JP7250018B2 - 鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、鉄道車両に関する車輪－レール接触力をモニターするシステムの分野にあり、特には、鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するシステム及びその方法に言及する。

線路上を走っている間、鉄道車両は、車輪－レールの接触、これは列車が線路に従うことを可能にする、を通して地上に力を放出する。交換される力は、線路の特性、列車の動的挙動及び輸送している荷重に依存する。

近年、車輪－レールの接触力をモニターするシステムは、インフラストラクチャー・マネージャー（ＩＭ）及び鉄道事業者（ＲＵ）のような鉄道部門における様々な当事者の興味を引きつけた。その興味は、特に、動いている車両をリアルタイムでモニターする可能性、よって関連する修正措置を取るために鉄道事業者（ＲＵ）へいずれのノンコンプライアンスも報告する可能性に関係する。

接触力監視システムは、次のものに分類されることができる。即ち、
－ 列車に搭載されたシステム、
－ 車軸及び／又は車輪の変形測定システム、
－ 主として車両承認時に使用されるシステム
－ 地上に設置されたシステム
－ 軌道変形測定システム、及び
－ 中長期間に使用され、主に診断システムとして使用されるシステム。

車輪とレールとの間で交換される接触力量は、標準規格ＵＮＩ ＥＮ１４３６３において確立された制限の遵守に依存する。このような標準規格は、車両承認の目的のための準静的な及び動的試験の成績を規制する。標準規格によって課される限度は、直接次のものに関係する。即ち、
－ 軌道が提供しなければならない構造的性能、
－ 脱線に関する安全性、
－ 正確な軌道形状の経時的なメンテナンス、及び
－ 走行の快適さ。

列車に搭載された測定システムに注目することによって、接触力は、３つの空間方向、つまり鉛直力Ｆvert、横力Ｆlat、及び前後力Ｆlong（図１に図示されるように）に分類することができる。

接点力を測定するための様々な方法がこの数年にわたって開発されている。これらの既知の方法は、本質的に、様々な場所での輪軸の変形を測定することによって接触力を推定することに基づいている。用語「輪軸」は、２つの車輪とそれらを接続する車軸からなるアセンブリを示すために使用される。そのような場所は、車軸にあるいは車輪の中心に位置決めされてもよい。したがって、力の測定は直接ではなく、変形測定から接触力値を決定するための較正作業を要する。

測定システムを較正し、及び車軸の変形から始まる接触力を推定するために、車軸及び／又は鉄道車両の車輪に、１つ以上の歪みゲージ（種々の形態における、例えばホイートストンブリッジ等）を装着することが、当該技術分野において知られている。

したがって、現在、車輪－レール接触力を推定するための唯一の主な目的は、基礎構造及び車両を、並びに、それらのメンテナンス及び／又は修正作業の関連のスケジュールをモニターすることである（図２におけるブロック図において示されるように）。

したがって、不利なことに、車輪－レール接触力の推定値によって、車輪－レール粘着値の推定が得られることを可能にする既知のシステム又は方法は、存在しない。

例えばＷＯ２０１３０３４６９８、ＥＰ２９１８４５９において、車輪－レール粘着値を測定するための既知の他のシステム及び方法が存在する。このようなシステム及び方法では、車輪－レール粘着値は、間接的測定（光学、温度、又は導電率のセンサー、等）によって、又は車軸に作用した制動力あるいは牽引力に基づいた粘着観測によってのみ推定される。

そのような粘着観測では、不利なことに、ブレーキシリンダにおける圧力からの制動力の推定値は、機械的特性及びアクチュエータの効率、動作条件（パッド温度、ディスク温度、回転速度、締付力、等）に依存するパッド－ディスク摩擦係数にリンクする大きな可変性、及び、環境条件（外部温度、湿度、等）に起因する、一連の誤差（誤差伝搬理論により増殖する）に依存することから、あまり正確ではなく信頼できるものではない。

同様に、モータによって生成／再生された電流からの牽引力／制動力の推定は、任意の電気モータに特有の電流とトルクとの間の変換に関する誤差に依存する。

更に、既知システムは、粘着の低下（レールにおける汚れ、等）の場合には、作用した全ての制動力又は牽引力が必ずしもレールに伝達されない（つまり、作用した全ての制動力又は牽引力が必ずしも前後方向粘着力になるとは限らない）という事実を考慮していない。

