JP2001264193A - 車輪・レール接触部の粘着力演算装置及び演算方法 - Google Patents
車輪・レール接触部の粘着力演算装置及び演算方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 実車両の粘着係数を比較的よく予測すること
ができる、車輪とレールの接触部が湿潤状態にある場合
の粘着力演算装置を提供する。 【解決手段】 本発明の車輪・レール接触部の粘着力演
算装置は、車輪の速度パラメータと荷重パラメータを用
いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する流体膜
厚さ演算部２０と、流体膜厚さ演算部２０で演算した流
体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて表
面突起部分の分担荷重を演算する凸凹突起部接触分担荷
重演算部３０と、該表面突起部分の分担荷重と流体膜分
担荷重の釣り合い式から流体膜分担荷重を演算する流体
膜分担荷重演算部４０と、せん断方向の力釣合いを用い
てトラクション係数を演算するトラクション係数演算部
５０とを具備している。
ができる、車輪とレールの接触部が湿潤状態にある場合
の粘着力演算装置を提供する。 【解決手段】 本発明の車輪・レール接触部の粘着力演
算装置は、車輪の速度パラメータと荷重パラメータを用
いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する流体膜
厚さ演算部２０と、流体膜厚さ演算部２０で演算した流
体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて表
面突起部分の分担荷重を演算する凸凹突起部接触分担荷
重演算部３０と、該表面突起部分の分担荷重と流体膜分
担荷重の釣り合い式から流体膜分担荷重を演算する流体
膜分担荷重演算部４０と、せん断方向の力釣合いを用い
てトラクション係数を演算するトラクション係数演算部
５０とを具備している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道における車輪
とレール間の接触部における粘着力を高く維持して、車
輪の空転や滑走を防止する改良に関する。
とレール間の接触部における粘着力を高く維持して、車
輪の空転や滑走を防止する改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄道工学においては、車輪とレールの接
触部が乾燥状態にある場合は高い粘着力が得られること
が知られている。これに対して、車輪とレールの接触部
に水が介在する時は、水膜の厚さが一定範囲を超える場
合に粘着力が大幅に低下する。このような粘着力の大幅
低下は、車輪の空転や滑走を招来するので、これを防止
する為に、加熱乾燥装置を設けたり（特開昭６１−８７
００５号公報）、レール上に砂を撒くこと（特開昭５６
−５０８０３号公報）が行われている。
触部が乾燥状態にある場合は高い粘着力が得られること
が知られている。これに対して、車輪とレールの接触部
に水が介在する時は、水膜の厚さが一定範囲を超える場
合に粘着力が大幅に低下する。このような粘着力の大幅
低下は、車輪の空転や滑走を招来するので、これを防止
する為に、加熱乾燥装置を設けたり（特開昭６１−８７
００５号公報）、レール上に砂を撒くこと（特開昭５６
−５０８０３号公報）が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術の加
熱乾燥装置の場合はレール上の水を乾燥させる為に高速
になるほど多くの熱量が必要となり、加熱乾燥装置の熱
量が限られている場合には高速化に充分対応できなくな
るという課題がある。また、砂撒きの場合は、車輪とレ
ールはフラットなどの損傷を受け、振動や騒音が増大す
るという課題があった。新幹線鉄道における高速化なら
びに高加速・高減速化を実現するためには、車輪・レー
ルの粘着特性を十分理解する必要がある。しかし、粘着
現象は関係する因子の多さから、多数の研究報告が存在
するにもかかわらず、物理現象として未解明な部分が多
く残されている。そこで、車輪とレールの接触部がどの
ような状態にあれば空転や滑走を防止できるのか理論的
に解明されていないという課題があった。
熱乾燥装置の場合はレール上の水を乾燥させる為に高速
になるほど多くの熱量が必要となり、加熱乾燥装置の熱
量が限られている場合には高速化に充分対応できなくな
