JP6901314B2

JP6901314B2 - ブレーキ制御装置

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Publication number: JP6901314B2
Application number: JP2017092915A
Authority: JP
Inventors: 上野　雅之; 雅之上野; 学志小林
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: US10668906B2; JP2018191448A; TWI793117B; US20180326954A1; TW201900453A

Description

本開示は、ブレーキ制御装置に関する。

鉄道車両には、非常事態時に鉄道車両を停止させる非常用のブレーキが設けられている。非常用ブレーキには、車両が停止するまでのブレーキ距離をできるだけ小さくすることが求められる。しかし、鉄道車両用のブレーキでは、単純にブレーキ力を大きくすると車輪が軌道に対して滑る滑走状態が発生する。そのため、ブレーキ力を大きくすると却ってブレーキ距離が延びるおそれがあるほか、車輪が損傷するおそれもある。

そこで、特許文献１では、編成した複数の車両のうち、滑走した車両のブレーキ力を低減し、他の車両のブレーキ力で全体のブレーキ力を補償することで、編成全体での減速度を確保する方法が提案されている。

特開２００６−１４５４３号公報

車輪の粘着状態は、天候、気温、軌道状態、振動等の外乱などにより変化するほか、先頭車両からの距離によっても異なる。そのため、上記特許文献１の方法では、車輪と軌道との粘着状態が極めて悪い場合などには、他の車両によるブレーキ力の補償によって滑走が助長され、ブレーキ距離が却って大きくなるおそれがある。

本開示の一局面は、車輪の粘着状態に合わせて、非常停止時のブレーキ距離を短縮できるブレーキ制御装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、鉄道車両の非常用のブレーキ制御装置である。ブレーキ制御装置は、ブレーキ装置と、ブレーキ制御部と、滑走検知部とを備える。ブレーキ装置は、制動力を発生させる。ブレーキ制御部は、ブレーキ装置の作動を制御する。また、ブレーキ制御部は、滑走情報に基づきブレーキ装置に出力するブレーキパターンを変更する。滑走検知部は、車輪の滑走情報を取得する。

このような構成によれば、車輪の滑走情報、つまり粘着状態に合わせて非常時のブレーキパターンを最適に変化させることができる。そのため、滑走が小さい状態ではブレーキ力を大きくし、滑走が大きい状態ではブレーキ力を小さくするといった制御を最適化できる。その結果、非常停止時のブレーキ距離を短縮できる。

本開示の一態様は、ブレーキ制御部は、滑走軸減速度、滑走速度差、滑走反復回数、滑走継続時間、又はこれらの組み合わせによりブレーキパターンの変更を判断してもよい。このような構成によれば、ブレーキパターンの選択をより最適化することができる。

本開示の一態様は、ブレーキ制御部は、車両ごとに設けられるとよい。また、ブレーキ制御部は、各車両の滑走情報に基づき、車両ごとにブレーキパターンを決定してもよい。このような構成によれば、車両ごとの粘着状態に合わせてブレーキ制御を行うことができる。

図１は、第１実施形態のブレーキ制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。図２は、図１のブレーキ制御装置のブレーキ制御部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。図３は、第２実施形態のブレーキ制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すブレーキ制御装置１は、鉄道車両に設けられる非常用のブレーキ制御装置であり、鉄道車両を非常停止させる装置である。ブレーキ制御装置１は、制動力を発生させるブレーキ装置１０と、ブレーキ装置１０の作動を制御するブレーキ制御部２０と、鉄道車両の車輪の滑走情報を取得する滑走検知部３０とを備える。

ここで、「非常用のブレーキ」とは、非常事態時、つまり予期されない事態が発生した時に、鉄道車両を極力早く停止させるためのブレーキを意味する。非常時のブレーキでは、制動距離を短縮する考慮がされており、一般に通常のブレーキよりも制動距離が短い。なお、非常事態の具体例としては、地震の発生、常用のブレーキ装置の故障、保安装置の故障、乗務員がマニュアルで操作する場合などが挙げられる。

