JP2007145224A - Wheel for railway rolling stock and its designing method - Google Patents

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JP2007145224A JP2005343917A JP2005343917A JP2007145224A JP 2007145224 A JP2007145224 A JP 2007145224A JP 2005343917 A JP2005343917 A JP 2005343917A JP 2005343917 A JP2005343917 A JP 2005343917A JP 2007145224 A JP2007145224 A JP 2007145224A
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Inventor
Koichi Sasaki
浩一 佐々木
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East Japan Railway Co
東日本旅客鉄道株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wheel for a railway rolling stock capable of improving travelling safety by more certainly preventing occurrence of a derailing accident and its designing method. <P>SOLUTION: This wheel for the railway rolling stock has a tread circular arc part including more than two recessed circular arc parts continuing from a neutral point and a tread including a flange part continuously provided on one end of the tread circular arc part, the flange part 3 makes an angle more than 70 degrees against a rotation axis and continuously provided on one end 2E of the tread circular arc part 2 on one end of a linear part 31, and it is furnished with the linear part 31 in parallel with the rotation axis and effective flange height which is a distance between a horizontal straight line H passing through the neutral point CP and the other end 31E of the straight line 31 of which is longer than 22mm and a protruded type circular arc part 32 continuously provided on the other end 31E of the straight line part 31. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、回転軸に平行であるとともに回転中心を通過する断面の外形形状に関して、踏面円弧部とフランジ部とを踏面が有する、鉄道車両用車輪及びその設計方法に関するものである。   The present invention relates to a railway vehicle wheel having a tread surface arc portion and a flange portion on a cross section that is parallel to a rotation axis and passes through the center of rotation, and a design method thereof.
従来、新幹線等の鉄道車両における地震等による脱線事故に対する対策として、例えば、下記の非特許文献1に示された脱線係数の限界値が大きくなるように、鉄道車両の車輪構造を設計することが知られている。脱線係数の限界値を大きくすることにより、脱線事故の発生をより確実に防ぐことができる。脱線係数の限界値は、以下の関係式(1)で与えられる。
Conventionally, as a countermeasure against a derailment accident due to an earthquake or the like in a railway vehicle such as a Shinkansen, for example, the wheel structure of a railway vehicle can be designed so that the limit value of the derailment coefficient shown in Non-Patent Document 1 below is increased. Are known. By increasing the limit value of the derailment coefficient, the occurrence of a derailment accident can be prevented more reliably. The limit value of the derailment coefficient is given by the following relational expression (1).
ここで、Qは車輪に作用する横圧であり、Pは輪重である。また、フランジ衝突している輪軸を表す図5に示されているように、Gは、車輪・レールの接触点間隔であり、iは、輪軸のB点(即ち、衝突側車輪に対する反対側車輪の踏面とレール表面との接触点)まわりの回転半径である。なお、i=√(輪軸の一方の車輪踏面の接触点まわりの慣性モーメントI/輪軸質量m)という関係式が成立している。また、αはフランジ角度であり、μは摩擦係数であり、Pは輪重であり、Pwはバネ下重量による輪重である。また、hはフランジ高さ(即ち、車輪踏面からフランジ頭頂までの長さ)であり、tは衝撃作用時間である。 Here, Q is the lateral pressure acting on the wheel, and P is the wheel load. Further, as shown in FIG. 5 showing the wheel shaft in which the flange collides, G is a wheel / rail contact point interval, and i B is a point B of the wheel shaft (that is, the opposite side to the collision side wheel). The turning radius around the contact point between the wheel tread and the rail surface. It should be noted that the relational expression i B = √ (inertia moment I B around the contact point of one wheel tread on the wheel shaft / wheel shaft mass m) is established. Α is the flange angle, μ is the friction coefficient, P is the wheel load, and Pw is the wheel load due to the unsprung weight. Further, h is the flange height (that is, the length from the wheel tread to the flange head), and t 1 is the impact action time.
