JP4771727B2

JP4771727B2 - 輪重変動抑制装置

Info

Publication number: JP4771727B2
Application number: JP2005104342A
Authority: JP
Inventors: 能生菅原; 隆弘富岡
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006281969A

Description

この発明は、車両が走行するときに発生する輪重の変動を抑制する輪重変動抑制装置に関する。

車輪とレールとの間には垂直方向に力が作用しており、これを輪重と呼んでいる。この輪重は車両の停止時には車両の重量を支える力と等しく、一定の値となりこれを静止輪重と呼ぶ。車両が走行すると、レールの継ぎ目やレール頭頂面の凹凸、輪軸の質量不釣り合いや車両の運動状況などによって、この輪重は変動する。この輪重変動は、走行安定性の確保や軌道保守量の増加の抑制、さらには地盤振動の低減のために、小さく抑えることが望まれている。

輪重変動は走行速度が速くなるほど大きくなる傾向がある（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１の図−１に示すように、走行速度が高いほど輪重の標準偏差（輪重の変動）が大きくなっており、高速走行する車両ほどその低減技術が必要となる。輪重変動を抑制するためには、軸ばねより下（レール側）の部材（輪軸や軸箱など）の軽量化が効果的であるといわれている。例えば、非特許文献１の図−６に示すように、ばね下2.1tonよりばね下1.5tonの方が、レール凹凸に対する輪重変動の応答倍率が小さくなっている。しかし、10Hz付近の比較的低い周波数の輪重変動に対しては、ばね下の軽量化の効果が低い。一方、制御技術を使った輪重変動の抑制例がある（例えば、特許文献１参照）。これは、特に緩和曲線など軌道面の捻れのある箇所を通過するときに、空気ばねの給排気を適切に行うことによって、輪重のアンバランスが発生するのを抑制するものである。しかし、特許文献１に記載の技術では、低速での曲線通過のような、軌道と車体の幾何学的配置に依存して発生する静的に近いような輪重変動を抑制することはできるが、動的な輪重変動を抑制することは難しい。このように、上記の技術では、いずれも5〜15Hz付近の輪重変動を改善することが困難であった。

「軌道と車両の諸条件が輪重変動に及ぼす影響の実測評価」、三輪昌弘他、平成11年鉄道技術連合シンポジウム(J-RAIL'99)

特開2003-165436号公報

この発明の課題は、車両側の対策によって輪重変動を抑制し軌道に与える損傷や地盤の振動を低減することができる輪重変動抑制装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１及び図２に示すように、車両（Ｔ）が走行するときに発生する輪重（Ｐ）の変動を抑制する輪重変動抑制装置であって、前記車両の台車（２）の軸箱（２ｃ）の振動を検出する振動検出部（５）と、前記台車の台車枠（２ｄ）と前記軸箱との間の振動を減衰させる減衰部（４）と、前記台車枠と前記軸箱との間の変位を検出する変位検出部（６）と、前記台車の車輪（２ａ）とレール（Ｒ₁）との間に作用する輪重の変動を抑制するために、前記振動検出部及び前記変位検出部の検出結果に基づいて、前記減衰部の減衰力を制御する制御部（７ｂ）とを備える輪重変動抑制装置（３）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の輪重変動抑制装置において、前記変位検出部は、前記台車枠と前記軸箱とを結合し、この台車枠の荷重を弾性的に支持する軸ばね（２ｅ）及び／又はこの台車枠とこの軸箱との間の振動を減衰させる軸ダンパ（４）の変位を検出し、前記制御部は、前記軸ダンパの減衰力を制御することを特徴とする輪重変動抑制装置である。

請求項３の発明は、図４及び図５に示すように、車両（Ｔ）が走行するときに発生する輪重（Ｐ）の変動を抑制する輪重変動抑制装置であって、前記車両の台車（２）の軸箱（２ｃ）の振動を検出する振動検出部（５）と、前記台車の台車枠（２ｄ）と前記軸箱との間の振動を減衰させる第１の減衰部（４）と、前記車両の車体（１）と前記台車枠との間の振動を減衰させる第２の減衰部（８）と、前記台車枠と前記軸箱との間の変位を検出する第１の変位検出部（６）と、前記車体と前記台車枠との間の変位を検出する第２の変位検出部（９）と、前記台車の車輪（２ａ）とレール（Ｒ₁）との間に作用する輪重の変動を抑制するために、前記振動検出部並びに前記第１及び前記第２の変位検出部の検出結果に基づいて、前記第１及び前記第２の減衰部の減衰力を制御する制御部（７ｂ）とを備える輪重変動抑制装置（３）である。