ブレーキ制御装置１のブレーキ装置１０、ブレーキ制御部２０、及び滑走検知部３０は、車両ごとに設けられる。つまり、本実施形態では、各車両の滑走情報Ｄに基づき、車両ごとにブレーキパターンＰを決定する。なお、本開示のブレーキ装置が搭載される鉄道車両は、１つの車両から構成されてもよいが、通常は複数の車両を編成したものである。

＜ブレーキ装置＞
ブレーキ装置１０は、鉄道車両の車輪に対して制動力を作用させることで、車輪の軸速度を低減する装置である。ブレーキ装置１０の種類は特に限定されず、機械ブレーキでも回生ブレーキでもよく、これらを組み合わせたものでもよい。また、機械ブレーキの場合の方式（例えば、踏面ブレーキ、ディスクブレーキ等）も問わない。

ブレーキ装置１０は、ブレーキ制御部２０から出力されるブレーキパターンＰに対応して、車輪への制動力を調整可能に構成されている。ブレーキ装置１０は、通常、車両の各車輪に設けられる。

＜ブレーキ制御部＞
ブレーキ制御部２０は、ブレーキ装置１０にブレーキパターンＰを出力することで、ブレーキ装置１０の作動を制御する。ブレーキ制御部２０は、非常ブレーキ指令Ｅが入力された際に、後述する非常ブレーキ処理を実行する。

ブレーキパターンＰは、ブレーキ装置１０が機械ブレーキを有する場合は指令電流等として、ブレーキ装置１０が回生ブレーキを有する場合は指令電圧等として、ブレーキ装置１０に出力される。

ブレーキ制御部２０は、滑走検知部３０から送られる滑走情報Ｄに基づく滑走指標を用いて、ブレーキ装置１０に出力するブレーキパターンＰを変更する。なお、ブレーキ制御部２０には、滑走検知部３０から送られる滑走情報Ｄ以外にも、空気バネ圧センサ等からのデータも送られる。これらのデータを滑走情報Ｄと組み合わせて非常ブレーキの制御に用いてもよい。

滑走情報Ｄに基づく滑走指標は、車輪の滑走状態に合わせたブレーキパターンＰの選択の指標になるものであれば限定されない。そのような指標の中でも、滑走指標としては、滑走軸減速度、滑走速度差、滑走反復回数及び滑走継続時間が好適である。これらは滑走の有無及びその程度の指標となる。また、これらの中でも滑走軸減速度が好ましい。また、滑走軸減速度又は滑走速度差に、滑走反復回数及び滑走継続時間の少なくとも一方を組み合わせたものも好ましい。なお、滑走速度差の替りに、ほぼ同義である「すべり率」を用いてもよい。以下、各指標について説明する。

（滑走軸減速度）
比較的大きな滑走においては、滑走軸減速度は、車輪軸のブレーキ力と粘着力との差に比例する。

したがって、各車輪軸の滑走軸減速度β_ｓｋｉｄ［ｋｍ／ｈ／ｓ］は、下記式（１）により求められる。
Ｉ・β_ｓｋｉｄ＝ｋ（Ｆ_Ｂ−Ｆ_ＭＡＸ）・・・（１）
上記式（１）中、Ｉは１つの車輪軸の慣性モーメント［ｋｇ・ｍ^２］、ｋは係数、Ｆ_Ｂはこの車輪軸のブレーキ力［Ｎ］、Ｆ_ＭＡＸは下記式（２）で表される粘着力［Ｎ］である。

Ｆ_ＭＡＸ＝ｆ（μ，Ｖ）・・・（２）
上記式（２）中、μは粘着係数、Ｖは車両速度である。
上記変数中、車輪軸の慣性モーメントＩ、粘着力Ｆ_ＭＡＸは既知である。したがって、ブレーキ力ＦＢに基づいて、滑走軸減速度βｓｋｉｄを算出できる。滑走軸減速度は、車輪軸の粘着係数と同様の指標と考えることができる。

（滑走速度差）
滑走速度差は、滑走車輪の速度と車両速度との差である。ここで、車両速度とは、最も回転の速い車輪軸の回転速度を走行速度に換算した値である。また、滑走速度差を車両速度で除したものがすべり率である。滑走速度差又はすべり率を指標として使用することで、滑走している軸の減速度の下限値と粘着軸（つまり、滑走していない軸）の減速度との中間に軸の減速度を調整することで滑走を抑える制御を行うことができる。

