JP4986108B2

JP4986108B2 - 展伸機を用いた耐震脱線防止システム

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Publication number: JP4986108B2
Application number: JP2005377804A
Authority: JP
Inventors: 宏山川; 健一稲宮; 隆吉田; 宏尚鈴木
Original assignee: 健一稲宮; 宏山川
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007176348A; WO2007077726A1

Description

この発明は走行している列車が地震に遭遇したとき、既存の地震の危険防止システムが地震の初期状態を検出後、列車が停止にいたるまでの間の脱線を防止するための装置に関する。

地震発生の際、その発生を即時に検出して、列車を停止させることが、災害防止に極めて有効な手段である。地震波は震源地から放射状に拡散し伝播するが、振動の種類に応じて、地中を速く伝わるＰ(Primary)波、遅く伝わるＳ(Secondary)波や表面波があり、大きな揺れは後者のＳ波や表面波で引き起こされる。そこで、地震波振動の検出器を広範囲にわたり地表面近傍に多数分散して設置してＰ波を検出させ、その信号を基に電気信号の地震警報を発生させ、列車に伝達して列車を停止させるシステムが構築されている。非特許文献１および非特許文献２に列車に対する最近の地震防災対策が説明されている。

中村豊著、世界最初の実用P波警報システム「ユレダス」の現状と将来、第２回土木学会リアルタイム地震防災システムシンポジュウム論文集、平成１２年４月１８日、１０７〜１１２頁、土木学会地震工学委員会リアルタイム地震防災研究会小委員会芦谷公稔著、早期地震警報システムの開発、第１７４回鉄道総研月例発表会、平成１６年１０月２０日、毎日新聞（大阪本社）、B１Fオーバルホール上記「ユレダス」の基本原理は高速走行中の列車が地震に遭遇したとき、Ｐ波検出後、即時列車の停止措置を講じることであるが、しかし、この方式は直接脱線を防止するものではない。

地震が発生した場合、震源から直距離でｄ離れた地点における、Ｐ波とＳ波との到着時間の差T_ｐｓは式（１）で表わせる。この式（１）は非特許文献３に述べられている。

ここで、T_ｐｓの単位は秒、ｄの単位はｋｍである。

菊池正幸著、リアルタイム地震学、２００３年、東京大学出版会過去の地震の実際のデータに基づくと、震源の浅い地震が多く発生しており、特に直下型地震の場合、震源地の近傍ではＰ波到来後、極めて短時間にＳ波が到来する。これに対して、高速で走行している列車は緊急の停車指令の操作が取られた後、しばらく時間が経過してから停車する。例えば、時速１２０ｋｍで走行中の列車が０．１ｇの加速度で減速し、停車させた場合、停車に要する時間は３５秒である。従って、震源地の近傍では停車する以前にＳ波が到達することがあり得る。列車が停車する前にＳ波が到達する事象が存在するので、Ｐ波検出後の停車措置のみの災害防止措置では防災措置としては不十分である。その危険を予知するため、停車する以前にＳ波が到来した時の様子を想定する。

図１６に一般的な線路の様子を示す。列車は大きな運動エネルギーを進行方向に持って走行している。通常に走行している時は線路上に車輪３対する障害物はないが、一旦、脱線すると、線路４の付近に枕木１１０、砂利１１１などが存在して、図１に示す車輪３はこれらの物体と接触し進行方向が定まらず、車体１は運動エネルギーが消耗するまで迷走して移動を続ける。
図１７に脱線後の車両の様子を示す。列車はＸ方向に走行していたとして、先頭車両１１５は正常な位置から大きく逸脱すると想定される。前方の先頭車両１１５が脱線すると、後方の二両目の車両１１６は前方の車両を押して、車両１１５の逸脱をさらに大きくし、二両目の車両１１６も脱線することが考えられる。図１７の場合、もし、併設されている隣の線路に列車が走行してきた場合、脱線を一次原因とした列車間の衝突などの二次災害が発生する恐れがある。従って、Ｐ波検出後、停車に至るまでの期間に脱線を防止することは必要である。

線路４と車輪３の局部的関係で脱線の現象を考察する。脱線は車輪３が線路４に乗り上がり、この乗り上がりの現象がある限界を超えると車輪は線路から外れる。図１８は車輪１２０が線路の頭部１２４と接触する部分を拡大して図示している。車輪１２０は車輪踏面１２１とフランジ１２５で線路の頭部１２４と接している。車輪１２０と線路の頭部１２４の接点をＡ点とすると、Ａ点には輪重Ｐ１２２と、横圧Ｑ１２３が働く。αは車輪１２０と線路の頭部１２４の接平面と水平面がなす角度、μは両者間の摩擦係数である。これらの要素を基に脱線係数が定義される。脱線係数が大きいほど脱線する可能性が高い。

脱線係数が限界を超えると、脱線の可能性が高まる。式（２）は非特許文献４に示されている。

「鉄道車両と設計技術」、応用機械工学編集部編、大河出版、１９８０年式（２）で示されている通り、横圧Ｑ１２３が大きくなると、脱線の可能性が大きくなる。通常の走行時には曲線部や車両の振動などで、横圧Ｑ１２３が一時的に大きくなり、脱線係数が増大するが、線路の状態の変化や車両の復元力で正常値に戻り、脱線に至ることはない。しかし、地震波を受けて、輪重Ｐ１２２の方向が重力方向と逆方向に大きな力を受けたり、異常な横圧Ｑ１２３が発生する可能性がある。通常の状態では脱線を防止するフランジ１２５の脱線抑止の効果も、このような条件の下では有効に働かなくなる。そこで、このような状態の下でも、脱線を防止する車輪のフランジの機能を等価的に他の方法で拡張することが提案されている。

