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KR101388298B1 - 철도 차량의 진동 억제 장치 - Google Patents

철도 차량의 진동 억제 장치 Download PDF

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KR101388298B1
KR101388298B1 KR1020137006953A KR20137006953A KR101388298B1 KR 101388298 B1 KR101388298 B1 KR 101388298B1 KR 1020137006953 A KR1020137006953 A KR 1020137006953A KR 20137006953 A KR20137006953 A KR 20137006953A KR 101388298 B1 KR101388298 B1 KR 101388298B1
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오사무 고토우
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신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
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Abstract

철도 차량의 진동 억제 장치는, 대차(2)와 차체(1)의 사이에 끼워 설치되어 철도 차량의 진동을 신축 운동에 의해 조정하는 액츄에이터(5)와, 액츄에이터(5)의 신축 운동을 제어하는 제어기(4)를 구비하며, 제어기(4)는, 철도 차량 주행 중에 소정 기간 내에서의 액츄에이터(5)의 총신축변위량을 도출하고, 도출한 총신축변위량과 미리 등록되어 있는 역치를 비교하여, 총신축변위량이 역치보다 작은 경우에 액츄에이터(5)가 고삽하고 있다고 판단한다. 이것에 의해, 액츄에이터의 고삽을 조기에 자기 진단하여 발견할 수 있다.

Description

철도 차량의 진동 억제 장치{VIBRATION SUPPRESSION DEVICE FOR RAILWAY VEHICLE}
본 발명은, 철도 차량에 발생하는 진동에 대해 신축 운동에 의해 감쇠 효과를 가져오는 액츄에이터를 구비한 진동 억제 장치에 관한 것으로, 특히, 액츄에이터의 작동 상태의 양부를 자기 진단하는 것이 가능한 철도 차량의 진동 억제 장치에 관한 것이다.
신칸센 등의 철도 차량은, 주행 중에, 상하 운동, 좌우 운동, 롤링, 요잉 등의 진동 가속도가 부가되어, 진동이 발생한다. 이 때문에, 철도 차량에는, 각종의 진동을 억제하는 진동 억제 장치가 탑재된다. 진동 억제 장치의 감쇠력 발생 기구로서는, 공기 스프링이나, 공압 또는 유압을 이용한 유체압 댐퍼나, 공압 또는 유압을 구동원으로 하는 유체압식 액츄에이터나, 전력을 구동원으로 하는 전동식 액츄에이터 등이 이용되며, 이들은 철도 차량의 대차와 차체의 사이에 끼워 설치된다.
이들 감쇠력 발생 기구 중에서 액츄에이터는, 대차측 및 차체측 중 어느 일방에 본체가 연결되고, 타방에 가동의 로드가 연결되어 있으며, 발생한 진동에 따라 로드를 신축 운동시킴으로써, 차체를 가진(加振)시킴과 동시에, 자신의 감쇠력을 조정하여, 진동을 감쇠시킨다. 이 때, 유체압식 액츄에이터에서는, 본체측이 되는 실린더의 내부에 로드(피스톤 로드)가 배치되어 있으며, 실린더로의 압축 공기나 기름의 공급량(봉입량)을 제어함으로써, 로드가 신축 운동한다. 전동식 액츄에이터에서는, 본체측이 되는 전동 모터의 주축에 볼나사 기구를 개재하여 로드가 동축 형상으로 배치되어 있으며, 전동 모터의 회전각을 제어함으로써, 전동 모터의 회전 운동이 직선 운동으로 변환되어, 로드가 신축 운동한다.
그런데, 액츄에이터를 이용한 진동 억제 장치에서는, 액츄에이터의 신축 운동이 불능이 되는 고장(이하, 이 고장을 「고삽(固澁)」이라고 한다)이 발생할 수 있다. 유체압식 액츄에이터의 고삽은, 어떠한 트러블에 의해, 실린더에 압축 공기나 기름을 공급하는 포트가 열린 채로 되거나 닫힌 채로 된 경우 등에 발생한다. 전동식 액츄에이터의 고삽은, 볼나사 기구에 이물이 물린 경우 등에 발생한다.