従来、図6に示すように、多くの上記鉄道車両の車輪は、上記のパラメータのうち、フランジ高さhに関しては30mm、フランジ角度αに関しては70度として設定されて、設計されている。
鉄道総合技術研究所編(運輸省鉄道局監修)、「飛び上がり脱線に関する安全基準」、在来鉄道運転速度向上 試験マニュアル・解説、研友社、平成5年(1993年)5月10日、p.85
Conventionally, as shown in FIG. 6, many of the above-described railcar wheels are designed with the above parameters set to 30 mm for the flange height h and 70 degrees for the flange angle α.
Railway Technical Research Institute (supervised by the Railway Bureau of the Ministry of Transport), "Safety Standard for Jumping Derailment", Conventional Railway Speed Improvement Test Manual / Commentary, Kenyusha, May 10, 1993, p . 85
本発明者らは、脱線事故の発生をより確実に防いで走行安全性を向上させるため、鋭意検討した。この結果、本発明者らは、上記従来のパラメータを用いた車輪の構造について、走行安全性の更なる向上のためには未だ改善の余地があることを見出した。   The present inventors have intensively studied in order to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and improve the running safety. As a result, the present inventors have found that there is still room for improvement with respect to the wheel structure using the above-described conventional parameters in order to further improve the running safety.
本発明は、このような従来の問題点を上記の知見に基づいて解決するためになされたもので、脱線事故の発生をより確実に防いで走行安全性をより向上させる、鉄道車両用車輪及びその設計方法を提供することを目的とする。   The present invention was made in order to solve such a conventional problem based on the above knowledge, and more reliably prevents the occurrence of a derailment accident and improves the traveling safety, and a railway vehicle wheel. It aims at providing the design method.
上記目的を達成するために、本発明に係る鉄道車両用車輪は、回転軸を含む平面で切断したときの断面の外形形状に関して、中立点から連続する1つ以上の凹状円弧部を含む踏面円弧部と、当該踏面円弧部の一端に連設されるフランジ部とを含む踏面を有する鉄道車両用車輪であって、フランジ部は、回転軸に対して70度より大きい角度をなすとともに当該直線部の一端で踏面円弧部の一端に連設され、且つ、回転軸に平行であるとともに中立点を通過する水平直線と当該直線部の他端との距離である有効フランジ高さが22mmより長い直線部と、直線部の他端に連設される凸状円弧部と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a railcar wheel according to the present invention has a tread arc including one or more concave arc portions that are continuous from a neutral point with respect to the outer shape of a cross section when cut by a plane including a rotation axis. And a railcar wheel having a tread surface including a flange portion connected to one end of the tread arc portion, the flange portion forming an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis and the linear portion A straight line that is connected to one end of the arc of the tread surface at one end of the straight line and that has an effective flange height that is parallel to the rotation axis and that is the distance between the horizontal straight line passing through the neutral point and the other end of the straight line portion is longer than 22 mm. And a convex arc portion provided continuously with the other end of the straight portion.
また、本発明に係る鉄道車両用車輪の設計方法は、回転軸を含む平面で切断したときの断面の外形形状に関して、中立点から連続する1つ以上の凹状円弧部を含む踏面円弧部と、当該踏面円弧部の一端に連設されるフランジ部とを含む踏面を有する鉄道車両用車輪の設計方法であって、回転軸に対して70度より大きい角度をなすとともに当該直線部の一端で踏面円弧部の一端に連設され、且つ、回転軸に平行であるとともに中立点を通過する水平直線と当該直線部の他端との距離である有効フランジ高さが22mmより長い、フランジ部の直線部を規定する直線部規定ステップと、直線部の他端に連設される、フランジ部の凸状円弧部を規定する凸状円弧部規定ステップと、を備えることを特徴とする。   Further, the design method of the wheel for a rail vehicle according to the present invention is a tread arc portion including one or more concave arc portions that are continuous from a neutral point with respect to the outer shape of a cross section when cut by a plane including a rotation axis, A method for designing a wheel for a railway vehicle having a tread including a flange portion continuously provided at one end of the tread arc portion, wherein the tread is formed at an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis and at one end of the straight portion. A straight line of the flange portion that is connected to one end of the arc portion and is parallel to the rotation axis and has an effective flange height that is a distance between the horizontal straight line passing through the neutral point and the other end of the straight portion is longer than 22 mm. A linear portion defining step for defining the portion; and a convex arc portion defining step for defining the convex arc portion of the flange portion, which is connected to the other end of the linear portion.
