JP6586158B2 - 鉄道車両のブレーキ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両の電気ブレーキ装置及び機械ブレーキ装置を制御するブレーキ制御装置に関する。
特許文献１には、走行駆動源である電動機を発電機として機能させて車輪を制動する電気ブレーキ装置と、空気圧により制輪子等を駆動させて摩擦により車輪を制動する空気ブレーキ装置とを設け、電気ブレーキ装置の作動中に走行速度が低速域まで減速すると、電気ブレーキ装置の作動から空気ブレーキ装置の作動に切り替える鉄道車両のブレーキシステムが開示されている。
特開平７−７８０６号公報
ところで、電気ブレーキ装置の作動から空気ブレーキ装置の作動に切り替わるときには、制動力が途切れないように電気ブレーキと空気ブレーキとが若干オーバーラップするので、電気ブレーキによる制動力と空気ブレーキによる制動力とが混在する瞬間がある。そのため、電気ブレーキから空気ブレーキに切り替わるときに、全体のブレーキ力が過大になる可能性がある。特に、車輪とレールとの間の摩擦係数が小さい場合には、ブレーキ切替時に滑走度合が大きいと、過大な制動力により急激に滑走が拡大して制動距離が長くなると共に、車輪がロック状態に至る可能性もある。
そこで本発明は、鉄道車両のブレーキ制御装置において、ブレーキ切替えによる滑走の拡大を防止して、車輪ロックを抑制し、制動距離を短縮することを目的とする。
本発明の一態様に係る鉄道車両のブレーキ制御装置は、鉄道車両の電気ブレーキ装置及び機械ブレーキ装置を制御する装置であって、輪軸速度から得られる切替監視速度が切替閾値未満になると、前記電気ブレーキ装置の作動から前記機械ブレーキ装置の作動に切り替えるブレーキ切替部と、前記ブレーキ切替部による切り替えの際に、前記電気ブレーキ装置及び前記ブレーキ切替部の少なくとも一方を制御して車輪をレールに対して粘着させる粘着制御部と、を備える。
前記構成によれば、ブレーキ切替部による切替えの際に車輪をレールに対して粘着させるので、電気ブレーキ装置の作動から機械ブレーキ装置の作動への切り替えにより滑走が促進されてしまうことが防止される。よって、ブレーキ切替えによる滑走の拡大を防止して、車輪ロックを抑制し、制動距離を短縮することができる。
本発明によれば、鉄道車両のブレーキ制御装置において、ブレーキ切替えによる滑走の拡大を防止して、車輪ロックを抑制し、制動距離を短縮することができる。
第１実施形態に係るブレーキ制御装置を備えた鉄道車両の概略図である。 図１に示すブレーキ制御装置のブロック図である。 滑り率と粘着力との関係を説明するグラフである。 推定対地速度を説明するグラフである。 図１に示すブレーキ制御装置の制御を説明するフローチャートである。 図１に示すブレーキ制御装置の制御時における輪軸速度、電気ブレーキの制動トルク及び空気ブレーキの制動圧のタイミングチャートである。 第２実施形態に係るブレーキ制御装置のブロック図である。 図７に示すブレーキ制御装置の制御を説明するフローチャートである。 図７に示すブレーキ制御装置の制御時における輪軸速度、電気ブレーキ装置の制動トルク及び空気ブレーキ装置の制動圧のタイミングチャートである。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るブレーキ制御装置１０を備えた鉄道車両１の概略図である。図１に示すように、鉄道車両１は、輪軸２、減速機３、電気ブレーキ装置４、空気ブレーキ装置５、輪軸速度センサ６、パンタグラフ７、及び、ブレーキ制御装置１０を備える。輪軸２は、鉄道車両１に複数設けられている。輪軸２は、レールＲ上を摩擦力により転がる一対の車輪２ａと、一対の車輪２ａに固定される車軸２ｂとを有する。車軸２ｂには減速機３が動力伝達可能に接続され、減速機３には電気ブレーキ装置４が動力伝達可能に接続される。電気ブレーキ装置４は、減速機３に動力伝達可能に接続された電動機８と、電動機８を制御するインバータ９とを有する。
インバータ９は、電気ブレーキ時には、電動機８を発電機として機能させ、車軸２ｂから減速機３を介して伝わる輪軸２の回転慣性力により電動機８に発電させることで、輪軸２に制動トルクを付与する。即ち、電気ブレーキ装置４は、輪軸２の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、輪軸２を減速させるブレーキであり、発電ブレーキと回生ブレーキとを含む概念である。なお、車両加速時には、インバータ９は、架線Ｌからパンタグラフ７を介して集電した電力により電動機８に回転駆動力を発生させ、その回転駆動力が減速機３を介して車軸２ｂに伝達される。
空気ブレーキ装置５は、機械ブレーキ装置の一例である。機械ブレーキは、駆動力（例えば、空気圧又は電動力）により輪軸２を機械的に摩擦制動するブレーキであり、踏面ブレーキとディスクブレーキとを含む概念である。空気ブレーキ装置５は、図示しないコンプレッサからの空気圧を駆動源として制輪子５ａを車輪２ａの踏面に押し付け、輪軸２に制動圧を付与する。ブレーキ制御装置１０は、運転者のからのブレーキ指令を受信すると、輪軸速度センサ６からの信号を参照しながら、電気ブレーキ装置４及び空気ブレーキ装置５を制御する。なお、電気ブレーキ装置４、空気ブレーキ装置５及び輪軸速度センサ６は、複数の輪軸２の各々に対応するようにそれぞれ複数設けられるが、それらの電気ブレーキ装置４、空気ブレーキ装置５及び輪軸速度センサ６は、１つのブレーキ制御装置１０に接続される。また、ブレーキ制御装置１０は、電気ブレーキ装置４を制御する装置と空気ブレーキ装置５を制御する装置とに分けて、両装置間を通信可能に接続した構成としてもよい。
