JP2006335320A - 鉄道車両の異常動揺検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一度の外乱や、曲線路の高速走行時等では異常動揺であると判断しないようにする。
【解決手段】 鉄道車両の異常動揺を検知する方法である。台車２と車体それぞれの、前後方向振動の加速度と周波数、左右方向振動の加速度と周波数、ヨー方向振動の加速度と周波数のうちの少なくとも１種を測定する。この測定したうちの前記加速度波形の振幅が予め定められた基準値以上で一定時間連続し、かつ、前記測定したうちの周波数が予め定められた特定周波数範囲内で一定時間連続したときに、異常動揺であると判断する。
【効果】 振動の加速度と周波数が共に一定時間連続して該当したときのみ、異常動揺と判断するので、一度外乱が入っただけの場合や、曲線路を高速で走行した場合等のときには異常動揺であると間違った判断をすることが無い。
【選択図】 図１４

Description

本発明は、鉄道車両の走行中における異常動揺を検知する方法に関するものである。

鉄道車両には、走行中に蛇行動が発生しないように、走行中における車体や台車の振動を抑制すべく、ヨーダンパーや左右動ダンパーといった振動減衰装置が設けられている。

しかしながら、ヨーダンパーや左右動ダンパーが油漏れなどにより故障したり、脱落する等の異常が生じた場合には、走行中の前記振動を適正に抑制できなくなって、走行が不安定となる。

また、軸箱支持剛性が経年変化したり、軸箱支持部材が脱落して剛性が低下したり、摩耗等によって車輪の踏面の形状が崩れた場合にも、前記と同様、走行が不安定となる。

そこで、台車の左右方向の振動加速度・振動数、ヨー方向の振動加速度・振動数、或いは、車体の前後方向の振動加速度・振動数、左右方向の振動加速度・振動数の少なくとも１つを測定して、ヨーダンパーの異常を検出することで、鉄道車両の走行中における異常動揺を検知する方法が、特許文献１及び特許文献２で提案されている。
特開平６−７２３２７号公報 特開平６−７２３２８号公報

しかしながら、鉄道車両の走行中における異常動揺は、ヨーダンパーの異常だけではなく、前述のように、左右動ダンパーの異常、軸箱支持剛性の経年変化、軸箱支持部材の脱落による剛性低下、車輪の踏面形状の崩れにも影響を受ける。

また、特許文献１や特許文献２では、測定した振動加速度値と閾値を比較することで、或いは、測定した振動数が基準値の範囲内にあるか否かによって判断するだけであったので、例えば軌道等の影響により一度の外乱が入った場合でも、該当した場合は異常と判断されてしまう。

また、測定される振動加速度値や振動数は車両の走行速度によっても変化するが、特許文献１や特許文献２で提案された方法では、車両の走行速度を考慮していないので、予め定める閾値や基準値の範囲によっては、異常動揺であるとの判断が、必ずしも正確に行われているとはいえなかった。

つまり、特許文献１や特許文献２で提案された方法では、前述のような場合や車両の走行速度が変化した場合にも、異常と判断することがないような、閾値や基準値の範囲を決定することが困難であった。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の異常動揺検知方法では、判断に測定時間や車両の走行速度を考慮していなかったので、閾値等を最適な値や範囲に設定することが難しかったという点である。

そこで、本発明の鉄道車両の異常動揺検知方法は、
一度の外乱が入っただけの場合や、曲線路を高速で走行した場合等のときには異常動揺であると判断することがないようにするために、
鉄道車両の異常動揺を検知する方法であって、
台車と車体それぞれの、前後方向振動の加速度と周波数、左右方向振動の加速度と周波数、ヨー方向振動の加速度と周波数のうちの少なくとも１種を測定し、
この測定したうちの前記加速度波形の振幅が予め定められた基準値以上で一定時間連続し、
かつ、前記測定したうちの周波数が予め定められた特定周波数範囲内で一定時間連続したときに、
異常動揺であると判断することを最も主要な特徴としている。

前記本発明の鉄道車両の異常動揺検知方法において、「前記加速度波形の振幅が予め定められた基準値以上で一定時間連続」とは、例えば加速度波形の振幅が７回以上連続して基準値を超えた場合を言う。

すなわち、軌道等の影響により一度だけ外乱１が入ると、図１に示すような加速度波形が得られる。かかる加速度波形は、図１に示されるように、例えば４回（図１にａ〜ｄで示す）の振幅を経た後に減衰している。

