铁路车辆的振动成分加速度估计装置和振动成分加速度估计方法

技术领域

本发明涉及一种估计在铁路车辆行驶于曲线路段时作用于 车体的左右方向的振动成分的加速度的装置和方法，特别涉及 一种适合于铁路车辆具有车体倾斜装置的情况的铁路车辆的振 动成分加速度估计装置和振动成分加速度估计方法。

背景技术

新干线等铁路车辆在行驶中伴随着被施加摆动、左右晃动 等的振动加速度而产生左右方向的振动。该振动使乘坐舒适度 恶化，因此，在一般的铁路车辆中安装振动抑制装置，在车体 与台车之间装设空气弹簧、线圈弹簧、减振器等来吸收车体从 台车受到的冲击，并且在车体与台车之间装设在左右方向上伸 缩的致动器来使车体的振动衰减。

作为致动器，采用以气压或油压为驱动源的流体压力式致 动器、以电力为驱动源的电动式致动器等。台车侧和车体侧中 的任意一方与致动器的主体连结，另一方与可动的杆连结，通 过加速度传感器检测作用于车体的左右方向的加速度，与检测 出的加速度相应地使杆进行伸缩动作，由此使车体振动，同时 调整自身的衰减力，使振动衰减。

然而，在铁路车辆行驶于曲线路段时，在通过加速度传感 器检测的加速度中，不只叠加有使车体产生振动的振动成分， 还叠加有因离心力而恒定地作用于车体的恒定成分，因此在只 根据来自加速度传感器的输出来控制致动器的伸缩动作时，有 可能无法有效地抑制车体的振动。

作为解决该问题的现有的技术，例如在专利文献1中公开了 以下的振动成分加速度估计装置和振动成分加速度估计方法： 采用衰减力可变的减振器以抑制车体的振动，在铁路车辆行驶 于曲线路段时，估计作用于车体的振动成分的加速度以对该减 振器进行skyhook半自动控制。

该文献所公开的估计装置构成为具备：检测单元，其检测 作用于车体的左右方向的加速度；理论超过离心加速度计算单 元，其根据铁路车辆的行驶地点的轨道信息和铁路车辆的行驶 速度求出作用于车体的左右方向的理论超过离心加速度αL； 振动加速度计算单元，其根据通过检测单元检测出的加速度和 通过理论超过离心加速度计算单元求出的理论超过离心加速度 αL，求出作用于车体的振动成分的加速度。在该文献所公开 的估计装置和估计方法中，为了求出理论超过离心加速度αL， 而区分为铁路车辆是具有使车体相对于台车倾斜的车体倾斜装 置的带车体倾斜机构的情况和不具有车体倾斜装置的非倾斜车 辆的情况，使用下述的式(a)或式(b)。

在带车体倾斜机构的情况下，

αL=D×(V²/R-g×C/G×β-g×θ)……(a)

在非倾斜车体的情况下，

αL=D×(V²/R-g×C/G×β)……(b)

其中，在上述的式(a)、(b)中，D表示表现旋转方向的正负 的符号，V表示行驶速度，R表示轨道的曲率半径，g表示重力 加速度，C表示轨道的超高量，G表示轨距，β表示曲线系数， θ表示车体相对于台车的倾斜角度。

专利文献1：日本特开2009-40081号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述专利文献1所公开的估计装置和估计方法中， 在具有车体倾斜装置的铁路车辆的情况下，使用上述式(a)以求 出理论超过离心加速度，因此所参照的参数多，计算式也复杂。 因此，需要存储很多参数的大容量的存储器，系统变复杂和大 规模。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种铁 路车辆的振动成分加速度估计装置和振动成分加速度估计方 法，在具有车体倾斜装置的铁路车辆行驶于曲线路段时，抑制 车体所产生的左右方向的振动，因此能够通过简单的结构估计 作用于车体的左右方向的振动成分的加速度。

用于解决问题的方案

本发明人为了达到上述目的而反复进行实际的行驶试验， 对曲线路段的理论超过离心加速度αL的计算式进行各种变更 来调查振动的抑制程度，其结果发现了以下的情况：在使车体 倾斜装置动作的情况下，只要按照理论超过离心加速度αL的 计算式设定适当的校正系数，即使不严格地考虑车体倾斜角度 θ，振动的抑制效果也几乎没有改变。这可推测为：车体倾斜 角度θ小到最大也就2°左右，使车体倾斜装置动作的行驶速度 V例如在新干线的情况下高速到275(km/h)以上，因此在计算理 论超过离心加速度αL时，与行驶速度V相比，车体倾斜角度θ 的影响非常小。

