JP4448620B2

JP4448620B2 - 軌間可変動力車両の制御装置

Info

Publication number: JP4448620B2
Application number: JP2001028433A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎近藤; 孝一松岡; 寿郎長谷部; 渉高波
Original assignee: Toshiba Corp; Railway Technical Research Institute
Current assignee: Toshiba Corp; Railway Technical Research Institute
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2021-02-05
Also published as: JP2002233005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌間可変車両に関し、特に軌間可変動力車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軌間の異なる線路を走行することができる軌間可変車両として、フランス−スペイン間を走行する国際列車「タルゴ」が知られているが、この「タルゴ」は動力車（機関車）と客車とから構成され、客車のみが軌間可変車両であって、動力車（機関車）は軌間可変車両ではない。このため、軌間の異なる線路に移行する場合には、動力車（機関車）を交換する必要がある。また軌間可変車両としての動力車は世界的に例がないため、軌間可変動力車両の制御装置に対する従来技術はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
仮に、軌間可変動力車両が軌間の異なる線路を結ぶ変換軌道（本明細書を通じて軌間変換区間という。）を通過する場合には、車輪の間隔を変更するために、その軌間可変動力車両の荷重を車輪以外の支持機構により支持する必要がある。このため、軌間変換区間を走行する際には、輪重低下による空転が引き起こされる可能性があり、軌間変換に係る動作不良が起こり得る。
【０００４】
本発明の課題は、軌間可変動力車両の軌間変換動作を円滑に行わせるために、車輪の駆動力を適切に制御することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、軌間可変動力車両の車輪を駆動するための駆動力を制御する制御装置（例えば、図５の上位制御装置Ａ−０）であって、軌間変換区間（例えば、図１の軌間変換区間１１０）を走行する際に、前記駆動力を抑制して空転再粘着制御を行うとともに、前記車輪の空転状態を、軌間変換区間の長さ以上離れた位置の車輪または車軸の速度情報に基づいて判別して、前記空転再粘着制御を行うことを特徴としている。
【０００６】
この請求項１記載の発明によれば、軌間可変動力車両が軌間変換区間を走行する際に、輪重低下による空転を抑制することができ、駆動力の損失を低く抑えることができる。さらに、軌間変換に係る動作不良を防止するとともに、車輪およびレールの損傷を低減させることができる。
【０００７】
なお、この場合の車輪は、車輪一体形の電動機によって駆動されるものであってもよいし、たわみ継手および減速歯車装置を介して輪軸に動力を伝達する方式であってもよい。また軌間可変動力車両とは、機関車や気動車、電動車等の動力車両の内、軌間変換が可能な車両のことである。
【００１０】
また、請求項２記載の発明のように、請求項１記載の軌間可変動力車両の制御装置において、前記車輪に係る軌間変換動作状態を検知する検知手段（例えば、図５の区間検知センサ６０ａや輪軸上下変位センサ５０ａ）を備え、この検知手段が検知した軌間変換動作状態に基づいて、前記車輪の駆動力を制御することとしてもよい。
【００１１】
この請求項２記載の発明によれば、軌間変換に係るより正確な駆動力の抑制制御を行うことが可能となる。
【００１２】
また、請求項３記載の発明のように、請求項１または２に記載の軌間可変動力車両の制御装置において、走行速度が所定速度以上の場合には、強制的に前記駆動力を零に制御することとしてもよい。
【００１３】
この請求項３記載の発明によれば、軌間変換における動作不良を防止するため、所定速度、例えば１５ｋｍ／ｈ以上の場合には、強制的に駆動力を零にする。従って、軌間変換区間における動作不良や、車輪およびレールの損傷を最小限に抑えることができる。なお、ブレーキをかけた場合には、車輪およびレールの損傷が起こり得るため、ブレーキはかけることはできないが、軌間変換区間内を走行していない車輪や台車以外に対してブレーキをかけるように制御するように構成してもよい。
