JP6344484B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両の幅方向左右（以下、単に左右という。）に空気ばねを配置した台車を車両の進行方向前後に有する鉄道車両に関するものである。特に、緩和曲線区間における輪重変動を抑制することが可能な鉄道車両に関するものである。

図７に示すように、左右に空気ばね１ａ，１ｂを配置した台車を有する鉄道車両は、リンクとレベリングバルブを組合せた自動高さ調整装置（以下、ＬＶという。）３を左右に備えている。そして、このＬＶ３によって鉄道車両に作用するその時々の荷重に対応して空気ばね１ａ，１ｂの内部に供給する圧縮空気量を自動的に調整し、車体４の高さを一定に保っている。以下、鉄道車両の進行方向前方に位置する台車を前台車２ａ、鉄道車両の進行方向後方に位置する台車を後台車２ｂという。

また、前記鉄道車両には、左右の空気ばね１ａ，１ｂの内圧差が大きくなった時に、左右の空気ばね１ａ，１ｂの内圧を均等に保つため、左右の空気ばね１ａ，１ｂを繋ぐ空気管６に左右差圧調整弁５が設けられている。

なお、図７中の７は各台車２ａ，２ｂの左右の空気ばね１ａ，１ｂに供給する圧縮空気を溜める元空気溜であり、ＬＶ３を介して空気ばね１ａ，１ｂに繋がっている。

ところで、曲線区間を通過中に鉄道車両に加わる遠心力を打ち消すために、曲線区間の軌道はカントと呼ばれる傾斜をつけて敷設されている。そして、カントをつけた曲線区間とカントをつけない平坦な直線区間の間には、緩和曲線区間と呼ばれる軌道のねじれ区間が存在する。

この緩和曲線区間を通過中の鉄道車両は、軌道のねじれを鉄道車両の一次ばね（軸ばね）と二次ばね（空気ばね）で吸収する。しかしながら、その反力として、緩和曲線区間を通過中の鉄道車両の外軌側の車輪と内軌側の車輪の輪重に差が生じる。

この輪重差の割合、すなわち、外軌側の車輪と内軌側の車輪の平均輪重（（外軌側の車輪の輪重＋内軌側の車輪の輪重）／２）に対して外軌側の車輪又は内軌側の車輪の輪重がどれだか変動しているのかを輪重変動率という。例えば、外軌側の車輪の輪重変動率は、｛（平均輪重−外軌側の車輪の輪重）／平均輪重｝×１００％で表される。

ところで、例えば曲線出口側の緩和曲線区間では、鉄道車両の進行方向先頭の輪軸における外軌側車輪の輪重が減少する一方、曲線区間通過における転向横圧も大きいため、脱線しやすい状態になる。従って、緩和曲線区間の通過時における輪重変動を抑制することは、安全上極めて重要である。

しかしながら、カント逓減区間である、例えば曲線出口側の緩和曲線区間で鉄道車両が停車した場合は、ＬＶは空気ばねの高さを一定に保持するように機能する。

この時、車体４の進行方向前部には、カントの小さい位置の前台車２ａ（図８参照）の影響を受けて反時計回り方向のモーメントが生じる（図９参照）。また、車体４の進行方向後部には、カントの大きい位置の後台車２ｂの影響を受けて時計回り方向のモーメントが生じる（図１０参照）。

このように、前台車と後台車は車体を逆方向に回転させようとする。しかしながら、車体のねじり剛性が大きいため、前台車と後台車で発生するモーメントの釣り合う位置で車体は停止する。

この状態では、前台車と後台車の空気ばねの高さは、何れも制御目標値から外れているため、ＬＶによる空気ばねへの給排気が続いている。それによって車体の対角線上にある空気ばねの内圧に差が生じ、各車輪が負担する荷重が不均一となる。

