JP4205080B2 - 連接式鉄道車両の台車操舵機構の異常検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、前後２台の車体間に１台の台車を共有する連接式鉄道車両の台車操舵機構に発生した異常を検出する検出方法及び装置に関する。

鉄道車両の運用においては、通常折り返し運転する場合が圧倒的に多い。このような折り返し運転をするときに、連接式鉄道車両の台車がボルスタレス台車である場合に、曲線路走行時に、レールに対する旋回モーメントが大きくなって、外軌横圧及び脱線係数が高くなって曲線路走行性能が低下することがある。

このため、一方の車体と台車との間及び他方の車体と台車との間をそれぞれ２基の油圧シリンダで結合し、一方の車体のシリンダと他方の車体のシリンダとを対角線に連通させ、進行方向前側になる車体の回動に応じて前側のシリンダから後側のシリンダに油を移送させて、後側車体に対して台車を水平面内相対回動させる操舵機構により、レールに対する旋回モーメントを小さくして、外軌横圧及び脱線係数を低減するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、一方の車体と台車との間及び他方の車体と台車との間をそれぞれダンパで結合し、進行方向前側になる車体のダンパは非作動状態に、後側になる車体のダンパは作動状態にして、進行方向前側になる車体に前記台車を追随させ、進行方向後側となる車体を前記台車と水平面内相対回動させる操舵機構により、レールに対する旋回モーメントを小さくして、外軌横圧及び脱線係数を低減するものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−９７８３号公報 第１〜５頁 図１〜６ 特開２００４−２５９３５号公報 第１〜６頁 図１〜２０

ところが、特許文献１の操舵機構では、前後のシリンダを連通する配管に破損が生じて油が漏れた場合、また、特許文献２の操舵機構では、前側のダンパが非作動状態にならない場合や後側のダンパが作動状態にならない場合には、いずれも操舵機構が作用せず、曲線路走行時の外軌横圧及び脱線係数が高くなる可能性があるため、これらの異常を早期に検出する必要がある。

そこで本発明は、台車操舵機構が正常な場合は、車体と台車の枕梁との間の相対ヨー角は、進行方向前側車体と台車の枕梁との間の相対ヨー角が小さく、進行方向後側車体と台車の枕梁との間の相対ヨー角が大きいことに着目し、両信号の一方を監視することにより、台車操舵機構の異常を早期に検出する連接式鉄道車両の台車操舵機構の異常検出方法及び装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明は、２台の車体間に１台の台車を配設し、各車体と前記台車との間に、進行方向前側になる車体に前記台車を追随させ、進行方向後側となる車体を前記台車と相対回動させる台車操舵機構を備えた連接式鉄道車両において、台車操舵機構の異常検出方法は、連接式鉄道車両の通常走行時における曲線路走行時に、いずれか一方の車体と前記台車の枕梁とにそれぞれ設けたヨー角速度測定器にて車体と台車のそれぞれのヨー角速度を測定し、前記車体のヨー角速度と前記台車のヨー角速度との差を積分して相対ヨー角速度を算出し、求めた相対ヨー角速度と通過曲線の曲率の比の相対度数分布を算出し、予め複数回の走行にて採取した前記操舵機構の正常作動時における曲線路走行時の相対度数分布を記憶させ、該正常作動時の相対度数分布と前記通常走行時の相対度数分布との差の絶対値の和が設定値以上であるときに、前記操舵機構の異常であると判定することを特徴としている。

また、異常検出装置は、いずれか一方の車体と前記台車の枕梁とにそれぞれ設けられて曲線路走行時における車体と台車のそれぞれのヨー角速度を測定するヨー角速度測定器と、両ヨー角速度測定器が測定した前記車体のヨー角速度と前記台車のヨー角速度との差を積分して相対ヨー角速度を算出する相対ヨー角速度算出部と、求めた相対ヨー角速度と通過曲線の曲率の比の相対度数分布を算出する相対度数分布算出部と、前記操舵機構の正常作動時における曲線路走行時の相対度数分布を記憶する記憶部と、通常走行時の相対度数分布と前記正常作動時の相対度数分布との差の絶対値の和が設定値以上であるときに前記操舵機構の異常であると判定する判定部とで構成されていることを特徴としている。

以上説明したように、本発明は、連接式鉄道車両の台車操舵機構の異常を早期に検出して、曲線路通過時の安全性を高めることができる。また、台車操舵機構の明らかな異常の検出だけでなく、部品の劣化等によって徐々に進行する異常の検出も可能である。

以下、本発明を図面に示される実施形態例に基づいて説明する。連接式鉄道車両１は、一方の車体２と他方の車体３との間に配置された連接台車４は、台車中央部左右に配置された空気バネ５，５にて門型フレーム６を上部に備えた枕梁７を支持している。前記門型フレーム６は、車体２，３間の中間に配置され、前記枕梁７の心皿８に、一方の車体２の連結梁９と他方の車体３の連結梁１０とを回動自在に連結し、前記門型フレーム６の上部と他方の車体３の上部とをゴムブッシュ１１を介して連結している。

