JP4026138B2 - 鉄道車両の制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の制御システムに係り、特に、車両の各軸毎に電気による制動装置と機械による制動装置の両方を備え、制動時には両装置を同時に使用する鉄道車両の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の鉄道車両のブレーキ時においては、一車両内の各軸のブレーキ力は一律に決定され、各軸がその位置関係に依らず、すべて同一のブレーキ力が得られるように制御していた。
図２に、従来の技術を示す。運転台から与えられたブレーキ指令１２は各車のブレーキ力調整装置３に入力し、このブレーキ力調整装置３から各軸のブレーキ力を指令すべく、機械ブレーキ指令（空制ブレーキ指令）１４を空気ブレーキ制御装置を形成する空気圧変換器５に、電気ブレーキ指令（電制ブレーキ指令）１３を電動機４の電流を制御する主回路制御装置を形成するＶＶＶＦ装置６に出力する。ブレーキ力調整装置３は、通常、可能な限りはブレーキ力を電動機４によって得るというポリシーによって制御し、まずは上位からのブレーキ力はＶＶＶＦ装置６に出力する。そして、ＶＶＶＦ装置６ではこれに従って電動機４の電流を制御する。各ＶＶＶＦ装置６は、各々の電動機４の電流を検出し、その電流によって現在出力されているブレーキ力を推定し、ＶＶＶＦ装置６はそれをブレーキ力調整装置３に電制ブレーキ力ＦＢ１５としてフィードバックする。そして、再びブレーキ力調整装置３では、元々の指令値とこのフィードバックされた値を比較し、同値であれば、特に何もしないが、もし、指令に対して電動機４が出しているブレーキ力が不足する場合は、その差分を空気ブレーキによって補う必要がある。この場合、ブレーキ力調整装置３は、その差にあたるブレーキ指令値１４を空気圧変換器５に入力し、空気圧変換器５は、この指令に相当するブレーキ圧力（空気圧）を出力する。この空気圧（ＢＣ圧）は機械ブレーキユニット８に装備された各ブレーキシリンダ７に供給され、これが摺動部品をレール１上の車輪２に押し付け、ブレーキ力を得る。
このとき、空気圧は一箇所でのみ発生するため、同一のブレーキ力が各軸に発生する。また、ＶＶＶＦ装置６による電動機４の制御においても、指令が単一系統であるため、各ＶＶＶＦ装置６とも同一の電流を流すことになり、電動機４によるブレーキも各軸とも同一である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御技術では、各車輪、各軸が同一条件である場合には何ら問題はないが、実際には、各軸はその軸の位置関係に応じてさまざまな制約があり、すべて同一のブレーキ力を作用させた場合、ある軸にとっては滑走が発生する可能性が高く、また、ある軸にとっては逆に低い状態であることがあり、特定の軸が滑走するケースが多かった。一部の軸において一旦滑走が発生すると、ブレーキ力が低下してしまい、ブレーキ距離が延びるなどの不都合が生じる。
従って、滑走が発生する可能性の高い軸は極力作らないことが望ましい。別の言い方をすると、特定の軸の利用粘着係数が他と比べて高くなることのないようにすることが望ましい。また、利用粘着係数が各軸で異なるような場合、物理的な限界の粘着係数を超えないよう、また、その差つまり余裕分が各軸で同じになるように配分することが効率の良いブレーキ制御のためには、重要である。
【０００４】
本発明の課題は、車両の各軸に独立なブレーキ力が与えられる機器構成を採用した上で、各軸ごとに最適なブレーキ力指令を与え、効率の良いブレーキを作用させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、運転台からのブレーキ指令を各車両のブレーキ力調整装置に入力し、ブレーキ力調整装置から各車両の各軸ごとにブレーキ力を指令すべく電気ブレーキ指令と機械ブレーキ指令をそれぞれ独立して出力し、可能な限り電気ブレーキ指令を優先して各車両の車輪にブレーキ力を付与する鉄道車両の制御システムであって、ブレーキ力調整装置に車両の進行方向指令と荷重を入力し、ブレーキ指令を各車両の軸数で均等化し、各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数を乗じて各軸のブレーキ力指令値を決定し、進行方向指令と車両内の各車輪の位置に応じて各車輪毎のブレーキ力を調整すると共に、各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数は、車両の荷重、車両の各軸が出力するブレーキ力、車体全体のブレーキ力の作用点のレール面からの高さ、台車間距離、台車の力の作用点のレール面からの高さ、台車内軸間距離（軸距）に基づいて計算し、車両の各軸の軸重移動量の大きさに応じて変更する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による鉄道車両の制御システムの一実施形態を示す。
