JP5038615B2 - 車体傾斜装置の異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、車体傾斜装置の異常検出方法に関し、詳しくは、台車と車体との間に設けた空気バネの空気量を調整して車体を傾斜させる車体傾斜装置の異常を検出する方法に関する。

曲線路通過時の乗り心地を改善するための車体傾斜装置として、車体前後部に設けた各台車の枕木方向両側に空気バネをそれぞれ配置し、両空気バネにて車体を支持するとともに、曲線路通過時に、曲線路外側の空気バネに給気して該空気バネを高くし、曲線路内側の空気バネから排気して該空気バネを低くすることにより、車体を曲線路内側に向けて傾斜させる空気バネ式の車体傾斜装置が知られている。

このような車体傾斜装置において、車体傾斜制御の異常を検知、判定するための方法が各種提案されており、例えば、車体に作用する左右方向の定常加速度を検出する加速度検出器と、車体の左右両側での上下方向の高さを検出する高さセンサーと、この高さセンサーで検出した車体高さから定常的横加速度を演算し、この定常的横加速度と前記定常加速度との符号を比較する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−９８９５号公報

しかし、従来の検知方法は、特許文献１に記載された方法をはじめとして、空気バネの高さセンサーの他に、加速度計、ジャイロ、曲線情報読取装置、ボギー角検出器等の曲線検出手段を組み合わせた複雑な検知システムとなっており、また、検知システムが車体の傾斜制御を行う制御手段に組み込まれ、制御手段の異常を検知するものであった。

このため、制御手段の構成によって判定基準も様々であり、各車両の条件や走行条件にあわせた基準値等を設定するのが面倒であった。さらに、従来の異常検知方法は、曲線路通過時の車体傾斜状態を各種センサーで検知し、基準値と比較するものであるから、直線路通過時の車体傾斜装置に異常が発生しても検知することはできなかった。

そこで本発明は、車体前後部の台車にそれぞれ設けた車体傾斜装置の一方に異常が発生したことを簡単な装置構成で容易に検知することができる車体傾斜装置の異常検出方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の車体傾斜装置の異常検出方法は、鉄道車両の車体前後部に一対の台車をそれぞれ配置し、各台車の両側部分にそれぞれ設けた一対の空気バネによって車体を支持し、各空気バネの空気量を調整することによって走行中の車体を傾斜させる車体傾斜装置の異常検出方法であって、一方の台車の一側方の空気バネの高さ（Ｈ１）と、該一方の台車の他側方の空気バネの高さ（Ｈ２）と、他方の台車の一側方の空気バネの高さ（Ｈ３）と、該他方の台車の他側方の空気バネの高さ（Ｈ４）とを検出し、下記式（１）にて算出した値が、あらかじめ設定された閾値（Ｈｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定することを特徴としている。

また、本発明の車体傾斜装置の異常検出方法の第２の構成は、鉄道車両の車体前後部に一対の台車をそれぞれ配置し、各台車の両側部分にそれぞれ設けた一対の空気バネによって車体を支持し、各空気バネの空気量を調整することによって車体を傾斜させる車体傾斜装置の異常検出方法であって、一方の台車の一側方の空気バネの圧力（Ｐ１）と、該一方の台車の他側方の空気バネの圧力（Ｐ２）と、他方の台車の一側方の空気バネの圧力（Ｐ３）と、該他方の台車の他側方の空気バネの圧力（Ｐ４）とを検出し、下記式（２）にて算出した値が、あらかじめ設定された閾値（Ｐｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定することを特徴としている。

｜（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ３−Ｐ４）｜＞Ｐｓ・・・（２）

本発明の車体傾斜装置の異常検出方法によれば、車体前後の各台車のいずれか一方において車体が逆傾斜状態になったことを容易に検知することができる。すなわち、正常な車体傾斜を行う台車と、正常な車体傾斜を行わない台車とが、車体に対して逆傾斜した状態になったことを容易に検知することができ、車体前後の各台車との間に設けられた車体傾斜装置の一方に異常が発生したことを容易に検出できる。また、車体傾斜装置が作動する曲線路通過時ばかりでなく、直線路通過時においても、一方の車体傾斜装置が異常作動した場合は、これを検知することが可能である。