유체압식 액츄에이터에서 고삽이 발생한 경우, 그 액츄에이터는, 실린더 내에 봉입된 유체가 가지는 압축 특성에 의해, 약간 로드 신축을 허용하는 낮은 강성을 가지는 상태가 된다. 한편, 전동식 액츄에이터에서 고삽이 발생한 경우, 그 액츄에이터는, 로드 신축이 거의 허용되지 않는 높은 강성을 가지는 상태가 된다. 어느 액츄에이터에서도, 고삽의 발생은, 즉시 주행 안전성이나 승차감에 치명상을 주는 것은 아니지만, 승차감을 악화시키는 것은 부정할 수 없다. 특히, 고삽의 발생에 수반하여 고강성의 상태가 되는 전동식 액츄에이터에서는, 승차감의 악화가 현저하다.
따라서, 액츄에이터가 고삽한 경우는, 액츄에이터를 수리하거나 교환할 필요가 있다. 이 요구에 대응하는 종래의 기술로서, 예를 들면, 특허 문헌 1, 2에는, 철도 차량의 정지 중에, 액츄에이터를 의도적으로 구동시켜 차체를 가진시켜, 가진된 차체의 진동 가속도를 가속도 센서로 검출하고, 검출한 진동 가속도를 기준치와 비교하여, 진동 가속도가 기준치보다 작은 경우에 액츄에이터가 고장나 있다고 진단하는 기술이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 평5-184002호 공보 일본국 특허공개 2003-267216호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 액츄에이터의 고삽을 진단할 수 있어, 그 진단 결과로부터 액츄에이터의 수리·교환을 행할 수 있지만, 고삽 진단을 실시할 수 있는 것은 철도 차량의 정지 중에 한정된다. 즉, 현실적으로 액츄에이터의 고삽을 발견할 수 있는 것은, 철도 차량의 정비 공장에서 1개월에 1회 정도의 빈도로 행해지는 점검 시에 한정된다. 이 때문에, 경우에 따라서는 장기에 걸쳐 액츄에이터의 고삽이 발견되지 않아, 액츄에이터의 고삽에 수반하여 승차감이 악화된 채로 철도 차량의 운행을 행하고 있는 상황이 일어난다.
본 발명은, 상기의 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 철도 차량에 발생하는 진동에 대해 신축 운동에 의해 감쇠 효과를 가져오는 액츄에이터에 대해서, 고삽을 조기에 자기 진단하여 발견할 수 있는 철도 차량의 진동 억제 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 액츄에이터의 고삽을 조기에 발견하려면, 철도 차량의 운행에서의 주행 중에 고삽 진단을 실시하는 것이 유효하며, 또한, 주행 중이어도 적확한 정밀도로 고삽 진단을 실시하려면, 액츄에이터의 신축 변위량을 순시값이 아닌 어느 일정기간의 총량으로 평가하는 것이 유효한 것을 지견했다.
본 발명은, 상기의 지견에 기초하여 완성시킨 것이며, 그 요지는, 하기의 철도 차량의 진동 억제 장치에 있다.
본 발명의 철도 차량의 진동 억제 장치는, 철도 차량의 대차와 차체의 사이에 끼워 설치되어 철도 차량의 진동을 신축 운동에 의해 조정하는 액츄에이터와, 이 액츄에이터의 신축 운동을 제어하는 제어기를 구비한 철도 차량의 진동 억제 장치로서,
상기 제어기는, 철도 차량 주행 중에 소정 기간 내에서의 상기 액츄에이터의 총신축변위량을 도출하고, 도출한 총신축변위량을 이용하여 상기 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단하는 것을 특징으로 한다. 여기에서는, 예를 들면, 도출한 총신축변위량과 미리 등록되어 있는 제1 역치를 비교하여, 상기 총신축변위량이 상기 제1 역치보다 작은 경우에 상기 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단한다.
상기의 진동 억제 장치에서는, 상기 액츄에이터가 전동 모터의 회전 운동을 신축 운동으로 변환하는 전동식 액츄에이터인 것이 바람직하다.
또, 상기의 진동 억제 장치에 있어서, 상기 액츄에이터의 신축 변위를 검출하는 센서, 상기 액츄에이터의 신축 속도를 검출하는 센서, 또는, 상기 액츄에이터에서의 상기 대차측의 단부와 상기 차체측의 단부의 각각에 신축 방향의 가속도를 검출하는 센서를 구비하고, 상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이들 센서를 구비한 진동 억제 장치의 경우, 상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 구성이거나, 상기 센서의 검출 신호를 로우 패스 필터로 처리함과 함께, 미리 등록되어 있는 상기 센서의 영점치를 감산하는 처리를 실시하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 구성인 것이 바람직하다.