図２は、図１に示すブレーキ制御装置１０のブロック図である。図２に示すように、ブレーキ制御装置１０は、空転滑走制御部１１、切替条件判定部１２、ブレーキ切替部１３、切替許可条件判定部１４、設定部１５、制動トルク減少条件判定部１６、制動トルク制御部１７、及び、強制切替条件判定部１８を備える。切替許可条件判定部１４、設定部１５、制動トルク減少条件判定部１６及び制動トルク制御部１７は、粘着制御部１９を構成する。空転滑走制御部１１は、例えば、後述する滑り度ＳＬ１が所定の滑り閾値ＳＨを超えたときに、電気ブレーキ装置４又は空気ブレーキ装置５の制動力を低減する制動力低減制御を開始し、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ１未満となったときに、制動力低減制御を終了する（例えば、ＳＨ≧ＳＨ１）。なお、空転滑走制御部１１による制御は、例えば、特開２０１４−１１７１４７号公報に記載された制御とすればよい。
切替条件判定部１２は、輪軸速度から得られる切替監視速度が所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したか否かを判定する。具体的には、切替条件判定部１２は、複数の輪軸２のうち輪軸速度（回転角速度と車輪半径との積）が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖ（切替監視速度）が切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したか否かを判定する。ブレーキ切替部１３は、電気ブレーキ装置４の作動中に切替条件判定部１２により切替条件が成立したと判定されたとき、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える。
切替許可条件判定部１４は、車輪２ａがレールに対して所定の粘着状態にあるとの第１条件と、第１条件の成立時における輪軸速度Ｖから切替閾値Ｐ３を引いた値ＶＤが所定の許可閾値Ｐ２未満であるとの第２条件との両方の条件からなる切替許可条件が成立したか否かを判定する。設定部１５は、切替許可条件判定部１４により切替許可条件が成立したと判定されたとき、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可する許可状態を設定し、切替許可条件が成立していないと判定されたとき、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可しない不許可状態を設定する。
制動トルク減少条件判定部１６は、輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３よりも大きい値の所定の制動トルク減少閾値Ｐ１未満であるとの制動トルク減少条件が成立したか否かを判定する。制動トルク制御部１７は、制動トルク減少条件判定部１６により制動トルク減少条件が成立したと判定されたとき、電気ブレーキ装置４の制動トルクを減少させる。即ち、粘着制御部１９は、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えの際に車輪２ａをレールＲに対して粘着させるように、電気ブレーキ装置４及びブレーキ切替部１３を制御する。
強制切替条件判定部１８は、輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３よりも小さい値の所定の強制切替閾値Ｐ４未満であるとの強制切替条件が成立したか否かを判定する。ブレーキ切替部１３は、強制切替条件判定部１８により強制切替条件が成立したと判定されたとき、設定部１５により不許可状態が設定されていても、強制的に電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える。
図３は、滑り率と粘着力との関係を説明するグラフである。図３に示すように、滑り度の一例である滑り率は、対地速度（車両速度）から輪軸速度を引いた値を対地速度で割った値として定義される。粘着力は、車輪とレールとの間に作用する摩擦力を意味する。粘着力は、滑り率がゼロから増加していくとともに増加し、滑り率がある限界を超えると減少に転じる。粘着力が最大になる点を粘着限界といい、滑り率が粘着限界よりも小さい領域を微小滑り領域（粘着状態）といい、滑り率が粘着限界よりも大きい領域を巨視滑り領域（滑走状態）という。
