(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両台車の台車枠と輪軸との間に設置して輪軸にヨー方向の制御力を発生させるための流体アクチュエータと、該輪軸の左右および前後方向の振動加速度を検知するセンサと、該センサからの検知信号に基づいてヨー角加速度を算出して前記輪軸に発生させるヨー方向の制御力信号を作成し、かつ前記流体アクチュエータを前後軸で個別に前記制御力信号にて制御する二つの安定化制御器とを備えることを特徴とする鉄道車両台車の蛇行動制御装置。
【請求項２】
鉄道車両台車の台車枠と輪軸との間に設置して輪軸にヨー方向の制御力を発生させるための流体アクチュエータと、該輪軸の左右および前後方向の振動加速度を検知するセンサと、台車枠の左右方向の振動加速度を検知するセンサと、該センサからの検知信号に基づいてヨー角加速度を算出して前記輪軸に発生させるヨー方向の制御力信号を作成し、かつ前記流体アクチュエータを前後軸で同時に前記制御力信号にて制御する一つの安定化制御器とを備えることを特徴とする鉄道車両台車の蛇行動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、鉄道車両台車に特有の不安定現象である蛇行動を抑制し、鉄道車両の安定限界速度を飛躍的に向上させることのできる鉄道車両台車の蛇行動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現用されている鉄道車両台車は、ほとんどが２軸ボギーを採用しており、それぞれの形式や各部の構造には数多くの種類があるが、台車としての基本構造や構成はほぼ同じであり、一般に台車枠、揺れ枕装置、ばね装置、軸受軸箱、軸箱支持装置、輪軸、基礎ブレーキ装置等によって構成される。その台車としての基本構造は図１０Ａ、Ｂに示すように、台車枠１、車軸２、車輪３、軸箱４、一次ばね５および二次ばね６より構成される。そして、車輪３には曲線路の通過を容易にするために、踏面勾配θが付けられた円錐輪が用いられている。
【０００３】
そのため、レールに接する踏面位置によって踏面半径が異なり、更に車輪は使用摩耗により不整斉となる。また、２本のレールは施設上からも、保守上からも幾何学的に誤差を免れない。これらが原因となり、車輪の左右中心は線路中心に対し偏位した位置で転走する。その上、転走時に受ける抵抗は、左右車輪で異なり踏面においてすべりを生じ、一方の車輪は他方の車輪より多く進むか、あるいは遅く進むため、車輪には遅れまたは進みの走行角が生じ最大値に達した後は、逆に進みまたは遅れの走行角の最大値に達して１サイクル（図１１に蛇行の波長Ｌで示す）を終わる。このサイクルを繰り返したときの輪軸中心の転送軌跡は、一定の波長並びに振幅をもった曲線を描き、いわゆる蛇行軌道曲線となる。よって、鉄道車両の走行速度が高くなるにつれて、輪軸の蛇行の振動数は大きくなり、ある速度で一次ばねの固有振動数と一致する。その結果、台車全体が大きく蛇行するようになり、鉄道車両の安定走行が維持できなくなる。この現象は、蛇行動と呼ばれており、また蛇行動の発生する走行速度を安定限界速度と呼ぶ。
【０００４】
上記のごとく、蛇行動は本質的には避けられない現象であるが、安定限界速度を向上させることは可能である。その、安定限界速度を向上させるための従来方法としては、一次ばね（軸ばね）のばね定数を大きくして固有振動数を大きくする方法や、図１２に示すように、車体８と台車枠１との間にヨーダンパ９を設置し、蛇行動を減衰させる方法がある。
【０００５】
また、鉄道車両の乗り心地の向上を目的になされた発明に輪軸ヨー角制御装置付鉄道用車両（特開平３−２５８６５５号公報）がある。これは図１３に示すように、台車枠１と輪軸との間に流体アクチュエータ１０を設置し、記憶装置１１に予め蓄積しておいた軌道不整等に関する情報を外部からの信号（速度信号、ＡＴＳ信号、異常信号、非常停止信号等）に従い随時読み出し、制御器１２で制御入力を計算し、前記流体アクチュエータ１０に入力する構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の内、一次ばねのばね定数を大きくして固有振動数を大きくする方法やヨーダンパを用いる方法は、容易に実現でき蛇行動の抑制効果もあるが、軌道不整を台車枠や車体に振動として伝えやすくなり、通常走行時の乗り心地が悪化する。
