特開 2024-80728 鉄道車両用の推定方法及び推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024080728

(43)【公開日】2024-06-17

(54)【発明の名称】鉄道車両用の推定方法及び推定装置

(51)【国際特許分類】

   G01M 17/10 20060101AFI20240610BHJP

   B61K 9/08 20060101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

G01M17/10

B61K9/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022193902

(22)【出願日】2022-12-05

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】899000057

【氏名又は名称】学校法人日本大学

(71)【出願人】

【識別番号】317005022

【氏名又は名称】独立行政法人自動車技術総合機構

(71)【出願人】

【識別番号】504158881

【氏名又は名称】東京地下鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001553

【氏名又は名称】アセンド弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】品川 大輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 安弘

(72)【発明者】

【氏名】大野 寛之

(72)【発明者】

【氏名】緒方 正剛

(72)【発明者】

【氏名】一柳 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】松本 陽

(72)【発明者】

【氏名】松田 卓也

(72)【発明者】

【氏名】福島 知樹

(72)【発明者】

【氏名】谷本 益久

(57)【要約】

【課題】内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定することができる、鉄道車両用の推定方法を提供する。
【解決手段】鉄道車両用の推定方法は、鉄道車両が曲線路を走行するとき、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器の各々から検出データを取得して、曲線路の内軌側における車輪（３ｉ）に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する測定ステップと、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する導出ステップと、横圧輪重比κｉ及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪（３ｏ）とレール（５ｏ）との間の摩擦状態を推定する推定ステップと、を備える。
【選択図】図１Ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、鉄道車両用の推定方法であって、
当該鉄道車両用の推定方法は、
前記鉄道車両が曲線路を走行するとき、前記接線力検出器、前記横圧検出器、及び前記輪重検出器の各々から検出データを取得して、前記曲線路の内軌側における前記車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する測定ステップと、
前記接線力Ｔｉ、前記横圧Ｑｉ、及び前記輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する導出ステップと、
前記横圧輪重比κｉ、及び前記接線力横圧比Ｙｉに基づいて、前記曲線路の外軌側における前記車輪と前記レールとの間の摩擦状態を推定する推定ステップと、を備える、鉄道車両用の推定方法。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両用の推定方法であって、
前記推定ステップは、前記接線力横圧比Ｙｉが０．１以上である場合、前記外軌側における前記摩擦状態が不適当であると推定し、前記接線力横圧比Ｙｉが０．１未満である場合、前記外軌側における前記摩擦状態が適当であると推定する、鉄道車両用の推定方法。

【請求項3】

請求項２に記載の鉄道車両用の推定方法であって、
前記推定ステップは、前記横圧輪重比κｉが０．３以上である場合、前記内軌側における前記車輪と前記レールとの間の摩擦状態が不適当であると推定し、前記横圧輪重比κｉが０．３未満である場合、前記内軌側における前記摩擦状態が適当であると推定する、鉄道車両用の推定方法。

【請求項4】

先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、鉄道車両用の推定装置であって、
当該鉄道車両用の推定装置は、
前記鉄道車両が曲線路を走行するとき、前記接線力検出器、前記横圧検出器、及び前記輪重検出器の各々から検出データを取得して、前記曲線路の内軌側における前記車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する測定部と、
前記接線力Ｔｉ、前記横圧Ｑｉ、及び前記輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する導出部と、
前記横圧輪重比κｉ、及び前記接線力横圧比Ｙｉに基づいて、前記曲線路の外軌側における前記車輪と前記レールとの間の摩擦状態を推定する推定部と、を備える、鉄道車両用の推定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の鉄道車両用の推定装置であって、
前記推定部は、前記接線力横圧比Ｙｉが０．１以上である場合、前記外軌側における前記摩擦状態が不適当であると推定し、前記接線力横圧比Ｙｉが０．１未満である場合、前記外軌側における前記摩擦状態が適当であると推定する、鉄道車両用の推定装置。