이상의 진동 억제 장치에 있어서, 상기 제어기는, 철도 차량의 주행 속도가 미리 등록되어 있는 속도를 초과하고 있을 때에, 상기 총신축변위량의 도출을 실행하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또, 이상의 진동 억제 장치에 있어서, 상기 제어기는, 상기 액츄에이터의 총신축변위량을 도출함과 함께, 상기 소정 기간 내에서 상기 차체에 작용하는, 상기 액츄에이터가 신축하는 방향과 동일한 방향의 진동 가속도의 실효치(RMS치： Root Mean Square Value)를 도출하고, 도출한 총신축변위량과 진동 가속도 실효치를 이용하여, 상기 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단하는 구성으로 할 수도 있다. 여기에서는, 예를 들면, 도출한 총신축변위량과 미리 등록되어 있는 제1 역치를 비교함과 함께, 도출한 진동 가속도 실효치와 미리 등록되어 있는 제2 역치를 비교하여, 상기 총신축변위량이 상기 제1 역치보다 작고, 상기 진동 가속도 실효치가 상기 제2 역치보다 큰 경우에 상기 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단한다.
이 진동 억제 장치에서는, 상기 차체에 작용하는, 상기 액츄에이터가 신축하는 방향과 동일한 방향의 진동 가속도를 검출하는 진동 가속도 센서를 구비하고, 상기 제어기는, 상기 진동 가속도 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 진동 가속도 실효치를 도출하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 철도 차량의 진동 억제 장치에 의하면, 철도 차량의 주행 중에 액츄에이터의 고삽 진단을 실시할 수 있기 때문에, 액츄에이터의 고삽을 조기에 발견할 수 있어, 조급히 대처하는 것이 가능해진다. 또, 고삽 진단의 평가 지표로서, 액츄에이터의 소정 기간 내에서의 총신축변위량을 채용하기 때문에, 적확한 정밀도로 고삽 진단을 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 진동 억제 장치를 탑재한 철도 차량의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 진동 억제 장치에 의한 액츄에이터의 고삽 진단의 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 3은, 본 발명의 진동 억제 장치에 의한 액츄에이터의 고삽 진단의 순서의 다른 예를 나타내는 플로차트이다.
이하에, 본 발명의 철도 차량의 진동 억제 장치에 대해서, 그 실시 형태를 상세히 서술한다.
도 1은, 본 발명의 진동 억제 장치를 탑재한 철도 차량의 구성예를 나타내는 모식도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 철도 차량의 1차량은, 차체(1)와, 이 차체(1)를 전후로 지지하는 대차(2)로 구성되며, 레일(3) 상을 주행한다. 대차(2)와 차체(1)의 사이에는, 차량의 좌우 방향으로 신축 운동이 가능한 액츄에이터(5)가 끼워 설치되어 있다.
도 1에 나타내는 액츄에이터(5)는, 전동식 액츄에이터이며, 본체측이 되는 전동 모터(11)의 주축(12)에 나사 홈이 깎여져, 이 주축(12)에 볼나사 너트(13)가 나사 결합하여, 주축(12)과 동축 형상의 로드(14)가 볼나사 너트(13)에 고정 설치된 구성이다. 액츄에이터(5)는, 전동 모터(11)측의 일단부가 철도 차량의 차체(1)측에 연결됨과 함께, 로드(14)측의 타단부가 철도 차량의 대차(2)측에 연결되어 있다.
또, 대차(2)와 차체(1)의 사이에는, 액츄에이터(5)와 병렬로 감쇠력 가변의 유체압 댐퍼(6)가 끼워 설치되어 있다. 차체(1)의 전후좌우의 네 코너에는, 좌우 방향의 진동 가속도를 검출하는 진동 가속도 센서(7)가 설치되어 있다. 또, 차체(1)에는, 액츄에이터(5) 및 유체압 댐퍼(6)의 작동을 제어하는 제어기(4)가 설치되어 있다.