滑り率が微小滑り領域にあるときは、粘着力は主に静摩擦力であり、滑り率が増加しても粘着限界に達するまでは粘着力が増加する。しかし、滑り率が巨視すべり領域に入ると、粘着力は主に動摩擦力となり、滑り率が増加するにつれて粘着力が減少して滑走が引き起こされる。そのため、滑走を誘発するような突発的な事象が生じるときには、滑り率が粘着限界の近傍、好ましくは微小滑り領域にあることが望まれる。なお、本実施形態の鉄道車両１には、実際の対地速度を取得する装置が設けられていないため、滑り率を算出するためには、輪軸速度Ｖから対地速度を推定する必要がある。
図４は、推定対地速度を説明するグラフである。図４中の実線は、鉄道車両１の複数の輪軸２のうち輪軸速度が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖを表し、図４中の破線は、その輪軸速度Ｖから推定された推定対地速度を表し、図４中の二点鎖線は、実際の対地速度を表す。具体的には、輪軸速度Ｖの減速度が、所定の制限値を超えた場合（即ち、急激に減速した場合）には、輪軸速度Ｖの値の代わりに前記制限値を超える直前の減速度を用いて補間した速度値を推定対地速度とし、輪軸速度Ｖの減速度が前記制限値未満となった場合には、輪軸速度Ｖ自体を推定対地速度とする。そのため、推定対地速度には、輪軸速度Ｖの滑りによる変動の影響が残っており、推定対地速度は、実際の対地速度よりも変動が大きくなる。
図５は、図１に示すブレーキ制御装置１０の制御を説明するフローチャートである。図６は、図１に示すブレーキ制御装置１０の制御時における輪軸速度Ｖ、電気ブレーキの制動トルク及び空気ブレーキの制動圧のタイミングチャートである。なお、図６中の実線は、複数の輪軸２のうち輪軸速度が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖ（切替監視速度）を表し、図６中の二点鎖線は、実際の対地速度を表している。以下では、図２及び６を参照しつつ、図５のフローチャートの流れに沿ってブレーキ制御装置１０の制御内容を説明する。
ブレーキ制御装置１０は、運転者からブレーキ指令を受信したか否かを判定する（ステップＳ１）。ブレーキ指令を受信していないと判定された場合には、ステップＳ１に戻る。ブレーキ指令を受信したと判定された場合には、ブレーキ制御装置１０は、空転滑走制御部１１による空転滑走制御がＯＮになっているか否かを判定する（ステップＳ２）。空転滑走制御がＯＮになっていないと判定された場合には、ステップＳ１に戻る。ステップＳ２では、一例として、滑り度ＳＬ１が所定の滑り閾値ＳＨを超えているか否かを判定する。
ここで、滑り度は、レールＲに対する車輪２ａの滑り具合を表す指標である。例えば、滑り度は、対地速度（車両速度）から輪軸速度を引いた値を対地速度で割った値である滑り率として定義されるとよい。或いは、滑り度は、輪軸２の減速度として定義されてもよい。或いは、対地速度から輪軸速度を引いた値を対地速度で割った値である滑り率と、輪軸２の減速度との両方を、滑り度として用いてもよい。
本実施形態では、ステップＳ２において、対地速度から輪軸速度を引いた値を対地速度で割った値である滑り率ＳＬ１ａが滑り閾値ＳＨａを超えたとの第１滑り条件と、輪軸２の減速度ＳＬ１ｂ（加速度と正負が逆の値）が滑り閾値ＳＨｂを超えたとの第２滑り条件との少なくとも一方の条件が成立したときに、空転滑走制御がＯＮになっていると判定される。その際、実際の対地速度を取得する装置がないため、滑り率ＳＬ１ａを算出するにあたり、実際の対地速度の代わりに推定対地速度を用いる。即ち、滑り率ＳＬ１ａは、推定対地速度から輪軸速度Ｖを引いた値を推定対地速度で割った値として定義される。（以下、前記第１滑り条件と前記第２滑り条件との少なくとも一方の条件が成立した状態を、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨを超えた、と称する。）
空転滑走制御部１１は、一例として、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨを超えると制動トルクの目標値を通常目標値よりも減少させ、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ１未満になると制動トルクを通常目標値に向けて増加させるように電気ブレーキ装置４を制御することで、車輪２ａの滑走を抑制するように制動トルクを調節する（例えば、ＳＨ≧ＳＨ１）。例えば、図６に示すように、輪軸速度Ｖが対地速度から乖離して滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨを超えると（時刻ｔ１）、電気ブレーキ装置４の制動トルクが減少させられて輪軸速度Ｖが対地速度に近づいていく。その後、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ１未満になると（時刻ｔ２）、電気ブレーキ装置４の制動トルクの目標値が通常目標値に戻される。但し、滑り率ＳＬ１ａの算出には、実際の対地速度の代わりに推定対地速度（図４）が用いられるため、輪軸速度Ｖが実際の対地速度（図６の二点鎖線）から大きく乖離しないと推定対地速度との差が十分に生じず、空転滑走制御部１１による制動トルクの減少が開始されない。