【請求項6】

請求項５に記載の鉄道車両用の推定装置であって、
前記推定部は、前記横圧輪重比κｉが０．３以上である場合、前記内軌側における前記車輪と前記レールとの間の摩擦状態が不適当であると推定し、前記横圧輪重比κｉが０．３未満である場合、前記内軌側における前記摩擦状態が適当であると推定する、鉄道車両用の推定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鉄道車両用の推定方法及び鉄道車両用の推定装置に関する。より詳細には、本開示は、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、鉄道車両用の推定方法及び鉄道車両用の推定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両は、台車と、台車上に支持された車体とを備える。台車は、前と後にそれぞれ輪軸を備え、輪軸の左と右にそれぞれ車輪が設けられている。車両は、レール上を走行する。

【0003】

地下鉄等のような都市内の鉄道では、地形的な制約により、曲線路が多い。車両が曲線路を走行するとき、特に先頭輪軸の外軌側において、車輪がレールと激しく接触する。このとき、外軌側の車輪及びレールに関し、潤滑が不十分なために摩擦状態が不適当な状態となっていると、脱線に対する余裕度が低下するだけでなく、車輪及びレールが摩耗しやすい。車輪とレールとの間の摩擦状態は、潤滑剤（例：グリス）によって適当な状態にされる。摩擦状態が適当な状態とは、潤滑が十分なウェット状態を意味し、摩擦状態が不適当な状態とは、潤滑が不十分なドライ状態を意味する。したがって、脱線に対する余裕度を確保するとともに、外軌側で車輪及びレールの摩耗を低減するため、車輪とレールとの間の摩擦状態を把握することが求められる。

【0004】

非特許文献１には、摩擦状態図によって車輪とレールとの間の摩擦状態を把握する技術が記載されている。非特許文献１の技術で用いられる摩擦状態図は、内軌側の輪重Ｐｉに対する横圧Ｑｉの比で表される横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）と、内軌側の輪重Ｐｉに対する接線力Ｔｉの比で表される接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉとの関係を示している。この摩擦状態図において、内軌側の摩擦状態がドライ状態であると、横圧輪重比κｉが高くなり、内軌側の摩擦状態がウェット状態であると、横圧輪重比κｉが低くなる。ここで、内軌側の摩擦状態がドライ状態である場合、すなわち横圧輪重比κｉが高い場合、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉが高くなり、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉが低くなる。

【0005】

したがって、非特許文献１の技術によれば、曲線路の走行時に内軌側の輪重Ｐｉ及び横圧Ｑｉを測定すれば、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）の大小により、内軌側の摩擦状態が不適当な状態（ドライ状態）か適当な状態（ウェット状態）かを判別することができる。また、曲線路の走行時に内軌側の輪重Ｐｉ及び接線力Ｔｉを測定すれば、内軌側の摩擦状態がドライ状態のために横圧輪重比κｉが高い場合、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉの大小により、外軌側の摩擦状態が不適当な状態（ドライ状態）か適当な状態（ウェット状態）かを判別することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】松田卓也、外１２名、「ＰＱモニタリング台車を用いた各曲線で発生するフランジ摩耗量の推定方法について」、第２６回鉄道技術連合シンポジウム（Ｊ－Ｒａｉｌ ２０１９）、２０１９年１２月４日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、非特許文献１に記載される通り、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合、すなわち横圧輪重比κｉが低い場合、外軌側の摩擦状態がドライ状態であってもウェット状態であっても、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉは、同程度に低くなる。そのため、内軌側の摩擦状態がウェット状態のために横圧輪重比κｉが低い場合、外軌側の摩擦状態が不適当な状態か適当な状態かを判別することは難しい。

【0008】

本開示の目的は、内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定することができる、鉄道車両用の推定方法及び鉄道車両用の推定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る鉄道車両用の推定方法は、先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、方法である。当該鉄道車両用の推定方法は、測定ステップと、導出ステップと、推定ステップと、を備える。測定ステップは、鉄道車両が曲線路を走行するとき、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器の各々から検出データを取得して、曲線路の内軌側における車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。導出ステップは、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する。推定ステップは、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する。

【0010】

本開示に係る鉄道車両用の推定装置は、先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、装置である。当該鉄道車両用の推定装置は、測定部と、導出部と、推定部と、を備える。測定部は、鉄道車両が曲線路を走行するとき、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器の各々から検出データを取得して、曲線路の内軌側における車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。導出部は、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する。推定部は、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する。

【発明の効果】

【0011】

本開示に係る鉄道車両用の推定方法及び鉄道車両用の推定装置によれば、内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】図１Ａは、曲線路を走行する鉄道車両の先頭輪軸の車輪に作用する力を示す模式図である。

