JP4348410B2 - 鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に緩和曲線通過時において、鉄道車両用空気ばね高さ調整機構を最適に制御する方法に関するものである。

鉄道車両では、図７に示すように、車体１と台車２間に介在させた空気ばね３毎に高さ調整弁４が設置されている。この高さ調整弁４は、例えば車体１に設置され、その作動軸４ａに一端を取り付けたレバー５の他端を、一端を台車２に揺動が自在なように取り付けた連結棒６の他端に枢支した構成である。

そして、このような高さ調整弁４では、レバー５が水平位置にあるときは空気ばね３の内圧が均衡しているものと判断して空気ばね３に対して給排気は行われない。一方、例えばレバー５が図７において右下がりに傾斜して空気ばね３部における車体１と台車２の間隔が狭くなると、空気ダメ７から配管８を介して空気ばね３に給気されて内圧が高められ、前記車体１と台車２の間隔を元に戻す。

このように、鉄道車両では、高さ調整弁の機能により、負荷の変動に応じて、空気ダメから空気ばねへの空気の供給や、空気ばね内の空気を外部に排出することで、車両の高さが一定となるように、車高の調整を行っていた。

ところで、高速走行を可能とするために、曲線部にはカントがつけられているが、その関係で、曲線出入口の緩和曲線では、カントが徐々に変化している。従って、この緩和曲線の走行時においては、車体は進行方向の前後に配置された台車によってねじられ、進行方向左右では車体と台車の間隔が異なることになって高さ調整弁が作動し、空気ばねへの給排気が行われる。

このような従来方式でも、十分に安全性は確保されていたが、本発明者らのより詳しい調査の結果、緩和曲線の走行時には、前記高さ調整弁の作動により、車体と台車の間隔が大きくなった方の空気ばねからは空気が排出される一方、前記間隔が小さくなった方の空気ばねには空気が供給され、輪重にアンバランスが生じる場合があることが判明した。

図８は、入口と出口の緩和曲線長が９０ｍ、円曲線長が１８０ｍ、カントが６１ｍｍ、走行速度が１５ｋｍ／ｈの場合の、（ａ）は第１台車の輪重変動率、（ｂ）は軌道形状、（ｃ）は第１台車と車両進行方向の後方に位置する第２台車の空気ばねの内圧変動率を示したものである。

図８中の太い実線は、（ａ）図では車両進行方向前方に位置する第１軸の外軌側、（ｃ）図では第１台車の外軌側、太い破線は、（ａ）図では第１軸の内軌側、（ｃ）図では第１台車の内軌側、細い実線は、（ａ）図では車両進行方向後方に位置する第２軸の外軌側、（ｃ）図では第２台車の外軌側、細い破線は、（ａ）図では第２軸の内軌側、（ｃ）図では第２台車の内軌側を示すが、この図８（ａ）に示した例では、出口緩和曲線の走行時、第１台車における進行方向前方の第１軸の外軌側（図８に矢印ａで示す）の車輪に輪重抜けが発生している。

かかる空気ばねの給排気を行うための制御装置として、各高さ調整弁に、その作動を制止するロック機構と車両高さの一定の変化を検知して検知指令を出す検知装置を組み入れ、車両の走行状態を選択的に作動させる制御装置を設けることで、緩和曲線走行時の輪重抜けを防止する技術が開示されている。
特開２０００−２８０９００号公報

また、空気ばね高さ調整機構における高さ制御装置として、車体と台車間の上下変位量を前記連結棒から高さ調整弁に伝達する経路に、ばね力にて初期状態に復帰可能なアクチュエータを配置する技術が開示されている。
特開２００３−２３１４６５号公報

上記のように、緩和曲線での輪重変動や輪重抜けを抑制するためには、緩和曲線走行時における空気ばねの内圧変動を抑制する必要がある。そして、そのためには、緩和曲線走行時における空気ばね高さ調整機構の状態を適正に制御する必要がある。しかしながら、上記特許文献１や特許文献２で開示された技術では、緩和曲線走行時における輪重のアンバランスや輪重抜けの抑制については全く考慮されていない。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、緩和曲線走行時における輪重のアンバランスや輪重抜けの発生をなくし、緩和曲線走行時のさらなる安全性向上を図ることにより、信頼性を確保できる鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、あらゆる曲線、走行条件に対して、円曲線での定常値が同じになるような制御方法を検討した。その結果、円曲線の前段階である入口緩和曲線では、第１台車の連結棒のみを伸縮制御することで、空気ばね内圧の変動を補償し、一定に保つことが可能になることを知見した。

