JR九州続々採用 上下制振制御システムとは

最近ではローカル線の活性化策として旧型車両を改造した観光列車が運行されています。旧型車両がローカル線を走るが故に起こる乗り心地の悪さを改善するため、上下の揺れを低減する「上下制振制御システム」をJR九州は採用しています。今回は縁の下の力持ち的な技術を紹介します。

なぜ乗り心地が悪い観光列車があるのか？

車両が古い

観光列車と言っても様々なものがありますが、ある程度実績のある路線を走る列車には新型車両が投入されます。しかし、実績がない路線に一両あたり1億を優に越える新型車両を投入するのは、鉄道会社としても大きなリスクです。

そこで最近流行っているのは、旧型車両を改造して観光列車にするという方法です。旧型車両であれば改造費のみで済みますし、鋼鉄製の古い車両であればステンレス・アルミなどの最近の車両より自由度が高く改造できる利点もあります。思ったより人気が出なければ気軽に廃車にも出来ます。

逆にデメリットとしては旧型であるため、最近の電車より五月蝿かったり振動が激しかったりします。今回注目する上下の振動という問題においてですが、改造用の車両の台車が最近の車両と同じ空気バネを採用しているタイプであればまだマシなのですが、コイばねの場合は更に乗り心地が悪くなります。観光列車はローカル線を走る関係で古い気動車が改造車のベースとなる場合も多く、コイルばねを使った台車の場合も多くあります。

線路の状態が悪い

都市部の通勤路線や貨物が多く通る幹線などであれば、線路は太くしっかりした繋ぎ目の少ないロングレールが採用され、枕木はコンクリート製で保線も頻繁に行われています。

しかし、運行本数が少なく利益の出ないローカル線では、最低限の設備投資となります。そのため線路は必要最低限の太さで、継ぎ目の多い昔ながらの線路を使用し、保守も最低限となります。それにより振動が大きくなり乗り心地が悪くなります。

旧型車両に装着できる可変減衰上下動ダンパー

当たり前ですが、電車が走っていれば揺れます。その揺れを抑えるため、横揺れに対しては近年様々な対策が採られています。数々の技術の中で「セミアクティブサスペンションダンパー」というものがあります。これは進行方向に対し垂直に取り付けた可変減衰ダンパーのダンパー内に内蔵した弁を電子的に制御し硬さを調整、横揺れを低減するものです。「フルアクティブサスペンションダンパー」のような動力源を必要としないのも利点です。

上下振動制御に使う「可変減衰上下動ダンパー」も根本の理屈で言えばおおよそ同じです。車体に速度や振動を感知するセンサーを装着し、そのデータを下に台車に垂直に取り付けられた可変減衰ダンパーの硬さを電子的に制御して揺れを低減します。

この装置の一番よいところは後付できることです。この装置は最初に紹介したような観光列車の旧型車両・ローカル線特有の乗り心地の悪さを念頭に、JR九州と鉄道総研が共同で開発しました。そのため、最初から後付可能な装置として開発されました。

当初はコイルばね台車に後付けするため開発されましたが、「ななつ星in九州」を製造にするにあたり空気バネ台車台にも取り付け可能なよう改良がされました。今では空気ばねでもコイルばねでも取り付けることが可能です。「ゆふいんの森」に使用されている2編成のうち1編成はキハ70系とキハ71系の混成編成です。キハ70系はコイルばねでキハ71系は空気ばねと台車の種類も混載していますが、両形式に「可変減衰上下動ダンパー」を搭載しても問題ないほどに進化しています。

更に動力源を必要としない構造のため、コスト低減・信頼性向上・構造の簡素化にも一役かっています。安全性という点では制御システムの電源をOFFにすると、普通のダンパーと同じ用に作動するよう設計されています。そのためダンパー自体の破損以外は、電源をOFFにすることで一先ず安全に走行が可能となります。

これらの理由から改造費用を抑えつつ、乗り心地向上が可能となったのです。

JR九州で現在採用中は5列車

現在JR九州でこのシステムを採用しているのは「指宿たまて箱」「はやとの風」「ななつ星in九州」「或る列車」「ゆふいんの森(2編成のうち1編成)」の5列車です。

JR九州以外の採用については私のリサーチ不足のため分かりませんが、今後も多くの列車に採用されていくと思います。

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今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part3

前回の今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part2に続くPart3です。最初は展示の話ではないですが、以前から気になっていたことについてその道のプロに聞いてみました。