請求項４の発明は、請求項３に記載の輪重変動抑制装置において、前記第１の変位検出部は、前記台車枠と前記軸箱とを結合し、この台車枠の荷重を弾性的に支持する軸ばね（２ｅ）及び／又はこの台車枠とこの軸箱との間の振動を減衰させる軸ダンパ（４）の変位を検出し、前記第２の変位検出部は、前記車体と前記台車枠との間の変位を検出し、前記制御部は、前記車体と前記台車枠との間の振動を減衰させる空気ばね及び前記軸ダンパの減衰力を制御することを特徴とする輪重変動抑制装置である。

請求項５の発明は、請求項２又は請求項４に記載の輪重変動抑制装置において、前記軸ダンパは、非制御時には通常の軸ダンパと同様の減衰特性になることを特徴とする輪重変動抑制装置である。

請求項６の発明は請求項４に記載の輪重変動抑制装置において、前記空気ばねは、非制御時には通常の空気ばねと同様の減衰特性になることを特徴とする輪重変動抑制装置である。

この発明によると、車両側の対策によって輪重変動を抑制し軌道に与える損傷や地盤の振動を低減することができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す側面図である。図２は、この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す平面図である。

図１に示す輪重Ｐは、レールＲ₁と車輪２ａとの間に作用する垂直方向の力である。輪重Ｐは、１車輪当たりの上下方向の荷重であり、車両Ｔが静止時には一定の値となり、これを静止輪重Ｐ₀という。さらに、車両Ｔが走行状態にあるときは、車両Ｔの運動、軌道狂いやレール頭頂面又は車輪踏面の凹凸などに起因して、レールＲ₁と車輪２ａとの相互作用によりこの輪重Ｐは変動する。このとき、静止輪重Ｐ₀と輪重Ｐとの差を輪重変動ΔＰと呼ぶ。

軌道Ｒは、車両Ｔが走行する通路（線路）である。軌道Ｒは、車両Ｔの車輪２ａを支持し案内してこの車両Ｔを走行させるレールＲ₁などから構成されている。車両Ｔは、軌道Ｒに沿って走行する鉄道車両であり、例えば電車又は気動車などである。車両Ｔは、図１に示すように、車体１と、台車２と、輪重変動抑制装置３などを備えている。

車体１は、乗客等を積載し輸送するための構造物である。台車２は、車体１を支持して走行する装置であり、図１及び図２に示すように、車輪２ａと、車軸２ｂと、軸箱２ｃと、台車枠２ｄと、軸ばね２ｅなどを備えている。車輪２ａは、レールＲ₁と転がり接触する部材であり、車軸２ｂは車輪２ａと一体となって回転する部材である。軸箱２ｃは、車軸２ｂを回転自在に支持する部材であり、図示しない軸箱支持装置によって台車枠２ｄの所定の位置に保持されている。台車枠２ｄは、台車２の主要構成部であり、左右の側梁とこれらをつなぐ横梁などによって構成されている。台車枠２ｄは、図示しないけん引装置によって車体１との間で前後方向の力が伝達される。軸ばね２ｅは、軸箱２ｃと台車枠２ｄとを結合し垂直方向の荷重を弾性的に支持する装置であり、これらの間の衝撃を緩和する一次ばねとして機能する。

輪重変動抑制装置３は、車両Ｔが走行するときに発生する軌道Ｒの振動を抑制するためにこの車両Ｔの輪重変動ΔＰを抑制する装置である。輪重変動抑制装置３は、軸ダンパ４の減衰力を制御することによって輪重変動ΔＰを抑制し、軌道Ｒ及びこの軌道Ｒを支持する地盤の振動を抑制し軌道に与える損傷を低減する。輪重変動抑制装置３は、図１に示すように軸ダンパ４と、振動検出部５と、変位検出部６と、制御装置７などを備えている。

軸ダンパ４は、軸箱２ｃと台車枠２ｄとを結合し、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の振動を減衰させる手段である。軸ダンパ４は、例えば、減衰力を制御可能な可変減衰軸ダンパなどであり、軸ばね２ｅとともに軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の衝撃を緩和する一次ばね系を構成する。軸ダンパ４は、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間に連結された油圧ダンパと、この油圧ダンパを作動させる油圧回路などを備えている。軸ダンパ４は、例えば、電磁比例リリーフ弁を使用する場合には、油圧回路内を流れる油に流動抵抗を付与する絞り弁の前後の圧力差をこの電磁比例リリーフ弁によって変化させ、減衰力を制御する。軸ダンパ４は、例えば、高速切替電磁弁を使用する場合には、この高速切替電磁弁によって複数の絞り弁の組み合わせを任意に切り替えて減衰力を制御する。軸ダンパ４は、非制御時には通常の軸ダンパと同様の減衰特性になる。軸ダンパ４は、例えば、制御部７ｂが故障してこの制御部７ｂからの電源供給が停止したような非制御時には、安全性を確保するために電磁比例リリーフ弁や高速切替電磁弁を戻しばねによって復帰させて、通常の軸ダンパと同様の減衰特性に戻す。

