JP4381288B2 - 高速鉄道車両の車体傾斜制御システム - Google Patents

Description

本発明は、高速鉄道車両の車体傾斜制御システムに関するものである。

鉄道車両が曲線路を通過するに際し、高速での通過と乗客の乗り心地の向上を図るため、軌道の曲線部分にはカントが施され、遠心力と重力との合力が車体床面に垂直に作用するようになされている。

この曲線軌道での走行速度を速くするには、カント量を大きくすればよいが、カント量を大きくし過ぎると、曲線軌道を低速で走行したり、あるいは、この曲線軌道で停車した場合には、車体の傾きが大きくなって曲線軌道の内軌側に転倒するおそれがある。従って、安全上、カント量には上限が設定されている。

ところで、最大カント量から算出される均衡速度を超えた速度で曲線路を通過すると、カントでは相殺できない超過遠心力が発生し、乗り心地を悪くすると共に脱線のおそれも生じる。
車体傾斜制御システムは、曲線軌道で良好な乗り心地を提供できるように、走行中の外乱に打ち勝ち車体を強制的に傾斜させる能力を有する。
しかし、このような能力があるため、制御異常が発生した場合に車体を本来とは逆向きに傾斜させてしまう（以下、逆傾斜という）など、乗り心地や安全上好ましくない事象も想定される。

そこで、乗客に不快な遠心力を感じさせることなく、曲線軌道での更なる高速走行を可能とするべく、車体傾斜制御について種々の提案がなされているが、このような車体傾斜制御においては、車体傾斜制御がフェールした時に逆傾斜しないようにすることが最も重要なポイントである。

そのため、例えば、鉄道台車の空気ばね高さを機械的に調整する高さ調整弁を有し、この高さ調整弁と空気ばねとを接続する空気管路に無電圧時に開く少なくとも１個の切替え弁と、空気源と空気ばねとを接続する空気管路に無電圧時に閉じる少なくとも各１個ずつの給気弁と排気弁（或いは比例制御弁）が備えられた車体傾斜制御であって、少なくとも鉄道車両の振動又は揺れを検出し、路線情報に基づく曲線方向と前記振動又は揺れの検出値より得られる曲線方向とが一致するか否かを判定し、前記判定結果が一致しないか又は直線と判断される場合には、前記各弁への電圧を無電圧とし、高さ調整弁で空気ばね高さを調整する車体傾斜制御のフェールセーフ方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

この方法は、車両の走行速度、走行方向と、ヨー方向の速度センサーにより検出した車体に作用するヨー方向の角速度とから曲線値を演算した後、演算された曲線値の符号と路線情報から得られた曲線半径の符号を比較し、両者の符号が同一であれば曲線方向が一致すると判定するようにしている。
特開２００４−１８２０００号公報（段落００４８〜００５０及び第１０図）

しかし、上記特許文献１に記載のものでは、次のような課題がある。
(i)地形判断の時期が遅く、高速鉄道車両への適用が困難である。

上記特許文献１では、円曲線の入り口で、逆傾斜か否かの地形判断を行う手法が採用されている。つまり、図５に示すように、入り口緩和曲線を経て、円曲線の入り口に達した時点で、地形判断がなされている。よって、高速鉄道車両への適用を想定した場合、円曲線の入り口で地形を判断しては時間的に遅い。乗り心地や走行安全の面から考えれば、地形判断が早ければ早いほどよい。
(ii)逆傾斜か否かの地形判断を行うための「閾値」の定量化手法が未確定である。

一般に前記「閾値」は条件に左右されず、定量化できるものが好ましい。特許文献１では、地形を判断する指標として、走行速度により変化しない「曲率（車体ヨー角度と走行速度とにより算出）」を採用している。「曲率」を指標として採用したことにより、「閾値」の定量化が容易になったが、その定量化の手法が未確立であるため、(i)のような結果となってしまう。

逆傾斜などの制御異常を検知するためには、地形判断と車体の特性を把握することが必要であり、この両者では地形判断の方が一般的に困難である。地形を判断するために、様々な指標が従来より提案されているがいずれも定量化手法に決め手がないのが現状である。
(iii)編成車両への適用
上記特許文献１では、編成車両を対象とした地形判断の結果や異常検知に関する記述がない。このため、上記のシステムを編成車両に適用することを考えると、「地形判断する装置」を各車両毎に装備する必要があると考えられる。これは、先頭車両にのみ地形判断をする装置を装備した場合、後続車両の挙動を把握できず、異常傾斜が判断できないからである。このように、「地形判断する装置」を各車両毎に装備すると、機器数の増大に繋がり、コスト増しや信頼性低下に繋がることは回避することができない。