るという課題がある。また、砂撒きの場合は、車輪とレ
ールはフラットなどの損傷を受け、振動や騒音が増大す
るという課題があった。新幹線鉄道における高速化なら
びに高加速・高減速化を実現するためには、車輪・レー
ルの粘着特性を十分理解する必要がある。しかし、粘着
現象は関係する因子の多さから、多数の研究報告が存在
するにもかかわらず、物理現象として未解明な部分が多
く残されている。そこで、車輪とレールの接触部がどの
ような状態にあれば空転や滑走を防止できるのか理論的
に解明されていないという課題があった。
【０００４】本発明は上述する課題を解決するもので、
実車両の粘着係数を比較的よく予測することができる、
車輪とレールの接触部が湿潤状態にある場合の粘着力演
算装置を提供することを目的とする。
実車両の粘着係数を比較的よく予測することができる、
車輪とレールの接触部が湿潤状態にある場合の粘着力演
算装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１の車輪・レール接触部の粘着力演算装置は、図１に
示すように、車輪の速度パラメータと荷重パラメータを
用いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する流体
膜厚さ演算部２０と、流体膜厚さ演算部２０で演算した
流体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて
表面突起部分の分担荷重を演算する凸凹突起部接触分担
荷重演算部３０と、該表面突起部分の分担荷重と流体膜
分担荷重の釣り合い式から流体膜分担荷重を演算する流
体膜分担荷重演算部４０と、せん断方向の力釣合いを用
いてトラクション係数を演算するトラクション係数演算
部５０とを具備している。
項１の車輪・レール接触部の粘着力演算装置は、図１に
示すように、車輪の速度パラメータと荷重パラメータを
用いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する流体
膜厚さ演算部２０と、流体膜厚さ演算部２０で演算した
流体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて
表面突起部分の分担荷重を演算する凸凹突起部接触分担
荷重演算部３０と、該表面突起部分の分担荷重と流体膜
分担荷重の釣り合い式から流体膜分担荷重を演算する流
体膜分担荷重演算部４０と、せん断方向の力釣合いを用
いてトラクション係数を演算するトラクション係数演算
部５０とを具備している。
【０００６】このように構成された装置において、車輸
・レール間のトラクション係数が演算されるので、トラ
クション係数が低下して車輪の空転や滑走を招来するよ
うな場合に、水温をどの程度上昇させればよいかとか、
振動や騒音の問題とトラクション係数の問題を両立させ
る為には、レールの表面粗さをどの程度にすればよいか
とか、緊急停止時にフラットなどの損傷を最小限にとど
める為にはどの程度表面粗さを増大させればよいか等の
設備条件を得ることができる。
・レール間のトラクション係数が演算されるので、トラ
クション係数が低下して車輪の空転や滑走を招来するよ
うな場合に、水温をどの程度上昇させればよいかとか、
振動や騒音の問題とトラクション係数の問題を両立させ
る為には、レールの表面粗さをどの程度にすればよいか
とか、緊急停止時にフラットなどの損傷を最小限にとど
める為にはどの程度表面粗さを増大させればよいか等の
設備条件を得ることができる。
【０００７】好ましくは、請求項２に記載のように、車
輪・レール接触部の流体の入口における発熱効果を考慮
に入れる構成とすると、実測値との整合性の高い理論演
算結果が得られる。また、請求項３に記載のように、流
体膜厚さ演算手段は、前記流体が水の場合に、Herrebur
ghの流体膜厚さの式を用いる構成とすると、水膜の場合
の実測値との整合性の高い理論演算結果が得られる。ま
た、請求項４に記載のように、流体膜厚さ演算手段は、
Grubinの仮定による膜厚さ式を用いる構成とすると、更
に実測値との整合性の高い水膜の理論演算結果が得られ
る。また、請求項５に記載のように、流体膜厚さ演算手
段は、前記流体が油の場合に、Dowson-Higginsonの式を
用いる構成とすると、油膜の場合に有用である。請求項
６に記載のように、突起部接触分担荷重演算手段は、Gr
eenwood‐Trippの接触理論を用いる構成とすると、潤滑
理論で実績のある式が援用できる。
輪・レール接触部の流体の入口における発熱効果を考慮