【図1B】図１Ｂは、曲線路を走行する鉄道車両の先頭輪軸の車輪に作用する力を示す模式図である。

【図1C】図１Ｃは、曲線路を走行する鉄道車両の先頭輪軸の車輪に作用する力を示す模式図である。

【図1D】図１Ｄは、曲線路を走行する鉄道車両の先頭輪軸の車輪に作用する力を示す模式図である。

【図2】図２は、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）と接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉとの関係を示す図である。

【図3】図３は、相互に摩擦状態が異なる曲線路を鉄道車両が走行するときの摩擦円を示す模式図である。

【図4】図４は、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）と接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）との関係を示す図である。

【図5】図５は、本実施形態に係る鉄道車両用の推定装置の全体構成を示す模式図である。

【図6】図６は、推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

【図7】図７は、推定装置が実行する処理を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

上記目的を達成するため、本発明者らは、鋭意検討を重ね、下記の知見を得た。

【0014】

まず、図１Ａ～図１Ｄを参照して、相互に摩擦状態が異なる曲線路を鉄道車両が走行するときの様子を説明する。図１Ａ～図１Ｄは、台車１の先頭輪軸２の各車輪３ｉ，３ｏに作用する力を示す模式図である。各図には、内軌側レール５ｉ及び外軌側レール５ｏからなる曲線路を走行する台車１の上面図が示される。図１Ａ～図１Ｄ中の点線矢印は、鉄道車両が進む方向を示している。

【0015】

図１Ａには、内軌側及び外軌側の摩擦状態がいずれもドライ状態である場合が示される。図１Ｂには、内軌側の摩擦状態がドライ状態で、外軌側の摩擦状態がウェット状態である場合が示される。図１Ｃには、内軌側の摩擦状態がウェット状態で、外軌側の摩擦状態がドライ状態である場合が示される。図１Ｄには、内軌側及び外軌側の摩擦状態がいずれもウェット状態である場合が示される。各図には、理解を容易にするため、ウェット状態のレール５ｉ，５ｏにハッチングを付している。

【0016】

鉄道車両が曲線路を走行するとき、内軌側車輪３ｉは内軌側レール５ｉ上を転がり、外軌側車輪３ｏは外軌側レール５ｏ上を転がる。このとき、内軌側では、車輪３ｉはレール５ｉと比較的緩やかに接触する。一方、外軌側では、車輪３ｏはレール５ｏと激しく接触する。その際、内軌側車輪３ｉには、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉが作用する。外軌側車輪３ｏには、接線力Ｔｏ、横圧Ｑｏ、及び輪重Ｐｏが作用する。

【0017】

本明細書において、接線力Ｔｉ，Ｔｏ、横圧Ｑｉ，Ｑｏ、及び輪重Ｐｉ，Ｐｏそれぞれの意味は、以下の通りである。接線力Ｔｉ，Ｔｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏを前後方向に押す力を意味する。接線力Ｔｉ，Ｔｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏから受ける前後方向の力とも言える。横圧Ｑｉ，Ｑｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏを左右方向に押す力を意味する。横圧Ｑｉ，Ｑｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏから受ける左右方向の力とも言える。輪重Ｐｉ，Ｐｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏを上下方向に押す力を意味する。輪重Ｐｉ，Ｐｏは、レール５ｉ，５ｏが車輪３ｉ，３ｏから受ける上下方向の力とも言える。ここで、前後方向は、鉄道車両が走行する方向であり、輪軸２の軸方向に垂直な水平方向である。左右方向は、輪軸２の軸方向と平行な方向である。上下方向は、輪軸２の軸方向に垂直な鉛直方向である。

【0018】

内軌側の横圧Ｑｉは、外軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかによらず、内軌側の摩擦状態がドライ状態である場合に大きく（図１Ａ及び図１Ｂ参照）、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合に小さい（図１Ｃ及び図１Ｄ参照）。要するに、内軌側の横圧Ｑｉは、内軌側の摩擦状態に依存し、内軌側の車輪３ｉとレール５ｉとの間の摩擦係数に応じて大きく変化する。したがって、非特許文献１に記載されるような内軌側の横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）を指標にすれば、内軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかを判別することが可能である。