ステップＳ２で空転滑走制御がＯＮになっていると判定された場合には、前記した空転滑走制御に並行し、強制切替条件判定部１８は、輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えているか否かを判定する（ステップＳ３）。輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていないと判定された場合には、ブレーキ切替部１３は、強制的に電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１１）。輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていると判定された場合には、制動トルク減少条件判定部１６は、輪軸速度Ｖが制動トルク減少閾値Ｐ１未満であるとの制動トルク減少条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、制動トルク減少閾値Ｐ１は、切替閾値Ｐ３の値の１．０倍以上２．５倍以下の値であることが好ましく、切替閾値Ｐ３の値の１．１倍以上２．０倍以下の値であることが更に好ましい。これにより、輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３に近づいた状態で制動トルク減少条件の成否を判定できる。
制動トルク減少条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ４に戻る。制動トルク減少条件が成立していると判定された場合には、強制切替条件判定部１８は、輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えているか否かを判定する（ステップＳ５）。輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていないと判定された場合には、ブレーキ切替部１３は、強制的に電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１１）。輪軸速度Ｖが制動トルク減少閾値Ｐ１未満で且つ強制切替閾値Ｐ４を超えていると判定された場合には、制動トルク減少条件判定部１６は、滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ以上であると判定された場合には、制動トルク制御部１７は、電気ブレーキ装置４の制動トルクの目標値を通常目標値よりも減少させる（ステップＳ７）。例えば、図６に示すように、輪軸速度Ｖが制動トルク減少閾値Ｐ１よりも大きい状態から減少していって制動トルク減少閾値Ｐ１を下回ると（時刻ｔ３）、電気ブレーキ装置４の制動トルクが減少させられて輪軸速度Ｖが対地速度に近づいていく。滑り度ＳＬ１が滑り閾値ＳＨ以上ではないと判定された場合には、空転滑走制御により良好なブレーキが実現できていると判断し、制動効率向上のためにステップＳ７に行かずにステップＳ５に戻る。
ステップＳ７の後は、切替許可条件判定部１４は、車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあるとの第１条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ８）。当該所定の粘着状態は、車輪２ａのレールＲに対する滑り度ＳＬ１が少なくとも粘着限界に対応する滑り度よりも小さい状態を意味する。図６に示すように、本実施形態では、切替許可条件判定部１４は、ブレーキ指令により鉄道車両１が減速している際に、輪軸速度Ｖ（粘着監視速度）の変化率（加速度）が正値から負値に変化したことが検知されたときに（時刻ｔ４）、車輪２ａが所定の粘着状態にあると判定する。
車輪２ａが所定の粘着状態にあるとの第１条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ５に戻る。即ち、切替許可条件判定部１４は、第１条件が成立していないことで切替許可条件が成立していないと判定し、設定部１５に、切替条件成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可しない不許可状態を設定させる（例えば、切替許可フラグを無効にする。）。車輪２ａが所定の粘着状態にあるとの第１条件が成立していると判定された場合には、切替許可条件判定部１４は、輪軸速度Ｖから切替閾値Ｐ３を引いた値ＶＤが許可閾値Ｐ２未満であるとの第２条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ９）。
ここで、許可閾値Ｐ２は、切替閾値Ｐ３の値の０．０１倍以上１．５倍以下の値であることが好ましく、切替閾値Ｐ３の値の０．０５倍以上１．０倍以下の値であることが更に好ましい。これにより、第２条件が成立すると、第１条件が成立してから速やかに輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３に達することができる。なお、ステップＳ９では、輪軸速度Ｖから切替閾値Ｐ３を引いた値ＶＤが許可閾値Ｐ２未満であることを第２条件としたが、第２条件は、輪軸速度Ｖが所定の閾値（例えば、Ｐ２＋Ｐ３）未満であるとの条件と言い換えてもよい。