本发明就是基于上述见解而完成的，其主旨是下述(1)所示 的铁路车辆的振动成分加速度估计装置以及下述(2)所示的铁 路车辆的振动成分加速度估计方法。

(1)一种铁路车辆的振动成分加速度估计装置，其估计在具 有车体倾斜装置的铁路车辆行驶于曲线路段时作用于车体的左 右方向的振动成分的加速度，该振动成分加速度估计装置的特 征在于，具备：

加速度检测单元，其检测作用于车体的左右方向的加速度；

理论超过离心加速度计算单元，其获取铁路车辆的行驶地 点的轨道信息、铁路车辆的行驶速度以及车体倾斜的动作启用/ 停用(ON/OFF)的信息，根据下述的式(1)或式(2)计算作用于车 体的左右方向的理论超过离心加速度αL；以及

振动加速度计算单元，其根据通过加速度检测单元检测出 的加速度和通过理论超过离心加速度计算单元求出的理论超过 离心加速度αL导出作用于车体的振动成分的加速度。

在车体倾斜动作启用(ON)的情况下，

αL=η_ON×(V²/R-g×C/G)……(1)

在车体倾斜动作停用(OFF)的情况下，

αL=η_OFF×(V²/R-g×C/G)……(2)

其中，在上述的式(1)和式(2)中，η_ON和η_OFF表示校正系 数，V表示行驶速度，R表示轨道的曲率半径，g表示重力加速 度，C表示轨道的超高量，G表示轨距。

优选的是在上述估计装置中，上述振动加速度计算单元构 成为计算通过上述加速度检测单元检测出的加速度与通过上述 理论超过离心加速度计算单元求出的理论超过离心加速度αL 的差，来导出上述振动成分的加速度。

优选的是在上述估计装置中，上述振动加速度计算单元构 成为还通过高通滤波器对表示导出的上述振动成分的加速度的 信号进行处理。

(2)一种铁路车辆的振动成分加速度估计方法，估计在具有 车体倾斜装置的铁路车辆行驶于曲线路段时作用于车体的左右 方向的振动成分的加速度，该方法的特征在于，包括如下步骤：

加速度检测步骤，检测作用于车体的左右方向的加速度；

理论超过离心加速度计算步骤，获取铁路车辆的行驶地点 的轨道信息、铁路车辆的行驶速度以及车体倾斜的动作启用/ 停用(ON/OFF)的信息，根据下述的式(1)或式(2)计算作用于车 体的左右方向的理论超过离心加速度αL；以及

振动加速度计算步骤，根据在加速度检测步骤中检测出的 加速度和在理论超过离心加速度计算步骤中求出的理论超过离 心加速度αL导出作用于车体的振动成分的加速度。

在车体倾斜动作启用(ON)的情况下，

αL=η_ON×(V²/R-g×C/G)……(1)

在车体倾斜动作停用(OFF)的情况下，

αL=η_OFF×(V²/R-g×C/G)……(2)

其中，在上述的式(1)和式(2)中，η_ON和η_OFF表示校正系 数，V表示行驶速度，R表示轨道的曲率半径，g表示重力加速 度，C表示轨道的超高量，G表示轨距。

优选的是在上述估计方法中，构成为在上述振动加速度计 算步骤中，计算在上述加速度检测步骤中检测出的加速度与在 上述理论超过离心加速度计算步骤中求出的理论超过离心加速 度αL的差，来导出上述振动成分的加速度。

优选的是在上述估计方法中，构成为在上述振动加速度计 算步骤中，还通过高通滤波器对表示导出的上述振动成分的加 速度的信号进行处理。

发明的效果

根据本发明的铁路车辆的振动成分加速度估计装置和振动 成分加速度估计方法，在铁路车辆行驶于曲线路段时，即使在 进行车体倾斜的情况下，也使用不参照车体倾斜角度的计算式 (上述式(1))，以求出用于抑制车体所产生的左右方向的振动的 理论超过离心加速度，因此，与现有的计算式(上述式(a))相比， 能够削减车体倾斜角度作为参数，还能够简化计算式，因此能 够降低存储参数的存储器的容量，能够简化系统。而且，能够 根据计算出的理论超过离心加速度准确地导出作用于车体的振 动成分的加速度，使用它来实现车体的振动抑制。