（滑走反復回数）
滑走反復回数は、一定時間に滑走状態と粘着状態（つまり、滑走が検知されない状態）との間を行き来した回数である。短時間で滑走及び再粘着が繰り返される状態は、粘着状態が続いているように判定される可能性があるが、実際にはブレーキ力が伝達され難い状態である。そこで、滑走反復回数を指標とすることで、的確なブレーキ制御が行える。

滑走反復回数は、単独で指標として用いることも可能であるが、特に滑走軸減速度、又は滑走速度差と組み合わせた指標として用いることで、滑走を効果的に低減することができる。

（滑走継続時間）
滑走継続時間は、粘着の程度に関わらず、滑走が発生している（つまり、滑走を検知している）時間を総計したものである。滑走継続時間によって滑走の抑制を図ることができる。

滑走継続時間は、単独で指標として用いることも可能であるが、特に滑走軸減速度、又は滑走速度差と組み合わせた指標として用いることで、滑走を効果的に低減することができる。

＜滑走検知部＞
滑走検知部３０は、各車輪の滑走状態を検知し、滑走情報Ｄを取得する。滑走情報Ｄは、ブレーキ制御部２０に出力され、ブレーキパターンＰの変更の判断に供される。

滑走情報Ｄは、上述した滑走指標そのものであってもよいし、滑走指標を算出するための数値であってもよい。滑走情報Ｄの取得手段としては、公知のセンサ等を用いることができる。

［１−２．処理］
以下、図２のフロー図を参照しつつ、ブレーキ制御部２０が実行する非常ブレーキ処理について説明する。

非常ブレーキ指令Ｅが入力されることで、ブレーキ制御部２０は、非常ブレーキ処理を開始する。処理開始後、ブレーキ制御部２０は、まず初期設定のブレーキノッチに対応するブレーキパターンＰをブレーキ装置１０に出力する（ステップＳ１０）。これにより、ブレーキ装置１０によって車輪にブレーキ力が加えられる。

初期ブレーキパターンの出力後、ブレーキ制御部２０は滑走制御を行う（ステップＳ２０）。滑走制御では、ブレーキ制御部２０は、滑走検知部３０で得た滑走情報Ｄに基づき、滑走指標の算出等を行う。滑走制御は、従来のブレーキ制御装置の制御を流用することができる。

次いで、ブレーキ制御部２０は、得られた滑走指標に基づいて滑走判定を行う（ステップＳ３０）。この滑走判定では、得られた滑走指標と予め設けられた閾値との比較が行われる。

まず、ブレーキ制御部２０は、滑走指標Ｘが閾値Ａ１よりも大きいか判定する（ステップＳ４０）。滑走指標Ｘが閾値Ａ１よりも大きい場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、ブレーキ制御部２０は、ブレーキノッチを下げ、ブレーキパターンＰをブレーキ力が小さくなる方向（つまり、下位）にシフトする（ステップＳ５０）。

一方、滑走指標Ｘが閾値Ａ１以下の場合（Ｓ４０：Ｎｏ）、ブレーキ制御部２０は、さらに滑走指標Ｘが別の閾値Ａ２よりも小さいか判定する（ステップＳ６０）。滑走指標Ｘが閾値Ａ２よりも小さい場合（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、ブレーキ制御部２０は、ブレーキノッチを上げ、ブレーキパターンＰをブレーキ力が大きくなる方向（つまり、上位）にシフトする（ステップＳ７０）。滑走指標Ｘが閾値Ａ２以上の場合（Ｓ６０：Ｎｏ）、ブレーキパターンＰのシフトは行われない。なお、閾値Ａ２は閾値Ａ１以下の値である。したがって、図２のフロー図では、滑走指標Ｘが閾値Ａ２以上閾値Ａ１以下の場合、ブレーキパターンＰは変更されない。