に入れる構成とすると、実測値との整合性の高い理論演
算結果が得られる。また、請求項３に記載のように、流
体膜厚さ演算手段は、前記流体が水の場合に、Herrebur
ghの流体膜厚さの式を用いる構成とすると、水膜の場合
の実測値との整合性の高い理論演算結果が得られる。ま
た、請求項４に記載のように、流体膜厚さ演算手段は、
Grubinの仮定による膜厚さ式を用いる構成とすると、更
に実測値との整合性の高い水膜の理論演算結果が得られ
る。また、請求項５に記載のように、流体膜厚さ演算手
段は、前記流体が油の場合に、Dowson-Higginsonの式を
用いる構成とすると、油膜の場合に有用である。請求項
６に記載のように、突起部接触分担荷重演算手段は、Gr
eenwood‐Trippの接触理論を用いる構成とすると、潤滑
理論で実績のある式が援用できる。
【０００８】上記課題を解決する請求項７の車輪・レー
ル接触部の粘着力演算方法は、車輪の速度パラメータと
荷重パラメータを用いて車輪・レール接触部の流体膜厚
さを演算する工程と、該流体膜厚さ演算工程で演算した
流体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて
表面突起部分の分担荷重を演算する工程と、該表面突起
部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い式から流体
膜分担荷重を演算する工程と、せん断方向の力釣合いを
用いてトラクション係数を演算する工程とを有すること
を特徴としている。
ル接触部の粘着力演算方法は、車輪の速度パラメータと
荷重パラメータを用いて車輪・レール接触部の流体膜厚
さを演算する工程と、該流体膜厚さ演算工程で演算した
流体膜の厚さと、車輪表面とレール表面の粗さを用いて
表面突起部分の分担荷重を演算する工程と、該表面突起
部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い式から流体
膜分担荷重を演算する工程と、せん断方向の力釣合いを
用いてトラクション係数を演算する工程とを有すること
を特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態を説
明する構成ブロック図、図２は流れ図である。図１にお
いて、初期条件設定部１０は、車輪の転がり速度、車輪
に作用する荷重、水膜の水温、レールの表面粗さ等を設
定するものである（図２のＳ１０）。水膜の水温を用い
て、流体である水の粘度が演算される（図２のＳ１
２）。
の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態を説
明する構成ブロック図、図２は流れ図である。図１にお
いて、初期条件設定部１０は、車輪の転がり速度、車輪
に作用する荷重、水膜の水温、レールの表面粗さ等を設
定するものである（図２のＳ１０）。水膜の水温を用い
て、流体である水の粘度が演算される（図２のＳ１
２）。
【００１０】図１の流体膜厚さ演算部２０は、Herrebur
ghの流体膜厚さの式を用いて接触中心部の流体膜厚さH0
を演算する（図２のＳ１４）。 H0=3.10・U0.6・W-0.2 (1) ここで、Uは速度パラメータ、Wは荷重パラメータであ
る。Herreburghの流体膜厚さの式は、潤滑工学で汎用的
に用いられるもので、ベアリングの軸受の寿命予測をす
る際に、参照値油膜の厚さを演算するのに特に有用であ
る。更に、図１の流体膜厚さ演算部２０は、Grubinの仮
定による膜厚さ式により、接触中心部水膜厚さH0を用い
た座標軸X方向の水膜の厚さ分布形状を演算する（図２
のＳ１６）。 H=H0+4Wh/π{X(X2-1)1/2-ln(X+[X2+1]1/2)} (2) ここで、Xは座標値、Whは単位幅当りの水膜分担荷重で
ある。
ghの流体膜厚さの式を用いて接触中心部の流体膜厚さH0
を演算する（図２のＳ１４）。 H0=3.10・U0.6・W-0.2 (1) ここで、Uは速度パラメータ、Wは荷重パラメータであ
る。Herreburghの流体膜厚さの式は、潤滑工学で汎用的
に用いられるもので、ベアリングの軸受の寿命予測をす
る際に、参照値油膜の厚さを演算するのに特に有用であ
る。更に、図１の流体膜厚さ演算部２０は、Grubinの仮
定による膜厚さ式により、接触中心部水膜厚さH0を用い
た座標軸X方向の水膜の厚さ分布形状を演算する（図２
のＳ１６）。 H=H0+4Wh/π{X(X2-1)1/2-ln(X+[X2+1]1/2)} (2) ここで、Xは座標値、Whは単位幅当りの水膜分担荷重で