【0019】

接線力Ｔｉ，Ｔｏは、内軌側車輪３ｉと外軌側車輪３ｏに偶力として対称に作用する。摩擦状態がウェット状態であれば、車輪３ｉ，３ｏとレール５ｉ，５ｏとの間の摩擦係数が低く、接線力Ｔｉ，Ｔｏは小さい。そのため、図１Ｂ～図１Ｄに示すように、内軌側及び外軌側の少なくとも一方の摩擦状態がウェット状態であると、接線力Ｔｉ，Ｔｏは小さい。具体的には、内軌側の接線力Ｔｉは、内軌側及び外軌側の両方の摩擦状態がドライ状態である場合に最も大きく（図１Ａ参照）、内軌側及び外軌側の一方の摩擦状態がウェット状態である場合に小さく（図１Ｂ及び図１Ｃ参照）、内軌側及び外軌側の両方の摩擦状態がウェット状態である場合に最も小さい（図１Ｄ参照）。

【0020】

要するに、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、内軌側の摩擦状態がドライ状態である場合、接線力Ｔｉ，Ｔｏは、外軌側の摩擦状態に依存し、外軌側の車輪３ｏとレール５ｏとの間の摩擦係数に応じて大きく変化する。したがって、内軌側の摩擦状態がドライ状態である場合、非特許文献１に記載されるような内軌側の接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉを指標にすれば、外軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかを判別することが可能である。

【0021】

しかしながら、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合は、そもそも接線力Ｔｉ，Ｔｏが小さい。そのため、外軌側の摩擦係数の影響で接線力Ｔｉ，Ｔｏが変化しても、その変化量は非常に小さい。したがって、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合、非特許文献１に記載されるような内軌側の接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉを指標にしても、外軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかを判別することは難しい。

【0022】

［従来の指標の検証］
以下、従来の指標について、実例を挙げて説明する。ある１つの曲線路について、ＰＱモニタリング台車を備えた鉄道車両を一定期間走行させ、先頭輪軸２の内軌側車輪３ｉに作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定した。ＰＱモニタリング台車は、先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた台車であり、内軌側車輪３ｉに作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定することが可能な台車である。図２に測定結果を示す。

【0023】

図２は、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）と接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉとの関係を示す図である。図２は、非特許文献１に記載された技術で用いられる摩擦状態図に相当する。図２を参照して、横圧輪重比κｉが大きい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．３以上の領域では、内軌側の摩擦状態がドライ状態である。逆に、横圧輪重比κｉが小さい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．３未満の領域では、内軌側の摩擦状態がウェット状態である。

【0024】

横圧輪重比κｉが大きい領域では、互いに離れた２つのクラスタが存在する。接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉの大きいクラスタは、外軌側の摩擦状態がドライ状態であることを意味し、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉの小さいクラスタは、外軌側の摩擦状態がウェット状態であることを意味する。

【0025】

そのため、図２より、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）が大きくて、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉが、大きいクラスタ内に含まれていれば、内軌側及び外軌側の両方の摩擦状態がドライ状態であると認識できる。また、横圧輪重比κｉが大きくて、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉが、小さいクラスタ内に含まれていれば、内軌側の摩擦状態がドライ状態であり、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識できる。したがって、内軌側の摩擦状態がドライ状態であれば、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉによって外軌側の摩擦状態を判別することができる。

【0026】

一方、横圧輪重比κｉが小さい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．２の付近では、２つのクラスタが互いに接近している。したがって、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合、接線力輪重比Ｔｉ／Ｐｉによって外軌側の摩擦状態を判別することは難しい。

【0027】

そこで、内軌側の摩擦状態がドライ状態であってもウェット状態であっても、外軌側の摩擦状態を判別できる新たな指標を検討した。

【0028】

［新たな指標の検討］
車輪３ｉ，３ｏとレール５ｉ，５ｏとの接触関係において、クリープ力（すなわち摩擦力）の大きさには限界がある。摩擦係数を評価したい急曲線路を鉄道車両が走行するとき、内軌側の車輪３ｉとレール５ｉとの間のクリープ力は飽和している。この場合のクリープ力は、接線力Ｔｉと横圧Ｑｉの合力となり、接線力Ｔｉの大きさと横圧Ｑｉの大きさとの比率により円を描く。この円は、いわゆる摩擦円に相当する。摩擦円は、本来、自動車が旋回しているときのタイヤと路面との間の動的相互作用を考えるときに利用される。鉄道車両は固定のレール上を走行するため、鉄道車両に対して摩擦円が利用されることはなかった。

