JP2006329837A - 疲労状態解析装置及び疲労状態解析プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 S300において、ひずみ波形からひずみ振幅及び平均ひずみをひずみ振幅/平均ひずみ抽出部が抽出し、S400においてひずみ振幅及び平均ひずみに基づいて等価応力演算部が等価応力を演算する。S500において、等価S-N曲線が読み出されて、S600においてこの等価S-N曲線及び等価応力に基づいて累積疲労損傷度を累積疲労損傷度演算部が演算する。S700において、トロリ線の疲労状態を疲労状態判定部が判定する。その結果、例えば、トロリ線の実働波形に含まれる平均ひずみを考慮してトロリ線の疲労状態を解析することができるため、トロリ線の摩耗を考慮して疲労寿命を定量的に評価し管理することができる。
【選択図】 図8
Description
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項1の発明は、測定対象物(C1)の疲労状態を解析する疲労状態解析装置であって、前記測定対象物のひずみの時間変化を表すひずみ波形に基づいて、ひずみ振幅(εa)と平均ひずみ(εm)とを抽出するひずみ振幅/平均ひずみ抽出部(4c)と、前記ひずみ振幅と前記平均ひずみとに基づいて等価応力(σe)を演算する等価応力演算部(4e)と、前記等価応力と等価S-N曲線とに基づいて前記測定対象物の累積疲労損傷度(Ri)を演算する累積疲労損傷度演算部(4h)とを備える疲労状態解析装置(4)である。
図1は、この発明の実施形態に係る疲労状態解析装置を備える疲労状態解析システムの構成図である。
図1に示す車両Tは、電車や電気機関車などの電気車(鉄道車両)であり、架線Cのトロリ線C1から電力を車両Tに導くパンタグラフ(集電装置)T1と、トロリ線C1と接触移動するすり板T2などを備えている。図1に示す架線Cは、線路上空に架設される架空電車線であり、所定の間隔をあけて支持構造物によって支持点で支持されている。トロリ線C1は、パンタグラフT1のすり板T2が接触する電線であり、すり板T2が接触移動することによって車両Tに負荷電流を供給する。
図1に示すひずみデータ記憶部4bは、ひずみデータ受信部4aが受信したひずみデータを記憶する手段である。図2に示す波形は、トロリ線C1のひずみの時間変化を表すひずみ波形であり、縦軸はひずみ(曲げひずみ)であり横軸は時間である。ひずみデータ記憶部4bは、図2に示すように、パンタグラフT1が通過する毎にトロリ線C1に発生するひずみ波形を数値化してひずみ波形データとして時系列順にメモリに記憶している。ひずみデータ記憶部4bは、各ひずみ波形データを特定するためのデータ測定日、データ測定時刻及びデータ測定地点などのデータ特定情報を各ひずみデータと対応させて記憶する。
ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、ひずみ波形に基づいてひずみ振幅と平均ひずみとを抽出する手段であり、レインフロー法に基づいてひずみ振幅と平均ひずみとを抽出する。ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、従来のレインフロー法のような平均ひずみを考慮せずにひずみ波形を分割して計数する計数法とは異なり、平均ひずみを考慮する改良型のレインフロー法によってひずみ波形を分割して計数する。図3に示す波形は、図2に示すひずみ波形と同一の波形であり、横軸はひずみであり、縦軸は時間である。ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、ひずみデータ記憶部4bが記憶するひずみ波形毎にレインフロー法によってひずみ振幅と平均ひずみとを抽出する。
図1に示すひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、図3に示すように、雨滴が停止するまでに流れた横座標を測定して、この測定結果に相当する大きさのひずみ幅をひずみ振幅として抽出する。ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、図4に示すように、レインフロー法によってひずみ波形の山のピーク値Pと谷のピーク値Vとの差の絶対値を演算してこの絶対値をひずみ振幅εaとして抽出する。また、ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、図3に示すように、雨滴が停止するまでに流れた横座標を測定して、この測定結果に相当する大きさのひずみ幅の平均値を平均ひずみとして抽出する。ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cは、例えば、レインフロー法によってひずみ波形の山のピーク値Pと谷のピーク値Vとの平均値をεmwとして以下の数1によって演算することで平均ひずみεmとして抽出する。
図1に示すひずみ振幅/平均ひずみデータ記憶部4dは、ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cが抽出したひずみ振幅/平均ひずみデータを記憶する手段である。ひずみ振幅/平均ひずみデータ記憶部4dは、例えば、図5に示すように、パンタグラフT1が通過する毎に各ひずみ振幅εaの大きさ、各平均ひずみεmの大きさ及び各ひずみ振幅εaに対応する各平均ひずみεmの頻度(カウント)Nをひずみ波形毎にメモリに記憶する。