図１９の（ｄｄ）は通常の走行時の車輪と線路の関係を示している。車輪踏面１２１は輪重Ｐ１２２を線路の頭部１２４に加えて密着して接触している。フランジ１２５は走行状態に応じて、横圧Ｑ１２３を受け、輪重Ｐ１２２と横圧Ｑ１２３の釣り合いに応じて、多少乗り上がりがあるが、多くの期間は図１９の（ｄｄ）の状態で走行する。これに対して、地震波のような異常な力を受けたときは状態が変わる。図１９の（ｅｅ）は地震波の影響を受けて、線路４が車輪１２０に対してＺ方向に大きな力を与えたと想定した時の車輪１２０と線路の頭部１２４の関係を表わした図である。車輪踏面１２１は線路の頭部１２４の表面から大きく浮いた状態であり、フランジ１２５が線路の頭部１２４に極めて容易に乗り上がり、脱線の可能性が高い状態である。このような状態であっても、災害防止の立場から脱線を防がなければならない。

図１９の（ｅｅ）およびこれを超えたような状態でも脱線の発生を防止するためには現在のフランジ長１３０が、現在値よりさらに長ければ脱線の発生の可能性を低下できる。しかし、現在のフランジ長１３０は既に車輪３の設計、製造段階の規格値で定められているので、フランジ長１３０の長さの変更は困難である。そこで、図２０の（ｆｆ）では通常の走行時は線路より上部に格納されている車輪３とは別の構造物である棒状のラッチ１３５を脱線防止の目的のため、線路の中部１２６に達するまで展伸した状態を示している。このように展伸可能な棒状のラッチ１３５を展伸したとき、線路の中部に存在する線路の一部と接触することがある。図２０の（ｇｇ）は線路の中部１２６に取り付けられた継ぎ目板１３６を示している。走行中、展伸したラッチ１３５と継ぎ目板１３６が衝突した時、展伸したラッチが破壊する恐れがあるので、このような場合、展伸したラッチ１３５をＸＺ面内に回転させ、ラッチの破壊を回避して両者が共存するような構造が公開されている。棒状のラッチを使った耐震脱線防止ラッチ装置は特許文献１に示されている。

特願２００４−５２４４９

列車が走行しているとき地震に遭遇したとするなら、非特許文献１および非特許文献２で示される「ユレダス」が作動して、停車させる。しかし、震源が浅い直下型の地震の震源地の近傍の場合、式（１）で表わすＰ波とＳ波の伝播時間差、T_ｐｓは短時間である。
走
行中の列車は停車命令が発生した後、しばらく時間が経過してから停車する。例えば、時速１２０ｋｍで走行中の列車に０．１ｇの加速度で停車させたとき、停車までに要する時間は３５秒である。従って、走行中にＳ波に襲われる可能性がある。

走行中の列車は進行方向に大きな運動エネルギーを持っていて、走行中に脱線が発生したとするなら、脱線を一次原因とする二次災害が発生する恐れがある。図１６は線路が敷設されている状況を示す。走行中の車両が脱線すると、車輪３は線路４から外れ、枕木１１０、砂利１１１などが存在する表面を走行することとなり、車輪３は本来の進行方向に対して大きな抵抗を受け、列車の進行方向の速度が急激に低下して、かつ走行方向が定まらず、車両は軌道から外れる。図１７に脱線が第一原因となり、想定した二次災害が発生し易い様子を示す。列車がＸ方向に進行している場合、先頭の車両１１５が脱線して軌道から外れ、後続の車両１１６は先頭車両に進行を妨げられ、先頭の車両１１５を押すと同時に脱線する可能性がある。このとき車両１１５、１１６は単に脱線したのみの時に比較して、大きく軌道から外れると予想される。さらに、このような状況の時、併設されている逆方向からの列車が進行してきた場合、対向する車両がお互いに衝突する可能性がある。このような二次災害は大事故になる可能性がある。地震が原因ではないが、１９６３年の鶴見列車事故は脱線を最初の原因として、大惨事が引き起こされた。

