(57)【要約】【課題】簡単な構成で車上で取得可能な情報から軌道平面性変位を検出可能でありかつ走行速度が低速である場合でも良好な精度が得られる軌道平面性変位検出方法等を提供する。【解決手段】車体１０と、車体の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位、２位台車１００と、１位台車と車体との間に左右に離間して配置された第１、第２の空気ばね１７０と、２位台車と車体との間に左右に離間して配置された第３、第４の空気ばね１７０とを備える鉄道車両における軌道平面性変位検出方法を、第１乃至第４の空気ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出し、第１、第４の空気ばねの上部高さと、第２、第３の空気ばねの上部高さとの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出する構成とする。【選択図】図４
2020192821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
前記車体の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位台車及び２位台車と、
前記１位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の空気ばね及び第２の空気ばねと、
前記２位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の空気ばね及び第４の空気ばねと
を備える鉄道車両における軌道平面性変位検出方法であって、
前記第１の空気ばね乃至第４の空気ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出し、
前記第１の空気ばね及び前記第４の空気ばねの前記上部高さと、前記第２の空気ばね及び前記第３の空気ばねの前記上部高さとの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出すること
を特徴とする軌道平面性変位検出方法。
【請求項２】
前記車体の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、
前後の空気ばね間隔の半分をｄとし、
左右の空気ばね間隔の半分をｂとし、
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数２１】
2020192821.tif 000023
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、
行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、
零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出すること
を特徴とする請求項１に記載の軌道平面性変位検出方法。
【請求項３】
台車枠と、
前記台車枠の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位輪軸及び２位輪軸と、
前記１位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の軸ばね及び第２の軸ばねと、
前記２位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の軸ばね及び第４の軸ばねと
を備える鉄道車両における軌道平面性変位検出方法であって、
前記第１の軸ばね乃至第４の軸ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出し、
前記第１の軸ばね及び前記第４の軸ばねの前記上部高さと、前記第２の軸ばね及び前記第３の軸ばねの前記上部高さとの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出すること
を特徴とする軌道平面性変位検出方法。
【請求項４】
前記台車枠の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、
前後の軸ばね間隔の半分をｄとし、
左右の軸ばね間隔の半分をｂとし、
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数２２】
2020192821.tif 000024
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、
行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、
零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出すること
を特徴とする請求項３に記載の軌道平面性変位検出方法。
【請求項５】
車体と、
前記車体の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位台車及び２位台車と、
前記１位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の空気ばね及び第２の空気ばねと、
前記２位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の空気ばね及び第４の空気ばねと
を備える鉄道車両における軌道平面性変位検出装置であって、
前記第１の空気ばね乃至第４の空気ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出する空気ばね高さ検出部と、
前記第１の空気ばね及び前記第４の空気ばねの前記上部高さと、前記第２の空気ばね及び前記第３の空気ばねの前記上部高さとの対角差成分を算出する対角差成分演算部と、
前記対角差成分演算部が算出する前記対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出する軌道平面性変位検出部とを備えること
を特徴とする軌道平面性変位検出装置。
【請求項６】