一方、特開平３−２５８６５５号公報の「輪軸ヨー角制御装置付鉄道用車両」は、通常走行時の乗り心地の向上には効果があるが、不安定現象である蛇行動の抑制に効果的であるとはいえない。
【０００７】
この発明は、上記のごとく従来技術には乗り心地を維持したまま蛇行動を抑制し得る制御装置は出現していない現状に鑑みて、通常走行時の乗り心地を悪化させずに、高速走行時に発生する蛇行動を抑制し、安定限界速度を向上させることのできる鉄道車両台車の蛇行動制御装置を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の鉄道車両台車の蛇行動制御装置は、鉄道車両台車の台車枠と輪軸との間に設置して輪軸にヨー方向の制御力を発生させるための流体アクチュエータと、該輪軸の振動加速度を検知するセンサと、該センサからの検知信号に基づいてヨー角加速度を算出して前記輪軸に発生させるヨー方向の制御力信号を作成し、かつ前記流体アクチュエータを前後軸で同時に又は個別に制御する一つ又は二つの安定化制御器とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明の蛇行動制御装置において、該安定化制御器は、最適レギュレータ理論によって得られるフィードバックゲインを用いて制御信号を求めることができる。
【００１２】
【作用】
図１は、請求項１の発明により、前後輪軸を個別に制御する蛇行動制御装置の構成を示したものである。流体アクチュエータ１０は、台車枠１と軸箱４との間に車軸２に対し垂直方向に設置され、輪軸７にヨー方向の制御力を発生させる。軸箱４にはセンサ１３が取付けられ、輪軸７の左右方向およびヨー方向の振動を検知する。上記センサからの信号は安定化制御器１４に入力され、輪軸７の運動を安定化させるための制御信号ｕFおよび制御信号ｕRを計算する。これらの制御信号は、制御弁１５に入力され、上記流体アクチュエータ１０をヨー方向に駆動する。
【００１３】
図２は、請求項２の発明により、前後輪軸を一体に制御する蛇行動制御装置の構成を示したものである。この場合には、台車枠１を介して生じる前後輪軸間の干渉を考慮するために、台車枠１にもセンサ１３を設置し、台車枠１の運動も考慮して設計した一つの安定化制御器１４を用いている。
【００１４】
図１あるいは図２における安定化制御器１４の構成図を図３に示す。制御対象（図１の場合には輪軸７の運動、図２の場合には輪軸７および台車枠１の運動）の内部状態に注目して１式のようなモデルを作成する。
【００１５】
【数１】
１式
0003778950.tif 000002
【００１６】
ここで、ｔは時間、ｘ（ｔ）は内部状態のベクトル、ｕ（ｔ）は制御信号のベクトル、ｙ（ｔ）はセンサ出力のベクトルである。
【００１７】
上記モデルを基にして、安定化制御器１４は２式に示すオブザーバ１６と３式に示す状態フィードバック１７から構成される。
【００１８】
【数２】
２式
0003778950.tif 000003
【００１９】
３式
ｕ（ｔ）＝ＦｘE（ｔ）
【００２０】
オブザーバ１６は、センサ出力ｙ（ｔ）から内部状態の推定値ｘE（ｔ）を求めるものであり、行列Ｋは推定速度を決定するパラメータである。状態フィードバック１７は上記オブザーバで得られた内部状態を用いて、制御対象を安定化させる制御信号ｕ（ｔ）を計算する。
フィードバックゲインＦは、公知の制御理論である最適レギュレータ理論により得られる。すなわち、３式の状態フィードバックを行ったとき、内部状態ｘ（ｔ）と制御信号ｕ（ｔ）に関する下記４式の評価関数Ｊを最小にするフィードバックゲインＦを採用する。
【００２１】
【数３】
４式
0003778950.tif 000004
ここで、行列Ｑおよび行列Ｒは適当な重みである。
【００２２】
【実施例】
実施例１
請求項１の発明の実施による図１に示した前後輪軸を個別に制御する蛇行動制御装置に基づいて説明する。輪軸７の振動を検知するセンサとして、図４に示すように加速度計１８を設置し、軸箱４の左右および前後方向の振動加速度ａF1、ａF2、ａF3、ａF4、ａR1、ａR2、ａR3、ａR4を検知する。