図１において、車両の各軸（図１の左側から第１軸，第２軸，第３軸，第４軸とする。）ごとにそれぞれ装備されている機械ブレーキユニット８に直接接合するように空気ブレーキ制御装置を形成する空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４を設け、ブレーキ力調整装置３から各空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４にそれぞれ独立して機械ブレーキ指令（空制ブレーキ指令）１４を伝送し、また、車両の各軸ごとにそれぞれ装備されている主回路制御装置を形成するＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４にはブレーキ力調整装置３からそれぞれ独立して電気ブレーキ指令（電制ブレーキ指令）１３を伝送する。ブレーキ力調整装置３には応荷重装置９から車両の荷重１６を入力する。
上位（運転台）からのブレーキ指令１２を受け、ブレーキ力調整装置３は各軸に対応する各々のブレーキ力を指令する。本実施形態では、具体的には電制ブレーキ指令１３と、空制ブレーキ指令１４の２種を出力するとしている。ブレーキ力調整装置３は、通常、可能な限りはブレーキ力を電動機４によって得る、すなわち、電制ブレーキ指令１３を最大限生かすようにしており、ブレーキ力はまずＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４に指令される。そして、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４では、これに従って各電動機４の電流を制御する。そして、各電動機４の電流を検出し、その電流によって現在出力されているブレーキ力を推定し、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４はそれをブレーキ力調整装置３に電制ブレーキ力ＦＢ１５としてフィードバックする。そして、再びブレーキ力調整装置３では、元々の指令値とこのフィードバックされた値を比較し、両者が同値であれば、特に何もしないが、もし、指令に対して電動機４が出しているブレーキ力が少ない、すなわち、不足する場合は、その差分を空気ブレーキによって補う必要がある。この場合、ブレーキ力調整装置３は、その差にあたるブレーキ力指令値を空制ブレーキ指令値１４として空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４に対して出力し、空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４は、この指令に相当するブレーキ圧力を出力する。この空気圧（ＢＣ圧）は各機械ブレーキユニット８に装備された各ブレーキシリンダ７に供給され、これが摺動部品を各車輪２に押し付け、ブレーキ力を得る。
【０００７】
図３は、ブレーキ力調整装置３の内部構成を示す。
ブレーキ力調整装置３は、その演算部３−１に上位からのブレーキ指令１２と、進行方向指令１７を受け、車両の荷重１６を入力して各軸が出すべき第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令を計算し、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４に第１軸電制力指令，第２軸電制力指令，第３軸電制力指令，第４軸電制力指令として出力する。この結果として各軸に対応して設けられているＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４から各軸の電動機４が出しているブレーキ力をフィードバックし、第１軸電制力ＦＢ，第２軸電制力ＦＢ，第３軸電制力ＦＢ，第４軸電制力ＦＢとしてブレーキ力調整装置３に入力される。
ブレーキ力調整装置３は、各軸が出力すべき第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令と、各軸の第１軸電制力ＦＢ，第２軸電制力ＦＢ，第３軸電制力ＦＢ，第４軸電制力ＦＢを比較し、電制力ＦＢ値が不足する場合、その不足分を第１軸空制力指令，第２軸空制力指令，第３軸空制力指令，第４軸空制力指令として外部に指令する。
【０００８】
次に、図４を用いてブレーキ力調整装置３が如何にして各軸のブレーキ力指令値を算出するかを説明する。
