JP2009040081A - 振動成分加速度推定装置および振動成分加速度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動成分の加速度を抽出して鉄道車両の制振装置に継続的にスカイフックセミアクティブ制御を行わせることが可能な振動成分加速度推定装置および振動成分加速度推定方法を提供する事である。
【解決手段】鉄道車両Ｔの車体Ｂに作用する車両進行方向に対し横方向の加速度αＦを検出する検知手段２と、鉄道車両Ｔの走行地点における軌道情報および鉄道車両Ｔの速度Ｖに基づいて車体Ｂに作用する車両進行方向に対し横方向の理論超過遠心加速度αＬを求める理論超過遠心加速度演算手段３と、検知手段２で検知した加速度αＦと理論超過遠心加速度演算手段３で求めた理論超過遠心加速度αＬとに基づいて車体Ｂに作用する振動成分の加速度Ａｃｃを求める振動加速度演算手段４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の車体に作用する振動成分の加速度を求める振動成分加速度推定装置および振動成分加速度推定方法に関する。

鉄道車両の走行時には、レール設置面の傾斜、軌道狂い、横風、旋回走行時に車両に負荷される遠心加速度等を原因として車体に車両の進行方向に対して横方向（以下、単に「横方向」と言う）への振動が作用する。この横方向の振動は、鉄道車両における乗り心地を悪化させる原因となるため、鉄道車両にあっては、この振動を抑制するために、車体と台車の間に空気バネやコイルバネ等を介装して車体が台車から受ける衝撃を吸収すると共に、車体の振動を抑制するべくダンパをコイルバネに並列させる。

そして、その一例として、ダンパの減衰力を可変とし、このダンパに出力させる制御力を制御則に則って制御するシステムが知られており、このようなシステムにおいては、加速度センサで検知する横方向の加速度に基づいてスカイフックセミアクティブ制御を行うようになっている。

しかしながら、車両が曲線区間を走行する際には、加速度センサで検出する加速度には、軌道狂いや横風といった車体に振動させる振動成分のみならず、カントの影響や旋回時の遠心加速度により旋回時に定常的に車体に作用する定常成分が重畳されるため、単に加速度センサの出力のみに基づいてスカイフックセミアクティブ制御したのでは、車体振動を効果的に抑制する事ができない可能性がある。

そこで、加速度センサでサンプリングされる加速度が同一符号で連続する場合、その同一符号で連続した加速度のサンプル数をカウントし、カウント数が閾値を超えることをもってして加速度の定常成分の影響によって加速度センサが振動成分のみを検知できない状態であることを認識し、スカイフックセミアクティブ制御を中止して、ダンパをパッシブな状態とする技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、車両の走行位置から、車両がカント路を走行中であるか否かを判断し、カント路を走行している場合には、加速度センサで検出する加速度に基づくことなく、レール設置面の傾斜角と曲率半径および重力加速度から旋回時に車体に作用する超過遠心加速度を求めて、当該超過遠心加速度に基づいてカント路走行に向く減衰力をダンパに発生させ、カント路以外を走行している場合には、通常のスカイフックセミアクティブ制御を行う技術も開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２０００−２８０９０２号公報 特開平１０−３１５９６５号公報

しかしながら、特開２０００−２８０９０２号の技術では、加速度センサで検出した加速度がドリフトしたと推定することしか行っておらず、旋回時にスカイフックセミアクティブ制御を継続させることができない。

また、特開平１０−３１５９６５号の技術にあっても、カント路走行時には、加速度センサで検出した加速度を用いることなく、特別な制御を行うので、カント路走行時にスカイフックセミアクティブ制御を継続する事ができず、また、カント路ではない曲線区間、つまり、レール設置面が傾斜していない平坦な曲線区間を走行する場合にも加速度センサが検出する加速度には遠心加速度による成分が含まれるが、これに対処することなくスカイフックセミアクティブ制御するので、充分に振動を抑制することができない可能性がある。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、振動成分の加速度を抽出して鉄道車両の制振装置に継続的にスカイフックセミアクティブ制御を行わせることが可能な振動成分加速度推定装置および振動成分加速度推定方法を提供する事である。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段における振動成分加速度推定装置は、鉄道車両の車体に作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検出する検知手段と、鉄道車両の走行地点における軌道情報および鉄道車両の速度に基づいて車体に作用する車両進行方向に対し横方向の理論超過遠心加速度を求める理論超過遠心加速度演算手段と、検知手段で検知した加速度と理論超過遠心加速度演算手段で求めた理論超過遠心加速度とに基づいて車体に作用する振動成分の加速度を求める振動加速度演算手段とを備えた。