ある。
【００１１】図１の凸凹突起部接触分担荷重演算部３０
は、Greenwood‐Trippの接触理論を用いて凸凹突起部接
触分担荷重を演算する（図２のＳ１８）。Greenwood‐T
rippの接触理論は、固体接触表面の粗さを考慮する場合
に用いられるもので、湿潤状態に限らず乾燥状態の場合
も適用でき、その式は次の関係にある。
は、Greenwood‐Trippの接触理論を用いて凸凹突起部接
触分担荷重を演算する（図２のＳ１８）。Greenwood‐T
rippの接触理論は、固体接触表面の粗さを考慮する場合
に用いられるもので、湿潤状態に限らず乾燥状態の場合
も適用でき、その式は次の関係にある。
【数１】 ここで、Xminは水の入口の座標値、Xmaxは水の出口の座
標値、wcは単位幅当りの粗さ表面突起部分の分担荷重、
pcは突起部接触圧、hは水膜の厚さ、σは接触表面１
（車輪表面）と表面２（レール表面）の二乗平均平方根
粗さ或いは標準偏差粗さＲ．Ｍ．Ｓ(=√σ1 2＋σ2 2)、K
cは表面粗さパラメータ、Ｅは等価ヤング率、Ｐcは無次
元化した突起部接触圧である。
標値、wcは単位幅当りの粗さ表面突起部分の分担荷重、
pcは突起部接触圧、hは水膜の厚さ、σは接触表面１
（車輪表面）と表面２（レール表面）の二乗平均平方根
粗さ或いは標準偏差粗さＲ．Ｍ．Ｓ(=√σ1 2＋σ2 2)、K
cは表面粗さパラメータ、Ｅは等価ヤング率、Ｐcは無次
元化した突起部接触圧である。
【００１２】図１の流体膜分担荷重演算部４０は、水膜
分担荷重Whと粗さ表面突起部分の分担荷重Wcの釣合い式
を用いて水膜分担荷重Whを演算する（図２のＳ２０）。
W=Wh+Wc (5) ここで、Wは接触荷重である。収束条件は次式で与えら
れる。
分担荷重Whと粗さ表面突起部分の分担荷重Wcの釣合い式
を用いて水膜分担荷重Whを演算する（図２のＳ２０）。
W=Wh+Wc (5) ここで、Wは接触荷重である。収束条件は次式で与えら
れる。
【数２】 ここで、Kは反復計算の回数である。求めた水膜分担荷
重Whを用いて、収束条件を満たす場合には図１のトラク
ション係数演算部５０で、せん断方向の力釣合い式であ
る次式によりトラクション係数μを演算する（図２のＳ
２２、Ｓ２６）。 μ=(μhWh+μcWc)/W (7) ここで、μhは水膜のせん断抵抗、μcは境界潤滑摩擦係
数である。若し、収束条件を満たさない場合は、水膜分
担荷重Whを修正して図１の流体膜厚さ演算部２０に戻る
（図２のＳ２２、Ｓ２４）。
重Whを用いて、収束条件を満たす場合には図１のトラク
ション係数演算部５０で、せん断方向の力釣合い式であ
る次式によりトラクション係数μを演算する（図２のＳ
２２、Ｓ２６）。 μ=(μhWh+μcWc)/W (7) ここで、μhは水膜のせん断抵抗、μcは境界潤滑摩擦係
数である。若し、収束条件を満たさない場合は、水膜分
担荷重Whを修正して図１の流体膜厚さ演算部２０に戻る
（図２のＳ２２、Ｓ２４）。
【００１３】次に、上記実施の形態の理論的な背景を説
明する。車輪とレールの接触部に水が介在する時は、混
合潤滑理論による水潤滑条件での２弾性体接触問題とし
て捉えることができる。この解析は、水の粘度・圧力係
数が小さいため、弾性−等粘度領域で近似することがで
きる。すなわち、弾性−等粘度領域に適用するHerrebur
ghの流体膜厚さ式を用いて水膜厚さやトラクション係数
を近似的に求めることが可能である。本実施の形態で
は、水の入口における発熱効果を考慮し、水の粘度を修
正した後に得られた水膜の厚さを用いて、各種走行条件
下での車輸・レール間のトラクション係数を算出してい
る。
明する。車輪とレールの接触部に水が介在する時は、混
合潤滑理論による水潤滑条件での２弾性体接触問題とし
て捉えることができる。この解析は、水の粘度・圧力係
数が小さいため、弾性−等粘度領域で近似することがで
きる。すなわち、弾性−等粘度領域に適用するHerrebur
ghの流体膜厚さ式を用いて水膜厚さやトラクション係数
を近似的に求めることが可能である。本実施の形態で
は、水の入口における発熱効果を考慮し、水の粘度を修
正した後に得られた水膜の厚さを用いて、各種走行条件
下での車輸・レール間のトラクション係数を算出してい
る。
【００１４】一般に、トラクション係数は車輪・レール
間のすべり率によって変動し、その最大値が鉄道では粘
着係数とする。本実施の形態では、トラクション係数の
最大値がすべり率０．２％で発生するものと仮定してい
る。また、各計算式で使用した共通の条件は、車輪直径
