第二通路10を連通状態とし、第一開閉弁9を閉じてポンプ12を駆動すると、シリンダ本体Cyが収縮する。
以下、アクチュエータA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、前記ロッドガイド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内の他端をシリンダ2内に摺動自在に挿入されるピストン3に連結している。
なお、ロッドガイド14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内は密閉状態に維持されている。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、前述のように作動油が充填されている。
また、このシリンダ本体Cy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いる。よって、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り、シリンダ本体Cyの変位量に対する作動油量も伸縮両側で同じとなる。
詳しくは、シリンダ本体Cy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り、アクチュエータAは、ピストン3におけるロッド側室5側とピストン側室6側の受圧面積差に前記圧力を乗じた推力を発生する。反対に、シリンダ本体Cyを収縮作動させる場合、ロッド側室5とピストン側室6との連通を断ちピストン側室6をタンク7に連通させた状態とする。すると、アクチュエータAは、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。
要するに、アクチュエータA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A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。また、本例のアクチュエータAでは、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る。加えて、変位量に対する作動油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Aの伸縮両側の推力を制御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とには、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータAを鉄道車両における台車Tと車体Bとの間に介装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、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と、第一通路8を遮断してロッド側室5とピストン側室6との連通を断つ遮断ポジションとを備えている。そして、この第一開閉弁9は、通電時に連通ポジションを採り、非通電時に遮断ポジションを採るようになっている。
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、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と、第二通路10を遮断してピストン側室6とタンク7との連通を断つ遮断ポジションとを備えている。そして、この第二開閉弁11は、通電時に連通ポジションを採り、非通電時に遮断ポジションを採るようになっている。
ポンプ12は、モータ15によって駆動され、一方向のみに作動油を吐出するポンプとされている。そして、ポンプ12の吐出口は供給通路16によってロッド側室5へ連通されるとともに吸込口はタンク7に通じていて、ポンプ12は、モータ15によって駆動されるとタンク7から作動油を吸込んでロッド側室5へ作動油を供給する。
前述のようにポンプ12は、一方向のみに作動油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への作動油の逆流を阻止する逆止弁17が設けられている。
さらに、本例の流体圧回路HCは、前述の構成に加えて、ロッド側室5とタンク7とを接続する排出通路21と、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を備えている。
