1 はじめに

　鉄道車両のブレーキ性能は，車輪回転速度を演算して得られる停止距離や減速度を基に評価されます。しかし，雨天時のようなレール湿潤条件下でブレーキ性能が低下する要因には，レール／車輪間の粘着係数の低下に加え，ブレーキ材の摩擦係数や滑走制御などが複雑に影響するため，速度波形のみからその要因を特定するのは困難な場合があります。このとき，実際に得られているブレーキ力，すなわち，レール／車輪間の接線力を走行中に直接測ることができれば，粘着係数やその他の影響度合を定量的に把握することが可能となります。

　そこで，台車牽引装置のひとつである一本リンクに作用する力を用いて，台車毎のブレーキ力を精度良く測定する手法を考案し，在来線車両および新幹線車両を用いた走行試験によりその有効性を確認しました。

2 一本リンク牽引力を用いた手法

　従来の手法では，予め定置にて基礎ブレーキ装置の腕部や制輪子吊りに歪ゲージを貼り付け，制輪子に垂直方向の静荷重を負荷した際に発生する歪量との関係を求めておきます。次に走行試験にてブレーキ中の歪量を測定し，定置の結果からブレーキ力（空気ブレーキによる摩擦力）を求めていました。

　この手法の長所は，1輪もしくは１軸でのブレーキ力が求まることですが，一方で，事前に基礎ブレーキ装置を台車から外して較正する必要があること，歪ゲージ施工量が多く，試験期間内での工程管理が難しいこと，空気ブレーキ時の測定に限られること，走行振動や押付力成分が外乱として不定に含まれること，さらに編成ブレーキや滑走制御を伴う連続的現象を扱えないことなどの短所がありました。

　近年の鉄道車両は軽量化が図られ，空気ばね式ボルスタレス台車が主流になっています。これは，車体と台車枠の間を許容変位の大きな空気ばねで直結し，駆動力および制動力を牽引装置で伝達する方式で，そのひとつに一本リンク方式があります。そこで，従来手法における短所の解決策として，一本リンクに作用する牽引力によって生じる歪量からブレーキ力を測定する新たな手法を考案しました（図1）。

　本手法は在姿状態での仮設が容易で，編成ブレーキ中の各台車に働くブレーキ力（電気ブレーキと空気ブレーキ）は高い精度での測定が可能となる特長があります。

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  図1　測定用一本リンク

（１）電制力を用いた荷重較正

　動台車（電動車）のブレーキ制御装置や主変換装置から得られるブレーキ情報は，速度，ノッチ，回生ブレーキパターン電圧，回生フィードバック電圧，モータ電流，空制減算指令電圧，BC圧，必要ブレーキ力などがあります。このうち図2より，回生フィードバック電圧と歪量は高い相関性があるので，歪量は回生フィードバック電圧から換算可能な電気ブレーキ力（電制力）で較正することができます。

（２）床上前後加速度を用いた荷重較正

　従台車（付随車）の場合は空気ブレーキが作用し，その摩擦力は指令となるBC圧に対して変動するため，これらの比例関係は成り立ちません。そこで，一本リンクに発生する歪量と床上前後加速度が比例関係であるので，歪量は床上前後加速度で較正することができます。

　（1）と（2）の手法による較正結果を図3に示します。歪量を電気ブレーキ力で較正したブレーキ力と歪量を床上前後加速度で較正したブレーキ力は，良く一致しています。

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  図2　各種ブレーキ情報と歪量の測定例
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  図3　各較正手法の比較

3 一本リンク牽引力を用いたブレーキ性能の評価

（１）在来線車両

　3両編成（1M2T）の在来線車両を用いた走行試験で評価を行いました。レール乾燥条件における編成合計のブレーキ力は，必要ブレーキ力（100％）を満足しました。雨天時にレール／車輪間の粘着係数が低下してMc車が滑走した電制常用3ノッチの測定結果を図4に示します。Mc車（動台車）は滑走を検知して電制力を絞り込むと同時に，空制減算指令をT車系ブレーキ制御装置へ送ります。これを受けてT車系（従台車）は直ちに空気ブレーキを立ち上げてMc車のブレーキ力不足分を補う制御が行われています。編成の合計ブレーキ力は，Mc車の滑走発生とその制御により低下し，必要ブレーキ力に対して増減を繰り返していますが，ブレーキ距離の延伸率は約10％に抑えられており，編成としてのブレーキ性能に問題はありません。

（２）新幹線車両

　8両編成（8M）の新幹線車両を用いた走行試験においても評価を行いました。測定対象は，従来から滑走回数が多いとされる先頭1号車から4号車とし，初速度300km/hから120km/hまでの非常ブレーキ（EB）を扱いました。なお，非常ブレーキでは，先頭軸に搭載しているセラミック噴射装置から増粘着用のアルミナ粒子が1分間噴射される仕組みとなっています。散水ノズルは先頭から2軸目および6軸目に取り付け，１輪あたり毎分5.5.の散水を行って雨天を模擬しました。

　ブレーキ性能の評価は，各時刻のブレーキ力から各号車平均の接線力係数を求める方法を採用し，粘着係数の計画値や設定減速度との比較を容易にしました。

　乾燥レールにセラミック噴射有の現行条件では，いずれの号車も非常ブレーキ（EB）に必要な接線力係数を満足しました。湿潤レールにセラミック噴射無の条件では，1号車および２号車に連続滑走が生じて湿潤時の計画粘着係数付近まで低下することが分かりました（図５）。なお，こうした傾向にはレール／車輪間の低粘着状態に加えて滑走再粘着制御も影響していますが，ブレーキ距離の延伸率は約2％に抑えられ，編成としてのブレーキ性能に問題はありません。

　さらに，湿潤レールにセラミック噴射有の条件では，接線力係数が回復して滑走の発生が抑制されるなど，セラミック噴射装置の増粘着効果が定量的に示されました。

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  図4　ブレーキ力の測定結果（電制3ノッチ）
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  図5　接線力係数の測定結果（湿潤，セラ無）

4 おわりに

　実車両の走行試験により，一本リンク牽引力を用いたブレーキ性能評価手法の有効性を確認しました。本手法は，測定に関わる準備作業量を軽減しながら，電気ブレーキあるいは空気ブレーキを問わず，高い精度でブレーキ力の測定と評価が可能です。

　これにより，速度やレール環境条件，制御特性などの影響を受けて複雑な現象となる粘着ブレーキ性能について，従来の粘着係数測定作業を行わずに，現象の把握や性能評価，さらにはブレーキ負担率の適正化が図れると考えています。今後は，降雨や降積雪時におけるブレーキ力のデータを蓄積して高精度化を図っていく予定です。