上位からのブレーキ指令をブレーキ力調整装置３が受ける。この指令値は車両全体の値であり、各軸当りに換算すると、概ね１／４になることから、一旦この指令値を均等部３−３によって１／４倍する。その後、各軸の指令値として予め決められた係数ｋ１１からｋ１４までを乗じ、各軸のブレーキ力指令値を決定する。
各係数ｋ１１〜ｋ１４は、車両内の軸位に応じて予め決められているが、車両の進行方向によって軸位の前後関係が変わるため、進行方向の情報を勘案し、前進時は、ｋ１１を乗じた値が第１軸に、ｋ１４を乗じた値が第４軸に割り当てられるように、また、ｋ１２を乗じた値が第２軸に、ｋ１３を乗じた値が第３軸に割り当てられるように計算する。また、逆に後進時は、ｋ１１を乗じた値が第４軸に、ｋ１４を乗じた値が第１軸に、ｋ１２を乗じた値が第３軸に、ｋ１３を乗じた値が第２軸に割り当てられるように計算する。
図４では、進行方向指令１７により切替器３−４を切り替えて車両の前進時または後進時の係数ｋ１１〜ｋ１４と第１軸〜第４軸を接続し、第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令を出力する。
【０００９】
この方法によれば、例えば雨天時には、前の車輪が常に濡れたレール面を通るため滑り易く、力を少し減じないと、先頭車輪は滑走の機会が増加し、結果としてブレーキ効果が著しく低下してしまう。そのため、このブレーキ効果の低下を防ぐには、係数ｋ１１を他の係数に比して小さく設定することにより達成することかできる。そして、第２番目、第３番目、第４番目の車輪が通ることでレール面の水切り効果が生じ、これにより後位の車輪になるほどレール面の濡れが排除され、滑りにくくなるという傾向がある。そのため、係数ｋ１２から係数ｋ１４までを徐々に大きく設定することによりブレーキ効果を著しく向上させることができる。
【００１０】
また、車輪の位置に応じて軸重移動が発生し、ブレーキ力が作用した場合、軽くなる軸と、重くなる軸が生じる。この比率は、車体、台車の構造によって決まる寸法によって一意に決る。
図６に、その原理を示す。各軸にＦという力が発生し、車両全体としては合計４Ｆという力が矢印の方向に発生している場合、車体、台車にモーメントが生じ、その結果、第１軸から４軸まで以下の式に示す値が通常の重量すなわち静止荷重に加わることになる。
第１軸
２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸
２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸
２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸
２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
ここで、Ｆは各軸が出力するブレーキ力、Ｈは車体全体のブレーキ力の作用点のレール面からの高さ、Ｌは台車間距離、ｈは台車の力の作用点のレール面からの高さ、ｌは台車内軸間距離（軸距）である。
上式の重量が静止荷重に加わる結果、進行方向の先頭軸が一番重くなる。また、逆に最後位軸が軽くなる。滑りやすさは、利用粘着係数、すなわち、ブレーキ力を軸重で除した値に比例するので、全て同じブレーキ力を出力すると、軽い軸が最も滑り易くなる。したがって、より重い軸にブレーキ力を多く配分するのが妥当である。
【００１１】
例えば、車両の重量をＷとした場合、各軸の静荷重はＷ／４である。その結果、各軸の軸重は、
第１軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
となる。
その結果、各軸の利用粘着係数、すなわち、各軸のブレーキ力を各軸の重量（軸重）で除したものは、以下の通りである。
第１軸の利用粘着係数μ１
μ１＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸の利用粘着係数μ２
μ２＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸の利用粘着係数μ３
μ３＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸の利用粘着係数μ４
μ４＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
である。
上式を見ると、分かるように、Ｆが同一であった場合、μは第一軸が小さく、滑りにくく、また、第４軸が一番大きく、滑りやすいということになる。先にも述べた通り、特定の軸が滑りやすいということは好ましいことではなく、μが大きい軸は、ブレーキ力を若干低く、その代わりその分をμの小さい軸に負担させることが適当である。