本発明に係る第１の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法は、かかる知見に基づいてなされたものであり、
車両進行方向の前方に位置する第１台車と、後方に位置する第２台車の進行方向左右に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両の入口緩和曲線における制御方法であって、
前記台車又は前記車体に取り付けられ、前記車体に対する前記台車の相対的な高さに応じて前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁と、
前記車体又は前記台車に一方を回動可能に支持され、他方を前記高さ調整弁を作動する作動軸に取り付けられるレバーに回動可能に支持される連結棒と、
前記連結棒に設けられた長さ伸縮装置を備え、
入口緩和曲線において前記第１台車の連結棒のみを伸縮制御することを最も主要な特徴とする。

次に、本発明者らは、出口緩和曲線での空気ばね高さ調整機構の制御方法を検討した。その結果、円曲線の後段階である出口緩和曲線では、第１台車及び第２台車の連結棒を共に伸縮制御することで、第１台車における第１軸の外軌側に発生する輪重抜けを抑制することが可能になることを知見した。

本発明に係る第２の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法は、かかる知見に基づいてなされたものであり、
車両進行方向の前方に位置する第１台車と、後方に位置する第２台車の進行方向左右に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両の出口緩和曲線における制御方法であって、
前記台車又は前記車体に取り付けられ、前記車体に対する前記台車の相対的な高さに応じて前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁と、
前記車体又は前記台車に一方を回動可能に支持され、他方を前記高さ調整弁を作動する作動軸に取り付けられるレバーに回動可能に支持される連結棒と、
前記連結棒に設けられた長さ伸縮装置を備え、
出口緩和曲線において、前記第１台車及び第２台車の外軌側における高さ調整弁の連結棒を伸ばし、前記第１台車及び第２台車の内軌側における高さ調整弁の連結棒を縮めることを最も主要な特徴とする。

また、本発明に係る第３の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法は、上記第１の本発明方法と第２の本発明方法を組み合わせたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、緩和曲線走行時における輪重のアンバランスや輪重抜けの発生がなくなり、乗り心地が良くなって緩和曲線走行時のさらなる安全性向上が図れ、信頼性が向上する。また、緩和曲線における走行速度を向上させることもできる。

以下、本発明に係る出口緩和曲線での空気ばね高さ調整機構の制御方法について説明するが、その考え方は入口緩和曲線の場合も同様である。
まず、あらゆる曲線、走行条件に対して適用が可能なように、次のパラメータを設定し、それぞれの値に応じた制御則を検討した。

軌道側の条件
Ｃ：カント
λ：出口緩和曲線のカント逓減倍率の逆数（＝緩和曲線長さ／カント）
Ｘexit：出口緩和曲線の開始位置の座標
Ｘend：出口緩和曲線の終了位置の座標

走行条件
Ｖ：車両の走行速度
空気ばね系の条件
±ＺLV：自動高さ調整機構の不感帯
ＴLV：自動高さ調整機構の時間遅れ
以上の値は、鉄道車両、軌道の条件においては既知の条件であり、事前に取得可能な情報である。

出口緩和曲線走行時における輪重抜けを抑制するための自動高さ調整機構の制御は、その連結棒を伸縮させる位置（地点）とその伸ばす長さが対象となる。
１）連結棒を伸ばす位置
第１台車の自動高さ調整機構の連結棒を出口緩和曲線の開始位置で伸ばすためには、高さ調整弁の弁が開くまでの時間を考慮して、伸ばし始める位置Ｘl1は、Ｘl1＝Ｘexit−Ｖ・ＴLVOPENとする。このとき、ＴLVOPENは、高さ調整弁の弁が開くまでの時間である。

２）連結棒を縮める位置
第１台車が出口緩和曲線の中間地点に到達した時に連結棒を元の長さに戻す。従って、その地点Ｘl2は、Ｘl2＝（Ｘexit＋Ｘend）／２である。