従って、特許文献１や特許文献２で提案された方法では、この減衰するまでの４回のうちの１回でも基準値を超えていると、異常動揺と判断することになる。そこで、本発明では、そのようなことが無いように、測定した加速度波形の振幅が、例えば７回以上連続して基準値を超えた場合に、始めて異常動揺と判断する要件の１つを満たすこととしている。

ところで、図２に示すように、台車２の軸距を２Ｌ、車輪３の踏面の勾配をγ、車輪間の距離を２ｂ、車輪３の半径をｒとした場合、輪軸４の蛇行波長Ｓ1は、
Ｓ1＝２×π×（ｂ×ｒ／γ）^１／２
で、また、２軸台車２の蛇行波長Ｓ2は、
Ｓ2＝Ｓ1×｛１＋（Ｌ／ｂ）^２｝
で求めることができる。

従って、前記式の関係から、鉄道車両の走行速度と蛇行動の周波数（異常発生時の周波数）の関係としては、図３に示すような関係がえられる。
よって、前記加速度波形の振幅が７回というのは、例えば２５０ｋｍ／ｈｒで走行している鉄道車両では、台車の蛇行動の周波数Ｆは、図３を見ると約３Ｈｚであることから、（１／Ｆ）×３．５＝１．２秒となる。

本発明方法の加速度波形の連続時間を決定する際に使用する蛇行動の周波数Ｆは、通常の２軸台車の場合には、前記のようにＳ2の線に沿った値となるが、車両の経年変化などの影響を考慮すると、例えば速度が２００〜３６０ｋｍ／ｈｒ程度であれば、図３において○で囲った周波数（Ｓ1とＳ2の線の間、余裕をみて（Ｓ1＋１Ｈｚ）と（Ｓ2−１Ｈｚ）程度の間でもよい）の周波数とすればよい。

なお、周波数における連続時間は、前記のようにして決定した加速度波形の連続時間と同じ時間でも良いが、加速度波形の連続時間と異ならせても良い。

また、特許文献１や特許文献２で提案された方法では、振動加速度と振動数の何れか一方でも該当すれば異常動揺と判断しているが、この場合、例えば曲線路の高速走行時に振動加速度が基準値を超えた場合のように、前述の異常動揺の原因以外のものも異常動揺と判断することになる。従って、本発明では、そのようなことが無いように、振動の加速度と周波数が共に該当したときのみ異常動揺と判断するようにしている。

前記本発明の鉄道車両の異常動揺検知方法において、特定周波数範囲を、鉄道車両の走行速度に対応して定めた場合には、より正確に外乱と異常動揺との区別ができるようになる。

また、前記本発明の鉄道車両の異常動揺検知方法は、鉄道車両の走行速度が、車両及び走行路線により定められるある一定速度以上の場合に、前記測定を行うようにすれば、より明確に判断できるようになる。

本発明は、振動の加速度と周波数が共に一定時間連続して該当したときのみ、異常動揺と判断するようにしているので、一度外乱が入っただけの場合や、曲線路を高速で走行した場合等のときには異常動揺であると間違った判断をすることが無いという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図４〜図１５を用いて説明する。
本発明の鉄道車両の異常動揺検知方法では、先ず、台車の、前後方向振動の加速度と周波数、左右方向振動の加速度と周波数、ヨー方向振動の加速度と周波数、或いは、車体の、前後方向振動の加速度と周波数、左右方向振動の加速度と周波数、ヨー方向振動の加速度と周波数のうちの少なくとも１種を測定する。

例えば、台車の左右方向の振動加速度を図４に、台車のヨー方向の振動加速度を図５に、車体の前後方向の振動加速度を図６に、車体の左右方向の振動加速度を図７に示す。なお、これら図４〜図７において、（ａ）図は異常動揺が発生していない正常時を、（ｂ）図は異常動揺の発生時を示す。

台車の左右方向の振動加速度は、図４に示したように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、その波形において差が認められるものの、その大きさにおいては顕著な相違が認められない。しかし、この左右方向の振動加速度に、異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけることによって、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、異常動揺の発生を検知することができる。なお、図４（ｃ）は正常時の振動加速度に前記フィルタ処理を行ったもの、図４（ｄ）は異常動揺時の振動加速度に前記フィルタ処理を行ったものである。

