JP5662880B2 - 鉄道車両用制振装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両用制振装置の改良に関する。
従来、この種の鉄道車両用制振装置にあっては、たとえば、鉄道車両に車体の進行方向に対して左右方向の振動を抑制すべく、車体と台車との間に介装されて使用されるものが知られている。
より詳しくは、この鉄道車両用制振装置は、鉄道車両の台車と車体の一方に連結されるシリンダと、当該シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、シリンダ内に挿入されてピストンと台車と車体の他方に連結されるロッドと、シリンダ内にピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、ロッド側室とピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、ピストン側室とタンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、ロッド側室へ作動油を供給するポンプと、ロッド側室を上記タンクへ接続する排出通路と、当該排出通路の途中に設けられ開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁とを備えており、上記したポンプ、第一開閉弁、第二開閉弁および可変リリーフ弁を駆動することで、伸縮双方へ推力を発揮することができ、この推力で車体の振動を抑制するようになっている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０１０−６５７９７号公報
ところで、鉄道車両用制振装置は、ポンプを所定の回転速度（単位時間当たりの回転数）で回転駆動し、車体の振動状況に応じて第一開閉弁、第二開閉弁をおよび可変リリーフ弁を適宜駆動し、油圧を利用して車体の振動を抑制する推力を得て鉄道車両の振動を抑制するようになっている。
そして、所定の回転速度で回転駆動されるポンプが送りだす作動油は、タンクから吸い上げられてアクチュエータを駆動するための油圧回路を通過して最終的にはタンクへ戻されることになるが、油圧回路の管路抵抗等で圧力損失が生じるため、シリンダ内の圧力はタンク圧に等しくすることはできない。
また、アクチュエータに要求される推力と推力発生応答性から最低限必要となる作動油量を確保しなければならない都合上、ポンプの回転速度は、この作動油量を確保可能な回転速度に設定される。
このように、ポンプの回転速度の下限が決まっており、上記圧力損失を完全になくすることはできないため、アクチュエータの発生可能な推力には下限があり、この下限よりも小さな推力をアクチュエータに発生させることはできない。
したがって、アクチュエータの推力をフィードバック制御しようとする場合、推力指令値が上記した推力の下限よりも小さな推力を発生させる値となる場合、アクチュエータの推力は推力指令値に比して過剰となり、推力指令値と実際の推力との偏差が大きくなるため、アクチュエータの推力が振動的となるハンチングが生じて、車体における乗り心地を悪化させてしまう可能性がある。
また、上記の如く、ハンチングが生じると、第一開閉弁および第二開閉弁の切換動作が頻繁するので、これらの寿命が短かくなって、鉄道車両用制振装置の経済性が損なわれるといった問題も生じることになる。
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、車体における乗り心地を悪化させることがなく、経済性に優れる鉄道車両用制振装置を提供することである。
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の台車と車体の一方に連結されるシリンダと、当該シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、上記シリンダ内に挿入されて上記ピストンと上記台車と車体の他方に連結されるロッドと、上記シリンダ内に上記ピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、上記ロッド側室と上記ピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、上記ピストン側室と上記タンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、予め決められた通常回転速度にて回転駆動されて上記タンクから上記ロッド側室へ液体を供給するポンプとを有するアクチュエータを備え、当該アクチュエータに出力させるべき推力を推力指令値として求め、当該アクチュエータを制御して車体の振動を抑制する鉄道車両用制振装置において、推力指令値が上記ポンプを通常回転速度で回転させる際に上記アクチュエータが発生可能な推力の下限値である通常下限値を下回ると、当該ポンプの回転速度を低下させることを特徴とする。
本発明の鉄道車両用制振装置にあっては、アクチュエータの推力をフィードバック制御する場合、推力指令値が通常下限値を下回っても、推力指令値と実際に出力される推力との偏差が大きくならないので、アクチュエータの推力が矩形的で振動的となるハンチングが生じず、鉄道車両の車体を加振して振動状況を悪化させてしまうこともない。さらに、上記の如く、ハンチングが生じることがないので、第一開閉弁および第二開閉弁の切換動作が頻繁することもなく、これらの寿命を短くして経済性が損なわれるといった問題も生じない。以上から、本発明の鉄道車両用制振装置によれば、車体における乗り心地を悪化させることがなく、経済性に優れる。
一実施の形態における鉄道車両用制振装置を搭載した鉄道車両の平面図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるアクチュエータの詳細図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるコントローラの制御ブロック図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるコントローラの指令演算部の制御ブロック図である。