附图说明

图1是表示安装了本发明的振动成分加速度估计装置的铁 路车辆的结构例的示意图。

图2是作为铁路车辆行驶的轨道的一例而表示包含曲线路 段的轨道的示意图。

图3是使轨道信息与行驶地点关联所得的图表的一例的图。

图4是表示轨道车辆行驶于曲线路段时的状态的示意图，图 4的(a)示出车体倾斜的动作ON的情况，图4的(b)示出车体倾斜 的动作OFF的情况。

图5是表示行驶于曲线路段时的理论超过离心加速度的变 动的一例的图。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的铁路车辆的振动成分加速度估计 装置和振动成分加速度估计方法的实施方式。

图1是表示安装了本发明的振动成分加速度估计装置的铁 路车辆的结构例的示意图。如该图所示，铁路车辆的一个车辆 包括车体1和在前后支承该车体1的台车2，在轨道4上行驶。车 体1被在车体1与台车2之间装设的空气弹簧5弹性支承，台车2 被在台车2与车轴3之间装设的轴弹簧6弹性支承。另外，在台车 2与车体1之间装设有能够在车辆的左右方向上伸缩动作的致动 器7。

图1所示的致动器7是电动式致动器，其结构是在成为主体 侧的电动机21的主轴22上刻有螺钉槽，滚珠丝杠副23与该主轴 22螺合，与主轴22同轴的杆24被固定设置于滚珠丝杠副23。致 动器7的电动机21侧的一个端部与铁路车辆的车体1侧连结，并 且致动器7的杆24侧的另一端部与铁路车辆的台车2侧连结。

另外，在台车2与车体1之间与致动器7并排地装设有衰减力 可变的流体压力减振器8。在车体1的前后左右的四角设置有检 测作用于车体1的左右方向的振动加速度的加速度传感器9。

并且，在车体1设置有控制致动器7和流体压力减振器8的动 作来负责振动抑制的控制的振动抑制控制器10。振动抑制控制 器10包括理论超过离心加速度计算部11、振动加速度计算部12 以及振动控制部13。理论超过离心加速度计算部11获取铁路车 辆的行驶地点的轨道信息、铁路车辆的行驶速度以及车体倾斜 的动作启用/停用(ON/OFF)的信息，计算作用于车体1的左右方 向的理论超过离心加速度αL。振动加速度计算部12根据通过 加速度传感器9检测出的加速度和通过理论超过离心加速度计 算部11求出的理论超过离心加速度αL导出作用于车体1的振 动成分的加速度。振动控制部13根据从振动加速度计算部12输 出的振动成分加速度，主要发送控制致动器7的动作的驱动信 号。

在车辆的行驶过程中，致动器7根据作用于车体1的振动成 分加速度通过来自振动抑制控制器10的指令控制电动机21的主 轴22的旋转角。由此，致动器7能够通过滚珠丝杠机构将电动机 21的主轴22的旋转运动变换为直线运动，使杆24进行伸缩动作， 由此使车体1振动，同时调整自身的衰减力，使振动衰减。这时， 流体压力减振器8也发挥振动衰减效果。

图1所示的铁路车辆具有车体倾斜装置，在高速行驶于曲线 路段时，使空气弹簧5的内压左右不同，由此能够使车体1相对 于台车2倾斜。该车体倾斜的控制独立于上述振动抑制的控制， 通过来自与振动抑制控制器10不同的车体倾斜控制器14的指令 来进行该车体倾斜的控制。

在上述的例子中，使用电动式致动器作为致动器7，但也能 够使用流体压力式致动器作为致动器7。

以下，说明铁路车辆行驶时的振动抑制控制器10的处理的 具体方式。

图2是作为铁路车辆行驶的轨道的一例而表示包含曲线路 段的轨道的示意图。如该图所示，在沿着车辆的行进方向依次 连接直线路段、曲线路段以及直线路段而成的轨道中，在曲线 路段，为了使直线路段与曲率半径固定的恒定曲线路段之间的 换行顺畅，而在恒定曲线路段的入口侧和出口侧分别设置有缓 冲曲线路段。缓冲曲线路段位于曲率半径和超高量互不相同的 直线路段与恒定曲线路段之间，使曲率半径和超高量连续地变 化，平滑地将直线路段与恒定曲线路段连接。

例如，入口侧的缓冲曲线路段(以下称为“缓冲曲线入口路 段”)的曲率半径与直线路段相连而最初为无限大，但随着车辆 的行进而逐渐接近恒定曲线路段的曲率半径，在与恒定曲线路 段的边界处与恒定曲线路段的曲率半径一致。出口侧的缓冲曲 线路段(以下称为“缓冲曲线出口路段”)与缓冲曲线入口路段 相反，其曲率半径最初与恒定曲线路段的曲率半径一致，但随 着车辆的行进逐渐变大，在与直线路段的边界处为无限大。

