WO2013176190A1 - 鉄道車両の脱線検知方法、脱線検知装置、鉄道車両用台車、及び鉄道車両 - Google Patents

鉄道車両の脱線検知方法、脱線検知装置、鉄道車両用台車、及び鉄道車両 Download PDF

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WO2013176190A1
WO2013176190A1 PCT/JP2013/064280 JP2013064280W WO2013176190A1 WO 2013176190 A1 WO2013176190 A1 WO 2013176190A1 JP 2013064280 W JP2013064280 W JP 2013064280W WO 2013176190 A1 WO2013176190 A1 WO 2013176190A1
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WO
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value
internal pressure
derailment
railway vehicle
graph
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/064280
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
與志 佐藤
正男 留岡
敬司 鹿田
忠 清水
拓也 齋藤
益久 谷本
真行 岡野
Original Assignee
新日鐵住金株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F9/00—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels
    • B61F9/005—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels by use of non-mechanical means, e.g. acoustic or electromagnetic devices

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting derailment of a railway vehicle traveling on a rail, a device for carrying out the method, a railway vehicle carriage equipped with the derailment detection device, and a railway vehicle equipped with the carriage. is there.
  • the problem to be solved by the present invention is that when detecting an abnormal vibration generated in the vehicle body by an acceleration sensor mounted on the vehicle body and detecting derailment, the installation cost and maintenance cost of the acceleration sensor are additionally required. It is.
  • the railcar derailment detection technology of the present invention is intended to detect derailment without newly installing an acceleration sensor.
  • a method for detecting that a railcar traveling on a rail has derailed wherein an internal pressure of an air spring mounted on the railcar of the railcar is detected by an internal pressure sensor.
  • an internal pressure of an air spring mounted on the railcar of the railcar is detected by an internal pressure sensor.
  • an apparatus for detecting derailment of a railway vehicle traveling on a rail wherein an internal pressure sensor for detecting an internal pressure of an air spring mounted on the bogie of the railway vehicle, By processing the internal pressure detected by the internal pressure sensor, a characteristic value indicating a characteristic of the fluctuation of the internal pressure related to the vertical vibration of the railway vehicle is derived, and the railway vehicle is derailed based on the characteristic value. And a signal processing device for determining this.
  • the internal pressure fluctuation detected using the internal pressure sensor installed in the air spring carriage is signal-processed, and it is determined whether or not the derailment is based on this signal processing value. There is no need to do.
  • the present invention newly installs a sensor with the effect of minimizing the expansion of damage in the event of a derailment by detecting a derailment of a railway vehicle at an early stage and taking measures such as an emergency stop early. Can be achieved without.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a second method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a third method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a fourth method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a fifth method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a sixth method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a seventh method of derailment detection determination processing in the flowchart shown in FIG. 7.
  • the object of early detection of derailment of a railway vehicle is realized by signal processing the fluctuation of the internal pressure detected by the internal pressure sensor installed in the air spring carriage without installing a new sensor. .
  • the internal pressure of the air spring is detected by an internal pressure sensor and automatically adjusted to the required braking force corresponding to the boarding rate calculated from the internal pressure in order to make the braking distance constant regardless of the change in the boarding rate.
  • Variable load brake control is implemented.
  • the absolute value of the internal pressure value of the air spring detected by the internal pressure sensor is smaller than the acceleration value detected by the acceleration sensor described above. Therefore, conventionally, the idea of using the internal pressure value of the air spring to detect derailment has never been reached.
  • the inventors conducted a derailment reproduction test on an actual vehicle equipped with an air spring carriage on a test track (see FIGS. 15A to 15C) where a derailment induction slope is installed, and measured the internal pressure detection signal of the air spring. And observed.
  • an internal pressure detection signal of an air spring of the actual vehicle that normally travels on the test track having the shape schematically shown in FIG. 1A was also measured and observed.
  • the numerical value following R in FIG. 1A indicates the radius (unit: m) of the curved road, the region where the sign on the vertical axis is “+” is the region of the right curve, and the region where the sign is “ ⁇ ”. Is the area of the left curve.
  • FIG. 1B is a schematic bottom view of the railway vehicle 2 when traveling on a straight road as viewed from below
  • FIG. 1C is a diagram of the railway vehicle 2 when traveling on a curved road as viewed from below. It is a schematic bottom view in the case.
  • a predetermined position PA (hereinafter referred to as a vehicle body reference position PA) in the vehicle body 10 of the railway vehicle 2 when traveling on a straight road, and a predetermined position PB of the carriage 3.
  • the distance to the traveling direction M of the railway vehicle 2 with respect to (hereinafter referred to as the carriage reference position PB) is assumed to be x1.
  • the distance with respect to the traveling direction M of the railway vehicle 2 between the vehicle body reference position PA and the carriage reference position PB when traveling on a curved road is set to x2.
  • values obtained by subtracting the distance x1 from the distance x2 are values indicating the right curve and the left curve in FIG. 1A.
  • FIG. 15A is a side view showing a state of the test line applied in the derailment reproduction test according to the present embodiment
  • FIG. 15B is a test line applied to a test for dropping an actual vehicle on the test line
  • FIG. 15C is a plan view showing a state of a test line (hereinafter referred to as test line B) applied to a test in which an actual vehicle is dropped on a sleeper.
  • the test line A is provided with a derailment inducing slope 604 ⁇ / b> A whose extending direction is the same as that of the rail 1 with respect to the rail 1 provided in a normal straight line.
  • the derailment inducing slope 604A according to the present embodiment has a height of 150 mm with respect to the upper surface of the rail 1 at the front end with respect to the traveling direction of the railway vehicle 2. Therefore, by running the railway vehicle 2 on the test track A, it is possible to perform a test in which the actual vehicle is dropped from the top surface of the rail 1 onto the test track from a height of 150 mm.
  • the test line B is in a direction different from that of the rail 1 with respect to the rail 1 provided in a normal straight line, and the tip portion is a planar position of the rail 1.
  • a derailment inducing slope 604B is provided in a direction away from the head by a predetermined distance.
  • the derailment induction slope 604B according to the present embodiment also has a height of 150 mm with respect to the top surface of the rail 1 at the tip portion with respect to the traveling direction of the railcar 2.
  • the railway vehicle 2 running the railway vehicle 2 on the test track B, it is possible to perform a test of dropping the actual vehicle on the sleepers 12 from the height of 150 mm from the upper surface of the rail 1.
  • the above 150 mm is selected as an appropriate value for the test for the present invention, but the present invention is not limited to dropping from a height of 150 mm.
  • 2A to 4C show the results of the derailment reproduction test.
  • 2A to 2C show a case where an actual vehicle is dropped onto the test track from a position 150 mm above the test track
  • FIGS. 3A to 3C show an actual vehicle on the sleeper from a position 150 mm above the test track.
  • 4A to 4C show a case where an actual vehicle is run on a sleeper.