可変リリーフ弁22は、本例では、比例電磁リリーフ弁とされており、供給する電流量に応じて開弁圧を調節でき、電流量を最大とすると開弁圧を最小とし、電流を供給しないと開弁圧を最大と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とを設けると、シリンダ本体Cyを伸縮作動させる際に、ロッド側室5内の圧力を可変リリーフ弁22の開弁圧に調節でき、アクチュエータAの推力を可変リリーフ弁22へ供給する電流量で制御できる。排出通路21と可変リリーフ弁22とを設けると、アクチュエータAの推力を調節するために必要なセンサ類が不要となり、ポンプ12の吐出流量の調節のためにモータ15を高度に制御する必要もなくなる。よって、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できる。
なお、第一開閉弁9を連通ポジションとし第二開閉弁11を遮断ポジションとする場合或いは第一開閉弁9を遮断ポジションとし第二開閉弁11を連通ポジションとする場合、ポンプ12の駆動状況に関わらず、伸長或いは収縮のいずれか一方に対してのみアクチュエータAが減衰力を発揮できる。よって、たとえば、減衰力を発揮する方向が鉄道車両の台車Tの振動により車体Bを加振する方向である場合、そのような方向には減衰力を出さないようにアクチュエータAを片効きのダンパとすることができる。よって、このアクチュエータAは、カルノップ理論に基づくセミアクティブ制御を容易に実現できるため、セミアクティブダンパとしても機能できる。
なお、可変リリーフ弁22に与える電流量で開弁圧を比例的に変化させる比例電磁リリーフ弁を用いると開弁圧の制御が簡単となるが、開弁圧を調節できる可変リリーフ弁であれば比例電磁リリーフ弁に限定されない。
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、シリンダ本体Cy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を開放する。このように、可変リリーフ弁22は、ロッド側室5の圧力が開弁圧以上となると、ロッド側室5内の圧力をタンク7へ排出するので、シリンダ2内の圧力が過大となるのを防止してアクチュエータAのシステム全体を保護する。よって、排出通路21と可変リリーフ弁22とを設けると、システムの保護も可能となる。
さらに、本例のアクチュエータAにおける流体圧回路HCは、ピストン側室6からロッド側室5へ向かう作動油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へ向かう作動油の流れのみを許容する吸込通路19を備えている。よって、本例のアクチュエータAでは、第一開閉弁9および第二開閉弁11が閉弁する状態でシリンダ本体Cyが伸縮すると、シリンダ2内から作動油が押し出される。シリンダ2内から排出された作動油の流れに対して可変リリーフ弁22が抵抗を与えるので、第一開閉弁9および第二開閉弁11が閉弁する状態では、本例のアクチュエータAはユニフロー型のダンパとして機能する。
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、ピストン側室6からロッド側室5へ向かう作動油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、タンク7からピストン側室6へ向かう作動油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の遮断ポジションを逆止弁とすると第一通路8に集約でき、吸込通路19についても、第二開閉弁11の遮断ポジションを逆止弁とすると第二通路10に集約できる。
このように構成されたアクチュエータAでは、第一開閉弁9と第二開閉弁11がともに遮断ポジションを採っても、整流通路18、吸込通路19および排出通路21で、ロッド側室5、ピストン側室6およびタンク7を数珠繋ぎに連通させる。また、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。よって、シリンダ本体Cyが外力によって伸縮すると、シリンダ2から必ず作動油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で足りなくなる作動油は吸込通路19を介してタンク7からシリンダ2内へ供給される。この作動油の流れに対して前記可変リリーフ弁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ので、アクチュエータAは、パッシブなユニフロー型のダンパとして機能する。
また、アクチュエータA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のそれぞれが遮断ポジションを採り、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。よって、このようなフェール時には、アクチュエータAは、自動的に、パッシブダンパとして機能する。