上記課題は以下の特徴を有する本発明によって達成される。すなわち、請求項１に記載した発明は、鉄道車体の下部であって、線路より上部で、かつ車輪が走行するとき障害にならないように台車に堅牢に取り付けられた構造体よりなる展伸機を用いた耐震脱線防止システムにおいて、前記システムの一部をなす展伸機展伸機構の先端に接続する展伸機を備え、前記展伸機展伸機構は二本の線路の各々の内側の線路の頭部の車輪のフランジが走行する領域の近傍に在って、線路の頭部より上部に格納されていた通常の走行状態から、前記展伸機展伸機構が展伸することにより、前記展伸機が線路の頭部の下部に達する構造を有して、かつ台車の動揺データと前記展伸機展伸機構の位置のデータを入力として、内在する自動制御の論理回路の処理に基づいて、台車の動揺にも関わらず、展伸機を線路の頭部の下部に受動制御的に、もしくは能動制御的に常に留まるようにした前記展伸機と接続した展伸機展伸機構を力学的に支えられる展伸機支持機構が台車に取り付けられたことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は請求項１に記載した発明の特徴に加えて、予備電源を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載した発明は請求項１に記載した発明の特徴に加えて、請求項１に記載した左右一対の垂直方向の展伸機を水平方向に結合する展伸機補強軸を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載する発明は請求項３の発明の特徴に加えて、車輪が曲線部を通過する時、フランジが線路の頭部側面に沿って線路に乗り上がる幅に相当する余裕幅Ａより内側に前記展伸機が展伸すること、および、前記展伸機が展伸した位置より線路に向って外側に移動することが可能になるように、前記展伸機補強軸の水平移動が可能になるように水平移動調整機構を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載する発明は請求項１から４のいずれか１項に記載した発明の特徴に加えて、前記展伸機支持機構が台車と接続する部分において、前記展伸支持機構と前記台車の結合部を回転可能にするために、回転接続部、あるいは回転接続部と回転滑走部を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載した発明は請求項５に記載した発明の特徴に加えて、前記回転接続部と前記回転滑走部の回転角に制限のあることを特徴とする。

この発明によると、地震波検出システムが地震のＰ波を検出して、列車にその情報が電気信号で伝わった直後に、線路の頭部の近傍にこの発明に係る展伸機を展伸させ、かつＳ波到来後台車が動揺した状態であっても、その動揺にも関わらず展伸機の運動を受動制御的に、もしくは能動制御的に制御して線路の頭部側面の近傍に留まるようにして、車輪が線路に乗り上がる現象を防止して脱線を防止する。

車両の車輪が線路上を線路から外れることなく走行できる役割は車輪のフランジが持つ。この発明では線路のフランジが走行する付近にこの発明に係る展伸機を展伸させるシステムを備え、フランジが持つ脱線防止の役割を増強することを実現した。

図１はこの発明に係る列車の一車両を示す。車体１は列車を構成する車両の一両で、通常２台の台車２を有している。図２と図３は台車２の様子を示し、台車２は４個の車輪３を有して、２個の車輪３は一本の車軸２０によって左右の車輪が一対を成す。集電器５は架線６から電力を受電し、その電力で車両１は走行する。図１では電力を動力源として想定したが、この発明は他の動力源を使用する車両にも適応可能である。また、地震に襲われた時、給電や受電が停止したとき、この発明に係る装置を作動させるため、予備電源７を備える。展伸機操作器９は地震のＰ波警報を受信し、展伸機３１を操作させるため受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０A間で信号を送受信する。

予備電源７は通常時に充電する機能や、走行中の列車が持つ運動エネルギーを電力に変
換する機能を有して、架線６から給電が中断したとき、この発明に係るシステムを駆動できる。

図２はＸＺ平面上の台車２を示す。台車２は台車枠１０が全体の骨格となり、主な部品である車輪３と車軸２０が軸受１１で受けられて取り付けられている。図３はＸＹ平面上の台車２を示し、この面には車軸２０が示される。この発明に係るシステムは製品開発を容易にするため、既存の台車２に取り付ける発想に基づいて構成されている。この発明に係るシステムの取り付けは台車２の端の部分で、図２と図３にわたって示した３次元の空間を展伸機を用いた耐震脱線防止システム装填領域１２として示した。この展伸機を用いた耐震脱線防止システムの装填領域１２はこの発明に係るシステムを取り付ける領域として適していると思われる空間であるが、この領域に限定するものではない。他の適している領域に適応しても、この発明の原理が損われることはない。また、この発明に係るシステムを内部に組み込んだ新規な台車を設計することも可能である。
台車移動検出器１３は台車２が動揺して線路４から浮き上がる現象によって生ずる移動の距離を計測するセンサである。

図４はＹＺ平面上に表わしたこの発明に係るシステムの動作原理を示すための全体構成例を示す。展伸機支持機構２５はこの発明の目的である脱線防止の機能を実行させるため、展伸機３１に所定の動作をさせる構造体であって、内部に展伸機３１に必要な機能を動作させる構成品を持つ。展伸機支持機構２５は全体を支える展伸機支持枠２６、展伸機３１の上下運動を可能にするための構造を有する展伸機展伸機構ホルダー２７、先端に展伸機３１を有し、展伸機展伸機構ホルダー２７との相対位置のデータを出力できる機構を有する展伸機展伸機構２８、展伸機３１に掛かる横圧３２を分散するため筋交い状の構造を有する展伸機支持枠補強材２９と展伸機３１の位置を受動制御的に展伸できる受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御的に展伸できるように、台車移動検出器１３の出力の信号と展伸機展伸機構２８の位置の信号を入力して展伸機展伸機構２８を駆動するための信号が出力できる制御論理回路を持った能動制御展伸機駆動部３０Ａを有する。

受動制御展伸機駆動部３０はスプリング、圧搾空気などを動力源として、展伸機３１を下方に展伸させ、また展伸した状態を維持させる。能動制御展伸機駆動部３０Ａは電気、油圧などを動力源として、展伸機３１を下方に展伸させ、また台車移動検出器１３と展伸機展伸機構ホルダー２７の位置情報に基づき、展伸した状態を維持させる。