【００１４】
また請求項４記載の発明のように、請求項１から３のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置において、軌間変換の異常を検知した場合には、前記駆動力を零に制御することとしてもよい。
【００１５】
ここで軌間変換の異常とは、予期せずに軌間変換区間に在線した場合や、軌間変換動作中の異常を含む意である。
【００１６】
この請求項４記載の発明によれば、異常時においても、車輪にかかる駆動力を確実に零にすることができるため、その場合であっても車輪およびレールの損傷を最低限に抑えることができる。
【００２２】
また、請求項５記載の発明のように、請求項１から４のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置は、台車あるいは車軸単位で車輪の駆動力を制御することとしてもよい。
【００２３】
この請求項５記載の発明によれば、独立車輪方式に対する制御のみならず、両輪駆動方式に対する制御や、台車の車輪を統括的に制御するといったことができるため、制御装置の数や大きさ等の規模を小さくし、より容易かつ安価に本発明を適用することが可能となる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明のように、請求項１から５のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置における前記軌間可変動力車両は、電動車であってもよい。
【００２５】
この請求項６記載の発明によれば、本発明を電動車に適用することによって、一般に走行している電車の軌間変換を可能ならしめることができる。
【００２６】
また、請求項７記載の発明のように、請求項１から６のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置における制御を、前記車輪を駆動する電動機の制御によって行うこととしてもよいし、請求項８記載の発明のように、請求項１から７のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置における制御を、前記車輪への動力伝達を断続する制御としてもよい。
【００２７】
この請求項７または８記載の発明によれば、通常走行時においても制御している電動機の出力トルクの制御を行うことによって本発明を実現できるため、本発明の適用を容易に実施することができる。また、クラッチや歯車装置等を用いた動力伝達の断続制御を行うことによって実現することも可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下では、本発明を軌間可変電車に適用した場合を例にとって説明するが、本発明の適用対象は軌間可変な電車に限らず、機関車や気動車等の他の動力車へも適用が可能である。
【００２９】
まず本発明を適用した軌間可変電車４００の軌間変換の機構について説明する。図１は、軌間変換区間１１０を含む軌道の構成を示す図である。図中上側の軌道が狭軌区間（以下、この区間の軌道を狭軌２００という。）、図中下側の軌道が標準軌区間（以下、この区間の軌道を標準軌３００という。）であり、狭軌２００のレール端部２００ａと標準軌３００のレール端部３００ａとの間が軌間変換区間１１０である。
【００３０】
また狭軌２００と標準軌３００との間は、所定間隔をおいて平行する２本のレールを対とした案内レール１０２によって結ばれており、案内レール１０２が狭軌２００を挟むように狭軌２００と平行に敷設された区間が輪重移行区間２１０、標準軌３００を挟むように標準軌３００と平行に敷設された区間が輪重移行区間３１０である。また、軌間変換の前後に渡って軌間可変電車４００の荷重を支持すべく、軌間可変電車４００の軸箱を支持する軸箱支持レール１０４が、狭軌２００および標準軌３００の外側に、平行して設置されている。
【００３１】
さらに、輪重移行区間２１０、３１０においては、軌間変換区間１１０へ近づくに従って、狭軌２００および標準軌３００の水平位置が低くなるように、逆に言えば、軌間変換区間１１０から遠ざかるに従って狭軌２００および標準軌３００の水平位置が高くなるように、勾配がつけられており、軌間可変電車４００の荷重の支持を、車輪から軸箱へ、軸箱から車輪へ円滑に移行できるように構成されている。
【００３２】
図２は、本発明を適用した軌間可変電車４００の台車の状態を示す図であり、狭軌２００から標準軌３００へ軌間変更をする際の状態を示す図である。本発明を適用した軌間可変電車４００の電動機１０は、車輪一体形の各輪駆動方式（独立車輪方式）であるが、以下簡明のため、固定子および回転子を含む電動機部分を電動機１４、回転子と一体的に構成された車輪部分を車輪１２と呼ぶ。