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂの制振装置として使用され、図１に示すように、前側の台車Ｔｆと車体Ｂとの間に対として介装される前側のアクチュエータＡｆと、後側の台車Ｔｒと車体Ｂとの間に介装される後側のアクチュエータＡｒと、これら両方のアクチュエータＡｆ，Ａｒをアクティブ制御するコントローラＣとを備えて構成されている。アクチュエータＡｆ，Ａｒは、詳細には、鉄道車両の場合、車体Ｂの下方に垂下されるピンＰに連結され、車体Ｂと前後の台車Ｔｆ，Ｔｒとの間で対を成して並列に介装されている。
そして、これら前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒは、基本的には、アクティブ制御で車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の振動を抑制するようになっており、この場合、コントローラＣは、前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒを制御して上記車体Ｂの横方向の振動を抑制するようになっている。
コントローラＣは、本実施の形態にあっては、車体Ｂの振動を抑制する制御を行う際に、車体Ｂの車体の前部Ｂｆの車両進行方向に対して水平横方向の横方向加速度αｆと、車体Ｂの車体の後部Ｂｒの車両進行方向に対して水平横方向の横方向加速度αｒとを検知し、これらの横方向加速度αｆと横方向加速度αｒに基づいて前後の台車Ｔｆ，Ｔｒの直上における車体中心Ｇ周りの角加速度であるヨー加速度ωを求めるとともに、横方向加速度αｆと横方向加速度αｒに基づいて車体Ｂの中心Ｇの水平横方向の加速度であるスエー加速度βを求め、ヨー加速度ωとスエー加速度βに基づいて、前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒで個々に発生すべき推力である推力指令値Ｆｆ，Ｆｒを求め、当該推力指令値Ｆｆ，Ｆｒ通りの推力を前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒに発生させるべくフィードバック制御することで車体Ｂの上記横方向の振動を抑制するようになっている。
つづいて、前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒの具体的な構成について説明する。これらアクチュエータＡｆ，Ａｒは、同じ構成であるので、説明の重複を避けるため、便宜上、前側のアクチュエータＡｆの構成のみを説明し、後側のアクチュエータＡｒについての具体的な説明を省略することとする。なお、図示したところでは、アクチュエータＡｆもアクチュエータＡｒも二つずつ設けられているが、各アクチュエータＡｆ，Ａｒの一つに対して一つのコントローラＣを設けることも可能である。
アクチュエータＡｆは、図２に示すように、鉄道車両の台車Ｔｆと車体Ｂの一方に連結されるシリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３と、シリンダ２内に挿入されてピストン３と台車Ｔｆと車体Ｂの他方に連結されるロッド４と、シリンダ２内にピストン３で区画したロッド側室５とピストン側室６と、タンク７と、ロッド側室５とピストン側室６とを連通する第一通路８の途中に設けた第一開閉弁９と、ピストン側室６とタンク７とを連通する第二通路１０の途中に設けた第二開閉弁１１と、ロッド側室５へ液体を供給するポンプ１２とを備えており、片ロッド型のアクチュエータとして構成されている。また、上記ロッド側室５とピストン側室６には液体が充填されるとともに、タンク７には、液体のほかに気体が充填されている。なお、タンク７内は、特に、気体を圧縮して充填することによって加圧状態とする必要は無い。
そして、基本的には、第一開閉弁９で第一通路８を連通状態とするとともに第二開閉弁１１を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、このアクチュエータＡｆを伸長作動させることができ、第二開閉弁１１で第二通路１０を連通状態とするとともに第一開閉弁９を閉じた状態でポンプ１２を駆動することで、アクチュエータＡｆを収縮作動させることができるようになっている。
以下、アクチュエータＡｆの各部について詳細に説明する。シリンダ２は筒状であって、その図２中右端は蓋１３によって閉塞され、図２中左端には環状のロッドガイド１４が取り付けられている。また、上記ロッドガイド１４内には、シリンダ２内に移動自在に挿入されるロッド４が摺動自在に挿入されている。このロッド４は、一端をシリンダ２外へ突出させており、シリンダ２内の他端を同じくシリンダ２内に摺動自在に挿入されているピストン３に連結してある。
なお、ロッド４の外周とシリンダ２との間は図示を省略したシール部材によってシールされており、これによりシリンダ２内は密閉状体に維持されている。そして、シリンダ２内にピストン３によって区画されるロッド側室５とピストン側室６には、上述のように液体が充填されている。シリンダ２内に充填される液体は、作動油の他、アクチュエータに適する液体を使用することができる。
また、このアクチュエータＡｆの場合、ロッド４の断面積をピストン３の断面積の二分の一にして、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積がピストン側室６側の受圧面積の二分の一となるようになっており、伸長作動時と収縮作動時とでロッド側室５の圧力を同じくすると、伸縮の双方で発生される推力が等しくなるようになっており、アクチュエータＡｆの変位量に対する液体量も伸縮両側で同じとなる。