【００２３】
上記センサ出力は、図５に示すようにＡ／Ｄ変換装置１９でディジタル値に変換され、制御用コンピュータ２０に入力される。この制御用コンピュータ２０内では、先ずセンサ出力変換部２１で下記５式に示す演算を行い、輪軸左右振動加速度ａFL、ａRLおよび輪軸ヨー角加速度ａFY、ａRYを計算する。
【００２４】
５式
ａＦＬ＝（ａF1＋ａF2）／２
ａＲＬ＝（ａR1＋ａR2）／２
ａＦＹ＝（ａF3−ａF4）／２ｂ1
ａＲＹ＝（ａR3−ａR4）／２ｂ1
ただし、ｂ1は輪軸７の中心から加速度計１８までの距離である。上記の結果を用いて、安定化制御計算部２２で輪軸７に発生させるヨー方向の制御力に相当する制御信号ｕＦおよびｕＲを計算する。上記安定化制御計算部は２式および３式に示した安定化制御器１４を下記６式および７式に示すようにディジタル化し、さらにソフトウェア化したものである。
【００２５】
６式
ｘE（ｋ＋１）＝ＤDｘE（ｋ）＋ＢDｕ（ｋ）＋ＫDｙ（ｋ）
７式
ｕ（ｋ）＝ＦDｘE（ｋ）
ただし、ｋ＝０、１、２、…はディジタル化された時間を表す。
上記により求められた制御信号は、Ｄ／Ａ変換装置２３でアナログ値に変換された後、制御弁１５に入力される。
【００２６】
実施例２
請求項２の発明の実施による図２に示した前後輪軸を同時に制御する蛇行動制御装置に基づいて説明する。輪軸７および台車枠１の振動を検知するセンサとして、図６に示すように加速度計１８を設置し、軸箱４の左右および前後方向の振動加速度ａF1、ａF2、ａF3、ａF4、ａR1、ａR2、ａR3、ａR4、更に、輪軸中心上における台車枠１の左右方向の振動加速度ａF5、ａR5を検知する。
【００２７】
実施例１と同様に、上記センサ出力は、図７に示すようにＡ／Ｄ変換装置１９でディジタル値に変換され、制御用コンピュータ２０に入力される。この制御用コンピュータ２０内では、先ずセンサ出力変換部２１で下記８式に示す演算を行い、輪軸左右振動加速度ａFL、ａRLおよび輪軸ヨー角加速度ａFY、ａRY、更に台車中心上における台車左右振動加速度ａTL、台車ヨー角加速度ａTYを計算する。
【００２８】
８式
ａFL＝（ａF1＋ａF2）／２
ａRL＝（ａR1＋ａR2）／２
ａFY＝（ａF3−ａF4）／２ｂ1
ａRY＝（ａR3−ａR4）／２ｂ1
ａTL＝（ａF5＋ａF6）／２
ａTY＝（ａF5−ａF6）／２ｂ2
【００２９】
ただし、ｂ2は台車中心から加速度計１８までの距離である。上記の結果を用いて、安定化制御計算部２２で輪軸７および台車枠１を安定化させるために発生させるヨー方向の制御力に相当する制御信号ｕFおよびｕRを計算する。そして、上記で求めた制御信号は、Ｄ／Ａ変換装置２３でアナログ値に変換され、制御弁１５に入力される。
【００３０】
実施例３
請求項２の発明の実施による図２に示した前後輪軸を同時に制御する蛇行動制御装置に基づいた他の実施例について説明する。輪軸７と台車枠１の振動を検知するセンサとして、図６に示す加速度計１８に図８に示す変位計２４を追加し、軸箱４の左右および前後方向の振動加速度および輪軸中心上における台車枠１の左右方向の振動加速度ａF1、ａF2、ａF3、ａF4、ａF5、ａR1、ａR2、ａR3、ａR4、ａR5に加えて、軸箱４と台車枠１との間の左右および前後方向の相対変位ｄF1、ｄF2、ｄF3、ｄF4、ｄR1、ｄR2、ｄR3、ｄR4を検知する。
【００３１】
実施例２と同様に、上記センサ出力は、図９に示すようにＡ／Ｄ変換装置１９でディジタル値に変換され、制御用コンピュータ２０に入力される。この制御用コンピュータ２０内では、先ずセンサ出力変換部２１で上記８式に加え、下記９式を使って左右相対変位ｄFL、ｄRLおよびヨー相対角度ｄFY、ｄRYを計算する。
【００３２】
９式
ｄFL＝（ｄF1＋ｄF2）／２
ｄRL＝（ｄR1＋ｄR2）／２
ｄFY＝（ｄF3−ｄF4）／２ｂ3
ｄRY＝（ｄR3−ｄR4）／２ｂ3
【００３３】
ただし、ｂ3は台車中心から変位計２４までの距離である。上記の結果を用いて、安定化制御計算部２２で輪軸７および台車枠１を安定化させるために発生させるヨー方向の制御力に相当する制御信号ｕFおよびｕRを計算する。この実施例では、上記安定化制御計算部において２式のオブザーバの代わりに下記１０式に示す最小次元オブザーバを用いた。