前記対角差成分演算部は、
前記車体の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、
前後の空気ばね間隔の半分をｄとし、
左右の空気ばね間隔の半分をｂとし、
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数２３】
2020192821.tif 000025
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、
行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、
零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出すること
を特徴とする請求項５に記載の軌道平面性変位検出装置。
【請求項７】
台車枠と、
前記台車枠の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位輪軸及び２位輪軸と、
前記１位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の軸ばね及び第２の軸ばねと、
前記２位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の軸ばね及び第４の軸ばねと
を備える鉄道車両における軌道平面性変位検出装置であって、
前記第１の軸ばね乃至第４の軸ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出する軸ばね高さ検出部と、
前記第１の軸ばね及び前記第４の軸ばねの前記上部高さと、前記第２の軸ばね及び前記第３の軸ばねの前記上部高さとの対角差成分を算出する対角差成分演算部と、
前記対角差成分演算部が算出する前記対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出する軌道平面性変位検出部とを備えること
を特徴とする軌道平面性変位検出装置。
【請求項８】
前記対角差成分演算部は、
前記台車枠の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、
前後の軸ばね間隔の半分をｄとし、
左右の軸ばね間隔の半分をｂとし、
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数２４】
2020192821.tif 000026
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、
行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、
零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出すること
を特徴とする請求項７に記載の軌道平面性変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道軌道の平面性変位（平面性狂い）を検出する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なボギー台車を有する鉄道車両においては、左右の車輪を車軸で連結した輪軸の両端部を支持する軸箱を、軸箱支持装置を介して台車枠に取り付けるとともに、台車枠の上部に車体を載置して構成されている。
軸箱と台車枠との間には、軸ばね、軸ダンパ等を有する１次サスペンション系が設けられ、台車枠と車体との間には、空気ばね（まくらばね）等を有する２次サスペンション系が設けられる。
【０００３】
２次サスペンション系は、その特性により車両性能が大きく変化する重要な要素である。
近年の旅客車両に広く用いられている空気ばねを用いた２次サスペンション系においては、乗客の多寡により、車体重量が変化した場合においても、車体高さの大幅な変化を抑えるため、自動高さ調整装置が設けられる。
自動高さ調整装置は、車体と台車枠との相対高さ変化を、高さ調整棒、高さ調整てこなどのリンク機構により高さ調整弁（レベリングバルブ・ＬＶ）に伝達し、台車枠に対して車体が上昇した場合には空気ばねから排気して空気ばね高さを減少させ、下降した場合には給気して空気ばね高さを増加するよう構成したものである。
このような自動高さ調整装置は、空気ばね高さ変化の検知結果に基づいて給排気を行うという一種のフィードバック制御を純機械的に行うものであり、信頼性が高い。
【０００４】
一方、このような自動高さ調整装置は、曲線通過等によって空気ばね高さが変化するなど、本来想定される状況以外においても動作することがある。
例えば、曲線には、内軌側に対して外軌側のレールが高い位置に配置されるカント（高低差）が設けられる。
また、円曲線と直線との境界部には、鉄道車両の走行を円滑にするための特殊な線形である緩和曲線が設けられる。この緩和曲線中では、曲率とカントが連続的に変化する。
円曲線の出口（直線との境界部）に設けられる出口緩和曲線においては、この平面性変位によって、車両前方外軌側の空気ばね高さが増加するため、一般的な高さ調整装置においては、この部位の空気ばねから空気が排気される。
このような高さ調整装置の動作により、場合によっては、輪重変動が助長されて輪重アンバランスが増大するなど、走行安全上好ましくない事象が生じることがある。
特に、鉄道車両が曲線を通過する際の重力と遠心力との合力の作用方向が、軌道面と垂直となる均衡速度よりも低速で走行するカント超過状態においては、曲線外軌側の空気ばね高さが大きくなるため、外軌側の空気ばねからは空気が排気されやすい状態となっており、この状態で出口緩和曲線に進入すると、既に通常走行時よりも排気されている空気ばねからさらに排気が行われて輪重減少が助長されることが懸念される。
【０００５】
これに対し、自動高さ調整装置の高さ調整弁に、空気ばねの高さ変化を伝達するリンク機構を構成する高さ調整棒（ＬＶ棒）にアクチュエータを設けて、鉄道車両の走行状況や線形等に応じて強制的に給気、排気等を行うことが提案されている。
