JP4293097B2 - 鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に対してたとえばアクチュエータを用いて振動制御をおこなう装置の診断方法に関するものである。

鉄道車両においては各装置の日常点検は必須であり、たとえば振動制御装置では、車体を駆動させることができるアクチュエータがあれば、車両の停止中にこのアクチュエータを作動させることによって、電気的な故障以外に、機械的な故障の有無も診断することができる。
特開平５−１８４００２号公報

この電気的な故障や機械的な故障のうち、配線の極性の適否や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向の適否を診断する方法としては、前後の台車と車体の間にそれぞれ設置した振動制御装置の加速度センサーの出力値の和と差の大小を比較することにより診断するものが提案されていた。
特開２００３−２６７２１６号公報

しかしながら、特許文献２に記載された診断方法では、前後の台車と車体間に設置された振動制御装置において、例えば前後の台車に設置された振動制御装置にそれぞれ一箇所ずつ故障がある場合には、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正か否かの診断において、本来は適正な状態でないと診断しなければならないものが、適正な状態であると診断してしまう場合があった。

また、車両における先頭台車にのみ振動制御装置が搭載されるような場合には、そのアルゴニズムを適用できないので、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正であるか否かを診断することができないという問題もある。

本発明が解決しようとする問題点は、前後の台車と車体に設置した振動制御装置の加速度センサーの出力値の和と差の大小を比較する従来の診断方法では、前後の台車に設置した振動制御装置に一箇所ずつ故障がある場合は、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正であると診断してしまう場合があるという点、および、１台の台車にのみ振動制御装置が設けられたものでは、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正であるか否かの診断を行うことができないという点である。

そこで、本発明の鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法は、
前後の台車に一箇所ずつ故障がある場合も確実に適正な状態でないと診断できるとともに、１台の台車にのみ振動制御装置が設けられたものでも、適正な状態であるか否かの診断を可能とするために、
台車と車体間に設置した伸縮駆動装置と、
車体に配置され、車体の振動加速度を検出する加速度センサーと、
この加速度センサーから信号を入力され、前記伸縮駆動装置の駆動制御部と、伸縮駆動装置に駆動エネルギーを供給する回路に、これらを制御するための信号を出力する制御器を備えた振動制御装置の振動制御を診断する方法であって、
停車中に前記伸縮駆動装置の伸長あるいは収縮の何れかの動作をステップ状に行わせ、
この動作により前記加速度センサーが検出した信号、または、該信号を速度に変換した変換値をもとに、配線の極性が適正か否か、前記伸縮駆動装置による車体の駆動方向と、この駆動により前記加速度センサーが検出する加速度の方向が適正か否かを診断することを最も主要な特徴としている。

本発明は、その診断に２台の振動制御装置を必要とせず、１台の振動制御装置のみによって配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正な状態か否かを診断するので、車両における先頭台車にのみ振動制御装置が搭載されるような場合であっても、また、故障箇所が台車毎に存在する場合にも、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータの設置方向が適正か否かを診断でき、診断精度が向上するという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図３を用いて説明する。
鉄道車両における車体振動制御装置の、特許文献２に記載された前記の診断方法では、台車と車体の間に設置したアクチュエータによって、車体の減衰固有振動数付近の周波数で１０秒以上加振して安定させた振動の、振動加速度の平均振幅値を基に診断を行っていた。

これに対して、発明者は、配線の極性や、加速度センサーの設置方向とアクチュエータ等の伸縮駆動装置（以下、「アクチュエータ」と言う。）の設置方向が適正な状態か否かの診断を短時間で行うために、アクチュエータで車両にインパルス応答を与え、車体の減衰振動波形から診断することを考えた。

車体の幅方向にそのロッドが出退移動するアクチュエータのロッドを突出させた場合には、車体はヨーイング振動を行うので、たとえば下記数式１に示すヨーイング振動の自由振動方程式において、図１に示す車体１の質量Ｍが１４０００（ｋｇ）、台車２と車体１間に設けられた空気ばね３の剛性Ｋが１６０（ｋＮ／ｍ）、左右動ダンパー４の減衰係数Ｃが２０（ｋＮｓ／ｍ）、車体１の中央から空気ばね３と左右動ダンパー４までの前後距離ｌが６．９（ｍ）、車体１のヨーイング慣性半径ｉｙが４．５（ｍ）のとき、車体１の不減衰固有角振動数ωnと減衰比ζは下記の数式２および数式３のようになる。

