KR20130045930A - 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법 - Google Patents

철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법 Download PDF

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Abstract

차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때에 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 장치는, 차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 센서와, 주행 지점의 궤도 정보, 주행 속도 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하고, 하기식에 의해, 차체에 작용하는 이론 초과 원심 가속도αL을 연산하는 연산부와, 센서로 검출한 가속도 및 연산부로 구한 가속도αL에 의거하여, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출하는 연산부를 구비한다. 차체 경사 ON의 경우：αL=ηON×(V2/R－g×C/G), 차체 경사 OFF의 경우αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G). 상기 양쪽 식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R는 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량 및 G는 궤간을 나타낸다. 이에 의해, 차체에 발생하는 좌우 방향의 진동을 억제하기 위해, 진동 성분의 가속도를 간이한 구성으로 추정할 수 있다.

Description

철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING ACCELERATION OF VIBRATION COMPONENT IN RAILCAR}
본 발명은, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 즈음하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히, 철도 차량이 차체 경사 장치를 가지는 경우에 적절한 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법에 관한 것이다.
신칸센 등의 철도 차량은, 주행 중에, 스윙, 롤링 등의 진동 가속도가 부가됨에 따라, 좌우 방향의 진동이 발생한다. 이 진동은 승차감을 악화시키는 것으로부터, 일반의 철도 차량에는 진동 억제 장치가 탑재되고, 차체와 대차(臺車)의 사이에 공기 스프링이나 코일 스프링이나 댐퍼 등을 끼워 설치하여 차체가 대차로부터 받는 충격을 흡수함과 더불어, 좌우 방향으로 신축하는 액추에이터를 끼워 설치하여 차체의 진동을 감쇠시키도록 되어 있다.
액추에이터로서는, 공압 또는 유압을 구동원으로 하는 유체압식 액추에이터나, 전력을 구동원으로 하는 전동식 액추에이터 등이 채용된다. 액추에이터는, 대차측 및 차체측 중 어느 한쪽에 본체가 연결되고, 다른쪽에 가동의 로드가 연결되어 있으며, 차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 가속도 센서에 의해 검출하고, 검출한 가속도에 따라 로드를 신축 이동시킴으로써, 차체가 가진(加振)함과 동시에, 자신의 감쇠력을 조정하여, 진동을 감쇠시킨다.
그런데, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때, 가속도 센서로 검출되는 가속도에는, 차체에 진동을 발생시키는 진동 성분뿐만 아니라, 원심력에 기인하여 정상적으로 차체에 작용하는 정상 성분이 중첩되기 때문에, 가속도 센서로부터의 출력에만 의거하여 액추에이터의 신축 이동을 제어하는 것으로는, 차체의 진동을 효과적으로 억제할 수 없을 우려가 있다.
이 문제를 해결하는 종래의 기술로서, 예를 들어, 특허 문헌 1에는, 차체의 진동을 억제하는데에 감쇠력 가변의 댐퍼를 채용하고, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 즈음하여, 그 댐퍼를 스카이훅(Skyhook) 세미 액티브 제어하기 위해, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 추정하는 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법이 개시되어 있다.
동 문헌에 개시되는 추정 장치는, 차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 검지 수단과, 철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보 및 철도 차량의 주행 속도에 의거하여 차체에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 구하는 이론 초과 원심 가속도 연산 수단과, 검지 수단으로 검지한 가속도와 이론 초과 원심 가속도 연산 수단으로 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 구하는 진동 가속도 연산 수단을 구비한 구성이다. 동 문헌에 개시되는 추정 장치 및 추정 방법에서는, 이론 초과 원심 가속도αL을 구하는데에, 철도 차량이 대차에 대해 차체를 경사시키는 차체 경사 장치를 가지는 차체 경사 기구 부착의 경우와, 차체 경사 장치를 가지지 않는 비경사 차량인 경우로 구분하고, 하기의 (a)식 또는 (b)식을 이용하는 것으로 하고 있다.
차체 경사 기구 부착의 경우：
αL=D×(V2/R－g×C/G×β－g×θ)···(a)
비경사 차체의 경우：
αL=D×(V2/R－g×C/G×β)···(b)
단, 상기의 (a), (b)식 중에서, D는 선회 방향을 나타내는 양음의 부호, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, G는 궤간, β는 곡선 계수, 및 θ는 대차에 대한 차체의 경사 각도를 각각 나타낸다.