つづいて、アクチュエータAに所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、制御部Cは、基本的には、モータ15を回転させてポンプ12からシリンダ2内へ作動油を供給しつつ、第一開閉弁9を連通ポジションとし、第二開閉弁11を遮断ポジションとする。このようにすると、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から作動油が供給され、ピストン3が図2中左方へ押されアクチュエータA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が開弁して作動油が排出通路21を介してタンク7へ排出される。よって、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、アクチュエータA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、アクチュエータAに所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、制御部Cは、モータ15を回転させてポンプ12からロッド側室5内へ作動油を供給しつつ、第一開閉弁9を遮断ポジションとし、第二開閉弁11を連通ポジションとする。このようにすると、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から作動油が供給されるので、ピストン3が図2中右方へ押されアクチュエータAは収縮方向の推力を発揮する。そして、前述と同様に、可変リリーフ弁22の電流量を調節すると、アクチュエータA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、アクチュエータA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の開閉のみでダンパとしても機能できる。また、アクチュエータAをアクチュエータからダンパへ切換る際に、面倒かつ急峻な第一開閉弁9と第二開閉弁11の切換動作を伴わないので、応答性および信頼性が高いシステムを提供できる。
なお、本例のアクチュエータA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と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、本例のアクチュエータAにおけるポンプ12からの作動油供給および伸縮作動による作動油の流れは、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いる。そのため、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、シリンダ本体Cy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A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ず、作動油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、シリンダ本体Cy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できる。
つづいて、制御部Cについて説明する。制御部Cは、図3に示すように、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aを検出する加速度センサ40と、横方向加速度aに含まれる曲線走行時の定常加速度、ドリフト成分やノイズを除去するバンドパスフィルタ41と、バンドパスフィルタ41で濾波した横方向加速度aを処理して、アクチュエータAのモータ15、第一開閉弁9、第二開閉弁11、可変リリーフ弁22へ制御指令を出力する制御処理部42とを備えて構成され、アクチュエータAの推力を制御する。なお、バンドパスフィルタ41で横方向加速度aに含まれる曲線走行時の定常加速度が除去されるので、乗心地を悪化させる振動のみを抑制できる。
制御処理部42は、図3に示すように、加速度センサ40で検知した横方向加速度aに基づいてアクチュエータAで発生すべき推力である制御力Fを求める制御力演算部421と、モータ15の回転速度を監視してモータ15を所定の回転速度で回転駆動するためにモータ15に与えるべき電流値Iを求めるモータ電流値演算部422と、電流値Iの入力を受けて最終的にモータ15へ与える電流指令Ieを決定するモータ電流値決定部423と、制御力Fに基づいて可変リリーフ弁22へ与えるリリーフ弁電流値IRを求めるリリーフ弁電流値演算部424と、制御力Fの入力を受けて第一開閉弁9および第二開閉弁11を切換駆動する開閉弁駆動部425と、リリーフ弁電流値IRの入力を受けて可変リリーフ弁22へ供給する電流量を制御するリリーフ弁制御部426と、電流指令Ieの入力を受けてモータ15へ電流指令Ie通りに電流を供給してモータ15を駆動する駆動部としてのモータドライバ427とを備えて構成されている。