例えば、特許文献１には、車体に対する台車の高さに応じて空気ばねの高さを調整する高さ調整弁と、車体又は台車とを連結して高さ変化を伝達する高さ調整棒に長さ伸縮装置を設け、出口緩和曲線において車両前後の台車の内軌側、及び外軌側における高さ調整弁の高さ調整棒の長さを所定のタイミング差を持って連続的に変更し、外軌側の空気ばねに給気を行い、内軌側の空気ばねから排気を行うことによって輪重減少を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３４８４１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
出口緩和曲線において、カントが減少する際に、前方側かつ外軌側の車輪の輪重が減少すると、鉄道車両の走行安定性に悪影響が生じる場合があり、最悪の場合にはフランジがレールに乗り上げて脱線に至る乗り上がり脱線の発生が懸念される。
上述した従来技術のように、自動高さ調整装置の高さ調整棒を伸長し、内外軌側の空気ばねに給気及び排気を行えば、出口緩和曲線における輪重変動にある程度の効果を得ることは可能である。
ここで、出口緩和曲線の検知方法として、例えば車両が走行する線区の線形をデータベース化するとともに、地上子などから得られる自車位置情報と照合することも考えられるが、この場合、線形データベースを蓄積した記憶手段と自車位置情報取得手段を車両に搭載することが必要となり、装置の構成が複雑化してしまう。
また、車両を新たな線区に導入する際に、都度線形データベースを構築することが必要となる。
これに対し、例えば車体のヨーレートと走行速度を検出し、ヨーレートを走行速度で除することにより線路の曲率を演算することも提案されている。
しかし、上述した乗り上がり脱線が問題となるのは通常車両の低速走行時であることから、演算における分母が小さくなってＳ／Ｎが劣化し、演算精度が確保できないことが懸念される。
また、軌道検測車を利用すれば、原理的に平面性変位が著大な箇所を特定することはできるが、特殊な構造の車両を必要とし、かつ、営業車両の走行中に平面性変位を検知することや、営業車両の制御に適用することは困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡単な構成で車上で取得可能な情報から軌道平面性変位を検出可能でありかつ走行速度が低速である場合でも良好な精度が得られる軌道平面性変位検出方法及び軌道平面性変位検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明の軌道平面性変位検出方法は、車体と、前記車体の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位台車及び２位台車と、前記１位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の空気ばね及び第２の空気ばねと、前記２位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の空気ばね及び第４の空気ばねとを備える鉄道車両における軌道平面性変位検出方法であって、前記第１の空気ばね乃至第４の空気ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出し、前記第１の空気ばね及び前記第４の空気ばねの前記上部高さと、前記第２の空気ばね及び前記第３の空気ばねの前記上部高さとの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出することを特徴とする。
これによれば、前後左右に配置された空気ばねの下部に対する上部高さの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出することにより、車上で取得可能な情報のみを用いて軌道平面性変位を感度よく、また再現性よく検出することができる。
このため、軌道線形データベースの保守、更新が不要となり、新規路線への導入も容易であり、さらに自車位置の検知を必要としないため、装置の構成を簡素化することができる。
また、車両の走行速度を演算に用いないことから、低速走行時においても検出精度が悪化することを防止できる。
さらに、走行中の車両の運動状態に基づいて軌道平面性変位を検出するため、例えば緩和曲線などの構造的に平面性変位が付与されている箇所以外の地点で、いわゆる軌道狂いとして平面性変位が進展している箇所を検出することができる。
【０００９】
本発明において、前記車体の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、前後の空気ばね間隔の半分をｄとし、左右の空気ばね間隔の半分をｂとし、前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数１】
2020192821.tif 000003
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出する構成とすることができる。
これによれば、重力、遠心力のような対角差以外の成分をゼロとし、対角差成分のみを抽出することができる。
【００１０】
また、本発明の他の軌道平面性変位検出方法は、台車枠と、前記台車枠の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位輪軸及び２位輪軸と、前記１位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の軸ばね及び第２の軸ばねと、前記２位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の軸ばね及び第４の軸ばねとを備える鉄道車両における軌道平面性変位検出方法であって、前記第１の軸ばね乃至第４の軸ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出し、前記第１の軸ばね及び前記第４の軸ばねの前記上部高さと、前記第２の軸ばね及び前記第３の軸ばねの前記上部高さとの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出することを特徴とする。
