(57)【要約】【課題】静止時の車輪の中正位置から、危険判定値を超えるような高速振動が生じる大規模地震が発生した場合に、車体の振動を有効に減衰して当該車体の脱線を未然に防止する。【解決手段】台車に対する車体の変位速度に応じて、油圧シリンダ１０の第１の油室１５から第２の油室１６へ移動する油液の流路を段階的に切り換えることにより、高速変位時に高減衰力を発生させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と台車との間に、台車の車輪がレールに対して左右に変位させる振動が発生した場合にその振動を減衰させる高減衰力ダンパにおいて、
ピストンによって区画された第１の油室と第２の油室とを有するシリンダを有し、ピストンの移動によりこれら油室間にて該シリンダ内の油液が移動される油圧シリンダと、
車両の台車に対する左右の変位速度に応じて、油圧シリンダの第１の油室から第２の油室へ移動する油液の流路を段階的に切り換えることにより、高速変位時に高減衰力を発生させる油圧回路と、を具備することを特徴とする高減衰力ダンパ。
【請求項２】
前記油圧回路は、ピストンによって区画された第１の油室と第２の油室とを接続するとともに途中で並列的に分岐した第１の流路及び第２の流路を有する油液流路と、第１の流路に設けられた第１の絞りと、第２の流路に直列的に設けられた第１の切換弁及び第２の切換弁と、第２の切換弁の前後に該切換弁を迂回するように設けられその途中に第２の絞りを有する迂回流路と、車両の台車に対する左右方向の変位速度に応じて第１の切換弁及び第２の切換弁を切り換えるパイロット機構と、を具備し、
前記パイロット機構は、
車両の台車に対する左右の変位速度が通常域にある低速時に、第２の流路の途中に設けられた第１の切換弁を閉として、第１の絞りを有する第１の流路を通じて、第１の油室から第２の油室へ油液を移動させ、
車両の台車に対する左右の変位速度が通常域を超えた中速時に、第２の流路の途中に設けられた第１・第２の切換弁を開として、第２の流路を開通させ、これら第１の流路及び第２の流路を通じて第１の油室から第２の油室へ油液を移動させ、
車両の台車に対する左右の変位速度が通常域を大きく超えた高速時に、第２の流路の途中に設けられた第１の切換弁を開、第２の切換弁を閉として、第１の絞りを有する第１の流路、及び第２の絞りを有する第２流路内の迂回流路を通じて、第１の油室から第２の油室へ油液を移動させることを特徴とする請求項１記載の高減衰力ダンパ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高減衰力ダンパを車体と台車との間に設けてなる鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、危険判定値を超えるような高速変位が生じる大規模地震が発生した場合に、車体の振動を有効に減衰させて、当該車体の脱線を未然に防止することができる高減衰力ダンパおよびこれを備えた鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地震時の鉄道車両の挙動を解析することが行われている。例えば、非特許文献１に示される車両運動シミュレーションでは、図６に示される如く、地震時の車体走行安全限界の判定基準について、車輪とレールの相対左右変位（車輪路面中心とレール中心との距離）を±７０ｍｍと定め、変位が静止時の車輪の中正位置から７０ｍｍ（危険判定値）を超えるような左右の高速振動が生じる大規模地震の場合に、危険と判定するとの指標を得ている。
【非特許文献１】地震時の鉄道車両の挙動解析（上下、左右に振動する軌道上の車体運動シミュレーション）、日本機械学会論文集（Ｃ編）、６４巻６２６号（１９９８−１０）、論文ＮＯ．９７−１８５６（１９９６年１２月１９日第５回・物流部門大会にて講演）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、現在、鉄道車両においては、車体と車体を支える台車との間に、横方向の振動を減衰するための振動減衰用の横ダンパが設けられているが、この横ダンパは、乗り心地を良好にするために設けられているものであり、例えば大規模地震が発生した場合において生じる急激な車体の変位速度増加には対応していない。特に、変位が静止時の車輪の中正位置から７０ｍｍ（危険判定値）を超えるような左右の高速振動が生じる大規模地震の場合、車輪がレールから脱落して、脱線が生じる恐れがある。
【０００４】
