JP5629619B2 - 鉄道車両の転覆防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両が強風などを原因として転覆することを防止する転覆防止装置に関する。

鉄道車両が側方から強風を受けると、車体に風圧による抗力（横力）が生じる。風速が大きい場合、車両を転覆させようとする横力が大きくなり、ある限界風速以上の風速が吹いた場合、車両は転覆・脱線する。このように、強風が原因とみられる鉄道車両の脱線転覆事故は、日本で鉄道が開業して以来、多数発生している。

このような事故を防ぐために、鉄道車両の車体と台車との間にあるまくらばねの伸び量を検知して、あるしきい値以上の伸びを検出した場合、台車に備えたフックをレールに引っかけて、鉄道車両の転覆を防止する技術が提案されている（特許文献１）。
しかし、この方法ではフックがレールを損傷するおそれがある。

鉄道車両の車体に固定した電磁石によってブレーキ力を得る方法が提案されている（特許文献２）。
しかし、この方法では電磁石が車体に固定されているため、レールと電磁石との間に空隙が大きく、十分な吸引力を得ることはできない。
また、この方法に開示されている電磁石は、左右レール間隔と同程度の幅を持つ電磁石が必要とされているところ、電磁石の大きさに対して十分な吸引力が得られるとは言えない。

バッテリ式ＬＲＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の台車枠の中央下部にレール集電接触子を設け、これをレールブレーキ代わりとすることで、外力に対する横転を防止する機能を付加する技術が提案されている（特許文献３）。
特許文献２と特許文献３では、いずれもどのようなときに電磁石に電流を印加するのかについて、具体的にどのような条件で、どのような制御を行うのかについて、開示されていない。

特開２０１０−０７００７５号公報 特開２００６−３０６３５７号公報 特開２００７−０６８２４１号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、レール等の設備を損傷することなく、強風時であっても安全に転覆・脱線を防止する、鉄道車両の転覆防止装置を提供することを目的とする。

以下、符号を付して本願発明を説明する。ただし、符号は参照のためであり、本願発明を実施形態に限定するものでない。

本願に係る第１の発明は、鉄道車両１の転覆防止装置であって、左右のレール４にそれぞれ対応し、通常走行時には車両限界内に保持されている複数の磁石と、前記磁石を移動させる操縦手段７と、前記操縦手段７の動作を制御する制御手段３５と、を備え、前記制御手段３５からの指令によって前記操縦手段７が左右のレール４へそれぞれ対応する前記磁石を移動させることで前記磁石とレール４との間に吸引力を生じさせること、を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置である。

また、本願に係る第２の発明は、前記磁石は電磁石２であり、前記制御手段３５は、さらに前記電磁石２の生じる磁力を制御し、前記制御手段３５からの指令によって前記操縦手段７が左右のレール４へそれぞれ対応する前記電磁石２を移動させ、前記電磁石２を励磁することで前記電磁石２とレール４との間に吸引力を生じさせること、を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置である。

また、本願に係る第３の発明は、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータを出力する姿勢検知手段３６をさらに備え、前記制御手段３５は、前記姿勢検知手段３６が出力した前記パラメータが所定の条件を満たした場合に鉄道車両１の転覆の危険性が増したと判断し、前記制御手段３５からの指令によって前記操縦手段７が左右のレールへそれぞれ対応する前記電磁石２をレールに接触するまで移動させ、前記電磁石２を励磁することで前記電磁石２をレールに吸着させること、を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置である。

また、本願に係る第４の発明は、前記パラメータが所定の条件を満たしていない場合であっても、前記制御手段３５からの指令によって前記操縦手段７がそれぞれ対応する前記電磁石２を左右のレール４上の所定の位置に固定し、前記制御手段３５は前記姿勢検知手段３６の出力するパラメータに応じて前記電磁石２に供給する電力を制御することで前記電磁石２の発生する磁力を制御してレール４に対する吸引力を調整し、鉄道車両１の走行安定性を保つこと、を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置である。

また、本願に係る第５の発明は、右レール側と左レール側のどちらに転覆する可能性が高いのかを判定する転覆方向判定手段３６２をさらに備え、前記制御手段３５からの指令によって前記操縦手段７が前記転覆方向判定手段３６２の判定した方向と反対側のレール４へ対応する前記電磁石２を移動させ、前記制御手段３５は前記電磁石２を励磁することで前記電磁石２をレール４に吸着させること、を特徴とする鉄道車両１の転覆防止装置である。