【0029】

図３は、相互に摩擦状態が異なる曲線路を鉄道車両が走行するときの摩擦円を示す模式図である。図３の左上欄には、内軌側及び外軌側の摩擦状態がいずれもドライ状態である場合が示され、これは図１Ａの摩擦状態に対応する。図３の右上欄には、内軌側の摩擦状態がドライ状態で、外軌側の摩擦状態がウェット状態である場合が示され、これは図１Ｂの摩擦状態に対応する。図３の左下欄には、内軌側の摩擦状態がウェット状態で、外軌側の摩擦状態がドライ状態である場合が示され、これは図１Ｃの摩擦状態に対応する。図３の右下欄には、内軌側及び外軌側の摩擦状態がいずれもウェット状態である場合が示され、これは図１Ｄの摩擦状態に対応する。

【0030】

曲線路を走行する鉄道車両において、摩擦円Ｃｉの半径は、摩擦係数μｉと輪重Ｐｉの積となる。そのため、内軌側の摩擦状態がドライ状態であり、その摩擦係数μｉが大きい場合、摩擦円Ｃｉは大きい（図３の左上欄及び右上欄参照）。一方、内軌側の摩擦状態がウェット状態であり、その摩擦係数μｉが小さい場合、摩擦円Ｃｉは小さい（図３の左下欄及び右下欄参照）。

【0031】

図３の左下欄及び右下欄に示すように、内軌側の摩擦状態がウェット状態である場合、外軌側の摩擦係数μｏの影響で接線力Ｔｉ，Ｔｏが変化しても、接線力Ｔｉの絶対値の変化量は小さい。ただし、この場合、横圧Ｑｉに対する接線力Ｔｉの比で表される接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）は、大きく変化している。接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）は、合力ベクトルの方向を意味する。この場合、接線力横圧比Ｔｉ／Ｑｉの大小に、外軌側の摩擦係数の影響が大きく表れる。したがって、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を指標にすれば、内軌側の摩擦状態がウェット状態で、接線力Ｔｉの絶対値が小さくても、外軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかを判別することができる。

【0032】

また、図３の左上欄及び右上欄に示すように、内軌側の摩擦状態がドライ状態である場合、外軌側の摩擦係数μｏの影響で接線力Ｔｉ，Ｔｏが変化すれば、接線力Ｔｉの絶対変化量も大きい。この場合、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）は、当然に大きく変化している。したがって、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を指標にすれば、内軌側の摩擦状態がドライ状態であっても、外軌側の摩擦状態がドライ状態であるかウェット状態であるかを判別することができる。

【0033】

［新たな指標の検証］
以下、図４を参照して、新たな指標について、実例を挙げて説明する。図４は、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）と接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）との関係を示す図である。図４は、図２で用いた接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを新たな指標で整理したものである。

【0034】

図４を参照して、横圧輪重比κｉの全域にわたって、互いに明確に分離した２つのクラスタが存在する。横圧輪重比κｉが小さい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．２の付近でも、２つのクラスタは互いに明確に分離している。具体的には、横圧輪重比κｉと接線力横圧比Ｙｉとの関係は、外軌側の摩擦状態に応じて、接線力横圧比Ｙｉが大きいところに分布するものと、接線力横圧比Ｙｉが小さいところに分布するものとに明確に区分される。接線力横圧比Ｙｉの大きいクラスタは、外軌側の摩擦状態がドライ状態であることを意味し、接線力横圧比Ｙｉの小さいクラスタは、外軌側の摩擦状態がウェット状態であることを意味する。

【0035】

そのため、図４より、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）が、大きいクラスタ内に含まれていれば、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識できる。また、接線力横圧比Ｙｉが、小さいクラスタ内に含まれていれば、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識できる。したがって、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）によって外軌側の摩擦状態を判別することができる。

【0036】

図４に示す例では、接線力横圧比Ｙｉが０．１以上であるか否かで外軌側の摩擦状態を判別することができる。具体的には、接線力横圧比Ｙｉが０．１以上である場合、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると判定し、外軌側の摩擦状態が不適当であると推定することができる。逆に、接線力横圧比Ｙｉが０．１未満である場合、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると判定し、外軌側の摩擦状態が適当であると推定することができる。