  • 5A to 5C show a case where the actual vehicle is normally run on the test track shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A, FIG. 3A, FIG. 4A, and FIG. 5A are combined with the internal pressure detection signals of the left and right air springs of the carriage on the front side in the traveling direction, and the signals obtained by processing these internal pressure detection signals.
  • FIG. 2A, FIG. 3A, FIG. 4A, and FIG. 5A as processing signals, the maximum value and the minimum value, the difference value between the maximum value and the minimum value, the first-order or second-order differential value, and the absolute value thereof every 0.2 seconds.
  • the maximum value among the absolute values acquired in the period of 1 second starting from is shown.
  • the first-order or second-order differentiated value is a value obtained by first-order or second-order differentiation of the internal pressure detection signal that varies with the passage of time.
  • the 1 second corresponds to the first acquisition period and the second acquisition period of the present invention
  • the 0.2 second corresponds to the first acquisition start interval and the second acquisition start interval of the present invention.
  • the first acquisition period, the second acquisition period, the first acquisition start interval, and the second acquisition start interval are not limited to these periods.
  • FIG. 16 shows a first-order or second-order differentiated value and its absolute value when the first acquisition period and the second acquisition period are T1, and the first acquisition start interval and the second acquisition start interval are T2.
  • the derivation timing of is shown.
  • the first acquisition period and the second acquisition period T1 for deriving the first-order and second-order differential values of the internal pressure and the absolute values thereof, and the first acquisition period for deriving these values subsequently.
  • the acquisition period and the second acquisition period T1 overlap in the period T1-T2.
  • graph 202, graph 302, graph 402, and graph 502 in FIG. 2A, FIG. 3A, FIG. 4A, and FIG. 5A each show fluctuations in the internal pressure of the right air spring, and the black circles in FIG. 2A, FIG. The maximum value and minimum value of the internal pressure are shown.
  • the graph 204, the graph 304, the graph 404, and the graph 504 in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A each show fluctuations in the internal pressure of the left air spring, and the black circles in FIGS. 2A, 3A, and 4A. Indicates the maximum and minimum values of the internal pressure.
  • the graph 206, the graph 306, the graph 406, and the graph 506 are respectively the absolute values of the difference between the local maximum value and the minimum value of the internal pressure of the air spring.
  • the white circles indicate the absolute values of the difference between the local maximum and minimum values of the internal pressure of the right air spring in time, in FIG. 2A, FIG. 3A, and FIG.
  • a black circle indicates the absolute value of the difference between the local maximum value and the local minimum value of the internal pressure of the left air spring.
  • the white circle is shown in the part where the white circle and the black circle completely overlap.
  • the solid line in these drawings indicates a threshold value applied in signal processing in the signal processing device 6 described later.
  • graph 208, graph 308, graph 408, and graph 508 indicate values obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the air spring.
  • the graph shows the value obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the right air spring
  • the solid line graph shows the value obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the left air spring.
  • the portion where the broken line graph and the solid line graph overlap is only a solid line.
  • Graph 210, graph 310, graph 410, and graph 510 in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A show values obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the air spring.
  • a solid line graph indicates a value obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the left air spring.
  • the portion where the broken line graph and the solid line graph overlap is only a solid line.
  • FIG. 3A, FIG. 4A, and FIG. 5A are graphs 212, 312, 412 and 512, which are absolute values obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the air spring acquired during a certain period.
  • the white circles indicate the maximum value among the absolute values of the values obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the right air spring acquired in a certain period
  • a black circle indicates the maximum value among the absolute values of the values obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the left air spring acquired during a certain period.
  • a straight dashed line indicates an upper limit of a threshold value applied in signal processing in the signal processing device 6 described later, and a dashed line indicates a lower limit of the threshold value.
  • Graphs 214, 314, 414, and 514 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A are respectively absolute values obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the air spring acquired during a certain period.
  • the white circles indicate the maximum values among the absolute values of the values obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the right air spring acquired during a certain period. The maximum value among the absolute values of the values obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the left air spring acquired during a certain period is shown.
  • a straight dashed line indicates an upper limit of a threshold value applied in signal processing in the signal processing device 6 described later, and a dashed line indicates a lower limit of the threshold value.
  • the graph 516 in FIG. 5A shows the traveling speed when the actual vehicle travels normally on the test track shown in FIG. 1A.
  • FIG. 5A shows that the test line is normally run at the speed indicated by the graph 516 in FIG. 2A, FIG. 3A, and FIG. 4A in which the derailment reproduction test was performed, it can be seen that any signal processing shows a large variation.
  • FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are derailed based on the processing signal of the right air spring in the traveling direction among the processing signals shown in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A. It is a figure at the time of determining whether or not.
  • 2C, FIG. 3C, FIG. 4C, and FIG. 5C are derailed based on the processing signal of the left air spring in the traveling direction among the processing signals shown in FIG. 2A, FIG. 3A, FIG. 4A, and FIG. It is a figure at the time of determining whether or not.
  • the graph 222, the graph 322, the graph 422, and the graph 522 in FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are shown in the graphs 206, 306, 406, and 506 in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively.
  • the determination result of derailment based on the absolute value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the internal pressure of the right air spring is shown.
  • 2C, FIG. 3C, FIG. 4C, and FIG. 5C are graphs 242, 342, 442, and 542 of the internal pressure of the left air spring shown in graph 206, graph 306, graph 406, and graph 506, respectively.
  • the derailment determination result based on the absolute value of the difference between adjacent local maximum and local minimum values is shown.
  • Graphs 224, 324, 424, and 524 of FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are shown in graphs 212, 312, 412, and 512 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively.
  • the determination result of derailment based on the maximum value among the absolute values of the values obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the right air spring is shown.
  • 2C, FIG. 3C, FIG. 4C, and FIG. 5C are graphs 244, 344, 444, and 544, respectively, for the internal pressure of the left air spring shown in graph 212, graph 312, graph 412, and graph 512, respectively.
  • the determination result of derailment based on the maximum value among the absolute values of the values obtained by first-order differentiation is shown.
  • the graphs 226, 326, 426, and 526 of FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are the graphs 214, 314, 414, and 514 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively.
  • Graphs 246, 346, 446, and 546 in FIGS. 2C, 3C, 4C, and 5C indicate the internal pressure of the left air spring shown in graphs 214, 314, 414, and 514, respectively.
  • the determination result of derailment based on the maximum value among the absolute values of the values obtained by second-order differentiation is shown.
  • the graph 228, the graph 328, the graph 428, and the graph 528 in FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are respectively the graph 206, the graph 306, the graph 406, and the graph 506 in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A.
  • the derailment determination result based on the maximum value among the absolute values of the values obtained in this manner is shown. 2C, FIG. 3C, FIG. 4C, and FIG.
  • 5C are graphs 248, 348, 448, and 548 of the internal pressure of the left air spring shown in graph 206, graph 306, graph 406, and graph 506, respectively.