また、本発明の課題解決手段における振動成分加速度推定方法は、鉄道車両の車体に作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検知するステップと、鉄道車両の走行地点における軌道情報および鉄道車両の速度に基づいて求めた車体に作用する理論超過遠心加速度を求めるステップと、加速度と理論超過遠心加速度との偏差を演算して車体に作用する振動成分の加速度を求めるステップとを備えた。

この振動成分加速度推定装置および振動成分加速度推定方法によれば、検出手段で検出した横方向の加速度から抑制したい車体の振動を引き起こす振動成分の加速度のみを抽出する事が可能であるので、鉄道車両の制振装置に継続的にスカイフックセミアクティブ制御を行わせることが可能である。

さらに、振動成分の加速度のみを抽出する事ができるので、スカイフックセミアクティブ制御に当たり、車体振動を効果的に抑制する事ができ、緩和曲線区間を含む曲線区間の走行時に制御を切換える必要も無いので、制御装置側の制御が煩雑となることがなく、また、制御切換によって制御力が急激に切換わるような弊害も発生することが無い。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態における振動成分加速度推定装置のシステムにおける一例を示す図である。図２は、一実施の形態における振動成分加速度推定装置を搭載した車両の平面図である。図３は、鉄道車両が走行する軌道の一部を示した図である。図４は、走行地点に軌道情報を関連付けたマップの一例である。図５は、走行距離に比例して超過遠心加速度が増減する緩和曲線区間を含む曲線区間を走行する際の理論超過遠心加速度の変化を示した図である。図６は、サイン半波長逓減曲線を採用する緩和曲線区間を含む曲線区間を走行する際の理論超過遠心加速度の変化を示した図である。図７は、非傾斜車両が定常曲線区間を走行する際の超過遠心加速度を説明する図である。図８は、車体傾斜が可能な車両が定常曲線区間を走行する際の超過遠心加速度を説明する図である。図９は、一実施の形態における振動成分加速度推定装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。

一実施の形態における振動成分加速度推定装置１は、図１および図２に示すように、基本的には、鉄道車両の車体に作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検出する検知手段たる加速度センサ２と、鉄道車両の走行地点における軌道情報および鉄道車両の速度に基づいて車体に作用する車両進行方向に対し横方向の理論超過遠心加速度を求める理論超過遠心加速度演算手段たる理論超過遠心加速度演算部３と、加速度センサ２で検知した横方向の加速度と理論超過遠心加速度演算部３で求めた理論超過遠心加速度に基づいて車体に作用する振動成分の加速度を求める振動加速度演算手段たる振動加速度抽出部４とを備えて構成され、鉄道車両の振動を抑制するため、上記構成とは別に、車両Ｔの進行方向に対して横方向の車体Ｂの振動を抑制するように車体Ｂと前後の台車Ｗとの間に介装される減衰力可変ダンパ５と、該減衰力可変ダンパ５が発生する制御力を制御する制御手段たる制御部６を備えている。すなわち、この実施の形態における振動成分加速度推定装置１は、鉄道車両の車体Ｂの振動を抑制する制振装置を兼ねている。

また、制御部６は、振動加速度抽出部４が出力する振動成分加速度を積分して得た振動成分速度に基づいて減衰力可変ダンパ５の制御力をスカイフックセミアクティブ制御するようになっている。なお、車体Ｂは、車体Ｂと台車Ｗとの間に介装されるエアバネＡによって弾性支持され、さらに、台車Ｗは、台車Ｗと車軸Ｒとの間に介装されるバネＳによって弾性支持されている。

減衰力可変ダンパ５は、減衰力可変の流体圧ダンパであって、制御部６からの制御指令を受けると、たとえば、図示しないソレノイドバルブ等の制御弁が流体に与える抵抗を制御指令どおりに変更することによって減衰特性を変更することが可能なようになっている。