本発明において、前記台車枠の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、前後の軸ばね間隔の半分をｄとし、左右の軸ばね間隔の半分をｂとし、前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数２】
2020192821.tif 000004
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出する構成とすることができる。
これによれば、２軸以上の輪軸を有する１台の台車において、上述した発明と同様に、軌道の平面性変位を軸距内において適切に検出することができる。
【００１１】
また、本発明の軌道平面性変位検出装置は、車体と、前記車体の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位台車及び２位台車と、前記１位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の空気ばね及び第２の空気ばねと、前記２位台車と前記車体との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の空気ばね及び第４の空気ばねとを備える鉄道車両における軌道平面性変位検出装置であって、前記第１の空気ばね乃至第４の空気ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出する空気ばね高さ検出部と、前記第１の空気ばね及び前記第４の空気ばねの前記上部高さと、前記第２の空気ばね及び前記第３の空気ばねの前記上部高さとの対角差成分を算出する対角差成分演算部と、前記対角差成分演算部が算出する前記対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出する軌道平面性変位検出部とを備えることを特徴とする。
本発明において、前記対角差成分演算部は、前記車体の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、前後の空気ばね間隔の半分をｄとし、左右の空気ばね間隔の半分をｂとし、前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数３】
2020192821.tif 000005
前記第１の空気ばね乃至前記第４の空気ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出する構成とすることができる。
また、本発明の他の軌道平面性変位検出装置は、台車枠と、前記台車枠の下部に車両の進行方向前方側から順次設けられた１位輪軸及び２位輪軸と、前記１位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第１の軸ばね及び第２の軸ばねと、前記２位輪軸と前記台車枠との間に進行方向に向かって左右に離間して配置された第３の軸ばね及び第４の軸ばねとを備える鉄道車両における軌道平面性変位検出装置であって、前記第１の軸ばね乃至第４の軸ばねの下部に対する上部高さをそれぞれ検出する軸ばね高さ検出部と、前記第１の軸ばね及び前記第４の軸ばねの前記上部高さと、前記第２の軸ばね及び前記第３の軸ばねの前記上部高さとの対角差成分を算出する対角差成分演算部と、前記対角差成分演算部が算出する前記対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出する軌道平面性変位検出部とを備えることを特徴とする。
本発明において、前記対角差成分演算部は、前記台車枠の上下変位をｚ、ロール角をΦ、ピッチ角をθとし、前後の軸ばね間隔の半分をｄとし、左右の軸ばね間隔の半分をｂとし、前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねの前記上部高さをｚ１乃至ｚ４としたときに、行列Ｊを次式のように定義し、
【数４】
2020192821.tif 000006
前記第１の軸ばね乃至前記第４の軸ばねのばね定数をｋ１乃至ｋ４としたときに、各ばね定数を対角成分にもつ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}とし、行列Ａ＝ＪＴＫと定義したときに、零空間への写像であるＩ−Ａ＋Ａを用いて前記対角差成分を抽出する構成とすることができる。
これらの各発明においても、上述した軌道平面性変位検出方法の発明の効果と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、簡単な構成で車上で取得可能な情報から軌道平面性変位を検出可能でありかつ走行速度が低速である場合でも良好な精度が得られる軌道平面性変位検出方法及び軌道平面性変位検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した軌道平面性変位検出装置の第１実施形態が設けられる鉄道車両の台車周辺を側面から見た状態を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態の車両における自動高さ調整装置の動作を示す模式図である。
【図３】第１実施形態の軌道平面性変位検出装置で用いる線形ばね４点支持された車体モデルを示す図である。
【図４】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の一例を示す図である。
【図５】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図６】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図７】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図８】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図９】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図１０】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【図１１】車両の曲線路走行時における高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を適用した軌道平面性変位検出方法及び軌道平面性変位検出装置の第１実施形態について説明する。