詳しくは、アクチュエータＡｆを伸長作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６を連通させた状態となってロッド側室５内とピストン側室６内の圧力が等しくなって、ピストン３におけるロッド側室５側とピストン側室６側の受圧面積差に上記圧力を乗じた推力を発生し、反対に、アクチュエータＡｆを収縮作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６との連通が断たれてピストン側室６をタンク７に連通させた状態となるので、ロッド側室５内の圧力とピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積を乗じた推力を発生することになり、アクチュエータＡｆの発生推力は伸縮の双方でピストン３の断面積の二分の一にロッド側室５の圧力を乗じた値となるのである。したがって、このアクチュエータＡｆの推力を制御する場合、伸長作動、収縮作動共に、ロッド側室５の圧力を制御すればよいが、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しているので、伸縮両側で同じ推力を発生する場合に伸長側と収縮側でロッド側室５の圧力が同じとなるので制御が簡素となり、加えて変位量に対する液体量も同じとなるので伸縮両側で応答性が同じとなる利点がある。なお、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しない場合にあっても、ロッド側室５の圧力でアクチュエータＡｆの伸縮両側の推力の制御をすることができる点は変わらない。
戻って、ロッド４の図２中左端とシリンダ２の右端を閉塞する蓋１３には、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータＡｆを鉄道車両における車体Ｂと台車Ｔｆとの間に介装することができるようになっている。
そして、ロッド側室５とピストン側室６とは、第一通路８によって連通されており、この第一通路８の途中には、第一開閉弁９が設けられている。この第一通路８は、シリンダ２外でロッド側室５とピストン側室６とを連通しているが、ピストン３に設けられてもよい。
第一開閉弁９は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第一通路８を開放してロッド側室５とピストン側室６とを連通する連通ポジション９ｂと、ロッド側室５とピストン側室６との連通を遮断する遮断ポジション９ｃとを備えたバルブ９ａと、遮断ポジション９ｃを採るようにバルブ９ａを附勢するバネ９ｄと、通電時にバルブ９ａをバネ９ｄに対向して連通ポジション９ｂに切換えるソレノイド９ｅとを備えて構成されている。
つづいて、ピストン側室６とタンク７とは、第二通路１０によって連通されており、この第二通路１０の途中には、第二開閉弁１１が設けられている。第二開閉弁１１は、この実施の形態の場合、電磁開閉弁とされており、第二通路１０を開放してピストン側室６とタンク７とを連通する連通ポジション１１ｂと、ピストン側室６とタンク７との連通を遮断する遮断ポジション１１ｃとを備えたバルブ１１ａと、遮断ポジション１１ｃを採るようにバルブ１１ａを附勢するバネ１１ｄと、通電時にバルブ１１ａをバネ１１ｄに対向して連通ポジション１１ｂに切換えるソレノイド１１ｅとを備えて構成されている。
ポンプ１２は、モータ１５によって駆動されるようになっており、ポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するポンプとされており、その吐出口は供給通路１６によってロッド側室５へ連通され、吸込口はタンク７に通じて、モータ１５によって駆動されると、タンク７から液体を吸込んでロッド側室５へ液体を供給する。
上述のようにポンプ１２は、一方向のみに液体を吐出するのみで回転方向の切換動作がないので、回転切換時に吐出量が変化するといった問題は皆無であり、安価なギアポンプ等を使用することができる。さらに、ポンプ１２の回転方向が常に同一方向であるので、ポンプ１２を駆動する駆動源であるモータ１５にあっても回転切換に対する高い応答性が要求されず、その分、モータ１５も安価なものを使用することができる。なお、供給通路１６の途中には、ロッド側室５からポンプ１２への液体の逆流を阻止する逆止弁１７を設けてある。
このアクチュエータＡｆにあっては、ポンプ１２から所定の吐出流量をロッド側室５へ供給するようにして、伸長作動させる際には、第一開閉弁９を開きつつ第二開閉弁１１を開閉させることによってロッド側室５内の圧力を調節し、逆に収縮作動させる際には第二開閉弁１１を開きつつ第一開閉弁９を開閉させることによってロッド側室５内の圧力を調節することで、上記した推力指令値Ｆｆが指示する通りの推力を得ることが可能である。伸長作動時には、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれ、ピストン側室６内の圧力はロッド側室５の圧力と同じとなるため、このアクチュエータＡｆにあっては、伸長作動時も収縮作動時もロッド側室５の圧力をコントロールすることで推力をコントロールすることができる。なお、第一開閉弁９および第二開閉弁１１は、開弁圧を調節可能であって開閉機能を備えた可変リリーフ弁とされてもよい。この場合には、第一開閉弁９或いは第二開閉弁１１を伸縮作動時に開閉作動させるのではなく、開弁圧を調節することでアクチュエータＡｆの推力を調節することも可能である。
上記のように、アクチュエータＡｆの推力調節が可能ではあるが、より簡単に推力調節が可能なように、本実施の形態の鉄道車両用制振装置１にあっては、ロッド側室５とタンク７とを接続する排出通路２１と、この排出通路２１の途中に設けた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁２２とを設けている。
可変リリーフ弁２２は、この実施の形態では、比例電磁リリーフ弁とされており、排出通路２１の途中に設けた弁体２２ａと、排出通路２１を遮断するように弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂと、通電時にバネ２２ｂに対向する推力を発生する比例ソレノイド２２ｃとを備えて構成され、比例ソレノイド２２ｃに流れる電流量を調節することで開弁圧を調節することができるようになっている。
この可変リリーフ弁２２は、弁体２２ａに作用させる排出通路２１の上流となるロッド側室５の圧力がリリーフ圧（開弁圧）を超えると、当該排出通路２１を開放させる方向に弁体２２ａを推す上記圧力に起因する推力と比例ソレノイド２２ｃによる推力との合力が、排出通路２１を遮断させる方向へ弁体２２ａを附勢するバネ２２ｂの附勢力に打ち勝つようになって、弁体２２ａを後退させて排出通路２１を開放するようになっている。
また、この可変リリーフ弁２２にあっては、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を増大させると、比例ソレノイド２２ｃが発生する推力を増大させることができるようになっており、比例ソレノイド２２ｃに供給する電流量を最大とすると開弁圧が最小となり、反対に、比例ソレノイド２２ｃに全く電流を供給しないと開弁圧が最大となる。