そして、振動成分加速度推定装置１は減衰力可変ダンパ５をスカイフックセミアクティブ制御するために、ハードウェア資源として、加速度センサ２が出力するアナログ電圧でなる横方向の加速度信号をデジタル信号に変換する図外のＡ／Ｄ変換器と、加速度センサ２からの横方向加速度を処理して振動成分の加速度を得るとともに、振動成分の加速度を積分して振動成分速度を得て制御力を演算できるようにＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の演算処理装置と、上記演算処理装置に記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置部と、上記振動成分加速度および振動成分速度の演算処理およびスカイフックセミアクティブ制御力演算処理に使用されるプログラム等が格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ）等の副記憶装置とを備えており、ＣＰＵで上記各種処理を実行することで理論超過遠心加速度演算部３、振動加速度抽出部４および制御部６が実現され、上記の如く演算された制御力を上記減衰力可変ダンパ５に発生させるための制御指令を該減衰力可変ダンパ５に出力できるようになっている。

なお、本実施の形態の場合、上記した車体Ｂに作用する横方向の加速度を検出する加速度センサ２は、車体Ｂの前後の台車W付近に一つずつ設置され、車体Ｂの床面に沿う横方向の加速度を検知可能な加速度センサとされればよいが、それ以外に、上下方向および前後方向の加速度を検知することが可能な加速度センサとされてもよく、この加速度センサ２で検知した横方向の加速度は、振動加速度抽出部４に入力される。

他方、理論超過遠心加速度演算部３は、走行地点に軌道情報を関連付けたマップを有しており、鉄道車両の走行地点や速度を監視し記録する図外の車両モニタから制御対象である振動成分加速度推定装置１が搭載される車両Ｔの走行位置を得て、上記マップを参照して軌道情報から車両Ｔがどのような区間を走行中であるかを認識する。なお、走行地点を得るには、車両モニタから得る以外に、たとえば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）装置や他の手段を用いるようにしてもよく、また、車両Ｔの速度についても速度センサを別途設けて速度センサで検知するようにしてもよい。

走行地点に関連付けられる走行地点における軌道情報は、具体的には、区間の種別、すなわち、緩和曲線入口区間、緩和曲線出口区間、緩和曲線の間の曲線区間である定常曲線区間および直線区間の別、走行地点における旋回方向、定常曲線区間における軌道の曲率、走行地点におけるカント量（曲線の外側のレールと内側のレールの高低差）が含まれる。

なお、緩和曲線区間は、図３に示すように、直線区間と曲率半径が変化しない定常曲線区間との間の移行をなめらかにするために設けられる曲線区間で、定常曲線区間の前後に設けられ、本書では、便宜上、定常曲線区間の前の緩和曲線区間を緩和曲線入口区間と呼び、定常曲線区間の後の緩和曲線区間を緩和曲線出口区間と呼ぶ。

緩和曲線入口区間は、曲率半径、カント、スラックが異なる直線区間と定常曲線区間との間に位置して、曲率半径、カント、スラックを連続的に変化させて、直線区間と定常曲線区間とを滑らかに接続している。つまり、曲率半径を例にとれば、上記緩和曲線入口区間の曲率半径は、最初は無限大であるが車両Ｔの進行に伴い定常曲線区間に近付くにつれて定常曲線区間の曲率半径に近付き、定常曲線区間との境で定常曲線区間のそれを一致するようになっている。また、緩和曲線出口区間は、緩和曲線入口区間とは反対に、その曲率半径は、最初は定常曲線区間の曲率半径と一致しているが、車両Ｔの進行に伴い徐々に大きくなって、直線区間との境で無限大となるようになっている。

戻って、上記マップは、図４に示すように、走行地点における区間の種別、旋回方向、定常曲線区間の曲率半径、走行地点におけるカント量、軌間（レール間間隔）、緩和曲線区間のパターン、曲線係数が関連付けされる形で予め作成されて上述の副記憶装置に格納され、適宜に理論超過遠心加速度演算部３が参照可能なようになっている。なお、曲線係数は、車体Ｂおよび台車Ｗが車軸に弾性的に支持されており、カント付きの曲線区間走行時にエアバネＡおよびバネＳが撓むので車体Ｂが遠心力によって曲線外側へ傾くことからこれを考慮するために、用いられる係数であり、定常超過遠心加速度を演算する際に、車体Ｂが傾く分を考慮して補正するものである。曲線係数は、通常、１．０〜１．３程度の値である。

そして、理論超過遠心加速度演算部３は、当該車両Ｔの速度Ｖおよび車体傾斜角度θ、および、上述の走行位置における軌道情報から車体Ｂに作用する横方向の理論超過遠心加速度αＬを演算する。なお、車体傾斜角度θについては、別途、図外の車体傾斜を司る車体傾斜装置からの情報を得るようにしている。

