JP6837284B2

JP6837284B2 - 鉄道車両のブレーキ制御方法、ブレーキ制御装置及びブレーキ制御プログラム

Info

Publication number: JP6837284B2
Application number: JP2016044697A
Authority: JP
Inventors: 信一嵯峨; 雅典澤田; 坂口　篤司; 篤司坂口; 和晃藤田
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Nippon Steel Corp
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: JP2017159742A

Description

本発明は、地震発生等の異常発生時に、最大限の制動力を発揮することのできる鉄道車両のブレーキ制御方法、ブレーキ制御装置及びブレーキ制御プログラムに関する。

従来、鉄道車両の制動装置には、回生制動等による電気的なブレーキと、空気圧や油圧によって制輪子を車輪踏面に押し付け、あるいは、ブレーキパッドをブレーキディスクに押し付ける機械的なブレーキとが用いられている。
前記制動に用いられる空気圧力はブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）と呼ばれ、ブレーキ指令に基づいて制御された空気圧力によって、あるいは空油圧力変換装置で油圧力に変換し、この油圧力によって制輪子を動作させる方式となっている。また、一般に前記ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）は、ブレーキノッチ種別、車両の走行速度とレール／車輪間の粘着係数の関係及び乗車率（応荷重）に基づいて算定される。

このブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）をブレーキバッドに連続的に作用させて大きな制動力を発生させようとすると、摩擦熱などの影響によって摩擦係数が低下し、予め設定した目標ブレーキトルクを下回ることがある。
このような制動力低下を防止する方法として、自動車などで行われている目標トルクに対するフィードバック制御が挙げられるが、左右の車輪が独立して支持される自動車とは異なり、鉄道車両では、左右車輪が車軸と一体に連結されているため、車輪毎にブレーキトルク等の制動状態を検出することが難しい。

例えば、特許文献１に示される車両の制動力制御装置では、各車輪のブレーキディスク温度を監視する手段と、ブレーキディスク温度が所定温度に達した車輪に於ける目標制動力を決定する手段と、その目標制動力に基づいてその他の車輪に於ける目標制動力を決定する手段とによって制動力を制御している。また、特許文献１の制動力制御装置では、車輪のブレーキ構成要素の温度の上昇を考慮することによって適切な制動力又はヨーモーメントを得ている。

特開２００９−１２６５８号公報

上記特許文献１にあっては、フェード現象の発生に際し、車輪毎の目標トルクに対するフィードバック制御が行われている。
しかしながら、鉄道車両の輪軸は左右車輪が車軸と一体に回転する構造であることから、当該特許文献１の技術を直接的に適用することができず、このため、鉄道車両においては、自動車とは異なるブレーキ制動の技術が必要となる。

一方、鉄道車両においても、高い減速度（ブレーキ力）が設定されている非常ブレーキやさらに高く設定されている地震ブレーキ（地震発生時の非常ブレーキ）を作動させた際に、車輪踏面及び制輪子、又はブレーキディスク及びブレーキライニングの温度が摩擦熱によって著しく上昇し、いわゆるフェード現象によって、想定した摩擦係数が得られないことがある。しかしながら、現状では、前記フェード現象を想定して非常ブレーキ（特に、地震発生時の非常ブレーキ）に対して確実に制動力を発生させる手段が提案されていない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）所定の周期で増減させることにより、車輪踏面及び制輪子、又はブレーキディスク及びブレーキライニングの温度上昇を抑制して目標ブレーキトルクを得るとともに、ブレーキ距離の短縮を図ることが可能な鉄道車両のブレーキ制御方法、ブレーキ制御装置及びブレーキ制御プログラムを提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の鉄道車両のブレーキ制御方法は、予め設定されたブレーキシリンダ圧力を車輪に供給して制動力を生じさせる鉄道車両において、前記ブレーキシリンダ圧力を目標設定値に対して所定周期で増減する制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両のブレーキ制御装置は、予め設定されたブレーキシリンダ圧力を鉄道車両の車輪に供給して制動力を生じさせる圧力発生装置の内部に給気弁と排気弁から構成されるオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁制御することにより、前記ブレーキシリンダ圧力を所定周期で増減させる制御手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両のブレーキ制御プログラムは、鉄道車両の車輪に制動力を発生させるブレーキシリンダ圧力を所定周期で増減させる制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ブレーキシリンダ圧力を所定の周期で増減するよう制御することにより、車輪踏面及び制輪子、又はブレーキディスク及びブレーキライニングの温度上昇を抑えながらブレーキトルク及び摩擦係数の低下を抑制することができる。これにより、ブレーキ距離のばらつきを小さく収めてブレーキ性能を安定させるとともに、ブレーキ距離を短縮することができる。