図１は車体に対する空気バネの配置状態を示す平面図、図２及び図３は空気バネの高さを検出する手段の一例を示す概略正面図、図４は空気バネの高さを検出する手段の他の例を示す概略正面図である。また、図５は空気バネの圧力を検出する手段の一例を示す概略正面図である。

まず、本発明の対象となる鉄道車両の車体傾斜装置は、車体１１の前後部に一対の台車１２，１３をそれぞれ配置し、各台車１２，１３の両側部分にそれぞれ設けた一対の空気バネ１４，１５，１６，１７によって車体を支持し、各空気バネの空気量を調整することによって車体１１を傾斜させるように形成されている。

このような空気バネ式の車体傾斜装置は、基本的に、図２に示す直線路通過時の状態では、各空気バネ１４，１５，１６，１７の高さは同一に保持され、曲線路通過時には、図３に示すように、曲線路外側の空気バネ１４，１６に給気して該空気バネ１４，１６を高くし、曲線路内側の空気バネ１５，１７から排気して該空気バネ１５，１７を低くすることにより、車体１１を曲線路内側に向けて傾斜させる。

なお、本発明においては、曲線路通過時に車体１１を傾斜させるための制御手段は特に限定されるものではなく、任意の構成のものを用いることができるので、その詳細な説明は省略する。

上述のような空気バネ式の車体傾斜装置において、空気バネの高さ、すなわち、車体１１と台車１２，１３との上下間隔を検出する手段として、図２及び図３に示すテコ式高さ検出器１８や、図４に示すレーザ式高さ検出器１９を各空気バネ１４，１５，１６，１７に対応してそれぞれ設置し、各検出器１８，１９の出力を空気バネの高さとして数値化し、簡単な演算処理を行うことによって両台車１２，１３の位置での車体１１の傾斜状態を把握し、その結果に基づいて車体傾斜装置の異常の有無を判定する。

具体的には、図１において、一方の台車１２の一側方に位置する空気バネ１４の高さ（Ｈ１）と、該一方の台車１２の他側方に位置する空気バネ１５の高さ（Ｈ２）と、他方の台車１３の一側方に位置する空気バネ１６の高さ（Ｈ３）と、該他方の台車１３の他側方に位置する空気バネ１７の高さ（Ｈ４）とを検出し、下記式（１）にて算出した値が、あらかじめ設定された閾値（Ｈｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定する。

｜（Ｈ１−Ｈ２）−（Ｈ３−Ｈ４）｜＞Ｈｓ・・・（１）

このとき、両台車１２，１３における車体傾斜装置が正常に作動すれば、曲線路外側に位置する空気バネ、例えば空気バネ１４，１６の高さ（Ｈ１，Ｈ３）は共に大きくなり、曲線路内側に位置する空気バネ１５，１７の高さ（Ｈ２，Ｈ４）は共に小さくなる。したがって、（Ｈ１−Ｈ２）の値と（Ｈ３−Ｈ４）の値とは略等しくなり、両者の差の絶対値は零に近い値となる。

一方の台車１２に設けられた車体傾斜装置に異常が発生し、この台車１２の車体傾斜装置が曲線路通過時に作動せず、車体１１に対して前後の台車１２，１３に逆傾斜が発生すると、例えば、一方の台車１２では一側方に位置する空気バネ１４の高さ（Ｈ１）の値が大きくなり、該一方の台車１２の他側方に位置する空気バネ１５の高さ（Ｈ２）の値が小さくなり、さらに、他方の台車１３の一側方に位置する空気バネ１６の高さ（Ｈ３）の値が小さくなり、該他方の台車１３の他側方に位置する空気バネ１７の高さ（Ｈ４）の値が大きくなると、（Ｈ１−Ｈ２）の値は正となり、（Ｈ３−Ｈ４）の値は負となる。したがって、前記式（１）の計算結果は大きな値となる。