  • the absolute value of the difference between the adjacent maximum and minimum values and the absolute value of the value obtained by first-order differentiation of the internal pressure of the left air spring shown in graph 212, graph 312, graph 412, and graph 512 The determination result of derailment based on the maximum value of is shown.
  • Graphs 230, 330, 430, and 530 of FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are graphs 206, 306, 406, and 506 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively.
  • the derailment determination result based on the maximum value among the absolute values of the values obtained in this manner is shown.
  • 2C, FIG. 3C, FIG. 4C, and FIG. 5C are adjacent to the internal pressure of the left air spring shown in graphs 206, 306, 406, and 506, respectively.
  • the graph 232, the graph 332, the graph 432, and the graph 532 in FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are respectively the graph 212, the graph 312, the graph 412, and the graph 512 in FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A.
  • the derailment determination result based on the maximum value among the absolute values of the values obtained by second-order differentiation is shown.
  • 2C, 3C, 4C, and 5C indicate the internal pressure of the left air spring shown in graph 212, graph 312, graph 412, and graph 512, respectively.
  • the absolute value of the maximum value of the absolute values obtained by differentiation and the value obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the left air spring shown in graph 214, graph 314, graph 414, and graph 514 The determination result based on the maximum value among the values is shown.
  • the graphs 234, 334, 434, and 534 of FIGS. 2B, 3B, 4B, and 5B are the graphs 206, 306, 406, and 506 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively. Obtained by first-order differentiation of the absolute value of the difference between the adjacent maximum and minimum values of the internal pressure of the right air spring shown in Fig. 1, and the internal pressure of the right air spring shown in graph 212, graph 312, graph 412, and graph 512. Of the absolute value of the obtained value and the absolute value of the value obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the right air spring shown in graph 214, graph 314, graph 414, and graph 514. The determination result based on the maximum value is shown.
  • Graphs 254, 354, 454, and 554 of FIGS. 2C, 3C, 4C, and 5C are graphs 206, 306, 406, and 506 of FIGS. 2A, 3A, 4A, and 5A, respectively. Obtained by first-order differentiation of the absolute value of the difference between the adjacent maximum value and minimum value of the internal pressure of the left air spring shown in Fig. 2, and the internal pressure of the left air spring shown in graph 212, graph 312, graph 412, and graph 512. Of the absolute value of the obtained value and the absolute value of the value obtained by second-order differentiation of the internal pressure of the left air spring shown in the graph 214, the graph 314, the graph 414, and the graph 514. The determination result based on the maximum value is shown.
  • FIG. 2B, FIG. 2C, FIG. 3B, FIG. 3C, FIG. 4B, FIG. 4C, FIG. 5B, and FIG. 5C the case where it is determined that there has been derailment is "1". It is expressed as “0”.
  • the difference value between the maximum value and the minimum value is obtained by signal processing.
  • the maximum value among the absolute values obtained by obtaining the second-order differentiated value for a certain period is obtained, it has been found that derailment can be detected separately from the normal running time.
  • the present invention has been made based on the results of the inventors' implementation of the above derailment reproduction test.
  • the internal pressure of the air spring 4 mounted between the vehicle body 10 and the carriage 3 of the railway vehicle 2 traveling on the rail 1 is detected by the internal pressure sensor 5, and the detected internal pressure is detected.
  • the fluctuation is signal-processed by the signal processing device 6, and it is determined whether or not the derailment is based on the signal-processed value.
  • the overall flow of the method of the present invention is shown in FIG.
  • the internal pressure of the air spring 4 is detected (sampled) by the internal pressure sensor 5), and the signal processing device 6 executes the derailment detection determination process shown in FIGS. If it is determined in the derailment detection determination process that a derailment has occurred, a predetermined process is executed to be executed after derailment after outputting a derailment signal indicating derailment. Further, when it is determined that there is no derailment, the above processing is repeated assuming that the vehicle is running normally.
  • the signal processing device 6 performs signal processing for the derailment detection determination process as described below to determine whether or not it is derailment.
  • a derailment is determined when the absolute value of the difference ⁇ P between the maximum value and the minimum value of the internal pressure fluctuation detected by the internal pressure sensor 5 exceeds a preset threshold (third threshold), for example, 50 to 100 kPa.
  • a preset threshold for example, 50 to 100 kPa.
  • the threshold value is 50 kPa.
  • “1” is set in the derailment flag when it is determined as derailment, and “0” is set as the derailment flag when it is not determined as derailment.
  • the difference ⁇ P between the local maximum value and the local minimum value may be the difference ⁇ P between the local maximum value and the local minimum value.
  • the derailment occurs when the absolute value of the difference ⁇ P exceeds a preset threshold value among the absolute values acquired in a predetermined period starting at intervals of a certain period. May be determined.
  • the local maximum value and the local minimum value are acquired in a predetermined period starting at intervals of a predetermined period, and the absolute value of the difference between the maximum value among the acquired local maximum values and the minimum value among the acquired local minimum values is determined in advance.
  • a derailment may be determined when a set threshold value is exceeded.
  • the predetermined period may be 0.2 seconds or less, and the predetermined period may be 1 second or more, but the present invention is not limited to this.
  • the absolute value of the value dP / dt obtained by first-order differentiation of the internal pressure detected by the internal pressure sensor 5 is a fixed period, for example, a period of 1 second or more starting at intervals of 0.2 seconds or less (second acquisition start interval).
  • a preset threshold for example, 500 to 1000 kPa / sec.
  • the threshold value is 500 kPa / sec.
  • “1” is set to the derailment flag when it is determined to be derailment
  • “0” is set to the derailment flag when it is not determined to be derailment.
  • the absolute value of the value d 2 P / dt 2 obtained by second-order differentiation of the internal pressure detected by the internal pressure sensor 5 starts for a certain period, for example, at intervals of 0.2 seconds or less (first acquisition start interval) for 1 second.
  • a preset threshold value for example, 10,000 to 30,000 kPa / sec 2 .
  • the threshold is 15000 kPa / sec 2 .
  • “1” is set to the derailment flag
  • when it is not determined that the derailment “0” is set to the derailment flag.
  • the process of 2) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 1), but the process of 1) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 2). Also good.
  • the derailment is not determined in the end, but the derailment is performed in either the process 1) or the process 2).
  • it may be finally determined that there is a derailment.
  • the process of 3) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 1), but the process of 1) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 3). Also good.
  • the derailment is not determined in the end, but either the process 1) or the process 3) is derailed.
  • it may be finally determined that there is a derailment.
  • the process of 3) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 2), but the process of 2) is performed when it is determined that the derailment is performed in the process of 3). Also good.
  • the derailment is not determined in the end, but the derailment is performed in either the process 2) or the process 3). When it is determined, it may be finally determined that there is a derailment.
  • the derailment detection device of the present invention is provided with a signal processing device 6 for performing the processes 1) to 7) based on the detection value of the internal pressure sensor 5 installed on the carriage 3. is there.