前記所定の条件には、まくらばね６１の伸張量が所定の値以上となった場合を含むことができる。

前記所定の条件には、空気ばね１２３の圧力差が所定の値以上となった場合を含むことができる。

また、前記所定の条件には、車体１１の左右側面の空気圧センサ６２の出力値の差が所定の値以上となった場合を含むことができる。

また、前記所定の条件には、輪重が所定の値以下となった場合を含むことができる。

また、前記所定の条件には、左右振動加速度が所定の値以上となった場合を含むことができる。

電磁石２は、鉄道車両１の車体１１に取り付けられていることとすることができる。

また、電磁石２は、鉄道車両１の台車１２に取り付けられていることとすることができる。

このように構成することで、強風時のように外力により鉄道車両１が脱線転覆しやすい状況であっても、レール４をはじめとする諸設備を損傷することなく、安全に鉄道車両１の転覆・脱線を防止することができる。

本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両の側面図 本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両の正面図 本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両の底面図 本願発明に係る転覆防止装置を車両に適用した場合の構成例を表す図 本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両の台車を表す図 本願発明に係る転覆防止装置を台車に適用した場合の構成例を表す図 本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両が強風を受けたときの動作を表す図 本願発明に係る転覆防止装置の動作を説明する図 本願発明に係る転覆防止装置の入力パラメータを説明する図 本願発明に係る転覆防止装置の入力パラメータを説明する構成図 本願発明に係る転覆防止装置の変形例の動作を説明する図 本願発明に係る転覆防止装置の電磁石の動作を説明する図

本発明の実施形態について、図を使って説明する。

［第１の実施形態］
先ず、本願発明に係る転覆防止装置を鉄道車両１の車体１１に搭載した例について示す。

［（１）外観］
図１は、本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両１の側面図である。先頭車の例を示すが、本願発明は中間車にも適用可能である。車両１は、車体１１、台車１２、連結器１３を備えている。台車１２に備えられた車輪１２１がレール４に動力を伝えることで、車両１はレール４の上を走行する。この他、各種の床下機器が車両の底面に搭載されているが、省略している。
本願発明を構成する電磁石２は、車体に搭載されている。本実施形態では、電磁石２を車体の前端、中央、後端に搭載している。

図２は、本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両１の正面図である。先頭車の例を示すが、本願発明は中間車にも適用可能である。車両１は、車体１１、連結器１３、排障器１４を備えている。図２では台車１２は省略している。また、見やすさのため、排障器１４は破線で示す。
図２に示すように、本実施形態では、本願発明を構成する電磁石２を、左右のレール直上にそれぞれ配設する。右レールの直上の電磁石２は、右レールに対応した電磁石２である。左レールの直上の電磁石２は、左レールに対応した電磁石２である。

ここで、一般に鉄道分野では、左右を表す際、起点を背にして終点方を向いた際の左右で表している。

図３は、本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両１の底面図である。車両の底面には、台車１２、連結器１３が搭載されている。この他、各種の床下機器が車両の底面に搭載されているが、省略している。本願発明を構成する電磁石２は、本実施形態では、電磁石２を車体の前端、中央、後端に配設しており、それぞれの位置に、左右のレールに対応する電磁石２を一対ずつ搭載している。
本願発明に係る電磁石２は、通常走行時（運転規制等が発令されていない）には車両限界内に収納されている（図１（ａ）、図２（ａ））。強風時等、鉄道車両１が転覆するおそれのある場合には、電磁石２がレール４へ移動する（図１（ｂ）、図２（ｂ））。

ここで、車両限界とは鉄道車両の断面形状の外郭線が越えてはならない限界のことをいう。

［（２）構成］
図４は、本願発明に係る転覆防止装置を車両に適用した場合の構成例を表す図である。
本実施形態では、直流区間を走行する鉄道車両１を例に説明する。架線３１は、変電所から鉄道車両１へ電力を供給するための給電線で、直流１５００Ｖが印加される。パンタグラフ３２は、変電所から供給される電力を受電する。パンタグラフ３２で受電した直流電力は、遮断機（図示せず）や整流器（図示せず）を介してインバータ３３へ供給される。インバータ３３は、直流電力を三相交流に変換して、電動機（モータ）を駆動する。また、インバータ３３は電動機以外の機器（補機）を作動させるための電力を供給する役割も担う。

コンバータ３４はインバータ３３から供給される電力を直流電力へ変換し、制御手段３５に供給する。

制御手段３５は、強風時等、鉄道車両が転覆するおそれがある場合には、操縦手段７に指令を出して、電磁石２をレール４へ移動させる。

図４では、電磁石２をレール４へ移動させる操縦手段７は、モータ２５によって駆動軸２４を回転し、連結金具２２が左右に移動することで、連結棒２３の他端に接続した電磁石２を動作させる方式とすることができる。