ステップＳ５０或いはステップＳ７０を経た後、又は滑走指標Ｘが閾値Ａ２以上の場合（Ｓ６０：Ｎｏ）、ブレーキ制御部２０は、非常ブレーキ指令Ｅが解除されているか判定する（ステップＳ８０）。非常ブレーキ指令Ｅが解除されていれば（Ｓ８０：Ｙｅｓ）、ブレーキ制御部２０は、非常ブレーキ処理を終了する。非常ブレーキ処理が終了すると、ブレーキ制御部２０は、ブレーキ装置１０へブレーキ出力の停止信号を出力する。これにより、非常ブレーキが解除される。

一方、非常ブレーキ指令Ｅが継続していれば（Ｓ８０：Ｎｏ）、非常ブレーキ処理は、滑走制御（Ｓ２０）に戻り、ブレーキ制御部２０は、滑走制御（Ｓ２０）から繰り返し処理を行う。このループ処理は、非常ブレーキ指令Ｅが解除されるまで継続される。

ここで、滑走指標Ｘと閾値Ａ１，Ａ２との具体例を説明する。滑走指標Ｘが例えば滑走軸減速度の場合、上限値である閾値Ａ１は、車輪の再粘着性等を考慮した数値とされ、この数値を超えた場合にブレーキノッチが下げられることになる。また、下限値である閾値Ａ２は、例えば滑走と判断できる限界減速度（つまり、滑走検知の閾値）とすることができる。

滑走指標Ｘが、滑走速度差又はすべり率、滑走反復回数、滑走継続時間等の場合も同様である。なお、複数の滑走指標を組み合わせて用いる場合では、滑走判定（Ｓ３０）における判定フローが各滑走指標ごとに多段に設けられてもよいし、複数の滑走指標を組み合わせた判定式（例えば、滑走指標Ｘ１＜Ａ１かつ滑走指標Ｘ２＞Ｂ１など）を用いてもよい。

このように、図２のフロー図はあくまで一例であり、Ｘ＜Ａ２（Ｓ６０）の判定を先に行ってからＸ＞Ａ１（Ｓ４０）の判定を行ってもよいし、これらの判定のどちらか一方だけを行ってもよい。また、上述のように、３以上の判定式を用いてブレーキパターンＰの変更を判定してもよい。また、滑走指標Ｘの内容によっては、Ｘ＞Ａ１のときにブレーキパターンＰをブレーキ力が大きくなる方向にシフトし、Ｘ＜Ａ２のときにブレーキパターンＰをブレーキ力が小さくなる方向にシフトしてもよい。

さらに、現在のブレーキパターンＰに合わせて、閾値Ａ１，Ａ２を適宜変更することも可能である。つまり、ブレーキパターンＰに対応する閾値Ａ１，Ａ２のテーブルを用意してもよい。例えば、ブレーキパターンＰが下位にシフトした場合は、閾値Ａ２の値を大きく設定し直し、粘着が回復した時点でブレーキパターンＰが上位に戻るように設定することも可能である。

また、非常ブレーキ処理において一度ブレーキパターンＰを下位にシフトした後は、ブレーキパターンＰを上位に戻すことなく、以降は下位へのシフトのみを許容するといった条件を付加することも可能である。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）車輪の滑走情報、つまり粘着状態に合わせて非常時のブレーキパターンを最適に変化させることができる。そのため、滑走が小さい状態ではブレーキ力を大きくし、滑走が大きい状態ではブレーキ力を小さくするといった制御を最適化できる。このようなブレーキパターンの制御により、非常ブレーキ処理中の総ブレーキ力を大きくし、ブレーキ距離を従来よりも短縮できる。

（１ｂ）ブレーキパターンＰの変更の判定に使用する滑走情報Ｄは、従来から車両で検知されている情報が使用できるため、従来の機器で検知できる。また、この滑走情報Ｄに基づく滑走軸減速度等は、従来の滑走制御でも用いられている指標であるため、閾値の設定が容易であり、かつ信頼性が高い。その結果、信頼性の高いブレーキ制御装置１を低コストで構築することができる。

