JP6685954B2

JP6685954B2 - 鉄道車両用操舵機構

Info

Publication number: JP6685954B2
Application number: JP2017039440A
Authority: JP
Inventors: 康宏梅原; 小島　崇; 崇小島; 雄亮山長; 宏平宮原; 庄吾鴨下
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: JP2018144543A

Description

本発明は、鉄道車両の走行時に車体に対して台車枠を曲線区間の曲率に応じて意図的に回動させる操舵機構に関する。

従来、鉄道車両の曲線通過性能を向上させるために、台車枠を車体に対して回動可能に取り付けた操舵機構が知られている。例えば、特許文献１に記載された操舵機構は、車体と台車枠の間のボギー角変位を操舵はり、操舵てこ及び連結棒を介して軸箱に伝達し、前後輪軸のアタック角を機械的に制御する方式である。

また、特許文献２に記載された操舵機構は、車体と台車枠の間にアクチュエータが取り付けられており、予め準備された地上情報（地図データ）と鉄道車両上に設けられた地点検出のための検出機器とによって地点検出を行って、地点検出結果に応じて能動的にアクチュエータに力を与えて鉄道車両に対して台車枠を旋回させるように構成されている。

特許第３４４８４４５号公報特開２００７−１８６１２６号公報

しかし、上述したように特許文献１による操舵機構によると、操舵はり、操舵てこ及び連結棒といった機械的な構成が必要となることから、操舵機構自体が大型化してしまうという問題があり、アクチュエータを用いた操舵機構の場合は、誤って反対方向の操舵指令が入力されると、操舵の向きと線路の曲線が逆方向を向く、所謂逆操舵となる場合があり、逆操舵となった場合には最悪の場合脱線等の事故に繋がるおそれがあった。また、地点検出のために地上情報や検出機器を備えておく必要があるなどシステム自体が複雑化してしまうという問題もあった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、曲線区間における逆操舵や直線操舵といった誤作動を防止することができる鉄道車両の操舵機構を提供することを目的とする。

本発明に係る操舵機構は、鉄道車両の車体に設けられた前後一対の台車枠を鉛直軸回りに回動させる操舵機構であって、前記鉄道車両に取り付けられた速度センサと、前記鉄道車両及び前記一対の台車枠のそれぞれに取り付けられたヨー角速度センサと、前記速度センサ及び前記ヨー角速度センサからの信号に応じて前記操舵機構を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記速度センサからの速度信号に応じて前記操舵機構の制御可否を決定する速度条件手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る操舵機構において、前記制御手段は、前記ヨー角速度センサからの角速度信号に応じて、前記車体及び前記一対の台車枠におけるそれぞれの曲率を算出し、これらの曲率が所定の閾値を超えた場合に前記操舵機構の制御を行う曲率条件手段を備えると好適である。

また、本発明に係る操舵機構において、前記制御手段は、前記ヨー角速度センサからの角速度信号から算出される曲率に比例した操舵力を算出する操舵力算出手段を備えると好適である。

本発明に係る操舵機構において、前記操舵機構は、前記車体のヨー角速度と前記一対の台車枠のヨー角速度の平均値の差が所定の範囲内にあることを確認する健全性確認手段を備えると好適である。

本発明に係る操舵機構は、鉄道車両に取り付けられた速度センサと鉄道車両及び前後一対の台車枠にそれぞれに取り付けられたヨー角速度センサを備えており、これらのセンサによって得られた情報から操舵機構の操舵力を算出することができるので、簡単な構成で、曲線区間における逆操舵及び直線操舵を防止すると共に、曲線区間での適切な操舵力を発生させることで鉄道車両の曲線通過性能を向上させることができる。

本実施形態に係る操舵機構の構成を説明するための概要図。本実施形態に係る操舵機構の制御手段におけるフロー図。速度条件工程のフロー図。曲率条件工程のフロー図。操舵力算出工程のフロー図。健全性確認工程のフロー図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る操舵機構の構成を説明するための概要図であり、図２は、本実施形態に係る操舵機構の制御手段におけるフロー図であり、図３は、速度条件工程のフロー図であり、図４は、曲率条件工程のフロー図であり、図５は、操舵力算出工程のフロー図であり、図６は、健全性確認工程のフロー図である。