その結果、前台車の内軌側と後台車の外軌側の空気ばねの内圧は高く、前台車の外軌側と後台車の内軌側の空気ばねの内圧は低くなって輪重変動が発生する。そして、この輪重変動によって、内圧の低い空気ばね側にある車輪には輪重抜け現象が起こる。

そこで、特許文献１に開示された鉄道車両では、左右の空気ばね１ａ，１ｂの内圧差が設定差圧ΔＰ1 を超えたときに開く左右差圧調整弁５を設けている。さらに、前台車２ａと後台車２ｂの同じ側の空気ばね１ａと１ａ及び１ｂと１ｂを空気管８で繋ぎ、この空気管８に前記同じ側の空気ばね１ａと１ａ及び１ｂと１ｂの内圧差が設定差圧ΔＰ2 を超えたときに開く前後差圧調整弁９を設けている（図１１，１２参照）。

特許文献１で開示された鉄道車両では、例えば曲線出口側の緩和曲線区間に停車したとき、車体の前部と後部に逆方向のモーメントが働く。そして、前台車の内軌側と後台車の外軌側の空気ばねの内圧が前台車の外軌側と後台車の内軌側の空気ばねの内圧よりも高い場合に、左右の前後差圧調整弁がともに開いて前後の空気ばねが連通する。その結果、左右側とも前後の空気ばねの内圧差が解消し、前台車と後台車の各空気ばねの内圧が均等になって輪重の変動が防止される。

つまり、特許文献１で開示された鉄道車両では、前後の空気ばねの内圧の差が前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を超えた場合のみ、前台車と後台車の各空気ばねの内圧が均等になって輪重の変動が防止される。

特許文献１では、前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を左右差圧調整弁の設定差圧ΔＰ1よりも小さくすることにより、輪重変動を従来よりも小さく抑えることができると記載されている。

しかしながら、前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を小さくすると、以下の(1)〜(3)に対する抵抗がなくなる。
(1) 車体の前後方向のアンバランス（以下、単に前後アンバランスという。）
(2) 加減速時や高低差のある軌道走行時に発生する車体のピッチング動揺（以下、単に車体ピッチング動揺という。）
(3) 軌道の高さ方向の外乱に起因する車体ピッチング振動（以下、単に車体ピッチング振動という。）
なお、本明細書において、振動とは、０．６Ｈｚ以上の高周波振動をいう。また、動揺とは、０．６Ｈｚ未満の低周波振動を言う。

特開平３−１７８８６２号公報

本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１で開示された鉄道車両では、前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を左右差圧調整弁の設定差圧ΔＰ1よりも小さくした場合、前後アンバランス、車体ピッチング動揺、車体ピッチング振動、に対する抵抗がなくなるという点である。

本発明は、前後アンバランス、車体ピッチング動揺、車体ピッチング振動に対する抵抗を考慮した状態で、鉄道車両が緩和曲線区間のようなカント逓減区間で、例えば停車した場合に発生する輪重変動を抑制することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成を特徴としている（図１、図２参照）。
左右に空気ばね１ａ，１ｂを配置した前台車２ａと後台車２ｂの、前記空気ばね１ａ，１ｂの高さに追従するＬＶ３を配置した鉄道車両において、
左右差圧調整弁５を設けた空気管６で前台車２ａと後台車２ｂの左右の空気ばね１ａ，１ｂを繋ぐ。それに加えて、以下の構成Ａ〜Ｃを採用する。また、必要に応じて構成Ｄ，Ｅを付加する。

Ａ）前台車２ａと後台車２ｂの左右のどちらか一方の側の空気ばね１ａと１ａ又は１ｂと１ｂを、途中に前後差圧調整弁９を設けた空気管８で繋ぐ。或いは、前台車２ａと後台車２ｂの左右両側の空気ばね１ａと１ａ及び１ｂと１ｂを、途中に前後差圧調整弁９を設けた空気管８で繋ぐ。この場合、全ての空気ばね１ａ，１ａ，１ｂ，１ｂにＬＶ３を配置したものに限らず、図２に示すように、３つの空気ばね１ａ，１ｂ，１ｂにのみＬＶ３を配置したものでも良い。このような構成を採用することで、前後アンバランス、車体ピッチング動揺、車体ピッチング振動に対する抵抗となる前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を下げることが可能になる。この前後差圧調整弁は、本発明では、特に車体ピッチング動揺を抑制するために設けるものである。
上記構成Ａに加えて、以下の構成Ｂ〜Ｅを採用することで、従来技術よりも輪重の変動を抑制することができる。