この連接式鉄道車両１には、連接台車４の操舵機構が備えられている。この操舵機構は、前記一方の車体２の車体下部左右にそれぞれ垂設したブラケット１２と前記枕梁７とに結合されるダンパ１３，１３と、前記他方の車体３の車体下部左右に垂設したそれぞれブラケット１４と前記枕梁７に結合されるダンパ１５，１５とで構成されている。これらのダンパ１３，１３，１５，１５は、曲線路走行時に、前記一方の車体２が進行方向前側となる場合は、前記ダンパ１３，１３が非作動状態（固定状態）になり、後側となる前記ダンパ１５，１５が作動状態（可動状態）となり、前記他方の車体３が進行方向前側となる場合は、前記ダンパ１５，１５が非作動状態（固定状態）になり、後側となる前記ダンパ１３，１３が作動状態（可動状態）となる。これにより、前記連接台車４は、進行方向前側となる車体に追随して走行し、進行方向後側となる車体は、前記連接台車４に対して水平面内相対回動するから、旋回抵抗モーメントが小さく、外軌横圧及び脱線係数は低くなる。

また、この連接式鉄道車両１には、前記操舵機構の異常を検出する異常検出装置２０が搭載されている。この異常検出装置２０は、前記連接台車４の枕梁７に設けられる枕梁ヨー角速度測定器２１と、前記他方の車体３に設けられる車体ヨー角速度測定器２２と、車輪の回転量に応じたパルス信号を出力する速度発電機２３と、両ヨー角速度測定器２１，２２が測定した前記車体３のヨー角速度と前記連接台車４の枕梁７のヨー角速度との差を積分して相対ヨー角速度を算出する相対ヨー角速度算出部２４と、前記車体ヨー角速度測定器２１が測定した前記車体３のヨー角速度を前記速度発電機２３の一定時間内のパルス信号をカウントして算出された走行速度で除して曲線路の曲率を算出する曲率算出部２５と、求めた相対ヨー角速度と通過曲線の曲率の比の相対度数分布を算出する相対度数分布算出部２６と、前記操舵機構の正常作動時における曲線路走行時における相対度数分布を記憶する記憶部２７と、通常走行時の相対度数分布と前記正常作動時の相対度数分布との差の絶対値が設定値以上であるときに前記操舵機構の異常であると判定する判定部２８とで構成されている。前記枕梁ヨー角速度測定器２１及び車体ヨー角速度測定器２２としては、例えば、ジャイロセンサが好適である。

この異常検出装置２０は、台車操舵機構が正常な場合は、車体と枕梁との間の相対ヨー角は、進行方向前側車体と枕梁との間の相対ヨー角が小さく、進行方向後側車体と枕梁との間の相対ヨー角が大きいことに着目し、両信号の一方を監視することにより、台車操舵機構の異常を検出するものである。

すなわち、図４に示されるように、車体と枕梁間相対ヨー角と曲率との間に比例関係があることから、図５に示す車体と枕梁間相対ヨー角と曲率の比に着目すれば、前記連接台車４の操舵機構が正常（進行方向前側ダンパ＝非作動状態、進行方向後側ダンパ＝作動状態）の場合では、進行方向前側相対ヨー角＜進行方向後側相対ヨー角となり、操舵機構が異常１（進行方向前側ダンパ＝作動状態、進行方向後側ダンパ＝作動状態）の場合では、進行方向前側相対ヨー角＞進行方向後側相対ヨー角となり、操舵機構が異常２（進行方向前側ダンパ＝作動状態、進行方向後側ダンパ＝非作動状態）の場合では、進行方向前側相対ヨー角＞進行方向後側相対ヨー角となる。

したがって、車体と連接台車間相対ヨー角と曲率の比の相対度数分布と連接台車操舵の状態とに相関関係があることから、図６に示されるように、前記相対度数分布の形状を基に台車操舵機構の異常検出を行う。

異常検出は次の手順で行う。

ａ．車体ヨー角速度［ｄｅｇ／ｓ］を等時間サンプリングする。

ｂ．枕梁ヨー角速度［ｄｅｇ／ｓ］を等時間サンプリングする。

ｃ．走行速度［ｍ／ｓ］を等時間サンプリングする。

ｄ．ａの車体ヨー角速度を走行速度で除し、曲線路の曲率を算出する。曲率［１／ｍ］＝ヨー角速度［ｄｅｇ／ｓ］＊π／１８０／走行速度［ｍ／ｓ］
ｅ．ａ、ｂのヨー角速度の差を積分し、車体と枕梁間の相対ヨー角［ｄｅｇ］を算出する。

ｆ．ｄ、ｅで求めた曲率及び車体−枕梁間の相対ヨー角をローパスフィルター（ＬＰＦ）処理する。

ｇ．ｆにてＬＰＦ処理した曲率及び車体−枕梁間の相対ヨー角の比を求める。

ｈ．ｇで求めた比の度数分布を求める。

ｉ．ｈで求めた度数分布を全体度数で除し、相対度数を求める。

ｊ．予め複数回の走行にて採取した前記強制操舵機構の正常作動時における曲線路走行時の相対度数分布の平均から求めた基準分布とｉで求めた相対度数分布との差に重み付けをし、絶対値の和（異常判定指数）を求める（下式参照）。なお、重み付けは、基準分布とのずれが大きい程、下式の計算結果を大きくすることを目的としている。