図１に示すように、本実施形態に係る操舵機構３０を備える鉄道車両１は、車体１０に設けられると共に輪軸２４が回転自在に取り付けられた前台車２１及び後台車２２とからなる前後一対の台車枠２３を備え、該台車枠２３を鉛直軸回りに回動させる操舵機構３０を備えている。前台車２１及び後台車２２は、車体１０に対して図示しない回動軸回りに回動可能に取り付けられている。

また、車体１０、前台車２１及び後台車２２にはそれぞれ車体側ヨー角速度センサ４１、前台車側ヨー角速度センサ４２及び後台車側ヨー角速度センサ４３が取り付けられており、後台車２２には、鉄道車両１の速度を検出する速度センサ４４が取り付けられている。さらに、鉄道車両１は、これらのヨー角速度センサ４１〜４３や速度センサ４４からの信号に応じてこれらを処理することで操舵機構３０に操舵力の指示を出力するなどの制御を行う制御手段５０を備えている。

操舵機構３０は、前台車２１及び後台車２２の進行方向両側にそれぞれ第１のアクチュエータ３１および第２のアクチュエータ３２が取り付けらえており、第１のアクチュエータ３１および第２のアクチュエータ３２がそれぞれ伸縮することで、台車枠２３に所定の操舵力を付与している。

なお、第１のアクチュエータ３１および第２のアクチュエータ３２は、電動油圧式のアクチュエータが好適に用いられ、これらのアクチュエータに切換弁を設け、これらの切替弁を曲率方向に応じて切り替え可能に制御することで逆操舵及び直線操舵といった誤操作を防止することが可能となる。また、電動油圧式のアクチュエータを用いた場合には、アクチュエータに推力を発生させずに油圧ダンパとして用いることもでき、例えば鉄道車両１が高速走行時には操舵機構３０をダンパとして機能させ台車枠の蛇行動を防止して高速走行時の鉄道車両１の走行安定性を高めることも可能となる。

車体側ヨー角速度センサ４１、前台車側ヨー角速度センサ４２及び後台車側ヨー角速度センサ４３は、１軸のジャイロセンサのように車体１０、前台車２１及び後台車２２のヨー角速度を測定することができればどのようなセンサを用いても構わない。また、車体側ヨー角速度センサ４１、前台車側ヨー角速度センサ４２及び後台車側ヨー角速度センサ４３は、それぞれ車体１０、前台車２１及び後台車２２の進行方向に沿った長さの略中央に配置されると好適である。さらに、速度センサ４４は、鉄道車両１の速度を測定することができればどのようなセンサを用いても構わない。

制御手段５０は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムで構成されており、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ），ＲＡＭ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等からなる制御部と、ハードディスク等からなる記憶部、キーボードやマウスからなる入力部、ディスプレイやプリンタなどからなる表示部がシステムバスに接続されて構成されている。また、本実施形態に係る操舵機構を実行するためのプログラムは記憶部に格納されて必要に応じて実行される。

このように、本実施形態に係る操舵機構３０は、ヨー角速度センサ４１〜４３と速度センサ４４から得られるヨー角速度信号及び速度信号を用いて操舵制御を行うので、従来のように地図データを必要とせず、シンプルなシステム構成とすることが可能となる。なお、車体１０、前台車２１及び後台車２２は剛体とみなし、ヨー角速度センサの設置位置による影響は考慮しないものとする。

次に、図２から６を参照して本実施形態に係る操舵機構の制御手段について説明を行う。本実施形態に係る操舵機構の制御手段は、速度センサ４４からの速度信号に応じて操舵機構３０の制御可否を決定する速度条件工程Ｓ１０１と、車体側ヨー角速度センサ４１、前台車側ヨー角速度センサ４２及び後台車側ヨー角速度センサ４３からの角速度信号に応じて、車体１０、前台車２１及び後台車２２におけるそれぞれの曲率を算出し、これらの曲率が所定の閾値を超えた場合に操舵機構３０の制御を行う曲率条件工程Ｓ１０２と、車体１０の角速度から算出される曲率に比例した操舵力を算出する操舵力決定工程Ｓ１０３と、車体１０のヨー角速度と、前台車２１及び後台車２２のヨー角速度の平均値の差が所定の範囲内にあることを確認する健全性確認工程Ｓ１０４を備えている。