第１実施形態の軌道平面性変位検出方法及び軌道平面性変位検出装置は、例えば、２軸のボギー台車を車体前後に有する電車等の旅客車両において用いられるものである。
図１は、実施形態の軌道平面性変位検出装置が設けられる鉄道車両の台車周辺を側面から見た状態を模式的に示す図である。
【００１５】
図１に示すように、鉄道車両（以下単に「車両」と称する。）１は、車体１０の前後に、一対の台車１００を有する例えば旅客用電車等のボギー車である。
車体１０は、乗客等が収容される車室部分を有するものであり、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム系合金等の金属材料により、屋根構、側構、妻構、台枠等を有する六面体状に形成されている。
【００１６】
台車１００は、例えば、２軸のボギー台車であって、台車枠１１０、輪軸１２０、軸箱１３０、軸箱支持装置１４０、軸ばね１５０、軸ダンパ１６０、空気ばね１７０等を有する。
【００１７】
台車枠１１０は、台車１００の本体部を構成する構造部材である。
台車枠１１０は、上方から見た平面形が矩形の枠状に形成されている。
台車枠１１０は、前後方向に延在し、かつ、まくらぎ方向に離間して配置された左右一対の側梁を、まくらぎ方向に沿って延びた横梁及び端梁により連結して構成されている。
台車枠１１０の左右側面部には、後述する自動高さ調整装置２００の高さ調整棒２３０の下端部が取り付けられるブラケット１１１がそれぞれ設けられている。
【００１８】
輪軸１２０は、左右一対の車輪１２１を、車軸１２２の両端部に圧入し固定して構成されている。
車輪１２１は、レールＲの頭頂部と当接する踏面の内軌側から外径側に張り出したフランジを有するフランジ付き車輪である。
【００１９】
軸箱１３０は、輪軸１２０の車軸１２２の両端部に形成されたジャーナル部を回転可能に支持するものである。
軸箱１３０は、ジャーナル部を支持する軸受及びその潤滑装置や、走行速度に応じた出力を発生する速度発電機などの補機類を有する。
【００２０】
軸箱支持装置１４０は、軸箱１３０を台車枠１１０に対して上下方向に相対変位可能に支持するものである。
軸箱支持装置１４０は、例えば、台車枠１１０に設けられた軸周りに回動するスイングアーム状の軸梁を有する軸梁式の構成とすることができる。
軸梁の台車枠１１０との連結部には、例えばゴム等の弾性を有する材料からなるブッシュが設けられる。
軸箱支持装置１４０は、曲線通過を円滑とするため、ブッシュの弾性変形等を利用して、左右の軸箱１３０を前後方向に相対変位させて車軸１２０を操舵可能とする機能を有する。
【００２１】
軸ばね１５０は、軸箱１３０の上部とその上方の台車枠１１０との間にわたして設けられたばね要素である。
軸ばね１５０は、軸箱支持装置１４０の動作による軸箱１３０と台車枠１１０との上下方向相対変位に応じた反力を発生する。
軸ばね１５０は、例えば、圧縮コイルばねなどのばね要素を有する。
【００２２】
軸ダンパ１６０は、軸ばね１５０と並列に軸箱１３０と台車枠１１０との間に設けられた油圧緩衝器である。
軸ダンパ１６０は、台車枠１１０に対する軸箱１３０の上下方向相対速度に応じた減衰力を発生する。
軸ばね１５０、軸ダンパ１６０は、協働して車両１の１次サスペンション系を構成する。
【００２３】
空気ばね１７０は、車体１０の下部と台車枠１１０の上部との間に設けられている。
空気ばね１７０は、車体１０の重量を支えるとともに、車体１０と台車枠１１０との相対高さ変位に応じた反力を発生するばね要素（まくらばね）である。
空気ばね１７０は、例えばゴム等の可撓性、弾性を有する材料からなるダイアフラムの内部に、圧縮空気を導入して構成されている。
空気ばね１７０の内部には、空気ばね１７０の伸縮時における内部の空気流を利用して減衰力を発生させる絞り等の減衰要素が設けられる。
【００２４】
車両１には、例えば乗客の多寡や、車室内の乗客の分布などに起因する空気ばね１７０の高さ（台車枠１１０に対する車体１０の相対高さ）の変化を抑制するため、以下説明する自動高さ調整装置２００を備えている。
自動高さ調整装置２００は、高さ調整弁２１０、高さ調整てこ２２０、高さ調整棒２３０等を備えて構成されている。
【００２５】
高さ調整弁（ＬＶ）２１０は、台車枠１１０に対する車体１０の相対高さ（空気ばね１７０の高さ）に応じて、空気ばね１７０に空気を供給する給気状態、空気ばね１７０内の空気を排出する排気状態、及び、給気、排気ともに行わない中立状態を切り換えるものである。
高さ調整弁２１０の動作については、後に詳しく説明する。
【００２６】
高さ調整てこ（ＬＶてこ）２２０は、高さ調整弁２１０から突出して設けられたレバー状の部材である。
高さ調整てこ２２０は、高さ調整弁２１０の内部で弁体と連動するとともに、突端部側が高さ調整棒２３０の上端部に連結されている。
高さ調整てこ２２０は、高さ調整弁２１０側に設けられた軸回りに、突端部が上下方向に回動（揺動）することにより、高さ調整弁２１０の状態を切り換えるよう構成されている。
高さ調整てこ２２０の先端変位は、図示しないレーザ変位計などのセンサにより検出される。
レーザ変位計は、本発明の空気ばね高さ検出部として機能する。
高さ調整てこ２２０は、高さ調整棒２３０と協働して、台車枠１１０に対する車体１０の高さ変化を高さ調整弁２１０に伝達する連動機構を構成する。
【００２７】
高さ調整棒（ＬＶ棒）２３０は、長手方向を上下方向にほぼ沿わせて配置され、台車枠１１０に対する車体１０の相対高さの変化を、高さ調整てこ２２０に伝達する部材（連結部）である。
高さ調整棒２３０の上端部は、高さ調整てこ２２０の突端部に、回動可能に連結されている。
高さ調整棒２３０の下端部は、台車枠１１０のブラケット１１１に、回動可能に連結されている。
高さ調整棒２３０は、例えばねじ式の図示しない手動式の長さ調整機構（ターンバックル）を備え、手動で長さを調整することが可能となっている。