【００３４】
【数４】
１０式
0003778950.tif 000005
【００３５】
最小次元オブザーバの特徴は、センサ出力の利用により状態推定の冗長度を減らせることであり、内部状態の数をｎ、センサ出力の数をｍとすると、２式のオブザーバは（ｎ−ｍ）次元となる。したがって、制御計算量を減らすことができる。そして、上記で求めた制御信号は、Ｄ／Ａ変換装置２３でアナログ値に変換され、制御弁１５に入力される。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は、通常走行時の乗り心地を悪化せずに、高速走行時に発生する蛇行動を抑制し、安定限界速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明により、前後輪軸を個別に制御する蛇行動制御装置の構成を示す説明図である。
【図２】請求項２の発明により、前後輪軸を同時に制御する蛇行動制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】この発明の実施例で使用する安定化制御器の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施例１における加速度計の配置を示す説明図である。
【図５】この発明の実施例１における制御計算のブロック図である。
【図６】この発明の実施例２における加速度計の配置を示す説明図である。
【図７】この発明の実施例２における制御計算のブロック図である。
【図８】この発明の実施例３における変位計の配置を示す説明図である。
【図９】この発明の実施例３における制御計算のブロック図である。
【図１０】鉄道車両台車の基本構成を示す説明図で、Ａは平面図、Ｂは正面図ある。
【図１１】鉄道車両における輪軸の蛇行動を示す説明図である。
【図１２】鉄道車両におけるヨーダンパの配置を示す説明図である。
【図１３】従来の輪軸ヨー角度制御装置を有する鉄道車両台車の説明図である。
【符号の説明】
１  台車枠
２  車軸
３  車輪
４  軸箱
５  一次ばね
６  二次ばね
７  輪軸
８  車体
９  ヨーダンパ
１０  流体アクチュエータ
１１  記憶装置
１２  制御器
１３  センサ
１４  安定化制御器
１５  制御弁
１６  オブザーバ
１７  状態フィードバック
１８  加速度計
１９  Ａ／Ｄ変換装置
２０  制御用コンピュータ
２１  センサ出力変換部
２２  安定化制御計算部
２３  Ｄ／Ａ変換装置
２４  変位計
Ｆ  状態フィードバックゲイン
Ｋ  オブザーバの推定速度を決定するパラメータ行列
ｋ  ディジタル化した時間
ａF1、ａF2、ａR1、ａR2  軸箱の左右方向の振動加速度
ａF3、ａF4、ａR3、ａR4  軸箱の前後方向の振動加速度
ａF5、ａR5  輪軸中心上における台車枠の左右方向の振動加速度
ａFL、ａRL  輪軸左右振動加速度
ａFY、ａRY  輪軸ヨー角加速度
ａTL  台車左右振動加速度
ａTY  台車ヨー角加速度
ｄF1、ｄF2、ｄR1、ｄR2  軸箱と台車枠との間の左右方向の相対変位
ｄF3、ｄF4、ｄR3、ｄR4  軸箱と台車枠との間の前後方向の相対変位
ｕF、ｕR  制御信号
ｄFL、ｄRL  左右相対変位
ｄFY、ｄRY  ヨー相対角度
【図１】
0003778950.tif 000006
【図２】
0003778950.tif 000007
【図３】
0003778950.tif 000008
【図４】
0003778950.tif 000009
【図５】
0003778950.tif 000010
【図６】
0003778950.tif 000011
【図７】
0003778950.tif 000012
【図８】
0003778950.tif 000013
【図９】
0003778950.tif 000014
【図１０】
0003778950.tif 000015
【図１１】
0003778950.tif 000016
【図１２】
0003778950.tif 000017
【図１３】
0003778950.tif 000018