JP6837284B2 - 鉄道車両のブレーキ制御方法、ブレーキ制御装置及びブレーキ制御プログラム - Google Patents
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Description
前記制動に用いられる空気圧力はブレーキシリンダ圧力(BC圧力)と呼ばれ、ブレーキ指令に基づいて制御された空気圧力によって、あるいは空油圧力変換装置で油圧力に変換し、この油圧力によって制輪子を動作させる方式となっている。また、一般に前記ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)は、ブレーキノッチ種別、車両の走行速度とレール/車輪間の粘着係数の関係及び乗車率(応荷重)に基づいて算定される。
このような制動力低下を防止する方法として、自動車などで行われている目標トルクに対するフィードバック制御が挙げられるが、左右の車輪が独立して支持される自動車とは異なり、鉄道車両では、左右車輪が車軸と一体に連結されているため、車輪毎にブレーキトルク等の制動状態を検出することが難しい。
しかしながら、鉄道車両の輪軸は左右車輪が車軸と一体に回転する構造であることから、当該特許文献1の技術を直接的に適用することができず、このため、鉄道車両においては、自動車とは異なるブレーキ制動の技術が必要となる。
本発明の鉄道車両のブレーキ制御方法は、予め設定されたブレーキシリンダ圧力を車輪に供給して制動力を生じさせる鉄道車両において、前記ブレーキシリンダ圧力を目標設定値に対して所定周期で増減する制御を行うことを特徴とする。
本発明の第1実施形態について図1〜図21を参照して説明する。
図1(a)〜(c)は、本発明に係る鉄道車両のブレーキ制御方法を示す図であって、車輪に制動力を生じさせるブレーキシリンダへの指令値が示されている。
そして、これら図1(a)〜(c)では、指標となるブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の目標設定値(例えば400kPa)を、ブレーキシリンダへの指令値「±0kPa」として示し、当該目標設定値(400kPa)に対し、正弦波状の圧力変動を一定周期で与えるための指令値の波形が示されている。すなわち、目標設定値である400kPa±XkPaとなるようにブレーキシリンダ圧力が増減するよう制御される。
すなわち、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の変動幅は、基準値となる「±0kPa(=目標となるブレーキシリンダ圧力:400kPa」に対して、±20〜40kPaの範囲内で、かつ変動周期が0〜2秒(周期の「秒」を「s」と表現する)の範囲に設定されている。
また、図1(b)の試験例では、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の変動幅は、基準値となる「±0kPa(=目標となるブレーキシリンダ圧力:400kPa」に対して、±30kPaの範囲内で、かつ変動周期が0.8s(=1.25Hz)、1.2s(=0.83Hz)、1.6s(=0.63Hz)の範囲に設定されている。
また、図1(c)の試験例では、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の変動幅は、基準値となる「±0kPa(=目標となるブレーキシリンダ圧力:400kPa」に対して、±40kPaの範囲内で、かつ変動周期が0.8s(=1.25Hz)、1.2s(=0.83Hz)、1.6s(=0.63Hz)の範囲に設定されている。
なお、このようなブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の変動試験は、ブレーキシリンダ圧力を供給する圧力発生装置の内部に給気弁と排気弁から構成されるオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を所定周期で作動させることにより行った。
そして、図2に示されるように、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の目標設定値(200kPa、300kPa、400kPa)に対して、1.2sの周期でかつ「±30kPa」の範囲内で圧力変動を与えれば、圧力発生装置の排気路の平均流量が最大値となる「30L/min」となり、最適な圧力制御性が得られることが確認されている。
そして、さらに発明者が種々の実験を行った結果、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値(200kPa、300kPa、400kPa)に対し、正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行う際、正弦波状の圧力変動は、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±30kPaの範囲でかつ周期がおおよそ0.8s以上、2s以下に設定すれば、圧力発生装置の排気路の平均流量が最適値となることが確認されている。
また、図2では、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)の目標設定値(300kPa)におけるデータが記載されていないが、目標設定値(200kPa、400kPa)とほぼ同様の傾向となることが確認されている。
《ステップ1》
鉄道車両の運転台から非常ブレーキ(空気ブレーキのみ、いわゆる空制)か、地震ブレーキ(空気ブレーキのみ、いわゆる空制)かを判定し、いずれかのブレーキ操作がなされたと判定された場合に、次のステップ2に進む。
なお、地震ブレーキは、地震発生時に停電等が発生した場合に使用されるため、電気ブレーキは使用できない。したがって、空気ブレーキのみが作用する。
「非常ブレーキ指令または地震ブレーキ指令」により空気ブレーキのみが作動したかどうかを判定し(電気ブレーキは作動せず)、YESの場合にステップ3に進み、NOの場合にステップ7に進む。
予め設定したブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して正弦波状の圧力変動を一定周期で与えることによる空気ブレーキ制御を、ディスクブレーキに対して行う(ステップ3A)。これにより「非常ブレーキまたは地震ブレーキ」を作動させる(ステップ3B)。
なお、ステップ3の処理は、ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して正弦波状の圧力変動を一定周期で与える制御を行うブレーキ制御プログラムに基づき実行される。
車輪とレールとの粘着係数が急激に低下することにより、車輪の滑走が発生したか否かを判断し、YESの場合に次のステップ5に進む。
ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)を緩める等の滑走再粘着制御を行う。
車輪とレールとの粘着係数が上昇することにより、再粘着が生じたか否かを判断し、YESの場合に次のステップ3に戻り、NOの場合にはステップ6に戻る。
ステップ2において「空気ブレーキのみを作用する非常ブレーキまたは空気ブレーキのみを作用する地震ブレーキ」が操作されないNOの場合には、該ステップ2において、通常の非常ブレーキ操作がなされたとして、電気ブレーキ及び空気ブレーキを併用した通常の非常ブレーキ動作を行う(ステップ7A,7B)。
車輪とレールとの粘着係数が急激に低下することにより、車輪の滑走が発生したか否かを判断し、YESの場合に次のステップ9に進む。
ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)を緩める等の滑走再粘着制御を行う。