【００３３】
図２（ａ）は、狭軌２００を走行する通常の走行状態を示す図である。ロックピン２６が軸箱２２に嵌合した状態で車輪１２の左右間隔が保たれている（以下、この状態をロックという。）。
【００３４】
図２（ｂ）は輪重移行区間２１０を走行する状態を示す図である。狭軌２００のレールの水平位置が徐々に低くなるとともに、軌間可変電車４００の車体荷重が、徐々に軸箱２２を介して軸箱支持レール１０４により支持される。また、輪軸１６が降下することにより、ロックピン２６のロックが解除される。
【００３５】
図２（ｃ）は軌間変換区間１１０を走行する状態を示す図である。軌間可変電車４００の車体荷重は、完全に軸箱２２を介した軸箱支持レール１０４により支持される。そして車輪１２は案内レール１０２に従って左右に移動される。
【００３６】
図２（ｄ）は標準軌３００を走行する状態を示す図である。図２（ｂ）とは逆に、標準軌３００のレールの水平位置が徐々に高くなるとともに、軌間可変電車４００の車体荷重が、徐々に車輪１２を介して標準軌３００により支持される。また標準軌３００のレールの上昇に従い、輪軸１６も上昇するため、軸箱２２がロックピン２４を嵌合・ロックし、車輪１２の左右間隔が固定される。
【００３７】
図３は、軌間変換区間１１０を走行する３両編成の軌間可変電車４００を示す図である。図３において軌間変換区間１１０の長さは、台車間の距離よりも短いため、軌間変換区間１１０上には１つの台車のみが在線するよう構成されている。また、図３において軌間可変電車４００の動力車である電動車は１両目の車両４０１と３両目の車両４０３である。軌間可変電車４００は図中左方向へ走行し、１両目の車両４０１の台車４０１ｂが軌間変換区間１１０内にある。従って同図の状態においては、台車４０１ｂを除く、車両４０１の台車４０１ａと、車両４０３の動力によって軌間可変電車４００が走行する。また、他の台車が軌間変換区間１１０内にある場合も同様に、当該他の台車以外の台車の動力によって、軌間可変電車４００が走行する。
【００３８】
次に、駆動力の制御方法について説明する。
図４は、軌間可変電車４００の動力車である電動車１両の車輪および車体下部に設置される制御装置を示した略図であり、図５は、図４の車輪および制御装置に係る機能ブロック図である。台車ａ、ｂはそれぞれ、２つの車軸および４つの車輪により構成されるが、上述したように、本実施の形態の軌間可変電車４００は車輪と電動機とが一体形の各輪駆動方式である。このため、インバータＡ−１〜Ａ−４は、台車ａに係る車輪ａ−１〜ａ−４の電動機ａ−１０〜ａ−４０を制御し、インバータＢ−１〜Ｂ−４は、台車ｂに係る車輪ｂ−１〜ｂ−４の電動機を制御する。また上位制御装置Ａ−０がインバータＡ−１〜Ａ−４を、上位制御装置Ｂ−０がインバータＢ−１〜Ｂ−４を統括的に制御する。
【００３９】
また、各インバータは、ベクトル制御によって電動機を制御し、基本的に空転再粘着制御（以下、空転制御という。）を行う。また、通常の走行時における空転制御は、自台車内の各車輪速度の内、最小の速度を基準速度とするが、後述するように、軌間変換中は、他台車の車輪速度の内、最小の速度を基準速度とするように切り換えられる。これは、列車の絶対速度に基づいて制御を行うためである。
【００４０】
以下、１つの台車に係る制御装置、電動機、車輪等のまとまりを群と呼ぶ。図５において、電動車４０１には群４０１Ａと群４０１Ｂとがあり、電動車４０３には群４０３Ａと群４０３Ｂとがある。軌間可変電車４００内には車両間および群間を結ぶ伝送路９０が設けられており、各群と、軌間可変電車４００の運転台４０４とは、この伝送路９０に接続され、データの伝送が随時可能なように構成されている。
【００４１】
また各群には、輪軸の上下位置を検知し、アナログ信号として出力する輪軸上下変位センサと、軸箱が軸箱指示レール１０４と接触したか否かを検知し、デジタル信号として出力する区間検知センサとが含まれる。
【００４２】
図６は、軌間変換の前後における輪軸上下変位センサと、区間検知センサとの関係を示す図であり、時間の経過は同図中右方向である。同図において、通常走行時においては、区間検知センサから区間外を示すＯＦＦ信号が、上下変位センサから輪軸が高位置にある旨を示すレベル信号が出力される。
【００４３】