また、台車のヨー方向の振動加速度も、前記左右方向の振動加速度と同様、図５に示したように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、その波形において差が認められるものの、その大きさにおいては顕著な相違が認められない。そこで、左右方向の振動加速度と同様、このヨー方向の振動加速度に、異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけることによって、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、異常動揺の発生を検知することができる。

一方、車体の前後方向の振動加速度は、図６に示したように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは大きく異なる。従って、異常動揺時には、この車体に固有の前後方向の振動加速度によって異常動揺の発生を検知することができる。

車体の前後方向の振動加速度の測定によって異常動揺の発生を検知する場合は、その振動加速度をフィルタ処理する必要はないが、前記と同様、例えば異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけることによっても、図８（ａ）（ｂ）に示すように、異常動揺の発生を検知することができることは言うまでもない。

また、車体の左右方向の振動加速度は、前記台車の振動加速度と同様、図７に示したように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、その波形において差が認められるものの、その大きさにおいては顕著な相違が認められない。そこで、台車の振動加速度と同様、この左右方向の振動加速度に、異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけることによって、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、異常動揺の発生を検知することができる。

なお、以上は異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを示したが、図９（ａ）（ｂ）に示すように、正常時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけた場合でも、異常動揺の発生を検知することができる。なお、図９（ａ）は図７（ａ）の振動加速度に正常時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたもの、図９（ｂ）は図７（ｂ）の振動加速度に正常時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものである。

また、異常動揺の発生の検知は、上記の振動加速度の測定によって検知できるだけではなく、台車や車体の、前後方向振動や左右方向振動やヨー方向振動の周波数を測定することによっても検知することができる。

例えば、台車の左右方向振動の周波数解析図を図１０に、台車のヨー方向振動の周波数解析図を図１１に、車体の前後方向振動の周波数解析図を図１２に、車体の左右方向振動の周波数解析図を図１３に示す。なお、これら図１０〜図１３において、（ａ）図は異常動揺が発生していない正常時を、（ｂ）図は異常動揺の発生時を示す。

台車の左右方向振動の周波数は、図１０に示すように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、大きく異なる。従って、異常動揺時には、この大きく異なる左右方向振動の周波数によって異常動揺の発生を検知することができる。

また、台車のヨー方向振動の周波数も、前記左右方向振動の周波数と同様、図１１に示すように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、大きく異なるので、この大きく異なる左右方向振動の周波数によって異常動揺の発生を検知することができる。

一方、正常時は、図６に示したように、車体の前後方向の振動がほとんどないので、車体の前後方向振動の周波数は、図１２（ａ）の周波数解析図に示すように、顕著な波形が現れない。しかし、異常動揺時には、図１２（ｂ）の周波数解析図に示すように、顕著な波形が現れ、その車体に固有の前後方向の振動数が存在する。従って、異常動揺時には、この車体に固有の前後方向振動の周波数の存在によって異常動揺の発生を検知することができる。

また、車体の左右方向振動の周波数も、前記台車の振動の周波数と同様、図１３に示すように、正常時（ａ図）と異常動揺時（ｂ図）とでは、その車体に固有の左右方向の振動数があり、大きく異なるので、この大きく異なる左右方向振動の周波数によって異常動揺の発生を検知することができる。

以上の振動加速度や振動周波数の測定は、例えば前後の台車や車体に設置された前後方向用振動加速度計、左右方向用振動加速度計、ヨー方向用振動加速度計を用いて、走行中に行われる。その際、鉄道車両の走行速度が、車両及び走行路線により定められる速度以上の場合にのみ、前記測定を行うようにすれば、より明確な判断が行える。

以下、台車の左右方向用振動加速度計を用いて測定された、車両走行中の台車の左右方向の振動加速度と周波数から、走行中の異常動揺を検知する場合を、図１４のフローチャートに基づいて説明する。

前記台車の左右方向用振動加速度計からの検知信号は、増幅後、Ａ／Ｄ変換されて演算器に入力される。そして、ここで、例えば前述のように発生周波数によるフィルタ処理を行った後、振動加速度の極大値ａｄを求めると共に、周波数解析を行って固有の振動周波数ｆｄを求める。