３）連結棒を伸ばす長さ
目標とする空気ばねの内圧を制御するためには、図１に示すような方法で連結棒を伸ばす長さを決定する。
すなわち、目標とする空気ばねの内圧と、軌道条件のうちのカントＣと出口緩和曲線のカント逓減率λから、後述のａ）のように空気ばねへの空気流入量を求め、この空気流入量と、高さ調整弁を流れる空気流量から、後述のｂ）のように高さ調整弁を開ける時間を求める。一方、前記出口緩和曲線のカント逓減率λと走行速度Ｖから、後述のｃ）のようにして空気ばねの伸びる速度を求める。そして、これら高さ調整弁を開ける時間と空気ばねの伸びる速度とから、後述のｄ）のようにして連結棒を伸ばす長さを決定する。

ａ）空気ばねへの空気流入量
本発明者らが、空気ばね内圧の目標値を±０、すなわち円曲線での値と同じ値であるとしたとき、各種の軌道条件に対して、カント逓減倍率λを変化させて、第１台車の輪重抜け地点での空気ばねへの空気流入量とカントＣの間の関係を調査したところ、空気ばねへの空気流入量とカントＣ、カント逓減倍率λの間には図２に示したような関係があることが判明した。従って、この図２に示した関係に基づいて、軌道条件に対する空気ばねへの空気流入量を計算することができる。なお、図２はカント逓減倍率１／λが３００、４９０、９８０の場合の空気ばねへの空気流入量とカントＣの間の関係を示したものである。

ｂ）高さ調整弁の弁を開ける時間
高さ調整弁の弁を流れる単位時間当たりの空気流量ｑinは、ほぼ一定であり、必要な空気流入量をＱinとした場合に、高さ調整弁を開ける時間Ｔinは、Ｔin＝ Ｑin／ｑinで与えられる。

ｃ）空気ばねの伸びる速度
本発明者らが調査した結果、走行速度Ｖ、及び、カント逓減倍率λに対して、空気ばねの伸びる速度Ｖasは、図３に示すような等高線状の関係があることが判明した。従って、この図３より、出口緩和曲線における外軌側の空気ばねの伸び速度Ｖasがわかる。

ｄ）連結棒を伸ばす長さ
高さ調整弁を開ける時間Ｔinと、空気ばねの伸びる速度Ｖasより、連結棒を伸ばす長さＬlは、Ｌl＝２Ｚlv＋Ｖas・Ｔinで与えられる。
このような制御則を適用することで、出口緩和曲線における輪重抜けの抑制が可能になる。

以下、第１台車と第２台車の進行方向左右に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両の、上記検討に基づく本発明に係る緩和曲線での制御方法を、図４及び図５を参照しつつ詳細に説明する。

図４は本発明に係る空気ばね高さ調整機構の制御方法を実施する空気ばね高さ調整機構の一例を示す図面である。
４は例えば前記鉄道車両の車体１に取り付けられて前記空気ばね３の高さを調整する高さ調整弁である。この高さ調整弁４は、その作動軸４ａに一方を固定されたレバー５が、前記車体１と第１台車や第２台車（以下、両台車を区別する必要がない場合には、単に「台車２」という。）の相対的な傾斜に応じて、前記作動軸４ａを中心として回動することにより作動される。

連結棒６は一方を例えば前記台車２に、また、他方を前記レバー５に夫々回動可能に支持され、この連結棒６が前記車体１と台車２との相対的な高さをレバー５に伝えている。
そして、この図４の例では、前記連結棒６に長さ伸縮装置９を設け、予め記憶しておくか又は地上子を通過する時に入手する線路情報に応じて、連結棒６の長さを以下のように伸縮制御させる。

入口緩和曲線部（図５における時刻０〜２０秒の区間）では、例えば図５（ａ）に示すように、長さ伸縮装置９を作動させて、第１台車の外軌側における高さ調整弁４の連結棒６の長さを伸ばす一方、内軌側における高さ調整弁４の連結棒６の長さを短くするように、同じタイミングで制御するのである。なお、連結棒６の伸縮開始位置及び伸縮長さ、空気ばね３への空気流入量、高さ調整弁４の弁を開ける時間は、先に説明したようにして決定する。