【0037】

また、図４を参照して、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）が大きい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．３以上の領域では、内軌側の摩擦状態がドライ状態である。逆に、横圧輪重比κｉが小さい領域、例えば横圧輪重比κｉが０．３未満の領域では、内軌側の摩擦状態がウェット状態である。

【0038】

そのため、図４より、横圧輪重比κｉが大きければ、内軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識できる。また、横圧輪重比κｉが小さければ、内軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識できる。したがって、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）によって内軌側の摩擦状態を判別することができる。

【0039】

図４に示す例では、横圧輪重比κｉが０．３以上であるか否かで内軌側の摩擦状態を判別することができる。具体的には、横圧輪重比κｉが０．３以上である場合、内軌側の摩擦状態がドライ状態であると判定し、内軌側の摩擦状態が不適当であると推定することができる。逆に、横圧輪重比κｉが０．３未満である場合、内軌側の摩擦状態がウェット状態であると判定し、内軌側の摩擦状態が適当であると推定することができる。

【0040】

本実施形態に係る鉄道車両用の推定方法及び推定装置は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

【0041】

本実施形態に係る鉄道車両用の推定方法は、先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、方法である。当該鉄道車両用の推定方法は、測定ステップと、導出ステップと、推定ステップと、を備える。測定ステップは、鉄道車両が曲線路を走行するとき、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器の各々から検出データを取得して、曲線路の内軌側における車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。導出ステップは、輪重Ｐｉ、横圧Ｑｉ、及び接線力Ｔｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する。推定ステップは、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する。

【0042】

本実施形態の推定方法では、鉄道車両が曲線路を走行するとき、測定ステップにおいて、先頭輪軸の内軌側車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。さらに、導出ステップにおいて、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）、及び接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を導出する。そして、推定ステップにおいて、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、外軌側の摩擦状態を推定する。ここで、横圧輪重比κｉと接線力横圧比Ｙｉとの関係は、外軌側の摩擦状態に応じて、接線力横圧比Ｙｉが大きいところに分布するものと、接線力横圧比Ｙｉが小さいところに分布するものとに明確に区分される。導出ステップで導出された接線力横圧比Ｙｉが大きければ、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識することができる。逆に、導出ステップで導出された接線力横圧比Ｙｉが小さければ、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識することができる。このような判別は、内軌側の摩擦状態がドライ状態であってもウェット状態であっても変わらない。したがって、内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側の摩擦状態を判別して、推定することができる。

【0043】

上記推定方法において、例えば、推定ステップは、接線力横圧比Ｙｉが０．１以上である場合、外軌側における摩擦状態が不適当であると推定し、接線力横圧比Ｙｉが０．１未満である場合、外軌側における摩擦状態が適当であると推定する。この場合、導出ステップで導出された接線力横圧比Ｙｉが０．１以上であるか否かにより、外軌側の摩擦状態を推定することができる。

【0044】

上記推定方法において、例えば、推定ステップは、横圧輪重比κｉが０．３以上である場合、内軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態が不適当であると推定し、横圧輪重比κｉが０．３未満である場合、内軌側における摩擦状態が適当であると推定する。この場合、導出ステップで導出された横圧輪重比κｉが０．３以上であるか否かにより、内軌側の摩擦状態を推定することができる。

【0045】

本実施形態に係る鉄道車両用の推定装置は、先頭輪軸の左右の車輪それぞれに対して、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器を備えた鉄道車両を用い、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する、装置である。当該鉄道車両用の推定装置は、測定部と、導出部と、推定部と、を備える。測定部は、鉄道車両が曲線路を走行するとき、接線力検出器、横圧検出器、及び輪重検出器の各々から検出データを取得して、曲線路の内軌側における車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。導出部は、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、Ｑｉ／Ｐｉで表される横圧輪重比κｉ、及びＴｉ／Ｑｉで表される接線力横圧比Ｙｉを導出する。推定部は、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態を推定する。