が９００ｍｍ、境界摩擦係数が０．１４で、ヤング率と
ポアソン比については車輪の材料である鋼の標準値を用
いている。即ち、ヤング率は２０６ＧＰａ、ポアソン比
は０．３である。
間のすべり率によって変動し、その最大値が鉄道では粘
着係数とする。本実施の形態では、トラクション係数の
最大値がすべり率０．２％で発生するものと仮定してい
る。また、各計算式で使用した共通の条件は、車輪直径
が９００ｍｍ、境界摩擦係数が０．１４で、ヤング率と
ポアソン比については車輪の材料である鋼の標準値を用
いている。即ち、ヤング率は２０６ＧＰａ、ポアソン比
は０．３である。
【００１５】図３は、最大トラクション係数に影響を及
ぼす表面粗さの解析結果を示している。ここでは、水温
２０度、単位幅当りの荷重５MN/m、滑り率０．２％、表
面粗さパラメータKc０．００３の条件の下で、表面粗さ
が０．０５、０．１０、０．１５μｍの場合を示してい
る。表面粗さが０．１５μｍの場合は最大トラクション
係数が列車速度に依存しない。他方、表面粗さが０．０
５μｍの場合は最大トラクション係数が列車速度の増大
と共に急減する。即ち、表面粗さは最大トラクション係
数に与える影響が特に大きいことがわかった。ゆえに、
車輪・レール間の粘着力を上げるためには、接触部の表
面粗さを適切に管理することが大切である。
ぼす表面粗さの解析結果を示している。ここでは、水温
２０度、単位幅当りの荷重５MN/m、滑り率０．２％、表
面粗さパラメータKc０．００３の条件の下で、表面粗さ
が０．０５、０．１０、０．１５μｍの場合を示してい
る。表面粗さが０．１５μｍの場合は最大トラクション
係数が列車速度に依存しない。他方、表面粗さが０．０
５μｍの場合は最大トラクション係数が列車速度の増大
と共に急減する。即ち、表面粗さは最大トラクション係
数に与える影響が特に大きいことがわかった。ゆえに、
車輪・レール間の粘着力を上げるためには、接触部の表
面粗さを適切に管理することが大切である。
【００１６】図４は、最大トラクション係数に影響を及
ぼす表面粗さパラメータKcの解析結果を示している。こ
こでは、表面粗さ０．１０μｍ、水温２０度、単位幅当
りの荷重５MN/m、滑り率０．２％の条件の下で、表面粗
さパラメータKcが０．００３、０．０００３の場合を示
している。表面粗さパラメータKcは凸凹突起部の形状を
表すもので、σが標準偏差粗さ、βが凸凹突起部の曲率
半径とした場合に、次の値を選択してある。 Kc=０．００３の時 σ／β＝０．００１ (8) Kc=０．０００３の時 σ／β＝０．０００１
ぼす表面粗さパラメータKcの解析結果を示している。こ
こでは、表面粗さ０．１０μｍ、水温２０度、単位幅当
りの荷重５MN/m、滑り率０．２％の条件の下で、表面粗
さパラメータKcが０．００３、０．０００３の場合を示
している。表面粗さパラメータKcは凸凹突起部の形状を
表すもので、σが標準偏差粗さ、βが凸凹突起部の曲率
半径とした場合に、次の値を選択してある。 Kc=０．００３の時 σ／β＝０．００１ (8) Kc=０．０００３の時 σ／β＝０．０００１
【００１７】図５は、最大トラクション係数に影響を及
ぼす荷重の解析結果を示している。ここでは、表面粗さ
０．１０μｍ、水温２０度、滑り率０．２％、表面粗さ
パラメータKc０．００３の条件の下で、単位幅当りの荷
重が３、６、９MN/mの場合を示している。荷重の増加と
共に、最大トラクション係数の列車速度依存性が低下す
る。
ぼす荷重の解析結果を示している。ここでは、表面粗さ
０．１０μｍ、水温２０度、滑り率０．２％、表面粗さ
パラメータKc０．００３の条件の下で、単位幅当りの荷
重が３、６、９MN/mの場合を示している。荷重の増加と
共に、最大トラクション係数の列車速度依存性が低下す
る。
【００１８】図６は、最大トラクション係数に影響を及
ぼす水温の解析結果を示している。ここでは、表面粗さ
０．１０μｍ、単位幅当りの荷重５MN/m、滑り率０．２
％、表面粗さパラメータKc０．００３の条件の下で、水
温が２０度、３０度、５０度の場合を示している。水温
の上昇と共に、最大トラクション係数の列車速度依存性
が低下する。
ぼす水温の解析結果を示している。ここでは、表面粗さ
０．１０μｍ、単位幅当りの荷重５MN/m、滑り率０．２
％、表面粗さパラメータKc０．００３の条件の下で、水
温が２０度、３０度、５０度の場合を示している。水温
の上昇と共に、最大トラクション係数の列車速度依存性
が低下する。
【００１９】図７は実車両の粘着係数と解析値を比較し