ところで、従来の車体傾斜制御システムは、これまで分割・併合を前提とした、在来線の短編成車両に多く採用されてきた。在来線では、走行速度が低いため、逆傾斜などの制御異常が起こっても、乗り心地が悪化するだけで走行安全上問題がなければよい、という設計思想が主流を占めていたのが実情である。このため、異常を検知して防止するシステムは、試験としては実施されたものの、詳細な検討がされないまま実用化は見送られてきた。

本発明は、早期の地形判断を可能とすること、また、編成車両内の全車両で前記地形判断の結果についての情報を利用することを、コンパクトな構成で実現できる高速鉄道車両の傾斜制御システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、曲線軌道において、台車に対する車体の傾斜角度を傾斜制御する高速鉄道車両の車体傾斜制御システムであって、傾斜制御の対象となる曲線軌道がすべて同じ曲率半径の場合に、すべての曲線軌道について、前記曲線軌道の曲線長Ｌ(km)、空気ばねに対して吸気させることができる制御上の最大吸気能力Ａ(NL/min)及び、アクティブ制御せずにパッシブな制御で前記空気ばねの吸排気を行った状態での車両本来の排気能力Ｂ(NL/min)に基づき次の数式により決定される緩和曲線入り口からの距離Ｌ１と入り口緩和曲線長Ｌａとの比（Ｌ１／Ｌａ）を算出し、

その算出結果から、Ｌ１／Ｌａが最小となる曲線軌道を選択し、その曲線軌道についての距離Ｌ１における曲率を、逆傾斜か否かの地形判断を行うための閾値とすることを特徴とすることを特徴とする。

このようにすれば、傾斜制御の対象である曲線軌道の「曲線長」や「走行速度」に関係なく、（緩和曲線入り口からの距離Ｌ１に対応する）曲率に応じた曲線軌道内の定比位置で曲線軌道か直線軌道かの地形判断ができる。このため、本判断手法による閾値を使用して、逆傾斜などの検知を行う場合、走行速度や曲線長に関係なく、逆傾斜が発生しても曲線軌道を通過するまでに車体を水平に復帰させることができる。すなわち、曲線長や走行速度によらない一意的な逆傾斜検知システムとすることができ、特許文献１よりも、地形判断を行う地点が曲線軌道の入り口に近くなるため、早期の地形判断が可能となる。また、上記式に基づき、逆傾斜か否かの地形判断を行うための閾値を簡単に決定することができる。

請求項２に記載のように、異なる曲率半径の曲線軌道が複数ある場合には、同じ曲率半径の曲線軌道群ごとに、仮の前記距離Ｌ１を求めて、その各仮の距離Ｌ１と入り口緩和曲線長Ｌａとの比（Ｌ１／Ｌａ）を算出し、その比が最小となる曲線軌道についての前記距離Ｌ１における曲率を、前記逆傾斜か否かの地形判断を行うための閾値とすることが望ましい。

このようにすれば、前記閾値を用いることで、すべての曲線軌道において、逆傾斜が発生してもその曲線軌道の通過が完了するまでに車体を復帰させることが可能になる。

そして、編成車両の場合には、請求項３〜５のように構成することができる。

請求項３に記載のように、前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、前記先頭車両は、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の伝送端末装置に伝送する伝送中央装置を有する構成とすることができる。

このようにすれば、先頭車両の伝送中央装置によって、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の伝送端末装置に伝送することで、後続車両は先頭車両の走行位置に達するまで伝送情報（先頭車両の地形判断の結果についての情報）を保持し、利用することが可能となる。

よって、編成車両内の全車両で、先頭車両の地形判断結果についての情報を利用するために必要なシステムを非常にコンパクトな構成で実現できるので、システム内の機器数を少なくして、信頼性の高いシステムを構築できる。

請求項４に記載のように、前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、前記先頭車両が、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部にメタルケーブルを通じて送信する送信部を有する構成とすることもできる。

このようにすれば、先頭車両の送信部によって、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部に送信することで、先頭車両の判定結果についての情報を利用して、送信部が後続車両の走行位置に応じて個別操作を行うことが可能となる。

請求項５に記載のように、前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、前記先頭車両が、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部にメタルケーブルを通じて送信する送信部を有し、前記各受信部に処理部が設けられている構成とすることができる。

このようにすれば、先頭車両の送信部によって、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部に送信することで、各後続車両において処理部が走行位置の補正を行う。この場合、後続車両は、先頭車両の走行位置に達するまで前記地形判断の結果についての情報を保持することになる。