具体的には、駆動棒２４にはらせん状溝が施されている。連結金具２２には駆動棒２４を通す穴が空けられており、前記穴の内側には前記らせん状の溝と同じピッチでらせん状の凸部が形成されている。駆動棒２４のモータ側半分と先端側半分とで、らせん状溝のピッチを同じに、方向を反対にすれば、二つの連結金具２２は、駆動棒２４が回転することによって、右または左に、互いに離れたり近づいたりするように移動する。この動作により、連結金具２２に接続された連結棒２３と、その他端に連結された電磁石２とのなす角度が変化するので、結果として電磁石２が上下に移動する。
よって、制御手段３５は、操縦手段７の備えるモータ２５の回転を制御することで、電磁石２をレール４へ移動させたり、レール４から離したりすることが可能となる。

また、図４に示すような操縦手段７を設置する空間がない場合、図６に示すように、操縦手段７としてアクチュエータ２６を用いることもできる。

［第２の実施形態］
次に、本願発明に係る転覆防止装置を鉄道車両１の台車１２に搭載した例について示す。

［（１）外観］
図５は、本願発明に係る転覆防止装置を搭載した鉄道車両１の台車１２を表す図である。台車１２は、車輪１２１、台車枠１２２、空気ばね１２３、車軸１２４を備えている。その他にも、台車には電動機やブレーキ装置が搭載されているが、ここでは省略する。台車１２に備えられた車輪１２１がレール４に動力を伝えることで、鉄道車両１はレール４の上を走行する。
台車１２の底面図（図５（ｃ））に示すように、本願発明を構成する電磁石２は、前後の車輪１２１を結ぶ線上に位置するように、台車枠１２２に搭載されている。右レール上の電磁石２が右レールに対応する電磁石２、同様に左レール上の電磁石２が左レールに対応する電磁石２である。

本願発明に係る電磁石２は、通常走行時（運転規制等が発令されていない）には車両限界内に収納されている（図５（ａ））。強風時等、鉄道車両が転覆するおそれのある場合には、操縦手段７に指令を出して、電磁石２をレール４へ移動させる。（図５（ｂ））。

［（２）構成］
図６に、本願発明に係る転覆防止装置を台車１２に適用した場合の構成例を示す。本実施形態では、直流区間を走行する鉄道車両１を例に説明する。構成とそれぞれの役割は、図４（第１の実施形態）の場合と同じなので省略する。

本願発明に係る転覆防止装置を鉄道車両１の台車１２に搭載する場合、台車１２は限られた空間内に、鉄道車両１の運転に必要な装置を収納する必要があることから、電磁石２を搭載する空間が限られている。したがって、操縦手段７としてアクチュエータ２６のように限られた空間でも、動作可能な機器を用いる。

［本願発明に係る転覆防止装置の動作］
次に、本願発明に係る転覆防止装置の、第１実施形態、第２実施形態に共通した動作について、説明する。

［（１）転覆のおそれの検知］
図４および図６に示すように鉄道車両が転覆するおそれを検知するために、本願発明に係る転覆防止装置は、姿勢検知手段３６を備えることができる。
姿勢検知手段３６は鉄道車両の姿勢に関するパラメータ算出する。姿勢検知手段３６には、パラメータ計算部３６１を備える。これらのパラメータが予め定められた条件を満たした場合、制御手段３５は鉄道車両が転覆するおそれがあると判断し、操縦手段７に対し、電磁石２を動作するよう指令を出す。

［（２）転覆方向の判定］
転覆方向判定手段３６２は、パラメータ計算部３６１が出力するパラメータを用いて、右レール側と左レール側のどちらに転覆する可能性が高いのかを判定する。
制御手段３５は、これらのパラメータが予め定められた条件を満たした場合であって、かつ転覆方向判定手段３６２が右レール側に転覆すると判定した場合、左レールに対応する電磁石２を左レールへ移動するよう、左レール側の電磁石２を動作させる操縦手段７を制御する。反対に、転覆方向判定手段３６２が左レール側に転覆すると判定した場合、右レールに対応する電磁石２を右レールへ移動するよう、右側の操縦手段７に対し指令を出す。

このような動作をする理由は、鉄道車両１の転覆現象は、転覆する側の車輪・レールの接点を回転中心とする回転現象だからである。つまり、右方向に転覆する場合を考えると、右車輪と右レールとの間に電磁石２によって吸引力を生じても、それは回転中心における作用であるので、回転現象を防止することはできない。
よって、前記制御手段３５は、操縦手段７に転覆方向判定手段３６２が判定した方向と反対側のレール４へ、対応する電磁石２を移動させるのである。