制御力演算部421は、本例では、H∞制御器とされており、横方向加速度aから車体Bの振動を抑制するためにアクチュエータAが出力すべき推力を指示する制御力Fを求める。なお、制御力Fは、方向により正負の符号が付されており、符号はアクチュエータAに出力させるべき推力の方向を示す。開閉弁駆動部425は、制御力Fの入力を受けると、制御力Fの符号に応じて第一開閉弁9と第二開閉弁11に電流供給或いは電流供給を停止して開閉駆動させる。より詳細には、アクチュエータAの伸長方向を正とし、収縮方向を負とする場合、開閉弁駆動部425は、第一開閉弁9と第二開閉弁11を以下のように動作させる。制御力Fの符号が正である場合、アクチュエータAの推力発揮方向が伸長方向であるので、開閉弁駆動部425は、第一開閉弁9を連通ポジションとしつつ第二開閉弁11を遮断ポジションとする。すると、ポンプ12からロッド側室5とピストン側室6の双方に作動油が供給されてアクチュエータAは伸長方向の推力を発揮する。他方、制御力Fの符号が負である場合、アクチュエータAの推力発揮方向が収縮方向であるので、開閉弁駆動部425は、第一開閉弁9を遮断ポジションとしつつ第二開閉弁11を連通ポジションとする。すると、ポンプ12からロッド側室5のみに作動油が供給されてピストン側室6とタンク7とが連通されるので、アクチュエータAは収縮方向の推力を発揮する。
なお、制御力演算部421は、本例では、横方向加速度aのみから制御力Fを求めているが、車体Bのスエー加速度とヨー加速度とに基づいて、車体Bのスエーを抑制する制御力とヨーを抑制する制御力を別々に求め、これらを加算して制御力Fを求めてもよい。また、制御力演算部421は、横方向加速度aから車体Bの速度を求めてスカイフックゲインを乗じて制御力Fを求めるスカイフック制御を行う制御器であってもよい。
モータ電流値演算部422は、モータ15の回転速度を検知するセンサ43とモータ15に流れる電流量を検知するセンサ44から回転速度と電流量の入力を受け、モータ15の回転速度とモータ15に流れる電流量を監視する。そして、モータ電流値演算部422は、速度ループと電流ループを備えており、モータ15の回転速度と電流量をフィードバックして、モータ15を所定の回転速度で駆動させるためにモータ15に与えるべき電流値Iを求める。モータ15の回転速度は、モータ15がブラシレスモータである場合、通常、モータ15に備えられる電気角を検知するためのレゾルバやホール素子等をセンサ43として利用すればよい。また、モータ15の電流量は、モータ15が通常備えている電流センサをセンサ44として用いればよい。所定の回転速度については、鉄道車両用制振装置1を適用する鉄道車両の制振に最適な値に予め決めればよい。つまり、モータ電流値演算部422は、所定の回転速度を目標回転速度として、モータ15の回転速度と目標回転速度の偏差に基づいて目標電流値を求め、目標電流値とモータ15に実際に流れている電流量との偏差に基づいてモータ15へ与えるべき電流値Iを求める。
モータ電流値決定部423は、センサ44が検知したモータ15に流れる電流に基づいて指標Hiを求める。指標Hiは、モータ15の過熱状態を示す値である。モータ15は、出力するトルクが定格トルク以内となるように駆動される場合、継続的に駆動されても焼損の恐れがないので、継続駆動が可能である。他方、モータ15の出力トルクが定格トルクを超過する状態を継続してモータ15を駆動すると発熱によって焼損する可能性がある。モータ15の発熱量は、定格トルクをどの程度上回るトルクが何秒出力されているかで決まる。センサ43でモータ15の回転速度を検知し、センサ44でモータ15に流れる電流量を検知しているので、既知の回転速度と電流量からモータ15のトルクは求められる。指標Hiは、求めたモータ15のトルクから定格トルクを差し引いた差分を用いて求められる。具体的には、モータ電流値決定部423は、所定の制御周期で指標Hiを求める演算を実行しているので、前回演算時に得られた指標Hiの値に、今回演算時に得られる加算値を加算して指標Hiを順次更新する。
加算値の演算に当たっては、モータ15が制御周期の時間の間に定格トルクを超えるトルクを出力する場合に前記差分に応じてどの程度モータ15の温度が上昇するか、および、モータ15が制御周期の時間の間に定格トルク以下のトルクを出力すると差分に応じてどの程度モータ15の温度が低下するかを把握しておき、前記差分をパラメータとして数式化しておく。つまり、モータ15が制御周期の時間の間に定格トルクを超えるトルクを出力する場合の温度上昇についての数式と、モータ15が制御周期の時間の間に定格トルク未満のトルクを出力する場合の温度低下についての数式とが予め用意される。なお、これらの数式は、モータ15の仕様によって理論的あるいは試験的に求めればよい。