일본국 특허 공개 2009-40081호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1에 개시되는 추정 장치 및 추정 방법에서는, 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량의 경우, 이론 초과 원심 가속도를 구하는데에 상기 (a)식을 이용하는 것으로부터, 참조하는 파라미터가 많고, 산출식도 복잡하다. 이로 인해, 다대한 파라미터를 기억하는 대용량의 메모리가 필요해져, 시스템이 복잡화하고 대규모로 된다.
본 발명은, 상기의 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 즈음하여, 차체에 발생하는 좌우 방향의 진동을 억제하기 위해, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 간이한 구성으로 추정할 수 있는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기의 위해 실기의 주행 시험을 반복하고, 곡선 구간에서의 이론 초과 원심 가속도αL의 산출식을 여러 가지로 변경하여 진동의 억제 정도를 조사한 결과, 차체 경사 장치를 동작시키는 경우, 이론 초과 원심 가속도αL의 산출식에서 적절한 보정 계수를 설정하면, 차체 경사 각도θ를 엄격히 고려하지 않아도, 진동의 억제 효과가 거의 변하지 않는 것을 지견했다. 이는, 차체 경사 각도θ가 최대에서도 2°정도 작고, 차체 경사 장치를 동작시키는 주행 속도V가, 예를 들어 신칸센의 경우는 275[km/h］이상으로 고속인 점으로부터, 이론 초과 원심 가속도αL을 산출할 때, 주행 속도V에 비해 차체 경사 각도θ의 영향이 현격하게 작은 것에 따른다고 추측된다.
본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성시킨 것으로서, 그 요지는, 하기 (1)에 개시하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치, 및 하기 (2)에 개시하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법에 있다.
(1) 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때에, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치로서,
차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 가속도 검출 수단과,
철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하고, 하기의 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산하는 이론 초과 원심 가속도 연산 수단과,
가속도 검출 수단으로 검출한 가속도, 및 이론 초과 원심 가속도 연산 수단으로 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출하는 진동 가속도 연산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치이다.
차체 경사 동작 ON의 경우：
αL=ηON×(V2/R－g×C/G)···(1)
차체 경사 동작 OFF의 경우：
αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G)···(2)
단, 상기의 (1)식과 (2)식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, 및 G는 궤간을 각각 나타낸다.
상기의 추정 장치에 있어서, 상기 진동 가속도 연산 수단은, 상기 가속도 검출 수단으로 검출한 가속도와 상기 이론 초과 원심 가속도 연산 수단으로 구한 이론 초과 원심 가속도αL의 차를 연산하여 상기 진동 성분의 가속도를 도출하는 구성인 것이 바람직하다.
상기의 추정 장치에 있어서, 상기 진동 가속도 연산 수단은, 도출한 상기 진동 성분의 가속도를 나타내는 신호를 또한 하이 패스 필터로 처리하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
(2) 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때에, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법으로서,
차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 가속도 검출 단계와,
철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하고, 하기의 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산하는 이론 초과 원심 가속도 연산 단계와,
가속도 검출 단계에서 검출한 가속도, 및 이론 초과 원심 가속도 연산 단계에서 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출하는 진동 가속도 연산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법이다.
차체 경사 동작 ON의 경우：
αL=ηON×(V2/R－g×C/G)···(1)
차체 경사 동작 OFF의 경우：
αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G)···(2)
단, 상기의 (1)식과 (2)식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, 및 G는 궤간을 각각 나타낸다.
상기의 추정 방법에 있어서, 상기 진동 가속도 연산 단계에서는, 상기 가속도 검출 단계에서 검출한 가속도와 상기 이론 초과 원심 가속도 연산 단계에서 구한 이론 초과 원심 가속도αL의 차를 연산하여 상기 진동 성분의 가속도를 도출하는 구성인 것이 바람직하다.