차량의 주행 중, 액츄에이터(5)는, 발생한 진동에 기인하여 진동 가속도 센서(7)로 검출되는 차체(1)의 진동 가속도에 따라, 제어기(4)로부터의 지령에 의해, 전동 모터(11)의 주축(12)의 회전각이 제어된다. 이것에 의해, 액츄에이터(5)는, 전동 모터(11)의 주축(12)의 회전 운동이 볼나사 기구에 의해 직선 운동으로 변환되고, 로드(14)가 신축 운동하여, 차체(1)를 가진시킴과 동시에, 자신의 감쇠력을 조정하여, 진동을 감쇠시킬 수 있다. 이 때, 도 1에 나타내는 철도 차량에서는, 유체압 댐퍼(6)도 진동 감쇠 효과를 발휘한다.
상기의 예에서는, 차량의 좌우 방향의 진동을 억제하기 위해, 진동 억제 장치로서, 액츄에이터(5)를 좌우 방향으로 신축 가능하게 설치하고, 좌우 방향의 진동 가속도를 검출하는 진동 가속도 센서(7)를 설치한 것을 나타내고 있지만, 액츄에이터(5)와 진동 가속도 센서(7)의 설치 방향은, 억제하는 대상의 진동의 방향, 예를 들면 차량의 전후 방향이나 상하 방향에 합치하도록 변경할 수 있다. 또, 액츄에이터(5)에는, 유체압식 액츄에이터를 이용할 수도 있다.
이와 같이 진동 억제 장치를 탑재한 철도 차량에 있어서, 제어기(4)는, 주행 중에, 상기한 액츄에이터(5)에 의한 진동 억제의 제어를 행하고, 이것과 동시에 액츄에이터(5)의 고삽 진단을 행할 수 있다. 이하에, 그 고삽 진단의 구체적인 순서를 설명한다.
도 2는, 본 발명의 진동 억제 장치에 의한 액츄에이터의 고삽 진단의 순서를 나타내는 플로차트이다. 철도 차량의 주행 중, 미리 설정된 조건에 의해, 또는, 운전사의 조작 입력에 의해 진단 모드로 이행한다. 이 때, 진단 모드로 이행해도, 액츄에이터에 의한 진동 억제의 제어는 계속된다.
진단 모드로 이행한 후, 단계 ＃5에서, 제어기는, 차량의 주행 속도 V가 규정의 기준 속도 V0를 초과하고 있는지 아닌지를 판정한다. 기준 속도 V0의 정보는, 제어기에 미리 등록되어 있으며, 주행 속도 V는, 제어기가 철도 차량의 예를 들면 선두 차량에 탑재되는 차량 정보 제어기로부터 전송으로 수령하거나, 제어기 자신이 속발 펄스를 수신하여 연산함으로써 얻을 수 있다. 또, 단계 ＃5에서는, 기준 속도 V0가 차량 정보 제어기에 등록되어 있어도 되고, 이 경우, 차량 정보 제어기가 주행 속도 V와 기준 속도 V0를 비교하여, 주행 속도 V가 기준 속도 V0를 초과하고 있는지 아닌지를 판단하여, 제어기가 그 판단 결과를 전송으로 수령하는 구성이어도 상관없다.
단계 ＃5에서 주행 속도 V가 기준 속도 V0를 초과하고 있다고 판정되면, 단계 ＃10으로 진행되고, 제어기는, 소정의 기간 T 내에서의 액츄에이터의 총신축변위량 X를 도출한다. 그 총신축변위량 X는, 하기 (1)~(3) 중 어느 하나의 수법으로 도출할 수 있다.
(1) 액츄에이터의 로드의 신축 변위를 검출하는 변위 센서를 구비한다. 제어기는, 소정의 기간 T 내에서 소정의 주기 Δt 마다, 변위 센서로부터 출력되는 신축 변위 xi의 검출 신호를 샘플링하여, 하기 (a) 식에 나타내는 바와 같이, 샘플링한 신축 변위 xi의 차분의 총합으로부터 총신축변위량 X를 산출한다.
Figure 112013023594270-pct00001
(2) 액츄에이터의 로드의 신축 속도를 검출하는 속도 센서를 구비한다. 제어기는, 소정의 기간 T 내에서 소정의 주기 Δt 마다, 속도 센서로부터 출력되는 속도 vi의 검출 신호를 샘플링하여, 하기 (b) 식에 나타내는 바와 같이, 샘플링한 속도 vi에 샘플링 주기 Δt를 곱하고, 그 총합으로부터 총신축변위량 X를 산출한다.