上記の本発明に係る鉄道車両用車輪及びその設計方法によれば、フランジ部の直線部は、回転軸に対して70度より大きい角度をなしている。このため、この角度を70度としている従来の鉄道車両用車輪よりも、上記の関係式に基づいて、脱線係数の限界値を大きくすることができる。また、上記の本発明に係る鉄道車両用車輪及びその設計方法によれば、上記の水平直線と直線部の他端との距離である有効フランジ高さが22mmより長い。なお、上記のフランジ高さを30mmとし、且つ、上記のフランジ角度を70度としている従来の鉄道車両用車輪では、有効フランジ高さは22mmである。このため、上記の有効フランジ高さを22mmより長くすることにより、従来の鉄道車両用車輪よりも上記のフランジ高さが長くなるため、上記の関係式に基づいて、脱線係数の限界値を大きくすることができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   According to the railway vehicle wheel and the design method thereof according to the present invention, the straight portion of the flange portion forms an angle larger than 70 degrees with respect to the rotation axis. For this reason, the limit value of the derailment coefficient can be increased based on the above relational expression, compared with the conventional railcar wheel having this angle of 70 degrees. In addition, according to the railway vehicle wheel and the design method thereof according to the present invention described above, the effective flange height that is the distance between the horizontal straight line and the other end of the straight line portion is longer than 22 mm. In the conventional railcar wheel having the flange height of 30 mm and the flange angle of 70 degrees, the effective flange height is 22 mm. For this reason, by making the effective flange height longer than 22 mm, the flange height becomes longer than that of the conventional railway vehicle wheel. Therefore, the limit value of the derailment coefficient is increased based on the above relational expression. can do. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
また、中立点とフランジ部の内側端面との距離は、69.15mmより長いのも好ましい。   The distance between the neutral point and the inner end face of the flange portion is preferably longer than 69.15 mm.
このように、中立点とフランジ部の内側端面との距離を、従来の鉄道車両用車輪における当該距離である69.15mmより長くすることにより、鉄道車両用車輪とレールとの接触点の位置を、フランジ部とは反対側の方向に移動させることができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   Thus, by making the distance between the neutral point and the inner end face of the flange portion longer than 69.15 mm, which is the distance in the conventional railway vehicle wheel, the position of the contact point between the railway vehicle wheel and the rail is set. It can be moved in the direction opposite to the flange portion. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
なお、本発明に係る鉄道車両用車輪では、踏面円弧部は、曲率が0.0〜1.0m−1である凹状円弧部と、曲率が1.3〜1.5m−1である凹状円弧部と、曲率が16.5〜19.5m−1である凹状円弧部と、曲率が66.5〜74.0m−1である凹状円弧部とを順に連設させながら含み、凸状円弧部は、曲率半径が12mmより小さいのも好ましい。 In the railway vehicle wheel according to the present invention, the tread arc portion includes a concave arc portion having a curvature of 0.0 to 1.0 m −1 and a concave arc portion having a curvature of 1.3 to 1.5 m −1. , A concave arc portion having a curvature of 16.5 to 19.5 m −1 , and a concave arc portion having a curvature of 66.5 to 74.0 m −1 while sequentially connecting the convex arc portion Preferably, the radius of curvature is less than 12 mm.
このように、踏面円弧部が、上記の曲率の凹状円弧部を順に連設させながら含むことにより、鉄道車両用車輪とレールとの接触点を、フランジ部とは反対側の方向に移動させることができる。また、凸状円弧部の曲率半径を12mmより小さくすることにより、凸状円弧部とレールとの接触領域を、拡大することができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   Thus, the tread surface arc portion includes the concave arc portions having the curvatures described above while being sequentially arranged, thereby moving the contact point between the railcar wheel and the rail in the direction opposite to the flange portion. Can do. Moreover, the contact area of a convex circular arc part and a rail can be expanded by making the curvature radius of a convex circular arc part smaller than 12 mm. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
本発明によれば、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of a derailment accident can be prevented more reliably and driving | running | working safety can be improved more.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1に、本実施形態に係る鉄道車両用車輪10の断面の外形形状を示す。新幹線等の鉄道車両用の車輪10は、回転軸を含む平面で切断したときの断面(即ち、回転軸に平行であるとともに回転中心を通過する断面)の外形形状に関して、踏面円弧部2及びフランジ部3を含む踏面を有する。   In FIG. 1, the external shape of the cross section of the wheel 10 for rail vehicles which concerns on this embodiment is shown. A wheel 10 for a railway vehicle such as a Shinkansen has a tread surface arc portion 2 and a flange with respect to the outer shape of a cross section (that is, a cross section parallel to the rotation axis and passing through the rotation center) when cut by a plane including the rotation axis. It has a tread including part 3.