図５および図６はこの発明に係る脱線防止の機能を実行させる主要構成品である展伸機３１の具体的な事例を示している。図５は展伸機３１として、棒状のラッチを用いた場合である。図５の（ａ）は展伸機展伸機構ホルダー２７とラッチ型展伸機３５の関係をＸＺ平面上に示した。また図５の（ａ２）はラッチ型展伸機３５に付くへら３９を示した。へら３９は角柱型と円柱型を共通に表わした。従って、角柱型の場合、Ｘ方向の線路の内側に出ている部分は存在しない。図５の（ｂ）の上部の図はＸＹ平面上に示した角柱型のラッチ型展伸機３５で、ラッチの幅Ｙ（ｄ_１）３６の寸法は線路の頭部側面６７と脱線防止用の構築物や、踏み切りなどのために存在する図１２の線路間構築物８６の間に収まる寸法であり、ラッチの幅Ｘ（ｄ_２）３７の寸法は横圧３２に対する応力歪みが許容内であるように定めることができる。下部の図は角柱型のラッチ型展伸機３５に平板へら３９Ａが付いた図である。図５の（ｃ）の上部の図はＸＹ平面上に示した円柱型のラッチ型展伸機３５で、ラッチの直径（ｄ_３）３８は線路の頭部側面６７と線路間構築物８６の間に収まる寸法である。また、円柱型のラッチ型展伸機３５が線路の頭部側面６７と接触したとき、展伸機展伸機構ホルダー２７内部で回転する。下部の図は円柱型のラッチ型展伸機３５に円板型へら３９Ｂが付いた図である。

図６は展伸機３１として補助輪を用いた場合である。図６の構成は展伸機３１として補助輪を用いた以外は図５のラッチ型と同じである。補助輪型展伸機４０は車輪３より小型な車輪状の形状をしている。図６の（ｄ）はＸＺ平面上に示した展伸機展伸機構ホルダー２７と補助輪型展伸機４０の関係の図である。図６の（ｅ）、（ｆ）はＹＺ平面とＸＺ平面上に示した補助輪型展伸機４０の構造の図である。補助輪型展伸機４０は展伸機展伸機構２８の先端部分に接続し、補助輪主軸４１を中心に回転する構造である。補助輪円板部４２は補助輪型展伸機４０が展伸したとき、線路の頭部頭頂面６８に接触して回転させられる部分である。補助輪フランジ４３は線路の頭部側面６７と接触し、またはその近傍にあって、脱線を防止する機能を有する。補助輪円板半径４４の寸法はこの発明に係る展伸機を用いた耐震脱線防止システム装填領域１２の容積などの制約条件から定まる。補助輪のフランジ端までの半径４５は補助輪型展伸機４０が作動時、補助輪フランジ長（ｄ_４）４６の長さを持つ補助輪フランジ４３の先端が線路の中部５１の付近にある継ぎ目板１３６などの構築物に接しない範囲の長さで定まる。補助輪型フランジ幅（ｄ_５）４７は線路の頭部側面６７と線路間構築物８６の間の距離が厚さの制限条件である。

図７は展伸機３１がラッチ型展伸機３５を用いた場合のこの発明の基本的な動作原理を示す。図７の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）はラッチ型展伸機３５の動作状態をＹＺ平面上に示し、その図の下部に示した（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）はラッチ型展伸機３５のそれぞれの動作状態に応じた車輪と線路の状態をＹＺ平面上に示す。図７の中の車輪５６はこの発明の機能に係る部分のみを示したもので、車輪３の全体は示していない。また、線路４はこの発明に重要な意義があるので、線路の頭部５０、線路の中部５１と線路の底部５２に細かく分けて定義している。図７の（ｇ）と（ｊ）は通常の走行時のラッチ型展伸機３５と車輪と線路の関係を示している。ラッチ型展伸機３５の先端は通常の車両の走行に何ら支障のないように、線路の頭部５０の頭面より格納の高さ（ｄ_６）５３分高い位置にあって、展伸機展伸機構２８は展伸機展伸機構ホルダー２７に格納されている。このとき、図７の（ｊ）は車輪５６と線路の頭部５０の通常の走行状態の位置関係を示した。
図７の（ｈ）と（ｋ）は展伸機操作器９がＰ波の到来の信号を受信し、受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａに指令を与え、受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａが展伸機展伸機構２８を展伸させた状態と、その時の車輪５６と線路の頭部５０の関係を示す。展伸機展伸機構２８は受動制御展伸機駆動部３０により、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａの駆動信号を受けて、一定の下降移動Ａ６０の運動によってラッチ型展伸機３５の先端が線路の中部５１に存在する継ぎ目板１３６などに接触しない範囲で、線路の頭部側面６７に沿って、通常の格納位置から展伸長（ｄ_７）５４分展伸する。このときの状況はＰ波到来時であるから、地震波は微動であるので、Ｐ波の台車２への力学的影響は微小であり、図７の（ｈ）の展伸機展伸機構ホルダー２７は図７の（ｇ）と同じ状態である。また、図７の（ｋ）の車輪５６と線路の頭部５０の関係は図７の（ｊ）と同じ状態である。
図７の（ｉ）と（ｌ）はＳ波が到来した時のラッチ型展伸機３５と線路の頭部５０と、その時の車輪５６と線路の頭部５０の関係を示す。Ｓ波の到来は地震波が車体１に影響を与え、台車２は上下に運動する。台車２に固定されている展伸機支持機構２５は台車２と共に同じ運動し、この台車２に取り付けられている台車移動検出器１３は台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５分を定量的に検出する。受動制御展伸機駆動部３０は予め台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５の最大値を予測して、それ以上にラッチ型展伸機３５を展伸させる。受動制御展伸機駆動部３０を用いる場合、ラッチ型展伸機３５はへら３９を備え、展伸の下降の下限はへら３９によって線路の頭部５０との位置が維持される。能動制御展伸機駆動部３０Ａは台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５の信号と、展伸機展伸機構ホルダー２７と展伸機展伸機構２８の間の相対的な位置を示す信号を入力として、内在する制御論理回路の処理に基づき展伸機展伸機構２８を駆動する信号を出力して、ラッチ型展伸機３５の先端が常に線路の頭部５０の下部に留まるように能動的に制御する。このように、台車２が地震波の影響で変動したとしても、自動制御の原理に基づいて、展伸機展伸機構２８を上下移動６１させ、ラッチ型展伸機３５の先端と線路の頭部５０の関係は図７の（ｈ）と同じ状態を維持する。能動制御展伸機駆動部３０Ａを用いた場合でも、へら３９にラッチ型展伸機３５が線路の頭部５０の下部以下に下降しないための予備的な役割を持たすことができる。図７の（ｌ）は台車２に取り付けられた車輪５６が通常の位置より線路の頭部５０の上部に台車２が台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５分浮き上がることを示す。図７の（ｌ）の状態はこの発明に係るシステムがない場合、式（２）で示す脱線係数が劣化し、脱線の可能性が高くなるが、図７の（ｉ）のラッチ型展伸機３５が線路の頭部側面６７に存在することにより、脱線の可能性が極めて低く抑えられる。