振動加速度の極大値ａｄと固有の振動周波数ｆｄを求めた後は、演算器に予め入力されている、例えば異常動揺時の振動から求めた閾値ａｂや基準値と比較する。すなわち、振動加速度の極大値ａｄと前記閾値ａｂを比較し、極大値ａｄが閾値ａｂより大きいか否か、そして、固有の振動周波数ｆｄが基準値である最小値ｆminと最大値ｆmaxの間にあるか否かが判断される。なお、この基準値である最小値ｆminと最大値ｆmaxは、鉄道車両の走行速度に対応して定めておくことが望ましい。

そして、測定により得られた振動加速度の極大値ａｄと固有の振動周波数ｆｄが、共に異常動揺状態に該当すると判断した場合、その状態が、加速度波形の振幅が何回連続するまで続くのかがカウントされ、例えば７回カウントされた時に異常動揺と判断する。

異常動揺と判断した場合には、例えばフェール信号を出した後に警報を発し、車両を安全な速度域まで減速させる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

例えば、以上の例では、異常動揺を検知するに際し、台車の左右方向の振動の加速度と周波数で判断する場合について説明したが、前後方向やヨー方向の振動の加速度と周波数を用いたり、また、車体の左右方向、前後方向、ヨー方向の振動の加速度と周波数を用いたり、あるいは、これらの前後方向、左右方向、ヨー方向の何れか２つ以上又は全ての振動加速度と周波数を組み合わせて判断してもよい。

また、異常動揺を検知するには、上述したように、正常時の測定値と異常動揺時の測定値を比較するが、比較の基準値は、以上の例と異なり、正常時の測定値を予め入力しておき、車両の走行中に得られる実測値と、予め入力した正常時の基準値とを比較してもよい。

また、以上の例では、振動加速度の極大値と閾値を比較することで、異常動揺か否かを判断するものを示したが、図１５に示すように、測定した振動加速度（フィルタ処理後、ａ図）からＲＭＳ値（Root Mean Square値、ｂ図）を求めることにより、異常動揺か否かを判断しても良い。

以上の本発明は、鉄道車両の異常動揺の検知に限らず、同様の乗り物にも適用できる。

一度だけ外乱が入った場合の加速度波形を示した図である。 台車の軸距、車輪間の距離を説明する図である。 鉄道車両の走行速度と蛇行動の周波数の関係を示した図である。 台車の左右方向の振動加速度を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を、（ｃ）は（ａ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを、（ｄ）は（ｂ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを示す。 台車のヨー方向の振動加速度を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を、（ｃ）は（ａ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを、（ｄ）は（ｂ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたもの示す。 車体の前後方向の振動加速度を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す。 車体の左右方向の振動加速度を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を、（ｃ）は（ａ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを、（ｄ）は（ｂ）図に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたもの示す。 車体の前後方向の振動加速度に異常動揺時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す。 車体の左右方向の振動加速度に正常時の固有周波数帯域のバンドパスフィルタをかけたものを示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す。 台車の左右方向振動の周波数解析図を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す。 台車のヨー方向振動の周波数解析図を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す。 車体の前後方向振動の周波数解析図を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す図である。 車体の左右方向振動の周波数解析図を示した図で、（ａ）は正常時を、（ｂ）は異常動揺の発生時を示す図である。 車両走行中の台車の左右方向の振動加速度と周波数から、走行中の異常動揺を検知する場合を説明するフローチャートである。 （ａ）はフィルタ処理後の振動加速度を示した図、（ｂ）は（ａ）図から求めたＲＭＳ値を示した図である。

符号の説明

２ 台車
３ 車輪

Claims (4)

1. 鉄道車両の異常動揺を検知する方法であって、
   台車と車体それぞれの、前後方向振動の加速度と周波数、左右方向振動の加速度と周波数、ヨー方向振動の加速度と周波数のうちの少なくとも何れか１種を測定し、
   この測定したうちの前記加速度波形の振幅が予め定められた基準値以上で一定時間連続し、
   かつ、前記測定したうちの周波数が予め定められた特定周波数範囲内で一定時間連続したときに、
   異常動揺であると判断することを特徴とする鉄道車両の異常動揺検知方法。
2. 前記加速度波形の振幅が７回以上連続して基準値を超えたときに一定時間連続していると判断することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の異常動揺検知方法。
3. 前記特定周波数範囲が、鉄道車両の走行速度に対応して定められたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両の異常動揺検知方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両の異常動揺検知方法であって、
   鉄道車両の走行速度が、車両及び走行路線により定められるある一定速度以上の場合に、前記測定を行うことを特徴とする鉄道車両の異常動揺検知方法。
   

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