各軸の軸重が均等な場合のμは、４Ｆ／Ｗである。従って、
μ１＝μ２＝μ３＝μ４＝４Ｆ／Ｗ
となるようにすればよい。なお、各軸のブレーキ力をＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４で表す。
第一軸であれば、
４Ｆ／Ｗ＝Ｆ１／（Ｗ／４＋２Ｆ１×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
これをＦ１について展開すると、
Ｆ１＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
となる。
同様に
Ｆ２＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
Ｆ３＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
Ｆ４＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
となる。
以上述べた式の中で、Ｈ、ｈ、Ｌ、１は、車体の構造に関するものであり、一旦車両の設計が決まれば、変わらない。また、Ｆは平均的に出すべきブレーキ力であり、上位から与えられ、また、車両の重量は応荷重装置９から与えられる。
【００１２】
上式は、Ｆが与えられれば、各軸の状態に応じてＦにある定数を乗じることによって計算することが可能であることを示している。
Ｆ１からＦ４を別の形で表現すれば、
Ｆ１＝Ｆ×ｋ１１
となる。
同様に
Ｆ２＝Ｆ×ｋ１２
Ｆ３＝Ｆ×ｋ１３
Ｆ４＝Ｆ×ｋ１４
となる。
ここで、
ｋ１１＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
ｋ１２＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
ｋ１３＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
ｋ１４＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
である。
これらを図示し、表現すると、図５のようになる。ブレーキ力調整装置３にＨ、ｈ、Ｌ、１などのパラメータを保持しておけば、車両の荷重１６を入力し、演算論理部３−５においてｋ１１からｋ１４を計算により決定することが可能である。
また、これらの計算の際、レール面の湿潤状態を考慮し、ｋ１１からｋ１４の値を軸重移動による値を更に勘案し、決定することも有効である。
【００１３】
以上、本発明の実施形態は、機械ブレーキとして空気圧を用いたブレーキについて説明したが、本発明は、油圧、電磁力を用いたブレーキにも適用可能であることは云うまでもない。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、車両内の各車輪、軸の位置に応じてブレーキ力を最適な値に指令し、制御することが可能であり、ブレーキの性能を最大限に引き出し、レールの状態如何にかかわらず、滑走の発生を最小に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鉄道車両の制御システムの一実施形態
【図２】従来の技術を説明するためのブレーキ制御システムの構成図
【図３】本発明のブレーキ力調整装置の内部構成図
【図４】本発明ブレーキ力調整装置の内部構成図
【図５】本発明ブレーキ力調整装置の内部構成図
【図６】本発明の原理を説明するための図
【符号の説明】
１…レール、２…車輪、３…ブレーキ力調整装置、３−１…演算部、３−２…比較器、３−３…均等部、３−４…切替器、３−５…演算論理部、４…電動機、５…空気ブレーキ制御装置の空気圧変換器、６…主回路制御装置のＶＶＶＦ装置、７…ブレーキシリンダ、８…機械ブレーキユニット、９…応荷重装置、１０…台車、１１…車両、１２…ブレーキ力指令、１３回生ブレーキ（電制ブレーキ）指令、１４…機械ブレーキ（空制ブレーキ）指令、１５…電制ブレーキ力、１６…荷重、１７…進行方向指令
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の制御システムに係り、特に、車両の各軸毎に電気による制動装置と機械による制動装置の両方を備え、制動時には両装置を同時に使用する鉄道車両の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の鉄道車両のブレーキ時においては、一車両内の各軸のブレーキ力は一律に決定され、各軸がその位置関係に依らず、すべて同一のブレーキ力が得られるように制御していた。