値ＶＤが許可閾値Ｐ２未満であるとの第２条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ３に戻る。即ち、切替許可条件判定部１４は、第２条件が成立していないことで切替許可条件が成立していないと判定し、設定部１５に、切替条件成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可しない不許可状態を設定させる（例えば、切替許可フラグを無効にする。）。
値ＶＤが許可閾値Ｐ２未満であるとの第２条件が成立していると判定された場合には、切替許可条件判定部１４は、第１条件及び前記第２条件の両方が成立したことで切替許可条件が成立したと判定し、設定部１５に、切替条件成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可する許可状態を設定させる（例えば、切替許可フラグを有効にする。）。その後、切替条件判定部１２は、輪軸速度Ｖ（切替監視速度）が所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０）。輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１０に戻る。輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立していると判定された場合には、ブレーキ切替部１３は、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１１）。
図６に示すように、本実施形態では、ブレーキ切替部１３は、切替条件判定部１２により切替条件が成立したと判定されたときに（時刻ｔ５）、空気ブレーキ装置５に作動を開始させる指令を出すとともに、当該判定時から所定の遅れ時間Δｔの経過後に電気ブレーキ装置４に作動を終了させる指令を出す。即ち、空気ブレーキ装置５に作動指令が出されて空気ブレーキ装置５による制動力の発生が開始する時点（時刻ｔ５）から電気ブレーキ装置４による制動力の発生が終了する時点（時刻ｔ６）までの期間は、電気ブレーキ装置４の作動と空気ブレーキ装置５と作動とがオーバーラップし、電気ブレーキ装置４による制動力と空気ブレーキ装置５による制動力とが混在する。そのため、この期間（時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間）は、車輪２ａに付与される制動力が瞬間的に増加することになるが、切替許可条件が成立していることで（ステップＳ８及びＳ９）、空気ブレーキ装置５による制動力の発生が開始する時点（時刻ｔ５）において車輪２ａの滑り度が粘着限界の近傍または粘着限界よりも小さいと考えられ、車輪２ａがロックすることなく実際の対地速度が速やかにゼロになる。
以上に説明した構成によれば、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えの際に車輪２ａをレールＲに対して粘着させるように、電気ブレーキ装置４及びブレーキ切替部１３を制御するので、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替えられることで滑走が促進されてしまうことが防止される。よって、ブレーキ切替えによる滑走の拡大を防止して制動距離を短縮することができる。
具体的には、輪軸速度Ｖが、切替閾値Ｐ３よりも少し大きい値の制動トルク減少閾値Ｐ１未満であるとの制動トルク減少条件が成立したとき、即ち、輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３に近づいたときに、電気ブレーキ装置４の制動トルクが減少させられるので、ブレーキ切替時において車輪２ａが粘着状態になるように導くことができる。
また、車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあるとの条件を含む切替許可条件が成立していないとき、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可しない不許可状態が設定されるので、車輪２ａが所定の粘着状態にないときに電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替えられて滑走が促進されてしまうことを防止できる。また、切替許可条件が成立したときには、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可する許可状態が設定されるので、車輪２ａが所定の粘着状態にあるときには、速やかに電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替えられ、車輪２ａを迅速に停止させることができる。
また、輪軸速度Ｖの変化率（加速度）が正値から負値に変化したときに（時刻ｔ４）、車輪２ａが所定の粘着状態にあると判定するので、粘着状態の判定に対地速度の情報が不要となり、実際の対地速度を計測する装置を鉄道車両１に搭載する必要をなくすことができる。また、切替許可条件は、輪軸速度Ｖから切替閾値Ｐ３を引いた値ＶＤが許可閾値Ｐ２未満であるとの条件も含むので、切替許可条件が成立した時点（時刻ｔ４）から切替条件が成立する時点（時刻ｔ５）までの期間が短くなり、当該期間内に滑り度が粘着限界を超えることを防止することができる。
