JP4179277B2 - 鉄道車両の振動試験方法及び振動試験装置 - Google Patents
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Description
前記特許文献1に記載された鉄道車両の試験装置及び試験方法は、台車に車体の運動を模擬する車両を取り付けて、その模擬車両にデジタル計算機により制御されるアクチュエータにより振動を加えると共に、模擬車両からの反力から一定時刻毎の車体の運動を計算して、一定時間後に模擬車両にその運動を再現するようにしたもので、小規模な試験装置で実車走行試験と同等な試験が実施できるように構成されている。
本発明はかかる問題を改善するためになされたもので、鉄道車両の振動特性と軌条の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した振動試験が実施できる鉄道車両の振動試験方法及び振動試験装置を提供することを目的とするものである。
また軌条輪を駆動するモータをモータ制御手段により制御することにより、軌条の勾配により試験車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬した振動試験も可能になる。
また軌条輪を駆動するモータをモータ制御手段により制御することにより、軌条の勾配により試験車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬した振動試験も可能になる。
図1は試験装置の構成図、図2は制御手段のブロック図、図3は試験方法を示すフローチャートである。
試験車両1は、台車2と車体荷重枠3により構成されていて、車体荷重枠3は実車の車体相当の荷重を台車2に対して負荷しており、台車2上に搭載されていると共に、車体荷重枠3に取り付けられた固定手段7により試験車両1の走行方向の運動が拘束されている。
台車2は、台車枠4の下側にモータ6aにより回転駆動される前輪及び後輪とからなる車輪5が設けられており、車輪5の回転数は回転速度計測手段17aにより検出されて、モータ6aを制御する台車駆動制御手段20へ入力されようになっている。
各車輪5の下側には、試験車両1を下方から支持する円形状の軌条輪8が設けられていて、車輪5と軌条輪8の少なくとも一方を回転駆動することにより、軌条上を試験車両が走行する走行模擬を可能としている。
トルク計測手段18は、軌条輪8のトルクを計測するもので、ユニバーサルジョイント16がモータ6bと軌条輪8の相対変位を吸収するようになっており、モータ6bには、軌条輪8の回転数を計測する回転数計測手段17bが取り付けられている。
軌条輪8の下方に設置された垂直駆動加振手段10は、変位計測手段12を介して基盤13上に固定されていて、上方に突出されたラム11の先端は、反力計測手段14を介して軸受け部材15の下部に連結されていて、垂直駆動加振手段10により軌条輪8を垂直方向に変位させることができ、軌条輪8の変位量は、変位計測手段12が計測して振動応答計算手段19へ入力するようになっている。
なお図1では、車輪5のうち1輪にのみ軌条輪8や垂直駆動加振手段10などを設置した状態を示しているが、他の3輪についても同様の軌条輪8や垂直駆動加振手段10などが設置されている。
図3に示すフローチャートのステップS10で振動試験が開始されると、数値計算手段21が回転数計測手段17bより入力される回転速度計測値c6から試験車両1の現在位置を計算すると共に、ステップS11で現在位置での数値計算に必要となる数値パラメータ情報c10を記憶手段22から取得する。
そしてステップS12で、反力計測値c1を外力として数値パラメータ情報c10から構成された数値モデルに対する振動応答を計算したら、ステップS13で車輪5の接地位置の軌条変位c12を加振機制御手段23に出力する。
記憶手段22は試験車両1の走行速度の指令信号c7を台車駆動制御手段20に出力して、現在位置の軌条の勾配に基づく試験車両1の車輪5にかかる抵抗力、あるいは推進力に相当するトルクの指令信号c13をステップS13でモータ制御手段24に出力する。
台車駆動制御手段20は、指令信号c7を試験車両1の速度として実現するために、指令信号c7に対して、少なくとも回転速度計測値c9をフィードバックする制御系で構成されていて、この制御系の出力信号c8をステップS14でモータ6aに出力し、ステップS15でこの出力信号c8に基づいてモータ6aが車輪5を駆動する。
以上説明したように本試験方法によれば、試験車両1の荷重を外力として軌条構造物の数値モデルを逐次数値計算し、試験車両1に対して車輪接地位置の軌条変位を再現することで、鉄道車両の振動特性と軌条構造物の振動特性が互いに及ぼす影響を考慮した精度の高い振動試験が可能となると共に、実際の鉄道車両を利用する必要がないため、より経済的な振動試験が可能となる上、軌条輪8を駆動するモータ6bをモータ制御手段24により制御することにより、軌条の勾配により試験車両1の重力が車輪5にかかる抵抗力に相当するトルクを再現することができるため、勾配のある軌条での走行を模擬することもできる。
記憶手段22は、目標の走行速度である指令信号c13をモータ制御手段24に出力し、モータ制御手段24は指令信号c13を鉄道車両の速度として再現するために、指令信号c13に対して少なくとも回転速度計測値c6をフィードバックする制御系で構成されており、この制御系は出力信号c4をモータ6bに出力し、モータ6bは出力信号c4に基づいて軌条輪8を駆動するようになっている。