振動検出部５は、軸箱２ｃの振動を検出する手段である。振動検出部５は、例えば、軸箱２ｃの上下方向の加速度を検出する加速度センサなどである。振動検出部５は、図２に示すように、それぞれの軸箱２ｃと対応して合計８台設置されている。振動検出部５は、車体１の振動に応じた振動検出信号（加速度信号）を制御部７ｂに出力する。

変位検出部６は、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の変位を検出する手段であり、軸ダンパ４の変位を検出する。変位検出部６は、例えば、可変減衰軸ダンパのピストン変位（ストローク）を検出するセンサなどである。変位検出部６は、図２に示すように、それぞれの軸ダンパ４と対応して合計８台設置されている。変位検出部６は、軸ダンパ４の変位（伸縮量）に応じた変位検出信号を制御部７ｂに出力する。

制御装置７は、輪重変動抑制装置３の種々の動作を制御する装置である。制御装置７は、輪重変動ΔＰを抑制するための輪重変動抑制プログラムに基づいて種々の処理を実行するコントローラである。制御装置７は、振動検出部５が出力する振動検出信号及び変位検出部６が出力する変位検出信号を所定の処理をして、台車２の振動を抑制するように軸ダンパ４の減衰力を制御する。制御装置７は、図２に示すように演算部７ａと制御部７ｂなどを備えている。

図３は、この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置における輪重変動の抑制方法を説明するためのモデル図である。
図２に示す演算部７ａは、軸ダンパ４の最適な減衰力を演算する手段である。演算部７ａは、振動検出部５が出力する振動検出信号と変位検出部６が出力する変位検出信号とに基づいて、輪重変動ΔＰ（＝輪重Ｐ−静止輪重Ｐ₀）を例えば以下の数１によって演算する。

数１に示すΔＰは、図１に示す輪重Ｐの変動分（輪重変動）であり、ｍは輪軸及び軸箱２ｃの質量である。図３に示すｋ₁は、軸ばね２ｅの１輪軸あたりのばね定数であり、ｃ₁は軸ダンパ４の１輪軸あたりの減衰係数であり、ｚ₀は車輪２ａと車軸２ｂとから構成される輪軸の上下変位であり、ｚ₁は車両静止時をゼロとしたときの軸ダンパ４及び軸ばね２ｅのストロークである。ここで、数１に示す質量ｍ、ばね定数ｋ₁及び減衰係数ｃ₁は既知であるため、軸箱２ｃの加速度、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の変位を測定し、さらにこの変位を微分して速度も計算することによって数１に示す輪重変動ΔＰを演算することができる。演算部７ａは、振動検出部５が出力する振動検出信号と変位検出部６が出力する変位検出信号とに基づいて数１に示す輪重変動ΔＰを演算し、この輪重変動ΔＰを抑制するために最適な軸ダンパ４の減衰力を演算してこの演算結果を制御部７ｂに出力する。

制御部７ｂは、軸ダンパ４の減衰力を制御する手段である。制御部７ｂは、輪重変動ΔＰを抑制するために、振動検出部５及び変位検出部６の検出結果に基づいて軸ダンパ４の減衰力を制御する。制御部７ｂは、PID制御又は現代制御論などの制御則に従って、数１に示す輪重変動ΔＰが小さく（輪重Ｐができるだけ一定）なるように軸ダンパ４の減衰力を制御する。制御部７ｂは、例えば軸ダンパ４に最適な減衰力を発生させるための減衰力指令信号（駆動電流）をこの軸ダンパ４の電磁比例リリーフ弁又は高速切替電磁弁に出力する。

次に、この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置の動作を説明する。
図１に示す車両Ｔが走行すると、この車両Ｔの上下方向や左右方向の動揺などによって輪重Ｐが変動する。このとき、振動検出部５が軸箱２ｃの振動を検出して振動検出信号を演算部７ａに出力し、変位検出部６が軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の変位を検出して変位検出信号を演算部７ａに出力する。これらの振動検出信号及び変位検出信号に基づいて、数１に示す輪重変動ΔＰが小さくなるような減衰力を演算部７ａが演算して、この減衰力を軸ダンパ４が発生するように軸ダンパ４を制御部７ｂが制御する。その結果、図１に示す輪重変動ΔＰが極力小さくなるため、軌道破壊といったような軌道Ｒへの悪影響を低減し、あわせて地盤振動の低減も期待できる。