よって、モータ電流値決定部423は、モータ15の出力トルクが定格トルクを超過する場合、温度上昇に使用される数式を利用して差分をインプットして加算値を求める。他方、モータ電流値決定部423は、モータ15の出力トルクが定格トルク未満である場合、温度低下に使用される数式を利用して差分をインプットして加算値を求める。温度上昇の数式で求められた加算値は、差分の符号が正であるので、正の値を持ち、温度低下の数式で求められた加算値は、差分の符号が負であるので、負の値を持つ。そして、モータ電流値決定部423は、こうして求めた加算値を前回の制御周期で求めた指標Hiに加算して指標Hiの値を更新する。
そして、モータ電流値決定部423は、更新後の指標Hiと第一閾値αとを比較して指標Hiが第一閾値αを超過すると、モータ15が焼損する恐れがあるので、モータ15を強制停止すべく、最終的にモータ15へ与える電流指令Ieを0とする緊急停止処理を行う。この電流指令Ieは、モータ15を駆動するモータドライバ427に与えられる最終的な電流指令となる。指標Hiは、前述したとおり、モータ15の過熱状態を示す値であってモータ15の温度が高温となればなるほど大きな値を採る。第一閾値αは、指標Hiがモータ15が焼損する温度に達することを示唆する値或いはこの値よりも若干低い値に設定されている。よって、モータ電流値決定部423は、指標Hiが第一閾値αを超過すると直ちにモータドライバ427へ与える最終的な電流指令Ieを0としてモータ15への通電を停止させてモータ15を保護する。つまり、モータ電流値決定部423は、モータ15を保護する保護機能を備えている。なお、指標Hiの算出については、モータドライバ427に搭載される演算処理装置によって行ってもよく、緊急停止処理を実行する保護機能についてもモータドライバ427が備えていてもよい。
また、モータ電流値決定部423は、更新後の指標Hiと第一閾値αよりも低い値に設定される第二閾値βとを比較して指標Hiが第二閾値β以下であると、モータ電流値演算部422が求めた電流値Iをそのまま最終的な電流指令Ieとしてモータドライバ427へ出力する。これに対して、モータ電流値決定部423は、更新後の指標Hiと第二閾値βとを比較して指標Hiが第二閾値βを超過すると、モータ15へ与える電流を低く制限するモータ電流制限処理を実行する。本実施の形態では、モータ電流値決定部423は、更新後の指標Hiが第二閾値βを超過すると、直ちにモータドライバ427へ与える最終的な電流指令Ieを0として、モータ15への通電を停止して指標Hiが低下するように制御する。
モータ15への通電を停止させた後も、モータ電流値決定部423は、加算値を求めて指標Hiの値を更新する。モータ15の通電停止後は、モータ15の温度は低下するので、指標Hiの値は、モータ15の放熱によって徐々に低下する。つまり、モータ電流値決定部423は、第一閾値αよりも低い値に設定される第二閾値βを使用して、指標Hiが第二閾値βを超過するとモータ電流制限処理を実行するので、モータ15の緊急停止処理を行う前にモータ15の温度を低下させるのである。なお、第二閾値βは、指標Hiが第二閾値β以下であったにも関わらず、次回の制御周期で求められた指標Hiが第一閾値αを超過してしまうことがないように設定されればよい。
そして、モータ電流値決定部423は、更新後の指標Hiと第二閾値βよりも低い値に設定される第三閾値γとを比較して指標Hiが第三閾値γ以下となると、モータ15の温度が充分低下しているのでモータ15への通常通りの通電を再開すべく、モータ電流値演算部422が求めた電流値Iをそのまま最終的な電流指令Ieとしてモータドライバ427へ出力する。第三閾値γは、モータ15の温度が充分低下しているのを認識できる指標Hiの値に設定されればよい。第二閾値βと第三閾値γとの差が小さいと、モータ電流制限制御のオンオフが振動的に繰り返される可能性があるので、第二閾値βと第三閾値γとの値はこのような制御のオンオフが振動的にならないように配慮して設定されればよい。
モータ電流値演算部422とモータ電流値決定部423の処理を図4に示したフローチャートを用いて説明する。まず、制御部Cは、モータ15の回転速度とモータ15に流れている電流量を検知する(ステップF1)。つづいて、検知した回転速度と電流量に基づいてモータ15へ与えるべき電流値Iを求める(ステップF2)。さらに、制御部Cは、指標Hiを求める(ステップF3)。つづいて、制御部Cは、0または1の値をとる制御フラグが1であるか否かを判断する(ステップF4)。制御フラグが1でない場合、制御部Cは、指標Hiと第一閾値αとを比較し(ステップF5)、指標Hiが第一閾値αを超過している場合、緊急停止処理を実行し電流指令Ieを0として(ステップF6)、処理を終了する。この場合、制御部Cは、モータ15のリセットを行わないと制御を行えないため、第一開閉弁9、第二開閉弁11および可変リリーフ弁22のみの制御を継続してアクチュエータAをセミアクティブダンパとして機能させる。なお、制御部Cは、フェールモードへ移行して第一開閉弁9、第二開閉弁11および可変リリーフ弁22に一切通電せず、アクチュエータAをパッシブダンパとして機能させてもよい。