次に車体荷重枠3の代わりに一車両分の車体を搭載した場合の例について説明すると、この例では1両の車両を2組の加振手段10に搭載し、それぞれの数値モデルが台車間隔に応じた位相差を持っており、車体荷重枠3では実現できない実際の1車両分の試験車両の振動特性が軌条構造物へ入力されるため、より精度の高い試験が実施できるようになる。
図4は軌条構造物の数値モデルを3次元モデルとした一例を示したもので、図4(a)は試験車両1の側面から見た軌条構造物の数値モデルの構成を示し、図4(b)は図4(a)のp−p線に沿う断面における試験車両1を前方から見た状態を示しており、図4(c)は(a)のq−q線に沿う断面における試験車両1を上から見た状態を示している。
軌条と枕木部分は、質点m11とバネ・ダンパd11を有する数値モデルy1、道床部分も同様に質点m21とバネ・ダンパd21を有する数値モデルz1で構成され、各質点m11、m21の初期位置は数値モデルy1、z1内で軌条狂いを再現させるように定義されている。
さらには、軌条構造物の数値モデルに地震波を入力することで、地震の影響を受ける軌条構造物の振動応答を再現することができる。
時刻(t)では、数値計算には数値計算領域50内の質点とバネ・ダンパを用いており、軌条構造物の数値モデルへの入力となる試験車両1の荷重30a、30b、30c、30dは、質点40a、40b、40c、40dに働き、数値モデルの計算方法には、中央差分法を用いており、設定時間後の質点40a、40b、40c、40dの垂直方向位置と一致するように、軌条変位c12が生成され、加振機制御手段23に出力されるが、好ましくは、試験装置は左右方向の軌条狂いと勾配を実現させるための左右方向加振手段を備え、各質点m11、m21の初期位置は数値モデルy1、z1内で軌条狂いと勾配を再現させるように定義されており、垂直方向加振と同様の手段で生成された指令値が左右方向の加振機制御手段23に出力される。
さらには、軌条構造物の数値モデルに地震波を入力することで、地震の影響を受ける軌条構造物の振動応答を再現することができるために、垂直方向加振と同様の手段で生成された振動応答の指令値が左右方向の加振制御手段23に出力される。
時刻(t+δt)の各質点(m'11、m'21)の初期変位、初期速度、初期加速度はそれぞれ時刻(t)の各質点(m11、m21)の変位、速度、加速度から線形補間により設定されているが、好ましくは、数値モデルにはレール継目、橋などの特性が含まれるものとし、この数値モデルに使用される数値パラメータは実測値でもよく、仮想的な軌条構造物の値でもよい。
5 車輪
6a モータ
6b モータ
8 軌条輪
10 加振手段
14 反力計測手段
19 振動応答計算手段
18 トルク計測手段
20 台車駆動制御手段
Claims (6)
- 鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置による振動試験方法であって、前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を反力計測手段により計測し、前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の数値モデルの振動応答を、軌条構造物の数値モデルを有する振動応答計算手段により計算して、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
- 請求項1に記載の鉄道車両の振動試験方法において、前記軌条輪のトルクをトルク計測手段により計測し、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータを制御する台車駆動制御手段へ、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
- 請求項1または2に記載の鉄道車両の振動試験方法において、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とする鉄道車両の振動試験方法。
- 鉄道車両の車輪に下方より当接する軌条輪と、前記軌条輪を回転駆動するモータと、前記モータの回転を制御する制御手段と、前記軌条輪を変位させる加振手段とを備えた鉄道車両の振動試験装置であって、前記軌条輪と前記加振手段との間に介在され、かつ前記鉄道車両が軌条に及ぼす荷重を計測する反力計測手段と、軌条構造物の数値モデルを有し、かつ前記反力計測手段により計測された荷重を外力として一定時間後の前記数値モデルの振動応答を計算し、前記数値モデルにおける車輪接地位置の軌条変位を再現するように前記加振手段を制御する振動応答計算手段とを具備したことを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
- 請求項4に記載の鉄道車両の振動試験装置おいて、前記軌条輪のトルクを計測するトルク計測手段と、前記鉄道車両の車輪を回転させるモータと、前記モータを制御する台車駆動制御手段とを備え、前記振動応答計算手段から前記鉄道車両の目標速度を台車駆動制御手段に出力し、同時に軌条の勾配により鉄道車両の重力が車輪にかかる抵抗力に相当するトルクを、前記軌条輪を駆動するモータに出力することを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
- 請求項4または5に記載の鉄道車両の振動試験装置おいて、前記振動応答計算手段は前記軌条輪の回転速度に基づいて前記鉄道車両の軌条構造物上の移動距離を算出し、該移動距離に相当する数値モデル上の位置から所定範囲内の前記数値モデルを用いて振動応答を計算することを特徴とする鉄道車両の振動試験装置。
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