Figure 112013023594270-pct00002
액츄에이터로서 전동식 액츄에이터를 이용하는 경우, 속도 센서에는, 전동 모터의 회전수를 검출하는 리졸버를 적용할 수 있어, 액츄에이터의 로드의 신축 속도 vi는, 샘플링 시에 리졸버로부터 출력되는 회전수 ri[rpm]와, 볼나사의 리드 L[m]로부터, 하기 (c) 식에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112013023594270-pct00003
(3) 액츄에이터에서의 로드측의 단부와 본체측의 단부의 각각에 신축 방향의 가속도를 검출하는 가속도 센서를 구비한다. 제어기는, 소정의 기간 T 내에서 소정의 주기 Δt 마다, 각 가속도 센서로부터 출력되는 가속도 αi, βi의 검출 신호를 샘플링하여, 하기 (d) 식에 나타내는 바와 같이, 샘플링한 각 가속도 αi, βi의 차에 샘플링 주기 Δt의 2승을 곱하고, 그 총합으로부터 총신축변위량 X를 산출한다.
Figure 112013023594270-pct00004
단계 ＃10에서 액츄에이터의 총신축변위량 X를 도출한 후, 단계 ＃15로 진행되며, 제어기는, 총신축변위량 X가 규정의 역치(제1 역치) X0보다 작은지 아닌지를 판정한다. 이 제1 역치 X0의 정보는, 제어기에 미리 등록되어 있다. 단계 ＃15에서 총신축변위량 X가 제1 역치 X0보다 작은 것으로 판정되면, 이 경우는, 소정의 기간 T 내에서 액츄에이터에 의한 진동 억제의 제어가 행해지고 있음에도 불구하고, 액츄에이터가 신축 운동하고 있지 않다고 할 수 있기 때문에, 제어기는, 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단하고, 단계 ＃20에서, 경보를 발하거나 운전석의 조작반에 이상을 표시하는 등, 고삽 발생의 통지를 행하고, 진단을 종료한다.
한편, 단계 ＃15에서 총신축변위량 X가 제1 역치 X0보다 작지 않다고 판정되면, 이 경우는, 액츄에이터가 충분히 작동하여 정상이라고 할 수 있기 때문에, 경보도 어떤 것도 행하지 않거나, 또는 운전석의 조작반에 정상을 표시하거나 한다.
이와 같이, 본 발명의 진동 억제 장치에 의하면, 철도 차량의 운행에서의 주행 중에 액츄에이터의 고삽 진단을 실시할 수 있기 때문에, 액츄에이터의 고삽을 조기에 발견할 수 있어, 조급히 대처하는 것이 가능해진다. 따라서, 장기에 걸쳐 승차감이 악화된 채로 철도 차량의 운행을 행하는 상황은 일어나지 않는다. 또, 고삽 진단의 평가 지표로서, 액츄에이터의 소정 기간 내에서의 총신축변위량을 채용하기 때문에, 적확한 정밀도로 고삽 진단을 행할 수 있다. 이것은, 액츄에이터가 정상으로 작동하는 경우여도, 차량에 발생하는 진동이 작을 때에는 액츄에이터의 신축 운동도 작기 때문에, 만일 액츄에이터의 순시의 신축 변위량을 평가해도, 고삽의 정확한 판단을 행할 수 없기 때문이다.
상기의 실시 형태에서는, 철도 차량의 주행 속도 V가 기준 속도 V0를 초과하고 있을 때에, 액츄에이터의 총신축변위량의 도출을 실행하도록 하고 있지만, 이것은 이하의 이유에 의한 것이다. 주행 속도 V가 저속인 경우, 액츄에이터의 작동 상태가 정상이어도, 차량에 발생하는 진동이 작기 때문에 액츄에이터의 신축 운동도 작고, 이것에 수반하여 총신축변위량도 작아진다. 이 때문에, 주행 속도 V가 저속일 때의 총신축변위량을 평가하는 것은, 고삽의 판단을 정확하게 행할 수 없는 상황이 일어날 수 있다. 따라서, 고삽의 오판단을 회피하기 위해, 주행 속도 V가 기준 속도 V0를 초과하는 고속일 때에 총신축변위량을 도출하여 평가하는 것이 바람직하다.
또, 액츄에이터의 총신축변위량을 상기 (1)~(3)의 수법에 의해 도출할 때, 변위 센서, 속도 센서 및 가속도 센서로부터의 검출 신호에는, 통상, 액츄에이터의 신축 운동에 관여하지 않는 노이즈가 포함되기 때문에, 이 노이즈를 제거하는 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 액츄에이터의 신축 운동에 직접 관여하는 것은, 센서의 검출 신호 중에서, 차체와 대차 간의 액츄에이터에 의한 고유 진동수의 대역이다. 노이즈의 제거는, 하기 (A) 또는 (B)의 처리로 행할 수 있다.