一般的に、車体傾斜装置の異常を検知するための一つの手段として、空気バネ高さセンサーが用いられており、高さセンサーの出力が単純に閾値を超えたときに車体異常上昇と判断して車体傾斜を中止し、空気バネ排気等の異常回避動作を取るようにしている。しかし、一つの車体内において、前後の台車が逆方向に傾斜した場合、各高さセンサーの出力が前記閾値の範囲内であれば、異常と判定することができない。すなわち、単純に各空気バネ１４，１５，１６，１７の高さを前記閾値とそれぞれ比較しただけでは、前後の台車が逆方向に傾斜した異常状態を把握することは困難である。

一方、前述のように前記式（１）を用いて算出した値とあらかじめ設定した閾値（Ｈｓ）とを比較して異常の有無を判定する場合、車両が緩和曲線や軌道ネジレ区間を走行したときには、車体傾斜装置が正常であっても前後の台車が逆方向に傾斜したのと同じ状況となるので、このようなときには車体傾斜装置が異常であると判定しないように閾値（Ｈｓ）を設定する必要がある。

閾値（Ｈｓ）の設定には、車両のバネ系から推定される輪重抜けを考慮する必要がある。また、差圧弁の設定圧が閾値（Ｈｓ）の目安になる。すなわち、空気バネにより車体を支持する鉄道車両では、車体に作用するネジリモーメントによる輪重のアンバランスを、走行上十分に問題ないレベルに抑えるため、空気バネの左右内圧差が設定圧に達すると、左右の空気バネを連通する空気回路を開いて高圧側から低圧側に空気を流す差圧弁（リリーフ弁）が設けられている。この差圧弁の設定圧と空気バネ受圧面積と空気バネ左右間隔との積で決まるネジリモーメントが走行上、余裕を持った値となっている。このネジリモーメントを発生させる各空気バネの高さの差は計算で求められるため、その値に基づいて閾値（Ｈｓ）を設定することにより、走行上、余裕を持った範囲内で車体傾斜装置の異常を検知することができる。

一例として、１台車内の軸バネ定数が１２０ｋｇｆ／ｍｍ／軸箱（約１．２ｋＮ／ｍｍ／軸箱）、左右軸バネ間隔が２０００ｍｍ、左右空気バネ間隔が２６００ｍｍ、空気バネ有効受圧面積が１９６３ｍｍ^２の場合、空気バネ差圧弁設定値が１５０ｋｐａならば、進行方向前側台車と後側台車との合計変位差は、４１．４ｍｍと計算される。

ここで、閾値（Ｈｓ）を４０ｍｍと設定した場合、例えば円曲線では、正常時の車体傾斜装置により車体を最大量傾斜させたときの左右空気バネの上下変位差が３０ｍｍ（外側＋１５ｍｍ、内側−１５ｍｍ）であれば、曲線路通過時の正常時における前記式（１）の値は、
｜（（＋１５）−（−１５））−（（＋１５）−（−１５））｜＝０＜Ｈｓ
となる。

また、閾値（Ｈｓ）を４０ｍｍとした場合、緩和曲線では、例えば、前後台車中心間が１７５００ｍｍの車両が緩和曲線に入ったとき、緩和曲線長がカントの５００倍以上の長さであれば、車体の前後台車間ねじれは、例えば１７５００／５００＝３５＜閾値（Ｈｓ）となり、車体傾斜異常とは判定されない。

これは、例えば、前記空気バネ１４の高さ（Ｈ１）の値が＋１７．５ｍｍ、前記空気バネ１５の高さ（Ｈ２）の値が−１７．５ｍｍ、前記空気バネ１６、１７の高さ（Ｈ３，Ｈ４）の値がそれぞれ０ｍｍに相当し、前記式（１）の値は、
｜（（＋１７．５）−（−１７．５））−（（０）−（０））｜
＝｜＋３５−０｜＝３５＜Ｈｓ
として表される。