상기의 추정 방법에 있어서, 상기 진동 가속도 연산 단계에서는, 도출한 상기 진동 성분의 가속도를 나타내는 신호를 또한 하이 패스 필터로 처리하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법에 의하면, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 즈음하여, 차체 경사가 행해지는 경우여도, 차체에 발생하는 좌우 방향의 진동을 억제하기 위한 이론 초과 원심 가속도를 구하는데에, 차체 경사 각도를 참조하지 않은 산출식(상기 (1)식)을 이용하는 것으로부터, 종래의 산출식(상기 (a)식)과 비교하여, 파라미터로서 차체 경사 각도를 삭감할 수 있고, 산출식도 간략화할 수 있기 때문에, 파라미터를 기억하는 메모리의 용량을 저감하는 것이 가능해지며, 시스템을 간이한 것으로 할 수 있다. 그리고, 산출한 이론 초과 원심 가속도에 의거하여 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 정확하게 도출하여, 이를 이용해 차체의 진동 억제를 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 진동 성분 가속도 추정 장치를 탑재한 철도 차량의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 2는, 철도 차량이 주행하는 궤도의 일례로서 곡선 구간을 포함하는 궤도를 도시하는 모식도이다.
도 3은, 주행 지점에 궤도 정보를 관련지은 맵의 일례를 도시하는 도이다.
도 4는, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때의 상태를 도시하는 모식도이며, 도 4(a)는 차체 경사의 동작 ON의 경우를, 도 4(b)는 차체 경사의 동작 OFF의 경우를 각각 도시하고 있다.
도 5는, 곡선 구간을 주행할 때의 이론 초과 원심 가속도의 거동의 일례를 도시하는 도이다.
이하에, 본 발명의 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법에 대해, 그 실시 형태를 상술한다.
도 1은, 본 발명의 진동 성분 가속도 추정 장치를 탑재한 철도 차량의 구성예를 도시하는 모식도이다. 동 도에 도시한 바와 같이, 철도 차량의 일 차량은, 차체(1)와, 이 차체(1)를 전후로 지지하는 대차(2)로 구성되고, 레일(4)상을 주행한다. 차체(1)는, 대차(2)와의 사이에 끼워 설치된 공기 스프링(5)에 의해 탄성 지지되고, 대차(2)는, 차축(3)과의 사이에 끼워 설치된 축 스프링(6)에 의해 탄성 지지되어 있다. 또, 대차(2)와 차체(1)의 사이에는, 차량의 좌우 방향으로 신축 이동이 가능한 액추에이터(7)가 끼워 설치되어 있다.
도 1에 도시하는 액추에이터(7)는, 전동식 액추에이터로서, 본체측이 되는 전동 모터(21)의 주축(22)에 나사 홈이 설치되고, 이 주축(22)에 볼나사 너트(23)가 나사식 결합하며, 주축(22)과 같은 축형상의 로드(24)가 볼나사 너트(23)에 고정 설치된 구성이다. 액추에이터(7)는, 전동 모터(21)측의 일단부가 철도 차량의 차체(1)측에 연결됨과 더불어, 로드(24)측의 타단부가 철도 차량의 대차(2)측에 연결되어 있다.
또, 대차(2)와 차체(1)의 사이에는, 액추에이터(7)와 병렬로 감쇠력 가변의 유체압 댐퍼(8)가 끼워 설치되어 있다. 차체(1)의 전후좌우의 네 귀퉁이에는, 차체(1)에 작용하는 좌우 방향의 진동 가속도를 검출하는 가속도 센서(9)가 설치되어 있다.
또한, 차체(1)에는, 액추에이터(7) 및 유체압 댐퍼(8)의 작동을 제어하고 진동 억제의 제어를 맡는 진동 억제 제어기(10)가 설치되어 있다. 진동 억제 제어기(10)는, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)와, 진동 가속도 연산부(12)와, 진동 제어부(13)로 구성된다. 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하여, 차체(1)에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산한다. 진동 가속도 연산부(12)는, 가속도 센서(9)로 검출한 가속도, 및 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)로 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여, 차체(1)에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출한다. 진동 제어부(13)는, 진동 가속도 연산부(12)로부터 출력되는 진동 성분 가속도에 의거하여, 주로 액추에이터(7)의 작동을 제어하는 구동 신호를 송출한다.