他方、指標Hiが第一閾値α以下である場合、制御部Cは、指標Hiと第二閾値βとを比較し(ステップF7)、指標Hiが第二閾値β以下である場合には、モータ15への通電を継続しても問題ないので電流値Iを電流指令Ieとする(ステップF8)。制御部Cは、指標Hiが第二閾値βを超過している場合、制御フラグを1に設定し(ステップF9)、モータ15への通電を継続すると緊急停止処理が実行される恐れがあるのでモータ電流制限処理を実行して電流指令Ieを0とする(ステップF10)。なお、制御部Cは、モータ15の駆動が制限されるだけであるから、第一開閉弁9、第二開閉弁11および可変リリーフ弁22のみの制御を継続してアクチュエータAをセミアクティブダンパとして機能させる。なお、制御部Cは、アクチュエータAをパッシブダンパとして機能させてもよい。また、この場合、制御部Cは、モータ電流制限処理を実行するがモータ15の温度が低下すればモータ15の駆動を再開するため、指標Hiの演算を繰り返すべくステップF1の処理へ移行する。つまり、制御フラグは、指標Hiが第二閾値βを超過した状態であるか否かを判定するためのフラグであり、値が1であると指標Hiが第二閾値βを超過した状態を示し、値が0であると指標Hiが第二閾値βを超過していない状態を示している。
そして、ステップF4の判断で制御フラグが1の場合、モータ電流制限処理が実行中であるため、制御部Cは、指標Hiが第三閾値γ以下であるかを判断する(ステップF11)。制御部Cは、指標Hiが第三閾値γ以下である場合、モータ15の通電を再開すべく電流値Iを電流指令Ieとし(ステップF11)、制御フラグの値を0として(ステップF12)、ステップF1の処理へ戻る。他方、指標Hiが第三閾値γを超過している場合には、制御部Cは、電流値Iを0として(ステップF12)、ステップF1の処理へ戻る。以上の処理を繰り返して、モータ電流値演算部422とモータ電流値決定部423は、最終的な電流指令Ieを決定する。
つづいて、リリーフ弁電流値演算部424は、前述のようにそれぞれ求められた制御力Fに基づいて可変リリーフ弁22へ供給するリリーフ弁電流値IRを求める。ここで、可変リリーフ弁22は、供給される電流量に比例して開弁圧が変化するが、通過流量に応じて圧力損失が増加する圧力オーバーライドを有する特性を備えている。モータ15の回転速度が所定の回転速度で等速回転しており、可変リリーフ弁22を通過する作動油量がある程度想定できるので、リリーフ弁電流値演算部424は、圧力オーバーライドを加味して前記リリーフ弁電流値IRを求める。
リリーフ弁制御部426は、本例では、可変リリーフ弁22の符示しないソレノイドを駆動するドライバとされていて、リリーフ弁電流値IRの入力を受けて可変リリーフ弁22へリリーフ弁電流値IR通りの電流量を供給する。
モータドライバ427は、モータ15へ電流を供給する。モータ15が駆動してポンプ12は、回転する。モータドライバ427は、本例では、電流指令Ieの入力を受けて、モータ15をPWM制御して、モータ15に流れる電流量が電流指令Ieの指示する電流量となるようにモータ15を駆動する。
なお、制御部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、センサ43,44が出力する信号を取り込むためのA/D変換器と、バンドパスフィルタ41で濾波した横方向加速度aを取り込んでアクチュエータA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、前記プログラムに基づいた処理を実行するCPU(Central Processing Unit)等の演算装置と、前記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、制御部Cの制御処理部42における各部は、CPUの前記プログラムの実行により実現できる。また、バンドパスフィルタ41は、前記CPUのプログラムの実行により実現されてもよい。
このように鉄道車両用制振装置1は、作動油(作動流体)の供給により伸縮するシリンダ本体Cyと、シリンダ本体Cyへ作動油(作動流体)を供給するポンプ12と、ポンプ12を駆動するモータ15とを有して鉄道車両に設置されるアクチュエータAと、モータ15を制御する制御部Cとを備え、制御部Cは、モータ15の過熱状態を示す指標Hiが第一閾値αを超過すると強制停止する保護機能を有し、指標Hiが第一閾値αよりも低い第二閾値βを超過すると、指標Hiが第二閾値βよりも低い第三閾値γ以下になるまで指標Hiが低下するようにモータ15への通電を制御するようになっている。
