JP5182239B2 - 鉄道車両の車体傾斜制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体式ばね、例えば空気ばねを利用して、運転走行中の特に曲線区間通過時に、車体の傾斜制御を行う装置に関するものである。

鉄道車両は、曲線区間の通過時、超過遠心力によって乗心地が悪くなる場合がある。特に曲線区間の通過速度が高速の場合、超過遠心力が増大してさらなる乗心地の悪化を招く。そこで、曲線区間の通過時、車体を内軌側に傾斜させることにより超過遠心力を抑制して乗心地の悪化を防ぐ車体の傾斜制御が実施されている。

この車体の傾斜制御として、車体を支持する左右の空気ばねに空気を給排気してこれを伸縮させることにより傾斜させる方法がある。このときの給排気の制御は、空気流れの開放と遮断のみが可能な電磁弁を使用して行われることが多い。なお、ここで電磁弁とは、一定の弁口径を有し、電磁石で弁を開閉することにより空気流れの開放や遮断を行うものを指すものとする。

しかしながら、電磁弁により制御できる流量は０か最大値であり、その中間段階の流量を任意に得ることはできない。従って、電磁弁を使用した流量制御の場合は段階的な流量制御になり、連続的な流量制御を行うことができない。

そこで、特許文献１に、異なる弁口径の電磁弁を複数組み合わせる技術が開示されている。しかしながら、装置重量や大きさの制約から、組み合わせる電磁弁の数には限界があり、任意の流量を実現できるほどの数の電磁弁を組み合わせることは難しい。また、電磁弁の数が多くなると故障率があがり、メンテナンスも煩雑になる。

給排気流量を連続的に制御する弁として、流量比例弁がある。この流量比例弁のうち、スプールの停止位置により給排する流量の調整を行うスプール型流量比例弁は、任意の流量の給気と排気を１台の弁で実現できるので、装置の小型化と、部品点数の減少による省メンテナンス化が図れる。

しかしながら、スプール型流量比例弁は、スプールを摺動させてその停止位置を変えることで給排気量を変更するので、摺動部からの微少なエア漏れを避けることができず、単独で鉄道車両用車体傾斜制御装置の制御弁として使用するには不向きである。

特公昭４８−２０５号公報

解決しようとする問題点は、空気ばねへの空気の給排気を複数の電磁弁を用いて行う場合、装置重量や大きさの制約から組み合わせる電磁弁の数に限界があり、任意の流量を実現できるほどの数の電磁弁を組み合わせることは難しいという点である。また、スプール型流量比例弁は、常に摺動部から微少なエア漏れが発生することを避けられないので、単独で鉄道車両用車体傾斜制御装置の制御弁として使用するには不向きであるという点である。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置は、
スプール型流量比例弁を、鉄道車両の車体傾斜制御に使用可能にするために、
車体と台車間の左右それぞれに配置した気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う装置であって、
前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
車体傾斜制御時、前記気体式ばねへの給気と前記気体式ばねからの排気を制御するスプール型流量比例弁と、
このスプール型流量比例弁と元圧だめを接続する配管に設けられ、前記スプール型流量比例弁への給気を開閉制御する電磁弁と、
前記スプール型流量比例弁と排気ポートを接続する配管に設けられ、前記スプール型流量比例弁からの排気を開閉制御する電磁弁と、
曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出して、前記の各弁を制御する制御器と、
を備えたことを最も主要な特徴としている。

本発明において、車体と台車間の左右とは、車両進行方向に対して同一水平面内における直角方向の左右を言う。

本発明によれば、給排気流量を連続的に制御することができるスプール型流量比例弁の、スプールからの空気漏れを防いで、スプール型流量比例弁を鉄道車両の車体傾斜制御に使用することができる。

従って、装置の小型化、部品点数の低下による信頼性の向上、省メンテナンス化、制御性能の向上が図れる。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の要部構成を示した図で、（ａ）は第１の例を示した図、（ｂ）は第２の例を示した図である。 本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の一例を示す概略全体構成図である。 本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置を用いた車体傾斜制御方法の一例を示すフロー図である。