（１ｃ）ブレーキ制御部２０は、車両ごとに設けられており、各車両の滑走情報に基づき、車両ごとにブレーキパターンＰを決定できる。そのため、車両ごとの粘着状態に合わせてブレーキ制御を的確に行うことができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図３に示すブレーキ制御装置２は、鉄道車両に設けられる非常用のブレーキ制御装置であり、鉄道車両を非常停止させる装置である。ブレーキ制御装置２は、制動力を発生させる複数のブレーキ装置１１，１２と、複数のブレーキ装置１１，１２の作動を制御する１つのブレーキ制御部２０と、鉄道車両の車輪の滑走情報を取得する複数の滑走検知部３１，３２とを備える。

ブレーキ装置１１，１２、ブレーキ制御部２０、及び滑走検知部３１，３２は、それぞれ図１のブレーキ装置１０、ブレーキ制御部２０、及び滑走検知部３０と同じものであるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、ブレーキ制御装置２のブレーキ装置１１，１２、及び滑走検知部３１，３２は車両ごとに設けられているが、ブレーキ制御部２０は１つの車両のみに設けられている。具体的には、図３に示すように、ブレーキ装置１１、ブレーキ制御部２０、及び滑走検知部３１は１つの車両１０１に配置され、ブレーキ装置１２、及び滑走検知部３２は、別の車両１０２に配置されている。

ブレーキ制御部２０は、車両１０１の滑走検知部３１からの滑走情報Ｄ１、及び車両１０２の滑走検知部３２からの滑走情報Ｄ２、それぞれに基づき、車両１０１，１０２のブレーキパターンＰをそれぞれ決定する。ブレーキパターンＰは、ブレーキ制御部２０から、各車両のブレーキ装置１１，１２にそれぞれ出力される。

なお、図３では、２つのブレーキ装置及び滑走検知部と１つのブレーキ制御部とで構成されるブレーキ制御装置２を示したが、ブレーキ制御装置２は、３以上のブレーキ装置及び滑走検知部を含んでもよい。つまり、３以上の車両を含む編成も本実施形態の対象である。さらに、車両群を複数のグループに分割し、それぞれのグループに１つずつブレーキ制御部を設けてもよい。

［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）編成全体のブレーキ制御を１つのブレーキ制御部２０で一括して行えるので、車両ごとにブレーキ制御部２０を設ける場合に比べ、ブレーキ制御装置を簡潔な構成とすることができ、コストを低減できる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）上記第１実施形態のブレーキ制御装置１と、上記第２実施形態のブレーキ制御装置２とは組み合わせることができる。つまり、編成された複数の車両のうち、一部の車両にはブレーキ制御部２０を１つずつ配置し、残りの車両全体、又は残りの車両を複数に分けたグループを１つのブレーキ制御部２０でまとめて制御してもよい。

（３ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，２…ブレーキ制御装置、１０，１１，１２…ブレーキ装置、
２０…ブレーキ制御部、３０，３１，３２…滑走検知部、１０１，１０２…車両、
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…滑走情報、Ｅ…非常ブレーキ指令、Ｐ…ブレーキパターン。

Claims

鉄道車両の非常用のブレーキ制御装置であって、
制動力を発生させるブレーキ装置と、
前記ブレーキ装置の作動を制御するブレーキ制御部と、
車輪の滑走情報を取得する滑走検知部と
を備え、
前記ブレーキ制御部は、前記滑走情報に基づく滑走軸減速度が第１閾値よりも大きい場合にブレーキ力が小さくなるように前記ブレーキ装置に出力するブレーキパターンを変更し、前記滑走軸減速度が第２閾値よりも小さい場合にブレーキ力が大きくなるように前記ブレーキパターンを変更し、
前記滑走軸減速度は、１つの車輪軸の慣性モーメントＩ、係数ｋ、前記車輪軸のブレーキ力Ｆ _Ｂ、及び前記車輪軸の粘着力Ｆ _ＭＡＸを用いて、下記式（１）のβ _ｓｋｉｄとして求められる、ブレーキ制御装置。
Ｉ・β _ｓｋｉｄ＝ｋ（Ｆ _Ｂ −Ｆ _ＭＡＸ）・・・（１）
請求項１に記載のブレーキ制御装置であって、
前記ブレーキ制御部は、車両ごとに設けられ、各車両の前記滑走情報に基づき、車両ごとに前記ブレーキパターンを決定する、ブレーキ制御装置。