シングルアームパンタグラフあれこれなど

1.雪対策として効果あるのか
2.下枠交差などと比べて強度は
3.パンタグラフを付ける向きに意味はるのか

A1.雪対策としては有意な差がある
パンタグラフ自体の面積が少なくなるので大きな差とまでは言えなくとも、はっきりとした差はあるそうです。なのでJR東日本や北海道では明確にそれをメリットの一つとしてパンタを交換しました。

A2.強度に差はあるが微妙なところ
確かに強度に差がないとは言えないそうなのですが、例えば架線にビニールがひっかかっていた場合などに壊れやすさに大きな差が出るかというと微妙なところのようです。また、ビニールでも農業用の厚手のビニールなんかは強度もあるので強敵なのだそうです。

A3.新幹線なら有意な差がある
シングルアームパンタグラフは形が非対称ではない「くの字」に折れ曲がった形をしていますが、くの字の尖ったほうに列車が進むときは「なびき」、くの字とは反対方向に進む場合は「反なびき」というそうで、空気抵抗は速度の二乗倍で大きくなることもあり反なびきの時には影響が多くなるそうです。また、非対称であることで進行方向によって周囲に及ぼす影響が変化するために設計の面でも厄介な部分です。

ここで思い出されるのは左右対称の500系の翼型パンタグラフでそれについても聞いてみたのですが、あれは性能自体は良好だったが維持費が高くて断念したそうです。翼型はパンタグラフが上下に可動して架線に追随するのですが、パンタグラフ自体には空気や架線からの抵抗で左右にも負荷がかかります。その動きを実現するための整備JRを西日本で行うことが出来ず、毎回メーカー送りによる整備を必要としたためコストが高くなってしまったそうです。

・非常ブレーキの圧力について
ブレーキを出来るだけ短い距離でかけたい場合は車輪が滑走しないギリギリを狙わなくてはなりません。そのためブレーキの種類や車体の重さに合わせて圧力を変える必要があり、一般的に700～620kPha程度の圧力を制輪子に加えるそうで新幹線の場合は高速で運転しているのでもっと圧力は小さくなるそうです。更にそのときの圧力や減速力のかかり具合をどうするかも各社によって考え方が異なるようで、最大のブレーキ力がかかるようにや直線的に最初から最後まで一定の具合になるよう調節するなどあるそうです。

試験車両展示

あまり多くの話を聞くことは出来なかったので簡単に書いていきます。

R291 構内用試験電車

この車両は省エネルギー開発などを目的に新製された車両で、VVVF制御の95kwのモーターを搭載の1M1Tの120km/hで走行できる性能があります。

注目して欲しいのは台車で、車体はJR西日本の223系と同じなのに台車はJR東日本E231系で採用されているものとなっています。現在は燃料電池関係で使用されているそうです。

元八高線キハ30形

こちらは八高線で使われていたキハ30形をエンジン・クラッチの換装、電子制御化改造したものです。電子制御や電車との協調運転の試験を行っていたそうで、現在も試験車両として現役です。

写真でも床下に新しい機材が搭載されているのを確認することができます。

新幹線タイプの試験車

ボロボロなのでもう使ってないのかと思ったのですが、車体のほうがボロボロでも困らないのでそのまま使っているそうです。確かに台車はピカピカで整備されていることが写真でも分かると思います。

今回初めて鉄道総研の一般公開に参加したのでかなり楽しめました。
とくにプロの方の意見を聞けるのはとても有意義でした。
いずれまた訪れてみたいと思います。

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今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part2

前回の今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part1に続き鉄道総合技術研究所一般公開　第27回平兵衛まつりについてです。

レール溶接実演と5000kN 万能材料試験装置

私の持つYoutubeチャンネルでこの二つは詳しく見ることが出来るのでさらっと書いていきたいと思います。また、5000kN 万能材料試験装置については実験棟内だったのですが、撮影して良い言ってくださったので撮影しました。

テルミット溶接実演の準備作業

様々な溶接断面(正中線)
境界線のようなものが反応面で中心が流し込んだ材料

レール溶接実演

これは一日二回行われた実演作業で二つの50キロレールをテルミット溶接で一本のレールにするというものです。実演は実際の現場で作業されている方が実演してくださいました。

溶接自体は割りと地味な印象を受けたのですが、溶接のあとのデコボコになった部分をグラインダーで研磨して平らにする作業はなかなか派手でした。溶接や研磨の際は係りの方から少し離れるよう指示がでるのですが、グラインダーで研磨しているときは火花が離れていても飛び散ってきます。結構大きな火花がカメラや洋服に飛んでくるのでレンズが破損したり服が焦げてしまうのではないかと心配になるほど派手に飛んできます。