［（３）電磁石への電流の印加］
制御手段３５は、強風時等、鉄道車両が転覆するおそれがある場合には、操縦手段７に指令を出し、電磁石２をレール４へ移動させ、電磁石２に電流を通電し磁力を発生させる。すると、電磁石２とレール４との間に吸引力が生じる。
この場合、電磁石２とレール４との間の吸引力によって、鉄道車両の転覆を防止することができる。

また、電磁石２とレール４とが吸着することによって、走行中の鉄道車両１にはブレーキ力、鉄道車両１の速度を減少させる力が働き鉄道車両１の速度が遅くなることで鉄道車両１の転覆する可能性を減じることができる。なぜなら、強風による鉄道車両１の転覆現象では、鉄道車両１の走行速度と、列車を転覆せしめる風速との間には正の相関があるので、風速が同じであれば、走行速度が遅い方が転覆しにくくなるからである。

［強風時の車両転覆防止に適用した場合の具体例］
次に、本願発明に係る転覆防止装置を、鉄道車両１の強風による転覆を防止するために適用した場合の具体例について、説明する。

［（１）鉄道車両の転覆現象］
鉄道車両１は、図７（ａ）のように、強風などの外力を受けなければ、車体１１が傾くことなく走行している。ここで、図７は鉄道車両１を正面から見たときの図であり、説明のため排障器１４は省略している。

鉄道車両１が、側方から強風を受けると、風による空気力が車体１１の側面に作用し、鉄道車両１が風下側へ転覆するような力が働く。この場合、図７（ｂ）に示すように、車体が傾斜する。その力が、ある値以上になると、鉄道車両１ は風下側に転覆し脱線する。どのくらいの風速で、鉄道車両１が転覆するのかは、車体１１の形状、走行速度および線路構造物の形状（盛土、橋梁など）、風の吹いてくる方向といった要素に影響されると考えられている。

鉄道車両１は、側方から強風を受けると、風速に応じて車体１１が傾斜する。車体１１が傾斜することによって、台車１２と車体１１との間にあるまくらばね（２次ばね）のうち風上側のまくらばねが伸びる。ここで、近年の鉄道車両１の多くはまくらばねに空気ばねを採用している。

あるいは、車体１１が傾斜することによって、風上側車輪の輪重（車輪を介してレールに伝わる圧力）が小さくなる。

あるいは、車体１１に加速度センサ６４が取り付けられていれば、車体１１の傾きを検知することができる。

また、鉄道車両１は、側方から強風を受けると、車体１１の側面の空気圧は、風上側の圧力の方が風下側のそれよりも大きくなる。その圧力差（すなわち風速の大きさ）に応じて車体１１が傾斜する。

［（２）フローチャートを使った前記具体例の説明］
次に、強風が原因で鉄道車両に脱線転覆の危険性が高まった場合の、本願発明に係る転覆防止装置の動作について、図８のフローチャートを用いて説明する。

・パラメータ出力
転覆防止装置の制御が開始されると、姿勢検知手段３６は鉄道車両の姿勢に関するパラメータを所定の周期（例えば１００Ｈｚ）で計算し続ける（Ｓ１）。鉄道車両の姿勢に関するパラメータには、例えば、以下のようなものが挙げられる。
・車体１１と台車１２との間に配設されるまくらばねの伸張量
・前記まくらばねが空気ばね１２３であった場合には、左右の空気ばね１２３の圧力差
・車体１１の左右側面の空気圧の左右差
・車輪１２１を通じてレール４に掛かる輪重
・車体１１に備えられた加速度センサ６４の測定値
これら以外でも、鉄道車両の姿勢に関するパラメータ、例えば上記パラメータを複数組み合わせた場合や上記パラメータの複数を変数として計算した指数なども本願発明の範囲内である。
鉄道車両１が転覆する風速は、車両速度、線形、線路構造物形状にも応じて定まるので、上記パラメータのみからではなく、複数のパラメータと車両速度、線形、線路構造物形状を変数として組み合わせて計算した指数を姿勢検知手段３６の算出するパラメータとすることもできる。