  • the railway vehicle carriage according to the present invention is equipped with the derailment detection apparatus according to the present invention
  • the railway vehicle according to the present invention is equipped with the railway vehicle carriage according to the present invention.
  • the absolute value of the value obtained by first-order differentiation of the internal pressure and the acquisition period of the absolute value of the value obtained by second-order differentiation of the internal pressure It is derailed in the graph 526 of FIG. 5B that it is necessary to select an optimum acquisition period and threshold value according to the curve shape and the like existing in the traveling rail 1 as a threshold value for determining whether or not the derailment is performed. It is clear from the fact that it is judged as a derailment despite not being present. Further, the threshold value may be adaptively increased or decreased according to, for example, a boarding rate or a loading amount in the target railway vehicle.
  • the fluctuation of the internal pressure of the air spring is measured. Measuring the fluctuation of the internal pressure of the air spring corresponds to measuring the vertical displacement ⁇ h of the air spring, as will be described below. However, the following description is valid when the vertical displacement of the air spring and the fluctuation of the internal pressure of the air spring do not exceed a predetermined value (when it is very small).
  • the air spring is considered as a cylinder, and assuming the following equation (2), equation (3) can be derived.
  • the fluctuation of the internal pressure of the air spring is assumed to be ⁇ P.
  • the variation ⁇ P of the internal pressure of the air spring is proportional to the vertical displacement ⁇ h of the air spring. Therefore, measuring the fluctuation of the internal pressure of the air spring has the same meaning as measuring the vertical displacement of the air spring.
  • the vehicle body is supported in the vertical direction by a primary spring (shaft spring) and a secondary spring (air spring).
  • the primary spring constant is about 4000 to 6000 kN / m / cart
  • the secondary spring constant is about 1000 kN / m / cart. That is, the vertical displacement of the vehicle body is mainly due to the vertical displacement of the air spring that is displaced more greatly with a smaller force.
  • the railway vehicle does not roll due to a side wind or the like, but the railway vehicle falls from the rail. This makes it possible to determine that the derailment has occurred.
  • derailment can be detected without newly installing an expensive sensor.
  • the signal processing is performed based on the internal pressures of the left and right air springs on the front side in the traveling direction, but the signal processing may be performed on the basis of the internal pressures of the left and right air springs on the rear side in the traveling direction. Further, signal processing may be performed based on the internal pressure of one of the left and right air springs.

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Abstract

レール上を走行する鉄道車両が脱線したことを検知する方法及び装置。前記鉄道車両の台車に装架された空気ばねの内圧を内圧センサーで検出し、検出した前記内圧を信号処理することにより、前記鉄道車両の上下方向の振動に関連する前記内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出し、前記特徴値に基づいて前記鉄道車両が脱線したことを判定する。前記特徴値は、前記内圧を２階微分して得られた値の絶対値、前記内圧を１階微分して得られた値の絶対値、及び、前記内圧の極大値及び極小値の差分の絶対値、の少なくとも１つであり、前記特徴値が判定対象とする特徴値の種類に応じて予め定められた値を超えた場合に脱線であると判定してもよい。

Description

鉄道車両の脱線検知方法、脱線検知装置、鉄道車両用台車、及び鉄道車両
  本発明は、レール上を走行する鉄道車両の脱線を検知する方法、及びその方法を実施する装置と、この脱線検知装置を搭載した鉄道車両用台車、及びこの台車を装備した鉄道車両に関するものである。 
  従来、レール上を走行する鉄道車両において、車両が脱線したことの検出は、車両に乗車している乗務員が異常振動を感じて非常停止操作を行う等した後、乗務員が車両の状態を確認することにより行われていた。 
  しかしながら、上記の脱線検知では、乗務員が乗車していない車両の場合は脱線の検知が遅れるという問題がある。 
  そこで、近年、車体に発生する異常振動を車体に装備した加速度センサーで検出し、検出した特定周波数帯の信号に特殊な処理を行うことにより脱線を検知する技術が提案されている（例えば特開２００２－２１１３９６号公報、特開２００２－２１１４００号公報）。 
  しかしながら、車体に装備した加速度センサーにより車体に発生する異常振動を検出して脱線を検知する技術の場合、既存の車体に新規に加速度センサーを追加設置する必要があり、加速度センサーの設置費用及び保守費用が追加で必要になるという問題がある。 
  本発明が解決しようとする問題点は、車体に装備した加速度センサーにより車体に発生する異常振動を検出して脱線を検知する場合、加速度センサーの設置費用及び保守費用が追加で必要になるという点である。 
  本発明の鉄道車両の脱線検知技術は、加速度センサーを新規に設置することなく、脱線を検知することを目的としている。 
  本発明の第１の態様は、レール上を走行する鉄道車両が脱線したことを検知する方法であって、前記鉄道車両の台車に装架された空気ばねの内圧を内圧センサーで検出し、検出した前記内圧を信号処理することにより、前記鉄道車両の上下方向の振動に関連する前記内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出し、前記特徴値に基づいて前記鉄道車両が脱線したことを判定する。