踏面円弧部2は、中立点CP(フランジ部3の内側端面である車輪フランジ端面Eから77.5mmの位置)から連続する1つ以上の凹状円弧部を含む略円弧状の部分である。ここで、凹状円弧部は、車輪10側から見て内側に凹んでいる略円弧状の部分である。本実施形態においては、踏面円弧部2は、4つの凹状円弧部21〜24を順に連設させながら含んでいる。4つの凹状円弧部21〜24それぞれの曲率半径は、1000mm、700mm、52mm、及び14mmである。なお、4つの凹状円弧部21〜24それぞれの曲率は、0.0〜1.0m−1、1.3〜1.5m−1、16.5〜19.5m−1、及び66.5〜74.0m−1それぞれの範囲内にあれば、特に限定されない。また、4つの凹状円弧部21〜24それぞれの曲率半径の基準となる中心の位置は、車輪フランジ端面Eから90mm(即ち、中立点CPを起点としてフランジ部3から離れる方向に、12.5mm)、60mm、50mm、及び40mmの位置にある。なお、車輪10の踏面の中立点CPの曲率は1.0m−1、即ち曲率半径Rwheelは、1000mmである(これに対して、レールの頭頂の曲率半径Rrailは、600mmである)。このため、踏面勾配δは、δ=12.5mm/1000mm=1/80として求まる。 The tread surface arc portion 2 is a substantially arc-shaped portion including one or more concave arc portions that are continuous from a neutral point CP (a position 77.5 mm from the wheel flange end surface E that is the inner end surface of the flange portion 3). Here, the concave arc portion is a substantially arc-shaped portion recessed inward as viewed from the wheel 10 side. In the present embodiment, the tread surface arc portion 2 includes four concave arc portions 21 to 24 that are successively arranged. The radius of curvature of each of the four concave arc portions 21 to 24 is 1000 mm, 700 mm, 52 mm, and 14 mm. Incidentally, four concavely curved portions 21 to 24 each curvature, 0.0~1.0m -1, 1.3~1.5m -1, 16.5~19.5m -1, and 66.5~ If it exists in the range of 74.0m < -1 >, it will not specifically limit. The center position serving as a reference for the radius of curvature of each of the four concave arc portions 21 to 24 is 90 mm from the wheel flange end surface E (that is, 12.5 mm in the direction away from the flange portion 3 starting from the neutral point CP). , 60 mm, 50 mm, and 40 mm. Note that the curvature of the neutral point CP of the tread surface of the wheel 10 is 1.0 m −1 , that is, the curvature radius R wheel is 1000 mm (in contrast, the curvature radius R rail of the top of the rail is 600 mm). Therefore, the tread gradient δ is obtained as δ = 12.5 mm / 1000 mm = 1/80.
フランジ部3は、踏面円弧部2の一端2E(車輪フランジ端面Eから30mmの位置)に連設される略フランジ状の部分である。ここで、フランジ部3は、図1に示すように、上記の断面に関して、直線部31及び凸状円弧部32を備えている。なお、フランジ部3は、上記の踏面円弧部2の一端2Eに、この直線部31の一端で連設されている。   The flange portion 3 is a substantially flange-shaped portion that is connected to one end 2E of the tread surface arc portion 2 (position 30 mm from the wheel flange end surface E). Here, the flange part 3 is provided with the linear part 31 and the convex circular arc part 32 regarding said cross section, as shown in FIG. The flange portion 3 is connected to one end 2E of the tread surface arc portion 2 at one end of the linear portion 31.