・条件判定
姿勢検知手段３６が算出したパラメータは、制御手段３５へ送られる。制御手段３５は、パラメータが所定の条件を満たしているか否かを判定する（Ｓ２）。前記所定の条件は、これを満たした場合には、鉄道車両１の脱線転覆のおそれがあることを示すよう、予め設定する。制御手段３５は、姿勢検知手段３６が算出した前記パラメータが、前記所定の条件を満たしていた場合には、鉄道車両１が転覆のおそれがあると判断する（Ｓ２）。
反対に、前記所定の条件を満たしていない場合には、鉄道車両１が転覆するおそれは無いと判断し、フローはパラメータ計算ステップ（Ｓ１）へ戻る。

・電磁石２の動作
制御手段３５は、鉄道車両１が転覆のおそれがあると判断した場合、操縦手段７に電磁石２をレール４へ移動させるよう指令する（Ｓ３）。それと同時に、電磁石２に対して、所定の電流を通電し電磁石２とレール４とを吸着させる（Ｓ４）。図７（Ｃ−１）は電磁石２をレール４へ移動させたときを表す。
風上側の電磁石２とレール４との間に吸着しようとする力が働けば、鉄道車両１が風下側に転覆することを防ぐことができる。
また、電磁石２がレール４に吸着すれば鉄道車両１にブレーキがかかり、走行速度が小さくなるので、結果として鉄道車両１を転覆せしめる風速が大きくなる。よって、鉄道車両１が転覆することを防止することができる。

Ｓ２で鉄道車両１が転覆すると判定した後、Ｓ３の電磁石２の動作の前に、転覆方向判定手段３６２によって転覆方向を判定するステップ（Ｓ２−２）を設けることができる。
転覆方向判定手段３６２が右レール側に転覆すると判定した場合、左レールに対応する電磁石２を左レールへ移動するよう、左レール側の電磁石２を動作させる（Ｓ３）。反対に、転覆方向判定手段３６２が左レール側に転覆すると判定した場合、右レールに対応する電磁石２を右レールへ移動させる（Ｓ３）。図７（Ｃ−２）は、転覆方向と反対側の電磁石２のみをレール４へ移動させたときを表す。

・姿勢の制御
次に、電磁石２をレール４に接触させながら走行中（列車は未だ停止していない状態）に鉄道車両１の姿勢に関するパラメータを姿勢検知手段３６が算出する（Ｓ５）。算出したパラメータから、車体１１が左右のどちらかに傾いており、姿勢の調整が必要であると判断した場合（Ｓ６でｙｅｓ）、制御手段３５は傾きを元に戻すように電磁石２の磁力を調整する（Ｓ７）。そして、姿勢検知手段３６が再びパラメータの算出を行う（Ｓ５）。

車体１１の傾きが大きくなく姿勢の調整が必要でない場合（Ｓ６でｎｏ）、制御手段３５は前記パラメータが所定の条件を満たしているか否かを再判定する（Ｓ８）。前記所定の条件を満たしている場合には、車両が転覆のおそれがある（未だ危険な状態を脱していない）と判断し、電磁石２への通電を保ったまま姿勢検知手段３６による姿勢に関するパラメータの計算を行う（Ｓ８がｙｅｓ）。

Ｓ５で算出した前記パラメータが所定の条件を満たしていない（車両が転覆のおそれがない）場合（Ｓ８でｎｏ）、鉄道車両１が停止したか否か（速度が０ｋｍ／ｈとなったか）を判定する（Ｓ９）。鉄道車両１が停止していない場合（Ｓ９がｎｏ）、再び姿勢検知手段３６による姿勢に関するパラメータの算出を行う（Ｓ５）。

一方、鉄道車両１が停止していた場合（Ｓ８でｙｅｓ）、既に前記パラメータが所定の条件を満たしていないことをＳ８で判定済みなので、強風が収まり、車体１は傾斜していないことになる。よって、制御手段３５は電磁石２の励磁を終了し（Ｓ１０）、電磁石２を収納するよう操縦手段７に指令を出す（Ｓ１１）。

［（３）入力パラメータと条件判定について］
姿勢検知手段３６が算出するパラメータと所定の条件について、構成を述べる。

・まくらばね伸張量
車体１１と台車１２との間には、台車１２から車体１１に伝わる衝撃をやわらげる目的で、左右の台車枠中央付近の上部に、まくらばね（２次ばね）が配設される。このまくらばねの伸張量が、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータの一つとなる。すなわち、側方から強風を受け車体１１が傾斜した場合、まくらばねのうち風上側のまくらばねが伸張する。この風上側のまくらばね伸張量が所定の基準値以上となった場合を、所定の条件とすることができる。図９（ａ）に、まくらばね６１の伸張量を検出するまくらばね伸張量検出部６１１を備えた場合の構成について示す。まくらばね伸張量検出部６１１はまくらばね６１の伸張量を測定し姿勢検知手段３６のパラメータ計算部３６１へ送る（図１０の（１））。パラメータ計算部３６１はまくらばねの伸張量を基準値と比較する。基準値は、車体１１の形状、重量等、車両種別ごとに異なる値となるので予めシミュレーションなどを用いて計算しておく。