Ｂ）前後差圧調整弁９と並列にチョーク弁１０を配置する。
駅や信号などによって曲線出口側の緩和曲線区間で極低速での走行する場合や停車した場合、ＬＶの作用により、前台車の外軌側及び後台車の内軌側の空気ばねは排気されて内圧が減少する。一方、前台車の内軌側及び後台車の外軌側の空気ばねは給気されて内圧が増加する。これらにより、対角位置にある空気ばねの差圧（以下、対角差圧という。）が大きくなる。なお、本明細書でいうチョーク弁とは、チョーク流れを発生させるために流路の断面積を変化させた構造を有するものをいう。

しかしながら、この対角差圧が前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 未満の場合、対角差圧は解消されない。
そこで、この現象を防ぐため、前後差圧調整弁と並列にチョーク弁を設け、緩和曲線区間で極低速で走行する場合や停車した場合に、空気管を設けた側の差圧を解消する。

チョーク弁の特性としては、前後アンバランスと車体ピッチング動揺には影響を及ぼさず、車体ピッチング振動に対してのみ影響を及ぼすものを使用する。併せて、極低速で走行する場合や停車した場合のＬＶの作用による給排気量よりも大きい流量を前台車の空気ばねと後台車の空気ばね間で流す特性のものを使用する。この２つの特性を有するものとしては、オリフィスがある。
なお、チョーク弁がＬＶの作用による給排気量よりも小さい流量を流すものであっても、曲線通過後の対角差圧を解消する効果を有する。

Ｃ）前後アンバランス用差圧調整弁１１を前後差圧調整弁９と直列に配置する。
運転台付きの鉄道車両やトイレ付きの鉄道車両等の場合、車両の前後でアンバランスが発生する。この前後アンバランスを前後アンバランス用差圧調整弁によって対応させることで、前後差圧調整弁は車体ピッチング動揺と車体ピッチング振動にのみ対応すればよいことになって、前後差圧調整弁の設定差圧ΔＰ2 を小さくして対角差圧を減少することができる。
なお、有効径の異なる空気ばねを前後に配置することでも、前後アンバランスを解消することは可能である。

Ｄ）チョーク弁１０に近い位置の空気ばねを作動するＬＶ３を除去する。
駅や信号などによって曲線出口側の緩和曲線区間で極低速で走行する場合や停車した場合、ＬＶの作用により対角差圧が大きくなって輪重抜けが発生する。従って、構成Ｄを採用することで、ＬＶを除去した空気ばねからの排気がなくなって対角差圧を更に抑制することができる（佐藤国仁、空気ばね車両の輪重抜け 第２報 車両各要素に関する性的理論解析、「東急車両技報」、昭和５３年３月、第３２号、第１７〜２１頁。）

Ｅ）乗車率に合わせて応荷重差圧弁を採用する。
空気ばねの内圧は、乗客の乗車率によって変化するので、乗客の乗車率に応じて対角差圧の値を変更する必要がある。従って、構成Ｅを採用することが望ましい。なお、応荷重差圧弁とは、例えば特公昭５７−５９１０６号公報の第１０図に示された原理を有する差圧弁である。

上記各構成Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが有する輪重変動抑制効果及び副次的な作用と、これら構成を採用する本願発明の鉄道車両の輪重変動抑制効果及び副次的な作用を下記表１に示す。下記表１には空気ばね系を有する鉄道車両と、前後の空気ばねを空気管で繋いだだけの図７に示した場合についても示した。なお、下記表１に記載した構成Ａは前台車と後台車の左右のどちらか一方の側の空気ばねを、途中に前後差圧調整弁を設けた空気管で繋いだ場合である。