このように本発明の鉄道車両用制振装置1は、第一閾値αよりも低い値に設定される第二閾値βを使用して、指標Hiが第二閾値βを超過するとモータ電流制限処理を実行するので、モータ15の焼損を防止できモータ15を過負荷から保護でき、緊急停止処理を行う前にモータ15の温度を低下させ得る。また、本発明の鉄道車両用制振装置1は、指標Hiと第二閾値βよりも低い値に設定される第三閾値γとを比較してモータ15への通常通りの通電を再開するので、モータ15の温度を充分に低下させてからモータ15への通常通電を再開できる。よって、本発明の鉄道車両用制振装置1では、モータ15が緊急停止される前にモータ15に流れる電流を制限でき、モータ15の温度が低下すればモータ15の駆動が再開される。以上より、本発明の鉄道車両用制振装置1によれば、モータ15を過負荷から保護できるとともに、モータ15の温度が低下すればモータ15の通常通電を再開するので、車両における乗心地を向上できる。
また、本実施の形態の鉄道車両用制振装置1にあっては、指標Hiが第一閾値αよりも低い第二閾値βを超過すると、指標Hiが第二閾値βよりも低い第三閾値γ以下になるまで制御部Cがモータ15への通電を停止するようになっている。このように構成された鉄道車両用制振装置1によれば、モータ15への通電を停止するので、モータ15の温度上昇を速やかに停止させ得るので、モータ15の停止から通常通電の再開までに要する時間が短くて済む。よって、このように構成された鉄道車両用制振装置1によれば、アクチュエータがアクチュエータとして機能できない時間が短くなり、鉄道車両における乗心地が悪化する時間を最小限に留め得る。
さらに、本実施の形態の鉄道車両用制振装置1にあっては、モータ15が停止しているとアクチュエータAがセミアクティブダンパ或いはパッシブダンパとして機能する。このように構成された鉄道車両用制振装置1では、モータ15が停止されてから通常通電に復帰するまでのアクチュエータAがアクチュエータとしての機能を発揮できなくなる間は、アクチュエータAがセミアクティブダンパ或いはパッシブダンパとして機能するので、その間の鉄道車両における乗心地の悪化を抑制できる。
なお、鉄道車両用制振装置1は、指標Hiが第二閾値βを超過すると、指標Hiが第三閾値γ以下になるまで、モータ15を駆動するモータドライバ(駆動部)427へ与える電流指令Ieのゲインを低下させるようになっていてもよい。つまり、モータ電流値決定部423は、モータ電流値演算部422が求めた電流値IにゲインKを乗じて最終的な電流指令Ieを求めるようにし、指標Hiが第二閾値β以下ではゲインKを1として、指標Hiが第二閾値βを超過するとゲインKの値を0以上1未満の値に設定して電流指令Ieを求めるようにしてもよい。このようにすると、電流値Iがモータ15に定格トルクを超過するトルクを出力するような指示となっていても、電流指令Ieが電流値Iに対して低減されるので、指標Hiが低下するようにモータ15への通電が制御されて、モータ15の発熱を抑えて温度を低下させ得る。このように構成された鉄道車両用制振装置1では、モータ15が停止されずに推力が低下するもののアクチュエータAがアクチュエータとして機能し続けるので、モータ15の通電を制限している最中の鉄道車両における乗心地の悪化を最小限に留め得る。
また、鉄道車両用制振装置1は、指標Hiが第二閾値βを超過すると指標Hiが第三閾値γ以下になるまで、モータ15の出力トルクを定格トルク未満に制限するようにしてもよい。この場合、モータ電流値決定部423は、モータ電流値演算部422が求めた電流値Iが定格トルクを超過するトルクをモータ15に出力させる場合には、電流値Iをモータ15が出力トルクを定格トルクとする値にクランプするリミッタとして機能すればよい。このようにすると、電流値Iがモータ15に定格トルクを超過するトルクを出力するような指示となっていても、モータ15の出力トルクが定格トルクを超過しないので、指標Hiが低下するようにモータ15への通電が制御されて、モータ15の発熱を抑えて温度を低下させ得る。このように構成された鉄道車両用制振装置1では、モータ15が停止されずに推力が低下するもののアクチュエータAがアクチュエータとして機能し続けるので、モータ15の通電を制限している最中の鉄道車両における乗心地の悪化を最小限に留め得る。