・左右の空気ばね１２３の圧力差
近年の鉄道車両では、空気ばね１２３がまくらばねの主流である。空気ばね１２３は圧縮空気により緩衝作用を得る。左右に配設された空気ばね１２３の圧力差が、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータの一つとなる。すなわち、側方から強風を受け車体１１が傾斜した場合、左右の空気ばね１２３の圧力差が大きくなる。この左右の空気ばね１２３の圧力差が所定の基準値以上となった場合を、所定の条件とすることができる。図９（ｂ）に、空気ばね１２３の圧力を検出する空気ばね圧力検出部６１２を備えた場合の構成について示す。空気ばね圧力検出部６１２は左右の空気ばね１２３の圧力をそれぞれ測定し、姿勢検知手段３６のパラメータ計算部３６１へ送る（図１０の（１））。パラメータ計算部３６１は左右の空気ばね１２３の圧力差を計算し、基準値と比較する。基準値は、台車１２の形式や空気ばねの種類によって異なる値となるので予めシミュレーションなどを用いて計算しておく。

・車体の左右側面の空気圧の差
車体１１の左右側面の空気圧の差が、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータの一つとなる。車体側面の空気圧は、車体１１の側面に設置した圧力計で測定することができる。例えば、空気圧センサ６２の圧力測定部６２１を車体１１の左右側面に設置することで、車体左右側面の動圧を測定することができる。これら車体１１の左右側面に設置した空気圧センサ６２から得られた圧力の差が所定の基準値以上となった場合を、所定の条件とすることができる。つまり、車体１１が側方から強風を受けた場合、風上側の圧力の方が風下側より大きくなる。車体１１の左右側面の圧力差はそのまま車体１１に働く横方向の抗力に相当し、この圧力差が基準値以上となると鉄道車両１は転覆するおそれがあると言える。図９（ｃ）に、車体１１の左右側面の空気圧を測定する空気圧センサ６２を備えた場合の構成について示す。空気圧センサ６２は左右の車体側面の空気圧をそれぞれ測定し、姿勢検知手段３６のパラメータ計算部３６１へ送る（図１０の（１））。パラメータ計算部３６１は車体の左右側面の空気圧の差を計算し、基準値と比較する。基準値は、車体１１の形状、重量等、車両種別ごとに異なる値となるので予めシミュレーションなどを用いて計算しておく。

・車輪１２１を通じてレール４に係る輪重
車輪１２１を通じてレール４に係る輪重が、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータの一つとなる。すなわち、側方から強風を受け車体１１が傾斜した場合、風上側の車輪１２１の輪重が小さくなる。この風上側輪重がある基準値以下となった場合を、所定の条件とすることができる。あるいは、風上側輪重÷風下側輪重がある基準値以下となった場合を、所定の条件とすることができる。図９（ｄ）に、左右の輪重を測定する輪重検出部６３を備えた場合の構成について示す。輪重センサ６３１は左右の輪重をそれぞれ測定し、輪重検出部６３へ信号を送る。輪重検出部６３は輪重の測定結果を姿勢検知手段３６のパラメータ計算部３６１へ送る（図１０の（１））。パラメータ計算部３６１は左右の輪重を基準値と比較する。

・車体に備えられた加速度センサ６４の測定値
車体１１に備えられた加速度センサ６４の測定値が、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータの一つとなる。すなわち、側方から強風を受け車体１１が傾斜した場合、車体１１に備えられた加速度センサ６４が振動加速度を測定する。測定された振動加速度が所定の基準値以上となった場合を、所定の条件とすることができる。図９（ｅ）に、車体１１の振動加速度を測定する加速度センサ６４を備えた場合の構成について示す。加速度センサ６４は車体１１の振動加速度を測定し、姿勢検知手段３６のパラメータ計算部３６１へ送る（図１０の（１））。パラメータ計算部３６１は振動加速度の測定値を基準値と比較する。基準値は、車体１１の形状、重量等、車両種別ごとに異なる値となるので予めシミュレーションなどを用いて計算しておく。