図２に、従来の技術を示す。運転台から与えられたブレーキ指令１２は各車のブレーキ力調整装置３に入力し、このブレーキ力調整装置３から各軸のブレーキ力を指令すべく、機械ブレーキ指令（空制ブレーキ指令）１４を空気ブレーキ制御装置を形成する空気圧変換器５に、電気ブレーキ指令（電制ブレーキ指令）１３を電動機４の電流を制御する主回路制御装置を形成するＶＶＶＦ装置６に出力する。ブレーキ力調整装置３は、通常、可能な限りはブレーキ力を電動機４によって得るというポリシーによって制御し、まずは上位からのブレーキ力はＶＶＶＦ装置６に出力する。そして、ＶＶＶＦ装置６ではこれに従って電動機４の電流を制御する。各ＶＶＶＦ装置６は、各々の電動機４の電流を検出し、その電流によって現在出力されているブレーキ力を推定し、ＶＶＶＦ装置６はそれをブレーキ力調整装置３に電制ブレーキ力ＦＢ１５としてフィードバックする。そして、再びブレーキ力調整装置３では、元々の指令値とこのフィードバックされた値を比較し、同値であれば、特に何もしないが、もし、指令に対して電動機４が出しているブレーキ力が不足する場合は、その差分を空気ブレーキによって補う必要がある。この場合、ブレーキ力調整装置３は、その差にあたるブレーキ指令値１４を空気圧変換器５に入力し、空気圧変換器５は、この指令に相当するブレーキ圧力（空気圧）を出力する。この空気圧（ＢＣ圧）は機械ブレーキユニット８に装備された各ブレーキシリンダ７に供給され、これが摺動部品をレール１上の車輪２に押し付け、ブレーキ力を得る。
このとき、空気圧は一箇所でのみ発生するため、同一のブレーキ力が各軸に発生する。また、ＶＶＶＦ装置６による電動機４の制御においても、指令が単一系統であるため、各ＶＶＶＦ装置６とも同一の電流を流すことになり、電動機４によるブレーキも各軸とも同一である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の制御技術では、各車輪、各軸が同一条件である場合には何ら問題はないが、実際には、各軸はその軸の位置関係に応じてさまざまな制約があり、すべて同一のブレーキ力を作用させた場合、ある軸にとっては滑走が発生する可能性が高く、また、ある軸にとっては逆に低い状態であることがあり、特定の軸が滑走するケースが多かった。一部の軸において一旦滑走が発生すると、ブレーキ力が低下してしまい、ブレーキ距離が延びるなどの不都合が生じる。
従って、滑走が発生する可能性の高い軸は極力作らないことが望ましい。別の言い方をすると、特定の軸の利用粘着係数が他と比べて高くなることのないようにすることが望ましい。また、利用粘着係数が各軸で異なるような場合、物理的な限界の粘着係数を超えないよう、また、その差つまり余裕分が各軸で同じになるように配分することが効率の良いブレーキ制御のためには、重要である。
【０００４】
本発明の課題は、車両の各軸に独立なブレーキ力が与えられる機器構成を採用した上で、各軸ごとに最適なブレーキ力指令を与え、効率の良いブレーキを作用させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、運転台からのブレーキ指令を各車両のブレーキ力調整装置に入力し、ブレーキ力調整装置から各車両の各軸ごとにブレーキ力を指令すべく電気ブレーキ指令と機械ブレーキ指令をそれぞれ独立して出力し、可能な限り電気ブレーキ指令を優先して各車両の車輪にブレーキ力を付与する鉄道車両の制御システムであって、ブレーキ力調整装置に車両の進行方向指令と荷重を入力し、ブレーキ指令を各車両の軸数で均等化し、各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数を乗じて各軸のブレーキ力指令値を決定し、進行方向指令と車両内の各車輪の位置に応じて各車輪毎のブレーキ力を調整すると共に、各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数は、車両の荷重、車両の各軸が出力するブレーキ力、車体全体のブレーキ力の作用点のレール面からの高さ、台車間距離、台車の力の作用点のレール面からの高さ、台車内軸間距離（軸距）に基づいて計算し、車両の各軸の軸重移動量の大きさに応じて変更する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による鉄道車両の制御システムの一実施形態を示す。