(A) 제어기에 의해, 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리한다. 이 밴드 패스 필터는, 액츄에이터에 의한 고유 진동수의 대역을 벗어나는 저주파 대역 및 고주파 대역을 차단하는 것이다. 밴드 패스 필터의 회로는 제어기에 포함된다.
(B) 제어기에 의해, 센서의 검출 신호를 로우 패스 필터로 처리함과 함께, 센서의 영점치를 감산하는 처리를 실시한다. 이 로우 패스 필터는, 액츄에이터에 의한 고유 진동수의 대역을 벗어나는 고주파 대역을 차단하는 것이다. 로우 패스 필터의 회로는 제어기에 포함되며, 센서의 영점치의 정보는 제어기에 미리 등록되어 있다.
상기한 철도 차량의 기준 속도 V0, 총신축변위량 X의 평가 기준인 제1 역치 X0, 총신축변위량 X를 도출하는 샘플링 기간 T, 샘플링 주기 Δt, 및 센서의 검출 신호를 필터 처리할 때의 차단 주파수 대역은, 차량의 차종이나 주행하는 환경에 의존하기 때문에, 사전에 주행 시험을 실시하여 적절히 결정한다.
예를 들면, 신칸센의 경우, 기준 속도 V0로서 160[km/h]를 채용할 수 있고, 예를 들면, 제1 역치 X0로서 5[mm](샘플링 기간 T를 5[sec], 샘플링 주기 Δt를 5[msec])를 채용할 수 있다. 기준 속도 V0를 160[km/h] 로 하는 이유는, 통상, 160[km/h]를 초과하면, 차량에 발생하는 진동이 급격하게 커져, 액츄에이터의 신축 운동도 커지기 때문이다. 제1 역치 X0를 5[mm]로 하는 이유는, 액츄에이터가 정상으로 작동하는 경우에, 160[km/h]를 초과하는 주행 중의 총신축변위량 X의 실적이 10[mm] 이상이었던 것에 기초하여, 안전율을 고려해, 그 실적인 10[mm]의 절반을 제1 역치 X0로 하는 것이 적절하기 때문이다.
또, 샘플링 기간 T는 1~20[sec]의 범위 내로 하고, 샘플링 주기 Δt는 10[msec] 이하로 하는 것이 바람직하다. 샘플링 기간 T가 너무 짧으면, 액츄에이터의 작동 상태의 양부에 관계없이 총신축변위량이 작아지고, 반대로 너무 길면, 진단에 장시간을 필요로 하기 때문이다. 한편, 샘플링 주기가 너무 길면, 차체와 대차 간의 고유 진동수의 대역을 측정할 수 없게 된다. 구체적인 운용으로서는, 샘플링 기간 T를 5[sec]로 하고, 샘플링 주기 Δt를 5[msec]로 할 수 있다.
차체와 대차 간의 액츄에이터에 의한 고유 진동수의 대역은, 신칸센에서도 그 이외에서도 대개 동일하며, 0.5~3Hz 정도이다. 그 대역을 벗어나도록, 필터 처리할 때의 차단 주파수 대역은, 예를 들면, 밴드 패스 필터에서는 0.1Hz 이하 및 5Hz 이상으로 하고, 로우 패스 필터에서는 5Hz 이상으로 할 수 있다.
그런데, 상기 도 2에 나타내는 고삽 진단은, 차량의 차종이나 주행하는 환경에 의존해 차체의 진동이 발생하는 것을 고려한 것이다. 단, 엄밀하게는, 차체의 진동은 궤도의 어긋남에 의해서도 발생하기 때문에, 차체 진동의 발생은 노선의 궤도 상태에도 의존한다. 이 때문에, 궤도가 정규의 치수 대로이며, 궤도의 어긋남이 매우 작은 경우는, 차량의 주행 속도에 관계없이, 차량에 발생하는 진동이 작아지고, 이것에 수반하여 액츄에이터의 총신축변위량도 작아지기 때문에, 고삽을 오판단하는 사태가 발생할 수 있다. 이러한 사태에 대처하기 위해, 총신축변위량 X의 평가 기준인 제1 역치 X0는, 사전에 주행 시험을 실시함으로써, 노선의 구간마다 결정하여 개별적으로 등록하면 되지만, 그러면, 모든 노선에서 주행 시험이 필요해져, 역치의 관리도 번잡해진다.