したがって、排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けることで、アクチュエータＡｆを伸縮作動させる際に、ロッド側室５内の圧力は可変リリーフ弁２２の開弁圧に調節され、ロッド側室５の圧力は可変リリーフ弁２２の開弁圧を調節することで容易に調節することができる。このように排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けることで、アクチュエータＡｆの推力を調節するために必要なセンサ類が不要となり、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の高速で開閉させたり、第一開閉弁９および第二開閉弁１１を開閉機能付きの可変リリーフ弁としたりする必要もなくなるので、鉄道車両用制振装置１が安価となり、ハードウェア的にもソフトウェア的にも堅牢なシステムを構築することができる。
なお、可変リリーフ弁２２は、与える電流量で開弁圧を比例的に変化させることができる比例電磁リリーフ弁を用いることで開弁圧の制御が簡単となるが、開弁圧を調節できるリリーフ弁であれば比例電磁リリーフ弁に限定されるものではない。
そして、可変リリーフ弁２２は、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の開閉状態に関わらず、アクチュエータＡｆに伸縮方向の過大な入力があって、ロッド側室５の圧力が開弁圧を超える状態となると、排出通路２１を開放してロッド側室５をタンク７へ連通し、ロッド側室５内の圧力をタンク７へ逃がして、アクチュエータＡｆのシステム全体を保護するようになっている。このように、排出通路２１と可変リリーフ弁２２を設けることでシステムの保護も可能となる。
さらに、この実施の形態のアクチュエータＡｆは、ダンパ回路Ｄを備えており、このダンパ回路Ｄは、第一開閉弁９および第二開閉弁１１が閉弁している場合に、アクチュエータＡｆをダンパとして機能させる。ダンパ回路Ｄは、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路１８と、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路１９を備えている。また、この実施の形態の場合には、アクチュエータＡｆが、排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを備えているので、可変リリーフ弁２２が減衰弁として機能するようになっている。
より詳細には、整流通路１８は、ピストン側室６とロッド側室５とを連通しており、途中に逆止弁１８ａが設けられ、この整流通路１８は、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。さらに、吸込通路１９は、タンク７とピストン側室６とを連通しており、途中に逆止弁１９ａが設けられ、この吸込通路１９は、タンク７からピストン側室６へ向かう液体の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。なお、整流通路１８は、第一開閉弁９の遮断ポジション９ｃを逆止弁とすることで第一通路８に集約することができ、吸込通路１９についても、第二開閉弁１１の遮断ポジション１１ｃを逆止弁とすることで第二通路１０に集約することができる。
このように構成されたダンパ回路Ｄは、アクチュエータＡｆにおける第一開閉弁９と第二開閉弁１１がともに遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採ると、整流通路１８および吸込通路１９と排出通路２１で、ロッド側室５、ピストン側室６およびタンク７が数珠繋ぎに連通させる。そして、整流通路１８、吸込通路１９および排出通路２１は、一方通行の通路に設定されているので、アクチュエータＡｆが外力によって伸縮させられると、必ずシリンダ２から液体が排出されて排出通路２１を介してタンク７へ戻され、シリンダ２で足りなくなる液体は吸込通路１９を介してタンク７からシリンダ２内へ供給される。この液体の流れに対して上記可変リリーフ弁２２が抵抗となってシリンダ２内の圧力を開弁圧に調節する圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡｆは、パッシブなユニフロー型のダンパとして機能することになる。なお、可変リリーフ弁２２と排出通路２１とを設けない場合には、別途、ロッド側室５とタンク７とを接続する通路と、この通路の途中に減衰弁とを設けてダンパ回路Ｄを構成するようにしてもよい。また、アクチュエータＡｆの各機器への通電が不能となるようなフェール時には、第一開閉弁９と第二開閉弁１１のバルブ９ａ，１１ａがバネ９ｄ，１１ｄに押圧されて、それぞれ遮断ポジション９ｃ，１１ｃを採り、可変リリーフ弁２２は、開弁圧が最大に固定された圧力制御弁として機能するので、アクチュエータＡｆは、自動的に、パッシブダンパとして機能することができる。
つづいて、上記のように構成されたアクチュエータＡｆ，Ａｒに所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、たとえば、コントローラＣは、モータ１５を回転させポンプ１２からシリンダ２内へ液体を供給しつつ、各アクチュエータＡｆ，Ａｒの第一開閉弁９を連通ポジション９ｂとし第二開閉弁１１を遮断ポジション１１ｃとする。このようにすることで、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれて両者にポンプ１２から液体が供給され、ピストン３が図２中左方へ押されアクチュエータＡｆ，Ａｒは伸長方向の推力を発揮する。ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力が可変リリーフ弁２２の開弁圧を上回ると、可変リリーフ弁２２が開弁して液体が排出通路２１を介してタンク７へ逃げるので、ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力は、可変リリーフ弁２２に与える電流量で決まる可変リリーフ弁２２の開弁圧にコントロールされる。そして、アクチュエータＡｆ，Ａｒは、ピストン３におけるピストン側室６側とロッド側室５側の受圧面積差に上記した可変リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力を乗じた値の伸長方向の推力を発揮する。