この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、軸箱２ｃの振動を振動検出部５が検出するとともに、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの変位を変位検出部６が検出し、これらの検出結果に基づいて輪重変動ΔＰを抑制するために軸ダンパ４の減衰力を制御部７ｂが制御する。このため、軌道Ｒに与える損傷や地盤の振動を低減することができる。

(2) この第１実施形態では、非給電時には軸ダンパ４が通常の軸ダンパと同様の減衰特性になる。このため、制御部７ｂが故障して電源供給が断たれたようなときに安全性を確保することができる。

（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す側面図である。図５は、この発明の第２実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す平面図である。以下では、図１及び図２に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図４及び図５に示す輪重変動抑制装置３は、軸ダンパ４と、振動検出部５と、変位検出部６と、制御装置７と、空気ばね８と、変位検出部９などを備えている。空気ばね８は、車体１と台車枠２ｄを結合し、垂直方向の荷重を弾性的に支持するとともに、空気ばね８と補助空気室との間の空気流路に設けられた絞りにより振動減衰効果を与え、車体１に伝わる振動や衝撃を緩和する手段である。空気ばね８は、例えば、減衰を制御可能な制御絞り内蔵型空気ばねなどであり、車体１と台車枠２ｄとの間の衝撃を緩和する二次ばねとして機能する。空気ばね８は、この空気ばね８に直列に接続されて圧力空気室として機能する補助空気室と、空気ばね８に内蔵されこの空気ばね８と補助空気室との間の空気通路の面積を可変する絞り制御弁などを備えている。空気ばね８は、例えば、制御部７ｂからの指令値に応じて絞り弁の絞り径（開度）が変化し、これにより減衰力制御を行う。空気ばね８は、非制御時には通常の空気ばねと同様の減衰特性になる。空気ばね８は、例えば、非給電時若しくは制御部７ｂが故障時には、安全性を確保するために絞り制御弁を戻しばね等によって復帰させて、通常の空気ばねと同様の減衰特性に戻す。

変位検出部９は、車体１と台車枠２ｄとの間の変位を検出する手段である。変位検出部９は、例えば、制御絞り内蔵型空気ばねの上下変位（ストローク）を検出するセンサなどである。変位検出部９は、図５に示すように、それぞれの空気ばね８と対応して合計４台設置されている。変位検出部９は、空気ばね８の変位（伸縮量）に応じた変位検出信号を制御部７ｂに出力する。

図４に示す演算部７ａは、振動検出部５が出力する振動検出信号と変位検出部６，９が出力する変位検出信号とに基づいて、輪重変動ΔＰを数１によって演算する。演算部７ａは、振動検出部５が出力する振動検出信号と変位検出部６，９が出力する変位検出信号とに基づいて数１に示す輪重変動ΔＰを演算し、この輪重変動ΔＰを抑制するために最適な軸ダンパ４の減衰力を演算して、この演算結果を制御部７ｂに出力する。

制御部７ｂは、輪重変動ΔＰを抑制するために、振動検出部５及び変位検出部６，９の検出結果に基づいて軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御する。制御部７ｂは、PID制御又は現代制御論などの制御則に従って、数１に示す輪重変動ΔＰが小さく（輪重Ｐができるだけ一定）なるように軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御する。

この発明の第２実施形態に係る輪重変動抑制装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、軸箱２ｃの振動を振動検出部５が検出し、軸箱２ｃと台車枠２ｄとの間の変位を変位検出部６が検出し、車体１と台車枠２ｄとの間の変位を変位検出部９が検出し、これらの検出結果に基づいて輪重変動ΔＰを抑制するために軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御部７ｂが制御する。このため、軸ダンパ４の減衰力の制御に加えて空気ばね８の減衰力も制御するため、輪重変動ΔＰがより低減でき、軌道破壊等の軌道への悪影響を一層低減することが期待できる。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、輪重変動ΔＰを計算する際に輪軸の上下方向の運動のみを考慮したが、実際には輪軸のロール方向の運動も考慮して計算することができる。この場合には、ロール方向の運動を考慮した方が輪重変動ΔＰの値が正確に算出できるため、輪重変動ΔＰの抑制効果が大きくなる。また、この実施形態では、軸ダンパ４、空気ばね８及びこの空気ばねと補助空気室との間に設けられた絞りを例に挙げて説明したが、これら以外の他の構造の減衰部を使用することもできる。さらに、この実施形態では、軸ダンパ４の変位を変位検出部６によって検出する場合を例に挙げて説明したが、軸ばね２ｅの変位で代用することもできる。また、車体の力学モデルが精度良く得られている場合は、そのモデルから導出される状態推定器等を制御装置に組み込むことにより、振動検出部５から得られる軸箱２ｃの上下振動加速度のみを用いて減衰部の制御が可能である。さらにそのセンサの数も減少させることが可能である。