車輪とレールとの粘着係数が上昇することにより、再粘着が生じたか否かを判断し、YESの場合に次のステップ7に戻り、NOの場合にはステップ10に戻る。
なお、以下の「非常ブレーキ相当試験」では、300km/h又は400km/hで走行する車両に対して、最大で約400kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させた試験例(試験例1,3)が示されている。
また、「非常ブレーキ向上試験」では、300km/h又は400km/hで走行していた車両に対して、より高く最大で約500kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で地震ブレーキを作動させた試験例(試験例2,4)が示されている。
試験例1に示される「非常ブレーキ相当試験」では、図4に示すように、300km/hで走行していた車両に対して、およそ400kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例1の「非常ブレーキ相当試験」では、300km/hで走行していた車両に対して、目標設定値となる400kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)に対して、±30kPaの範囲内でかつ変動周期が0.8s以上(本例では1.2s)となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。
具体的には、図5(a)に示されるように正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」(以下、「従来制御」と言う)と、図5(b)に示される正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」(以下、「提案制御」と言う)とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、図5(b)で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にてブレーキトルクをそれぞれ5回ずつ測定したが、図5(a)及び(b)の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にて瞬間摩擦係数をそれぞれ5回ずつ測定したが、図6(a)及び(b)の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
また、図6(b)の「提案制御」では、ブレーキシリンダに正弦波状の圧力変動を与えることにより、所定の振幅を有する瞬間摩擦係数が得られるが、その振幅の範囲(正弦波の山と谷の頂点のプロット)を破線で示し、振幅の中央となる平均値を実線で示した。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して14%短縮されたとしても、図7(a)に示されるように、ディスク最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)、ライニング最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
また、図7(d)に示されるように、圧力発生装置の排気路の平均流量については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して50%増加し、「提案制御」の停止距離向上に貢献したことが確認されている。
試験例2に示される「非常ブレーキ向上試験」では、図8に示すように、300km/hで走行していた車両に対して、およそ500kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で地震ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例2の「非常ブレーキ向上試験」では、300km/hで走行していた車両に対して、目標設定値となる500kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)に対して、±30kPaの範囲内でかつ変動周期が0.8s以上(本例では1.2s)となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。
具体的には、図9(a)に示されるように正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、図9(b)に示される正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、図9(b)で示される「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にてブレーキトルクをそれぞれ3回ずつ測定したが、図9(a)及び(b)の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
なお、「従来制御」及び「提案制御」にて瞬間摩擦係数をそれぞれ3回ずつ測定したが、図10(a)及び(b)の各グラフではそれら測定値の平均を示した。
また、図10(b)の「提案制御」では、ブレーキシリンダに正弦波状の圧力変動を与えることにより、所定の振幅を有する瞬間摩擦係数が得られるが、その振幅の範囲(正弦波の山と谷の頂点のプロット)を破線で示し、振幅の中央となる平均値を実線で示した。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して7%短縮されたとしても、図11(a)に示されるように、ディスク最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)、ライニング最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
また、図11(d)に示されるように、圧力発生装置の排気路の平均流量については、「提案制御」の方が「従来制御」と比較して50%増加し、「提案制御」の停止距離向上に貢献したことが確認されている。
試験例3に示される「非常ブレーキ相当試験」では、図12に示すように、400km/hで走行していた車両に対して、およそ400kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例3の「非常ブレーキ相当試験」では、400km/hで走行していた車両に対して、目標設定値となる400kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)に対して、±30kPaの範囲内でかつ変動周期が0.8s以上(本例では1.2s)となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。
具体的には、図13に示されるように、正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して17%短縮されたとしても、図15に示されるように、ディスク最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)、ライニング最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
試験例4に示される「非常ブレーキ向上試験」では、図17に示すように、400km/hで走行していた車両に対して、およそ500kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で地震ブレーキを作動させた例が示されている。