  本発明の第２の態様は、レール上を走行する鉄道車両が脱線したことを検知する装置であって、 前記鉄道車両の台車に装架された空気ばねの内圧を検出する内圧センサーと、 前記内圧センサーで検出した内圧を信号処理することにより、前記鉄道車両の上下方向の振動に関連する前記内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出し、前記特徴値に基づいて前記鉄道車両が脱線したことを判定する信号処理装置と、を備える。
  上記の本発明では、空気ばね台車に設置されている内圧センサーを使用して検出した内圧変動を信号処理し、この信号処理値に基づいて脱線か否かを判定するので、センサーを新規に設置する必要がない。 
  本発明は、鉄道車両の脱線を早期に発見して緊急停止等の処置を早期に施すことで、万が一脱線が発生した場合の被害の拡大を最小に抑えるという効果を、新規にセンサーを設置することなく達成することができる。 
脱線再現試験に対する比較の試験を行った試験線路の形状を模式的に示した図である。 図１Ａの試験線路の形状の導出方法を説明するための概略底面図である。 図１Ａの試験線路の形状の導出方法を説明するための概略底面図である。 第１の脱線再現試験時における左右の空気ばねの内圧検出信号と検出信号を処理した信号を示した図である。 第１の脱線再現試験時における進行方向に向かって右側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 第１の脱線再現試験時における進行方向に向かって左側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 第２の脱線再現試験時における左右の空気ばねの内圧検出信号と検出信号を処理した信号を示した図である。 第２の脱線再現試験時における進行方向に向かって右側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 第２の脱線再現試験時における進行方向に向かって左側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 第３の脱線再現試験時における左右の空気ばねの内圧検出信号と検出信号を処理した信号を示した図である。 第３の脱線再現試験時における進行方向に向かって右側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 第３の脱線再現試験時における進行方向に向かって左側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 正常走行時における左右の空気ばねの内圧検出信号と検出信号を処理した信号を示した図である。 正常走行時における進行方向に向かって右側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 正常走行時における進行方向に向かって左側の空気ばねの内圧検出信号を処理した信号に基づいて脱線の検知判定を行った場合の図である。 本発明の脱線検知装置を装備した鉄道車両の構成例を示した概略図である。 本発明の脱線検知方法の全体フローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第１の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第２の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第３の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第４の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第５の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第６の方法を示したフローチャート図である。 図７に示したフローチャートにおける脱線検知判定処理の第７の方法を示したフローチャート図である。 脱線再現試験において適用した試験線路の状態を示す側面図である。 脱線再現試験において適用した試験線路の状態を示す平面図（その１）である。 脱線再現試験において適用した試験線路の状態を示す平面図（その２）である。 処理信号を取得するための第１の取得期間、第２の取得期間、第１の取得開始間隔、第２の取得開始間隔を説明する図である。
  本発明では、鉄道車両の脱線を早期に検知するという目的を、新規なセンサーを装備することなく、空気ばね台車に設置されている内圧センサーで検出した内圧の変動を信号処理することで実現する。
  以下、本発明の新しい着想及び着想から課題解決に至るまでの手段と共に、本発明を実施するための形態例を、添付図面を用いて説明する。 
  最近の鉄道車両、特に通勤電車では、ほぼ１００％に空気ばね台車が使用されている。この空気ばね台車は、空気ばねの柔らかいばね特性と空気ばねの内圧調整により、空車状態から満載状態まで理想的なばね特性に自動調整できるので、乗車率に影響されず快適な乗り心地を得ることができる。 
  この空気ばね台車では、乗車率の変化に関わらず制動距離を一定とするために、空気ばねの内圧を内圧センサーで検出し、その内圧より算出した乗車率に対応した必要ブレーキ力に自動調整する応荷重ブレーキ制御が実施されている。 
  ところで、前記内圧センサーによって検出する空気ばねの内圧値は、先に説明した加速度センサーで検出する加速度値に比べて、その絶対値が小さい。従って、従来は、この空気ばねの内圧値を脱線の検知に使用するということに考えが至ることはなかった。 
  しかしながら、発明者らは、この内圧センサーによって検出した空気ばねの内圧を信号処理すれば、鉄道車両の脱線を検知できるのではないかと考えて、以下の実験を行った。
  すなわち、発明者らは、空気ばね台車を装備した実車両を、脱線誘発スロープを設置した試験線路（図１５Ａ～図１５Ｃ参照）上で脱線再現試験を実施し、空気ばねの内圧検出信号を測定し、観察した。比較として、図１Ａに模式的に示す形状の試験線路上を正常走行する前記実車両の空気ばねの内圧検出信号も測定し、観察した。なお、図１Ａ中のＲに続く数値は曲線路の半径（単位：ｍ）を示しており、縦軸における符号が「＋」の領域は右曲線の領域であり、符号が「－」の領域は左曲線の領域である。 
　ここで、図１Ｂ及び図１Ｃを参照して、図１Ａにおける線路の形状の導出方法について簡単に説明する。なお、図１Ｂは直線路を走行している場合の鉄道車両２を下方から見た場合の概略底面図であり、図１Ｃは曲線路を走行している場合の鉄道車両２を下方から見た場合の概略底面図である。
　図１Ｂに示すように、直線路を走行している場合の鉄道車両２の車体１０における予め定められた位置ＰＡ（以下、車体基準位置ＰＡという。）と、台車３の予め定められた位置ＰＢ（以下、台車基準位置ＰＢという。）との間の鉄道車両２の進行方向Ｍに対する距離をｘ１とする。これに対し、図１Ｃに示すように、曲線路を走行している場合の車体基準位置ＰＡと台車基準位置ＰＢとの間の鉄道車両２の進行方向Ｍに対する距離をｘ２とする。この場合、距離ｘ２から距離ｘ１を減じることにより得られる値が図１Ａにおける右曲線及び左曲線を示す値となる。
　ここで、図１５Ａ～図１５Ｃを参照して、本実施の形態に係る脱線再現試験について詳細に説明する。なお、図１５Ａは、本実施の形態に係る脱線再現試験において適用した試験線路の状態を示す側面図であり、図１５Ｂは実車両を試験線路上に落下させる試験に適用した試験線路（以下、試験線路Ａという。）の状態を示す平面図であり、図１５Ｃは実車両を枕木上に落下させる試験に適用した試験線路（以下、試験線路Ｂという。）の状態を示す平面図である。
　図１５Ｂに示すように、試験線路Ａは、通常の直線状に設けられたレール１に対して、その延伸方向がレール１と同一とされた脱線誘発スロープ６０４Ａが設けられている。ここで、本実施の形態に係る脱線誘発スロープ６０４Ａは、鉄道車両２の進行方向に対する先端部におけるレール１の上面を基準とした高さが１５０ｍｍとされている。従って、試験線路Ａに鉄道車両２を走行させることにより、実車両を試験線路上にレール１の上面から１５０ｍｍの高さから落下させる試験を行うことができる。
　一方、図１５Ｃに示すように、試験線路Ｂは、通常の直線状に設けられたレール１に対して、その延伸方向がレール１とは異なる方向で、かつその先端部がレール１の平面位置から所定距離だけ離間する方向とされた脱線誘発スロープ６０４Ｂが設けられている。本実施の形態に係る脱線誘発スロープ６０４Ｂもまた、脱線誘発スロープ６０４Ａと同様に、鉄道車両２の進行方向に対する先端部におけるレール１の上面を基準とした高さが１５０ｍｍとされている。従って、試験線路Ｂに鉄道車両２を走行させることにより、実車両を枕木１２上にレール１の上面から１５０ｍｍの高さから落下させる試験を行うことができる。なお、上記１５０ｍｍは本発明のための試験に適切な値として選定されたが、本発明は１５０ｍｍの高さからの落下に限定されるものではない。
  図２Ａ～図４Ｃに脱線再現試験の結果を示す。このうち、図２Ａ～図２Ｃは試験線路の上方１５０ｍｍの位置から試験線路上に実車両を落下させた場合を示し、図３Ａ～図３Ｃは試験線路の上方１５０ｍｍの位置から枕木上に実車両を落下させた場合を示し、図４Ａ～図４Ｃは実車両を枕木上で走行させた場合を示す。また、図５Ａ～図５Ｃは、図１Ａに示す試験線路上で実車両を正常走行させた場合を示す。 
  図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａには、上記各試験の状態下における、進行方向前側の台車の左右の空気ばねの内圧検出信号と、これらの内圧検出信号を処理した信号を併せて示している。図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａでは、処理信号として、極大値及び極小値、極大値及び極小値の差分値、１階又は２階微分した値及びその絶対値を０．２秒毎に開始する１秒間の期間に取得した絶対値のうちの最大値を示している。ここで、１階又は２階微分した値とは、時間の経過とともに変動する内圧検出信号を時間で１階又は２階微分した値である。