図１において、車両の各軸（図１の左側から第１軸，第２軸，第３軸，第４軸とする。）ごとにそれぞれ装備されている機械ブレーキユニット８に直接接合するように空気ブレーキ制御装置を形成する空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４を設け、ブレーキ力調整装置３から各空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４にそれぞれ独立して機械ブレーキ指令（空制ブレーキ指令）１４を伝送し、また、車両の各軸ごとにそれぞれ装備されている主回路制御装置を形成するＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４にはブレーキ力調整装置３からそれぞれ独立して電気ブレーキ指令（電制ブレーキ指令）１３を伝送する。ブレーキ力調整装置３には応荷重装置９から車両の荷重１６を入力する。
上位（運転台）からのブレーキ指令１２を受け、ブレーキ力調整装置３は各軸に対応する各々のブレーキ力を指令する。本実施形態では、具体的には電制ブレーキ指令１３と、空制ブレーキ指令１４の２種を出力するとしている。ブレーキ力調整装置３は、通常、可能な限りはブレーキ力を電動機４によって得る、すなわち、電制ブレーキ指令１３を最大限生かすようにしており、ブレーキ力はまずＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４に指令される。そして、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４では、これに従って各電動機４の電流を制御する。そして、各電動機４の電流を検出し、その電流によって現在出力されているブレーキ力を推定し、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４はそれをブレーキ力調整装置３に電制ブレーキ力ＦＢ１５としてフィードバックする。そして、再びブレーキ力調整装置３では、元々の指令値とこのフィードバックされた値を比較し、両者が同値であれば、特に何もしないが、もし、指令に対して電動機４が出しているブレーキ力が少ない、すなわち、不足する場合は、その差分を空気ブレーキによって補う必要がある。この場合、ブレーキ力調整装置３は、その差にあたるブレーキ力指令値を空制ブレーキ指令値１４として空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４に対して出力し、空気圧変換器５−１，５−２，５−３，５−４は、この指令に相当するブレーキ圧力を出力する。この空気圧（ＢＣ圧）は各機械ブレーキユニット８に装備された各ブレーキシリンダ７に供給され、これが摺動部品を各車輪２に押し付け、ブレーキ力を得る。
【０００７】
図３は、ブレーキ力調整装置３の内部構成を示す。
ブレーキ力調整装置３は、その演算部３−１に上位からのブレーキ指令１２と、進行方向指令１７を受け、車両の荷重１６を入力して各軸が出すべき第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令を計算し、ＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４に第１軸電制力指令，第２軸電制力指令，第３軸電制力指令，第４軸電制力指令として出力する。この結果として各軸に対応して設けられているＶＶＶＦ装置６−１，６−２，６−３，６−４から各軸の電動機４が出しているブレーキ力をフィードバックし、第１軸電制力ＦＢ，第２軸電制力ＦＢ，第３軸電制力ＦＢ，第４軸電制力ＦＢとしてブレーキ力調整装置３に入力される。
ブレーキ力調整装置３は、各軸が出力すべき第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令と、各軸の第１軸電制力ＦＢ，第２軸電制力ＦＢ，第３軸電制力ＦＢ，第４軸電制力ＦＢを比較し、電制力ＦＢ値が不足する場合、その不足分を第１軸空制力指令，第２軸空制力指令，第３軸空制力指令，第４軸空制力指令として外部に指令する。
【０００８】
次に、図４を用いてブレーキ力調整装置３が如何にして各軸のブレーキ力指令値を算出するかを説明する。
上位からのブレーキ指令をブレーキ力調整装置３が受ける。この指令値は車両全体の値であり、各軸当りに換算すると、概ね１／４になることから、一旦この指令値を均等部３−３によって１／４倍する。その後、各軸の指令値として予め決められた係数ｋ１１からｋ１４までを乗じ、各軸のブレーキ力指令値を決定する。
各係数ｋ１１〜ｋ１４は、車両内の軸位に応じて予め決められているが、車両の進行方向によって軸位の前後関係が変わるため、進行方向の情報を勘案し、前進時は、ｋ１１を乗じた値が第１軸に、ｋ１４を乗じた値が第４軸に割り当てられるように、また、ｋ１２を乗じた値が第２軸に、ｋ１３を乗じた値が第３軸に割り当てられるように計算する。また、逆に後進時は、ｋ１１を乗じた値が第４軸に、ｋ１４を乗じた値が第１軸に、ｋ１２を乗じた値が第３軸に、ｋ１３を乗じた値が第２軸に割り当てられるように計算する。