図８は展伸機３１が補助輪型展伸機４０を用いた場合のこの発明の基本的な動作原理を示す。図８の（ｍ）、（ｎ）、（ｐ）はラッチ型展伸機３５の場合の図７の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）にそれぞれ相当する補助輪型展伸機４０の動作状態をＹＺ平面上に示した。その時の車輪５６と線路の頭部５０の関係は図７の（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）であって、図８に示してない。補助輪型展伸機４０ではフランジが耐震脱線防止の主要な役割を持つので、図８の（ｑ）、（ｒ）に補助輪型展伸機４０の詳しい構造と線路の頭部５０の関係をＹＺ平面上に示した。図８の（ｍ）は補助輪型展伸機４０が通常の走行時に上部に格納されている状態で、補助輪型展伸機４０の先端は通常の走行に支障のないように線路の頭部５０の頭部から格納の高さ（ｄ_６）５３分高い位置にあって、展伸機展伸機構２８は展伸機展伸機構ホルダー２７に格納されている。その時のＹＺ面上の補助輪型展伸機４０と線路の頭部５０の位置関係の詳細は図８の（ｑ）に示す。
図８の（ｎ）は展伸機操作器９がＰ波到来の信号を受信して、受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａに指令を与え、受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａが展伸機展伸機構２８を展伸させ、補助輪型展伸機４０が一定の下降移動Ａ６０の運動により展伸長（ｄ_７）５４分展伸して線路の頭部５０に補助輪円板部４２が接触して、補助輪フランジ４３が線路の頭部側面６７に展伸した状態である。このときの補助輪型展伸機４０と線路の頭部５０の詳細な位置関係は図８の（ｒ）のＹＺ面上に示す。
図８の（ｐ）はＳ波が到来した時の展伸機展伸機構ホルダー２７、展伸機展伸機構２８、補助輪型展伸機４０と線路の頭部５０の関係を示す。Ｓ波の到来は地震波が車体１に影響を与え、台車２は上下に動揺する。台車２に固定されている展伸機支持機構２５は台車２と共に同じ運動し、この台車２に取り付けられている台車移動検出器１３は台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５分を定量的に検出する。受動制御展伸機駆動部３０は予め台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５の最大値を予測して、それに応じて補助輪型展伸機４０が線路の頭部５０と接する部分まで常に下降するよう駆動する。
能動制御展伸機駆動部３０Ａは台車の浮き上がり（Δｄ_１）５５の信号と、展伸機展伸機構ホルダー２７と展伸機展伸機構２８の相対的な位置を示す信号を入力として、内在する制御論理回路の処理に基づき展伸機展伸機構２８を駆動する信号を出力して、補助輪型展伸機４０が図８の（ｎ）と同じ状態を維持できるように能動的に制御する。台車２の浮き上がりにも関わらず、展伸機展伸機構２８は自動的に制御され、補助輪展伸機４０は常に図８の（ｐ）および（ｒ）の状態を保持する。このように台車２が地震波の影響で動揺したとしても、自動制御の原理に基づき展伸機展伸機構２８を上下移動６１させ、補助輪型展伸機４０と線路の頭部５０の関係が常に図８の（ｎ）と同じ状態を保持する。Ｓ波到来の影響を受けて、車輪５６が線路の頭部５０より浮き上がり、式（２）の脱線係数が劣化し脱線の可能性が高くなるが、補助輪型展伸機４０が図８の（ｒ）の状態を維持することにより脱線の可能性を極めて低く抑えることができる。