直線部31は、回転軸に対して70度より大きい角度をなしている。すなわち、フランジ部3のフランジ角度αは、70度より大きい。なお、フランジ角度αは、70度より大きく80度以下であるのが好ましく、75度であるのがより好ましい。フランジ角度αが70度以下の場合、上記の関係式(1)により、従来の鉄道車両用車輪よりも脱線係数の限界値を大きくすることができない。また、フランジ角度αが80度より大きい場合、分岐器のポイント部や伸縮継目などレールの欠損部をつなぐトングレールにて、車輪10が乗り上がってしまう恐れがある。   The straight line portion 31 forms an angle larger than 70 degrees with respect to the rotation axis. That is, the flange angle α of the flange portion 3 is larger than 70 degrees. The flange angle α is preferably greater than 70 degrees and not greater than 80 degrees, and more preferably 75 degrees. When the flange angle α is 70 degrees or less, the limit value of the derailment coefficient cannot be made larger than that of the conventional railway vehicle wheel according to the relational expression (1). Further, when the flange angle α is larger than 80 degrees, the wheel 10 may ride up on the Tongler connecting the missing part of the rail such as the point part of the branching device and the expansion joint.
また、この直線部31に関して、水平直線Hと直線部31の他端31Eとの距離(以下、有効フランジ高さehという。)が22mmより長い。ここで、水平直線Hとは、回転軸に平行であるとともに中立点CPを通過する仮想直線である。なお、有効フランジ高さehは、22mmより長く29mm以下であるのが好ましく、26mmであるのがより好ましい(即ち、フランジ高さhは、30mmより長く35mm以下であるのが好ましく、32mmであるのがより好ましい)。有効フランジ高さehが22mm以下の場合、上記のフランジ角度αを70度としている従来の鉄道車両用車輪においては、上記のフランジ高さhが30mm以下の場合に相当する。このため、上記の関係式(1)により、上記のフランジ高さhを30mmとし、且つ、上記のフランジ角度αを70度としている従来の鉄道車両用車輪よりも脱線係数の限界値を大きくすることができない。また、有効フランジ高さehが29mmより大きい場合、車両をレール上に静置した場合に超えてはならない車両下部の限界寸法を超えてしまう。なお、有効フランジ高さehが26mmで、凸状円弧部32の曲率半径が8mmで、フランジ角度αが75度の場合、上記のフランジ高さhは32mmの場合に相当する(26+8×(1−cos75°)=32)。ここで、車両の日々の走行による車輪10の磨耗においては、レールと多く接触する中立点CP近傍で激しく磨耗し、フランジ部3の先端部分では磨耗しない。このような相対的な車輪磨耗により、フランジ高さhは増大していくことになる。このように磨耗が進んだ場合でも、フランジ高さhが上記した35mmに達しないように、3mm余裕を持たせてフランジ高さhを32mmとするのがより好ましい。なお、凸状円弧部32の曲率半径が8mmで、フランジ角度αが75度で、フランジ高さhが35mmの場合、有効フランジ高さehは29mmの場合に相当する(35−8×(1−cos75°)=29)。   Further, with respect to the straight line portion 31, the distance between the horizontal straight line H and the other end 31E of the straight line portion 31 (hereinafter referred to as an effective flange height eh) is longer than 22 mm. Here, the horizontal straight line H is a virtual straight line that is parallel to the rotation axis and passes through the neutral point CP. The effective flange height eh is preferably longer than 22 mm and 29 mm or less, more preferably 26 mm (that is, the flange height h is preferably longer than 30 mm and 35 mm or less, and 32 mm). More preferred). When the effective flange height eh is 22 mm or less, the conventional railcar wheel having the flange angle α of 70 degrees corresponds to the case where the flange height h is 30 mm or less. Therefore, according to the relational expression (1), the limit value of the derailment coefficient is made larger than that of the conventional railway vehicle wheel in which the flange height h is 30 mm and the flange angle α is 70 degrees. I can't. Moreover, when the effective flange height eh is larger than 29 mm, the critical dimension of the lower part of the vehicle, which should not be exceeded when the vehicle is placed on the rail, is exceeded. When the effective flange height eh is 26 mm, the radius of curvature of the convex arcuate portion 32 is 8 mm, and the flange angle α is 75 degrees, the above flange height h corresponds to the case of 32 mm (26 + 8 × (1 -Cos 75 °) = 32). Here, in the wear of the wheel 10 due to the daily running of the vehicle, the wheel 10 is worn violently in the vicinity of the neutral point CP that is in frequent contact with the rail, and is not worn at the tip portion of the flange portion 3. By such relative wheel wear, the flange height h increases. Even when the wear progresses in this way, it is more preferable that the flange height h is 32 mm with a 3 mm margin so that the flange height h does not reach 35 mm. When the radius of curvature of the convex arc portion 32 is 8 mm, the flange angle α is 75 degrees, and the flange height h is 35 mm, the effective flange height eh corresponds to the case of 29 mm (35-8 × (1 -Cos 75 °) = 29).