(2) この実施形態では、振動検出部５が出力する振動検出信号及び変位検出部６，９が出力する変位検出信号に基づいて、軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御する場合を例に挙げて説明したが、振動検出信号又は変位検出信号の少なくとも一つに基づいて軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御することもできる。例えば、軸箱２ｃの振動のみを検出して軸ダンパ４及び空気ばね８の減衰力を制御することもできる。この場合には、例えば、車体の力学モデル（運動方程式）から導出される状態推定器等を制御部７ｂに組み込むことにより軸箱２ｃの振動又は軸ダンパ４の変位などを用いて減衰部の制御が可能である。

この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す側面図である。この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す平面図である。この発明の第１実施形態に係る輪重変動抑制装置における輪重変動の抑制方法を説明するためのモデル図である。この発明の第２実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す側面図である。この発明の第２実施形態に係る輪重変動抑制装置を備える車両を概略的に示す平面図である。

符号の説明

１車体
２台車
２ａ車輪
２ｂ車軸
２ｃ軸箱
２ｄ台車枠
２ｅ軸ばね
３輪重変動抑制装置
４軸ダンパ（第１の減衰部）
５振動検出部
６変位検出部（第１の変位検出部）
７制御装置
７ａ演算部
７ｂ制御部
８空気ばね（第２の減衰部）
９変位検出部（第２の変位検出部）
Ｐ輪重
ΔＰ輪重変動
Ｔ車両
Ｒ軌道
Ｒ₁ レール

Claims

車両が走行するときに発生する輪重の変動を抑制する輪重変動抑制装置であって、
前記車両の台車の軸箱の振動を検出する振動検出部と、
前記台車の台車枠と前記軸箱との間の振動を減衰させる減衰部と、
前記台車枠と前記軸箱との間の変位を検出する変位検出部と、
前記台車の車輪とレールとの間に作用する輪重の変動を抑制するために、前記振動検出部及び前記変位検出部の検出結果に基づいて、前記減衰部の減衰力を制御する制御部と、
を備える輪重変動抑制装置。
請求項１に記載の輪重変動抑制装置において、
前記変位検出部は、前記台車枠と前記軸箱とを結合し、この台車枠の荷重を弾性的に支持する軸ばね及び／又はこの台車枠とこの軸箱との間の振動を減衰させる軸ダンパの変位を検出し、
前記制御部は、前記軸ダンパの減衰力を制御すること、
を特徴とする輪重変動抑制装置。
車両が走行するときに発生する輪重の変動を抑制する輪重変動抑制装置であって、
前記車両の台車の軸箱の振動を検出する振動検出部と、
前記台車の台車枠と前記軸箱との間の振動を減衰させる第１の減衰部と、
前記車両の車体と前記台車枠との間の振動を減衰させる第２の減衰部と、
前記台車枠と前記軸箱との間の変位を検出する第１の変位検出部と、
前記車体と前記台車枠との間の変位を検出する第２の変位検出部と、
前記台車の車輪とレールとの間に作用する輪重の変動を抑制するために、前記振動検出部並びに前記第１及び前記第２の変位検出部の検出結果に基づいて、前記第１及び前記第２の減衰部の減衰力を制御する制御部と、
を備える輪重変動抑制装置。
請求項３に記載の輪重変動抑制装置において、
前記第１の変位検出部は、前記台車枠と前記軸箱とを結合し、この台車枠の荷重を弾性的に支持する軸ばね及び／又はこの台車枠とこの軸箱との間の振動を減衰させる軸ダンパの変位を検出し、
前記第２の変位検出部は、前記車体と前記台車枠との間の変位を検出し、
前記制御部は、前記車体と前記台車枠との間の振動を減衰させる空気ばね及び前記軸ダンパの減衰力を制御すること、
を特徴とする輪重変動抑制装置。
請求項２又は請求項４に記載の輪重変動抑制装置において、
前記軸ダンパは、非制御時には通常の軸ダンパと同様の減衰特性になること、
を特徴とする輪重変動抑制装置。
請求項４に記載の輪重変動抑制装置において、
前記空気ばねは、非制御時には通常の空気ばねと同様の減衰特性になること、
を特徴とする輪重変動抑制装置。