図９の（ｓ）は列車が通常の走行状態で、曲線部を通過する時の車輪５６と線路の頭部５０の位置関係を示したもので、鉄道車輪の構造的な原理により線路４の曲線部の曲率半径と列車の通過速度に従って車輪は乗り上がりが生ずる。図９の（ｔ）はその時の微視的な状態を示した。車輪踏面６６は僅かな傾斜を持ってフランジ５８部分の端から外側に延びている。直線部分の走行ではこの車輪踏面６６が線路の頭部頭頂面６８に接して走行している。図９ではＹ方向を内側にした曲線部に差し掛かるとフランジ傾斜面６５は線路の頭部側面６７に押し付けられるようになり、フランジ５８は線路の頭部５０に乗り上がり、その乗り上がり長（Δｄ_２）６９分車輪踏面６６がＺ方向に浮き上がる状態になる。このとき、式（２）の脱線係数は劣化して脱線の可能性が高くなるが、通常この乗り上がり長（Δｄ_２）６９はフランジ長６４より相当に小さく、曲線部分を通過した後、直線部分に入ると乗り上がりは無くなる。即ち、特定の区間の線路の最大曲率は線路敷設時に決定され、また、走行速度は走行規則で決められるので、特定の区間を指定するなら、その路線の乗り上がり長（Δｄ_２）６９の最大値は定まる。従って、図９の（ｕ）で示すようにフランジ５８が線路の頭部側面６７に近づく程度が判明するので、展伸機３１は乗り上がり時に生ずる余裕幅Ａ（Δｄ_３）７０より少しＹ方向に内側に展伸するなら、展伸機３１が線路の頭部５０に接触することはない。

図１０は展伸機３１に接続する展伸機補強軸７５を備えたこの発明に係るシステムの全体構成例を示す。ラッチ型展伸機３５と補助輪型展伸機４０を表わす展伸機３１は動作時に線路の頭部側面６７から横圧３２を受ける。図１０の右側の展伸機３１の例の場合に横圧３２を受けると、ＹＺ平面上に時計回りのモーメントを生ずる。このモーメントは展伸機補強軸７５に歪みを生じさせ、抗力７６を発生させ、横圧３２と釣り合う。このため、横圧３２が展伸機展伸機構２８や、展伸機展伸機構ホルダー２７に与える力学的負荷は展伸機補強軸７５を備えることにより小さくなる。このシステム構成において展伸機展伸機構２８と展伸機展伸機構ホルダー２７の主要な機能は受動制御展伸機駆動部３０、もしくは能動制御展伸機駆動部３０Ａの駆動動作の従って、展伸機３１に所定の脱線防止機能を行わせることにある。展伸機３１が補助輪型展伸機４０である場合は作動時に補助輪が回転するが、脱線防止の機能のためには左右の補助輪型展伸機４０の回転は独立でよく、展伸機補強軸７５は補助輪型展伸機４０の回転にも関わらず回転しない構造にできる。また、展伸機補強軸７５が動作時、線路間構築物８６に対して空間的な余裕を持たせた構造とする。

図１１は展伸機３１が作動するとき大きな摩擦が発生する箇所を示す。摩擦の課題は実施例１および実施例２のいずれの場合においても生ずる。図１１の（ｖ）は実施例１の場合の関連箇所を、図１１の（ｗ）の場合は実施例２の場合の関連箇所を示した。摩擦面Ａ８０と摩擦面Ｃ８２は展伸機３１が線路の頭部側面６７と接して生ずる。摩擦面Ｂ８１と摩擦面Ｄ８３は横圧３２を受けながら展伸機展伸機構２８が展伸するとき、および展伸後、展伸機駆動部によって駆動され上下移動６１するとき、展伸機展伸機構ホルダー２７との間に生ずる。

図１２は実施例１において展伸機３１が展伸するとき、摩擦面Ａ８０の摩擦を避ける対策である。図１２の（ｘ）は展伸機３１が格納された状態で、展伸機展伸機構ホルダー２７、展伸機展伸機構２８、展伸機３１が線路の頭部側面６７から内側に余裕幅Ｂ（Δｄ_４）８５離れて取り付けられる。図１２の（ｙ）は展伸機３１が展伸した状態で、余裕幅Ｂ（Δｄ_４）８５があるので、展伸時に線路の頭部側面６７との間で摩擦は生じない。余裕幅Ｂ（Δｄ_４）８５は余裕幅Ａ（Δｄ_３）７０と等しいか、それより少し内側に設定し、また、展伸機３１の内側が脱線防止用の構築物や、踏み切りなどのために存在する線路間構築物８６に接触しない範囲でなければならない。