凸状円弧部32は、上記の断面に関して、車輪10側から見て外側に突出している略円弧状の部分であり、直線部31の他端31Eに連設されている。凸状円弧部の曲率半径は、12mmより小さい。なお、凸状円弧部の曲率半径は、8mmであるのが好ましい。これは、凸状円弧部の曲率半径が8mmより小さくなると、分岐器のポイント部や伸縮継目などレールの欠損部をつなぐトングレールにて、車輪10が乗り上がってしまう恐れがあるためである。   The convex arc portion 32 is a substantially arc-shaped portion that protrudes outward as viewed from the wheel 10 side with respect to the cross section, and is connected to the other end 31 </ b> E of the linear portion 31. The radius of curvature of the convex arc portion is smaller than 12 mm. In addition, it is preferable that the curvature radius of a convex circular arc part is 8 mm. This is because if the radius of curvature of the convex circular arc portion is smaller than 8 mm, the wheel 10 may ride on the Tongleil that connects the missing portion of the rail such as the point portion of the branching device or the expansion joint.
次に、鉄道車両用車輪10の設計方法について説明する。図2に、鉄道車両用車輪10の設計方法が備えるステップを表す流れ図を示す。鉄道車両用車輪10の設計方法は、踏面円弧部規定ステップ、直線部規定ステップ、及び凸状円弧部規定ステップを備えている。これらのステップを順に実行することにより、鉄道車両用車輪10を設計することができる。なお、ここでは、中立点CPを起点としてフランジ部3から遠ざかる部分(即ち、図1における中立点CPから右側部分)の設計方法は、従来の鉄道車両用車輪の設計方法と同じ方法であるため、ここでは説明を割愛する。同様に、凸状円弧部32を起点として中立点CPから遠ざかる部分(即ち、図1における凸状円弧部32から左側部分)の設計方法も、ここでは説明を割愛する。   Next, a method for designing the railway vehicle wheel 10 will be described. In FIG. 2, the flowchart showing the step with which the design method of the wheel 10 for rail vehicles is provided is shown. The design method of the railway vehicle wheel 10 includes a tread surface arc part defining step, a straight line part defining step, and a convex arc part defining step. By executing these steps in order, the railway vehicle wheel 10 can be designed. Here, the design method of the portion that is away from the flange portion 3 starting from the neutral point CP (that is, the right side portion from the neutral point CP in FIG. 1) is the same method as the conventional design method of the wheel for a railway vehicle. I'll omit the explanation here. Similarly, the design method of the portion away from the neutral point CP starting from the convex arc portion 32 (that is, the left portion from the convex arc portion 32 in FIG. 1) is also omitted here.
まず、踏面円弧部規定ステップでは、曲率半径が1000mmである凹状円弧部21と、曲率半径が700mmである凹状円弧部22と、曲率半径が52mmである凹状円弧部23と、曲率半径が14mmである凹状円弧部24とを、中立点CPから順に連設させながら、踏面円弧部2を規定する(ステップS1)。   First, in the tread arc portion defining step, a concave arc portion 21 having a radius of curvature of 1000 mm, a concave arc portion 22 having a radius of curvature of 700 mm, a concave arc portion 23 having a radius of curvature of 52 mm, and a radius of curvature of 14 mm. The tread surface arc portion 2 is defined while connecting a certain concave arc portion 24 in order from the neutral point CP (step S1).