このような、入口緩和曲線走行時における第１台車の連結棒６の伸縮制御により、空気ばね３の内圧変動が補償でき、図５（ｃ）に示すように入口緩和曲線走行時における、第１台車及び第２台車の空気ばね３の内圧（特に第１台車の外軌側の空気ばね３の内圧）を、従来の制御方法を実施した場合と比べて、一定に保つことができるようになる。なお、図８（ｃ）に示した従来の制御では、入口緩和曲線走行時には、第１台車の外軌側の空気ばねの内圧が１００％より減少している。

次に出口緩和曲線（図５における時刻６０〜８０秒の区間）では、例えば図５（ａ）に示すように、長さ伸縮装置９を作動させて、第１台車と第２台車の外軌側における高さ調整弁４の連結棒６の長さをそれぞれ伸ばす一方、第１台車と第２台車の内軌側における高さ調整弁４の連結棒６の長さをそれぞれ短くするように制御するのである。この図５に示した例では、第１台車と第２台車の制御タイミングを異ならせたものを示している。なお、この場合の連結棒６の伸縮開始位置及び伸縮長さ、空気ばね３への空気流入量、高さ調整弁４の弁を開ける時間も、先に説明したようにして決定する。

このような、出口緩和曲線における第１台車及び第２台車の連結棒６の伸縮制御により、空気ばね３の内圧変動が抑制でき、図５（ｃ）に示すように出口緩和曲線走行時における、第１台車及び第２台車の空気ばね３の内圧を一定に保つことができるようになる。なお、図８（ｃ）に示した従来の制御では、出口緩和曲線走行時には、第１台車及び第２台車の全ての空気ばね３の内圧が大きく変動している。

上記の本発明に係る高さ調整機構の制御方法の効果をコンピュータシミュレーションにより検証した。
実施条件は、カントＣ＝６１ｍｍ、出口緩和曲線のカント逓減倍率の逆数λ＝４９０、出口緩和曲線の開始位置の座標Ｘexit＝０ｍ、出口緩和曲線の終了位置の座標Ｘend＝３０ｍ、車両の走行速度Ｖ＝１５ｋｍ／ｈ、自動高さ調整機構の不感帯±ＺLV＝±５．６ｍｍ、自動高さ調整機構の時間遅れＴLV＝１秒で行った。また、評価は、空気ばねの内圧が目標通りになるかどうかで行った。

上記の条件より、高さ調整弁の弁が開くまでの時間ＴLVOPENは２．２２秒、必要な空気流入量をＱinは１３グラム、高さ調整弁の弁を流れる単位時間当たりの空気流量ｑinは４．４グラム、図３より空気ばねの伸びる速度Ｖasは６．６４ｍｍ／秒であり、連結棒を伸ばす長さＬlは３０．８ｍｍとなった。

以上の結果を踏まえ、前述の制御則に従ってコンピュータシミュレーションを行った結果、図６に示したように、第１台車における外軌側の空気ばねの内圧変動は、０．２％程度にまで抑制することができた。これは、本発明の制御方法を実施しない場合の空気ばねの内圧変動８．８％と比較すると大幅に改善されている。

本発明は、前記の各例に示した実施形態に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲であれば、その実施形態の変更は任意であり、各請求項に記載の技術的思想が有する作用効果を奏することは言うまでもない。

以上の本発明は、緩和曲線走行時以外の軌道を走行する際にも適用できる。

本発明の制御方法を実施する際の、連結棒を伸ばす長さの決定方法を説明する図である。 本発明の制御方法を実施する際の、空気ばねへの空気流入量と、カント、出口緩和曲線におけるカント逓減倍率の関係の一例を示す図である。 本発明の制御方法を実施する際の、空気ばねの伸び速度と、出口緩和曲線におけるカント逓減倍率、走行速度の関係の一例を示す図である。 本発明の制御方法を実施する空気ばねの高さ調整機構の説明図である。 入口緩和曲線と出口緩和曲線における本発明の空気ばねの高さ調整機構制御方法の説明図で、（ａ）は連結棒の伸縮量を示した図、（ｂ）は軌道形状、（ｃ）は空気ばねの内圧の変動率を示した図である。 本発明の効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を示す図５（ａ）（ｃ）と同様の図である。 従来の高さ調整機構を説明する図である。 連結棒を伸縮しない従来の高さ調整機構制御方法を実施した場合の図で、（ａ）は輪重変動率、（ｂ）は軌道形状、（ｃ）は空気ばねの内圧変動を示した図である。

