JP4698468B2 - 鉄道車両ブレーキ性能試験機、及び鉄道車両ブレーキ性能試験方法 - Google Patents

鉄道車両ブレーキ性能試験機、及び鉄道車両ブレーキ性能試験方法 Download PDF

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本発明は、鉄道車両のブレーキ性能、車輪への影響などを鉄道車両の走行状態を模擬して測定試験を行う鉄道車両ブレーキ性能試験機、及び鉄道車両ブレーキ性能試験装置を用いた鉄道車両ブレーキ性能試験方法の改良に関するものである。
従来、鉄道車両のブレーキ性能、車輪への影響などを鉄道車両の走行状態を模擬して測定試験を行う鉄道車両ブレーキ性能試験機として各種の形式のものが知られている。このような鉄道車両ブレーキ性能試験機の一つに、レールを模擬した断面形状の外周部を有する円盤状部材と、車輪とを相互に接触させつつ回転させて鉄道車両の走行状態を模擬する原理のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、モータ６３により回転される駆動軸５３と、レールを模擬した断面形状を有する部分（「軌条部」ともいう。）を外周に有する円盤状部材５５（「レール模擬輪」、又は「軌条輪」ともいう。）であり駆動軸５３に取り付けられて回転駆動される円盤状部材と、円盤状部材５５のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪３１と、輪重を模擬した力を回転する車輪３１の回転中心線に垂直な方向から車輪３１に付与する押圧機構９（「輪重付与機構」ともいう。）を備えた車輪・レール試験機１（「粘着試験ユニット」ともいう。）が開示されている。この車輪・レール試験機１に、車輪３１の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構（図示せず）を装備すれば、鉄道車両の走行状態を模擬した状態で鉄道車両のブレーキ性能を試験する装置（「鉄道車両ブレーキ性能試験機」ともいう。）とすることができ、出願人らにより開発され、試験に供用されている。
しかしながら、従来の鉄道車両ブレーキ性能試験機、粘着試験ユニットにおいては、回転する車輪３１の回転中心線に垂直な方向から車輪３１に付与する力である「輪重」の値を設定する方式が「ダイヤル設定式」であった。このため、図５（横軸：レール長手方向の位置、縦軸：輪重や軌道狂いの値）の輪重グラフＧ１のように、実際の軌道狂いグラフＧ５に応じて輪重を変化させ、鉄道車両の走行状態を模擬して鉄道車両のブレーキ性能を試験することはできない、という問題があり、その解決が要請されていた。
特開２０００−１８０２７７号公報
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、実際の軌道狂いの状態等に応じて輪重を変化させ鉄道車両の走行状態を模擬して鉄道車両のブレーキ性能を試験し得る試験機及び試験方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る鉄道車両ブレーキ性能試験機は、
電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備え、
鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験機であって、
前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能であり、
前記輪重付与機構は、
前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪を押圧する輪重模擬力を発生可能なサーボシリンダと、
前記車輪に実際に付与された輪重模擬力の値を計測する輪重計測手段と、
前記輪重計測手段により計測された計測輪重模擬力値に基づき前記サーボシリンダをフィードバック制御するフィードバック制御手段を有し、
前記フィードバック制御手段は、前記レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬するサスペンション・シミュレータを有すること
を特徴とする。
また、本発明の請求項２に係る鉄道車両ブレーキ性能試験機は、
請求項１記載の鉄道車両ブレーキ性能試験機において、
前記サスペンション・シミュレータは、
コンピュータと、
前記車体とレールとの間に仮設したバネとダンパを少なくとも含んで構成される運動系である車体モデルの運動方程式を前記コンピュータを用いて数値計算により解くコンピュータ・プログラムを
少なくとも有すること
を特徴とする。
また、本発明の請求項３に係る鉄道車両ブレーキ性能試験方法は、