したがって、下記の数式４で示す減衰固有角振動数ωdから求める減衰固有振動数ｆdは、下記数式５で示した値となる。

仮に減衰固有振動数ｆdが１（Ｈｚ）のとき、その周期Ｔ（＝１／ｆd）は１秒となるので、そのときの振動加速度波形を示すと図２（ａ）のようになる。このとき前記減衰固有振動が減衰しないとすると、前記の減衰係数Ｃは０となるから、前記数式３で示される減衰比ζは０となって、前記振動加速度を積分した速度は、図２（ｂ）に示した波形となる。

ところで、振動制御装置の構成上、アクチュエータのロッドが突出する方向と加速度センサーの正の向きが一致している場合、アクチュエータのロッドを突出するときは、予め正の値が振動制御装置の制御器に設定されることになる。

このような振動制御装置では、車両の停止中に、たとえばアクチュエータのロッドを突出させる動作を微小時間だけ行わせれば、加速度センサーでは図２（ａ）に示したような振動加速度波形が得られることになる。また、加速度センサーで得た振動加速度を積分すれば、図２（ｂ）に示したような振動速度波形が得られることになる。

この図２を見ると、加速度ならば周期の１／４まで、また、速度ならば周期の１／２までなら増加傾向となってその値は正であり、予め制御器に設定されたアクチュエータのロッドが突出する方向と一致している。

したがって、アクチュエータのロッドが突出する方向と加速度センサーの正の向きが一致している場合には、車体の減衰固有振動周期の前記範囲内において、実際に検出された加速度または速度への変換値の絶対値が最大となる値が正であれば、配線の極性が適正であり、かつ、アクチュエータによる車体の駆動方向と、この駆動により前記加速度センサーが検出する加速度の方向が適正であると診断することができる。反対に負であれば故障と診断することができる。

同様に、アクチュエータのロッドを反対方向に退入する場合は、制御器には予め負の値が設定されるので、それをもとに前記と同様に診断する。また、アクチュエータのロッドが突出する方向と加速度センサーの正の向きが反対の場合は、アクチュエータのロッドを突出するときは、制御器には予め負の値を設定し、反対方向に退入する場合は、制御器には予め正の値を設定する。

すなわち、本発明の鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法は、
停車中に伸縮駆動装置の伸長あるいは収縮の何れかの動作をステップ状に行い、
この動作により加速度センサーが検出した信号、または、該信号を速度に変換した変換値をもとに、配線の極性が適正か否か、アクチュエータによる車体の駆動方向と、この駆動により加速度センサーが検出する加速度の方向が適正か否かを診断するのである。

より具体的には、加速度センサーで検出した信号をもとに診断する場合には、車両の減衰固有振動数から求められる周期の１／４以下の時間内において、加速度センサーが検出した信号の絶対値が最大となる値の正負が、予め前記制御器に設定された符号と一致するか否かによって行う。この場合には、診断に周期の１／４以下の時間内における値を使用するので、短時間での診断が可能になる。

一方、速度に変換した変換値をもとに診断する場合には、車両の減衰固有振動数から求められる周期の１／２以下の時間内において、変換値の絶対値が最大となる値の正負が、予め制御器に設定された符号と一致するか否かによって行う。この場合は、診断に周期の１／２以下の時間内における値を使用するので、振動加速度波形を使用する場合よりも診断時間が長くなるが、後述のようにノイズ等の影響を受けることがなくなるので、診断精度が良くなる。

ちなみに、前記の特許文献２に記載された振動制御装置を備えた実車にて、本発明の診断方法を適用した場合の一例を図３に示すが、アクチュエータのロッドを突出させる動作をステップ状に行わせると、図３（ａ）の１２秒〜１３秒の間に示したような振動加速度波形が生じる。この振動加速度波形を低周波数に遮断周波数を持つハイパスフィルターで処理すると図３（ｃ）のようになる。

図３（ｄ）は診断開始以前（０〜１２秒の間）の影響を無くするために、図３（ｂ）に示した制御信号（ＤＡ出力）を無次元化したデータを図３（ｃ）の波形に乗算したもので、これが診断に使用する振動加速度の波形である。また、図３（ｅ）は図３（ｄ）の振動加速度を積分して求めた絶対速度の波形を示したものである。