具体的には、理論超過遠心加速度演算部３は、まず、走行地点とマップを参照して、車両Ｔが現在走行中の区間種別を認識する。そして、車両Ｔが現在走行中の区間種別が緩和曲線入口区間、定常曲線区間、あるいは、緩和曲線出口区間である場合、理論超過遠心加速度演算部３は、定常曲線区間を走行する場合における定常超過遠心加速度α１を演算し、この定常超過遠心加速度α１に基づいて理論超過遠心加速度αＬを演算する。

ここで、車両Ｔが一定の速度で直線区間から緩和曲線入口区間、定常曲線区間、緩和曲線出口区間を経て直線区間を走行する際、車体Ｂに作用する理論超過遠心加速度αＬである超過遠心加速度は、図５に示すように、在来線の軌道に良く見られるように緩和曲線区間に走行距離に比例して増減するクロソイド曲線を用いる場合と、図６に示すように、新幹線の軌道に良く見られるように緩和曲線区間に走行距離に対してサインカーブを描くように変化するサイン半波長逓減曲線を用いる場合があり、緩和曲線区間がいずれのパターンを採用しているかによらず、車両Ｔが一定の速度で上記した全区間を走行する際には、定常曲線区間においては、理論超過遠心加速度αＬが定常超過遠心加速度α１に一致し、緩和曲線入口区間では理論超過遠心加速度αＬは同区間の走行距離に応じて０から定常超過遠心加速度α１まで増大することになり、緩和曲線出口区間では理論超過遠心加速度αＬは同区間の走行距離に応じて定常超過遠心加速度α１から０まで減少することになる。

そして、図５に示すような、走行距離に比例して超過遠心加速度が変化するパターンを採用している緩和曲線において定常超過遠心加速度α１から理論超過遠心加速度αＬを演算するには、緩和曲線入口区間を走行中の車体Ｂに作用する理論超過遠心加速度αＬは、緩和曲線入口区間を走行した距離をｘ１とし、緩和曲線入口区間の総距離をＬ１とすると、αＬ＝Ｄ・α１・ｘ１／Ｌ１となり、緩和曲線出口区間を走行中の車体Ｂに作用する理論超過遠心加速度αＬは、緩和曲線出口区間を走行した距離をｘ２とし、緩和曲線出口区間の総距離をＬ２とすると、αＬ＝Ｄ・α１・（１−ｘ２／Ｌ２）となり、緩和曲線入口区間か緩和曲線出口区間を走行中である場合、その走行地点と定常超過遠心加速度α１とから上記各式を用いて理論超過遠心加速度αＬを演算する事ができる。

また、図６に示すような、サイン半波長逓減曲線を用いる緩和曲線において定常超過遠心加速度α１から理論超過遠心加速度αＬを演算するには、緩和曲線入口区間を走行中の車体Ｂに作用する理論超過遠心加速度αＬは、緩和曲線入口区間を走行した距離をｘ１とし、緩和曲線入口区間の総距離をＬ１とすると、αＬ＝Ｄ・α１・０．５・｛１＋ｓｉｎ（π（ｘ１／Ｌ１−１／２））｝となり、緩和曲線出口区間を走行中の車体Ｂに作用する理論超過遠心加速度αＬは、緩和曲線出口区間を走行した距離をｘ２とし、緩和曲線出口区間の総距離をＬ２とすると、αＬ＝Ｄ・α１・［１−０．５・｛１＋ｓｉｎ（π（ｘ２／Ｌ２−１／２））｝］となり、緩和曲線入口区間か緩和曲線出口区間を走行中である場合、その走行地点と定常超過遠心加速度α１とから上記各式を用いて理論超過遠心加速度αＬを演算する事ができる。

なお、上記各式におけるＤは、旋回方向を表す符合であり、たとえば、車両Ｔが進行方向に向かって右旋回時に加速度センサ２で検知する加速度の符号が正の場合、Ｄも正の符号を採り、車両Ｔが進行方向に向かって左旋回時に加速度センサ２で検知する加速度の符号が負の場合、Ｄも負の符号を採る。

また、直線区間走行時には、理論的には超過遠心加速度は車体Ｂに作用しないので、理論超過遠心加速度αＬ＝０となり、また、定常曲線区間走行時には、理論的に超過遠心加速度は定常超過遠心加速度α１に等しくなるので理論超過遠心加速度αＬは、αＬ＝α１で演算される事になる。