符号の説明

１ 車体
２ 台車
３ 空気ばね
４ 高さ調整弁
４ａ 作動軸
５ レバー
６ 連結棒
９ 長さ伸縮装置

Claims (12)

1. 車両進行方向の前方に位置する第１台車と、後方に位置する第２台車の進行方向左右に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両の入口緩和曲線における制御方法であって、
   前記台車又は前記車体に取り付けられ、前記車体に対する前記台車の相対的な高さに応じて前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁と、
   前記車体又は前記台車に一方を回動可能に支持され、他方を前記高さ調整弁を作動する作動軸に取り付けられるレバーに回動可能に支持される連結棒と、
   前記連結棒に設けられた長さ伸縮装置を備え、
   入口緩和曲線において前記第１台車の連結棒のみを伸縮制御することを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
2. 入口緩和曲線において、前記第１台車の外軌側における高さ調整弁の連結棒を伸ばし、内軌側における高さ調整弁の連結棒を縮めることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
3. 前記第１台車の外軌側における高さ調整弁の連結棒と、内軌側における高さ調整弁の連結棒の伸縮制御を同じタイミングで行うことを特徴とする請求項２記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
4. 車両進行方向の前方に位置する第１台車と、後方に位置する第２台車の進行方向左右に取り付けられた空気ばねによって車体を支持する鉄道車両の出口緩和曲線における制御方法であって、
   前記台車又は前記車体に取り付けられ、前記車体に対する前記台車の相対的な高さに応じて前記空気ばねの高さを調整する高さ調整弁と、
   前記車体又は前記台車に一方を回動可能に支持され、他方を前記高さ調整弁を作動する作動軸に取り付けられるレバーに回動可能に支持される連結棒と、
   前記連結棒に設けられた長さ伸縮装置を備え、
   出口緩和曲線において、前記第１台車及び第２台車の外軌側における高さ調整弁の連結棒を伸ばし、前記第１台車及び第２台車の内軌側における高さ調整弁の連結棒を縮めることを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
5. 前記第１台車における空気ばねを給排気する高さ調整弁の連結棒と、前記第２台車における空気ばねを給排気する高さ調整弁の連結棒の伸縮制御のタイミングをずらせることを特徴とする請求項４記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
6. 前記第１台車及び第２台車の、外軌側における高さ調整弁の連結棒と、内軌側における高さ調整弁の連結棒の伸縮制御を同じタイミングで行うことを特徴とする請求項４又は５記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
7. 請求項１記載の制御方法により入口緩和曲線の制御を行うとともに、請求項４記載の制御方法により出口緩和曲線の制御を行うことを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
8. 請求項２記載の制御方法により入口緩和曲線の制御を行うとともに、請求項４記載の制御方法により出口緩和曲線の制御を行うことを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
9. 請求項３記載の制御方法により入口緩和曲線の制御を行うとともに、請求項４記載の制御方法により出口緩和曲線の制御を行うことを特徴とする鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
10. 前記第１台車と前記第２台車の外軌側における高さ調整弁の連結棒を伸ばし、前記第１台車と前記第２台車の内軌側における高さ調整弁の連結棒を縮めることを特徴とする請求項７〜９の何れか記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
11. 前記第１台車における空気ばねを給排気する高さ調整弁の連結棒と、前記第２台車における空気ばねを給排気する高さ調整弁の連結棒の伸縮制御のタイミングをずらせることを特徴とする請求項７〜１０の何れか記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。
12. 前記第１台車及び第２台車の、外軌側における高さ調整弁の連結棒と、内軌側における高さ調整弁の連結棒の伸縮制御を同じタイミングで行うことを特徴とする請求項７〜１１の何れか記載の鉄道車両用空気ばね高さ調整機構の制御方法。

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