図４では、進行方向指令１７により切替器３−４を切り替えて車両の前進時または後進時の係数ｋ１１〜ｋ１４と第１軸〜第４軸を接続し、第１軸ブレーキ力指令，第２軸ブレーキ力指令，第３軸ブレーキ力指令，第４軸ブレーキ力指令を出力する。
【０００９】
この方法によれば、例えば雨天時には、前の車輪が常に濡れたレール面を通るため滑り易く、力を少し減じないと、先頭車輪は滑走の機会が増加し、結果としてブレーキ効果が著しく低下してしまう。そのため、このブレーキ効果の低下を防ぐには、係数ｋ１１を他の係数に比して小さく設定することにより達成することかできる。そして、第２番目、第３番目、第４番目の車輪が通ることでレール面の水切り効果が生じ、これにより後位の車輪になるほどレール面の濡れが排除され、滑りにくくなるという傾向がある。そのため、係数ｋ１２から係数ｋ１４までを徐々に大きく設定することによりブレーキ効果を著しく向上させることができる。
【００１０】
また、車輪の位置に応じて軸重移動が発生し、ブレーキ力が作用した場合、軽くなる軸と、重くなる軸が生じる。この比率は、車体、台車の構造によって決まる寸法によって一意に決る。
図６に、その原理を示す。各軸にＦという力が発生し、車両全体としては合計４Ｆという力が矢印の方向に発生している場合、車体、台車にモーメントが生じ、その結果、第１軸から４軸まで以下の式に示す値が通常の重量すなわち静止荷重に加わることになる。
第１軸
２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸
２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸
２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸
２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
ここで、Ｆは各軸が出力するブレーキ力、Ｈは車体全体のブレーキ力の作用点のレール面からの高さ、Ｌは台車間距離、ｈは台車の力の作用点のレール面からの高さ、ｌは台車内軸間距離（軸距）である。
上式の重量が静止荷重に加わる結果、進行方向の先頭軸が一番重くなる。また、逆に最後位軸が軽くなる。滑りやすさは、利用粘着係数、すなわち、ブレーキ力を軸重で除した値に比例するので、全て同じブレーキ力を出力すると、軽い軸が最も滑り易くなる。したがって、より重い軸にブレーキ力を多く配分するのが妥当である。
【００１１】
例えば、車両の重量をＷとした場合、各軸の静荷重はＷ／４である。その結果、各軸の軸重は、
第１軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸の軸重
Ｗ／４＋２Ｆ（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
となる。
その結果、各軸の利用粘着係数、すなわち、各軸のブレーキ力を各軸の重量（軸重）で除したものは、以下の通りである。
第１軸の利用粘着係数μ１
μ１＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第２軸の利用粘着係数μ２
μ２＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
第３軸の利用粘着係数μ３
μ３＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／ｌ））
第４軸の利用粘着係数μ４
μ４＝Ｆ／（Ｗ／４＋２Ｆ×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／ｌ））
である。
上式を見ると、分かるように、Ｆが同一であった場合、μは第一軸が小さく、滑りにくく、また、第４軸が一番大きく、滑りやすいということになる。先にも述べた通り、特定の軸が滑りやすいということは好ましいことではなく、μが大きい軸は、ブレーキ力を若干低く、その代わりその分をμの小さい軸に負担させることが適当である。
各軸の軸重が均等な場合のμは、４Ｆ／Ｗである。従って、
μ１＝μ２＝μ３＝μ４＝４Ｆ／Ｗ
となるようにすればよい。なお、各軸のブレーキ力をＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４で表す。
第一軸であれば、
４Ｆ／Ｗ＝Ｆ１／（Ｗ／４＋２Ｆ１×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
これをＦ１について展開すると、
Ｆ１＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