また、輪軸速度Ｖが、切替閾値Ｐ３よりも小さい値の強制切替閾値Ｐ４未満であるとの強制切替条件が成立したとき、設定部１５により不許可状態が設定されていても、強制的にブレーキ切替えが行われるので、対地速度が低速域に達することで電気ブレーキ装置４による制動トルクが弱まったときに、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替られない状況が発生することを確実に防止することができる。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るブレーキ制御装置１１０のブロック図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態の鉄道車両は、車両の走行速度である実際の対地速度を計測する対地速度計測器１２０を備える。対地速度計測器１２０は、車輪２ａの滑走の影響を受けずに車両走行速度が取得できるものであれば種々の公知の手段が適用可能である。例えば、対地速度計測器１２０は、ＧＰＳによる車両の位置情報の時系列データを微分して対地速度を求めるものとしてもよい。あるいは、対地速度計測器１２０は、車両に搭載した加速度センサから得られる加速度情報の時系列データを積分して対地速度を求めるものとしてもよい。
ブレーキ制御装置１１０は、空転滑走制御部１１１、切替条件判定部１２、ブレーキ切替部１３、切替許可条件判定部１１４、設定部１５、及び、強制切替条件判定部１８を備える。空転滑走制御部１１１は、滑り度ＳＬ２が所定の滑り閾値ＳＨを超えたときに、電気ブレーキ装置４又は空気ブレーキ装置５の制動力を低減する制動力低減制御を開始し、滑り度ＳＬ２が所定の滑り閾値ＳＨ１未満となったときに、制動力低減制御を終了する。本実施形態では、車両に対地速度計測器１２０が設けられているため、滑り度ＳＬ２として滑り率ＳＬ２ａを算出するにあたり、推定対地速度ではなく実際の対地速度を用いる。即ち、滑り率ＳＬ２ａは、対地速度から輪軸速度Ｖを引いた値を対地速度で割った値として定義する。
切替許可条件判定部１１４は、車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあるとの切替許可条件が成立したか否かを判定する。切替許可条件判定部１１４は、車輪２ａのレールＲに対する滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨ未満であるとき、車輪２ａがレールＲに対して前記粘着状態にあると判定する。なお、切替条件判定部１２、ブレーキ切替部１３、設定部１５、及び、強制切替条件判定部１８は、第１実施形態のものと同様である。即ち、切替許可条件判定部１１４及び設定部が粘着制御部１１９を構成し、粘着制御部１１９は、切替条件の成立時のブレーキ切替部１３による切替えの際に車輪２ａをレールＲに対して粘着させるようにブレーキ切替部１３を制御する。
図８は、図７に示すブレーキ制御装置１１０の制御を説明するフローチャートである。図９は、図７に示すブレーキ制御装置１１０の制御時における輪軸速度Ｖ、電気ブレーキ装置４の制動トルク及び空気ブレーキ装置５の制動圧のタイミングチャートである。なお、図９中の実線は、複数の輪軸２のうち輪軸速度が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖ（切替監視速度）を表している。以下では、図７及び９を参照しつつ、図８のフローチャートの流れに沿ってブレーキ制御装置１１０の制御内容を説明する。
ブレーキ制御装置１１０は、運転者からブレーキ指令を受信したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ブレーキ指令を受信していないと判定された場合には、ステップＳ１０１に戻る。ブレーキ指令を受信したと判定された場合には、ブレーキ制御装置１１０は、空転滑走制御がＯＮになっているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、一例として、滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨを超えているか否かを判定する。空転滑走制御がＯＮになっていないと判定された場合には、ステップＳ１０１に戻る。空転滑走制御がＯＮになっていると判定された場合には、空転滑走制御部１１１による空転滑走制御が実行される（ステップＳ１０３）。