このように、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法は、曲率検知や操舵力の大きさを決定するために曲率信号を用いている。ここで、半径Ｒの曲線を速度Ｖで鉄道車両１が走行した場合、ωを鉄道車両１のヨー角速度とすると、Ｖ＝Ｒ・ωの式が成り立つ。本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法によれば、鉄道車両１に備えた速度センサ４４およびヨー角速度センサ４１〜４３によって速度Ｖ及びヨー角速度ωの値が取得できる。なお、曲率１／Ｒは、上述した式を用いて１／Ｒ＝ω／Ｖの式から求めることができる。

図３に示すように、速度条件工程Ｓ１０１は、鉄道車両１が所定の速度（本実施形態では１０ｋｍ／ｈ）以下の場合には操舵機構３０の制御をオフにする。本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法に用いる速度信号は、速発パルスなどから生成されるため、低速度域（例えば５ｋｍ／ｈ以下）の場合は、パルス信号にばらつきが生じ、速度信号が不安定な状態となる場合があるため、曲率を算出する際には、ゼロ割を避けるために走行速度を１０ｋｍ／ｈ以下に設定すると好適である。また、高速走行時（本実施形態では１３０ｋｍ／ｈ以上）の場合には操舵機構３０を油圧ダンパとして機能させるように指令を送る。なお、高速走行時の閾値は、走行区間に応じて適宜設定することが可能である。

このように、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法によれば、パルス信号にばらつきの多い低速度域では操舵機構３０の誤操作を防止するために操舵制御をオフとし、高速度域では操舵機構３０をダンパとして機能させているので、逆操舵や直線操舵といった誤操舵を防止すると共に、鉄道車両の走行安定性を高めることが可能となる。

図４に示すように、曲率条件工程Ｓ１０２では、車体１０、前台車２１及び後台車２２における各曲率を算出し、操舵制御を行う最大曲線半径を設定して設定した最大曲線半径よりも急な曲線でのみ操舵制御を行う。即ち、前台車２１、車体１０及び後台車２２に取り付けられた前台車側ヨー角速度センサ４２、車体側ヨー角速度センサ４１及び後台車側ヨー角速度センサ４３から得られたそれぞれのヨー角速度信号を元に各曲率を算出し、それらの曲率が全て閾値を超えた場合に操舵制御を行っている。なお、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法では、操舵制御を行う最大曲線半径を６００ｍと設定し、曲率の閾値は１／６００とした。また、曲率条件工程のフロー図は、前台車２１、車体１０及び後台車２２の各曲率を直列に実行した場合について説明を行ったが、各処理を並列に実行し、最後にＡＮＤ条件を取るように構成しても構わない。

このように、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法によれば、前台車２１、車体１０及び後台車２２にそれぞれ取り付けた前台車側ヨー角速度センサ４２、車体側ヨー角速度センサ４１及び後台車側ヨー角速度センサ４３のみによって操舵の可否を制御しているので、地図データと地点検出データの照合などを行う必要がなく、簡素な構成の操舵機構を構成することが可能となる。

図５に示すように、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法では、速度条件工程Ｓ１０１及び曲率条件工程Ｓ１０２によって制御オンとなった場合、操舵力算出工程Ｓ１０３において、操舵力を算出する。操舵力の大きさは、算出された曲率に比例して制御を行っている。算出される曲率は、低速度域では、ゼロ割により発散する場合もあるため、まず車体１０のヨー角速度の絶対値に所定の閾値を設けて操舵力Ｆｓをゼロとして直線などで操舵指令が発生することを防止している（Ｓ１０５）。本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法では、走行速度１０ｋｍ／ｈで最小曲線半径Ｒｍが６００ｍの曲線を通過する際のヨー角速度１０×３．６／６００＝０．０６を閾値とした。

また、ポイント通過時などの急激な姿勢変動による影響を避けるために、車体１０のヨー角速度に制限を設けて一定以上のヨー角速度に対しては反応しないように構成している（Ｓ１０６）。本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法では、ヨー角速度が８．０を超える場合には操舵力Ｆｓをゼロとするように構成している。