車輪に制動力を生じさせるブレーキシリンダへの指令値が示されており、（ａ）は±２０ｋＰａの変動幅、（ｂ）は±３０ｋＰａの変動幅、（ｃ）は±４０ｋＰａの変動幅で圧力変化させた例が示されている。圧力変動の周期と排気弁の平均流量の関係を示すグラフである。鉄道車両の運転台から「非常ブレーキ指令または地震ブレーキ指令」が発せられた際に、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して、正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行うためのフローチャートを示す図である。試験例１に係る、車両速度とブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）との関係を示すグラフである。車両速度とブレーキトルクとの関係を示すグラフであって、（ａ）は従来制御、（ｂ）は本発明に係る提案制御を示すグラフである。車両速度と摩擦係数との関係を示すグラフであって、（ａ）は従来制御、（ｂ）は本発明に係る提案制御を示すグラフである。従前に係る従来制御と本発明に係る提案制御とを示すグラフであって、（ａ）はブレーキ距離と温度との関係、（ｂ）は平均摩擦係数の比較、（ｃ）ディスク締結ボルト応力の比較、（ｄ）平均排気流量の比較を示している。試験例２に係る、車両速度とブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）との関係を示すグラフである。車両速度とブレーキトルクとの関係を示すグラフであって、（ａ）は従来制御、（ｂ）は本発明に係る提案制御を示すグラフである。車両速度と摩擦係数との関係を示すグラフであって、（ａ）は従来制御、（ｂ）は本発明に係る提案制御を示すグラフである。従前に係る従来制御と本発明に係る提案制御を示すグラフであって、（ａ）はブレーキ距離と温度との関係、（ｂ）は平均摩擦係数の比較、（ｃ）ディスク締結ボルト応力の比較、（ｄ）平均排気流量の比較を示している。試験例３に係る、車両速度とブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）との関係を示すグラフである。車両速度とブレーキトルクとの関係を示すグラフである。車両速度と瞬間摩擦係数との関係を示すグラフである。ブレーキ距離と温度との関係を示すグラフである。平均摩擦係数の比較を示すグラフである。試験例４に係る、車両速度とブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）との関係を示すグラフである。車両速度とブレーキトルクとの関係を示すグラフである。車両速度と瞬間摩擦係数との関係を示すグラフである。ブレーキ距離と温度との関係を示すグラフである。平均摩擦係数の比較を示すグラフである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図２１を参照して説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る鉄道車両のブレーキ制御方法を示す図であって、車輪に制動力を生じさせるブレーキシリンダへの指令値が示されている。
そして、これら図１（ａ）〜（ｃ）では、指標となるブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値（例えば４００ｋＰａ）を、ブレーキシリンダへの指令値「±０ｋＰａ」として示し、当該目標設定値（４００ｋＰａ）に対し、正弦波状の圧力変動を一定周期で与えるための指令値の波形が示されている。すなわち、目標設定値である４００ｋＰａ±ＸｋＰａとなるようにブレーキシリンダ圧力が増減するよう制御される。
すなわち、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動幅は、基準値となる「±０ｋＰａ（＝目標となるブレーキシリンダ圧力：４００ｋＰａ」に対して、±２０〜４０ｋＰａの範囲内で、かつ変動周期が０〜２秒（周期の「秒」を「ｓ」と表現する）の範囲に設定されている。