輪重移行区間において、軸箱が軸箱指示レール１０４と接触するまでの間は、区間検知センサからＯＦＦ信号が出力され、軸箱と軸箱指示レール１０４とが接触した時以降からは、区間検知センサからＯＮ信号が出力される。さらに、輪重移行区間中、レールの水平位置が低下することによって輪軸が降下すると、軌間可変電車４００の荷重は軸箱を介して軸箱支持レール１０４により支持されるため、輪軸が低位置に変位する。上下変位センサはこの輪軸の変位を検知して、輪軸が低位置に変位した旨のレベル信号を出力する。
【００４４】
軌間変換区間においては、輪軸上下変位センサからは輪軸が低位置にある旨を示すレベル信号が出力され、区間検知センサからはＯＮ信号が出力される。
【００４５】
以降、輪軸上下変位センサと区間検知センサとは上記と逆の検知を行って、輪軸上下変位センサは輪軸を低位置から高位置へ変位した旨を示す信号を、区間検知センサはＯＮ信号からＯＦＦ信号を出力することとなる。
【００４６】
したがって、図６に示すように、輪軸上下変位センサと区間検知センサの信号に基づいて、制御対象の台車（群）が、現在どの軌道を走行しているか、どの区間に在線しているか、どのような軌間変換過程にあるかを判別することができる。
【００４７】
次に、軌間変換の前後における駆動力の制御を順次説明するが、簡明のため、群４０１Ａにおける制御についてのみ説明する。軌間変換区間から所定距離離れた地点において、運転士やＡＴＣ（自動列車制御装置：Automatic Train Control device）等により運転台４００から、軌間変換制御開始の指示信号が上位制御装置Ａ−０に入力されると、上位制御装置Ａ−０は、軌間変換制御を開始する。図７は、軌間変換の制御動作のフローを示す図である。
【００４８】
まず上位制御装置Ａ−０は、車輪の回転速度が所定速度、例えば１５ｋｍ／ｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１）。所定速度以下でない場合には、インバータＡ−１〜Ａ−４に力行ＯＦＦを出力し、所定速度以下となるまで、ブレーキ等により速度を低下させる（ステップＳ２）。
【００４９】
次いで、区間検知センサ６０ａからＯＮ信号が入力されたか、即ち軸箱が軸箱支持レール１０４に接触した旨の指示信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ３）。ＯＮ信号が入力された場合には、上位制御装置Ａ−０は、インバータＡ−１〜Ａ−４の空転制御に係る基準信号を、他の台車の速度信号に切り換える（ステップＳ４）。即ち、他の台車の車輪速度の内、最も低い速度を基準とする。
【００５０】
ステップＳ４において、軌間可変電車の荷重（正確には当該台車に係る荷重）は軸箱支持レール１０４により支持されており、軌間変換区間にある場合には車輪ａ−１〜ａ−４が案内レール１０２に沿って移動される。この間において、車輪ａ−１〜ａ−４は空転が生じ得るが、列車の絶対速度、即ち他の台車の速度信号を基準とした空転制御によって、その空転速度に応じて自動的にトルクが絞られる。
【００５１】
次いで、区間検知センサ６０ａの信号がＯＦＦとなったか、即ち軸箱が軸箱支持レール１０４から離れ、軌間変換が終了したか否かを判定する（ステップＳ５）。当該信号がＯＦＦとなった場合には、空転制御の基準速度信号を、自台車に係る車輪ａ−１〜ａ−４の速度信号に切り換える。即ち、通常走行時の制御へ復帰し（ステップＳ６）、軌間変換の制御を終了する。
【００５２】
以上のように、軌間変換時において、通常の空転制御の基準速度信号を他の台車の速度信号に切り換えることのみによって容易に空転を抑制することができる。このため、軌間変換時における車輪空転によって発生する駆動力の損失を最低限に抑えつつ、レール、車輪の損傷や、軌間変換動作不良を防止することができる。
【００５４】
また、区間検知センサ６０ａの出力信号と、輪軸上下変位センサ５０ａの出力信号とを併せて、段階的に電動機のトルクを絞るように制御してもよい。また、輪軸上下変位センサ５０ａの信号を異常信号とみたてて、区間検知センサ６０ａからの信号がＯＦＦであるにも関わらず、輪軸上下変位センサ５０ａからの信号が輪軸の低位置を示す信号であった場合には、異常状態として検知し、電動機のトルクを“０”にする制御を即時行うこととしてもよい。
【００５５】
さらに、本発明は、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、以下のように変形実施をすることも可能である。
【００５６】
例えば、軌間変換区間１１０の長さは、台車間の距離よりも短いこととして説明したが、図８に示すように、複数の台車が在線可能な長さとしてもよい。その場合には、軌間変換に長い距離を要することとなるが、車輪の移動が緩やかに行われるために、車輪およびレールの損傷のさらなる低減を図ることができる。しかし、この場合には、空転制御の基準速度信号の選択に注意を要する。即ち、上記説明においては、１つの台車のみが軌間変換区間に在線するために、他の台車の速度信号の内、最低のものを基準速度信号とすることとしたが、他の台車であっても軌間変換区間内に在線する可能性があるからである。従って、軌間変換区間以上離れた距離の台車からの速度信号を基準速度とする必要がある。