本発明は、従来の有していた問題を解決しようとするものであって、静止時の車輪の中正位置から、危険判定値を超えるような高速変位が生じる大規模地震が発生した場合に、車体の振動を有効に減衰させて、車両の脱線を未然に防止することができる高減衰力ダンパの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そして、上記目的を達成するために本発明の課題解決手段では、車体と台車との間に、台車の車輪がレールに対して左右に変位させる振動が発生した場合にその振動を減衰させる高減衰力ダンパであって、ピストンによって区画された第１の油室と第２の油室とを有するシリンダを有し、ピストンの移動によりこれら油室間にて該シリンダ内の油液が移動される油圧シリンダと、車両の台車に対する左右の変位速度に応じて、油圧シリンダの第１の油室から第２の油室へ移動する油液の流路を段階的に切り換えることにより、高速変位時に高減衰力を発生させる油圧回路と、を具備する。
【０００６】
また、本発明の課題解決手段では、前記油圧回路を、第１の油室と第２の油室とを接続するとともに途中で並列的に分岐した第１の流路及び第２の流路を有する油液流路と、第１の流路に設けられた第１の絞りと、第２の流路に直列的に設けられた第１の切換弁及び第２の切換弁と、第２の切換弁の前後に該切換弁を迂回するように設けられその途中に第２の絞りを有する迂回流路と、車両の台車に対する変位速度に応じて第１の切換弁及び第２の切換弁を切り換えるパイロット機構とから構成し、このパイロット機構では、車両の台車に対する左右の変位速度が通常域にある低速時に、第２の流路の途中に設けられた第１の切換弁を閉として、第１の絞りを有する第１の流路を通じて、第１の油室から第２の油室へ油液を移動させ、また、車両の台車に対する左右の変位速度が通常域を超えた中速時に、第２の流路の途中に設けられた第１・第２の切換弁を開として、第１の流路及び第２の流路を開通させ、これら第１の流路及び第２の流路を通じて第１の油室から第２の油室へ油液を移動させ、また、車両の台車に対する左右の変位速度が通常域を大きく超えた高速時に、第２の流路の途中に設けられた第１の切換弁を開、第２の切換弁を閉として、第１の絞りを有する第１の流路、及び第２の絞りを有する第２流路内の迂回流路を通じて、第１の油室から第２の油室へ油液を移動させる。
さらに、本発明では、上記高減衰力ダンパを鉄道車両の車体と台車との間に設ける。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の高減衰力ダンパおよびこれを備えた鉄道車両によれば、車両の台車に対する変位速度に応じて、油圧シリンダの第１の油室から第２の油室へ移動する油液の流路を段階的に切り換えることにより、高速変位時に高減衰力を発生させるようにしたので、静止時の車輪の中正位置から、危険判定値を超えるような高速振動が生じる大規模地震が発生した場合に、車体の振動を有効に減衰させて、鉄道車両の脱線を未然に防止することができる。
【０００８】
また、本発明の高減衰力ダンパおよびこれを備えた鉄道車両によれば、車両の台車に対する左右の変位速度が通常域にある低速時に、第１の流路内に設けられた第１の絞りのオリフィス特性に応じて、通常域にあるピストン速度に応じた高い減衰力を発生させることができる。また、通常域を超えた中速時には、パイロット圧力により第２の流路途中に設けられた第１・第２の切換弁を共に開とすることにより、減衰力の過度の上昇を抑制し、当該減衰力を安定した状態に維持することができる。また、通常域を大きく超えた高速時において、パイロット圧力により第２の流路途中に設けられた第１の切換弁を開、第２の切換弁を閉として、第１の流路内に設けられた第１の絞り、及び第２流路内の迂回流路に設けられた第２の絞りのオリフィス特性に応じて、高速域にあるピストン速度に応じた高減衰力を発生させることができる。これによって、地震により、車両の台車に対する左右の変位速度が増大することに伴い、油圧シリンダの減衰力を段階的に増加させ、特に、静止時の車輪の中正位置から、危険判定値を超えるような高速振動が生じる大規模地震が発生した場合に、高減衰力を発生させることで、車体の振動を有効に減衰させて、当該車体の脱線を未然に防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は本発明に係わる高速時高減衰力ダンパを備える鉄道車両を示す正面図であって、この図において符号１で示すものはレール２上を走行する鉄道車両の車体である。車両１は、車体３と、台車４と、制振システム５などを備えている。車体３は、乗客を輸送するための構造物であり、台車４は車体３を支持して走行する装置である。台車４は、一対のレール２と転がり接触する車輪６と、この車輪６を支持する台車枠７などから構成されている。
【００１０】