次に、操舵力の算出は、操舵機構３０の各アクチュエータ３１，３２の最大推力×最小曲線半径×車体の曲率として算出する（Ｓ１０７）。また、算出された操舵力Ｆｓの絶対値が最大推力よりも大きい場合には、当該最大推力を操舵力Ｆｓと設定する（Ｓ１０８）。このように、本実施形態に係る操舵機構３０の制御方法では、曲線の曲率の大きさに比例した操舵力を発生させることが可能となる。なお、線路の最小曲線半径に応じてゲインを変更しても構わない。

次に、健全性確認工程Ｓ１０４では、判定関数Ｄを算出して前台車２１，車体１０及び後台車２２の各ヨー角速度が正常に検出されているかを確認している。具体的には、判定関数Ｄ＝車体のヨー角速度−（前台車のヨー角速度＋後台車のヨー角速度）／２とすることで、車体１０の略中央に設置された車体側ヨー角速度センサ４１で検出されたヨー角速度と、前台車２１及び後台車２２の略中央に設置された前台車側ヨー角速度センサ４２及び後台車側ヨー角速度センサ４３が検出したヨー角速度の平均値の差分を確認している。

この場合、判定関数Ｄの絶対値が例えば０．６未満であれば、各ヨー角速度センサは正常であると判定することができ、軌道不整などがある場合には当該判定関数の値が大きくなるので、これを検知して鉄道車両の走行安定性を高めることが可能となる。

このように、本実施形態に係る操舵機構３０は、鉄道車両１に取り付けられた速度センサ４４と、鉄道車両１及び一対の台車枠２３のそれぞれに取り付けられたヨー角速度センサ４１〜４３と、速度センサ４４及びヨー角速度センサ４１〜４３からの信号に応じて操舵機構３０を制御する制御手段５０を備えるので、これらのセンサによって得られた情報から操舵機構の操舵力を算出することができるので、簡単な構成で、曲線区間における逆操舵及び直線操舵を防止すると共に、曲線区間での適切な操舵力を発生させることで鉄道車両の曲線通過性能を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る操舵機構３０では、最大曲線半径を６００ｍ、低速度域を１０ｋｍ／ｈ、高速度域を１３０ｋｍ／ｈと設定した場合について説明を行ったが、これらの数値範囲は鉄道車両が走行する状況に応じて適宜変更することが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１鉄道車両
１０車体
２１前台車
２２後台車
２３台車枠
２４輪軸
３０操舵機構
３１第１のアクチュエータ
３２第２のアクチュエータ
４１車体側ヨー角速度センサ
４２前台車側ヨー角速度センサ
４３後台車側ヨー角速度センサ
４４速度センサ
５０制御装置
Ｓ１０１速度条件工程
Ｓ１０２曲率条件工程
Ｓ１０３操舵力算出工程
Ｓ１０４健全性確認工程

Claims

鉄道車両の車体に設けられた前後一対の台車枠を鉛直軸回りに回動させる操舵機構であって、
前記鉄道車両に取り付けられた速度センサと、
前記鉄道車両及び前記一対の台車枠のそれぞれに取り付けられたヨー角速度センサと、
前記速度センサ及び前記ヨー角速度センサからの信号に応じて前記操舵機構を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記速度センサからの速度信号に応じて前記操舵機構の制御可否を決定する速度条件手段を備えることを特徴とする操舵機構。
請求項１に記載の操舵機構において、
前記制御手段は、前記ヨー角速度センサからの角速度信号に応じて、前記車体及び前記一対の台車枠におけるそれぞれの曲率を算出し、これらの曲率が所定の閾値を超えた場合に前記操舵機構の制御を行う曲率条件手段を備えることを特徴とする操舵機構。
請求項１又は２に記載の操舵機構において、
前記制御手段は、前記ヨー角速度センサからの角速度信号から算出される曲率に比例した操舵力を算出する操舵力算出手段を備えることを特徴とする操舵機構。
請求項１から３のいずれか１項に記載の操舵機構において、
前記操舵機構は、前記車体のヨー角速度と前記一対の台車枠のヨー角速度の平均値の差が所定の範囲内にあることを確認する健全性確認手段を備えることを特徴とする操舵機構。