具体的には、図１（ａ）の試験例では、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動幅は、基準値となる「±０ｋＰａ（＝目標となるブレーキシリンダ圧力：４００ｋＰａ」に対して、±２０ｋＰａの範囲内で、かつ変動周期が０．８ｓ（＝１．２５Ｈｚ）、１．２ｓ（＝０．８３Ｈｚ）、１．６ｓ（＝０．６３Ｈｚ）の範囲に設定されている。
また、図１（ｂ）の試験例では、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動幅は、基準値となる「±０ｋＰａ（＝目標となるブレーキシリンダ圧力：４００ｋＰａ」に対して、±３０ｋＰａの範囲内で、かつ変動周期が０．８ｓ（＝１．２５Ｈｚ）、１．２ｓ（＝０．８３Ｈｚ）、１．６ｓ（＝０．６３Ｈｚ）の範囲に設定されている。
また、図１（ｃ）の試験例では、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動幅は、基準値となる「±０ｋＰａ（＝目標となるブレーキシリンダ圧力：４００ｋＰａ」に対して、±４０ｋＰａの範囲内で、かつ変動周期が０．８ｓ（＝１．２５Ｈｚ）、１．２ｓ（＝０．８３Ｈｚ）、１．６ｓ（＝０．６３Ｈｚ）の範囲に設定されている。

そして、以上のような図１（ａ）〜（ｃ）に示すブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動試験を、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値「４００ｋＰａ」とともに、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値「２００ｋＰａ、３００ｋＰａ」についてもそれぞれ同様に行なった。
なお、このようなブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動試験は、ブレーキシリンダ圧力を供給する圧力発生装置の内部に給気弁と排気弁から構成されるオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を所定周期で作動させることにより行った。

また、ブレーキシリンダ圧力を供給する圧力発生装置内の排気路に流量計が設けられており、該流量計により、上述したブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の変動試験を行った際の平均流量（Ｌ/ｍｉｎ）を測定し、その圧力変動試験の結果を、図２で示す「圧力変動の周期と排気弁の平均流量の関係」としてまとめた。
そして、図２に示されるように、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値（２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａ）に対して、１．２ｓの周期でかつ「±３０ｋＰａ」の範囲内で圧力変動を与えれば、圧力発生装置の排気路の平均流量が最大値となる「３０Ｌ/ｍｉｎ」となり、最適な圧力制御性が得られることが確認されている。
そして、さらに発明者が種々の実験を行った結果、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値（２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａ）に対し、正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行う際、正弦波状の圧力変動は、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±３０ｋＰａの範囲でかつ周期がおおよそ０．８ｓ以上、２ｓ以下に設定すれば、圧力発生装置の排気路の平均流量が最適値となることが確認されている。
また、図２では、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値（３００ｋＰａ）におけるデータが記載されていないが、目標設定値（２００ｋＰａ、４００ｋＰａ）とほぼ同様の傾向となることが確認されている。

次に、図３のフローチャートを参照して、鉄道車両の運転台から「非常ブレーキ指令または地震ブレーキ指令」が発せられた際に、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して、正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行うための条件について説明する。
《ステップ１》
鉄道車両の運転台から非常ブレーキ（空気ブレーキのみ、いわゆる空制）か、地震ブレーキ（空気ブレーキのみ、いわゆる空制）かを判定し、いずれかのブレーキ操作がなされたと判定された場合に、次のステップ２に進む。
なお、地震ブレーキは、地震発生時に停電等が発生した場合に使用されるため、電気ブレーキは使用できない。したがって、空気ブレーキのみが作用する。

《ステップ２》
「非常ブレーキ指令または地震ブレーキ指令」により空気ブレーキのみが作動したかどうかを判定し（電気ブレーキは作動せず）、ＹＥＳの場合にステップ３に進み、ＮＯの場合にステップ７に進む。

《ステップ３》
予め設定したブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して正弦波状の圧力変動を一定周期で与えることによる空気ブレーキ制御を、ディスクブレーキに対して行う（ステップ３Ａ）。これにより「非常ブレーキまたは地震ブレーキ」を作動させる（ステップ３Ｂ）。
なお、ステップ３の処理は、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行うブレーキ制御プログラムに基づき実行される。