【0046】

本実施形態の推定装置では、鉄道車両が曲線路を走行するとき、測定部は、先頭輪軸の内軌側車輪に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。さらに、導出部は、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）、及び接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を導出する。そして、推定部は、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、外軌側の摩擦状態を推定する。ここで、上述の通り、横圧輪重比κｉと接線力横圧比Ｙｉとの関係は、外軌側の摩擦状態に応じて、接線力横圧比Ｙｉが大きいところに分布するものと、接線力横圧比Ｙｉが小さいところに分布するものとに明確に区分される。導出部で導出された接線力横圧比Ｙｉが大きければ、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識することができる。逆に、導出部で導出された接線力横圧比Ｙｉが小さければ、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識することができる。このような判別は、内軌側の摩擦状態がドライ状態であってもウェット状態であっても変わらない。したがって、内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側の摩擦状態を判別して、推定することができる。

【0047】

上記推定装置において、例えば、推定部は、接線力横圧比Ｙｉが０．１以上である場合、外軌側における摩擦状態が不適当であると推定し、接線力横圧比Ｙｉが０．１未満である場合、外軌側における摩擦状態が適当であると推定する。この場合、導出部で導出された接線力横圧比Ｙｉが０．１以上であるか否かにより、外軌側の摩擦状態を推定することができる。

【0048】

上記推定装置において、例えば、推定部は、横圧輪重比κｉが０．３以上である場合、内軌側における車輪とレールとの間の摩擦状態が不適当であると推定し、横圧輪重比κｉが０．３未満である場合、内軌側における摩擦状態が適当であると推定する。この場合、導出部で導出された横圧輪重比κｉが０．３以上であるか否かにより、内軌側の摩擦状態を推定することができる。

【0049】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、重複する説明を繰り返さない。

【0050】

［鉄道車両用の推定方法及び推定装置］
図５は、本実施形態に係る鉄道車両用の推定装置の全体構成を示す模式図である。図５には、鉄道車両１００を前後方向に沿って見たときの様子が示される。図５を参照して、鉄道車両１００は、台車１と、台車１に支持された車体１０とを含む。１つの車体１０の前と後にそれぞれ台車１が配置されている。台車１は、前と後にそれぞれ輪軸２を備える。輪軸２の左と右にそれぞれ車輪３が設けられている。鉄道車両１００はレール５上を走行する。

【0051】

本実施形態で用いられる台車１は、ＰＱモニタリング台車である。台車１は、先頭輪軸２の左右の車輪３それぞれに対して、接線力検出器６、横圧検出器７、及び輪重検出器８を備える。接線力検出器６としては、ひずみゲージを用いることができる。横圧検出器７としては、渦電流式変位センサを用いることができる。横圧検出器７は、例えば、車輪３の板部の変形量を検出する。輪重検出器８としては、磁歪式変位センサを用いることができる。輪重検出器８は、例えば、軸ばねのたわみ量を検出する。

【0052】

鉄道車両１００は、推定装置２０を備える。接線力検出器６、横圧検出器７、及び輪重検出器８は、推定装置２０に接続されている。推定装置２０は、測定部２１、導出部２２、及び推定部２３を含む。推定装置２０は、例えば、後述する各処理を実行するプログラムがインストールされたコンピュータである。

【0053】

測定部２１は、接線力検出器６、横圧検出器７、及び輪重検出器８の各々から検出データを取得して、内軌側の車輪３に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。導出部２２は、接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）、及び接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を導出する。推定部２３は、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、外軌側の車輪３とレール５との間の摩擦状態を推定する。

【0054】

図６は、推定装置２０のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、推定装置２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１と、主記憶装置３２と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３３と、補助記憶装置３４と、を備える。ＣＰＵ３１、主記憶装置３２、インタフェース３３、及び補助記憶装置３４は、バス３５により互いに通信可能に接続されている。

【0055】

主記憶装置３２は、ＣＰＵ３１のワークエリア等になるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等である。インタフェース３３は、接線力検出器６、横圧検出器７、及び輪重検出器８（図５参照）に接続されている。インタフェース３３は、表示器（図示略）に接続されていてもよい。補助記憶装置３４は、各種データやプログラム等が記憶されるＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）である。補助記憶装置３４は、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等のような記憶媒体であってもよい。補助記憶装置３４には、輪重Ｐｉ、横圧Ｑｉ、及び接線力Ｔｉを算出する処理を実行するプログラム、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉを導出する処理を実行するプログラム、及び車輪３とレール５との間の摩擦状態を推定する処理を実行するプログラムが格納されている。各種のプログラムが主記憶装置３２にロードされて、ＣＰＵ３１がプログラムを実行し、その結果が表示器に表示される。