　なお、上記１秒間は本発明の第１の取得期間及び第２の取得期間に相当し、上記０．２秒は本発明の第１の取得開始間隔及び第２の取得開始間隔に相当するが、第１の取得期間、第２の取得期間、第１の取得開始間隔、第２の取得開始間隔はこれらの期間に限定されるものではない。図１６に、第１の取得期間及び第２の取得期間をＴ１とし、第１の取得開始間隔及び第２の取得開始間隔をＴ２とした場合の１階又は２階微分した値及びその絶対値の導出タイミングを示す。図１６に示すように、内圧を１階及び２階微分した値及びその絶対値を導出する第１の取得期間及び第２の取得期間Ｔ１と、これに引き続きこれらの値を導出する第１の取得期間及び第２の取得期間Ｔ１とは、Ｔ１－Ｔ２の期間において重複する。 
　一方、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０２、グラフ３０２、グラフ４０２、グラフ５０２は、各々右側の空気ばねの内圧の変動を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａにおける黒丸は当該内圧の極大値及び極小値を示す。同様に、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０４、グラフ３０４、グラフ４０４、グラフ５０４は、各々左側の空気ばねの内圧の変動を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａにおける黒丸は当該内圧の極大値及び極小値を示す。
　また、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６は、各々、空気ばねの内圧の時間的に隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａにおける白丸が右側の空気ばねの内圧の時間的に隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａにおける黒丸が左側の空気ばねの内圧の時間的に隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値を示す。なお、これらの図において、白丸と黒丸が完全に重複する部分には白丸のみを記載している。また、これらの図における直線の実線は、後述する信号処理装置６での信号処理で適用する閾値を示す。
　また、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０８、グラフ３０８、グラフ４０８、グラフ５０８は、空気ばねの内圧を１階微分して得られた値を示し、これらの図の破線のグラフは右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値を示し、実線のグラフは左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値を示す。これらの図において、破線のグラフと実線のグラフとが重複する部分は実線のみを示す。図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１０、グラフ３１０、グラフ４１０、グラフ５１０は、空気ばねの内圧を２階微分して得られた値を示し、これらの図において、破線のグラフは右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値を示し、実線のグラフは左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値を示す。これらの図において、破線のグラフと実線のグラフとが重複する部分は実線のみを示す。
　また、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２は、各々、一定期間に取得される空気ばねの内圧を１階微分して得られた絶対値のうち最大値を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａにおける白丸は一定期間に取得される右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうち最大値を示し、黒丸は一定期間に取得される左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうち最大値を示す。なお、これらの図における直線の破線は後述する信号処理装置６での信号処理で適用する閾値の上限を示し、直線の一点鎖線は当該閾値の下限を示す。図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４は、各々、一定期間に取得される空気ばねの内圧を２階微分して得られた絶対値のうち最大値を示し、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａにおける白丸は一定期間に取得される右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうち最大値を示し、黒丸は一定期間に取得される左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうち最大値を示す。なお、これらの図における直線の破線は後述する信号処理装置６での信号処理で適用する閾値の上限を示し、直線の一点鎖線は当該閾値の下限を示す。さらに、図５Ａのグラフ５１６は、実車両を図１Ａで示す試験線路を正常走行させた場合の走行速度を示す。
  図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａの空気ばねの内圧検出信号と、これら検出信号の処理信号を比較した場合、試験線路上を図５Ａのグラフ５１６に示す速度で正常走行させた図５Ａに比べて、脱線再現試験を実施した図２Ａ、図３Ａ、図４Ａの場合は、何れの信号処理も大きな変動を示していることが分かる。 
　これらの結果より、空気ばねの内圧を検出してこの検出値を信号処理することにより、脱線の検知が可能であることが確認された。 
  一方、図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂは、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａに示した処理信号のうち、進行方向に向かって右側の空気ばねの処理信号に基づいて脱線か否かの判定を行った場合の図である。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃは、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａに示した処理信号のうち、進行方向に向かって左側の空気ばねの処理信号に基づいて脱線か否かの判定を行った場合の図である。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２２２、グラフ３２２、グラフ４２２、グラフ５２２は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、３０６、４０６、５０６に示した右側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値に基づく脱線の判定結果を示す。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２４２、グラフ３４２、グラフ４４２、グラフ５４２は、各々、グラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した左側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値に基づく脱線の判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２２４、グラフ３２４、グラフ４２４、グラフ５２４は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１２、３１２、４１２、５１２に示した右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２４４、グラフ３４４、グラフ４４４、グラフ５４４は、各々、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２２６、グラフ３２６、グラフ４２６、グラフ５２６は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２４６、グラフ３４６、グラフ４４６、グラフ５４６は、各々、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２２８、グラフ３２８、グラフ４２８、グラフ５２８は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した右側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、及び、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２４８、グラフ３４８、グラフ４４８、グラフ５４８は、各々、グラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した左側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、及び、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２３０、グラフ３３０、グラフ４３０、グラフ５３０は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した右側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果示す。また、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２５０、グラフ３５０、グラフ４５０、グラフ５５０は、各々グラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した左側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２３２、グラフ３３２、グラフ４３２、グラフ５３２は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく脱線の判定結果を示す。図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２５２、グラフ３５２、グラフ４５２、グラフ５５２は、各々、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく判定結果を示す。