すなわち、車両Ｔが緩和曲線入口区間、定常曲線区間および緩和曲線出口区間を走行する場合には、理論超過遠心加速度αＬは定常超過遠心加速度α１を求める事によって演算する事ができ、また、車両Ｔが直線区間を走行する場合は、超過遠心加速度が作用しないので理論超過遠心加速度αＬは０となる。

したがって、理論超過遠心加速度演算部３は、車両Ｔの現在走行中の区間種別が緩和曲線入口区間、定常曲線区間、あるいは、緩和曲線出口区間である場合、定常超過遠心加速度α１を求めるようにしている。また、理論超過遠心加速度演算部３が理論超過遠心加速度αＬを求めるには、緩和曲線区間のパターンを認識する必要があり、軌道情報には、緩和曲線区間のパターンの情報も含まれ、当該情報も上記マップに含まれる。

このように、理論超過遠心加速度αＬを区間種別と定常超過遠心加速度α１から求める事ができるのであるが、理論超過遠心加速度αＬを求めるには、まず定常超過遠心加速度α１を演算する必要がある。

定常超過遠心加速度α１を演算するには、車両Ｔの速度Ｖ、旋回方向、カント量Ｃ、定常曲線区間の曲率半径Ｒ、軌間（レール間間隔）Ｇ、曲線係数β、さらに、車両Ｔが車体Ｂを台車Ｗに対して積極的に傾斜させる事が可能な車体傾斜機構付の車両である場合には車体Ｂの台車Ｗに対する車体傾斜角度θを用いて演算する。

車両Ｔが非傾斜車両である場合、レール設置面の水平面に対する傾斜角をφ、車体Ｂに作用する遠心加速度をγ、重力加速度をｇとすると、図７に示すように、定常超過遠心加速度α１は、α１＝γ・ｃｏｓφ−ｇ・ｓｉｎφとなり、近似的には、α１＝γ−ｇ・ｓｉｎφとしてもよい。以下、この近似式を用いて示すが、この近似式に対し車体Ｂの弾性支持による傾斜（曲線係数β）を考慮すると、α１＝γ−ｇ・ｓｉｎφ・β（式１）となる。

さらに、上記した実際に得られる情報を上記（式１）に当てはめて、旋回方向を加味すると、α１＝Ｄ・（Ｖ^２／Ｒ−ｇ・Ｃ／Ｇ・β）となり、上記情報から定常超過遠心加速度α１を演算する事ができる。

これに対して、車両Ｔが車体傾斜機構付であって車体傾斜が可能な車両である場合、カントによる恩恵、つまり、レール設置面の水平面に対する傾斜角φによる超過遠心加速度の緩和に加え、車体Ｂの傾斜によっても超過遠心加速度が緩和されるので、図８に示すように、定常超過遠心加速度α１は、α１＝γ−ｇ・ｓｉｎφ・β−ｇ・ｓｉｎθとなる。ここで、一般には車体傾斜角度がレール設置面に対して小さいため傾斜角φも小さく、上記式はα１＝γ−ｇ・ｓｉｎφ・β−ｇ・θ（式２）に近似でき、さらに、この（式２）に、上記した実際に得られる情報を当てはめて、旋回方向を加味すると、α１＝Ｄ・（Ｖ^２／Ｒ−ｇ・Ｃ／Ｇ・β−ｇ・θ）となり、車体傾斜機構付車両においても上記情報から定常超過遠心加速度α１を演算する事ができる。

なお、この実施の形態の場合、緩和曲線入口区間および緩和曲線出口区間における定常超過遠心加速度α１に緩和曲線のパターンを用いて演算するようにしているが、緩和曲線入口区間および緩和曲線出口区間の各地点における曲率半径を求め、当該区間における理論超過遠心加速度を上記各式を用いて直接演算するようにしてもよい。

このように、理論超過遠心加速度演算部３は、車両Ｔが緩和曲線入口区間、緩和曲線出口区間および定常曲線区間を走行中の場合には、定常曲線区間を走行した場合に車体Ｂに作用する定常超過遠心加速度α１を演算し、さらに、区間種別に則して定常超過遠心加速度α１から理論超過遠心加速度αＬを演算する。

つづいて、振動加速度抽出部４は、上述の理論超過遠心加速度演算部３が演算した理論超過遠心加速度αＬと加速度センサ２が検出した横方向の加速度αＦとを取り込んで、横方向の加速度αＦから理論超過遠心加速度αＬを除算して偏差を求め、この偏差を振動成分の加速度である振動成分加速度Ａｃｃとする。すなわち、振動加速度抽出部４は、加速度センサ２が検出した横方向の加速度αＦからスカイフックセミアクティブ制御に必要な振動成分の加速度である振動成分加速度Ａｃｃを抽出する。