《ステップ４》
車輪とレールとの粘着係数が急激に低下することにより、車輪の滑走が発生したか否かを判断し、ＹＥＳの場合に次のステップ５に進む。

《ステップ５》
ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）を緩める等の滑走再粘着制御を行う。

《ステップ６》
車輪とレールとの粘着係数が上昇することにより、再粘着が生じたか否かを判断し、ＹＥＳの場合に次のステップ３に戻り、ＮＯの場合にはステップ６に戻る。

《ステップ７》
ステップ２において「空気ブレーキのみを作用する非常ブレーキまたは空気ブレーキのみを作用する地震ブレーキ」が操作されないＮＯの場合には、該ステップ２において、通常の非常ブレーキ操作がなされたとして、電気ブレーキ及び空気ブレーキを併用した通常の非常ブレーキ動作を行う（ステップ７Ａ，７Ｂ）。

《ステップ８》
車輪とレールとの粘着係数が急激に低下することにより、車輪の滑走が発生したか否かを判断し、ＹＥＳの場合に次のステップ９に進む。

《ステップ９》
ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）を緩める等の滑走再粘着制御を行う。

《ステップ１０》
車輪とレールとの粘着係数が上昇することにより、再粘着が生じたか否かを判断し、ＹＥＳの場合に次のステップ７に戻り、ＮＯの場合にはステップ１０に戻る。

次に、図４〜図７を参照して、「空気ブレーキのみを作用する非常ブレーキ指令または空気ブレーキのみを作用する地震ブレーキ指令」が発せられたことに伴い、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して正弦波状の圧力変動を一定周期で与えた場合の性能試験（非常ブレーキ相当試験、非常ブレーキ向上試験）結果について説明する。
なお、以下の「非常ブレーキ相当試験」では、３００ｋｍ／ｈ又は４００ｋｍ／ｈで走行する車両に対して、最大で約４００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させた試験例（試験例１，３）が示されている。
また、「非常ブレーキ向上試験」では、３００ｋｍ／ｈ又は４００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、より高く最大で約５００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で地震ブレーキを作動させた試験例（試験例２，４）が示されている。

《試験例１》
試験例１に示される「非常ブレーキ相当試験」では、図４に示すように、３００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、およそ４００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例１の「非常ブレーキ相当試験」では、３００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、目標設定値となる４００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対して、±３０ｋＰａの範囲内でかつ変動周期が０．８ｓ以上（本例では１．２ｓ）となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。

そして、上記のようなブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対する正弦波状の圧力変動を行わせることにより、ブレーキ性能（ブレーキトルク、瞬間摩擦係数、ブレーキ距離等）が大幅に改善されたことが確認されている。
具体的には、図５（ａ）に示されるように正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」（以下、「従来制御」と言う）と、図５（ｂ）に示される正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」（以下、「提案制御」と言う）とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、図５（ｂ）で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にてブレーキトルクをそれぞれ５回ずつ測定したが、図５（ａ）及び（ｂ）の各グラフではそれら測定値の平均を示した。

また、図６（ａ）に示されるように「従来制御」と、図６（ｂ）に示される「提案制御」とを比較して分かるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の瞬間摩擦係数について、図６（ｂ）で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にて瞬間摩擦係数をそれぞれ５回ずつ測定したが、図６（ａ）及び（ｂ）の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
また、図６（ｂ）の「提案制御」では、ブレーキシリンダに正弦波状の圧力変動を与えることにより、所定の振幅を有する瞬間摩擦係数が得られるが、その振幅の範囲（正弦波の山と谷の頂点のプロット）を破線で示し、振幅の中央となる平均値を実線で示した。

また、図７（ａ）に示されるように「従来制御」及び「提案制御」の平均停止距離（ｍ）を比較して分かるように、「従来制御」の平均停止距離が５１８２ｍ、「提案制御」の平均停止距離が４４７５ｍとなり、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１４％短縮されたことが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１４％短縮されたとしても、図７（ａ）に示されるように、ディスク最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）、ライニング最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１４％短縮されることに伴い、図７（ｂ）に示されるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の平均摩擦係数については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して１５％向上したことが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１４％短縮されたとしても、図７（ｃ）に示されるように、ディスク締結ボルト応力（引張応力、曲げ応力、軸力、最大軸力、最大荷重振幅）については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
また、図７（ｄ）に示されるように、圧力発生装置の排気路の平均流量については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して５０％増加し、「提案制御」の停止距離向上に貢献したことが確認されている。