本発明では、鉄道車両用車体傾斜制御装置の制御弁としてスプール型流量比例弁を使用可能とするという目的を、スプール型流量比例弁の給排気用配管に、それぞれの配管を開閉制御する電磁弁を設置することによって実現した。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に本発明を実施するための最良の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の要部構成を示した図、図２は本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置の一例を示す概略全体構成図である。

鉄道車両の車体傾斜制御を実施する際に、より良い乗心地を得るためには、気体式ばねへの給排気流量を段階的に制御するのではなく、連続的に制御することが必要である。それには、配管を開閉するだけの電磁弁に換えて、スプール型の流量比例弁を採用すれば良い。

しかしながら、スプール型の流量比例弁を採用した場合、スプールの摺動部からエアが漏れる。このエア漏れは、鉄道車両にとっては大きな問題である。

そこで、発明者らは、スプールの摺動部からのエア漏れを防止するために、スプール型流量比例弁の給気用配管と排気用配管に締切り用の電磁弁を配置することを考えた。

元圧だめと気体式ばねからのエア漏れを防ぐという観点から、締切り用の電磁弁１１，１２の最も理想的な配置位置は、図１（ａ）に示すように、元圧だめとスプール型流量比例弁１３の間、及びスプール型流量比例弁１３と気体式ばねの間である。

このうち、元圧だめとスプール型流量比例弁１３を接続する配管は、給気方向にのみ気体が流れるため、一方向型の電磁弁を使用すればよい。一方、スプール型流量比例弁１３と気体式ばねを接続する配管は、給気と排気のどちらの方向にも気体が流れるため、双方向型の電磁弁１２を使用する必要がある。

ところが、車体傾斜に使用する大流量の電磁弁は、双方向型とすることが難しいので、図１（ａ）に示した位置に締切り用の電磁弁１１，１２を配置する場合は、スプール型流量比例弁１３と気体式ばねの間に配置する電磁弁１２の大型化は避けられない。

そこで、スプール型流量比例弁１３と気体式ばねの間に代えて、図１（ｂ）に示すように、スプール型流量比例弁１３と排気ポートの間に締切り用の電磁弁１４を設置すれば、排気の方向にしか気体が流れないので、一方向型の電磁弁を使用できる。
なお、図１中の１５は配管途中に設けたフィルタである。

本発明の鉄道車両の車体傾斜制御装置は、発明者の上記考え方に基づいてなされたものであり、例えば図２に示したような構成である。
図２において、１は車体、２は台車であり、これら車体１と台車２間の左右それぞれに空気ばね３が設けられ、これらの空気ばね３を用いて車体１の傾斜制御が行われる。

４は前記それぞれの空気ばね３に供給する空気を溜める元圧だめであり、この元圧だめ４と前記空気ばね３を接続する一方の配管５の途中に、高さ調整弁６が設置されている。

この高さ調整弁６は、回転レバーの角度によって空気ばね３に給排気を行い、空気ばね３の高さを中立位置に保つ機構を備えている。この高さ調整弁６は車体傾斜を妨げる働きをするため、車体傾斜制御中は高さ調整弁６と直列に設けた切換え弁７を閉じることで高さ調整弁６を無効にする。

本発明では、前記元圧だめ４と前記空気ばね３を接続する他方の配管８の途中に、スプール型流量比例弁１３を設け、このスプール型流量比例弁１３と前記元圧だめ４との間、及び排気ポート９の間に締切り用の電磁弁１１，１４を設置している。なお、電磁弁１１，１４は、フェールセーフの観点からノーマルクローズタイプの仕様のものを採用することが望ましい。

そして、演算装置と記憶装置を有する制御器１０では、例えばジャイロセンサ及び加速度センサ等から得られる信号やデータデポ地上子を介して得られる曲線情報と空気ばね３の変位情報から空気ばね３を目標高さに制御するための制御信号を算出し、各弁７，１１，１３，１４を制御する。