ここで、理論超過遠心加速度αＬは、車両Ｔが走行地点における軌道状況によって理論的に車体Ｂに作用する横方向の加速度であるので、加速度センサ２が検出した横方向の加速度αＦから理論超過遠心加速度αＬを除することで、加速度αＦから振動的でない定常的な成分の加速度を取り除いて、振動的な成分の加速度、すなわち、振動成分加速度Ａｃｃを抽出する事ができるのである。

このように、振動加速度抽出部４によって演算された振動成分加速度Ａｃｃは、制御部６に入力され、制御部６は、振動成分加速度Ａｃｃを積分処理して横方向の振動成分速度Ｖｃｃを求め、この振動成分速度Ｖｃｃに基づいて減衰力可変ダンパ５をスカイフックセミアクティブ制御する。上記振動成分速度Ｖｃｃは、振動成分加速度Ａｃｃに起因して生じるによる車体Ｂの横方向速度である。

ちなみに、スカイフックセミアクティブ制御にあたり、制御部６は、Ｖｃｃ・Ｖｂｗ≧０のときには、制御力ＦをＦ＝Ｃｓ・Ｖｃｃによって演算し、また、Ｖｃｃ・Ｖｂｗ＜０のときには、制御力ＦをＦ＝０とする。なお、Ｖｂｗは、車体Ｂと台車Ｗの横方向の相対速度であり、Ｃｓはスカイフック減衰係数である。

そして、制御部６によって演算された制御力Ｆは、さらに、制御指令として減衰力可変ダンパ５に送信され、これにより、減衰力可変ダンパ５は該制御力Ｆを発生することになる。また、制御部６は、上記スカイフックセミアクティブ制御に使用されるスカイフック減衰係数Ｃｓを変更することが可能なようになっている。

ここで、スカイフックセミアクティブ制御を行うに際し、車体Ｂと台車Ｗとの相対速度の情報が必要となるが、この鉄道車両における制振装置にあっては、減衰力可変ダンパ５を伸び効き（伸長行程時のみに制御力を発生する）、圧効き（圧縮行程時にのみ制御力を発生する）の特性となるように制御弁によって切り変えられる構成としてあり、上記スカイフックセミアクティブ制御則に則って制御する場合には、減衰力可変ダンパ５の伸長側における相対速度Ｖｂｗを正と定め、Ｖｃｃ＞０の場合、減衰力可変ダンパ５を伸び効きに切換えておくことにより、Ｖｂｗ＞０であればＶｃｃ・Ｖｂｗ≧０が満たされ、制御力Ｆ＝Ｃｓ・Ｖｃｃをダンパ伸長側で発生させ、他方、Ｖｂｗ＜０であればＶｃｃ・Ｖｂｗ＜０となって制御力Ｆ＝０となるので、減衰力可変ダンパ５は制御力を発生しないように制御する必要があるが、この場合、減衰力可変ダンパ５は圧縮行程となって制御力を発生しない状態となるので、特別な制御をする必要がない。

反対に、Ｖｃｃ＜０の場合、減衰力可変ダンパ５を圧効きに切換えておくことにより、Ｖｂｗ＜０であればＶｃｃ・Ｖｂｗ≧０が満たされ、制御力Ｆ＝Ｃｓ・Ｖｃｃをダンパ圧縮側で発生させ、他方、Ｖｂｗ＞０であればＶｃｃ・Ｖｂｗ＜０となって制御力Ｆ＝０となるので、減衰力可変ダンパ５は制御力を発生しないように制御する必要があるが、この場合にも、減衰力可変ダンパ５は伸長行程となって制御力を発生しない状態となるので、特別な制御をする必要がない。

なお、伸び効きと圧効きの切換えについてはＶｃｃの正負の符合により行えばよい。

したがって、上述のように減衰力可変ダンパ５を設定しておくことによって、簡単な構成によってスカイフックセミアクティブ制御の実現が可能であるとともに、制御力Ｆ＝０となる場合に特別な制御が必要なくなり制御応答遅れによる不具合もない。また、減衰力可変ダンパ５をこのような構成とし、伸び効きと圧効きの切換えをＶｃｃの正負の符合により行うようにしておくことで、車体Ｂと台車Ｗとの相対速度Ｖｂｗの検出が不要となるので、加速度センサ２以外に車体Ｂと台車Ｗとの相対速度を検出する検出器を別途設ける必要が無く、車両の制振装置を一層安価で軽量なものとすることができる。