　図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂのグラフ２３４、グラフ３３４、グラフ４３４、グラフ５３４は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した右側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した右側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した右側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく判定結果を示す。図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、図５Ｃのグラフ２５４、グラフ３５４、グラフ４５４、グラフ５５４は、各々、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのグラフ２０６、グラフ３０６、グラフ４０６、グラフ５０６に示した左側の空気ばねの内圧の隣接する極大値及び極小値の差分の絶対値、グラフ２１２、グラフ３１２、グラフ４１２、グラフ５１２に示した左側の空気ばねの内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値、及び、グラフ２１４、グラフ３１４、グラフ４１４、グラフ５１４に示した左側の空気ばねの内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうちの最大値に基づく判定結果を示す。
　なお、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、図５Ｃでは、脱線したと判定された場合を「１」とし、脱線していないと判定された場合を「０」として表している。
  これらの脱線か否かの判定は、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａに示した閾値、すなわち、極大値及び極小値の差分値の場合は５０ｋＰａ、１階微分の場合は５００ｋＰａ／ｓｅｃ、２階微分の場合は１５０００ｋＰａ／ｓｅｃ２、を超えた場合に脱線と判定したものである。
  図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂと図５Ｂとの比較、図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃと図５Ｃとの比較より明らかなように、信号処理により、極大値及び極小値の差分値、１階又は２階微分した値を一定期間取得した絶対値のうちの最大値を求めた場合は、正常走行時と切り分けて脱線を検知できることが判明した。 
  本発明は、発明者らの上記脱線再現試験を実施した結果に基づいて成されたものである。 
  すなわち、図６に示すように、レール１上を走行する鉄道車両２の車体１０と台車３との間に装架された空気ばね４の内圧を内圧センサー５で検出し、この検出した内圧の変動を信号処理装置６で信号処理し、信号処理した値により脱線か否かを判定するものである。この本発明方法の全体フローを図７に示す。 
　図７に示す方法では、空気ばね４の内圧を内圧センサー５で検出（サンプリング）し、）、信号処理装置６が図８～図１４に示す脱線検知判定処理を実行する。脱線検知判定処理において脱線であると判定した場合には、脱線したことを示す脱線信号を出力した後に脱線した後に実行するものとして予め定められた処理を実行する。また、脱線でないと判定した場合には、正常走行であるとして、以上の処理を繰り返す。
  具体的には、前記信号処理装置６では、以下のような上記脱線検知判定処理のための信号処理を行って脱線か否かを判定する。 
１）内圧センサー５で検出した内圧変動の極大値及び極小値の差分ΔＰの絶対値が予め設定した閾値（第３の閾値）、例えば５０～１００ｋＰａを超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図８に示す。この図８では閾値は５０ｋＰａとしている。図８では、脱線と判定された場合に、脱線フラグに「１」を設定し、脱線と判定されなかった場合に、脱線フラグに「０」を設定する。
　なお、極大値及び極小値の差分ΔＰは、時間的に隣接する極大値と極小値との差分ΔＰであってよい。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば、差分ΔＰの絶対値を一定期間毎の間隔で開始する所定期間に取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した閾値を超えた場合に脱線と判定してもよい。また、例えば、極大値と極小値とを一定期間毎の間隔で開始する所定期間に取得し、取得した極大値のうち最大値と取得した極小値のうち最小値との差分の絶対値が予め設定した閾値を越えた場合に脱線と判定してもよい。上記一定期間は０．２秒以下であってよく、上記所定期間は１秒以上であってよいが、本発明はこれに限定されない。
２）内圧センサー５で検出した内圧を１階微分した値ｄＰ／ｄｔの絶対値を一定期間、例えば０．２秒以下（第２の取得開始間隔）毎の間隔で開始する１秒間以上の期間（第２の取得期間）に取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した閾値（第２の閾値）、例えば５００～１０００ｋＰａ／ｓｅｃを超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図９に示す。この図９では閾値は５００ｋＰａ／ｓｅｃとしている。図９でも、脱線と判定された場合に、脱線フラグに「１」を設定し、脱線と判定されなかった場合に、脱線フラグに「０」を設定する。 
３）内圧センサー５で検出した内圧を２階微分した値ｄ２Ｐ／ｄｔ２の絶対値を一定期間、例えば０．２秒以下（第１の取得開始間隔）毎の間隔で開始する１秒間以上の期間（第１の取得期間）に取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した閾値（第１の閾値）、例えば１００００～３００００ｋＰａ／ｓｅｃ２を超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図１０に示す。図１０では閾値は１５０００ｋＰａ／ｓｅｃ２としている。図１０でも、脱線と判定された場合に、脱線フラグに「１」を設定し、脱線と判定されなかった場合に、脱線フラグに「０」を設定する。
４）前記１）及び２）を組み合わせる。すなわち、検出した前記内圧変動の極大値及び極小値の差分の絶対値が予め設定した前記閾値を超えた場合に、前記内圧を１階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図１１に示す。図１１に示した閾値は図８及び図９と同じである。図１１でも、脱線と判定された場合に、脱線フラグに「１」を設定し、脱線と判定されなかった場合に、脱線フラグに「０」を設定する。
　なお、ここでは、１）の処理で脱線であると判定された場合に２）の処理を行っているが、２）の処理で脱線であると判定された場合に１）の処理を行ってもよい。また、１）の処理及び２）の処理の双方で脱線と判定された場合に、最終的に脱線と判定するのではなく、１）の処理及び２）の処理のいずれか一方で脱線であると判定された場合に、最終的に脱線であると判定してもよい。
５）前記１）及び３）を組み合わせる。すなわち、検出した前記内圧変動の極大値及び極小値の差分の絶対値が予め設定した前記閾値を超えた場合に、前記内圧を２階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図１２に示す。図１２に示した閾値は図８及び図１０と同じである。 
　なお、ここでは、１）の処理で脱線であると判定された場合に３）の処理を行っているが、３）の処理で脱線であると判定された場合に１）の処理を行ってもよい。また、１）の処理及び３）の処理の双方で脱線と判定された場合に、最終的に脱線と判定するのではなく、１）の処理及び３）の処理のいずれか一方で脱線であると判定された場合に、最終的に脱線であると判定してもよい。
６）前記２）及び３）を組み合わせる。すなわち、検出した前記内圧を１階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に、前記内圧を２階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図１３に示す。図１３に示した閾値は図９及び図１０と同じである。 
　なお、ここでは、２）の処理で脱線であると判定された場合に３）の処理を行っているが、３）の処理で脱線であると判定された場合に２）の処理を行ってもよい。また、２）の処理及び３）の処理の双方で脱線と判定された場合に、最終的に脱線と判定するのではなく、２）の処理及び３）の処理のいずれか一方で脱線であると判定された場合に、最終的に脱線であると判定してもよい。