これに対して、アクチュエータＡｆ，Ａｒに所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、コントローラＣは、モータ１５を回転させてポンプ１２からロッド側室５内へ液体を供給しつつ、各アクチュエータＡｆ，Ａｒの第一開閉弁９を遮断ポジション９ｃとし第二開閉弁１１を連通ポジション１１ｂとする。このようにすることで、ピストン側室６とタンク７が連通状態におかれるとともにロッド側室５にポンプ１２から液体が供給されるので、ピストン３が図２中右方へ押されアクチュエータＡｆ，Ａｒは収縮の推力を発揮する。上記したところと同様に、可変リリーフ弁２２の電流量を調節することで、アクチュエータＡｆは、ピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積と可変リリーフ弁２２にコントロールされるロッド側室５内の圧力を乗じた収縮方向の推力を発揮する。
また、このアクチュエータＡｆ，Ａｒにあっては、アクチュエータとして機能するのみならず、モータ１５の駆動状況に関わらず、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の開閉のみでダンパとしても機能させることができるので、面倒かつ急峻な弁の切換動作を伴うことが無いので、応答性および信頼性が高いシステムを提供することができる。
なお、このアクチュエータＡｆ，Ａｒにあっては、片ロッド型に設定されているので、両ロッド型のアクチュエータに比較してストローク長を確保しやすく、アクチュエータの全長が短くなって、鉄道車両への搭載性が向上する。
また、このアクチュエータＡｆ，Ａｒにおけるポンプ１２からの液体供給および伸縮作動による液体の流れは、ロッド側室５、ピストン側室６を順に通過して最終的にタンク７へ還流するようになっており、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、アクチュエータＡｆ，Ａｒの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、推進力発生の応答性の悪化を阻止できる。
したがって、アクチュエータＡｆ，Ａｒの製造にあたって、面倒な油中での組立や真空環境下での組立を強いられることが無く、液体の高度な脱気も不要となるので、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。
さらに、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、気体は、アクチュエータＡｆ，Ａｒの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、性能回復のためのメンテナンスを頻繁に行う必要もなくなり、保守面における労力とコスト負担を軽減することができる。
つづいて、コントローラＣは、図１から図３に示すように、車体前側としての車体前部Ｂｆの車両進行方向に対して水平横方向の前側の横方向加速度αｆを検出する前側加速度センサ４０と、車体後側としての車体後部Ｂｒの車両進行方向に対して水平横方向の後側の横方向加速度αｒを検出する後側加速度センサ４１と、横方向加速度αｆと横方向加速度αｒに含まれる曲線走行時の定常加速度、ドリフト成分やノイズを除去するバンドパスフィルタ４２，４３と、バンドパスフィルタ４２，４３で濾過した横方向加速度αｆと横方向加速度αｒを処理して、各アクチュエータＡｆ，Ａｒのモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ制御指令を出力する制御部４４とを備えて構成されていて、各アクチュエータＡｆ，Ａｒの推力を制御するようになっている。なお、バンドパスフィルタ４２，４３で横方向加速度αｆと横方向加速度αｒに含まれる曲線走行時の定常加速度が除去されるので、乗り心地を悪化させる振動のみを抑制することができる。
制御部４４は、前側加速度センサ４０で検知した前側の横方向加速度αｆと後側加速度センサ４１で検知した後側の横方向加速度αｒに基づいて前後の台車Ｔｆ，Ｔｒの直上における車体中心Ｇ周りのヨー加速度ωを求めるヨー加速度演算部４４ａと、横方向加速度αｆと横方向加速度αｒに基づいて車体Ｂの中心Ｇのスエー加速度βを求めるスエー加速度演算部４４ｂと、ヨー加速度ωとスエー加速度βとに基づいて前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒで個々に発生すべき推力である推力指令値Ｆｆ，Ｆｒを求める指令演算部４４ｃと、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒに基づいてモータ１５、第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃを駆動する駆動部４４ｄとを備えて構成されている。
なお、コントローラＣは、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、前側加速度センサ４０と後側加速度センサ４１が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、バンドパスフィルタ４２，４３と、バンドパスフィルタ４２，４３で濾過した横方向加速度αｆと横方向加速度αｒを取り込んでアクチュエータＡｆ，Ａｒを制御するのに必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、上記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置と、上記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備えて構成されればよく、コントローラＣの制御部４４における各部は、ＣＰＵが上記処理を行うためのプログラムを実行することで実現することができる。また、バンドパスフィルタ４２，４３は、上記ＣＰＵがプログラムを実行することで実現されてもよい。