このような手動による高さ調整棒２３０の長さ調整は、車両１の通常走行時における車高調整や、輪重バランス取りなどのために行われる。
【００２８】
図２は、第１実施形態の車両における自動高さ調整装置の動作を示す模式図である。
図２（ａ）に示すように、台車枠１１０に対する車体１０の相対高さが、所定の中間領域にある場合には、高さ調整弁２１０は、空気ばね１７０の給気、排気をともに行わない中立状態（高さ調整弁２１０の不感帯）となっている。
図２（ｂ）に示すように、台車枠１１０に対する車体１０の相対高さが、中間領域の上限よりも高い場合（空気ばね１７０が伸長した状態）には、高さ調整棒２３０が高さ調整弁２１０に対して上昇し、高さ調整弁２１０は、空気ばね１７０の内部の空気の一部を大気に開放することにより排気し、空気ばね１７０を収縮させて車体１０を台車枠１１０に対して降下させる排気状態となっている。
図２（ｃ）に示すように、台車枠１１０に対する車体１０の相対高さが、中間領域の下限よりも低い場合（空気ばね１７０が圧縮された状態）には、高さ調整棒２３０が高さ調整弁２１０に対して下降し、高さ調整弁２１０は、空気溜めＴに貯留された圧縮空気を、空気ばね１７０に供給し、空気ばね１７０を膨張させて車体１０を台車枠１１０に対して上昇させる給気状態となっている。
自動高さ調整装置２００は、このような動作により、車両１の車体１０の高さを、乗客の多寡等に関わらず中間領域に維持する機能を有する。例えば、駅で停車している際に、旅客の乗降があったとしても車体１０をほぼ一定の高さに保つことができる。
【００２９】
以下、第１実施形態の平面性変位検出方法について説明する。
図３は、線形ばね４点支持された車体モデルを示す図である。
モデル化にあたり、以下の前提条件を置く。
・車体１０の運動自由度は、空気ばね１７０の上下変位に影響を与える上下変位ｚ、ロール角Φ、ピッチ角θの３自由度のみを考える。
・車体１０の姿勢変化の幾何学的非線形性は考慮しない。すなわち、ロール角Φ、ピッチ角θは十分微小であると仮定する。
・本モデルでは、車体１０の慣性力の効果を扱わず、準静的つり合い状態について考える。
【００３０】
運動の自由度が３であるのに対して、支持するばねの数は４であるため、冗長自由度を１つ持つ支持系である。
すなわち、車体１０の位置、姿勢変化に寄与する３つの自由度とは別に、位置、姿勢変化には寄与しないが、内力の変化をもたらす、零空間自由度を１つ持つ系である。
すなわち、車体の位置、姿勢変化に寄与する３つの自由度とは別に、位置、姿勢変化には寄与しないが、内力の変化をもたらす零空間自由度を１つ持つ系である。
図３における主要な記号の意味は、以下の通りである。
ｋ１乃至ｋ４：ばね定数
ｄ：前後台車中心間距離の半分
ｂ：左右の空気ばね間隔の半分
ｚｉ：空気ばね上面高さ（ｉは１乃至４）
ｚ０ｉ：空気ばねの無負荷長さ（ｉは１乃至４）
ｚｂｉ：空気ばね下面高さ（ｉは１乃至４）
【００３１】
また、以降の式展開において、ｚｉ、ｚ０、ｚｂｉを４変数並べたベクトルを表す。
上述した前提条件の下では、空気ばねの上面高さと車体の位置、姿勢との間には、式１乃至４の関係が成立する。
ｚ１＝Ｚ−ｂΦ―ｄθ    （１）
ｚ２＝Ｚ＋ｂΦ―ｄθ    （２）
ｚ３＝Ｚ−ｂΦ＋ｄθ    （３）
ｚ４＝Ｚ＋ｂΦ＋ｄθ    （４）
【００３２】
これは、行列ベクトル形式で、式５のように表される。
【数５】
2020192821.tif 000007
【００３３】
一方、仮想仕事の原理より、ばね力ベクトル
【数６】
2020192821.tif 000008
と、車体位置、姿勢に共役な一般化ベクトル
【数７】
2020192821.tif 000009
との間には、式６が成立する。
Ｑ＝ＪＴＦ    （６）
一方、ばね力ベクトルは、各ばね定数を対角成分に持つ対角行列Ｋ＝ｄｉａｇ{ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４}と、ばねの変位量を用いて、式７のように表される。
Ｆ＝−Ｋ{ｚ−（ｚ０＋ｚｂ）}＝−Ｋ{ＪＸ−（z０＋ｚｂ）}      （７）
【００３４】
車体に正味作用するばね力Ｑは、式７を式６に代入することで、式８のように表される。
Ｑ＝−ＪＴＫ{ＪＸ−（ｚ０＋ｚｂ）}    （８）
【００３５】
一方、車体に作用する外力Ｆｅｘｔの影響は、車体重心に作用する重力と超過遠心力のみを考慮し、式９、１０のように表す。
【数８】
2020192821.tif 000010
【００３６】
ただし、Ｆｙ，Ｆｚは、それぞれ車体に作用する左右、上下方向の力であり、Ｈは車体下面から外力作用点までの高さである。
以上より、車体に関する静的つり合い条件は、式１１のように表される。
−ＪＴＫ＝{ＪＸ−（ｚ０＋ｚｂ）}＋ＲＦｃ＝０    （１１）
行列Ｊは列フルランクであり、行列Ｋは非零な対角行列であることを考慮すると、行列ＪＴＫＪはフルランクな正方行列である。
したがって、式１１は車体の位置、姿勢ｘについて解くことが可能であり、式１２のように表される。
ｘ＝（ＪＴＫＪ）−１{ＪＴＫ（ｚ０＋ｚｂ）＋ＲＦｃ}    （１２）
【００３７】
次に、高さ調整弁のモデルについて考える。
高さ調整棒２３０の長さを表す４次元ベクトルをｚｒｏｄとする。
本明細書では、各部位の空気ばね１７０の変位量と、高さ調整棒２３０の長さに応じて、各部位の空気ばね１７０の無負荷長ｚ０の変化速度が決定されるモデルを考える。
【数９】
2020192821.tif 000011
【００３８】
ただし、関数ｓ（ｑ）は、高さ調整棒２３０と空気ばね１７０の間の相対変位量ｑに対する高さ調整弁２１０の流量特性を決定づける関数である。
本モデルでは、高さ調整弁２１０の応答の時間遅れは考えない。
式１３のうち、ｚｒｏｄは基本的に固定値であり、ｚｂ及びＦｃは、想定する軌道線形等に応じて事前に決定しておくことができる。
したがって、式１３は、ばねの無負荷長ｚ０を状態変数とする１階の微分方程式である。
関数ｓ（ｑ）の形としては、例えば不感帯の外側では自然長変化速度が一定となるような以下の関数などが考えられる。
ｓ（ｑ）＝［ｓ１（ｑ１）  ｓ２（ｑ２）  ｓ３（ｑ３）  ｓ４（ｑ４）］Ｔ  （１４）
【数１０】
2020192821.tif 000012
ただし、Δは、高さ調整弁２１０の不感帯幅の半分である。