請求項１，２の発明は、傾斜制御の対象となる曲線軌道の「曲線長」や「走行速度」に関係なく、曲率に応じた曲線軌道内の定比位置で曲線軌道か直線軌道かについての地形判断ができる。このため、逆傾斜などの判断を行う場合、走行速度や曲線長に関係なく、逆傾斜が発生した曲線軌道を通過するまでに車体を水平に復帰できる。すなわち、曲線長や走行速度によらない一意的な逆傾斜検知システムとすることができ、また、特許文献１よりも、地形判断を行う地点が曲線入り口に近くなるため、早期の地形判断が可能となる。

請求項３〜５の発明では、編成車両内の全車両で先頭車両の地形判断の結果についての情報を利用するために、必要なシステムをコンパクトな構成で実現でき、システム内の機器数を少なくして、信頼性の高いシステムを構築することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明にかかる高速鉄道車両の車体傾斜制御システムの概略構成図である。

図１に示すように、編成車両１は、先頭車両１Ａと、それに続く複数の後続車両１Ｂ，１Ｃ，・・・，１Ｎとを有する。

先頭車両１Ａは、ＧＰＳ、地上子などから付与された地点情報２が伝送中央装置３に入力される。一方、速度情報４やセンサ５からの入力に基づいて演算器６で演算された地形判断結果についての情報７が伝送中央装置３に入力される。この伝送中央装置３において、地点情報２と地形判断結果についての情報７とにより、先頭車両１Ａに対して、台車に対する車体の傾斜制御が周知の手法と同様に行われる（例えば前記特許文献１参照）。

この先頭車両１Ａの地点情報２と地形判断結果についての情報７とが、後続車両１Ｂ〜１Ｎの各伝送端末装置８Ｂ〜８Ｎに送られる。各後続車両１Ｂ〜１Ｎは先頭車両１Ａの走行位置に達するまで伝送情報である地点情報２と地形判断結果についての情報７を保持し、後続車両１Ｂ〜１Ｎがその位置に達したときにそれを利用して、先頭車両１Ａと同様に傾斜制御が行われる。

このように、先頭車両１Ａで地形判断を行い、地形判断結果についての情報７を後続車両１Ｂ〜１Ｎに伝達することにより、後続車両１Ｂ〜１Ｎと先頭車両１Ａとの走行位置が異なっても地形判断結果についての前記情報７を利用することができる。

続いて、車体傾斜制御システムの吸気・排気能力及び傾斜制御対象となる曲線軌道の曲率半径を考慮して、地形判断を行う指標（曲率）に閾値thxを定量化する方法について、図２に沿って具体的に説明する。
(i)傾斜制御の対象となる曲線軌道がすべて同じ曲率半径の場合
曲線軌道の曲線長をＬ(m)、制御上の最大吸気能力をＡ（NL/min)、車体本来の排気能力をＢ（NL/min)とする。曲線軌道への進入と同時に逆傾斜が発生した場合、この曲線軌道内で、車体を水平に復帰させるには、次の数式を満たす地点に達するまでに地形判断（異常検知）を行うことができればよい。つまり、次の数式を満たせば、曲線軌道への突入により空気ばねが吸気動作を行い、車体をある程度逆方向に傾斜させても、曲線長Ｌの曲線軌道を走行して前記曲線軌道を出るまでに、空気ばねから排気動作を行い、車体を水平に復帰させることができる。

以上の考え方を前提として、閾値の定量化を考える。

まず、傾斜制御の対象となる、曲率半径Ｒのすべての曲線軌道について、まず、Ｌ１／Ｌａを算出する。その算出結果から、Ｌ１／Ｌａが最小となる曲線軌道Ｘを選択し、その曲線軌道Ｘの吸気距離Ｌ１における曲率thxを地形判断の閾値とする。

この閾値を使用することにより、曲率半径Ｒ(m)の、すべての曲線軌道において、逆傾斜が発生しても、その曲線軌道を通過する前までに車体が復帰することになる。なお、特許文献１の場合よりもΔＬ（＝Ｌａ−Ｌ１）だけ早く逆傾斜か否かの地形判断を行うことができる。
(ii)異なる大きさの曲線半径の曲線軌道が混在する場合
同じ曲率半径の曲線軌道群毎に、上記(i)と同様にして、仮の閾値thを算出し、その中で最小の値を、共通の閾値として採用する。

この閾値を使用することにより、傾斜制御対象の、すべての曲線軌道において、逆傾斜が発生しても、その曲線を通過する前までに車体が復帰することになる。

前記実施の形態では、伝送中央装置によって、地形判断情報・地点情報を伝送するようにしているが、次のように後続車両に送ることも可能である。
(i)図３に示すように、先頭車両１Ａ’が、地形判断結果についての情報７を、各後続車両１Ｂ’，１Ｃ’〜１Ｎ’の受信部１１Ｂ〜１１Ｎにメタルケーブル１２Ｂ〜１２Ｎを通じて送信する送信部１３を有する構成とすることもできる。