つづいて、横方向加速度αｆ，αｒは、たとえば、図１中車体Ｂの中央を左右に通る軸を基準として上方側へ向く方向となる場合に、正の符号を採り、反対に、図１中車体Ｂの中央を左右に通る軸を基準として下方側へ向く方向となる場合に、負の符号を採るように設定され、ヨー加速度演算部４４ａは、前側の横方向加速度αｆと後側の横方向加速度αｒの差を２で割ることで前側の台車Ｔｆと後側の台車Ｔｒのそれぞれの直上における車体中心Ｇ周りのヨー加速度ωを求め、スエー加速度演算部４４ｂは、横方向加速度αｆと横方向加速度αｒの和を２で割って車体Ｂの中心Ｇのスエー加速度βを求める。前側加速度センサ４０と後側加速度センサ４１の設置箇所は、ヨー加速度ωを求める都合上、前側加速度センサ４０にあっては車体Ｂの中心Ｇを含む前後方向または対角方向に沿う線上であって前側アクチュエータＡｆの近傍に配置されるとよく、後側加速度センサ４１にあっても車体Ｂの中心Ｇを含む前後方向または対角方向に沿う線上であって後側アクチュエータＡｒの近傍に配置されるとよいが、中心Ｇと前側加速度センサ４０と後側加速度センサ４１の距離と位置関係と横方向加速度αｆ，αｒとからヨー加速度ωを求めることができるので前側加速度センサ４０と後側加速度センサ４１を任意に設定することも可能である。その場合、ヨー加速度ωは、横方向加速度αｆと横方向加速度αｒの差を２で割って求めるのではなく、上記横方向加速度αｆと横方向速度αｒの差と、車体Ｂの中心Ｇと各加速度センサ４０，４１との距離、位置関係からヨー加速度ωを得るようにすればよい。具体的には、前側加速度センサ４０と車体Ｂの中心Ｇとの前後方向距離Ｌｆと、前側加速度センサ４１と車体Ｂの中心Ｇとの前後方向距離Ｌｒとすると、ヨー加速度ωは、ω＝（αｆ−αｒ）／（Ｌｆ＋Ｌｒ）で計算できる。本実施の形態では、ヨー加速度ωを前側加速度センサ４０と前側加速度センサ４１で加速度を検知して求めているが、ヨー加速度センサを用いて検知するようにしてもよい。
次に、指令演算部４４ｃは、この実施の形態では、図４に示すように、Ｈ∞制御器４４ｃ１，４４ｃ２を含んで構成されており、ヨー加速度演算部４４ａが演算したヨー加速度ωから車体Ｂのヨーを抑制する推力Ｆωを演算するＨ∞制御器４４ｃ１と、スエー加速度演算部４４ｂが演算したスエー加速度βから車体Ｂのスエーを抑制する推力Ｆβを演算するＨ∞制御器４４ｃ２と、推力Ｆωと推力Ｆβとを加算して前側のアクチュエータＡｆが出力すべき推力を指示する推力指令値Ｆｆを求める加算器４４ｃ３と、推力Ｆβから推力Ｆωを減算して後側のアクチュエータＡｒが出力すべき推力を指示する推力指令値Ｆｒを求める減算器４４ｃ４とを備えて構成されている。
上記した指令演算部４４ｃでは、Ｈ∞制御を行うようになっているので、車体Ｂに入力される振動の周波数によらず高い制振効果を得ることができ、高いロバスト性を得ることができる。なお、このことは、Ｈ∞制御以外の制御を用いることを否定するものではない。したがって、たとえば、横方向加速度αｆ，αｒから横方向速度を得て、横方向速度にスカイフック減衰係数を乗じて推力指令値を求めるスカイフック制御を用いて前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒを制御することもできる。また、制御にあたって、ヨー加速度ωとスエー加速度βから、前側のアクチュエータＡｆと後側のアクチュエータＡｒとを関連させてその推力を制御するようにしているが、前側のアクチュエータＡｆと後側のアクチュエータＡｒの制御を独立させて制御することも可能である。
そして、駆動部４４ｄでは、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒ通りに各アクチュエータＡｆ，Ａｒに推力を発揮させるべく、これらアクチュエータＡｆ，Ａｒへ制御指令を与える。具体的には、駆動部４４ｄは、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒから、モータ１５、各アクチュエータＡｆ，Ａｒの第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅおよび可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与えるべき制御指令を求めて当該制御指令を出力することになる。また、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒから制御指令を求める際、現在アクチュエータＡｆ，Ａｒが出力している推力をフィードバックして制御指令を求めてもよい。
より詳細には、駆動部４４ｄは、上記のように、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒから各アクチュエータＡｆ，Ａｒの第一開閉弁９のソレノイド９ｅ、第二開閉弁１１のソレノイド１１ｅ、可変リリーフ弁２２の比例ソレノイド２２ｃへ与えるべき制御指令を求めて当該制御指令を出力する。これに加えて、駆動部４４ｄは、上記の推力指令値Ｆｆが予め設定される通常下限値以上である場合にはアクチュエータＡｆのポンプ１２を通常回転速度にて回転させるようにモータ１５を駆動し、上記の推力指令値Ｆｆが上記した通常下限値を下回る場合にはアクチュエータＡｆのポンプ１２を通常回転速度より低い回転速度に設定される低推力時回転速度にて回転させるようにモータ１５を駆動する。なお、駆動部４４ｄは、この実施の形態の場合、前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒの駆動を司るため、後側のアクチュエータＡｒに対する推力指令値Ｆｒについても同様の判断を行いアクチュエータＡｒのポンプ１２の回転速度を通高回転速度若しくは低推力時回転速度にて回転させるようにする。通常回転速度は、アクチュエータＡｆ，Ａｒに要求される最大推力を発揮する上で必要となる圧力と、駆動部４４ｄの第一開閉弁９、第二開閉弁１１および可変リリーフ弁２２の駆動に対して推力を発揮するために要求される応答速度の双方を満足させるように決定される。