그래서, 본 발명에 있어서는, 궤도의 어긋남이 작은 경우의 조건을 배제하기 위해, 고삽 발생의 판단 지표로서, 액츄에이터가 연결되어 있는 차체에 작용하는 진동 가속도를 더할 수 있다. 이하에, 그 고삽 진단의 구체적인 순서를 설명한다.
도 3은, 본 발명의 진동 억제 장치에 의한 액츄에이터의 고삽 진단의 순서의 다른 예를 나타내는 플로차트이다. 이 도면에 나타내는 고삽 진단은, 상기 도 2에 나타내는 고삽 진단과 비교하여, 고삽 발생의 판단 지표가 일부에서 다른 것 이외에는 공통이다. 또한, 도 3 중, 상기 도 2에 나타내는 것과 동일한 단계에는, 동일한 단계 번호를 붙이고 있다.
단계 ＃5에서 주행 속도 V가 기준 속도 V0를 초과하고 있다고 판정되면, 단계 ＃10으로 진행되고, 제어기는, 소정의 기간 T 내에서의 액츄에이터의 총신축변위량 X를 도출한다. 이것과 동시에, 단계 ＃12에서, 제어기는, 그 소정 기간 T 내에서 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 가속도의 실효치(RMS치) Y를 도출한다. 그 진동 가속도의 실효치 Y는, 하기의 수법으로 도출할 수 있다.
상기 도 1에 나타내는 바와 같이, 진동 억제 장치의 본래의 목적으로부터, 차체(1)에 진동 가속도 센서(7)를 구비한다. 제어기는, 소정 기간 T 내에서 소정의 주기 Δt 마다, 진동 가속도 센서(7)로부터 출력되는 진동 가속도의 검출 신호를 샘플링하고, 샘플링한 각 진동 가속도를 2승한 후에 상가 평균해 제곱근을 취하여 진동 가속도의 실효치 Y를 산출한다.
단계 ＃10에서 액츄에이터의 총신축변위량 X를 도출하고, 또한 단계 ＃12에서 차체의 진동 가속도의 실효치 Y를 도출한 후, 단계 ＃15로 진행되고, 제어기는, 총신축변위량 X가 제1 역치 X0보다 작은지 아닌지를 판정한다. 단계 ＃15에서 총신축변위량 X가 제1 역치 X0보다 작은 것으로 판정되면, 이 경우는, 소정 기간 T 내에서 액츄에이터에 의한 진동 억제의 제어가 행해지고 있음에도 불구하고, 액츄에이터의 신축 운동이 작다고 할 수 있기 때문에, 제어기는, 액츄에이터가 고삽하고 있을 우려가 있다고 일차 판단하여, 단계 ＃17로 진행된다.
단계 ＃17에서, 제어기는, 진동 가속도의 실효치 Y가 규정의 역치(제2 역치) Y0보다 큰지 아닌지를 판정한다. 이 제2 역치 Y0의 정보는, 제어기에 미리 등록되어 있다. 단계 ＃17에서 진동 가속도의 실효치 Y가 제2 역치 Y0보다 크다고 판정되면, 이 경우는, 소정 기간 T 내에서 현저한 진동을 감쇠시키기 위해 액츄에이터에 의한 진동 억제의 제어를 필요로 하고 있음에도 불구하고, 액츄에이터가 신축 운동하지 않는다고 할 수 있기 때문에, 제어기는, 액츄에이터가 고삽하고 있다고 최종 판단하여, 단계 ＃20으로 진행된다. 그리고, 제어기는, 단계 ＃20에서, 고삽 발생의 통지를 행하고, 진단을 종료한다.
한편, 단계 ＃15에서 총신축변위량 X가 제1 역치 X0보다 작지 않다고 판정된 경우, 또는 단계 ＃17에서 진동 가속도의 실효치 Y가 제2 역치 Y0보다 크지 않다고 판정된 경우는, 액츄에이터가 충분히 작동하여 정상이라고 할 수 있기 때문에, 경보도 어떤 것도 행하지 않거나, 또는 운전석의 조작반에 정상을 표시하거나 한다.
