JP2013241134A - 鉄道車両の脱線検知方法及び装置、並びに鉄道車両用台車、鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】台車３に装架された空気ばね４の内圧を内圧センサー５で検出する。信号処理装置６で、内圧センサー５で検出した内圧の変動の極大値と極小値の差分の絶対値を求める。この差分の絶対値が予め設定した閾値を超えた場合に信号処理装置６は脱線と判定する。
【効果】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。
【選択図】図７

Description

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（例えば特許文献１、２）。

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。

特開２００２−２１１３９６号公報 特開２００２−２１１４００号公報

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。

すなわち、本発明の鉄道車両の脱線検知方法は、
レール上を走行する鉄道車両の脱線を検知する方法であって、
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、この検出した内圧の変動を信号処理し、この信号処理値に基づいて脱線か否かを判定することを最も主要な特徴としている。

また、本発明の鉄道車両の脱線検知装置は、
レール上を走行する鉄道車両の脱線を検知する装置であって、
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、
この内圧センサーで検出した内圧の変動を信号処理し、この信号処理値に基づいて脱線か否かを判定する信号処理装置を有することを最も主要な特徴としている。

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。

脱線再現試験を行った際のレールの形状を示した図である。 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。

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した。

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、図１に示す形状の試験線路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、試験線路上を通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１中のＲは曲線路の半径（単位：m）を示しており、符号が「＋」は右曲線、符号が「−」は左曲線である。

その結果を図２〜図５に示す。このうち、図２は前記試験線路上の１５０mmの位置から試験線路上に前記実車両を落下させた場合、図３は前記試験線路上の１５０mmの位置から枕木上に前記実車両を落下させて枕木上を走行させた場合、図４は枕木上を走行させた場合の図である。また、図５は前記試験線路上を通常走行させた場合である。

前記図２〜図５のうちのＡ図には、前記状態下における、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。これら図２〜図５のＡ図では、処理信号として、極大値、極大値と極小値の差分値、１回又は２回微分した値及びその絶対値を０．２秒毎に１秒間スキャンした絶対値のうちの最大値を示している。

これら図２〜図５のＡ図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、試験線路上を同図に示した速度で通常走行させた図５Ａに比べて、脱線再現試験を実施した図２〜図４のＡ図の場合は、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。

図２〜図５のＢ図は、図２〜図５のＡ図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２〜図５のＣ図は、図２〜図５のＡ図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。

これらの脱線か否かの判定は、図２〜図５のＡ図に示した閾値、極大値と極小値の差分値の場合は５０kPa、１回微分の場合は５００kPa／sec、２回微分の場合は１５０００kPa／sec²を超えた場合に脱線と判定したものである。

図２〜図４のＢ，Ｃ図と図５のＢ，Ｃ図の比較より明らかなように、信号処理により、極大値と極小値の差分値、１回又は２回微分した値の一定時間スキャンした絶対値のうちの最大値を求めた場合は、通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の台車３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。

具体的には、前記信号処理装置６では、以下のような信号処理を行って脱線か否かを判定する。

1) 内圧センサーで検出した内圧変動の極大値と極小値の差分ΔPの絶対値が予め設定した閾値、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。

2) 内圧センサーで検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間、例えば０．２秒以下毎に１秒間以上スキャンした絶対値のうちの最大値dΔP／dtが予め設定した閾値、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。

3) 内圧センサーで検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間、例えば０．２秒以下毎に１秒間以上スキャンした絶対値のうちの最大値d²ΔP／dt²が予め設定した閾値、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。

4) 前記1)と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と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回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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８，９と同じである。

5) 前記1)と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と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回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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８，１０と同じである。

6) 前記2)と3)を組み合わせる。すなわち、検出した前記内圧を１回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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９，１０と同じである。

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と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回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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回微分した値の絶対値を前記一定時間スキャン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。

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２〜図４のＢ，Ｃ図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スキャン時間や閾値も、走行するレール中に存在する曲線形状等によって最適のスキャン時間や閾値を選択する必要があることは、図５Ｂ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。

なお、1)〜7)の処理の説明に際して記載したスキャン時間や閾値は、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。

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。

１ レール
２ 鉄道車両
３ 台車
４ 空気ばね
５ 内圧センサー
６ 信号処理装置

Claims (15)

1. レール上を走行する鉄道車両の脱線を検知する方法であって、
   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、この検出した内圧の変動を信号処理し、この信号処理値に基づいて脱線か否かを判定することを特徴とする鉄道車両の脱線検知方法。
2. 前記検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値が予め設定した閾値を超えた場合に脱線と判定することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
3. 前記検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
4. 前記検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
5. 前記検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値が予め設定した閾値を超えた場合に、前記検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
6. 前記検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値が予め設定した閾値を超えた場合に、前記検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
7. 前記検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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、さらに、前記検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
8. 前記検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値が予め設定した閾値を超え、かつ、前記検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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、前記検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の脱線検知方法。
9. 前記検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値と比較する前記閾値は、５０〜１００kPaであることを特徴とする請求項２、５、６、８の何れかに記載の鉄道車両の脱線検知方法。
10. 前記検出した内圧を１回微分した値の絶対値のスキャン時間は０．２秒以下毎に１秒間以上であり、このスキャンした絶対値のうちの最大値と比較する前記閾値は５００〜１０００kPa／secであることを特徴とする請求項３、５、７、８の何れかに記載の鉄道車両の脱線検知方法。
11. 前記検出した内圧を２回微分した値の絶対値のスキャン時間は０．２秒以下毎に１秒間以上であり、このスキャンした絶対値のうちの最大値と比較する前記閾値は１００００〜３００００kPa／sec²であることを特徴とする請求項４、６、７、８の何れかに記載の鉄道車両の脱線検知方法。
12. レール上を走行する鉄道車両の脱線を検知する装置であって、
    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、
    この内圧センサーで検出した内圧の変動を信号処理し、この信号処理値に基づいて脱線か否かを判定する信号処理装置を備えたことを特徴とする鉄道車両の脱線検知装置。
13. 前記信号処理装置は、
    検出した内圧変動の極大値と極小値の差分の絶対値が予め設定した閾値を超えた場合に脱線と判定するもの、
    又は、検出した内圧を１回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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するもの、
    又は、検出した内圧を２回微分した値の絶対値を一定時間スキャンし、このスキャン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するもの、
    のうちの少なくとも何れか一つの処理を行うものであることを特徴とする鉄道車両の脱線検知装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の脱線検知装置を搭載したことを特徴とする鉄道車両用台車。
15. 請求項１４に記載の鉄道車両用台車を装備したことを特徴とする鉄道車両。

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