電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備えた鉄道車両ブレーキ性能試験機を用い、鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験方法であって、
前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能であり、
前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪を押圧する輪重模擬力をサーボシリンダによって発生させ、
前記車輪に実際に付与された輪重模擬力の値を輪重計測手段によって計測し、
前記輪重計測手段により計測された計測輪重模擬力値に基づき前記サーボシリンダをフィードバック制御手段によってフィードバック制御し、
前記フィードバック制御手段のサスペンション・シミュレータによって前記レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬すること
を特徴とする。
本発明に係る鉄道車両ブレーキ性能試験機、及び鉄道車両ブレーキ性能試験方法によれば、電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備え、鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験機であって、前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能なように構成したので、実際の軌道狂いの状態等に応じて複雑に変化する輪重も、容易に模擬して外部から入力可能であり、実際の軌道狂いの状態等に応じた輪重模擬力Ｐの値を変化させ、鉄道車両の走行状態をより正確に模擬して鉄道車両のブレーキ性能の試験を行うことができる、という利点を有している。また、より実際の状態に近い滑走制御の試験が可能となる、という利点も有している。また、鉄道車両とレールにより構成されるサスペンション性能の相違が粘着や滑走制御に及ぼす影響を試験、計測することができる、という利点も有している。
以下に説明する実施例は、電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備え、鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験機であって、前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能なように構成したので、実際の軌道狂いの状態等に応じて複雑に変化する輪重も、容易に模擬して外部から入力可能であり、実際の軌道狂いの状態等に応じた輪重模擬力Ｐの値を変化させ、鉄道車両の走行状態をより正確に模擬して鉄道車両のブレーキ性能の試験を行うことができ、また、より実際の状態に近い滑走制御の試験が可能となり、さらに、鉄道車両とレールにより構成されるサスペンション性能の相違が粘着や滑走制御に及ぼす影響を試験、計測することができ、本発明を実現するための構成として最良の形態である。
以下、本発明の第１実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機の構成を示す斜視図である。また、図２は、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機における粘着力試験ユニットの構成を示す図である。また、図３は、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機におけるフィードバック制御を説明する図である。また、図４は、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機のフィードバック制御における車体モデルの例を説明する図である。
図１に示すように、第１実施例の鉄道車両ブレーキ性能試験機１００は、粘着試験ユニット１と、踏面ブレーキ試験ユニット２と、ディスクブレーキ試験ユニット３を備えて構成されている。
粘着試験ユニット１は、図１及び図２に示すように、電動機１３と、駆動軸１３ａと、軌条輪１１と、車輪１２と、輪重付与機構１４と、フライホイール１５を有している。
電動機１３は、直流電動機のほか、交流電動機も使用可能である。駆動軸１３ａは、電動機１３により回転される。
軌条輪１１は、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材である。この軌条輪１１は、駆動軸１３ａに取り付けられて回転駆動される。
車輪１２は、その車輪踏面１２ａが、軌条輪１１のレール踏面１１ａに密接して回転可能に配置されている。