そして、一方の車体傾斜装置に異常が発生し、前記空気バネ１４の高さ（Ｈ１）の値が−１５ｍｍ、前記空気バネ１５の高さ（Ｈ２）の値が＋１５ｍｍ、前記空気バネ１６の高さ（Ｈ３）の値が＋１５ｍｍ、前記空気バネ１７の高さ（Ｈ４）の値が−１５ｍｍになったとすると、前記式（１）の値は、
｜（（−１５）−（＋１５））−（（＋１５）−（−１５））｜
＝｜−３０−３０｜＝６０＞Ｈｓ
となり、閾値（Ｈｓ）を超えているので車体傾斜装置に異常が発生したと判定することができる。

なお、前記式（１）は、下記式（３）のように書き換えることができ、車体に対して一方の対角位置の一組の空気バネの高さの和と、他方の対角位置の一組の空気バネの高さの和とを比較し、両者の差の絶対値が前記閾値（Ｈｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定すると言い換えることができる。

｜（Ｈ１＋Ｈ４）−（Ｈ２＋Ｈ３）｜＞Ｈｓ・・・（３）

さらに、下記式（４）のように書き換えることもでき、車体に対して左右一側方の一組の空気バネの高さの差と、他側方の一組の空気バネの高さの差とを比較し、両者の差の絶対値が前記閾値（Ｈｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定するとも言い換えることができる。

｜（Ｈ１−Ｈ３）−（Ｈ２−Ｈ４）｜＞Ｈｓ・・・（４）

また、図５に示すように、空気バネの内部圧力を検出する圧力センサ２０を各空気バネ１４，１５，１６，１７にそれぞれ設け、空気バネの高さで異常を検出するのに代えて、空気バネの圧力変動に基づいて台車１２，１３の逆傾斜を検出することもできる。

すなわち、各空気バネ１４，１５，１６，１７の圧力（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）を各圧力センサ２０でそれぞれ検出し、検出した各圧力（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）を下記式（２）に当てはめて算出した値が、あらかじめ設定された閾値（Ｐｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定することができる。

｜（Ｐ１−Ｐ２）−（Ｐ３−Ｐ４）｜＞Ｐｓ・・・（２）

前述のように、両台車における車体傾斜装置が正常に作動すれば、例えば、曲線路外側の空気バネ１４，１６の圧力（Ｐ１，Ｐ３）は共に大きくなり、曲線路内側の空気バネ１５，１７の圧力（Ｐ２，Ｐ４）は共に小さくなる。したがって、（Ｐ１−Ｐ２）の値と（Ｐ３−Ｐ４）の値とは略等しくなり、両者の差の絶対値は零に近い値となる。また、曲線路で停止したときも、前後の台車１２，１３は車体に対して同じように変位するので、前記式（２）の計算結果は零に近い値となる。

車体傾斜装置の異常によって車体１１に対して前後の台車１２，１３に逆傾斜が発生した状態では、例えば、一方の台車１２の一側方に位置する空気バネ１４の圧力（Ｐ１）の値が大きくなり、該一方の台車１２の他側方に位置する空気バネ１５の圧力（Ｐ２）の値が小さくなり、さらに、他方の台車１３の一側方に位置する空気バネ１６の圧力（Ｐ３）の値が小さくなり、該他方の台車１３の他側方に位置する空気バネ１７の圧力（Ｐ４）の値が大きくなった状態となっている。したがって、前記式（２）における（Ｐ１−Ｐ２）の値は正となり、（Ｐ３−Ｐ４）の値は負となるので、前記式（２）の計算結果は大きな値となる。

この圧力の閾値（Ｐｓ）は、式（２）から理解できるように、一つの台車における左右の空気バネ間の差圧をそれぞれ求め、さらに前後の台車の各差圧の差を求めてその絶対値と比較するものであるから、閾値（Ｐｓ）も、空気バネの内部圧力を示す値ではなく、差圧を示す値となる。したがって、前述の差圧弁の設定圧力を基準にして閾値（Ｐｓ）を設定することができる。差圧弁の設定圧力は、従来から基本的に１５０ｋＰａとなっているので、閾値（Ｐｓ）は最大で１５０ｋＰａに設定することが好ましい。