そして、この図３（ｄ）に示された振動加速度波形の周期の１／４まで、あるいは、図３（ｅ）に示した絶対速度の振動波形の周期の１／２までの時間帯の絶対値が最大となる値の符号と、予め制御器に設定された符号が一致するか否かにより、配線の極性が適正か否か、アクチュエータによる車体の駆動方向と、この駆動により加速度センサーが検出する加速度の方向が適正か否かを診断する。

この本発明の診断に際しては、図３（ｄ）（ｅ）より明らかなように、速度に換算した振動波形を使用するほうが、微小振動（ノイズ）がなく滑らかで、正である時間が長いので、減衰固有振動数の見積もりの誤差やノイズ等の影響を受けることがなくなり、望ましい。

以下、本発明の効果を確認するために、図４に示したように、一車両モデル試験機１１の前台車１２と車体１３の間にまくら木方向に動作する空圧のアクチュエータ１４を、車体１３側に車体１３の左右振動加速度を検出する加速度センサー１５を取り付けた。これらのアクチュエータ１４と加速度センサー１５を取り付ける際、アクチュエータ１４のロッドの突出方向と、加速度センサー１５の正の向きを一致させた。

さらに、アクチュエータ１４への制御信号を出力するとともに、加速度センサー１５の検出値を入力し、従来の振動制御アルゴリズムに本発明の自己診断アルゴリズムを付加した制御器１６を用意した。

なお、図４中の１７は前記アクチュエータ１４に駆動エネルギーを供給する回路であり、空気源１７ａから配管１７ｂを介して空気を供給することでアクチュエータ１４のロッドを出退動させ、車体１３を、図４（ａ）に示した中間位置から図４（ｂ）のように紙面右方向に振らせたり、また、図４（ｃ）のように紙面左方向に振らせたりする。

１８は前記配管１７ｂの途中におけるアクチュエータ１４の直前に介設された駆動制御部たとえばサーボ弁であり、このサーボ弁１８によってアクチュエータ１４への空気の供給路を変更することで、ロッドの出退の切替えを行う。また、１９は車体１３と前台車１２の間に、前記アクチュエータ１４と並列に設置された左右動ダンパーである。

このような構成の一車両モデル試験機１１において、車両が停止していることを模擬するために、まず各台車１２、車体１３への外力を入力せずに一車両モデル試験機１１自体を静止状態とする。

次に、自己診断起動スイッチで自己診断アルゴリズムを起動させ、アクチュエータ１４で瞬間的（今回は１秒）に最大推力（今回は約６ｋＮ）で車体１３を推す。このときの制御器１６からアクチュエータ１４への制御信号は、図５（ｂ）のＤＡ出力の部分に相当し、２．３（Ｖ）が最大推力を指示していることになる。また正の電圧は、アクチュエータ１４のロッドを突出させることに対応する。１部位だけの加振であるため、車体１３はヨーイング振動を行う。

ところで、加速度センサー１５は、車両停止時に全く水平で０（ｍ／秒²）になるとは限らず、若干傾いていたり、取り付け座自体が傾いていて、図５（ａ）のように定常加速度が生じる。

そこで、この図５（ａ）に表れた定常加速度が絶対速度を求める際に影響しないように、低周波数に遮断周波数を持つハイパスフィルターで処理した。このハイパスフィルターで処理した場合の左右振動加速度波形を図５（ｃ）に示す。

さらに、絶対速度を求める上で診断開始以前の影響を無くするために、前記の制御信号（ＤＡ出力）を無次元化した（図５（ｂ）の波形データを２．３で割る）データを図５（ｃ）のデータに乗算する。その値が図５（ｄ）の振動加速度となる。

この図５（ｄ）の振動加速度波形の最初の１／４以下の範囲内において最大となる値の符号によっても診断は可能であるが、今回は図５（ｄ）の振動加速度波形にはノイズがあることから、減衰固有振動数ｆdの見積の誤差やノイズ等の影響を考慮し、図５（ｄ）の振動加速度を積分して求めた図５（ｅ）に示す絶対速度を使用して診断した。