等価応力データ記憶部4fは、等価応力演算部4eが演算した等価応力データを記憶する手段である。等価応力データ記憶部4fは、図6に示すように、パンタグラフT1が通過する毎に各等価応力σe1,σe2,…とそれぞれの頻度(カウント)Nをひずみ波形毎にメモリに記憶する。等価応力データ記憶部4fは、例えば、図5に示すようにひずみ振幅εaが200×10-6であり平均ひずみεmが600×10-6であるときに等価応力演算部4eが数2によって演算した等価応力σeの値とその頻度(カウント)3とを記憶する。
図1に示す等価S-N曲線データ記憶部4gは、等価S-N曲線データを記憶する手段である。ここで、等価S-N曲線とは、異なる平均応力(平均ひずみ)に対するS-N曲線を一つのS-N曲線にまとめたものである。この等価S-N曲線は、Smithによって提案されており、硬銅トロリ線についてもSmithの手法を適用可能であることが確認されている。等価S-N曲線データ記憶部4gは、図7に示すように、予め作成された等価S-N曲線に関するデータをメモリに記憶している。ここで、図7に示す縦軸は、数2によって演算される等価応力σeであり、横軸は疲労寿命(繰返し回数)Nfである。
図8は、この発明の実施形態に係る疲労状態解析装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、制御部4nの動作を中心として説明する。
ステップ(以下、Sという)100において、疲労状態解析プログラムを制御部4nが読み込む。プログラム記憶部4mから制御部4nが疲労状態解析プログラムを読み込み一連の疲労状態解析処理を制御部4nが開始する。
(1) この実施形態では、ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部4cがひずみ波形に基づいてひずみ振幅εa及び平均ひずみεmを抽出し、等価応力演算部4eがひずみ振幅εa及び平均ひずみεmに基づいて等価応力σeを演算し、累積疲労損傷度演算部4hが等価応力σe及び等価S-N曲線に基づいて累積疲労損傷度Riを演算する。このため、例えば、トロリ線C1の実働波形に含まれる平均ひずみεmも考慮してトロリ線C1の疲労状態を解析することができる。その結果、トロリ線C1の摩耗を考慮して疲労寿命を定量的に評価し管理することができる。
例えば、この実施形態では、繰返し応力を受けることによって疲労破壊する可能性のある測定対象物(被測定物)としてトロリ線C1を例に挙げて説明したがこれに限定するものではなく、鉄道車両の車軸や鉄道のレールなどについてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、ひずみ振幅εa及び平均ひずみεmをレインフロー法によって抽出する場合を例に挙げて説明したがこの手法に限定するものではなく、レンジペア法などの他の手法を使用することもできる。
2 ひずみ測定装置
4 疲労状態解析装置
4c ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部
4e 等価応力演算部
4g 等価S-N曲線データ記憶部
4h 累積疲労損傷度演算部
4j 疲労状態判定部
4n 制御部
T 車両
T1 パンタグラフ
C 架線
C1 トロリ線(測定対象物)
εa ひずみ振幅
εm 平均ひずみ
N カウント
σe 等価応力
Di 疲労損傷度
Ri 累積疲労損傷度
Claims (6)
- 測定対象物の疲労状態を解析する疲労状態解析装置であって、
前記測定対象物のひずみの時間変化を表すひずみ波形に基づいて、ひずみ振幅と平均ひずみとを抽出するひずみ振幅/平均ひずみ抽出部と、
前記ひずみ振幅と前記平均ひずみとに基づいて等価応力を演算する等価応力演算部と、
前記等価応力と等価S-N曲線とに基づいて前記測定対象物の累積疲労損傷度を演算する累積疲労損傷度演算部と、
を備える疲労状態解析装置。 - 請求項1に記載の疲労状態解析装置において、
前記ひずみ振幅/平均ひずみ抽出部は、レインフロー法に基づいて前記ひずみ振幅と前記平均ひずみとを抽出すること、
を特徴とする疲労状態解析装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の疲労状態解析装置において、
前記累積疲労損傷度演算部は、修正マイナー法に基づいて前記累積疲労損傷度を演算すること、
を特徴とする疲労状態解析装置。 - 測定対象物の疲労状態を解析するための疲労状態解析プログラムであって、
前記測定対象物のひずみの時間変化を表すひずみ波形に基づいて、ひずみ振幅と平均ひずみとを抽出するひずみ振幅/平均ひずみ抽出手順と、
前記ひずみ振幅と前記平均ひずみとに基づいて等価応力を演算する等価応力演算手順と、
前記等価応力と等価S-N曲線とに基づいて前記測定対象物の累積疲労損傷度を演算する累積疲労損傷度演算手順と、
をコンピュータに実行させる疲労状態解析プログラム。 - 請求項4に記載の疲労状態解析プログラムにおいて、
前記ひずみ振幅/平均ひずみ抽出手順は、レインフロー法に基づいて前記ひずみ振幅と前記平均ひずみとを抽出する手順を含むこと、
を特徴とする疲労状態解析プログラム。 - 請求項4又は請求項5に記載の疲労状態解析プログラムにおいて、
前記累積疲労損傷度演算手順は、修正マイナー法に基づいて前記累積疲労損傷度を演算する手順を含むこと、
を特徴とする疲労状態解析プログラム。
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