た結果図である。ここでは、表面粗さ０．１６μｍ、温
度２０度、表面粗さパラメータKc０．０００００３の条
件の下で、理論式として入口せん断熱ありと入口せん
断熱なしの２種類を表示している。ここで、新幹線電
車による実測値は列車の先頭からレール面上に散水した
時の新幹線電車先頭車両の粘着係数を調べた結果であ
る。そして、理論計算に用いたパラメータは新幹線電車
の走行条件に比較的近い数値を設定した。図７により、
理論解析は実車両の測定結果と比較的良好に一致してお
り、入口のせん断熱を考慮する場合の理論解析値は実車
両の測定結果をより良く再現することが判った。
た結果図である。ここでは、表面粗さ０．１６μｍ、温
度２０度、表面粗さパラメータKc０．０００００３の条
件の下で、理論式として入口せん断熱ありと入口せん
断熱なしの２種類を表示している。ここで、新幹線電
車による実測値は列車の先頭からレール面上に散水した
時の新幹線電車先頭車両の粘着係数を調べた結果であ
る。そして、理論計算に用いたパラメータは新幹線電車
の走行条件に比較的近い数値を設定した。図７により、
理論解析は実車両の測定結果と比較的良好に一致してお
り、入口のせん断熱を考慮する場合の理論解析値は実車
両の測定結果をより良く再現することが判った。
【００２０】入口のせん断熱を考慮すると、水の粘性が
変化する為流体膜厚さが変化する。粘性係数は図１の流
体膜厚さ演算部２０の(1)式には明示的に含まれていな
いが、パラメータの中に含まれている。それによって、
表面突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重が変化して、
両者の分担荷重に依存するトラクション係数が変化す
る。即ち、入口のせん断熱を考慮する場合と考慮しない
場合とで、各式に用いられるパラメータ（係数や変数）
の値が変化するのである。
変化する為流体膜厚さが変化する。粘性係数は図１の流
体膜厚さ演算部２０の(1)式には明示的に含まれていな
いが、パラメータの中に含まれている。それによって、
表面突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重が変化して、
両者の分担荷重に依存するトラクション係数が変化す
る。即ち、入口のせん断熱を考慮する場合と考慮しない
場合とで、各式に用いられるパラメータ（係数や変数）
の値が変化するのである。
【００２１】尚、上記実施例においてはレールの表面に
水が存在する場合を示したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、実際のレールの表面に存在する水以外
の油、埃、錆などが存在し、実車両の走行によって車輪
・レールの表面粗さも変化するので、これらの因子を考
慮する車輪・レール間の粘着係数を演算する構成として
も良い。その場合は、水膜厚さを求める為に用いたHerr
eburghの流体膜厚さ式の代わりに、それらの因子を考慮
した流体膜式、例えば油の場合はDowson-Higginsonの式
を用いれば良い。 H=2.65・U0.7・W-0.13・G0.54 (9) ここで、Gは材料パラメータである。
水が存在する場合を示したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、実際のレールの表面に存在する水以外
の油、埃、錆などが存在し、実車両の走行によって車輪
・レールの表面粗さも変化するので、これらの因子を考
慮する車輪・レール間の粘着係数を演算する構成として
も良い。その場合は、水膜厚さを求める為に用いたHerr
eburghの流体膜厚さ式の代わりに、それらの因子を考慮
した流体膜式、例えば油の場合はDowson-Higginsonの式
を用いれば良い。 H=2.65・U0.7・W-0.13・G0.54 (9) ここで、Gは材料パラメータである。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
車輪の速度パラメータと荷重パラメータを用いて車輪・
レール接触部の流体膜厚さを演算する流体膜厚さ演算部
と、流体膜厚さ演算部で演算した流体膜の厚さと、車輪
表面とレール表面の粗さを用いて表面突起部分の分担荷
重を演算する凸凹突起部接触分担荷重演算部と、該表面
突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い式から
流体膜分担荷重を演算する流体膜分担荷重演算部と、せ
ん断方向の力釣合いを用いてトラクション係数を演算す