下記表１における◎、○、△、−、×は図７に示した通常の空気ばね系の台車を有する鉄道車両と比較した場合のもので、◎はとても向上する場合、〇は向上する場合、△はやや向上する場合、−は変化がない場合、×は悪化する場合を示す。

表１に示すように、本発明では、前後アンバランス、車体ピッチング動揺、車体ピッチング振動に対する抵抗を考慮した状態で、鉄道車両が緩和曲線区間のようなカント逓減区間で停車した場合などに発生する輪重変動を抑制することができる。
但し、前台車と後台車の左右両側の空気ばねを、途中に前後差圧調整弁を設けた空気管で繋いだ構成Ａの場合でも、構成Ｂ〜Ｅを採用することで、従来技術よりも輪重の変動を抑制することができる。

本発明では、前後アンバランス、車体ピッチング動揺、車体ピッチング振動に対する抵抗を考慮した状態で、鉄道車両がカント逓減区間で停車した場合などに発生する輪重変動を抑制できるので、カント逓減区間における安全性が向上する。

第１の本発明の鉄道車両における空気ばね系の概略構成図である。 第２の本発明の鉄道車両における空気ばね系の概略構成図である。 図１に示した第１の本発明の輪重変動の低減効果を、対角差圧値として、図７に示した従来例と比較した図である。 図１に示した第１の本発明の輪重変動の低減効果を、輪重変動率として、図７に示した従来例と比較した図である。 図１に示した第１の本発明の車体ピッチング動揺の影響を、図７に示した従来例と比較した図である。 図１に示した第１の本発明の車体ピッチング振動の影響を、図７に示した従来例と比較した図である。 鉄道車両の通常の空気ばね系の概略構成図である。 曲線出口側の緩和曲線での通常の空気ばね系を有する鉄道車両の空気ばねの挙動を説明する図である。 曲線出口側の緩和曲線での通常の空気ばね系を有する鉄道車両の車体前部に作用するモーメントを説明する図である。 曲線出口側の緩和曲線での通常の空気ばね系を有する鉄道車両の車体後部に作用するモーメントを説明する図である。 特許文献１で開示された鉄道車両の空気ばね系の概略構成図である。 図１１における圧縮空気の空気管の通路を説明する図である。

本発明は、例えば鉄道車両が曲線出口側の緩和曲線区間のようなカント逓減区間で停車した場合に発生する輪重変動を抑制という目的を、少なくとも前記構成Ａに加えて、構成Ｂ又はＣを採用することで実現した。

以下、数値積分を用いた時刻歴シミュレーションにより、本発明の鉄道車両の輪重変動抑制効果を確認した結果について説明する。

シミュレーションに使用した車両モデルは、図７に示した通常の空気ばね系と、図１に示した本発明の空気ばね系を有する長さが２０mの通勤車とし、軌道は曲線半径が４００m、カントは１０５mm、カント逓減倍率は４００倍とした。

ａ）輪重変動抑制効果（図３及び図４参照）
走行条件は、曲線区間通過時の出口緩和曲線で１２０秒停車した場合を想定したシミュレーションを行った。
その結果、図７に示した通常の空気ばね系の鉄道車両では、ＬＶの作用により１８．７kPaの対角差圧が発生して輪重抜けが発生した。これに対し、図１に示した本発明の空気ばね系の鉄道車両では、対角差圧が１２．４kPaに低減した（図３）。
また、輪重の最大変動率は、図７に示した通常の空気ばね系の鉄道車両では４８．５％であった。これに対し、図１に示した本発明の空気ばね系の鉄道車両では４２．５％と６．０％減少しており、輪重抜けの発生を防止できた（図４）。