차량의 주행 중, 액추에이터(7)는, 차체(1)에 작용하는 진동 성분 가속도에 따라, 진동 억제 제어기(10)로부터의 지령에 의해, 전동 모터(21)의 주축(22)의 회전각이 제어된다. 이에 의해, 액추에이터(7)는, 전동 모터(21)의 주축(22)의 회전운동이 볼나사 기구에 의해 직선 운동으로 변환되어 로드(24)가 신축 이동하고, 차체(1)를 가진함과 동시에, 자신의 감쇠력을 조정하여, 진동을 감쇠시킬 수 있다. 이때, 유체압 댐퍼(8)도 진동 감쇠 효과를 발휘한다.
도 1에 도시하는 철도 차량은, 차체 경사 장치를 가지고 있고, 곡선 구간을 고속으로 주행할 때에, 공기 스프링(5)의 내압을 좌우로 상이하게 함으로써, 대차(2)에 대해 차체(1)를 경사시킬 수 있다. 이 차체 경사의 제어는, 상기한 진동 억제의 제어와는 독립하여, 진동 억제 제어기(10)와는 상이한 차체 경사 제어기(14)로부터의 지령에 의해 행해진다.
상기의 예에서는, 액추에이터(7)로서 전동식 액추에이터를 이용하고 있는데, 유체압식 액추에이터를 이용할 수도 있다.
이하에, 철도 차량이 주행할 때의 진동 억제 제어기(10)에 따른 처리의 구체적인 양태를 설명한다.
도 2는, 철도 차량이 주행하는 궤도의 일례로서 곡선 구간을 포함하는 궤도를 도시하는 모식도이다. 동 도에 도시한 바와 같이, 차량의 진행 방향을 따라 직선 구간, 곡선 구간 및 직선 구간이 순서대로 이어지는 궤도에 있어서, 곡선 구간에는, 직선 구간과, 곡률 반경이 일정한 정상 곡선 구간의 사이의 이행을 순조롭게 하기 위해, 정상 곡선 구간의 입구측과 출구측의 각각에 완화 곡선 구간이 설치된다. 완화 곡선 구간은, 곡률 반경 및 캔트량이 서로 상이한 직선 구간과 정상 곡선 구간의 사이에 위치하고, 곡률 반경 및 캔트량을 연속적으로 변화시키며, 직선 구간과 정상 곡선 구간을 순조롭게 접속시킨다.
예를 들어, 입구측의 완화 곡선 구간(이하, 「완화 곡선 입구 구간」이라고 한다)의 곡률 반경은, 직선 구간에 이어져 처음은 무한대이나, 차량의 진행에 따라 서서히 정상 곡선 구간의 곡률 반경에 가까워져, 정상 곡선 구간과의 경계에서 정상 곡선 구간의 곡률 반경과 일치한다. 출구측의 완화 곡선 구간(이하, 「완화 곡선 출구 구간」이라고 한다)은, 완화 곡선 입구 구간과는 반대로, 그 곡률 반경은, 처음은 정상 곡선 구간의 곡률 반경과 일치하고 있으나, 차량의 진행에 따라 서서히 커져, 직선 구간과의 경계에서 무한대가 된다.
완화 곡선 구간의 궤도로서는, 클로소이드 곡선 또는 사인 반파장 체감 곡선이 이용된다. 클로소이드 곡선의 궤도는, 곡률 반경이 완화 곡선 구간의 주행 거리에 비례해 증감하는 곡선 궤도이며, 재래선(在來線)에 많이 이용된다. 사인 반파장 체감 곡선의 궤도는, 곡률 반경이 완화 곡선 구간의 주행 거리에 대해 사인커브를 그리듯이 변화하는 곡선 궤도이며, 신칸센에 다용된다.
도 3은, 주행 지점에 궤도 정보를 관련지은 맵의 일례를 도시하는 도이다. 상기의 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 자신의 메모리에, 주행 지점에 궤도 정보를 관련지은 맵을 가지고 있다. 이 맵에 등록되어 있는 궤도 정보에는, 도 3에 도시한 바와 같이, 주행 구간의 종별(種別)(완화 곡선 입구 구간, 완화 곡선 출구 구간, 정상 곡선 구간, 직선 구간 등), 곡선 구간의 선회 방향, 정상 곡선 구간의 곡률 반경, 곡선 구간의 캔트량, 및 완화 곡선 구간의 곡선 패턴(클로소이드 곡선, 사인 반파장 체감 곡선 등)이 포함된다.