さらに、本例の鉄道車両用制振装置1は、シリンダ2とピストン3とロッド4とを備えるシリンダ本体Cy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とタンク7とを接続する排出通路21と、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、ピストン側室6からロッド側室5へ向かう作動油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へ向かう作動油の流れのみを許容する吸込通路19とさらに備えており、ポンプ12はロッド側室5へ作動油を供給するようになっている。このように構成された鉄道車両用制振装置1では、モータ15が停止されていても、アクチュエータAがセミアクティブダンパとして機能するので、モータ15の停止中も制振効果が失われない。
以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。
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、15・・・モータ、18・・・整流通路、19・・・吸込通路、21・・・排出通路、22・・・可変リリーフ弁、427・・・モータドライバ(駆動部)、A・・・アクチュエータ、C・・・制御部、Cy・・・シリンダ本体、Hi・・・指標、α・・・第一閾値、β・・・第二閾値、γ・・・第三閾値

Claims (6)

  1. 作動流体の供給により伸縮するシリンダ本体と、前記シリンダ本体へ前記作動流体を供給するポンプと、前記ポンプを駆動するモータとを有して鉄道車両に設置されるアクチュエータと、
    前記モータを制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、
    前記モータの過熱状態を示す指標が第一閾値を超過すると強制停止する保護機能を有し、
    前記指標が前記第一閾値よりも低い第二閾値を超過すると、前記指標が前記第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまで前記指標が低下するように前記モータへの通電を制御する
    ことを特徴とする鉄道車両用制振装置。
  2. 前記制御部は、前記指標が前記第一閾値よりも低い前記第二閾値を超過すると、前記指標が前記第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまで前記モータへの通電を停止する
    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. 前記アクチュエータは、前記モータが停止していると、セミアクティブダンパ或いはパッシブダンパとして機能する
    ことを特徴とする請求項2に記載の鉄道車両用制振装置。
  4. 前記制御部は、前記指標が前記第一閾値よりも低い前記第二閾値を超過すると、前記指標が前記第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまで、前記モータを駆動する駆動部へ与える電流指令のゲインを低下させる
    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。
  5. 前記制御部は、前記指標が前記第一閾値よりも低い前記第二閾値を超過すると、前記指標が前記第二閾値よりも低い第三閾値以下になるまで、前記モータの出力トルクを定格トルク未満に制限する
    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。
  6. 前記アクチュエータは、流体圧回路と、タンクとを備え、
    前記シリンダ本体は、
    シリンダと、
    前記シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、
    前記シリンダ内に挿入されてピストンに連結されるロッドと、
    前記シリンダ内にピストンで区画したロッド側室とピストン側室とを有し、
    前記流体圧回路は、
    前記ロッド側室と前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、
    前記ピストン側室と前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、
    前記ロッド側室と前記タンクとを接続する排出通路と、
    前記排出通路の途中に設けた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁と、
    前記ピストン側室からロッド側室へ向かう作動流体の流れのみを許容する整流通路と、
    前記タンクから前記ピストン側室へ向かう作動流体の流れのみを許容する吸込通路とを有し、
    前記ポンプは、前記ロッド側室へ前記作動流体を供給する
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
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