となる。
同様に
Ｆ２＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
Ｆ３＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
Ｆ４＝Ｆ／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
となる。
以上述べた式の中で、Ｈ、ｈ、Ｌ、１は、車体の構造に関するものであり、一旦車両の設計が決まれば、変わらない。また、Ｆは平均的に出すべきブレーキ力であり、上位から与えられ、また、車両の重量は応荷重装置９から与えられる。
【００１２】
上式は、Ｆが与えられれば、各軸の状態に応じてＦにある定数を乗じることによって計算することが可能であることを示している。
Ｆ１からＦ４を別の形で表現すれば、
Ｆ１＝Ｆ×ｋ１１
となる。
同様に
Ｆ２＝Ｆ×ｋ１２
Ｆ３＝Ｆ×ｋ１３
Ｆ４＝Ｆ×ｋ１４
となる。
ここで、
ｋ１１＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
ｋ１２＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
ｋ１３＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ＋（ｈ／１）））
ｋ１４＝１／（１−（８Ｆ／Ｗ）×（−（Ｈ−ｈ）／Ｌ−（ｈ／１）））
である。
これらを図示し、表現すると、図５のようになる。ブレーキ力調整装置３にＨ、ｈ、Ｌ、１などのパラメータを保持しておけば、車両の荷重１６を入力し、演算論理部３−５においてｋ１１からｋ１４を計算により決定することが可能である。
また、これらの計算の際、レール面の湿潤状態を考慮し、ｋ１１からｋ１４の値を軸重移動による値を更に勘案し、決定することも有効である。
【００１３】
以上、本発明の実施形態は、機械ブレーキとして空気圧を用いたブレーキについて説明したが、本発明は、油圧、電磁力を用いたブレーキにも適用可能であることは云うまでもない。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、車両内の各車輪、軸の位置に応じてブレーキ力を最適な値に指令し、制御することが可能であり、ブレーキの性能を最大限に引き出し、レールの状態如何にかかわらず、滑走の発生を最小に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鉄道車両の制御システムの一実施形態
【図２】従来の技術を説明するためのブレーキ制御システムの構成図
【図３】本発明のブレーキ力調整装置の内部構成図
【図４】本発明ブレーキ力調整装置の内部構成図
【図５】本発明ブレーキ力調整装置の内部構成図
【図６】本発明の原理を説明するための図
【符号の説明】
１…レール、２…車輪、３…ブレーキ力調整装置、３−１…演算部、３−２…比較器、３−３…均等部、３−４…切替器、３−５…演算論理部、４…電動機、５…空気ブレーキ制御装置の空気圧変換器、６…主回路制御装置のＶＶＶＦ装置、７…ブレーキシリンダ、８…機械ブレーキユニット、９…応荷重装置、１０…台車、１１…車両、１２…ブレーキ力指令、１３回生ブレーキ（電制ブレーキ）指令、１４…機械ブレーキ（空制ブレーキ）指令、１５…電制ブレーキ力、１６…荷重、１７…進行方向指令
Claims (1)
- 運転台からのブレーキ指令を各車両のブレーキ力調整装置に入力し、前記ブレーキ力調整装置から各車両の各軸ごとにブレーキ力を指令すべく電気ブレーキ指令と機械ブレーキ指令をそれぞれ独立して出力し、可能な限り電気ブレーキ指令を優先して各車両の車輪にブレーキ力を付与する鉄道車両の制御システムであって、
前記ブレーキ力調整装置に車両の進行方向指令と荷重を入力し、前記ブレーキ指令を各車両の軸数で均等化し、各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数を乗じて各軸のブレーキ力指令値を決定し、前記進行方向指令と車両内の各車輪の位置に応じて各車輪毎のブレーキ力を調整すると共に、
前記各軸のブレーキ指令値として予め決められる係数は、前記車両の荷重、前記車両の各軸が出力するブレーキ力、車体全体のブレーキ力の作用点のレール面からの高さ、台車間距離、台車の力の作用点のレール面からの高さ、台車内軸間距離（軸距）に基づいて計算し、前記車両の各軸の軸重移動量の大きさに応じて変更することを特徴とする鉄道車両の制御システム。
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