そのようなシステムの更なる例（上述したデメリットに悩まされている）は、イタリアの特許出願番号１０２０１６００００３４５３５号の、FAIVELEY TRANSPORT ITALIA S.p.Aによる、「Method for the control and possible recovery of the adhesion of the wheels of controlled axles of a railway vehicle」であり、これは、以下の式によって粘着値を決定する。

ここで、Ｆｍは、制動力又は牽引力の推定値である。

制動の場合、制動力Ｆｍは、システムに知られている、ブレーキシリンダに加えられる圧力に、空気圧アクチュエータに特有の圧力－力変換係数、レバー比及びてこ効率、ディスクブレーキの場合ではパッドとディスクとの間の摩擦係数、を乗算することで得られる。同様に、制動力Ｆｍは、牽引又は電気力学的制動の場合、牽引又は制動においてモータによってそれぞれ供給／再生される電流値によって得られてもよい。協調ブレーキの場合には、空気及び電気力学的制動のそれぞれの係数によって適宜に重み付けされた、２つの貢献度の合計が制動力Ｆｍを提供するだろう。

したがって、本発明の目的の１つは、車軸のねじり変形から始まる、車軸からレールへ伝達される前後力の推定を可能にすることである。そのようなねじり変形は、レールに伝達される前後力の関数として、直接の車輪－レール粘着値を推定するために使用され、即ち、作用される制動力又は牽引力を推定する必要なしで、車軸の制動又は牽引のための有効な力を推定する。

そのような結果を得るために、システムは、半径Ｒを有する２つの車輪がつながれた少なくとも１つの車軸を含む鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するために提案されている。

そのようなシステムは、軌条車両車軸につながれた変形検出回路を備える。

変形検出回路は、車軸からレールへ伝達された力に起因する車軸のねじり変形を検出するように設けられる。

車輪－レール粘着値を決定するためのシステムは、さらに、変形検出回路によって検出されたねじり変形の関数としてのトルク値を推定するように設けた制御手段を備える。

この制御手段は、車輪の半径Ｒの関数として、推定されたトルク値を前後方向粘着力値に変換するために、かつ前後方向粘着力値と、車軸がレールに及ぼす垂直荷重値との比によって車輪－レール粘着値を計算するために、さらに設けられている。

対応する方法は、車輪－レール粘着値を決定するためにさらに提案されている。

発明の１つの態様によれば、上述の及び他の目的、並びに利点は、請求項１において規定された特徴を有する車輪－レール粘着値を決定するシステムによって、及び請求項６において規定された特徴を有する車輪－レール粘着値を決定する方法によって、達成される。発明の好ましい実施形態は、従属請求項において規定されている。

図１は、レール上にある鉄道車両の車軸を図示し、３つの空間方向に分割された、鉛直力、横力及び前後力を特定する接触力を図示する。 図２は、従来技術によって構築されたシステムによって通常取られるステップを説明するブロック図である。 図３は、変形検出回路がつながれる鉄道車両の車軸を図示する。 図４は、例示によるもので、列車の移動の間にねじり変形を受けた変形検出回路によって生成された信号を示す。

発明による車輪－レール粘着値を決定するシステム及び方法のいくつかの好ましい実施形態の機能的及び構造的な特徴が添付の図面を参照して記述される。

発明の複数の実施形態を詳細に説明する前に、発明は、その適用において、以下に記述された又は図面において図示された構成部分の構造及び構成の詳細に限定されないということを明らかにされるべきである。本発明は、他の実施形態を取ってもよく、本質的に異なる方法において実施又は達成されてもよい。また、表現及び用語は、説明を含む目的を有しており、制限するものとして解釈されるべきでないことはさらに理解されねばならない。「含む（include）」及び「備える（comprise）」並びにそれらの変形語は、追加の要素及びその等価物と同様に、以後に述べられる要素及びその等価物を包含するように理解されるべきである。