作为缓冲曲线路段的轨道，使用回旋曲线或正弦半波长递 减曲线。回旋曲线的轨道是曲率半径与缓冲曲线路段的行驶距 离成比例地增减的曲线轨道，大多用于常规线路。正弦半波长 递减曲线的轨道是曲率半径相对于缓冲曲线路段的行驶距离以 描绘正弦曲线的形式变化的曲线轨道，多用于新干线。

图3是使轨道信息与行驶地点关联所得的图表的一例的图。 上述理论超过离心加速度计算部11自身的存储器中具有将轨道 信息与行驶地点关联所得的图表。如图3所示，登记于该图表的 轨道信息包含行驶路段的种类(缓冲曲线入口路段、缓冲曲线出 口路段、恒定曲线路段、直线路段等)、曲线路段的回旋方向、 恒定曲线路段的曲率半径、曲线路段的超高量以及缓冲曲线路 段的曲线图案(回旋曲线、正弦半波长递减曲线等)。

理论超过离心加速度计算部11以传送的方式从监视并记录 铁路车辆的行驶地点、速度的未图示的车辆监视器获取车辆的 行驶位置，与上述图表进行对照，根据该轨道信息识别车辆正 在何种路段行驶。与此同时，理论超过离心加速度计算部11获 取铁路车辆的行驶速度。并且，理论超过离心加速度计算部11 从车体倾斜控制器14获取车体倾斜的动作ON/OFF的信息，识别 是否在进行车辆的倾斜。

此外，除了从车辆监视器获取行驶地点的信息以外，例如 还能够通过GPS等获取行驶地点的信息。例如能够以传送的方 式从安装在先头车辆的未图示的车辆信息控制器获取车辆的行 驶速度，或者通过由振动抑制控制器10自身接收高速脉冲并进 行计算来获取车辆的行驶速度。关于车体倾斜的动作ON/OFF 的信息，能够从车体倾斜控制器14直接获取或者以传送的方式 经由上述车辆信息控制器获取，在振动抑制控制器10兼作车体 倾斜控制器14的情况下还能够在振动抑制控制器10自身中进行 获取的处理。

图4是表示轨道车辆行驶于曲线路段时的状态的示意图，图 4的(a)示出车体倾斜的动作ON的情况，图4的(b)示出车体倾斜 的动作OFF的情况。在铁路车辆行驶于曲线路段、即缓冲曲线 入口路段、恒定曲线路段或缓冲曲线出口路段的情况下，上述 理论超过离心加速度计算部11参照获取到的各种信息，根据下 述的式(1)或式(2)计算作用于车体1的左右方向的理论超过离心 加速度αL。

在车体倾斜动作ON的情况下，

αL=η_ON×(V²/R-g×C/G)……(1)

在车体倾斜动作OFF的情况下，

αL=η_OFF×(V²/R-g×C/G)……(2)

其中，在上述的式(1)和式(2)中，η_ON和η_OFF表示校正系 数，V表示行驶速度，R表示轨道的曲率半径，g表示重力加速 度，C表示轨道的超高量，G表示轨距。

这时，由于车辆的行驶速度V通常在曲线路段的整个路段 都是固定的，因此理论超过离心加速度计算部11根据上述的式 (1)或式(2)，首先计算行驶于恒定曲线路段的情况下的理论超过 离心加速度αL1。而且，由于在曲线路段的前后的直线路段， 理论上超过离心加速度αL不会作用于车辆而为0(零)，因此理 论超过离心加速度计算部11对缓冲曲线入口路段的行驶距离x1 和缓冲曲线出口路段的行驶距离x2分别使用该恒定曲线区间的 理论超过离心加速度αL1进行线性插值，由此计算行驶于缓冲 曲线入口路段和缓冲曲线出口路段的情况下的理论超过离心加 速度αL。

图5是表示行驶于曲线路段时的理论超过离心加速度的变 动的一例的图。如该图所示，在车辆以固定的速度行驶于曲线 路段的整个路段时，在恒定曲线路段，理论超过离心加速度α L(αL1)是固定的，缓冲曲线入口路段的理论超过离心加速度α L与该路段的行驶距离x1相应地从0增大到恒定曲线路段的理 论超过离心加速度αL1，缓冲曲线出口路段的理论超过离心加 速度αL与该路段的行驶距离x2相应地从恒定曲线路段的理论 超过离心加速度αL1减少到0。