この図５（ｅ）に示す絶対速度波形の最初の１／２以下の範囲内において最大となる値の符号によって診断したところ、車体の減衰固有振動数は前述のように１．６（Ｈｚ）で、周期Ｔの半分は０．３秒程度であるので、０．３秒間の絶対値の最大値は０．０４０８ｍ／秒²となって、その値の絶対値をとる前の符号は正であり、配線の極性が適正で、アクチュエータ１４による車体１３の駆動方向と、この駆動により左右振動加速度センサー１５が検出する加速度の方向も適正であると診断する。

一方、アクチュエータ１４のロッドが突出する方向と左右振動加速度センサー１５の向きが逆であれば、図５（ａ）（ｃ）〜（ｅ）の波形は全て正負反転することになり、最終的に０．３秒間の絶対値の最大値は，０．０４０８ｍ／秒²となるものの、その値の絶対値をとる前の符号は負であるため、配線の極性が適正でないか、アクチュエータ１４による車体１３の駆動方向と、この駆動により加速度センサー１５が検出する加速度の方向が適正でないと診断する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。たとえば伸縮駆動装置として空圧のアクチュエータを使用した例について説明したが、電動や油圧等のアクチュエータであっても良い等である。

以上の本発明は、鉄道車両の車体振動制御装置の診断に限らず、同様の構成を採用する振動制御装置であれば他の装置の診断にも適用できる。

本発明方法を説明するための図で、車両を上方からみた単純なモデルを示した図である。 （ａ）は本発明方法に使用する左右振動加速度波形を説明する図、（ｂ）は左右振動加速度を積分した速度波形を説明する図である。 特許文献２に記載された振動制御装置を備えた実車にて、本発明の診断方法を適用した場合の一例を示した図で、（ａ）は左右振動加速度波形を示した図、（ｂ）は制御器からアクチュエータへの制御信号を示した図、（ｃ）は（ａ）の左右振動加速度波形をハイパスフィルターで処理した場合の図、（ｄ）は（ｂ）図に示した制御信号を無次元化したデータを（ｃ）図に乗算した振動加速度波形を示した図、（ｅ）は（ｄ）図を積分して求めた絶対速度波形を示した図である。 本発明の診断方法の効果を確認するために使用した一車両モデル試験機の概略構成を示した図で、（ａ）は車体が中間に位置した場合の図、（ｂ）は中間位置から車体を幅方向紙面右方向に振らせた場合の図、（ｃ）は中間位置から車体を幅方向紙面左方向に振らせた場合の図である。 図４の一車両モデル試験機を用いた場合の図３と同様の図である。

符号の説明

１，１３ 車体
２，１２ 台車
３ 空気ばね
４，１９ 左右動ダンパー
１４ アクチュエータ
１５ 加速度センサー
１６ 制御器
１７ 回路
１８ サーボ弁

Claims (3)

1. 台車と車体間に設置した伸縮駆動装置と、
   車体に配置され、車体の振動加速度を検出する加速度センサーと、
   この加速度センサーから信号を入力され、前記伸縮駆動装置の駆動制御部と、伸縮駆動装置に駆動エネルギーを供給する回路に、これらを制御するための信号を出力する制御器を備えた振動制御装置の振動制御を診断する方法であって、
   停車中に前記伸縮駆動装置の伸長あるいは収縮の何れかの動作をステップ状に行わせ、
   この動作により前記加速度センサーが検出した信号、または、該信号を速度に変換した変換値をもとに、配線の極性が適正か否か、前記伸縮駆動装置による車体の駆動方向と、この駆動により前記加速度センサーが検出する加速度の方向が適正か否かを診断することを特徴とする鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法において、
   加速度センサーが検出した信号をもとに行う、前記の配線の極性が適正か否か、駆動方向と加速度の方向が適正か否かの診断は、
   前記車両の減衰固有振動数から求められる周期の１／４以下の時間内において、前記加速度センサーが検出する信号の絶対値が最大となる値の正負が、前記制御器に予め設定された正負と一致するか否かによって行うことを特徴とする鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法。
3. 請求項１に記載の鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法において、
   速度に変換した変換値をもとに行う、配線の極性が適正か否か、前記の駆動方向と加速度の方向が適正か否かの診断は、
   前記車両の減衰固有振動数から求められる周期の１／２以下の時間内において、前記変換値の絶対値が最大となる値の正負が、前記制御器に予め設定された正負と一致するか否かによって行うことを特徴とする鉄道車両の車体振動制御装置の診断方法。
   

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