さらに、本明細書及び請求範囲の全体にわたって、「長手（前後）の」、「横の」、「鉛直の」あるいは「水平の」のような、位置及び配向を示す用語及び表現は、列車の走行方向を参照するものである。

例示目的で、最初に図３を参照して、発明による車輪－レール粘着値の決定用のシステムに属する変形検出回路１０に連結された鉄道車両の車軸１が示されている。

発明の１つの実施形態では、半径Ｒを有する２つの車輪が連結されている少なくとも１つの車軸１を含む、鉄道車両に対する車輪－レール粘着値を決定するためのシステムは、鉄道車両の車軸１と対になった変形検出回路１０を備える。

変形検出回路は、レール上の車軸によって伝達された、前後方向粘着力Ｆlong（列車の走行方向に沿った）に起因する車軸のねじり変形を検出するために設けられる。

車輪－レール粘着値を決定するそのようなシステムは、変形検出回路によって検出されたねじり変形の関数としてトルク値を推定するために設けられる制御手段をさらに備える。

制御手段は、車輪の半径Ｒの関数として、推定されたトルク値を前後方向粘着力値Ｆlongに変換し、かつ前後方向粘着力値Ｆlongと、車軸がレールに及ぼす垂直荷重値との比によって車輪－レール粘着値を計算するためにさらに設けられる。

そのような垂直荷重値は、車軸に作用する静止質量によって、あるいは既知の動荷重測定システム（例えば、ロードセル、サスペンション圧力、等）によって決定されてもよい。

推定されたトルク値の前後方向粘着力値Ｆlongへの変換は、例えば、制御手段により、推定されたトルク値と車輪の半径Ｒの値との比によって行われてもよい。変換に使用された式は、例えば以下のものでもよい：
粘着力［Ｎ］＝トルク［Ｎｍ］／Ｒ［ｍ］

制御手段は、例えば、局所的に変形検出回路１０の近くに、あるいは直接、変形検出回路１０に配置されてもよい。あるいはまた制御手段は、他の車両に搭載の制御ユニットにおいて、又は鉄道車両に関連する遠隔制御ステーションにおいて、変形検出回路１０に対して遠隔に配置されてもよい。したがって制御手段は、特別の配線を介して、あるいは無線接続（遠隔測定）を介して変形検出回路からデータを受信することができる。

制御手段は、例えば、必ずではないが、制御ユニット、プロセッサー、あるいはマイクロコントローラであってもよい。

言い換えると、図４を参照して、ねじり変形の評価の場合、車軸がさらされるねじり変形の平均値は、車軸の車輪とレールとの間で交換された前後力と相互に関連する。

車両が静止していて、外部トルク（例えば牽引又はブレーキトルク）が車軸に作用しない場合、歪みゲージ測定から得られるねじれ成分は、ゼロである。

車両が移動しており、車軸が牽引力あるいは制動力のいずれにもさらされない（惰行状態）場合、たとえ車軸が車軸の回転数及び固有振動数（典型的に約７０Ｈｚのオーダー）にリンクする周期的な振動を有するとしても、ねじれ成分の平均値は、ゼロである。

一方、ブレーキトルクあるいは牽引トルクのような外部トルクが車軸に作用する場合、車軸は、ねじり変形にさらされる。

変形検出回路１０からの出力信号は、それが牽引か制動かに依存した反対の符号と共に、車軸からレールへ伝達される前後力Ｆlongに比例した平均値を有するであろう。

変形検出回路１０は、少なくとも１つの歪みゲージセンサ手段及び／又は少なくとも１つの圧電センサ手段を備えてもよい。

単に説明する場合、例えば、変形検出回路は、既知のホイートストンブリッジ構成を使用して作製されてもよい。言い換えると、変形検出回路１０は、既知の「クオーターブリッジ」、「ハーフブリッジ」あるいは「フルブリッジ」変形と共に構成可能な、歪みゲージセンサ手段ブリッジを備える。