【0056】

以下、図５、図６、及び図７を参照して、推定装置２０による処理を詳細に説明する。図７は、推定装置２０が実行する処理を説明するフローチャートである。図７に示すように、推定装置２０は、測定処理（＃５）と、導出処理（＃１０）と、推定処理（＃１５）とを実行するように構成される。

【0057】

まず、図７のステップ＃５に示すように、推定装置２０のうちの測定部２１は、鉄道車両１００が曲線路を走行するとき、各検出器から検出データを取得する。具体的には、推定装置２０において、測定部２１は、接線力検出器６から接線力に関する検出データを取得する。測定部２１は、横圧検出器７から横圧に関するデータを取得する。さらに、測定部２１は、輪重検出器８から輪重に関するデータを取得する。測定部２１は、取得した各種の検出データに対して演算処理を行う。これにより、曲線路の内軌側における車輪３に作用する接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉを測定する。

【0058】

次に、図７のステップ＃１０に示すように、推定装置２０のうちの導出部２２は、測定部２１で測定した接線力Ｔｉ、横圧Ｑｉ、及び輪重Ｐｉより、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）、及び接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）を導出する。

【0059】

次に、図７のステップ＃１５に示すように、推定装置２０のうちの推定部２３は、横圧輪重比κｉ、及び接線力横圧比Ｙｉに基づいて、曲線路の外軌側における車輪３とレール５との間の摩擦状態を推定する。

【0060】

例えば、推定部２３は、接線力横圧比Ｙｉ（＝Ｔｉ／Ｑｉ）が所定の閾値以上であるか否かを判断する。ここで、横圧輪重比κｉと接線力横圧比Ｙｉとの関係は、外軌側の摩擦状態に応じて、接線力横圧比Ｙｉが大きいところに分布するものと、接線力横圧比Ｙｉが小さいところに分布するものとに明確に区分される。その境界を閾値とすればよい。例えば、その閾値として、０．１を設定することができる。導出部２２で導出された接線力横圧比Ｙｉが閾値以上であれば、外軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識することができる。この場合、外軌側の摩擦状態が不適当であると推定し、その旨を例えば表示器に出力する。摩擦状態が不適当であると推定された曲線路の外軌側レール５ｏには、潤滑剤を供給すればよい。

【0061】

逆に、導出部２２で導出された接線力横圧比Ｙｉが閾値未満であれば、外軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識することができる。この場合、外軌側の摩擦状態が適当であると推定し、その旨を例えば表示器に出力する。

【0062】

このような判別は、内軌側の摩擦状態がドライ状態であってもウェット状態であっても変わらない。したがって、内軌側の摩擦状態が如何なる状態であっても、外軌側の摩擦状態を判別して、推定することができる。

【0063】

さらに、推定部２３は、横圧輪重比κｉ（＝Ｑｉ／Ｐｉ）が所定の閾値以上であるか否かを判断してもよい。例えば、その閾値として、０．３を設定することができる。導出部２２で導出された横圧輪重比κｉが閾値以上であれば、内軌側の摩擦状態がドライ状態であると認識することができる。この場合、内軌側の摩擦状態が不適当であると推定し、その旨を例えば表示器に出力する。摩擦状態が不適当であると推定された曲線路の内軌側レール５ｉには、潤滑剤を供給すればよい。

【0064】

逆に、導出部２２で導出された横圧輪重比κｉが閾値未満であれば、内軌側の摩擦状態がウェット状態であると認識することができる。この場合、内軌側の摩擦状態が適当であると推定し、その旨を例えば表示器に出力する。

【0065】

以上、本開示に係る実施形態を説明した。しかしながら、上述した実施形態は例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変更して実施することができる。

【符号の説明】

【0066】

１００：鉄道車両
１：台車
２：先頭輪軸
３：車輪
３ｉ：内軌側車輪
３ｏ：外軌側車輪
５：レール
５ｉ：内軌側レール
５ｏ：外軌側レール
６：接線力検出器
７：横圧検出器
８：輪重検出器
２０：推定装置
Ｔｉ：接線力
Ｑｉ：横圧
Ｐｉ：輪重

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】