るトラクション係数演算部とを具備する構成としたの
で、実車両の粘着係数と理論計算値が比較的一致する混
合潤滑理論を適用した数値解析を行うことができる。こ
の数値解析結果によると、粘着係数の低下を防止するた
めには、接触入口近傍の微小体積の水膜温度を上昇さ
せ、あるいは表面粗さを増大させることが有効であるこ
とが判明した。
車輪の速度パラメータと荷重パラメータを用いて車輪・
レール接触部の流体膜厚さを演算する流体膜厚さ演算部
と、流体膜厚さ演算部で演算した流体膜の厚さと、車輪
表面とレール表面の粗さを用いて表面突起部分の分担荷
重を演算する凸凹突起部接触分担荷重演算部と、該表面
突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い式から
流体膜分担荷重を演算する流体膜分担荷重演算部と、せ
ん断方向の力釣合いを用いてトラクション係数を演算す
るトラクション係数演算部とを具備する構成としたの
で、実車両の粘着係数と理論計算値が比較的一致する混
合潤滑理論を適用した数値解析を行うことができる。こ
の数値解析結果によると、粘着係数の低下を防止するた
めには、接触入口近傍の微小体積の水膜温度を上昇さ
せ、あるいは表面粗さを増大させることが有効であるこ
とが判明した。
【００２３】さらに、請求項３乃至請求項６に示すよう
に、Herreburghの流体膜厚さの式、Greenwood‐Trippの
接触理論、および水膜分担荷重と接触分担荷重の釣り合
い式を連立させ、所定の走行条件下での車輪・レール間
のトラクション係数を算出する構成とすると、湿潤時の
車輪・レール間の粘着係数に及ぼす各種因子の影響を検
討することができる。
に、Herreburghの流体膜厚さの式、Greenwood‐Trippの
接触理論、および水膜分担荷重と接触分担荷重の釣り合
い式を連立させ、所定の走行条件下での車輪・レール間
のトラクション係数を算出する構成とすると、湿潤時の
車輪・レール間の粘着係数に及ぼす各種因子の影響を検
討することができる。
【図１】 本発明の一実施の形態を説明する構成ブロッ
ク図である。
ク図である。
【図２】 本発明の演算過程を説明する流れ図である。
【図３】 最大トラクション係数に影響を及ぼす表面粗
さの解析結果を示している。
さの解析結果を示している。
【図４】 最大トラクション係数に影響を及ぼす表面粗
さパラメータの解析結果を示している。
さパラメータの解析結果を示している。
【図５】 最大トラクション係数に影響を及ぼす単位幅
当りの荷重の解析結果を示している。
当りの荷重の解析結果を示している。
【図６】 最大トラクション係数に影響を及ぼす水温の
解析結果を示している。
解析結果を示している。
【図７】 実車両の粘着係数と理論計算値の比較図であ
る。
る。
１０ 初期条件設定部 ２０ 流体膜厚さ演算部 ３０ 凸凹突起部接触分担荷重演算部 ４０ 流体膜分担荷重演算部 ５０ トラクション係数演算部 Kc 表面粗さパラメータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 誠 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 前橋 栄一 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 中原 綱光 東京都大田区田園調布３丁目10番19号 Ｆターム(参考） 2F051 AA02 AB02 BA00 BA07 3D046 AA07 BB23 BB29 HH29 HH36 HH46
Claims (7)
- 【請求項１】 車輪の速度パラメータと荷重パラメータ
を用いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する手
段と、 該流体膜厚さ演算部で演算した流体膜の厚さと、車輪表
面とレール表面の粗さを用いて表面突起部分の分担荷重
を演算する手段と、 該表面突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い
式から流体膜分担荷重を演算する手段と、 せん断方向の力釣合いを用いてトラクション係数を演算
する手段と、 を具備することを特徴とする車輪・レール接触部の粘着
力演算装置。 - 【請求項２】 車輪・レール接触部の流体の入口におけ
る発熱効果を考慮に入れることを特徴とする請求項１に
記載の車輪・レール接触部の粘着力演算装置。 - 【請求項３】 前記流体膜厚さ演算手段は、前記流体が