上記構成の本発明の車体傾斜制御装置を用いた車体傾斜の方法は従来通りでよいが、電磁弁と異なり連続流量を扱えるので、傾斜制御のロジックは線形制御理論などの既存理論をそのまま適用でき、制御性能の向上を見込むことができる。

以下、本発明の車体傾斜制御装置を用いた典型的な車体傾斜制御方法を、図３を用いて説明する。

先ず、高さセンサにより、現在の空気ばね３の高さｈを取得する。次に、車両の走行位置を取得する。車両の走行位置の取得方法としては、速度の積算と地上側のデータデポを利用する方法などがある。

制御器１０は、前記取得した車両の走行位置と曲線の位置データを照合して、曲線走行中であるかどうかを判定し、傾斜対象曲線を走行中であれば、速度と曲線諸元から目標傾斜角度を計算する。次に、目標傾斜角度から目標とする空気ばね３の高さＨを計算する。

目標とする空気ばね３の高さＨと実際の空気ばね３の高さｈから、空気ばね３の高さを目標値に近づけるために必要な制御信号Sigを計算する。例えば、PID制御であれば下記数式１により、Ｈ∞制御であれば下記数式２によって前記制御信号Sigを計算する。

従来の電磁弁を用いた車体傾斜制御の場合、前記数式１又は２で得られた制御信号Sigを適当な閾値で区切って整数値に変換し、開操作する電磁弁の数を決定する。

これに対して、本発明の車体傾斜制御装置では、連続的に流量を扱えるので、前記数式１又は２で得られた制御信号Sigをそのまま流量比例弁に出力することができる。これにより、得られた制御信号Sigが閾値以下の小さな変化の場合、従来の電磁弁を用いた車体傾斜制御では対応できないが、本発明の車体傾斜制御装置では対応することができるので、制御精度が向上する。

また、PIDフィードバックゲインや制御器パラメータを設計する際に、車両の動特性を同定する必要があるが、流量比例弁を用いると、電磁弁では不可能なサインスイープを実施することができ、対象車両の周波数領域での特性を得ることができる。このため、たとえば共振周波数やピークの大きさなどの情報を得ることができ、より良い性能の制御パラメータを設計することができる。

本発明は上記の例に限らず、本発明の各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

以上の本発明は、気体式ばねの高さを制御させることで、車体を傾斜させるものであれば、ボルスタレス台車に限らずボルスタ台車にも適用できる。

１ 車体
２ 台車
３ 空気ばね
４ 元圧だめ
５ 一方の配管
６ 高さ調整弁
７ 切換え弁
８ 他方の配管
９ 排気ポート
１０ 制御器
１１、１２、１４ 電磁弁
１３ スプール型流量比例弁

Claims (1)

1. 車体と台車間の左右それぞれに配置した気体式ばねを用いて鉄道車両の車体傾斜制御を行う装置であって、
   前記それぞれの気体式ばねと、これら気体式ばねに供給する気体を溜める元圧だめとを接続する配管の途中に、
   非傾斜制御時、気体式ばねの高さを中立位置に保つ高さ調整弁と、
   この高さ調整弁と直列に設けられ、車体傾斜制御時に閉じて高さ調整弁を無効にする切換え弁と、
   車体傾斜制御時、前記気体式ばねへの給気と前記気体式ばねからの排気を制御するスプール型流量比例弁と、
   このスプール型流量比例弁と元圧だめを接続する配管に設けられ、前記スプール型流量比例弁への給気を開閉制御する電磁弁と、
   前記スプール型流量比例弁と排気ポートを接続する配管に設けられ、前記スプール型流量比例弁からの排気を開閉制御する電磁弁と、
   曲線情報および前記気体式ばねの変位情報から気体式ばねを目標高さに制御するための制御信号を算出して、前記の各弁を制御する制御器と、
   を備えたことを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御装置。

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