《試験例２》
試験例２に示される「非常ブレーキ向上試験」では、図８に示すように、３００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、およそ５００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で地震ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例２の「非常ブレーキ向上試験」では、３００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、目標設定値となる５００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対して、±３０ｋＰａの範囲内でかつ変動周期が０．８ｓ以上（本例では１．２ｓ）となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。

そして、上記のようなブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対する正弦波状の圧力変動を行わせることにより、ブレーキ性能（ブレーキトルク、瞬間摩擦係数、平均停止距離等）が大幅に改善されたことが確認されている。
具体的には、図９（ａ）に示されるように正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、図９（ｂ）に示される正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、図９（ｂ）で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にてブレーキトルクをそれぞれ３回ずつ測定したが、図９（ａ）及び（ｂ）の各グラフではそれら測定値の平均を示した。

また、図１０（ａ）に示されるように「従来制御」と、図１０（ｂ）に示される「提案制御」とを比較して分かるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の瞬間摩擦係数について、図１０（ｂ）で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にて瞬間摩擦係数をそれぞれ３回ずつ測定したが、図１０（ａ）及び（ｂ）の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
また、図１０（ｂ）の「提案制御」では、ブレーキシリンダに正弦波状の圧力変動を与えることにより、所定の振幅を有する瞬間摩擦係数が得られるが、その振幅の範囲（正弦波の山と谷の頂点のプロット）を破線で示し、振幅の中央となる平均値を実線で示した。

また、図１１（ａ）に示されるように「従来制御」及び「提案制御」の平均停止距離（ｍ）を比較して分かるように、「従来制御」の平均停止距離が３０５１ｍ、「提案制御」の平均停止距離が２８２８ｍとなり、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して７％短縮されたことが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して７％短縮されたとしても、図１１（ａ）に示されるように、ディスク最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）、ライニング最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して７％短縮されることに伴い、図１１（ｂ）に示されるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の平均摩擦係数については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して７％向上したことが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して７％短縮されたとしても、図１１（ｃ）に示されるように、ディスク締結ボルト応力（引張応力、曲げ応力、軸力、最大軸力、最大荷重振幅）については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
また、図１１（ｄ）に示されるように、圧力発生装置の排気路の平均流量については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して５０％増加し、「提案制御」の停止距離向上に貢献したことが確認されている。

《試験例３》
試験例３に示される「非常ブレーキ相当試験」では、図１２に示すように、４００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、およそ４００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例３の「非常ブレーキ相当試験」では、４００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、目標設定値となる４００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対して、±３０ｋＰａの範囲内でかつ変動周期が０．８ｓ以上（本例では１．２ｓ）となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。

そして、上記のようなブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対する正弦波状の圧力変動を行わせることにより、ブレーキ性能（ブレーキトルク、瞬間摩擦係数、平均停止距離等）が大幅に改善されたことが確認されている。
具体的には、図１３に示されるように、正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。

また、図１４に示されるように「従来制御」と「提案制御」とを比較して分かるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の瞬間摩擦係数について、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。

また、図１５に示されるように「従来制御」及び「提案制御」の平均停止距離（ｍ）を比較して分かるように、「従来制御」の平均停止距離が１０９４０ｍ、「提案制御」の平均停止距離が９０８３ｍとなり、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１７％短縮されたことが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１７％短縮されたとしても、図１５に示されるように、ディスク最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）、ライニング最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して７％短縮されることに伴い、図１６に示されるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の平均摩擦係数については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して１５％向上したことが確認されている。

《試験例４》
試験例４に示される「非常ブレーキ向上試験」では、図１７に示すように、４００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、およそ５００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で地震ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例４の「非常ブレーキ向上試験」では、４００ｋｍ／ｈで走行していた車両に対して、目標設定値となる５００ｋＰａのブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対して、±３０ｋＰａの範囲内でかつ変動周期が０．８ｓ以上（本例では１．２ｓ）となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。

そして、上記のようなブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）に対する正弦波状の圧力変動を行わせることにより、ブレーキ性能（ブレーキトルク、瞬間摩擦係数、平均停止距離等）が大幅に改善されたことが確認されている。
具体的には、図１８に示されるように、正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。