制振システム５は、車体３と台車４との間でかつ車体３の両側に左右方向（矢印（イ）−（ロ）方向）配置された油圧シリンダ１０と、この油圧シリンダ１０に対して油液を給排出するための油圧回路１１とからなるものであって、車体３に矢印（イ）−（ロ）で示される左右方向に生じる振動を抑える。また、図１に示されるように、油圧シリンダ１０及び油圧回路１１は、中心線Ｍを挟んで左右対象の位置関係に設けられている。
【００１１】
図２は、図１の中心線Ｍを挟んで左側に位置する制振システム５の概略構成図である。図２において、符号１２で示すものは油圧シリンダ１０のシリンダであって、このシリンダ１２内にはピストン１３が、左右方向である矢印（イ）−（ロ）方向に移動自在に設けられている。また、シリンダ１２の端部は、矢印（ロ）側の車体３に接続され、ピストンロッド１３Ａの端部は、矢印（イ）側の台車４に接続されている。
【００１２】
以下、油圧回路１１について説明する。シリンダ１２は、ピストン１３を介して区画された矢印（イ）側の油室１５と、矢印（ロ）側の油室１６に分割されており、油室１５には油路１７が接続されている。また、ピストン１３には、縮み工程時に、油室１６から油室１５への油液の移動を行わせる逆止弁１４が設けられている。油路１７は分岐部１８によって流路１９と、流路２０に分配され、一方の流路１９の途中には絞り２１が設けられ、この絞り２１のオリフィス特性に応じた減衰力を調整する。また、他方の流路２０の途中には、流路２０を開閉するための切換弁２２・２３が直列に設けられており、切換弁２３の前後の流路２０には、分岐部２４・２５を介して、絞り２６が設けられた流路２７が別途接続され、絞り２６のオリフィス特性に応じた減衰力を調整する。流路２０が流路１９に合流する合流部２８の手前側には、油室１６側への油液の移動のみを許容する逆止弁２９が設けられ、また、合流部２８と油室１６との間の流路３０の途中にも、油室１６側への油液の移動のみを許容する逆止弁３１が設けられている。なお、切換弁２２は常閉のパイロット形切換弁であり、切換弁２３は常開のパイロット形切換弁である。
【００１３】
また、切換弁２２の上流側に位置する流路２０には、切換弁２２・２３を切り換えるためのパイロット管路３２が設けられている。なお、これら切換弁２２・２３では、図３に示されるように、ピストン速度（Ｖ）がゼロから立ち上がり設定速度Ｖ１に達したときに切換弁２２を“閉”から“開”へ切り換え、さらに設定速度Ｖ２に達したときに切換弁２３を“開”から“閉”へ切り換えるようにしている。そして、このような切り換えは、パイロット管路３２を通じて加えられる油液の圧力が、予め測定しておいた設定圧力Ｐ１に達した時にピストン速度が設定速度Ｖ１になったとみなし、また、予め測定しておいた設定圧力Ｐ２に達した時にピストン速度が設定速度Ｖ２になったとみなして、これら切換弁２２・２３を切り換えるものである。また、このようなパイロット圧力による切換弁２２・２３の切り換えでは無く、別途、油圧シリンダ１０に設けたピストン速度を検出するための速度センサの検出信号に基づき、切換弁２２・２３を切り換えても良い。
【００１４】
以下、図２に示される油圧シリンダ１０が伸びる際の動作を、ピストン速度（Ｖ）と減衰力（Ｆ）との関係を示す図３のＦＶ線図を参照して説明する。まず、油圧シリンダ１０のピストン１３が低速領域（０から設定速度Ｖ１までの領域）で伸び方向に動作した場合には、切換弁２２が“閉”となっているので、絞り２１を有する流路１９を通じてのみ油液が油室１６から油室１５に移動する。このとき、流路１９内に設けられた絞り２１のオリフィス特性に応じて、通常域にあるピストン速度に応じた高い減衰力を発生させることができる。具体的には、図３のＦＶ線図に範囲“Ｆ０−Ｆ１”で示されるように、ピストン速度がゼロから立ち上がるために急峻に増大する減衰力を発生させることができる。
【００１５】
その後、例えば小規模な地震が発生して、油圧シリンダ１０が伸び方向に、ピストン速度が設定速度Ｖ１を超えて増加した場合（すなわち、設定速度Ｖ１からＶ２までの中速度の領域にある場合）には、パイロット圧力により切換弁２２が“開”に切り換わって流路２０を開通させることで（このとき切換弁２３は開）、減衰力の過度の上昇を抑制し、当該減衰力を安定した状態に維持することができる。この安定した減衰力は、図３のＦＶ線図に範囲“Ｆ１−Ｆ２”に示されるように、切換弁２３が動作する設定速度Ｖ２に至るまで継続される。
【００１６】