７）前記１）～３）を組み合わせる。すなわち、検出した前記内圧変動の極大値及び極小値の差分の絶対値が予め設定した前記閾値を超え、かつ、前記内圧を１階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に、前記内圧を２階微分した値の絶対値を前記一定期間取得した絶対値のうちの最大値が予め設定した前記閾値を超えた場合に脱線と判定する。この処理フローを図１４に示す。図１４に示した閾値は図８～１０と同じである。 
　なお、ここでは、１）の処理で脱線であると判定された場合であって、かつ、２）の処理で脱線であると判定された場合に３）の処理を行っているが、１）～３）の処理の順序はこの順序に限定されない。また、１）～３）の処理の全てで脱線と判定された場合に、最終的に脱線と判定するのではなく、１）～３）の処理の少なくともいずれかで脱線であると判定された場合に、最終的に脱線であると判定してもよい。
　上記１）～７）の処理では、図８～図１４に示すように、脱線と判定した場合に脱線フラグに「１」を設定し、脱線ではないと判定した場合に脱線フラグに「０」を設定し、図７のフローにおいて脱線であるか否か判定している（図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、図５Ｃも参照）。ここで、脱線フラグを使用したのは、単に処理の流れの理解を容易にするためであり、本発明はこれに限定されるものではない。また、閾値についても、理解を容易にするために示された一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
  上記本発明方法を実施すべく、台車３に設置された内圧センサー５による検出値に基づき、上記１）～７）の処理を行う信号処理装置６を備えたものが本発明の脱線検知装置である。 
  また、この本発明の脱線検知装置を搭載したものが本発明の鉄道車両用台車、そして、この本発明の鉄道車両用台車を装備したものが本発明の鉄道車両である。 
  ところで、上記１）～７）の処理を行った場合、全てが同一のタイミングで脱線を検知できるものでないことは、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃを見れば明らかである。 
  従って、信号処理装置６に上記１）～７）のどの処理を行わせるのかは、走行するレール１が平坦か否か、曲線が存在する場合はその曲線形状（曲線半径、カント等）や、当該レール上を走行する時の規定速度に応じて最適の処理を選択することになる。 
  また、１）～７）の処理を実施する場合に決定する、内圧を１階微分して得られた値の絶対値及び内圧を２階微分して得られた値の絶対値の取得期間や脱線であるか否かを判定するための閾値も、走行するレール１中に存在する曲線形状等によって最適の取得期間や閾値を選択する必要があることは、図５Ｂのグラフ５２６で脱線していないにもかかわらず脱線と判定していることからも明らかである。さらに、閾値は、例えば、対象とする鉄道車両における乗車率、積載量などに応じて、適応的に増減されてもよい。
  なお、１）～７）の処理の説明に際して記載した取得期間や閾値は、発明者らが脱線再現試験を実施したレール形状の場合の最適範囲である。これらの取得期間や閾値は、本発明を限定する意図で示したものではない。 
　以上詳細に説明したように、本発明では、空気ばねの内圧の変動を測定する。この空気ばねの内圧の変動を測定することは、以下に説明するように、空気ばねの上下方向の変位Δｈを測定することに相当する。但し、以下の説明は、空気ばねの上下方向の変位及び空気ばねの内圧の変動が所定の値を超えない場合に（微小である場合に）成立する。
　まず、空気ばねの内圧をＰ、補助空気室体積をＶ、ポリトロープ指数をｒとすると式（１）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　
　次に、受圧面積をＡ、空気ばねの高さをｈとし、空気ばねをシリンダーと考え、次の式（２）を仮定すると、式（３）を導くことができる。ここでは、空気ばねの内圧の変動をΔＰとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　　
　以下の式（４）～（６）を経て、式（３）から式（７）を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　　
　　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　　
　式（７）によれば、空気ばねの内圧の変動ΔＰ は，空気ばねの上下方向の変位Δｈに比例する。したがって、空気ばねの内圧の変動を測定することは、空気ばねの上下方向の変位を測定していることと同様の意味を有する。
　また、車体は，一次ばね（軸ばね）と二次ばね（空気ばね）で上下方向に支持されている。一般に、一次ばね定数は約４０００～６０００ｋＮ／ｍ／台車であるのに対し、二次ばね定数は約１０００ｋＮ／ｍ／台車である。すなわち、車体の上下方向の変位は，主に、より小さな力でより大きく変位する空気ばねの上下方向の変位によるものである。
　したがって、鉄道車両の上下方向の振動に関連する空気ばねの内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出することにより、横風等によって鉄道車両が横揺れしたのではなく、鉄道車両がレールから落下することによって脱線したことを判定することが可能となる。
  上記の本発明によれば、新規に高価なセンサーを追加して設置することなく、脱線の検知を行うことができる。 
  本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。 
  例えば、上記の例では進行方向前側の左右の空気ばねの内圧に基づいて信号処理を行っているが、進行方向後側の左右の空気ばねの内圧に基づいて信号処理を行っても良い。また、左右の空気ばねのどちらか一方の内圧に基づいて信号処理を行っても良い。 
　日本特許出願第２０１２－１１６５４６号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (10)

  1.   レール上を走行する鉄道車両が脱線したことを検知する方法であって、 
      前記鉄道車両の台車に装架された空気ばねの内圧を内圧センサーで検出し、検出した前記内圧を信号処理することにより、前記鉄道車両の上下方向の振動に関連する前記内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出し、
    　前記特徴値に基づいて前記鉄道車両が脱線したことを判定する、
    　鉄道車両の脱線検知方法。
  2. 　前記特徴値は、前記内圧を２階微分して得られた値の絶対値、前記内圧を１階微分して得られた値の絶対値、及び、前記内圧の極大値及び極小値の差分の絶対値、の少なくとも１つであり、
    　前記特徴値が判定対象とする特徴値の種類に応じて予め定められた値を超えた場合に脱線であると判定する、
    　請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。 
  3.   前記内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうち、予め定められた第１の取得期間の間の最大値が予め定められた第１の閾値を超えた場合、
      前記内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうち、予め定められた第２の取得期間の間の最大値が予め定められた第２の閾値を超えた場合、
    　前記内圧の極大値及び極小値の差分の絶対値が予め定められた第３の閾値を超えた場合、
    　の少なくとも１つの場合に脱線であると判定する、
    　請求項２に記載の鉄道車両の脱線検知方法。 
  4.   前記第１の取得期間は、予め定められた第１の取得開始間隔毎に開始され、
    　前記第２の取得期間は、予め定められた第２の取得開始間隔毎に開始される、
    　請求項３に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
  5. 　前記第１及び第２の取得期間が１秒以上の期間であり、
    　前記第１及び第２の取得開始間隔が０．２秒以下の期間であり、
    　前記第１の閾値が１００００～３００００ｋＰａ／ｓｅｃ２であり、
    　前記第２の閾値が５００～１０００ｋＰａ／ｓｅｃであり、
    　前記第３の閾値が５０～１００ｋＰａである、
    　請求項４に記載の鉄道車両の脱線検知方法。 
  6. 　前記第１の閾値、第２の閾値及び第３の閾値は、前記鉄道車両の乗車率に応じて増減される、請求項３～５のいずれか１項に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
  7.   レール上を走行する鉄道車両が脱線したことを検知する装置であって、 
      前記鉄道車両の台車に装架された空気ばねの内圧を検出する内圧センサーと、 
      前記内圧センサーで検出した内圧を信号処理することにより、前記鉄道車両の上下方向の振動に関連する前記内圧の変動の特徴を示す特徴値を導出し、前記特徴値に基づいて前記鉄道車両が脱線したことを判定する信号処理装置と、
    　を備えた鉄道車両の脱線検知装置。 
  8.   前記信号処理装置は、 
      前記内圧を２階微分して得られた値の絶対値のうち、予め定められた第１の取得期間の間の最大値が予め定められた第１の閾値を超えた場合、
      前記内圧を１階微分して得られた値の絶対値のうち、予め定められた第２の取得期間の間の最大値が予め定められた第２の閾値を超えた場合、
    　前記内圧の極大値及び極小値の差分の絶対値が予め定められた第３の閾値を超えた場合、
    　の少なくとも１つの場合に脱線であると判定する、
    　請求項７に記載の鉄道車両の脱線検知装置。 
  9.   請求項７又は８に記載の脱線検知装置を搭載した鉄道車両用台車。 
  10.   請求項９に記載の鉄道車両用台車を装備した鉄道車両。 
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