水の場合に、Herreburghの流体膜厚さの式を用いること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車輪・レー
ル接触部の粘着力演算装置。 - 【請求項４】 前記流体膜厚さ演算手段は、Grubinの仮
定による膜厚さ式を用いることを特徴とする請求項３に
記載の車輪・レール接触部の粘着力演算装置。 - 【請求項５】 前記流体膜厚さ演算手段は、前記流体が
油の場合に、Dowson-Higginsonの式を用いることを特徴
とする請求項１又は請求項２に記載の車輪・レール接触
部の粘着力演算装置。 - 【請求項６】 前記突起部接触分担荷重演算手段は、Gr
eenwood‐Trippの接触理論を用いることを特徴とする請
求項１又は請求項２に記載の車輪・レール接触部の粘着
力演算装置。 - 【請求項７】 車輪の速度パラメータと荷重パラメータ
を用いて車輪・レール接触部の流体膜厚さを演算する工
程と、 該流体膜厚さ演算工程で演算した流体膜の厚さと、車輪
表面とレール表面の粗さを用いて表面突起部分の分担荷
重を演算する工程と、 該表面突起部分の分担荷重と流体膜分担荷重の釣り合い
式から流体膜分担荷重を演算する工程と、 せん断方向の力釣合いを用いてトラクション係数を演算
する工程と、 を有することを特徴とする車輪・レール接触部の粘着力
演算方法。
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|---|---|---|---|
| JP2000080932A JP3693878B2 (ja) | 2000-03-22 | 2000-03-22 | 粘着力演算方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2013065526A1 (ja) * | 2011-10-31 | 2013-05-10 | 三菱重工オートモーティブサーマルシステムズ株式会社 | ラジアルローラベアリング、ラジアルローラベアリングを用いた回転機械、ラジアルローラベアリングの設計方法 |
| JP2014521559A (ja) * | 2011-08-12 | 2014-08-28 | クノル−ブレムゼ ジステーメ フューア シーネンファールツォイゲ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | レール車両用の非常ブレーキ装置、レール車両用のブレーキシステム、及びレール車両 |
| JP2014530138A (ja) * | 2011-09-09 | 2014-11-17 | クノル−ブレムゼ ジステーメ フューア シーネンファールツォイゲ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＫｎｏｒｒ−Ｂｒｅｍｓｅ Ｓｙｓｔｅｍｅ ｆｕｅｒ Ｓｃｈｉｅｎｅｎｆａｈｒｚｅｕｇｅ ＧｍｂＨ | レール車両のための改善された制動 |
| CN108791324A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-11-13 | 湖南工业大学 | 一种重载机车牵引总量一致系统及控制分配方法 |
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-
2000
- 2000-03-22 JP JP2000080932A patent/JP3693878B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US9400016B2 (en) | 2011-10-31 | 2016-07-26 | Mitsubishi Heavy Industries Automotive Thermal... | Radial roller bearing, rotary machine including radial roller bearing, and method for designing radial roller bearing |
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| JP7360977B2 (ja) | 2019-07-08 | 2023-10-13 | Ntn株式会社 | 軸受部品の寿命診断方法、軸受部品の寿命診断装置、および軸受部品の寿命診断プログラム |
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