輪重付与機構１４は、輪重を模擬した力Ｐ（以下、「輪重模擬力」という。）を、回転する車輪１２の回転中心線に垂直な方向（例えば図２における図の上から下へ向かう方向）から車輪１２に付与する。輪重模擬力Ｐの発生源としては、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、水圧シリンダ、各種原理によるアクチュエータ等が用いられる。これらの輪重模擬力Ｐの発生源は、電気的信号などにより輪重模擬力Ｐの値を自在にサーボ制御可能な制御弁（図示せず）を有するサーボシリンダ、サーボアクチュエータ等となっている。
ここに、「輪重」とは、鉄道車両の車輪と、レールとの間に作用する力のうち、レール方向に垂直な面内にあり、かつ鉛直上下方向成分の分力をいう。輪重は、鉄道車両の重量（鉄道車両の自重に、積載している旅客、貨物等の全重量を総和した重量）を支える力としての静止輪重（一定値）と、鉄道車両の運動（走行）に伴い発生する変動分の総和で表される。輪重のうちの変動分は、発生の状態や原因により、以下のように分類される（財団法人鉄道総合技術研究所編 「鉄道技術用語辞典」参照）。
（１）静的なもの
鉄道線路の緩和曲線部における軌道の平面性狂いや鉄道車両車体のねじれによる輪重抜け、及びカント不足などによる車体重心の左右変位に起因する内軌側の重量抜け。
（２）車体の動揺によるもの
縦曲線のある軌道上や橋梁などの柔性のある構造物上を鉄道車両が通過する際の鉛直上下方向の動揺や軌道狂いなどの外乱による車体の重心の左右動揺。
（３）ばね下の輪軸の振動、衝撃（レール頭頂面の凹凸による輪軸の高周波鉛直上下振動や、レールの継目や分岐器のクロッシングなどレールの不連続点における衝撃）によるもの。
輪重変動は、車輪とレール両方の摩耗に関係し、著大輪重は、軌道破壊に関係する。また、輪重抜けは、脱線や転覆に関係する。
また、踏面ブレーキ試験ユニット２は、鉄道車両のブレーキ装置のうち、踏面ブレーキ装置を模擬した構成を有し、踏面ブレーキのブレーキ性能を試験する部分である。ここに、「踏面ブレーキ」とは、車輪踏面（例えば図２における符号１２ａの略円錐面）に、制輪子と呼ばれる部材を押し付けて、制輪子と車輪踏面との間に作用する摩擦力をブレーキ力（制動力）とするブレーキ（制動）方式をいう（財団法人鉄道総合技術研究所編 「鉄道技術用語辞典」参照）。
また、ディスクブレーキ試験ユニット３は、鉄道車両のブレーキ装置のうち、ディスクブレーキ装置を模擬した構成を有し、ディスクブレーキのブレーキ性能を試験する部分である。ここに、「ディスクブレーキ」とは、鉄道車両の車輪の軸などに取り付けられて回転するブレーキディスク（鋳鉄や鋼鉄などからなる円板）に、摩擦材を圧着させてブレーキ（制動）力を得るブレーキ（制動）方式をいう（財団法人鉄道総合技術研究所編 「鉄道技術用語辞典」参照）。
図２において符号１８で示す装置が、ディスクブレーキ装置の一例である。このディスクブレーキ装置１８は、ブレーキディスク１６と、ブレーキキャリパ１７を有して構成されている。
ブレーキキャリパ１７は、駆動力を供給する空気圧等のブレーキシリンダ１９と、ブレーキシリンダ１９によって駆動されブレーキディスク１６を挟むアーム２０と、アーム２０の内側に配置されブレーキディスク１６の両側面にそれぞれ圧着される制輪子を有して構成される装置である。
上記した踏面ブレーキ試験ユニット２、又はディスクブレーキ試験ユニット３、あるいはこれら両者は、特許請求の範囲における「制動機構」に相当し、車輪１２の回転を停止させようとする制動力を作用させる部分に相当する。
粘着ブレーキでは、鉄道車両の車輪の回転を停止させようとする力がレールに伝わり、それが反力となって、１又は複数の鉄道車両からなる列車の全体のブレーキ（制動）力となる。すなわち、粘着ブレーキでは、レールと車輪の間の摩擦力に依存している。この場合、レールと車輪の間に作用する力を「粘着力」と呼ぶ。粘着試験ユニット１は、レールと車輪との間の粘着作用を模擬するため、レールのかわりに、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材である軌条輪１１を、電動機１３により回転される駆動軸１３ａに取り付けて回転駆動し、軌条輪１１のレール踏面１１ａに、車輪１２の車輪踏面１２ａが密接して回転するようにし、かつ、輪重付与機構１４により、輪重模擬力Ｐを、回転する車輪１２の回転中心線に垂直な方向から車輪１２に付与するようにした。
なお、フライホイール１５は、駆動軸１３ａの回転を滑らかにするための部材である。フライホイール１５は、重量の大きな略円柱状の部材であり、駆動軸１３ａに、同軸状態で装着され、駆動軸１３ａの回転に伴って回転するものである。また、図２における符号Ｗは、水の噴射（散水）を示している。