具体的には、駆動部４４ｄは、前側のアクチュエータＡｆに対する推力指令値Ｆｆと後側のアクチュエータＡｒに対する推力指令値Ｆｒについて、それぞれ、上記した通常下限値と比較し、前後のアクチュエータＡｆ，Ａｒのポンプ１２を通常回転速度で駆動するか低推力時回転速度にて回転させるかを決定して、ポンプ１２を回転駆動させる。通常下限値は、ポンプ１２を通常回転速度で回転駆動し、可変リリーフ弁２２の開弁圧を最小にした際に、液体がポンプ１２から吐出されてアクチュエータＡｆ，Ａｒの上記に説明した油圧回路を通過してタンク７へ移動する際に生じる圧力損失（基礎圧力損失）によって、アクチュエータＡｆ，Ａｒが出力する推力の最小値に設定してある。つまり、通常下限値は、ポンプ１２を通常回転速度で回転させる際にアクチュエータＡｆ，Ａｒが発生可能な推力の下限値である。なお、アクチュエータＡｆ，Ａｒが発生可能な下限値がそれぞれ異なる場合、前側のアクチュエータＡｆにおける通常下限値と、後側のアクチュエータＡｒにおける通常下限値を異なる値に設定することも可能である。
駆動部４４ｄの上記判断において、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回る場合に、駆動部４４ｄは、ポンプ１２の回転速度を低推力時回転速度へ切換えるようにモータ１５を制御してもよいが、推力指令値が通常下限値を跨いで振動的に変化するような場合には、ポンプ１２の回転速度も頻繁に増減することになる。そこで、本実施の形態における駆動部４４ｄは、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回り、かつ、その状態が所定時間Ｔｄの間継続する場合に、ポンプ１２の回転速度を低推力時回転速度へ低下させ、また、ポンプ１２の回転速度を低推力時回転速度へ低下した場合には、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値以上となり、かつ、その状態が所定時間Ｔｕの間、継続すると、ポンプ１２の回転速度を通常回転速度へ復帰させるようにしている。
なお、所定時間Ｔｄ以上に亘って推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回ったか否かの判断は、制御部４４の制御周期を利用することができる。つまり、たとえば、所定時間ＴｄがＮ秒に設定され、制御部４４が推力指令値Ｆｆ，Ｆｒをｍ秒（ただし、Ｎ＞ｍ）ごとに演算する場合、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を連続して下回った回数が連続して（Ｎ÷ｍ）回以上となると、所定時間Ｔｄ以上に亘って推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回る条件が満たされることになるから、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を連続して下回った回数をカウントして条件が成就したかを判断することができる。このように、制御回数を利用して、所定時間Ｔｄ以上に亘って推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回ったか否かを判断することができる。また、所定時間Ｔｕ以上に亘って推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値以上となったか否かの判断もこれに倣って行うことができる。さらに、これに代えて、実際に所定時間Ｔｄ，Ｔｕを計測して上記判断を行うことも可能である。これら所定時間Ｔｄ，Ｔｕは、具体的には、鉄道車両の車体Ｂの振動の抑制に支障がなく、モータ１５の回転速度の切換に対する応答時間に応じて設定される。通常下限値よりも低い推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが出力されるのは、車体Ｂの振動が非常に小さいか揺れていない状態であって、制振対象である鉄道車両にもよるが車体Ｂの振動周波数も０．５Ｈｚ程度であり、モータ１５の上記応答時間にもよるが、たとえば、所定時間Ｔｄ，Ｔｕを半周期に相当する１秒程度に設定しておけばよい。所定時間Ｔｄ，Ｔｕは、それぞれ異なる値に設定されてもよく、ポンプ１２の回転速度を低推力時回転速度から通常回転速度へ復帰させる場面では、車体Ｂに大きな振動が作用する場合もあり得るから、アクチュエータＡｆ，Ａｒに応答性よく大きな推力を発揮させなくてはならないので、回転速度の低下の際に使用される所定時間Ｔｄよりも回転速度を通常回転速度へ復帰させる際に使用される所定時間Ｔｕを短時間に設定するようにしてもよい。
また、この実施の形態の場合、ポンプ１２の回転速度を通常回転速度から低推力時回転速度へ低下させる場合、低推力時回転速度から通常回転速度へ復帰させる場合の双方にて、回転速度を時間の経過とともに変化させて回転速度の急変を避けるようにしている。つまり、ポンプ１２の回転速度は、ランプ的に変化するようになっている。
さて、このように構成されることで本実施の形態の鉄道車両用制振装置１によれば、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値以上の場合には、ポンプ１２が通常回転速度にて回転させられて、アクチュエータＡｆ，Ａｒに応答性よく振動を抑制する推力を充分に発揮させることができ、反対に、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回る場合には、ポンプ１２の回転速度が通常回転速度からこれよりも低い低推力時回転速度へ低下させるため、ポンプ１２の吐出流量が低減され、アクチュエータＡｆ，Ａｒの油圧回路における圧力損失が小さくなって、通常下限値を下回る推力を発揮できるようになる。
したがって、本実施の形態の鉄道車両用制振装置１によれば、アクチュエータＡｆ，Ａｒの推力をフィードバック制御する場合、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回っても、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒと実際に出力される推力との偏差が大きくならないので、アクチュエータＡｆ，Ａｒの推力が矩形的で振動的となるハンチングが生じず、鉄道車両の車体Ｂを加振して振動状況を悪化させてしまうこともない。さらに、上記の如く、ハンチングが生じることがないので、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の切換動作が頻繁することもなく、これらの寿命を短くして経済性が損なわれるといった問題も生じない。以上から、本発明の鉄道車両用制振装置１によれば、車体における乗り心地を悪化させることがなく、経済性に優れる。