例えば、差圧弁の設定圧力及び閾値（Ｐｓ）を共に１５０ｋＰａに設定したときには、車体傾斜装置の異常で車体１１に対して一方の台車のみが大きく傾斜した状態になったときに、差圧弁が作動してこの台車の左右の空気バネの圧力を１５０ｋＰａ以下の圧力差にしようとするのと同時に車体傾斜装置の異常を検出できる。また、１５０ｋＰａ以下の適当な圧力値を閾値（Ｐｓ）に設定しておくことにより、差圧弁が作動する前に車体傾斜装置の異常を検出できる。但し、閾値（Ｐｓ）は、車両が緩和曲線や軌道ネジレ区間を走行したときの揺れなどによって誤った判定を行わないような値に設定しておく必要がある。

一方の車体傾斜装置の異常によって前後の台車１２，１３が逆傾斜したときに、前記空気バネ１４の圧力（Ｐ１）の値が−４０ｋＰａ、前記空気バネ１５の圧力（Ｐ２）の値が＋４０ｋＰａ、前記空気バネ１６の圧力（Ｐ３）の値が＋４０ｋＰａ、前記空気バネ１７の圧力（Ｈ４）の値が−４０ｋＰａになったとすると、前記式（２）の値は、
｜（（−４０）−（＋４０））−（（＋４０）−（−４０））｜
＝｜−８０−８０｜＝１６０＞Ｐｓ
となり、計算結果が閾値（Ｐｓ）を超えているので、車体傾斜装置に異常が発生したことを検知することができる。このとき、左右の空気バネの差圧は８０ｋＰａであるから、差圧弁は作動しない。

この圧力に基づいた式（２）においても、下記式（５）のように書き換えることができ、車体に対して一方の対角位置の一組の空気バネの圧力の和と、他方の対角位置の一組の空気バネの圧力の和とを比較し、両者の差の絶対値が前記閾値（Ｐｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定すると言い換えることができる。

｜（Ｐ１＋Ｐ４）−（Ｐ２＋Ｐ３）｜＞Ｐｓ・・・（５）

さらに、下記式（６）のように書き換えることもでき、車体に対して一側方の一組の空気バネの圧力の差と、他側方の一組の空気バネの圧力の差とを比較し、両者の差の絶対値が前記閾値（Ｐｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定すると言い換えることができる。

｜（Ｐ１−Ｐ３）−（Ｐ２−Ｐ４）｜＞Ｐｓ・・・（６）

なお、前述の空気バネの高さに基づいた異常検出と、空気バネの内部圧力に基づいた異常検出とを組み合わせて採用してもよく、両者を組み合わせることによって、より確実に車体傾斜装置の異常を検出することができる。また、異常検出時の対応としては、運転士に異常発生を通報したり、自動的に差圧弁を開いたり、自動的に減速したりするなどの適宜な対応策を採用することができる。

車体に対する空気バネの配置状態を示す平面図である。 空気バネの高さを検出する手段の一例を示す概略正面図である。 空気バネの高さを検出する手段の一例を示す概略正面図である。 空気バネの高さを検出する手段の他の例を示す概略正面図である。 空気バネの圧力を検出する手段の一例を示す概略正面図である。

符号の説明

１１…車体、１２，１３…台車、１４，１５，１６，１７…空気バネ、１８…テコ式高さ検出器、１９…レーザ式高さ検出器、２０…圧力センサ

Claims (1)

1. 鉄道車両の車体前後部に一対の台車をそれぞれ配置し、各台車の両側部分にそれぞれ設けた一対の空気バネによって車体を支持し、各空気バネの空気量を調整することによって走行中の車体を傾斜させる車体傾斜装置の異常検出方法であって、一方の台車の一側方の空気バネの高さ（Ｈ１）と、該一方の台車の他側方の空気バネの高さ（Ｈ２）と、他方の台車の一側方の空気バネの高さ（Ｈ３）と、該他方の台車の他側方の空気バネの高さ（Ｈ４）とを検出し、下記式（１）にて算出した値が、あらかじめ設定された閾値（Ｈｓ）を超えたときに車体傾斜装置の異常と判定することを特徴とする車体傾斜装置の異常検出方法。
   ｜（Ｈ１−Ｈ２）−（Ｈ３−Ｈ４）｜＞Ｈｓ・・・（１）

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