なお、上記のように減衰力可変ダンパ５を伸び効きと圧効きの切換えを行えるような構成としない場合には、車体Ｂと台車Ｗとの横方向の相対速度を検出する検知器を別途設けて、車体Ｂと台車Ｗとの横方向の相対速度情報をも用いて制御力を演算するようにしてもよい。この場合、車体Ｂと台車Ｗの横方向の相対速度を検出する検出器としては、たとえば、減衰力可変ダンパ５のストロークを検出するストロークセンサや減衰力可変ダンパ５内の圧力を検出する圧力センサを用いることができ、ストロークセンサを用いる場合には、検出されたダンパ変位を制御部６で微分して相対速度を得てもよく、さらに、圧力センサを用いる場合には、該圧力を制御部６で相対速度に変換する演算をさせてもよい。

したがって、この鉄道車両の制振装置による上記スカイフックセミアクティブ制御によれば、たとえば、車体Ｗが図１中左方に振れたとすると、台車Ｗが車体Ｂよりも遅い速度で左方に振れているか、或いは、車体Ｂとは逆に右方に振れている場合には、Ｖｃｃ・Ｖｂｗ≧０の条件を満たすので、減衰力可変ダンパ５は、Ｆ＝Ｃｓ・Ｖｃｃで演算される制御力Ｆを制御部６からの制御指令に従って出力し、車体Ｂの振動を抑制する。反対に、台車Ｗがレールの狂い等により車体Ｂの左方への振れ速度よりも速い速度で左方に振れたとすると、Ｖｃｃ・Ｖｂｗ＜０条件を満たすことになり、減衰慮可変ダンパ３は、制御力Ｆ＝０となり、制御部６からの制御指令に従って発生制御力Ｆを０とし、減衰力可変ダンパ５は、その発生する制御力で車体Ｂを加振することがないように制御される。

そして、理論超過遠心加速度演算部３、振動加速度抽出部４および制御部６の各部は、ＣＰＵが上記した各演算処理を行うためアプリケーションプログラムを実行することで実現される。以下、理論超過遠心加速度演算部３、振動加速度抽出部４および制御部６の各部の処理における処理を図９に示した処理手順の一例に即して説明する。

ステップＦ１では、振動成分加速度推定装置１は、車両モニタからインプットされる車両の走行地点および車両Ｔの速度Ｖを読み込み、さらに、加速度センサ２が検出した横方向の加速度αＦを読み込む。

つづいて、ステップＦ２では、振動成分加速度推定装置１は、上述のマップを参照し走行地点から、現在車両が走行している区間種別を認識する。

そして、ステップＦ３では、振動成分加速度推定装置１は、区間種別に応じて、理論超過遠心加速度αＬを演算し、ステップＦ４に移行して、加速度αＦ−理論超過遠心加速度αＬを演算して振動成分加速度Ａｃｃを演算する。

引き続き、ステップＦ５へ移行して、振動成分加速度推定装置１は、振動成分加速度Ａｃｃを積分して振動成分速度Ｖｃｃを演算し、ステップＦ６では、振動成分速度Ｖｃｃに基づいて上述のように減衰力可変ダンパ５の制御力Ｆを演算し、ステップＦ７に移行して、上記制御力Ｆから制御指令を生成し、減衰力可変ダンパ５へ当該制御指令を出力する。

以上、一連の判断処理が終了すると、引き続き、繰り返して同じ処理が実行されることになり、このようにして、振動成分加速度Ａｃｃの演算処理と減衰力可変ダンパ５のスカイフックセミアクティブ制御が継続して実施される。

このように、振動成分加速度推定装置１は、検出手段で検出した横方向の加速度αＦから抑制したい車体Ｂの振動を引き起こす振動成分の加速度Ａｃｃのみを抽出する事が可能であるので、鉄道車両の制振装置に継続的にスカイフックセミアクティブ制御を行わせることが可能である。

さらに、振動成分の加速度Ａｃｃのみを抽出する事ができるので、スカイフックセミアクティブ制御に当たり、車体Ｂ振動を効果的に抑制する事ができ、緩和曲線区間を含む曲線区間の走行時に制御を切換える必要も無いので、制御装置側の制御が煩雑となることがなく、また、制御切換によって制御力が急激に切換わるような弊害も発生することが無い。