このようにすれば、先頭車両１Ａ’の送信部１３によって、地形判断結果についての情報７を、各後続車両１Ｂ’〜１Ｎ’の受信部１１Ｂ〜１１Ｎに送信することで、先頭車両１Ａ’の判定結果を利用して、送信部１３が後続車両１Ｂ’〜１Ｎ’の走行位置に応じて個別操作を行うことが可能となる。
(ii)図４に示すように、先頭車両１Ａ’が、地形判断結果についての情報７を、各後続車両１Ｂ”，１Ｃ”〜１Ｎ”の受信部１１Ｂ’〜１１Ｎ’にメタルケーブル１４を通じて送信する送信部１３’を有し、前記各受信部１１Ｂ’〜１１Ｎ’に処理部１５Ｂ〜１５Ｎが設けられている構成とすることができる。

このようにすれば、先頭車両１Ａ’の送信部１３’によって、地形判断結果についての情報７を、各後続車両１Ｂ”〜１Ｎ”の受信部１１Ｂ’〜１１Ｎ’に送信することで、各後続車両１Ｂ”〜１Ｎ”において処理部１５Ｂ〜１５Ｎがそれぞれ独立して走行位置の補正を行う。この場合は、後続車両１Ｂ”〜１Ｎ”は、先頭車両１Ａ’の走行位置に達するまで前記地形判断結果についての情報７を保持することになる。

本発明にかかる高速鉄道車両の車体傾斜制御システムの概略構成図である。 本発明にかかる地形判断の手法の説明図である。 本発明にかかる他の実施の形態である高速鉄道車両の車体傾斜制御システムの概略構成図である。 本発明にかかる別の実施の形態である高速鉄道車両の車体傾斜制御システムの概略構成図である。 従来の地形判断の手法の説明図である。

符号の説明

１ 編成車両
１Ａ，１Ａ’，１Ａ” 先頭車両
１Ｂ〜１Ｎ，１Ｂ’〜１Ｎ’，１Ｂ”〜１Ｎ” 後続車両
３ 伝送中央装置
７ 地形判断結果についての情報
８Ｂ〜８Ｎ 伝送端末装置
１１Ｂ〜１１Ｎ，１１Ｂ’〜１１Ｎ’ 受信部
１３，１３’ 送信部
１５Ｂ〜１５Ｎ 処理部

Claims (5)

1. 曲線軌道において、台車に対する車体の傾斜角度を傾斜制御する高速鉄道車両の車体傾斜制御システムであって、
   傾斜制御の対象となる曲線軌道がすべて同じ曲率半径の場合に、すべての曲線軌道について、前記曲線軌道の曲線長Ｌ(km)、空気ばねに対して吸気させることができる制御上の最大吸気能力Ａ(NL/min)及び、アクティブ制御せずにパッシブな制御で前記空気ばねの吸排気を行った状態での車両本来の排気能力Ｂ(NL/min)に基づき次の数式により決定される緩和曲線入り口からの距離Ｌ１と入り口緩和曲線長Ｌａとの比（Ｌ１／Ｌａ）を算出し、
   

   

   その算出結果から、Ｌ１／Ｌａが最小となる曲線軌道を選択し、その曲線軌道についての距離Ｌ１における曲率を、逆傾斜か否かの地形判断を行うための閾値とすることを特徴とする高速鉄道車両の車体傾斜制御システム。
2. 異なる曲率半径の曲線軌道が複数ある場合には、同じ曲率半径の曲線軌道群ごとに、仮の前記距離Ｌ１を求めて、その各仮の距離Ｌ１と入り口緩和曲線長Ｌａとの比（Ｌ１／Ｌａ）を算出し、その比が最小となる曲線軌道についての前記距離Ｌ１における曲率を、前記逆傾斜か否かの地形判断を行うための閾値とすることを特徴とする請求項１記載の高速鉄道車両の車体傾斜制御システム。
3. 前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、
   前記先頭車両は、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の伝送端末装置に伝送する伝送中央装置を有することを特徴とする請求項１または２記載の高速鉄道車両の車体傾斜制御システム。
4. 前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、
   前記先頭車両が、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部にメタルケーブルを通じて送信する送信部を有することを特徴とする請求項１または２記載の高速鉄道車両の車体傾斜制御システム。
5. 前記高速鉄道車両は、先頭車両と、それに続く複数の後続車両とで構成され、
   前記先頭車両が、前記地形判断の結果についての情報を、各後続車両の受信部にメタルケーブルを通じて送信する送信部を有し、前記各受信部に処理部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の高速鉄道車両の車体傾斜制御システム。

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