その後、地震の揺れが増して巨大化して、油圧シリンダ１０が伸び方向に、ピストン速度が設定速度Ｖ２を超えて急激に増加した場合（すなわち、設定速度Ｖ２以上の高速度の領域にある場合）には、パイロット圧力により切換弁２３が“閉”に切り換わって流路２０を閉じ、該流路２０内の油液を、絞り２６を有する流路２７に至らせるようにする。これにより流路１９内に設けられた絞り２１、及び流路２７内に設けられた絞り２６のオリフィス特性に応じて、図３のＦＶ線図に範囲“Ｆ２〜”に示されるような、高速域にあるピストン速度に応じた高減衰力を発生させることができる。
【００１７】
なお、以上の説明は、矢印（イ）側にある油圧シリンダ１０が伸び側（矢印（イ）側）に変位する場合の例であるが、中心線Ｍを挟んで、矢印（ロ）側にある油圧シリンダ１０では、矢印（ロ）側が伸び側となる。また、図２の油圧シリンダ１０が縮み側に動作（矢印（ロ）方向へのピストン１３の移動）する場合には、油室１６内の油液が逆止弁１４を通じて油室１５内に送られる。
【００１８】
以上の点をまとめると、通常の鉄道車両に用いられている左右動ダンパは、図３のＦＶ線図上の設定速度Ｖ２までの使用範囲で性能を定めているのに対して、高速時高減衰力ダンパとして設けられた本発明の油圧シリンダ１０では、通常及び中速の標準ダンパ使用速度域（図３のＦＶ線図に範囲（Ｖ０−Ｖ１、Ｖ１−Ｖ２で示す範囲）では従来通りの性能を確保する一方、設定速度Ｖ２を超えてピストン１３が高速で動作するときには（図３のＦＶ線図にＶ２以上で示す範囲）、ピストン速度の２乗に比例する大きな減衰力を得るものである。
【００１９】
すなわち、ピストン速度がゼロから立ち上がるときには急峻に減衰力が大きくなり、ピストン速度が設定速度Ｖ１に達したとき、図２中の切換弁２２が動作して設定速度Ｖ２に至るまでのピストン速度の領域では安定した減衰力を発生するように油量を調節する。その後、ピストン速度が設定速度Ｖ２に達したところで、切換弁２３が動作して、切換弁２３の流路を閉じることにより絞り２６に油が流れる。その結果、ＦＶ線図中の設定速度Ｖ２以上のピストン速度では、ピストン速度の２乗に比例した減衰力を発生させることができる。
【００２０】
なお、高速時高減衰力ダンパとして設けられた本発明の油圧シリンダ１０の挙動を示すグラフを図４及び図５に示す。図４は加振周波数と走行安全限界振幅（ｍｍ）、                                      図５は加振周波数と走行安全限界速度（ｍ／ｓ）との関係を示すものであって、図４及び図５から、提案した高速時高減衰力の油圧シリンダ１０を用いたときには、広い範囲の加振周波数で走行安全限界が高くなる効果があることが実証されている。
【００２１】
以上詳細に説明したように本発明に係わる高速時高減衰力ダンパでは、パイロット管路３２による切換弁３２・３３の流路開閉により、車輪６のレール２に対する左右の変位速度が通常域にある低速時（０〜設定速度Ｖ１）、通常域を超えた中速時（設定速度Ｖ１〜Ｖ２）、通常域を大きく超えた高速時（設定速度Ｖ２〜）において、段階的に、油圧シリンダ１０の油室１５から油室１６へ移動する油液の油量を切り換えることができる。これによって、地震により、車輪６のレールに対する左右の変位速度が増大するに伴い、段階的に油圧シリンダ１０の減衰力を増加させることができ、特に高速変位時に静止時の車輪の中正位置から、危険判定値を超えるような高速振動が生じる大規模地震が発生した高速変位時に、高減衰力を発生させることで、車両１の振動を有効に減衰させて、当該車両１の脱線を未然に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係わる高速時高減衰力ダンパを備えた車両を示す正面図
【図２】制振システム５の油圧シリンダ１０及びその油圧回路１１を示す図
【図３】油圧シリンダ１０のピストン速度と減衰力との関係を示すグラフ
【図４】油圧シリンダ１０の加振周波数と安全限界振幅との関係を示すグラフ
【図５】油圧シリンダ１０の加振周波数と安全限界速度との関係を示すグラフ
【図６】地震発生時のレールに対する車輪の変位を示す正面図
【符号の説明】
【００２３】
１  車両
２  レール
３  車体
５  制振システム
６  車輪
１０  油圧シリンダ
１１  油圧回路
１２  シリンダ
１３  ピストン
１５  油室（第１の油室）
１６  油室（第２の油室）
１７  流路（油液流路）
１９  流路（第１の流路）
２０  流路（第２の流路）
２１  絞り（第１の絞り）
２２  切換弁（第１の切換弁）
２３  切換弁（第２の切換弁）
２６  絞り（第２の絞り）
２７  流路（迂回流路）
３０  流路（油液流路）
３２  パイロット管路（パイロット機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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