【００５７】
また、群単位の制御を行うべく、上位制御装置が統括的に軌間変換に係る制御を行うこととして説明したが、図９に示すように、輪軸上下変位センサ５０ａと、区間検知センサ６０ａと、速度信号とを各インバータに入力し、インバータ毎に個別に軌間変換に係る制御を行うこととしてもよい。さらに、図１０に示すように、軌間可変電車に、列車全体の軌間変換に係る制御を行うための軌間変換制御装置４０６を備え、伝送路９０を介して、各群に対する制御を一括して行うこととしてもよい。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、車輪は独立車輪方式の各輪駆動方式であったが、各軸駆動方式であってもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、電動機の制御を行うことによって、車輪の駆動力を制御することとして説明したが、クラッチ等を介して電動機の動力を車輪に伝達することとし、軌間変換時にはクラッチを切る等して、電動機の動力伝達を断続することとしてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、軌間可変動力車両が軌間変換区間を走行する際に引き起こされる、輪重低下による空転を抑制し、駆動力の損失を低く抑えることができる。さらに、軌間変換に係る動作不良を防止することができる。また、軌間変換時の車輪およびレールの損傷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】軌間変換区間を含む軌道の構成を示す図。
【図２】本発明を適用した軌間可変電車の台車の状態を示す図。
【図３】軌間変換区間を走行する軌間可変電車を示す図。
【図４】軌間可変電車の電動車の車輪および制御装置を示す略図。
【図５】図４の車輪および制御装置の機能ブロック図。
【図６】軌間変換の前後における輪軸上下変位センサと、区間検知センサとの関係を示す図。
【図７】軌間変換の制御動作を示すフローチャート。
【図８】軌間変換区間の長さを変形した例を示す図。
【図９】軌間変換にかかる制御主体の変形例を示す図。
【図１０】軌間変換にかかる制御主体の変形例を示す図。
【符号の説明】
１０２案内レール
１０４軸箱支持レール
１１０軌間変換区間
２００狭軌
３００標準軌
１２車輪
１４電動機
４０１Ａ群
５０ａ輪軸上下変位センサ
６０ａ区間検知センサ
Ａ−０上位制御装置
Ａ−１、Ａ−２、Ａ−３、Ａ−４インバータ
ａ−１０、ａ−２０、ａ−３０、ａ−４０電動機
ａ−１、ａ−２、ａ−３、ａ−４車輪
９０伝送路

Claims

軌間可変動力車両の車輪を駆動するための駆動力を制御する制御装置であって、
軌間変換区間を走行する際に、前記駆動力を抑制して空転再粘着制御を行うとともに、
前記車輪の空転状態を、軌間変換区間の長さ以上離れた位置の車輪または車軸の速度情報に基づいて判別して、前記空転再粘着制御を行うことを特徴とする軌間可変動力車両の制御装置。
前記車輪に係る軌間変換動作状態を検知する検知手段を備え、前記検知手段により検知した軌間変換動作状態に基づいて、前記車輪の駆動力を制御することを特徴とする請求項１記載の軌間可変動力車両の制御装置。
走行速度が所定速度以上の場合には、強制的に前記駆動力を零に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の軌間可変動力車両の制御装置。
軌間変換の異常を検知した場合に、前記駆動力を零に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置。
前記制御装置は、台車あるいは車軸単位で車輪の駆動力を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置。
前記軌間可変動力車両は電動車であることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置。
前記制御は、前記車輪を駆動する電動機の制御であることを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置。
前記制御は、前記車輪への動力伝達を断続する制御であることを特徴とする請求項１から７のいずれか記載の軌間可変動力車両の制御装置。