そして、この試験例4の「非常ブレーキ向上試験」では、400km/hで走行していた車両に対して、目標設定値となる500kPaのブレーキシリンダ圧力(BC圧力)で非常ブレーキを作動させるとともに、ブレーキ動作に、ブレーキシリンダ圧力(BC圧力)に対して、±30kPaの範囲内でかつ変動周期が0.8s以上(本例では1.2s)となるように正弦波状の圧力変動を行わせている。
具体的には、図18に示されるように、正弦波状の圧力変動を与えない「従来制御」と、正弦波状の圧力変動を与えた本発明に係る「提案制御」とを比較して分かるように、目標トルクに対するブレーキトルクについて、「提案制御」の試験結果が全ての速度領域において上回っていることが確認されている。
一方、「提案制御」の平均停止距離が「従来制御」と比較して10%短縮されたとしても、図20に示されるように、ディスク最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)、ライニング最高温度(ブレーキライニングをブレーキディスクに押し付ける方式)の最高温度については、「従来制御」及び「提案制御」のいずれも同等の水準であることが確認されている。
これにより、鉄道車両のブレーキ制御方法では、試験例1〜4(図5〜図21)の「提案制御」のブレーキトルク、瞬間/平均摩擦係数、平均停止距離、ディスク/ライニング温度に示されるように、ブレーキ距離のばらつきを小さく収めてブレーキ性能を安定化できるとともに、ブレーキ距離を短縮させることができる。
そして、このようなブレーキ制御方法は、鉄道車両の車輪にブレーキシリンダ圧力を供給して制動力を生じさせる圧力発生装置の内部に給気弁および排気弁(オン・オフ弁)とを具備し、該弁制御によってブレーキシリンダ圧力を変動させることができるブレーキ装置に適用されるものであって、前記ブレーキシリンダ圧力に対して正弦波状の変動を一定周期で与える制御を、前記オン・オフ弁に併設した弁制御手段にて行うようにする。このとき、弁制御手段に設定する処理は、図3に示すフローチャートに基づき行うものである。
Claims (7)
- 予め設定されたブレーキシリンダ圧力を車輪に供給して制動力を生じさせる鉄道車両において、
制御手段が、空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動に際し、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって前記ブレーキシリンダ圧力を設定圧力から所定周期で所定の変動範囲で増減させる変動圧力制御と、
制動される車輪が滑走したとの判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、
再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御と、
を行う制御方法であって、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする鉄道車両のブレーキ制御方法。 - 前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力の変動は、速度に対応した前記ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±30kPaの範囲に設定されることを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
- 前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、0.8秒以上の周期で変動するよう設定されることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
- 前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力の変動は、速度に対応した前記ブレーキシリンダ圧力の目標設定値に対して±30kPaの範囲でかつ1.2秒の周期に設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
- 前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力を供給する圧力発生装置の内部に給気弁と排気弁で構成されるオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を所定周期で作動させることにより、前記変動圧力を発生させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の鉄道車両のブレーキ制御方法。
- 予め設定されたブレーキシリンダ圧力を鉄道車両の車輪に供給して制動力を生じさせる圧力発生装置の内部に給気弁および排気弁から成るオン・オフ弁を設け、該オン・オフ弁を開閉することにより、ブレーキシリンダ圧力を変動させて、
空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動の場合に、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって前記ブレーキシリンダ圧力を所定周期で所定の変動範囲で増減させる変動圧力制御と、制動される車輪が滑走した判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御とを行う制御手段を有し、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする、
ブレーキ制御装置。 - 制御手段が、空気圧ブレーキのみの非常ブレーキ制動と判断した場合に、鉄道車両の車輪に制動力を作用させるブレーキシリンダ圧力を目標とする設定値に対し、立ち上がりおよび立ち下がりに傾斜を有する台形波の指令値によって所定周期で所定の変動範囲で増減する変動圧力制御と、制動される車輪が滑走した判断によってブレーキシリンダ圧力を緩める滑走再粘着制御と、再粘着したとの判断によって前記変動圧力制御に戻る制御とを行うよう制御し、
前記変動圧力制御におけるブレーキシリンダ圧力は、正弦波状に所定周期で増減することを特徴とする、
ブレーキ制御プログラム。
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C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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C211 | Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C13 | Notice of reasons for refusal |
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C30 | Protocol of an oral hearing |
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A521 | Request for written amendment filed |
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C23 | Notice of termination of proceedings |
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C03 | Trial/appeal decision taken |
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C30A | Notification sent |
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