・その他のパラメータ
どの程度の風速で走行中の鉄道車両１が転覆するのかは、車両１が走行している場所の線路構造物の種別や形状、車両１の走行速度によって変わる。したがって、上述したパラメータの他、線路構造物形状と走行速度に基づいて、所定の基準値にある割合を乗じる等して、厳しめに設定し直したり、緩めに設定し直したりすることもできる。線路構造物形状は、鉄道車両１の走行位置に基づいて、線路キロ程ごとに線路構造物形状を記録した線路構造物記録部５１から読み出すことができる。図１０は、線路構造物形状と車両速度をパラメータ計算部３６１の入力情報とした場合の構成である。線路構造物形状は、線路構造物形状記録部５１に蓄積されている。鉄道車両１の現在位置は、ＡＴＳ地上子の信号により、得ることができる。図１０の（１）には、車体１１の姿勢に関するパラメータが入力される。

［変形例１］
鉄道車両１が停止したとしても、停止した位置が駅や停車場以外の場所であった場合、鉄道車両１が駅や停車場まで移動しなければ、乗客や乗務員を安全に救助することはできない。
ところで、強風時の運転規制には、線区によって異なるが、定められた抑止風速以上の強風時に列車の運転を完全に取りやめる「抑止」と、定められた徐行風速以上の強風ではあるが、風速が前記規制風速以下である場合、徐行での走行を許可する「徐行」と、の２段階がある。

姿勢検知手段３６が算出した姿勢に関するパラメータが所定の条件を満たす場合には、鉄道車両１が強風で転覆するおそれのある強風が吹いていると考えられるので、この場合運転規制は「抑止」（抑止風速以上）であり、列車は停止しなければならない。
一方、「徐行」の場合には、列車が所定の徐行速度以下での走行が許されるものの、風の強い気象条件の下であるので、走行中の鉄道車両１は強風により姿勢が不安定となるおそれがある。また、「徐行」規制中にも鉄道車両１を転覆させるような強風が生じる可能性は、弱風時より高い。
そこで、徐行規制中に、電磁石２をレール４上の所定の高さに固定し、レール４との間に吸引力を生じさせながら、鉄道車両１を走行させることで、突然の強風による鉄道車両１の転覆を予防することができる。

具体的に図１１のフローチャート使って説明する。
鉄道車両１が停止した場合（Ｓ９でｙｅｓ）、その時点での運転規制種別を判定する（Ｓ２１）。何も運転規制が発令されていない場合（規制解除）には、通常走行が可能であるので、電磁石２の励磁を終了し（Ｓ２２１）、電磁石２を収納し（Ｓ２３１）、通常走行に戻る（処理終了）。

運転規制が「抑止」の場合、鉄道車両１は走行できないので、そのまま待機（Ｓ２２３）し、運転規制が解除されるか、「徐行」に変わるのを待つ。

運転規制が「徐行」の場合、鉄道車両１ は所定の徐行速度以下であれば走行が許されるので、レール４に接触していた電磁石２（図１２（ａ））をレール４上の所定の高さまで移動させ、図１２（ｂ）のように固定する（Ｓ２２２）。所定の高さは、電磁石２を励磁したときにレール４と電磁石２との間に必要な吸引力が生じる程度の高さである。
電磁石２を所定の高さに固定した後、鉄道車両１は徐行速度以下で走行を再開する（Ｓ２３２）。次に姿勢検知手段３６が姿勢に関するパラメータを算出し（Ｓ２４２）、算出された前記パラメータを用いて制御手段３５は電磁石２の生じる磁力の調整要否を判断する（Ｓ２５２）。調整の必要がない場合には、運転規制が解除されたか否かを判断する（Ｓ２７２）。磁力調整が必要な場合には電磁石２に供給する電流を調整（Ｓ２６２）し、その後運転規制が解除されたか否かを判断する（Ｓ２７２）。運転規制が解除されていない場合には、再度姿勢検知手段３６によるパラメータ計算に戻る（Ｓ２４２）。運転規制が解除されていた場合には制御手段３５は励磁を終了し（Ｓ２２１）、操縦手段７に対し電磁石２を収納するよう指令を出し（Ｓ２３１）、処理が終了する。
図１１に示す処理の途中であっても、姿勢検知手段３６が計算した姿勢に関するパラメータが所定の条件を満たした場合（Ｓ２）には、電磁石２をレールへ移動させて（Ｓ３）、吸着させる（Ｓ４）処理に戻る。

ここでは、鉄道車両１が停止（図８のＳ９）した後からの処理を想定しているが、鉄道車両１が停止していなくても、図１１のフローチャートで説明した動作を適用することは可能である。つまり、風が強まって「徐行」の運転規制が発令された場合には、図１１のフローチャートのＳ２２２から制御すれば良い。