図１３は実施例２において展伸機３１が展伸するとき、摩擦面Ｃ８２の摩擦を避ける対策である。図１３の（ｚ）は展伸機３１が格納された状態で、展伸機展伸機構ホルダー２７、展伸機展伸機構２８、展伸機３１が線路の頭部側面６７から内側に余裕幅Ｃ（Δｄ_５）９０離れて取り付けられている。図１３の（ａａ）は展伸機３１が展伸した状態で、余裕幅Ｃ（Δｄ_５）９０があるので、展伸時に線路の頭部側面６７との間で摩擦は生じない。余裕幅Ｃ（Δｄ_５）９０は余裕幅Ａ（Δｄ_３）７０と等しいか、少し内側に設定し、また、展伸機３１の内側が線路間の構築物８６に接しない範囲でなければならない。また、一旦、展伸機３１が展伸した後はＳ波が到来するので、展伸機３１は出来るだけ線路の頭部側面６７に近いほうが、展伸機３１と線路の頭部側面６７間の力のやりとりが連続で無理な力が掛からない。そのため、展伸機３１を含めた展伸機支持機構２５は水平移動８８する機能を持たすことができる。

図１４は展伸機３１が水平移動８８できる機能を有した展伸機支持機構２５である。展伸機支持枠２６の水平部材および展伸機補強軸７５の中央部の左右の部分が分離できて、各々の部材が水平移動できるように中央部分が水平移動調整機構Ｅ９５と水平移動調整機構Ｆ９６が接続されている。展伸機支持機構２５と展伸機補強軸７５に水平移動のための調整機構が共に組み込まれているので水平移動が可能になる。また、水平移動調整機構Ｆ９６の付加された場合であっても展伸補強軸７５と線路間構築物８６の空間的な余裕が保持される構造とする。

図１５は台車の動揺にも関わらず、展伸機３１が垂直状態を維持するための構造を持つ場合のこの発明の基本的な動作原理を示した図である。図１５の（ｂｂ）はＹＺ平面から見た展伸機支持機構２５と台車２を表わす。この構成では展伸機支持機構２５と台車２は回転接続器１０１と回転滑走器１０２で接続されて、回転接続器１０１を中心に展伸機支持機構２５は回転できるため、回転滑走器１０２は展伸機支持機構２５に掛かる力を回転接続器１０２と分散するために取り付けられている。回転接続器１０１と回転滑走器１０２は展伸機支持枠２５と台車２を堅固に取り付けられる役割と、両者の回転を容易にする役割を持つ。Ｐ波到来時は微動段階であるので、展伸機支持機構２５と台車２は図１５の状態であるが、Ｓ波が到来して大きな地震波を受けると台車２が動揺して、傾斜した台車１００の状態になるが、そのとき、展伸機３１は線路の頭部側面６７の近傍にあって、台車２の揺れに影響されることなく展伸機を垂直状態に維持して脱線防止の機能を果たす。但し、台車２が地震波で動揺した場合であっても、フランジ５８が脱線に至らない乗り上がりの限界があるので、この限界を超えて台車２が揺れることは許されない。従って、回転接続器１０１と回転滑走器１０２の間の回転の範囲は限定される。この回転の限界に至る地震波の影響があった時、展伸機３１と車輪のフランジ５８で横圧３２を受けて、この発明に係るシステムと台車２を含む車体１全体で地震に対抗しなければならない。また、この構造の場合、展伸機支持機構２５は展伸機３１が作動する以前の格納状態では回転固定器１０３により台車２に固定されていて、展伸機３１が展伸した後、回転の動作が可能になるような構造を持つ。図１５の（ｃｃ）は展伸機展伸機構２５と台車２をＸＺ平面から見たもので、回転接続器１０１と回転滑走器１０２が示されている。

この発明の主要機能は展伸機３１と線路の頭部５０の関係より脱線を防止することである。これを実現するための機構部として、展伸機支持機構２５がある。展伸機支持機構２５の構成方法として、図４、図１０、図１４、図１５で典型的構成例を示したが、力学的な合理性が許せばこれらを基に種々の関連する構成が可能である。図１０、図１４、図１５では展伸機補強軸７５を採用いるので、各図では展伸機支持枠２６と展伸機補強軸７５の間を二本の展伸機展伸機構ホルダー２７で接続しているが、これを一本の展伸機展伸機構ホルダーで構成することは可能である。

現在走行中の列車の地震対策として整備されているＰ波検出後、直ちに停車させる方式では列車の近くで発生する直下型地震に対しての防災措置として不十分であるので、この発明に係るシステムを車両に搭載することによって脱線の防止が達成可能なので、脱線に伴なう災害防止を期するため、現在使用されている車両に適応可能である。

実施例に係る鉄道車両と展伸機を用いた耐震脱線防止システムの関係を示した図である。実施例に係る台車の側面を示した図である。実施例に係る台車の平面を示した図である。実施例に係る展伸機を用いた耐震脱線防止システムの構成の全体を示した図である。（実施例１）実施例に係るラッチ型展伸機を示した図である。実施例に係る補助輪型展伸機を示した図である。実施例に係るラッチ型展伸機と車輪の動作の関係を示した図である。実施例に係る補助輪型展伸機の動作を示した図である。走行時の車輪と線路の頭部の動作状態の詳細を示した図である。実施例に係る展伸機を用いた耐震脱線防止システムの構成の全体を示した図である。（実施例２）展伸機の動作時に発生する摩擦箇所を示した図である。実施例１に係る展伸機が展伸する時の状態を示した図である。実施例２に係る展伸機が展伸する時の状態を示した図である。実施例２に係る水平移動機能を有した展伸機を用いた耐震脱線防止システムの構成の全体を示した図である。実施例に係る展伸機を用いた耐震脱線防止システムの構成の全体を示した図である。（実施例４）従来の線路の構造を示した図である。従来の脱線が発生しときの車両の様子を示す図である。従来の線路と車輪の力学的な関係を示した図である。従来の車両の正常および浮き上がりの走行時の線路と車輪の関係を示す図である。従来の脱線防止ラッチの動作状況と線路に存在する継ぎ目板の状態を示す図である。