空転滑走制御部１１１は、一例として、滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨを超えると制動トルクの目標値を通常目標値よりも減少させ、滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨ１を超えなくなると制動トルクを通常目標値に向けて増加させるように電気ブレーキ装置４を制御することで、車輪２ａの滑走を抑制するように制動トルクを調節する（例えば、ＳＨ≧ＳＨ１）。例えば、図９に示すように、輪軸速度Ｖが対地速度から乖離して滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨを超えると（時刻ｔ１及びｔ３）、電気ブレーキ装置４の制動トルクが減少させられて輪軸速度Ｖが対地速度に近づいていく。その後、滑り度ＳＬ２が滑り閾値ＳＨ１未満になると（時刻ｔ２及びｔ４）、電気ブレーキ装置４の制動トルクの目標値が通常目標値に戻される。このとき、滑り度ＳＬ２として滑り率ＳＬ２ａを算出するにあたり、推定対地速度ではなく実際の対地速度が用いられるため、輪軸速度Ｖの実際の対地速度（図９の二点鎖線）に対する乖離が図６に比べて大きくなくても、空転滑走制御部１１１による制動トルクの減少が開始される。
ステップＳ１０２で空転滑走制御がＯＮになっていると判定された場合には、前記した空転滑走制御に並行し、強制切替条件判定部１８は、輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていないと判定された場合には、ブレーキ切替部１３は、強制的に電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１０６）。輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていると判定された場合には、切替条件判定部１２は、輪軸速度Ｖ（切替監視速度）が切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１０３に戻る。
輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立していると判定された場合には（時刻ｔ５）、切替許可条件判定部１１４は、車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあるとの切替許可条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。当該所定の粘着状態は、車輪２ａのレールＲに対する滑り率ＳＬ２ａが少なくとも粘着限界に対応する滑り率よりも小さい状態を意味する。具体的には、切替許可条件は、滑り率ＳＬ２ａが所定の滑り閾値ＳＨ１ａ未満であるとの条件である。
この切替条件が成立していると判定された時点で、滑り率ＳＬ２ａが滑り閾値ＳＨ１ａ未満であれば、ブレーキ切替部１３が、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１０６）。図９では、切替条件が成立していると判定された時点で（時刻ｔ５）、滑り率ＳＬ２ａが滑り閾値ＳＨ１ａ未満ではない例を示しているため、ステップＳ１０３に戻る。即ち、切替許可条件判定部１１４は、滑り率ＳＬ２ａが滑り閾値ＳＨ１ａ未満ではないことで切替許可条件が成立していないと判定し、設定部１５に、切替条件成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可しない不許可状態を設定させる（例えば、切替許可フラグを無効にする。）。
その後に、図９の時刻ｔ６の時点にて、輪軸速度Ｖが強制切替閾値Ｐ４を超えていると判定され（ステップＳ１０３）、輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立していると判定され（ステップＳ１０４）、かつ、滑り率ＳＬ２ａが滑り閾値ＳＨ１ａ未満であり切替許可条件が成立していると判定されるため（ステップＳ１０５）、設定部１５が、切替条件成立時のブレーキ切替部１３による切替えを許可する許可状態を設定するとともに（例えば、切替許可フラグを有効にする）、ブレーキ切替部１３が、電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える（ステップＳ１０６）。
具体的には、図９に示すように、ブレーキ切替部１３は、時刻ｔ６の時点にて、電気ブレーキ装置４の作動を終了させる指令を出すとともに、空気ブレーキ装置５の作動を開始させる指令を出す。このとき、電気ブレーキ装置４に作動終了の指令が出された時点（時刻ｔ６）から電気ブレーキ装置４による制動力の発生が終了する時点（時刻ｔ７）までの期間は、電気ブレーキ装置４の作動と空気ブレーキ装置５と作動とがオーバーラップし、電気ブレーキ装置４による制動力と空気ブレーキ装置５による制動力とが混在する。そのため、この期間（時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間）は、車輪２ａに付与される制動力が瞬間的に増加することになるが、切替許可条件が成立していることで（ステップＳ１０５）、空気ブレーキ装置５による制動力の発生が開始する時点（時刻ｔ６）において車輪２ａの滑り率が粘着限界よりも小さいため、車輪２ａがロックすることなく実際の対地速度が速やかにゼロになる。