本発明の第１実施例の鉄道車両ブレーキ性能試験機１００の特徴は、図３に示すようなフィードバック制御機構を有する点にある。
このフィードバック制御機構は、データレコーダ（図示せず）等に格納された軌道データ２１とサスペンションモデル２７のデータを合わせるとともに、符号２３で示す車輪の縦剛性Ｅをアンプ（増幅器）２４で増幅し、サーボシリンダ２５に電気的信号として送り輪重模擬力Ｐを発生させ、車輪１２、又は車輪１２の車軸１２ｂに作用する輪重模擬力Ｐの値をロードセル（力センサ又は歪センサ）２６で計測し、ロードセル２６からの検出値（輪重模擬力Ｐの値）をサスペンションモデル（サスペンション・シミュレータ）２７に入力し、サスペンションモデル２７からの値を加算器２８において軌道データ２１に加算するようになっており、フィードバック制御ループを構成している。
ここで、車輪の縦剛性Ｅの値としては、例えば２１０ギガパスカルなどの値が用いられる。
また、サーボシリンダ２５は、上記した油圧シリンダ、空気圧シリンダ、水圧シリンダ等（図示せず）にサーボ制御弁（図示せず）が付加されて構成され、サーボ制御弁は、電気的信号などにより制御可能であり、これにより輪重模擬力Ｐの値を自在にサーボ制御可能となっている。
また、ロードセル２６は、車輪１２に実際に付与された輪重模擬力Ｐの値を計測する機器であり、特許請求の範囲における輪重計測手段に相当している。
また、サスペンション・シミュレータ２７は、レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬する部分である。図３のフィードバック制御機構のうち、車輪の縦剛性データ２３と、サスペンションモデル（サスペンション・シミュレータ）２７と、加算器２８（図３における符号２２で示される部分）は、例えば、コンピュータと、このコンピュータを用いて数値計算により演算を行って解くコンピュータ・プログラムにより構成される。コンピュータとしては、大型コンピュータのほか、パーソナル・コンピュータ、ワーク・ステーション等が使用可能である。
サスペンションモデル（サスペンション・シミュレータ）２７の内容としては、図４に示すような質点ｍ１とバネｋ１とダンパ（例えば粘性ダンパ）ｃ１と、質点ｍ２とバネｋ２とダンパ（例えば粘性ダンパ）ｃ２とが重複して仮設された二重質点運動系などが用いられる。このような構成により、サスペンションモデル（サスペンション・シミュレータ）２７は、レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬する車体モデルとして機能することができる。この車体モデルは、上記したコンピュータにより数値計算される運動方程式となっている。このような構成の車体モデルにより、鉄道車両の種類、状況、レール側の状況等によってサスペンションの状態が異なることに対処することができる。
上記のような構成により、図３に示すフィードバック制御機構は、ロードセル２６により計測された輪重模擬力Ｐの値（以下、「計測輪重模擬力値」という。）に基づき、サーボシリンダ２５をフィードバック制御する。ここに、図３に示すフィードバック制御機構は、特許請求の範囲におけるフィードバック制御手段を構成している。
上記のような構成により、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機１００においては、輪重模擬力Ｐは、従来のような「ダイヤル設定式」ではなく、輪重付与機構におけるフィードバック制御による制御可能であり、輪重模擬力Ｐの値を外部から適宜自在に入力可能である。これにより、図５においてＧ１（又はＧ２）で示すように、実際の軌道狂いの状態Ｇ５等に応じて複雑に変化する輪重も、容易に模擬して外部から入力可能であり、実際の軌道狂いの状態等に応じた輪重模擬力Ｐの値を変化させ、鉄道車両の走行状態をより正確に模擬して鉄道車両のブレーキ性能の試験を行うことができる、という利点を有している。
また、本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機１００においては、より実際の状態に近い滑走制御の試験が可能となる、という利点も有している。
また、鉄道車両とレールにより構成されるサスペンション性能の相違が、粘着や滑走制御に及ぼす影響を試験、計測することができる、という利点も有している。
なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではない。上記した実施例は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、図２に示す鉄道車両ブレーキ性能試験機１００では、ブレーキ方式として「ディスクブレーキ方式」を例に挙げて説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、他の方式のブレーキ、例えば「踏面ブレーキ方式」のブレーキを用いてもよい。