【００３９】
次に、制御則の設計に先立ち、導出した低次元準静的モデルの代表的な構造について考察する。
先ず、式１３のうち、流量特性関数の引数
【数１１】
2020192821.tif 000013
の構造について考察する。
この式を整理すると、式１７を得る。
【数１２】
2020192821.tif 000014
一方、行列Ａを、Ａ＝ＪＴＫと定義する。
Ａが行フルランクであることに注意すると、行列Ａの疑似逆行列Ａ＋は、
Ａ＋＝ＡＴ（ＡＡＴ）−１＝ＫＪ（ＪＴＫＫＪ）−１      （１８）
と表せる。
【００４０】
式１７内の係数行列の一部であるＪ（ＪＴＫＪ）−１は、Ａ＋と非常に近い構造をしており、実際各部位のばね定数ｋ１からｋ４が等しいという条件下では、
Ａ＋＝Ｊ（ＪＴＫＪ）−１    （１９）
が成立する。
すなわち、各部位の空気ばね１７０の剛性のばらつきが顕著でない範囲では、以下の近似が成立する。
【数１３】
2020192821.tif 000015
【００４１】
ただし、Ｉは４次の単位行列である。
式２０について、各項ごとに代表的性質をまとめると以下のようになる。
・高さ調整棒２３０の長さｚｒｏｄは、直接的に高さ調整てこ２２０の先端変位に反映される。
・外力Ｆｃは、変換行列Ｒを介して、空気ばね１７０の変位に換算した場合に、ノルム最小解を与えるように高さ調整てこ２２０の先端変位に反映される。
・空気ばね１７０の下面変位ｚｂは、写像Ａの零空間にマップされる成分のみが、高さ調整てこ２２０の先端変位に反映される。
・空気ばね１７０の無負荷長ｚ０は、写像Ａの零空間の直交補空間にマップされる成分のみが、高さ調整てこ２２０の先端変位に反映される。
これらの代表的性質が持つ意味についてより具体的に考察するために、各部位の剛性が等しいという条件下で行列Ａの疑似逆行列を求めると、式２１となる。
【数１４】
2020192821.tif 000016
【００４２】
また、定義より、式２２が得られる。
【数１５】
2020192821.tif 000017
【００４３】
したがって、零空間の直交捕空間への写像Ａ＋Ａは、式２３となる。
【数１６】
2020192821.tif 000018
【００４４】
また、零空間への写像Ｉ−Ａ＋Ａは、式２４となる。
【数１７】
2020192821.tif 000019
【００４５】
明らかに、行列Ｉ−Ａ＋Ａのランクは１であり、また各行ベクトルは、対角差を抽出する構成となっている。
すなわち、行列Ｉ−Ａ＋Ａは、ベクトルｚｂのうち、対角差として効く成分のみを抽出する写像であり、例えば一様な変位や、左右、前後対象となるような変位についてはゼロにマップする。
したがって、空気ばね１７０の下面変位については、対角差成分のみが高さ調整てこ２２０の動きに関与することがわかる。
この写像を用いて、空気ばね１７０の下面変位の対角差が大きくなる、平面性変位が著大な箇所を検知することが可能となる。
【００４６】
一方、行列Ａ＋Ａは、零空間の直交捕空間への写像なので、対角差以外の成分（一様変位、左右差、前後差）を抽出し、対角差成分をゼロとする写像である。
すなわち、空気ばね１７０の無負荷高さは、対角差以外の成分のみが高さ調整弁２１０の動作に関与することを意味する。
対角差以外の成分とは、言い換えれば車体１０の運動に寄与する成分であり、空気ばね１７０の無負荷長が変化したことで車体１０が運動した成分のみが、高さ調整てこ２２０の先端変位に影響を及ぼすことを表している。
【００４７】
重力、遠心力項については、ベクトルＲＦｃを書き下すと式２５を得る。
ＲＦｃ＝［−ｈＦｙ  ０  Ｆｚ］Ｔ    （２５）
式２５の左から行列Ａ＋を掛けると、式２６を得る。
【数１８】
2020192821.tif 000020
重力、遠心力の影響は、前後対象な、左右誤差がゼロでないような空間に現れ、零空間写像を掛けるとゼロとなる。
【００４８】
次に、高さ調整弁が動作したことによるばね力変化について考える。
式７に式１２を代入すると、式２７を得る。
【数１９】
2020192821.tif 000021
ここで、
【数２０】
2020192821.tif 000022
を考慮すると、式２８のように表せる。
Ｆ＝ＫＡ＋Ａ（ｚ０＋ｚｂ）＋ＫＡ＋ＲＦｃ−Ｋ（ｚ０＋ｚｂ）
＝−Ｋ（Ｉ−Ａ＋Ａ）（ｚ０＋ｚｂ）＋ＫＡ＋ＲＦｃ                （２８）
すなわち、空気ばね１７０の空気ばね力は、外力に起因して変化する項と、空気ばね１７０の無負荷高さ及び下面高さに起因して変化する項から構成されることがわかる。
このうち、空気ばね１７０の無負荷高さ及び下面高さに起因して変化する項は、線形写像Ｋ（Ｉ−Ａ＋Ａ）によって空気ばね力にマップされる。
これまでの議論により、空気ばね１７０の下面変位の影響を表す項と、それ以外の項とは直交している。したがって、空気ばね１７０の下面変位の対角差を用いることにより、車体運動の影響を受けずに、平面性変位が著大な箇所を検知することができる。
【００４９】
具体的には、式２９のように、空気ばね１７０の下面変位を表すベクトルに、行列Ｉ−Ａ＋Ａを左から乗じた結果が著大な箇所を、平面性変位が著大な箇所であると判定する。
ｕ＝−（Ｉ−Ａ＋Ａ）ｚｂ      （２９）
【００５０】
空気ばね１７０の高さの下面変位は、自動高さ調整装置２００を備える空気ばね車体支持車両の場合、式３０に示すように、高さ調整てこ２２０の先端部の変位量δＬＶで代替することもできる。
ｕ＝−（Ｉ−Ａ＋Ａ）δＬＶ      （３０)
【００５１】
以下、零空間写像に基づく平面性変位著大箇所検出方法評価のために行った走行試験の結果について説明する。
走行試験は、公益財団法人鉄道総合技術研究所の所内にある試験線において実施した。
高さ調整てこ２２０の先端変位の対角差を用いた軌道平面性変位検出の妥当性を確認するため、高さ調整てこ２２０の先端変位の対角差発生傾向について調査した。
図４乃至図１１は、走行距離に対する高さ調整てこの先端変位及びその対角差の変動波形を示す図である。
位置１乃至４は、それぞれ前方外軌側、前方内軌側、後方外軌側、後方内軌側のまくらばねを意味している。
図４、図５は、ループ線をシステム方から国立方へ速度１０ｋｍ／ｈで走行させたものである。