また、図１９に示されるように「従来制御」と「提案制御」とを比較して分かるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の瞬間摩擦係数について、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。

また、図２０に示されるように「従来制御」及び「提案制御」の平均停止距離（ｍ）を比較して分かるように、「従来制御」の平均停止距離が７０９８ｍ、「提案制御」の平均停止距離が６３７２ｍとなり、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１０％短縮されたことが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１０％短縮されたとしても、図２０に示されるように、ディスク最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）、ライニング最高温度（ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式）の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。

また、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して１０％短縮されることに伴い、図２１に示されるように、制輪子を車輪踏面に押し付ける又はブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けた際の平均摩擦係数については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して１０％向上したことが確認されている。

以上詳細に説明したように本実施例に係る鉄道車両のブレーキ制御方法では、ブレーキシリンダ圧力（ＢＣ圧力）の目標設定値に対し、正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行うことにより、車輪踏面及び制輪子、又はブレーキディスク及びブレーキライニングの温度上昇を抑えながらブレーキトルク及び摩擦係数を向上させることができる。
これにより、鉄道車両のブレーキ制御方法では、試験例１〜４（図５〜図２１）の「提案制御」のブレーキトルク、瞬間／平均摩擦係数、平均停止距離、ディスク／ライニング温度に示されるように、ブレーキ距離のばらつきを小さく収めてブレーキ性能を安定化できるとともに、ブレーキ距離を短縮させることができる。

なお、上記実施形態では鉄道車両のブレーキ制御方法について説明した。
そして、このようなブレーキ制御方法は、鉄道車両の車輪にブレーキシリンダ圧力を供給して制動力を生じさせる圧力発生装置の内部に給気弁および排気弁（オン・オフ弁）とを具備し、該弁制御によってブレーキシリンダ圧力を変動させることができるブレーキ装置に適用されるものであって、前記ブレーキシリンダ圧力に対して正弦波状の変動を一定周期で与える制御を、前記オン・オフ弁に併設した弁制御手段にて行うようにする。このとき、弁制御手段に設定する処理は、図３に示すフローチャートに基づき行うものである。

また、本発明は、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して圧力変動を一定周期で与える制御を行うという制御方法に特徴を有しているものであり、実施形態に例示した特定の変動波形、圧力変動幅及び周期に限定されるものではない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、地震発生等の異常発生時に、速やかに停止させることができる鉄道車両のブレーキ制御方法、ブレーキ制御装置及びブレーキ制御プログラムに関する。

Claims

予め設定されたブレーキシリンダ圧力を車輪に供給して制動力を生じさせる鉄道車両において、
制御手段が、空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動に際し、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって前記ブレーキシリンダ圧力を設定圧力から所定周期で所定の変動範囲で増減させる変動圧力制御と、
制動される車輪が滑走したとの判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、
再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御と、
を行う制御方法であって、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする鉄道車両のブレーキ制御方法。
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力の変動は、速度に対応した前記ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±３０ｋＰａの範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、０．８秒以上の周期で変動するよう設定されることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力の変動は、速度に対応した前記ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±３０ｋＰａの範囲でかつ１．２秒の周期に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力を供給する圧力発生装置の内部に給気弁と排気弁で構成されるオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を所定周期で作動させることにより、前記変動圧力を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
予め設定されたブレーキシリンダ圧力を鉄道車両の車輪に供給して制動力を生じさせる圧力発生装置の内部に給気弁および排気弁から成るオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を開閉することにより、ブレーキシリンダ圧力を変動させて、
空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動の場合に、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって前記ブレーキシリンダ圧力を所定周期で所定の変動範囲で増減させる変動圧力制御と、制動される車輪が滑走した判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御とを行う制御手段を有し、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする、
ブレーキ制御装置。
制御手段が、空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動と判断した場合に、鉄道車両の車輪に制動力を作用させるブレーキシリンダ圧力を目標とする設定値に対し、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって所定周期で所定の変動範囲で増減する変動圧力制御と、制動される車輪が滑走した判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御とを行うよう制御し、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする、
ブレーキ制御プログラム。