この溶接が結構お高いらしいので値段を聞いてみたのですが、地方私鉄では難しい場合のある値段だと細かい値段ははぐらかされてしまいました。

万能材料試験装置で破断したレール溶接面

5000kN 万能材料試験装置

こちらは先ほど溶接した50キロレールの溶接面に上から負荷をかけて真っ二つにへし折ります。

このようにレール溶接面を破断させるときは各手法での強度計測や手順ごとに生まれる差異を計測していくのが目的だそうです。

試験の手順は溶剤を使い目視で亀裂を確認した後に超音波検査で異常の有無を確認、その後に試験装置で負荷をかけます。今回は91tの負荷で19mmたわんだときに破断しました。

パンタグラフ総合試験装置

ぐるぐる回る円盤の下にパンタグラフが設置されています。円盤は剛体架線に相当するもので、その試験結果を元に一般的な架線での状態が予測できるそうです。なので最終試験にはこの装置とは別の短く架線を張ってパンタグラフをリニア駆動で左右に動く装置を使います。

ただ、この円盤型の装置の動きを改良することで架線を張ったものと同じような試験が出来るよう改良できないか検討もしています。

さららに今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part3へ続く

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今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part1

試験車両 R291と元八高線キハ30改造車

鉄道総合技術研究所一般公開　第27回平兵衛まつりに参加してきました。毎年大きな告知もなく鉄道の日に一番近い土曜日に開催されるのですが、2014年は10月11日の開催になりました。

周りは住宅街になっていて最寄駅の国立駅から徒歩10分程度とアクセスは悪くない場所に立地しています。

この鉄道総研では各種技術開発や計測などを行い日本の鉄道技術の発展に貢献しています。そのため撮影できる場所に制限があり、この記事も文字を主体に何回かに分けて進めていきます。

車内快適性シュミレータ

あまり聞きなれない装置の名前だと思いますがこの装置は擬似的に乗車している感覚を作り出し乗り心地の評価などをする装置で、今回擬似乗車できるということで体験してきました。

大まかなスペック

・三菱フレンション製?

・油圧を使った横2×2列・縦6列の12人乗り

・実際の鉄道車両と同じ座席などを使用

・200インチのリアプロジェクター式モニタにCGの車窓が映る

・振動や映像、傾きで乗車体験を再現する

今回体験したのは新幹線を通常の数倍の速度で走らせたものでした。なぜそのような無茶苦茶なシュミレーションかと言いますと、多くの人に体験してもらえるよう4分で一駅分の体験を出来るようにしたからとのことで、実際だったらリニア並みの加速で脱線しかねない速度との説明がありました。

普段の試験では一般のモニターの方に一時間乗ってもらったりするそうです。実際乗ってみるとなかなかリアルで車窓のCGが安っぽいという以外は本当に乗っているかのような感じで、無茶苦茶なシュミレーションのせいか若干気持ち悪い感じもしました。上のスペックでもあるよう座席は実車と同じものを使っているそうですが、座席は新幹線タイプでテーブルに東海道新幹線っぽい編成表のシールが貼ってありました。

この擬似体験をどう再現するで関心したのは、加速・減速は車体と映像を前後に傾けて窓から見える景色を見かけ上水平にするだけという方法です。カーブは左右に傾ければいいですし振動も小刻みに揺らせば簡単に再現することができるのは分かりますが、加減速の方法は思いつきませんでした。

今回私が聞いた説明ではこの装置には二つの意味があるそうです。実際の乗り心地を客観的に評価してもらうために同じ条件で沢山の人に体験してもらうため、安全性ではなく乗り心地のための基準などを決めるためです。

一つ目ですが乗り心地というのは周りの環境にも作用されるので同じ車両を使っても走らせるたびに若干ですが乗り心地が変ってしまいます。それを避けるために実車を計測→データ化→擬似乗車体験という遠回りなプロセスで様々な人に評価してもらいます。

二つ目についてですが鉄道の設備の基準を決めるにあたって二つの基準があると言えると思います。それは安全に走るための基準と乗客が快適と感じる基準です。安全に走るための基準は重大事故につながるので必ずクリアする必要がありますが、快適性の基準は人それぞれの感じ方の違いやかけられるコストなどがあるので難しい問題です。それを擬似乗車で体験してもらい様々なパラメーターを弄ることで探りだす手助けができます。

今年もひっそり開催 鉄道総研一般開放 Part2に続く

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