符号の説明

１車体
２台車
３車輪
４線路
５集電器
６架線
７予備電源
８展伸機を用いた耐震脱線防止システム
９展伸機操作器
１０台車枠
１１軸受
１２展伸機を用いた耐震脱線防止システム装填領域
１３台車移動検出器
２０車軸
２５展伸機支持機構
２６展伸機支持枠
２７展伸機展伸機構ホルダー
２８展伸機展伸機構
２９展伸機支持枠補強材
３０受動制御展伸機駆動部
３０Ａ能動制御展伸機駆動部
３１展伸機
３２横圧
３５ラッチ型展伸機
３６ラッチの幅Ｙ（ｄ_１）
３７ラッチの幅Ｘ（ｄ_２）
３８ラッチの直径（ｄ_３）
３９へら
３９Ａ平板型へら
３９Ｂ円板型へら
４０補助輪型展伸機
４１補助輪主軸
４２補助輪円板部
４３補助輪フランジ
４４補助輪円板半径
４５補助輪フランジまでの半径
４６補助輪フランジ長（ｄ_４）
４７補助輪フランジ幅（ｄ_５）
５０線路の頭部
５１線路の中部
５２線路の底部
５３格納の高さ（ｄ_６）
５４展伸長（ｄ_７）
５５台車の浮き上がり（Δｄ_１）
５６車輪
５７車輪中心
５８フランジ
５９フランジ幅（ｄ_８）
６０下降移動Ａ
６１上下移動
６４フランジ長（ｄ_９）
６５フランジ傾斜面
６６車輪踏面
６７線路の頭部側面
６８線路の頭部頭頂面
６９乗り上がり長（Δｄ_２）
７０余裕幅Ａ（Δｄ_３）
７５展伸機補強軸
７６抗力
８０摩擦面Ａ
８１摩擦面Ｂ
８２摩擦面Ｃ
８３摩擦面Ｄ
８５余裕幅Ｂ（Δｄ_４）
８６線路間構築物
８７下降および上下移動
８８水平移動
９０余裕幅Ｃ（Δｄ_５）
９５水平移動調整機構Ｅ
９６水平移動調整機構Ｆ
１００傾斜した台車
１０１回転接続部
１０２回転滑走部
１０３回転固定部
１１０枕木
１１１砂利
１１５先頭車両
１１６二両目車両
１２０車輪
１２１車輪踏面
１２２輪重
１２３横圧
１２４線路の頭部
１２５フランジ
１２６線路の中部
１２７線路の底部
１３０フランジ長
１３５展伸したラッチ
１３６継ぎ目板

Claims

鉄道車体の下部であって、線路より上部で、かつ車輪が走行するとき障害にならないように台車に堅牢に取り付けられた構造体よりなる展伸機を用いた耐震脱線防止システムにおいて、前記システムの一部をなす展伸機展伸機構の先端に接続する展伸機を備え、前記展伸機展伸機構は二本の線路の各々の内側の線路の頭部の車輪のフランジが走行する領域の近傍に在って、線路の頭部より上部に格納されていた通常の走行状態から、前記展伸機展伸機構が展伸することにより、前記展伸機が線路の頭部の下部に達する構造を有して、かつ台車の動揺データと前記展伸機展伸機構の位置のデータを入力として、内在する自動制御の論理回路の処理に基づいて、台車の動揺にも関わらず、展伸機を線路の頭部の下部に受動制御的に、もしくは能動制御的に常に留まるようにした前記展伸機と接続した展伸機展伸機構を力学的に支えられる展伸機支持機構が台車に取り付けられたことを特徴とする展伸機を用いた耐震脱線防止システム
予備電源を備えたことを特徴とする請求項１に記載した展伸機を用いた耐震脱線防止システム
前記展伸機は垂直方向に左右一対に設けられ、左右一対の前記展伸機を水平方向に結合する展伸機補強軸を備えたことを特徴とする請求項１に記載した展伸機を用いた耐震脱線防止システム
車輪が曲線部を通過する時、フランジが線路の頭部側面に沿って線路に乗り上がる幅に相当する余裕幅より内側に前記展伸機が展伸すること、および、前記展伸機が展伸した位置より線路に向って外側に移動することが可能になるように、前記展伸機補強軸の水平移動が可能になるように水平移動調整機構を備えたことを特徴とする請求項３に記載した展伸機を用いた耐震脱線防止システム
前記展伸機支持機構が前記台車と接続する部分において、前記展伸機支持機構と前記台車の結合部を回転可能にするために、回転接続部、あるいは回転接続部と回転滑走部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載した展伸機を用いた耐震脱線防止システム
前記回転接続部と前記回転滑走部の回転角に制限のあることを特徴とする請求項５に記載した展伸機を用いた耐震脱線防止システム