ここで、
Ｅ：異常判定指数（＝基準分布と被異常判定分布との差の絶対値の和）
ｆｂ（ｘ）：基準分布
ｆ（ｘ）：被異常判定分布
Ｗｘ：重み
ｘ：確率変数（＝曲率と車体−枕梁間相対ヨー角の比）
ｋ．ｊで求めた異常判定指数が設定値を超えた場合に異常とする。

このように、車体−枕梁間の相対ヨー角の一方を監視することにより、台車操舵機構の異常を検出できるから、台車操舵機構の異常を早期に検出して、連接式鉄道車両の曲線路通過時の安全性を高めることができる。また、台車操舵機構の明らかな異常の検出だけでなく、部品の劣化等によって徐々に進行する異常の検出も可能である。

図９及び図１０は、一方の車体２と他方の車体３との間に配置された連接台車４は、台車中央部左右に配置された空気バネ５，５にて枕梁７を支持し、該枕梁７が他方の車体３の端部下部に配置され、枕梁７の心皿８に、一方の車体２の連結梁９と他方の車体３の連結梁１０とを回動自在に連結して、両車体２，３を連接し、台車操舵機構として、前記車体２と前記枕梁７とをダンパ１３，１３で、前記車体３と前記枕梁７とをダンパ１５，１５とで結合したものである。

この連接車両でも、前記連接台車４の枕梁７に枕梁ヨー角速度測定器２１を、前記車体３に車体ヨー角速度測定器２２をそれぞれ設けることにより、前記異常検出装置２０にて台車操舵機構の異常を検出することができる。

本発明は、上述のダンパによる台車操舵機構はもとより、一方の車体と台車との間及び他方の車体と台車との間をシリンダで結合する台車操舵機構にも適用可能である。

異常検出装置のブロック図 異常検出方法のブロック図 基準分布と被異常判定分布に重み付けをしたグラフ図 曲線路の曲率と車体−台車間相対ヨー角の関係を示すグラフ図 相対度数分布を示すグラフ図 計算結果を示すグラフ図 両車体の中間に門型フレームを配置した連接式鉄道車両の連接部の要部を示す側面図 同じく平面図 他方の車体の端部下部に枕梁を配置した連接式鉄道車両の連接部の要部を示す側面図 同じく平面図

符号の説明

１…連接式鉄道車両、２…一方の車体、３…他方の車体、４…連接台車、５…空気バネ、７…枕梁、１３，１５…ダンパ、２０…異常検出装置、２１…枕梁ヨー角速度測定器、２２…車体ヨー角速度測定器、２３…速度発電機、２４…相対ヨー角速度算出部、２５…曲率算出部、２６…相対度数分布算出部、２７…記憶部、２８…判定部

Claims (2)

1. ２台の車体間に１台の台車を配設し、各車体と前記台車との間に、進行方向前側になる車体に前記台車を追随させ、進行方向後側となる車体を前記台車と水平面内相対回動させる台車操舵機構を備えた連接式鉄道車両において、該連接式鉄道車両の通常走行時における曲線路走行時に、いずれか一方の車体と前記台車の枕梁とにそれぞれ設けたヨー角速度測定器にて車体と台車のそれぞれのヨー角速度を測定し、前記車体のヨー角速度と前記台車のヨー角速度との差を積分して相対ヨー角速度を算出し、求めた相対ヨー角速度と通過曲線の曲率の比の相対度数分布を算出し、予め複数回の走行にて採取した前記操舵機構の正常作動時における曲線路走行時の相対度数分布を記憶させ、該正常作動時の相対度数分布と前記通常走行時の相対度数分布との差の絶対値の和が設定値以上であるときに、前記操舵機構の異常であると判定することを特徴とする連接式鉄道車両の台車操舵機構の異常検出方法。
2. ２台の車体間に１台の台車を配設し、各車体と前記台車との間に、進行方向前側になる車体に前記台車を追随させ、進行方向後側となる車体を前記台車と水平面内相対回動させる台車操舵機構を備えた連接式鉄道車両において、いずれか一方の車体と前記台車の枕梁とにそれぞれ設けられて曲線路走行時における車体と台車のそれぞれのヨー角速度を測定するヨー角速度測定器と、両ヨー角速度測定器が測定した前記車体のヨー角速度と前記台車のヨー角速度との差を積分して相対ヨー角速度を算出する相対ヨー角速度算出部と、求めた相対ヨー角速度と通過曲線の曲率の比の相対度数分布を算出する相対度数分布算出部と、前記操舵機構の正常作動時における曲線路走行時の相対度数分布を記憶する記憶部と、通常走行時の相対度数分布と前記正常作動時の相対度数分布との差の絶対値の和が設定値以上であるときに前記操舵機構の異常であると判定する判定部とで構成されていることを特徴とする連接式鉄道車両の台車操舵機構の異常検出装置。

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