［変形例２］
複数の鉄道車両１が連結して構成された編成の場合、編成中のいずれか１両において、鉄道車両１の姿勢に関するパラメータが所定の条件を満たしていた場合（図８のＳ２）には、編成中の全ての鉄道車両１において電磁石２をレール４へ移動（図８のＳ３）させる構成にすることができる。
このようにすることで、編成中のいずれかの鉄道車両１にのみブレーキがかかり、それが原因で編成中の他の鉄道車両１の走行安定性が損なわれることを防止できる。

１ 車両
１１ 車体
１２ 台車
１２１ 車輪
１２２ 台車枠
１２３ 空気ばね
１２４ 車軸
１３ 連結器
１４ 排障器
２ 電磁石
２２ 連結金具
２３ 連結棒
２４ 駆動棒
２５ モータ
２６ アクチュエータ
３１ 架線
３２ パンタグラフ
３３ インバータ
３４ コンバータ
３５ 制御手段
３６ 姿勢検知手段
３６１ パラメータ計算部
３６２ 転覆方向判定手段
４ レール
５１ 線路構造物形状記録部
５２ 速度検出部
６１ まくらばね
６１１ まくらばね伸張量検出部
６１２ 空気ばね圧力検出部
６２ 空気圧センサ
６２１ 圧力測定部
６３ 輪重検出部
６３１ 輪重センサ
６４ 加速度センサ
７ 操縦手段

Claims (9)

1. 鉄道車両の転覆防止装置であって、
   左右のレールにそれぞれ対応し、通常走行時には車両限界内に保持されている複数の電磁石と、
   前記磁石を移動させる操縦手段と、
   前記操縦手段の動作を制御し、さらに前記電磁石の生じる磁力を制御する制御手段と、
   鉄道車両の姿勢に関するパラメータを算出する姿勢検知手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記姿勢検知手段が算出した前記パラメータが所定の条件を満たした場合には鉄道車両の転覆の危険性が増したと判断し、前記制御手段からの指令によって前記操縦手段が左右のレールへそれぞれ対応する前記電磁石をレールに接触するまで移動させ、前記電磁石を励磁することで前記電磁石をレールに吸着させることで鉄道車両を抑止せしめ、
   前記パラメータが所定の条件を満たしていない場合であっても、
   前記制御手段からの指令によって前記操縦手段がそれぞれ対応する前記電磁石を左右のレール上の所定の位置に固定し、前記制御手段は前記姿勢検知手段の算出するパラメータに応じて前記電磁石に供給する電力を制御することで前記電磁石の発生する磁力を制御してレールに対する吸引力を調整することで鉄道車両を徐行せしめること、
   を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置。
2. 請求項１記載の鉄道車両の転覆防止装置であって、
   右レール側と左レール側のどちらに転覆する可能性が高いのかを判定する転覆方向判定手段をさらに備え、
   前記制御手段からの指令によって前記操縦手段が前記転覆方向判定手段の判定した方向と反対側のレールへ対応する前記電磁石を移動させ、前記制御手段は前記電磁石を励磁することで前記電磁石をレールに吸着させること、
   を特徴とする鉄道車両の転覆防止装置。
3. 車両のまくらばねの伸縮量を前記姿勢検知手段への入力情報としており、
   前記所定の条件には、前記まくらばねの伸張量が所定の値以上となった場合を含むこと、
   を特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
4. 台車の左右の空気ばねの圧力差を前記姿勢検知手段への入力情報としており、
   前記所定の条件には、前記空気ばねの圧力差が所定の値以上となった場合を含むこと、
   を特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
5. 車体の左右側面に備えられた空気圧センサの出力値を前記姿勢検知手段への入力情報としており、
   前記所定の条件には、左右の前記空気圧センサの出力値の差が所定の値以上となった場合を含むこと、
   を特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
6. 車輪に備えられた輪重センサが測定した輪重を前記姿勢検知手段への入力情報としており、
   前記所定の条件には、前記輪重が所定の値以下となった場合を含むこと、
   を特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
7. 車体に備えられた加速度センサが測定した車体の左右振動加速度およびロール加速度を前記姿勢検知手段への入力情報としており、
   前記所定の条件には、前記左右振動加速度が所定の値以上となった場合を含むこと、
   を特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
8. 前記電磁石は、鉄道車両の車体に取り付けられていること、
   を特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。
9. 前記電磁石は、鉄道車両の台車に取り付けられていること、
   を特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の鉄道車両の転覆防止装置。

Images