測定精度を改善するために、一つを超える歪みゲージセンサ手段及び／又は圧電センサ手段があってもよい。

車軸からレールへ伝達された前後力Ｆlongは、粘着力である。

粘着係数μは、前後方向粘着力Ｆlongと垂直荷重力Ｆvertとの比による定義である。即ち：
μ＝粘着力／垂直荷重力

本発明は、さらに、半径Ｒを有する２つの車輪をつなぐ少なくとも１つの車軸を含む鉄道車両に関する車輪－レールの粘着値を決定するための方法に関し、該方法は、
－ 車軸からレールへ伝達された前後方向粘着力Ｆlongに起因する車軸のねじり変形を検出すること、
－ 検出されたねじり変形の関数としてトルク値を推定すること、
－ 推定されたトルク値を、車輪の半径Ｒに従い前後方向粘着力Ｆlongの値に変換すること、及び
－ 前後方向粘着力値Ｆlongと、車軸によってレールに及ぼされた垂直荷重値との比によって車輪－レール粘着値を計算すること、
を備える。

推定されたトルク値の前後力粘着値Ｆlongへの変換は、例えば、推定されたトルク値と、車輪の半径Ｒの値との比によって行われてもよい。

この発明によって提供される利点は、それが車軸のねじり変形からスタートする前後力の推定を可能にするということである。

更なる利点は、加えられる制動力又は牽引力を推定する必要なしで、レールに伝達される前後力の関数として、つまり車軸のブレーキあるいは牽引用の有効な力を推定することによって、直接の車輪－レール粘着値の測定が得られることを可能にすることにある。

本発明による、車輪－レール粘着値を決定するためのシステム、及び車輪－レール粘着値を決定するための方法における異なる態様及び実施形態が記述された。それぞれの実施形態は、他の任意の実施形態と組み合わされてもよいことが理解される。さらに発明は、記述された実施形態に制限されず、添付の請求範囲によって定義された権利範囲内で変更されてもよい。

Claims (5)

1. 半径（Ｒ）を有する２つの車輪が連結された少なくとも１つの車軸を含む鉄道車両に関する車輪－レールの粘着値を決定するシステムであって、
   － 鉄道車両の車軸（１）につながれた変形検出回路で、車軸からレールへ伝達された前後方向粘着力（Ｆlong）に起因する車軸のねじり変形を検出するように配置された変形検出回路（１０）と、
   － 変形検出回路（１０）によって検出されたねじり変形の関数としてトルク値を推定するように構成された制御手段であって、さらに、車輪の半径（Ｒ）の関数として、推定された上記トルク値を前後方向粘着力（Ｆlong）の値へ変換し、かつ該前後方向粘着力（Ｆlong）の値と車軸がレールに与える垂直荷重値との比によって車輪－レール粘着値を計算するように構成された、上記制御手段と、
   を備えており、
   前後方向粘着力値（Ｆlong）へのトルク値の変換は、トルク値と車輪の半径（Ｒ）の値との比によって上記制御手段によって実行される、システム。
2. 変形検出回路（１０）は、少なくとも１つの歪みゲージセンサ手段を備える、請求項１に記載の鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するシステム。
3. 変形検出回路（１０）は、歪みゲージセンサ手段のブリッジを備える、請求項１又は２に記載の鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するシステム。
4. 変形検出回路は、少なくとも１つの圧電センサ手段を備える、請求項１から３のいずれかに記載の鉄道車両に関する車輪－レール粘着値を決定するシステム。
5. 半径（Ｒ）を有する２つの車輪が連結された少なくとも１つの車軸を含む鉄道車両に関する車輪－レールの粘着値を決定する方法であって、
   － 車軸からレールへ伝達された前後方向粘着力（Ｆlong）による車軸のねじり変形（１）を検出すること、
   － 検出されたねじり変形の関数としてトルク値を推定すること、
   － 車輪の半径（Ｒ）によって、推定されたトルク値を前後方向粘着力（Ｆlong）の値に変換すること、及び
   － 前後方向粘着力（Ｆlong）の値と、車軸（１）によってレールに及ぼされた垂直荷重値との比によって車輪－レール粘着値を計算すること、
   を備えており、
   前後方向粘着力（Ｆlong）の値への推定されたトルク値の変換は、トルク値と、車輪の半径（Ｒ）の値との比によって実行される、鉄道車両に関する車輪－レールの粘着値を決定する方法。

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