이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 철도 차량의 주행 지점이나 속도를 감시하여 기록하는 도시하지 않은 차량 모니터로부터 차량의 주행 위치를 전송으로 취득하고, 상기 맵과 조합하여, 해당하는 궤도 정보로부터 차량이 어느 구간을 주행 중인지를 인식한다. 이와 동시에, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 철도 차량의 주행 속도를 취득한다. 또한, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 차체 경사 제어기(14)로부터 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하여, 차량의 경사가 행해지는지 아닌지를 인식한다.
또한, 주행 지점의 정보는, 차량 모니터로부터 취득하는 것 이외에, 예를 들어 GPS 등으로도 취득할 수 있다. 차량의 주행 속도는, 예를 들어 선두 차량에 탑재되는 도시하지 않은 차량 정보 제어기로부터 전송으로 취득하거나, 진동 억제 제어기(10) 자신이 속발(速發) 펄스를 수신하여 연산함으로써, 취득할 수 있다. 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보는, 차체 경사 제어기(14)로부터 직접 또는 상기의 차량 정보 제어기를 통해 전송으로 취득하거나, 진동 억제 제어기(10)가 차체 경사 제어기(14)를 겸하고 있는 경우는 진동 억제 제어기(10) 자신 중에서 취득 처리를 행할 수도 있다.
도 4는, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때의 상태를 도시하는 모식도이며, 동 도(a)는 차체 경사의 동작 ON의 경우를, 동 도(b)는 차체 경사의 동작 OFF의 경우를 각각 도시하고 있다. 철도 차량이 곡선 구간, 즉 완화 곡선 입구 구간, 정상 곡선 구간 또는 완화 곡선 출구 구간을 주행하는 경우, 상기의 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 취득한 각종의 정보를 참조하여, 하기의 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 차체(1)에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산한다.
차체 경사 동작 ON의 경우：
αL=ηON×(V2/R－g×C/G)···(1)
차체 경사 동작 OFF의 경우：
αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G)···(2)
단, 상기의 (1)식과 (2)식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, 및 G는 궤간을 각각 나타낸다.
이때, 차량의 주행 속도V는, 통상, 곡선 구간의 전역에 걸쳐 일정하기 때문에, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 상기의 (1)식 또는 (2)식에 따라, 우선, 정상 곡선 구간을 주행하는 경우에 있어서의 이론 초과 원심 가속도αL1을 연산한다. 그리고, 곡선 구간의 전후의 직선 구간에서는, 이론상, 초과 원심 가속도αL이 차량에 작용하는 일 없이 0(제로)이 되기 때문에, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)는, 완화 곡선 입구 구간의 주행 거리x1 및 완화 곡선 출구 구간의 주행 거리x2마다, 그 정상 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL1을 이용하여 선형보간(線形補間)함으로써, 완화 곡선 입구 구간 및 완화 곡선 출구 구간을 주행하는 경우에 있어서의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산한다.
도 5는, 곡선 구간을 주행할 때의 이론 초과 원심 가속도의 거동의 일례를 도시하는 도이다. 동 도에 도시한 바와 같이, 차량이 일정한 속도로 곡선 구간의 전역을 주행할 때, 정상 곡선 구간에서는 이론 초과 원심 가속도αL(αL1)이 일정하고, 완화 곡선 입구 구간의 이론 초과 원심 가속도αL은, 상기 구간의 주행 거리 x1에 따라 0에서부터 정상 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL1까지 증대하고, 완화 곡선 출구 구간의 이론 초과 원심 가속도αL은, 상기 구간의 주행 거리x2에 따라 정상 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL1에서부터 0까지 감소하게 된다.
이와 같이, 철도 차량이 곡선 구간을 주행하는 경우, 취득한 각종의 정보(철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도V, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보)로부터, 상기 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 정상 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL1을 연산하고, 이 결과를 이용하여 완화 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산함으로써, 곡선 구간의 전역에 걸쳐 이론 초과 원심 가속도αL을 얻을 수 있다.