ｂ）車体ピッチング動揺の影響（図５参照）
加減速の影響を検討するため、時速１１０km／hから非常制動（減速度１．３１m／s2）がかかった場合を想定したシミュレーションを行った。
その結果、輪重の最大値は、図７に示した通常の空気ばね系の鉄道車両では３４．４kNであった。これに対し、図１に示した本発明の空気ばね系の鉄道車両では３４．６kNと差異はなく、車体ピッチング動揺が抑えられている。

ｃ）車体ピッチング振動の影響（図６参照）
軌道から上下方向の外乱（ORE C 116 Committee, Ques. C 116 Rep.,No.1(1971),15,OREで示された外乱）が入力された場合を想定したシミュレーションを行った。
その結果、輪重の変動は、図７に示した通常の空気ばね系の鉄道車両は１６．９kNであった。これに対して、図１に示した本発明の空気ばね系の鉄道車両は１８．８kNと差異はなく、車体ピッチング振動が抑えられている。

１ａ，１ｂ 空気ばね
２ａ 前台車
２ｂ 後台車
３ ＬＶ
４ 車体
５ 左右差圧調整弁
６ 空気管
７ 元空気溜
８ 空気管
９ 前後差圧調整弁
１０ チョーク弁
１１ 前後アンバランス用差圧調整弁

Claims (7)

1. 車両の幅方向左右に空気ばねを配置した台車を車両の進行方向前後に有し、前記空気ばねの高さに追従する高さ調整装置を配置した鉄道車両において、
   左右差圧調整弁を設けた空気管で前記各台車の幅方向左右の空気ばねを繋ぐとともに、前後差圧調整弁を設けた空気管で前記進行方向前後の台車の前記幅方向左右のどちらか一方の空気ばねを繋ぎ、
   かつ、前記前後差圧調整弁と並列にチョーク弁を、及び／または、前記前後差圧調整弁と直列に前後アンバランス用差圧調整弁を配置したことを特徴とする鉄道車両。
2. 車両の幅方向左右に空気ばねを配置した台車を車両の進行方向前後に有し、前記空気ばねの高さに追従する高さ調整装置を配置した鉄道車両において、
   左右差圧調整弁を設けた空気管で前記各台車の幅方向左右の空気ばねを繋ぐとともに、前後差圧調整弁を設けた空気管で前記進行方向前後の台車の前記幅方向左右の空気ばねを繋ぎ、
   かつ、前記前後差圧調整弁と並列にチョーク弁を、及び／または、前記前後差圧調整弁と直列に前後アンバランス用差圧調整弁を配置したことを特徴とする鉄道車両。
3. 車両の幅方向左右に空気ばねを配置した台車を車両の進行方向前後に有し、前記空気ばねのうちの３つの空気ばねに、当該空気ばねの高さに追従する高さ調整装置を配置した鉄道車両であって、
   左右差圧調整弁を設けた空気管で前記各台車の幅方向左右の空気ばねを繋ぐとともに、前後差圧調整弁を設けた空気管で前記進行方向前後の台車の前記幅方向左右の空気ばねのうちの高さ調整装置を備えない方を繋ぎ、
   かつ、前記前後差圧調整弁と並列にチョーク弁を、及び／または、前記前後差圧調整弁と直列に前後アンバランス用差圧調整弁を配置したことを特徴とする鉄道車両。
4. 前記前後差圧調整弁の設定差圧は、前記左右差圧調整弁の設定差圧よりも小さく設定したもの、或いは、前記前後差圧調整弁は応荷重差圧弁であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両。
5. 前記前後アンバランス用差圧調整弁の設定差圧は、車体の前後方向のアンバランス分を考慮した値、或いは、前記前後アンバランス用差圧調整弁は応荷重差圧弁であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両。
6. 前記チョーク弁はオリフィスであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の鉄道車両。
7. 前記左右差圧調整弁は応荷重差圧弁であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の鉄道車両。

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