本発明は、鉄道車両ブレーキ性能試験機の製造を行う機械等の製造業、あるいは鉄道の営業を行う鉄道事業等で実施可能であり、これらの産業で利用可能である。
本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機における粘着力試験ユニットの構成を示す図である。 本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機におけるフィードバック制御を説明する図である。 本発明の第１実施例である鉄道車両ブレーキ性能試験機のフィードバック制御における車体モデルの例を説明する図である。 輪重変動と軌道狂いを説明する図である。
符号の説明
１ 粘着力試験ユニット
２ 踏面ブレーキ試験ユニット
３ ディスクブレーキ試験ユニット
１０ 駆動装置
１１ 軌条輪
１１ａレール踏面
１２ 車輪
１２ａ 車輪踏面
１２ｂ 車軸
１３ 電動機
１３ａ 駆動軸
１４ 輪重付与機構
１５ フライホイール
１６ ブレーキディスク
１７ ブレーキキャリパ
１８ ディスクブレーキ装置
１９ ブレーキシリンダ
２０ アーム
２１ 軌道データ
２２ コンピュータ
２３ 車輪の縦剛性
２４ アンプ
２５ サーボシリンダ
２６ ロードセル
２７ サスペンションモデル
１００ 鉄道車両ブレーキ性能試験機
Ｐ 輪重模擬力
Ｗ 噴射水

Claims (3)

  1. 電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備え、
    鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験機であって、
    前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能であり、
    前記輪重付与機構は、
    前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪を押圧する輪重模擬力を発生可能なサーボシリンダと、
    前記車輪に実際に付与された輪重模擬力の値を計測する輪重計測手段と、
    前記輪重計測手段により計測された計測輪重模擬力値に基づき前記サーボシリンダをフィードバック制御するフィードバック制御手段を有し、
    前記フィードバック制御手段は、前記レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬するサスペンション・シミュレータを有すること
    を特徴とする鉄道車両ブレーキ性能試験機。
  2. 請求項１記載の鉄道車両ブレーキ性能試験機において、
    前記サスペンション・シミュレータは、
    コンピュータと、
    前記車体とレールとの間に仮設したバネとダンパを少なくとも含んで構成される運動系である車体モデルの運動方程式を前記コンピュータを用いて数値計算により解くコンピュータ・プログラムを
    少なくとも有すること
    を特徴とする鉄道車両ブレーキ性能試験機。
  3. 電動機と、前記電動機により回転される駆動軸と、レールを模擬した断面形状を有する軌条部を外周に有する円盤状部材であり前記駆動軸に取り付けられて回転駆動される軌条輪と、前記軌条輪のレール踏面に車輪踏面が密接して回転可能に配置された車輪と、輪重を模擬した力を回転する前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪に付与する輪重付与機構と、前記車輪の回転を停止させようとする制動力を作用させる制動機構を備えた鉄道車両ブレーキ性能試験機を用い、鉄道車両のブレーキ性能を試験する鉄道車両ブレーキ性能試験方法であって、
    前記輪重付与機構は、前記輪重模擬力の値を外部から入力可能であり、
    前記車輪の回転中心線に垂直な方向から前記車輪を押圧する輪重模擬力をサーボシリンダによって発生させ、
    前記車輪に実際に付与された輪重模擬力の値を輪重計測手段によって計測し、
    前記輪重計測手段により計測された計測輪重模擬力値に基づき前記サーボシリンダをフィードバック制御手段によってフィードバック制御し、
    前記フィードバック制御手段のサスペンション・シミュレータによって前記レールに対する鉄道車両の車体のサスペンションの動きを模擬すること
    を特徴とする鉄道車両ブレーキ性能試験方法。
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