여기서, 차체의 진동 가속도의 실효치를 도출할 때, 차체에 설치된 진동 가속도 센서로부터의 검출 신호에는, 통상, 노이즈가 포함되기 때문에, 상기한 액츄에이터의 총신축변위량을 도출할 때와 마찬가지로, 그 검출 신호에 노이즈를 제거하는 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제어기에 의해, 진동 가속도 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리할 수 있으며, 이 경우, 필터 처리할 때의 차단 주파수 대역은, 0.1Hz 이하 및 5Hz 이상으로 할 수 있다.
진동 가속도의 실효치 Y의 평가 기준인 제2 역치 Y0는, 차량의 차종이나 주행하는 환경에 더하여, 궤도의 어긋남도 의존하기 때문에, 사전에 주행 시험을 실시하여 결정할 수 있지만, 노선의 궤도의 어긋남과 차량의 제원 등을 반영한 삼차원 시뮬레이션 해석을 행하여 결정할 수도 있다. 예를 들면, 신칸센을 상정한 경우, 차체와 대차의 사이를 강체 결합한 삼차원 해석 모델을 이용하여, 궤도의 어긋남을 변수로서 입력한 시뮬레이션에서, 차체에 작용하는 좌우 방향의 진동 가속도를, 0.1Hz 이하 및 5Hz 이상의 주파수를 차단하는 밴드 패스 필터로 처리하여, 5초(샘플링 기간 T)마다 RMS치를 계산하면, 최저여도 0.2[m/s2]가 된다. 이 시뮬레이션 결과로부터, 구체적인 운용에서는, 제2 역치 Y0를 0.2[m/s2]로 할 수 있다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명의 철도 차량의 진동 억제 장치에 의하면, 액츄에이터의 고삽을 적확한 정밀도로 조기에 발견할 수 있기 때문에, 조급히 대처하는 것이 가능해져, 그 결과, 장기에 걸쳐 승차감이 악화된 채로 철도 차량의 운행을 행하는 상황은 일어나지 않는다. 따라서, 본 발명은, 철도 차량의 쾌적한 운행에 매우 유용하다.
1：차체 2：대차
3：레일 4：제어기
5：액츄에이터 6：유체압 댐퍼
7：진동 가속도 센서 11：전동 모터
12：주축 13：볼나사 너트
14：로드

Claims (10)

  1. 철도 차량의 대차(台車)와 차체의 사이에 끼워 설치되어 철도 차량의 진동을 신축 운동에 의해 조정하는 액츄에이터와, 이 액츄에이터의 신축 운동을 제어하는 제어기를 구비한 철도 차량의 진동 억제 장치로서,
    상기 제어기는, 철도 차량 주행 중에 소정 기간 내에서의 상기 액츄에이터의 총신축변위량을 도출하고, 도출한 총신축변위량을 이용하여 상기 액츄에이터가 고삽(固澁)하고 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액츄에이터가 전동 모터의 회전 운동을 신축 운동으로 변환하는 전동식 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액츄에이터의 신축 변위를 검출하는 센서를 구비하고,
    상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 액츄에이터의 신축 속도를 검출하는 센서를 구비하고,
    상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 액츄에이터에 있어서의 상기 대차측의 단부와 상기 차체측의 단부의 각각에 신축 방향의 가속도를 검출하는 센서를 구비하고,
    상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 센서의 검출 신호를 로우 패스 필터로 처리함과 함께, 미리 등록되어 있는 상기 센서의 영점치를 감산하는 처리를 실시하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 총신축변위량을 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 철도 차량의 주행 속도가 미리 등록되어 있는 속도를 초과하고 있을 때에, 상기 총신축변위량의 도출을 실행하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 액츄에이터의 총신축변위량을 도출함과 함께, 상기 소정 기간 내에서 상기 차체에 작용하는, 상기 액츄에이터가 신축하는 방향과 동일한 방향의 진동 가속도의 실효치를 도출하고, 도출한 총신축변위량과 진동 가속도 실효치를 이용하여, 상기 액츄에이터가 고삽하고 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 차체에 작용하는, 상기 액츄에이터가 신축하는 방향과 동일한 방향의 진동 가속도를 검출하는 진동 가속도 센서를 구비하고,
    상기 제어기는, 상기 진동 가속도 센서의 검출 신호를 밴드 패스 필터로 처리하고, 처리한 신호에 기초하여 상기 진동 가속도 실효치를 도출하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 진동 억제 장치.
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