また、振動成分の加速度の抽出には、ハイパスフィルタ処理を行うのではなく、理論超過遠心加速度αＬを演算して、検出手段で検出した横方向の加速度αＦと理論超過遠心加速度αＬとの偏差を演算し、この偏差を振動成分の加速度Ａｃｃとするので、ドリフトの危険もなく、軌道狂いや横風等の外乱に起因する振動成分加速度Ａｃｃのみを精度良く抽出する事ができ、スカイフックセミアクティブ制御による制振効果が向上し、曲線区間であっても直線区間同様に振動を抑制でき、鉄道車両における乗り心地が向上する。

そしてさらに、振動成分の加速度の抽出には、ハイパスフィルタ処理を行わないので、車両毎にフィルタの時定数を最適化したりチューニングしたりする必要もなく、メンテナンスも非常に容易となる。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における振動成分加速度推定装置のシステムにおける一例を示す図である。 一実施の形態における振動成分加速度推定装置を搭載した車両の平面図である。 鉄道車両が走行する軌道の一部を示した図である。 走行地点に軌道情報を関連付けたマップの一例である。 走行距離に比例して超過遠心加速度が増減する緩和曲線区間を含む曲線区間を走行する際の理論超過遠心加速度の変化を示した図である。 サイン半波長逓減曲線を採用する緩和曲線区間を含む曲線区間を走行する際の理論超過遠心加速度の変化を示した図である。 非傾斜車両が定常曲線区間を走行する際の超過遠心加速度を説明する図である。 車体傾斜が可能な車両が定常曲線区間を走行する際の超過遠心加速度を説明する図である。 一実施の形態における振動成分加速度推定装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 振動成分加速度推定装置
２ 検知手段たる加速度センサ
３ 理論超過遠心加速度演算手段たる理論超過遠心加速度演算部
４ 振動加速度演算手段たる振動加速度演算部
５ 減衰力可変ダンパ
６ 制御部
Ａ エアバネ
Ｂ 車体
Ｒ 車軸
Ｓ バネ
Ｔ 車両
Ｗ 台車

Claims (9)

1. 鉄道車両の車体に作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検出する検知手段と、鉄道車両の走行地点における軌道情報および鉄道車両の速度に基づいて車体に作用する車両進行方向に対し横方向の理論超過遠心加速度を求める理論超過遠心加速度演算手段と、検知手段で検知した加速度と理論超過遠心加速度演算手段で求めた理論超過遠心加速度とに基づいて車体に作用する振動成分の加速度を求める振動加速度演算手段とを備えた振動成分加速度推定装置。
2. 振動加速度演算手段は、検知手段で検知した加速度と理論超過遠心加速度演算手段で求めた理論超過遠心加速度との偏差を演算して振動成分の加速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の振動成分加速度推定装置。
3. 鉄道車両の走行地点における軌道情報は、軌道のカント量、軌道の曲率、旋回方向を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の振動成分加速度推定装置。
4. 理論超過遠心加速度演算手段は、軌道情報および鉄道車両の速度に加えて車体傾斜角度に基づいて理論超過遠心加速度を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動成分加速度推定装置。
5. 車体を支持する台車との間に介装され該車両の進行方向に対し水平横方向の車体の振動を抑制する減衰力可変ダンパと、該減衰力可変ダンパが発生する上記車体振動を抑制する制御力を制御する制御手段を備え、制御手段は振動成分加速度を積分して得た振動成分速度に基づいてスカイフックセミアクティブ制御を行う事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動成分加速度推定装置。
6. 鉄道車両の車体に作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検知するステップと、鉄道車両の走行地点における軌道情報および鉄道車両の速度に基づいて求めた車体に作用する理論超過遠心加速度を求めるステップと、加速度と理論超過遠心加速度との偏差を演算して車体に作用する振動成分の加速度を求めるステップとを備えてなる振動成分加速度推定方法。
7. 鉄道車両の走行地点における軌道情報は、軌道のカント量、軌道の曲率、旋回方向を含むことを特徴とする請求項６に記載の振動成分加速度推定方法。
8. 軌道情報および鉄道車両の速度に加えて車体傾斜角度に基づいて理論超過遠心加速度を求めることを特徴とする請求項６または７に記載の振動成分加速度推定方法。
9. 車体を支持する台車との間に介装され該車両の進行方向に対し水平横方向の車体の振動を抑制する減衰力可変ダンパを、振動成分加速度を積分して得た振動成分速度に基づいてスカイフックセミアクティブ制御することを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の振動成分加速度推定方法。

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