这样，在铁路车辆行驶于曲线路段的情况下，根据获取到 的各种信息(铁路车辆的行驶地点的轨道信息、铁路车辆的行驶 速度V以及车体倾斜的动作ON/OFF的信息)，基于上述式(1)或 式(2)计算恒定曲线路段的理论超过离心加速度αL1，利用该结 果计算缓冲曲线路段的理论超过离心加速度αL，由此能够得 到曲线路段的整个路段的理论超过离心加速度αL。

此外，在上述实施方式中，使用恒定曲线路段的理论超过 离心加速度αL1计算缓冲曲线路段的理论超过离心加速度α L，但也能够变更为：求出缓冲曲线入口路段和缓冲曲线出口 路段各自的各地点的曲率半径，根据上述的式(1)或式(2)直接计 算这些路段的理论超过离心加速度αL。

在此，关于上述的式(1)和式(2)，校正系数η_ON、η_OFF是 考虑到如下情况而设定的系数：被空气弹簧5和轴弹簧6弹性支 承于车轴3的车体1和台车2行驶于曲线路段时，由于离心力的作 用随着空气弹簧5和轴弹簧6弯曲而车体1向曲线轨道的外侧倾 斜。并且，其中的校正系数η_ON是在车体倾斜的动作ON的情况 下使用的系数，是事先实施行驶试验、设定为即使是不参照车 体倾斜角度θ的上述式(1)而振动的抑制效果也几乎不变的系 数。

根据曲线路段的回旋方向对这些校正系数η_ON、η_OFF赋予 正负(+/-)的符号。例如在行驶于右回旋的曲线路段时通过加速 度传感器9检测的加速度的符号是正的情况下，校正系数η_ON、 η_OFF的符号也为正，与此相反，在行驶于左回旋的曲线路段时， 通过加速度传感器9检测的加速度的符号是负，校正系数η_ON、 η_OFF的符号也为负。根据行驶地点基于上述图表的轨道信息选 择校正系数η_ON、η_OFF的正负的符号。

接着这样的理论超过离心加速度计算部11的处理，上述振 动加速度计算部12获取通过理论超过离心加速度计算部11计算 出的理论超过离心加速度αL和通过加速度传感器9检测出的 左右方向的加速度αF，从加速度αF减去理论超过离心加速度 αL来计算两者的差，将该差作为振动成分的加速度。即，振 动加速度计算部12从车辆行驶于曲线路段时作用于车体1并通 过加速度传感器9检测出的加速度αF中去除由离心力造成的 恒定成分，提取通过致动器7的动作进行振动抑制的控制所需的 振动成分的加速度。

表示通过振动加速度计算部12计算出的振动成分加速度的 信号被输出到上述振动控制部13，振动控制部13根据该振动成 分加速度，向致动器7发送抑制振动的伸缩动作的驱动信号。

在此，可以说表示通过振动加速度计算部12计算出的振动 成分加速度的信号中去除了由离心力造成的恒定成分，大多在 例如0.5Hz以下的低频带中包含噪声。因此，优选的是通过高通 滤波器对表示计算出的振动成分加速度的信号进行处理，去除 噪声。通过高通滤波器去除噪声，由此特别能够更稳定地实现 缓冲曲线入口路段和缓冲曲线出口路段处的振动抑制。

如上所述，通过铁路车辆行驶于曲线路段时的振动抑制控 制器10的处理，即使在进行车体倾斜的情况下，也使用不参照 车体倾斜角度的计算式(上述式(1))，以求出用于抑制车体所产 生的左右方向的振动的理论超过离心加速度，因此，与现有的 计算式(上述专利文献1所公开的上述式(a))相比，能够削减参照 车体倾斜角度部分的参数，还能够简化计算式。因此，能够降 低存储参数的存储器的容量，能够简化计算理论超过离心加速 度的系统。而且，能够根据计算出的理论超过离心加速度准确 地导出作用于车体的振动成分的加速度，使用它来实现车体的 振动抑制。

产业上的可利用性

根据本发明的铁路车辆的振动成分加速度估计装置和振动 成分加速度估计方法，能够通过简单的结构估计在具有车体倾 斜装置的铁路车辆行驶于曲线路段时作用于车体的左右方向的 振动成分的加速度，使用它抑制车体所产生的左右方向的振动。 因而，本发明对于铁路车辆的舒适运行极其有用。

附图标记说明

1：车体；2：台车；3：车轴；4：轨道；5：空气弹簧；6： 轴弹簧；7：致动器；8：流体压力减振器；9：加速度传感器； 10：振动抑制控制器；11：理论超过离心加速度计算部；12： 振动加速度计算部；13：振动控制部；14：车体倾斜控制器； 21：电动机；22：主轴；23：滚珠丝杠副；24：杆。