また、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回り、かつ、その状態が所定時間Ｔｄ以上継続すると、ポンプ１２の回転速度を低下させるようにしているので、鉄道車両用制振装置１にあっては、ポンプ１２の回転速度の低下の頻度を低減でき、ポンプ１２の回転速度が安定しアクチュエータＡｆ，Ａｒの推力も安定する。さらに、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値以上となり、かつ、その状態が所定時間Ｔｕ以上継続すると、ポンプ１２の回転速度を低推力時回転速度から通常回転速度へ復帰させるようにしているので、鉄道車両用制振装置１にあっては、ポンプ１２の回転速度の復帰の頻度を低減でき、ポンプ１２の回転速度が安定しアクチュエータＡｆ，Ａｒの推力も安定する。
さらに、鉄道車両用制振装置１にあっては、ポンプ１２の回転速度が通常回転速度と低推力時回転速度の二段階の回転速度に切り替えられるので、回転速度を低下させる際に推力指令値Ｆｆ，Ｆｒに比例させる等してバリアブルに低下させる場合に比較して、駆動部４４ｄにデジタル接点出力を設定しておくことで、ノッチ的にポンプ１２の回転速度を指示することがき、ノイズにも強く、また、ポンプ１２やモータ１５のシール、ベアリングの寿命が上記バリアブルにする場合に比較しても長寿命化でき、低コストでロバスト性の高いシステムを構築することができる。なお、ポンプ１２の回転速度を二段階に設定することで上記の利点を享受することができるが、推力指令値Ｆｆ，Ｆｒが通常下限値を下回った場合に、ポンプ１２の回転速度を推力指令値Ｆｆ，Ｆｒの値に応じてバリアブルに変化せて通常回転速度よりも低下させるようにしてもよい。
さらに、ポンプ１２の回転速度を低下或いは復帰させる場合、回転速度を時間の経過とともに変化させるようにしているので、ポンプ１２の回転速度の変化が急激となって、アクチュエータＡｆ，Ａｒが発生していた推力が急変してしまうこともなく、車両における乗り心地を損なうことがない。
なお、上記したところでは、一つのコントローラＣで複数のアクチュエータＡｆ，Ａｒを制御するようにしているが、アクチュエータＡｆ，Ａｒ毎にコントローラＣを設けて制御するようにしてもよいことは当然である。
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。
本発明は、鉄道車両等の制振に利用可能である。
１ 鉄道車両用制振装置
２ シリンダ
３ ピストン
４ ロッド
５ ロッド側室
６ ピストン側室
７ タンク
８ 第一通路
９ 第一開閉弁
１０ 第二通路
１１ 第二開閉弁
１２ ポンプ
１６ 供給通路
１７ 逆止弁
１８ 整流通路
１９ 吸込通路
２１ 排出通路
２２ 可変リリーフ弁
４４ｄ 駆動部
Ａｆ 前側のアクチュエータ
Ａｒ 後側のアクチュエータ
Ｂ 車体
Ｔｆ，Ｔｒ 台車

Claims (8)

  1. 鉄道車両の台車と車体の一方に連結されるシリンダと、当該シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、上記シリンダ内に挿入されて上記ピストンと上記台車と車体の他方に連結されるロッドと、上記シリンダ内に上記ピストンで区画したロッド側室とピストン側室と、タンクと、上記ロッド側室と上記ピストン側室とを連通する第一通路の途中に設けた第一開閉弁と、上記ピストン側室と上記タンクとを連通する第二通路の途中に設けた第二開閉弁と、予め決められた通常回転速度にて回転駆動されて上記タンクから上記ロッド側室へ液体を供給するポンプとを有するアクチュエータを備え、当該アクチュエータに出力させるべき推力を推力指令値として求め、当該アクチュエータを制御して車体の振動を抑制する鉄道車両用制振装置において、推力指令値が上記ポンプを通常回転速度で回転させる際に上記アクチュエータが発生可能な推力の下限値である通常下限値を下回ると、当該ポンプの回転速度を低下させることを特徴とする鉄道車両用制振装置。
  2. 上記推力指令値が上記通常下限値を下回り、かつ、その状態が所定時間継続すると、上記ポンプの回転速度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制振装置。
  3. 上記通常回転速度よりも低い低推力時回転速度を予め設定し、上記ポンプの回転速度を上記通常回転速度と上記低推力時回転速度の二段階で切換えることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用制振装置。
  4. 上記ポンプの回転速度を低下させた後、上記推力指令値が上記通常下限値以上となると、上記ポンプの回転速度を通常回転速度へ復帰させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
  5. 上記推力指令値が上記通常下限値以上となり、かつ、その状態が所定時間継続すると、上記ポンプの回転速度を通常回転速度へ復帰させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
  6. ポンプの回転速度を低下或いは復帰させる場合、回転速度を時間の経過とともに変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
  7. 上記アクチュエータは、上記ロッド側室を上記タンクへ接続する排出通路と、当該排出通路の途中に設けられ開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁とを備え、当該可変リリーフ弁の開弁圧を調節して上記アクチュエータの推力を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
  8. 上記タンクから上記ピストン側室へ向かう液体の流れのみを許容する吸込通路と、上記ピストン側室から上記ロッド側室へ向かう液体の流れのみを許容する整流通路とを備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の鉄道車両用制振装置。
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