以上に説明した構成によれば、第１実施形態と同様に、ブレーキ切替えによる滑走の拡大を防止して制動距離を短縮することができる。また、切替許可条件は、輪軸速度Ｖが所定の切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したときに判定されるので、ブレーキ切替部１３が電気ブレーキ装置４の作動から空気ブレーキ装置５の作動に切り替える時点において車軸２ｂが粘着状態であることを簡単に確保することができる。
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。前述した実施形態では、切替監視速度は、粘着監視速度と同じもの（輪軸速度Ｖ）としたが、異なるものとしてもよい。例えば、前述した実施形態では、制動トルク減少閾値Ｐ１、許可閾値Ｐ２、切替閾値Ｐ３及び強制切替閾値Ｐ４と比較する切替監視速度は、複数の輪軸２のうち輪軸速度が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖとしたが、輪軸速度が最大でない輪軸の輪軸速度としてもよいし、推定対地速度としてもよい。即ち、切替監視速度は、輪軸速度自体でもよいし、輪軸速度に対応して変化するパラメータであってもよい。また、ステップＳ８では、粘着判定を行うための粘着監視速度も、複数の輪軸２のうち輪軸速度が最大である輪軸２の輪軸速度Ｖとしたが、輪軸速度が最大でない輪軸の輪軸速度としてもよいし、推定対地速度としてもよい。即ち、粘着監視速度も、輪軸速度自体でもよいし、輪軸速度に対応して変化するパラメータであってもよい。
また、第１実施形態のステップＳ８において、輪軸速度Ｖの変化率（加速度）が正値から負値に変化したことが検知されたときに車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあると判定したが、対地速度計測器を設け、ステップＳ８において、滑り率が所定の滑り閾値未満であることが検知されたときに車輪２ａがレールＲに対して所定の粘着状態にあると判定してもよい。また、第１実施形態において、切替許可条件判定部１４及び設定部１５を廃止し、図５のフローチャートにおけるステップＳ８及びＳ９を廃止した形態に変更してもよい。即ち、図５のフローチャートにおいて、制動トルク制御部１７が電気ブレーキ装置４の制動トルクの目標値を通常目標値よりも減少させた後（ステップＳ７）、ブレーキ切替えの許可判定（ステップＳ８及びＳ９）を行わず、輪軸速度Ｖが切替閾値Ｐ３未満であるとの切替条件が成立したら（ステップＳ１０）、ブレーキ切替えを行うようにしてもよい（ステップＳ１１）。
１ 鉄道車両
２ 輪軸
２ａ 車輪
４ 電気ブレーキ装置
５ 空気ブレーキ装置
１０，１１０ ブレーキ制御装置
１３ ブレーキ切替部
１４，１１４ 切替許可条件判定部
１５ 設定部
１６ 制動トルク減少条件判定部
１７ 制動トルク制御部
１８ 強制切替条件判定部
１９ 粘着制御部

Claims (6)

  1. 鉄道車両の電気ブレーキ装置及び機械ブレーキ装置を制御する装置であって、
    輪軸速度から得られる切替監視速度が切替閾値未満になると、前記電気ブレーキ装置の作動から前記機械ブレーキ装置の作動に切り替えるブレーキ切替部と、
    前記ブレーキ切替部による切り替えの際に、前記電気ブレーキ装置及び前記ブレーキ切替部の少なくとも一方を制御して車輪をレールに対して粘着させる粘着制御部と、を備え、
    前記粘着制御部は、前記車輪が前記レールに対して所定の粘着状態にあるとの条件を含む切替許可条件が成立すると、前記ブレーキ切替部による切替えを許可する許可状態を設定し、前記切替許可条件が成立していないと、前記ブレーキ切替部による切替えを許可しない不許可状態を設定する設定部を有する、鉄道車両のブレーキ制御装置。
  2. 前記粘着制御部は、前記切替監視速度が前記切替閾値よりも大きい値の制動トルク減少閾値未満になると、前記電気ブレーキ装置の制動トルクを減少させる制動トルク制御部を有している、請求項１に記載の鉄道車両のブレーキ制御装置。
  3. 前記切替許可条件は、前記切替監視速度から前記切替閾値を引いた値が許可閾値未満であるとの条件を更に含む、請求項１又は２に記載の鉄道車両のブレーキ制御装置。
  4. 前記輪軸速度から得られる粘着監視速度の変化率が前記車両の減速中に正値から負値に変化したとき、前記車輪がレールに対して前記粘着状態にあると判定される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御装置。
  5. 前記レールに対する前記車輪の滑り度と滑り閾値とを比較することで、前記車輪がレールに対して前記粘着状態にあるか否かが判定される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御装置。
  6. 前記ブレーキ切替部は、前記切替監視速度が前記切替閾値よりも小さい強制切替閾値未満になると、前記設定部により前記不許可状態が設定されていても、強制的に前記電気ブレーキ装置の作動から前記機械ブレーキ装置の作動に切り替える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御装置。
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