図６、図７は、ループ線をシステム方から国立方へ速度２０ｋｍ／ｈで走行させたものである。
図８、図９は、ループ線をシステム方から国立方へ速度３０ｋｍ／ｈで走行させたものである。
図１０、図１１は、ループ線を国立方からシステム方へ速度１０ｋｍ／ｈで走行させたものである。
図４乃至図１１は、上段から、緩和曲線と直線との境界付近に設置した地点マーカ、高さ調整てこ先端変位対角差、各部位ごとの高さ調整てこ先端変位をそれぞれ示している。
地点マーカは、車両が所定の位置（この場合には入口緩和曲線の始端、及び、出口緩和曲線の終端）を通過したときに、値が０から１となるよう設定されている。
【００５２】
図４乃至図１１に示す通り、進行方向や走行速度によらず、同一地点では概ね同一の高さ調整てこ先端変位が生じており、なおかつ、著大な対角差が生じるのは緩和曲線付近である。
このことから、高さ調整てこ２２０の先端変位の対角差は、軌道平面性変位が著大となる箇所である緩和曲線の検知に使用する物理量として適していることがわかる。
【００５３】
以上説明した第１実施形態の軌道平面性変位検出方法、及び、軌道平面性変位検出装置によれば、前後左右に配置された空気ばね１７０の下部に対する上部高さの対角差成分に基づいて軌道平面性変位を検出することにより、車両１で車上において取得可能な情報のみを用いて軌道平面性変位を感度よく、また再現性よく検出することができる。
このため、軌道線形データベースの保守、更新が不要となり、新規路線への導入も容易であり、さらに自車位置の検知を必要としないため、装置の構成を簡素化することができる。
また、車両１の走行速度を演算に用いないことから、低速走行時においても検出精度が悪化することを防止できる。
さらに、走行中の車両１の運動状態に基づいて軌道平面性変位を検出するため、例えば緩和曲線などの構造的に平面性変位が付与されている箇所以外の地点で、いわゆる軌道狂いとして平面性変位が進展している箇所を検出することができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した軌道平面性変位検出方法及び軌道平面性検出装置の第２実施形態について説明する。
以下、第１実施形態と共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
第２実施形態においては、２軸ボギー台車１００の前後左右に設けられる軸ばね１５０の下部に対する上部高さを利用して、台車１００単位において軌道平面性変位を検出することを特徴とする。
第２実施形態においては、台車枠１１０と軸箱１３０との上下方向相対変位を検出する軸ばね高さ検出手段を、個々の軸ばね１５０毎に設けている。
軸ばね高さ検出手段として、例えば、レーザ変位計などを用いることができる。
【００５５】
第２実施形態においては、第１実施形態の数式における符号を、以下の通り読み替えて実質的に同様の演算を行うことにより、軸距平面性変位が著大な箇所を検出することができる。
ｚ：台車枠上下変位
Φ：台車枠ロール角
θ：台車枠ピッチ角
ｋ１乃至ｋ４：前後左右の軸ばねのばね定数
ｄ：１位輪軸と２位輪軸との軸距の半分
ｂ：左右の軸ばね間隔の半分
ｚｉ：軸ばね上面高さ（ｉは１乃至４）
ｚ０ｉ：軸ばねの無負荷長さ（ｉは１乃至４）
ｚｂｉ：軸ばね下面高さ（ｉは１乃至４）
以上説明した第２実施形態においても、上述した第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
（他の実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
（１）軌道平面性変位検出方法、及び、軌道平面性変位検出装置の構成は、上述した各実施形態に限らず適宜変更することができる。
（２）第１実施形態の軌道平面性変位検出装置においては、高さ調整てこの先端変位に基づいて空気ばねの下部に対する上部高さを検出しているが、本発明はこれに限らず、他の手法によって空気ばねの下部に対する上部高さを検出してもよい。
例えば、車体と台車枠との相対位置を直接測定する構成としてもよい。
また、第２実施形態において、軸ばねの下部に対する上部高さを検出する手法も特に限定されない。
（３）本発明の軌道平面性変位検出装置及び方法は、例えば、緩和曲線通過時の輪重アンバランス抑制制御や、車体傾斜システムの制御等において、入口緩和曲線又は出口緩和曲線の検知に用いることが可能である。
また、これらに限らず、他の用途に用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１    鉄道車両                    １０    車体
１００    台車                      １１０    台車枠
１１１    ブラケット                １２０    輪軸
１２１    車輪                      １２２    車軸
１３０    軸箱                      １４０    軸箱支持装置
１５０    軸ばね                    １６０    軸ダンパ
１７０    空気ばね
２００    自動高さ調整装置          ２１０    高さ調整弁
２２０    高さ調整てこ              ２３０    高さ調整棒
Ｒ    レール                        Ｃ    円曲線
Ｓ    直線                        ＴＣ    出口緩和曲線
Ｔ    空気溜め
【図１】
2020192821.tif 000027
【図２】
2020192821.tif 000028
【図３】
2020192821.tif 000029
【図４】
2020192821.tif 000030
【図５】
2020192821.tif 000031
【図６】
2020192821.tif 000032
【図７】
2020192821.tif 000033
【図８】
2020192821.tif 000034
【図９】
2020192821.tif 000035
【図１０】
2020192821.tif 000036
【図１１】
2020192821.tif 000037