2018 Fiscal Year Research-status Report

Vehicle Parameter Optimization Based on Bifurcation Analysis for Avoiding Hunting Motion

Research Project

Project/Area Number	18K04029
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	安藝雅彦日本大学, 理工学部, 助教 (60560480)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	鉄道車両 / 蛇行動 / 非線形振動 / 車両力学
Outline of Annual Research Achievements	鉄道車両はある走行速度（限界速度）以上になると蛇行動と呼ばれる自励振動が発生する．蛇行動は乗客が不快感を覚える乗心地の悪化だけでなく，レールの破壊や脱線の危険すら生じる走行安全上の問題もある．従来，蛇行動を抑制するために台車と輪軸の間の支持ばねの剛性設計が行われてきた．この支持ばね設計では，レール車輪間の力の非線形性を線形化がなされている．近年ではレールと車輪間の力の非線形性を考慮した蛇行動分岐現象の解析も行われている．超臨界ホップ分岐となる車両パラメータであれば車両の運用上蛇行動発生の恐れはないが，亜臨界ホップ分岐となる車両パラメータならば蛇行動発生の恐れを含んで車両を運用することになる．そこで亜臨界ホップ分岐から超臨界ホップ分岐へと分岐特性を変更できるように車両パラメータを最適化することが必要である．そこで，本研究ではレールと車輪間に作用する力の非線形性を考慮して分岐解析を行い，その結果を元に車両パラメータの最適化を実施し，蛇行動限界速度未満で走行中に外乱が加わっても蛇行動が発生しない車両パラメータ最適化手法の構築を目指している．鉄道車両の非線形蛇行動に関する研究は，理論解析またはシミュレーションによる検討が主流であり，実験による検討があまりなされていないのが現状である．本研究では亜臨界ホップ分岐から超臨界ホップ分岐への分岐特性変更を理論解析だけではなく模型実験による検証も目指している．そこで本年度はホップ分岐をレール・車輪間の非線形摩擦力によって発生する亜臨界ホップ分岐および超臨界ホップ分岐を再現するため1/10スケール模型車両製作を実施した．作成した1/10スケール模型車両の限界速度を実験で確認したところ，想定よりも低く限界速度が発生してしまったため，次年度も継続して模型車両製作及びその改良を行う予定である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成30年度は実験装置製作に関する項目として1/10スケール模型車両の3D-CADソフトを使用した設計およびその図面を元にした模型車両製作，模型車両走行用試験ベンチ装置の調整を実施し，理論解析に関する項目として非線形解析用プログラムの開発をMathematicaを用いて実施した．理論解析に関する項目である非線形解析用プログラム開発は順調に進展しており，次年度はこの非線形解析用プログラムを用いて今後の車両パラメータ最適化が行えるようにMATLABまたはFortranを用いたプログラム開発を進める．実験装置製作に関する項目模型車両製作は今回作成した1/10スケール模型車両は想定していた限界速度よりも低い速度の限界速度となっている．したがって研究目的である非線形特性を考慮した蛇行動を発生させるためにはばねの変更などの修正をする必要があるため，次年度は模型車両の支持ばねの変更を主とした模型車両の改良を実施する．
Strategy for Future Research Activity	非線形解析を元にした超臨界ホップ分岐から亜臨界ホップ分岐への分岐制御を行うための理論解析プログラムの開発，および1/10スケール模型を用いた模型実験による分岐制御効果の検証，という2つのテーマを進める．理論解析プログラムの開発では，Mathematicaを用いた非線形解析プログラムが作成できたため，このプログラムを元にした車両パラメータ最適化のアルゴリズム検討およびプログラムの開発をMATLABまたはFortranを用いて行う．模型実験では，想定した限界速度となるように支持ばね剛性を変更し，さらにレール・車輪間の摩擦力に非線形性が上手く生じるような車両製作および計測環境の開発を行う．
Causes of Carryover	模型車両製作において，当初想定していた加工業者から別の加工業者に変更したところ模型車両製作費が低く抑えられた．これによって未使用額が生じた．数種類の車両パラメータを設定してそれを元に模型車両を製作する必要があるため，未使用額を含む当該助成金は次年度の模型車両製作および計測環境の構築に用いる．