또한, 상기의 실시 형태에서는, 완화 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL을 정상 곡선 구간의 이론 초과 원심 가속도αL1을 이용하여 연산하도록 하고 있는데, 완화 곡선 입구 구간 및 완화 곡선 출구 구간 각각의 각 지점에 있어서의 곡률 반경을 구하고, 그들 구간에 있어서의 이론 초과 원심 가속도αL을 상기 (1)식 또는 (2)식에 의거하여 직접 연산하도록 변경할 수도 있다.
여기서, 상기의 (1)식과 (2)식에 관해, 보정 계수ηON,ηOFF는, 공기 스프링(5) 및 축 스프링(6)에 의해 차축(3)에 탄성 지지되는 차체(1) 및 대차(2)가 곡선 구간을 주행할 때, 원심력의 작용으로 공기 스프링(5) 및 축 스프링(6)이 휘어짐에 따라 차체(1)가 곡선 궤도의 외측으로 기우는 것으로부터, 이를 고려하여 설정한 계수이다. 또한 그 중의 보정 계수ηON은, 차체 경사의 동작이 ON의 경우에 이용하는 계수이며, 사전에 주행 시험을 실시해, 차체 경사 각도θ를 참조하지 않은 상기 (1)식이어도, 진동의 억제 효과가 거의 변하지 않도록 설정한 계수이다.
이들 보정 계수ηON,ηOFF는, 곡선 구간의 선회 방향을 따라 양음(플러스/마이너스)의 부호가 부여된다. 예를 들어, 오른쪽 선회의 곡선 구간을 주행할 때에 가속도 센서(9)로 검지되는 가속도의 부호가 양인 경우, 보정 계수ηON,ηOFF의 부호도 양으로 하고, 이와는 반대로 왼쪽 선회의 곡선 구간을 주행할 때는, 가속도 센서(9)로 검지되는 가속도의 부호가 음이며, 보정 계수ηON,ηOFF의 부호도 음으로 한다. 보정 계수ηON,ηOFF의 양음의 부호는, 주행 지점에 따라 상기 맵의 궤도 정보로부터 선택된다.
이러한 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)에서의 처리에 이어, 상기의 진동 가속도 연산부(12)는, 이론 초과 원심 가속도 연산부(11)로 산출한 이론 초과 원심 가속도αL와, 가속도 센서(9)로 검출한 좌우 방향의 가속도αF를 받아들이며, 가속도αF로부터 이론 초과 원심 가속도αL을 빼고 양자의 차를 연산하여, 이 차를 진동 성분의 가속도로 한다. 즉, 진동 가속도 연산부(12)는, 차량이 곡선 구간을 주행할 때에 차체(1)에 작용해 가속도 센서(9)로 검출한 가속도αF로부터, 원심력에 기인하는 정상 성분을 제거하고, 액추에이터(7)의 작동에 따른 진동 억제의 제어에 필요한 진동 성분의 가속도를 추출한다.
진동 가속도 연산부(12)로 산출한 진동 성분 가속도를 나타내는 신호는, 상기의 진동 제어부(13)로 출력되고, 진동 제어부(13)는, 그 진동 성분 가속도에 의거하여, 액추에이터(7)에 진동을 억제하는 신축 이동의 구동 신호를 송출한다.
여기서, 진동 가속도 연산부(12)로 산출한 진동 성분 가속도를 나타내는 신호에는, 원심력에 기인하는 정상 성분이 제거되어 있다고는 해도, 예를 들어 0.5Hz 이하의 저주파수 대역에 노이즈가 포함되는 것이 많다. 이로 인해, 산출한 진동 성분 가속도를 나타내는 신호는, 하이 패스 필터로 처리하여, 노이즈를 제거하는 것이 바람직하다. 하이 패스 필터로 노이즈를 제거함으로써, 특히 완화 곡선 입구 구간 및 완화 곡선 출구 구간에서의 진동 억제를 보다 안정적으로 실현할 수 있다.
이상과 같이, 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때의 진동 억제 제어기(10)에 의한 처리에 따라, 차체 경사가 행해지는 경우여도, 차체에 발생하는 좌우 방향의 진동을 억제하기 위한 이론 초과 원심 가속도를 구하는데에, 차체 경사 각도를 참조하지 않은 산출식(상기 (1)식)을 이용하는 것으로부터, 종래의 산출식(상기 특허 문헌 1에 개시되는 상기 (a)식)과 비교해, 차체 경사 각도를 참조하지 않은 만큼 파라미터를 삭감할 수 있고, 산출식도 간략화할 수 있다. 이로 인해, 파라미터를 기억하는 메모리의 용량을 저감하는 것이 가능해지고, 이론 초과 원심 가속도를 산출하는 시스템을 간이한 것으로 할 수 있다. 그리고, 산출한 이론 초과 원심 가속도에 의거하여 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 정확하게 도출하고, 이를 이용하여 차체의 진동 억제를 실현할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치 및 진동 성분 가속도 추정 방법에 의하면, 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 즈음하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 간이한 구성으로 정확하게 추정할 수 있고, 이를 이용하여 차체에 발생하는 좌우 방향의 진동을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명은, 철도 차량의 쾌적한 운행에 지극히 유용하다.
1：차체 2：대차
3：차축 4：레일
5：공기 스프링 6：축 스프링
7：액추에이터 8：유체압 댐퍼
9：가속도 센서 10：진동 억제 제어기
11：이론 초과 원심 가속도 연산부 12：진동 가속도 연산부
13：진동 제어부 14：차체 경사 제어기
21：전동 모터 22：주축
23: 볼나사 너트 24：로드

Claims (6)

  1. 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때에, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치로서,
    차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 가속도 검출 수단과,
    철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하고, 하기의 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산하는 이론 초과 원심 가속도 연산 수단과,
    가속도 검출 수단으로 검출한 가속도, 및 이론 초과 원심 가속도 연산 수단으로 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출하는 진동 가속도 연산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치.
    차체 경사 동작 ON의 경우：
    αL=ηON×(V2/R－g×C/G)···(1)
    차체 경사 동작 OFF의 경우：
    αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G)···(2)
    단, 상기의 (1)식과 (2)식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, 및 G는 궤간을 각각 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동 가속도 연산 수단은, 상기 가속도 검출 수단으로 검출한 가속도와 상기 이론 초과 원심 가속도 연산 수단으로 구한 이론 초과 원심 가속도αL의 차를 연산하여 상기 진동 성분의 가속도를 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 진동 가속도 연산 수단은, 도출한 상기 진동 성분의 가속도를 나타내는 신호를 또한 하이 패스 필터로 처리하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 장치.
  4. 차체 경사 장치를 가지는 철도 차량이 곡선 구간을 주행할 때에, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 성분의 가속도를 추정하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법으로서,
    차체에 작용하는 좌우 방향의 가속도를 검출하는 가속도 검출 단계와,
    철도 차량의 주행 지점에 있어서의 궤도 정보, 철도 차량의 주행 속도, 및 차체 경사의 동작 ON/OFF의 정보를 취득하고, 하기의 (1)식 또는 (2)식에 의거하여, 차체에 작용하는 좌우 방향의 이론 초과 원심 가속도αL을 연산하는 이론 초과 원심 가속도 연산 단계와,
    가속도 검출 단계에서 검출한 가속도, 및 이론 초과 원심 가속도 연산 단계에서 구한 이론 초과 원심 가속도αL에 의거하여, 차체에 작용하는 진동 성분의 가속도를 도출하는 진동 가속도 연산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법.
    차체 경사 동작 ON의 경우：
    αL=ηON×(V2/R－g×C/G)···(1)
    차체 경사 동작 OFF의 경우：
    αL=ηOFF×(V2/R－g×C/G)···(2)
    단, 상기의 (1)식과 (2)식 중에서, ηON과 ηOFF는 보정 계수, V는 주행 속도, R은 궤도의 곡률 반경, g는 중력 가속도, C는 궤도의 캔트량, 및 G는 궤간을 각각 나타낸다.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 진동 가속도 연산 단계에서는, 상기 가속도 검출 단계에서 검출한 가속도와 상기 이론 초과 원심 가속도 연산 단계에서 구한 이론 초과 원심 가속도αL의 차를 연산하여 상기 진동 성분의 가속도를 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 진동 가속도 연산 단계에서는, 도출한 상기 진동 성분의 가속도를 나타내는 신호를 또한 하이 패스 필터로 처리하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 성분 가속도 추정 방법.
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