次に、直線部規定ステップでは、フランジ部3の直線部31を規定する(ステップS2)。なお、この直線部31は、上記の断面に関して、回転軸に対して70度より大きい角度をなすとともに直線部31の一端で踏面円弧部2の一端2Eに連設され、且つ、有効フランジ高さehは22mmより長い。   Next, in the straight line portion defining step, the straight portion 31 of the flange portion 3 is defined (step S2). The straight portion 31 has an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis with respect to the cross section, and is connected to one end 2E of the tread arc portion 2 at one end of the straight portion 31 and has an effective flange height. eh is longer than 22 mm.
最後に、凸状円弧部規定ステップでは、フランジ部3の凸状円弧部32を規定する(ステップS3)。なお、この凸状円弧部32は。上記の断面に関して、直線部31の他端31Eに連設される。ここで、凸状円弧部32の規定に関しては、曲率半径が12mmより小さい凸状円弧部32を規定してもよい。   Finally, in the convex arc portion defining step, the convex arc portion 32 of the flange portion 3 is defined (step S3). In addition, this convex circular arc part 32 is. With respect to the cross-section, the other end 31E of the linear portion 31 is connected. Here, regarding the definition of the convex arc portion 32, the convex arc portion 32 having a radius of curvature smaller than 12 mm may be specified.
次に、本実施形態に係る鉄道車両用車輪10及びその設計方法の作用及び効果について説明する。本実施形態に係る鉄道車両用車輪10及びその設計方法によれば、フランジ部3の直線部31は、上記の断面に関して、回転軸に対して70度より大きい角度をなしている。この角度を従来の70度から例えば75度とした場合、上記の関係式(1)中の以下の関係式(2)の部分が、摩擦係数μを0.1とすれば、約2.077から約2.645という値になる。このため、関係式(2)の部分の相対比率は、約1.273倍(即ち、脱線係数の限界値の相対比率が約27.3パーセント増)となる。
Next, the operation and effect of the railway vehicle wheel 10 and its design method according to the present embodiment will be described. According to the railway vehicle wheel 10 and the design method thereof according to the present embodiment, the straight portion 31 of the flange portion 3 forms an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis with respect to the cross section. When this angle is changed from the conventional 70 degrees to, for example, 75 degrees, the portion of the following relational expression (2) in the relational expression (1) is about 2.077 when the friction coefficient μ is 0.1. To a value of about 2.645. Therefore, the relative ratio of the relational expression (2) is about 1.273 (that is, the relative ratio of the derailment coefficient limit value is increased by about 27.3 percent).
このように、この角度を70度としている従来の鉄道車両用車輪よりも、上記の関係式に基づいて、脱線係数の限界値を大きくすることができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。また、この角度を70度より大きい角度とすることにより、フランジ部3の幅が短くなって30mmとなる(図1参照)。この結果、車輪10とレールとの横動隙間が増大するため、曲線走行時の車輪半径差を増大させることが可能となる。   Thus, the limit value of the derailment coefficient can be increased based on the above relational expression, compared with the conventional railcar wheel having this angle of 70 degrees. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety. Further, by setting this angle to an angle larger than 70 degrees, the width of the flange portion 3 is shortened to 30 mm (see FIG. 1). As a result, since the lateral clearance between the wheel 10 and the rail increases, it is possible to increase the wheel radius difference during curve traveling.
また、本実施形態に係る鉄道車両用車輪10及びその設計方法によれば、上記の水平直線Hと直線部31の他端31Eとの距離(即ち、有効フランジ高さeh)が22mmより長い。なお、上記のフランジ高さを30mmとし、且つ、上記のフランジ角度を70度としている従来の鉄道車両用車輪では、この有効フランジ高さehは22mmである(図6参照)。このため、有効フランジ高さehを22mmより長くすることにより、従来の鉄道車両用車輪よりも上記のフランジ高さが長くなる。ここで、本発明者らは、フランジ部3の先端部分においてフランジ部3とレールとの接触部分は徐々に減少するため、上記の関係式(1)中の以下の関係式(3)におけるhには、有効フランジ高さehを代入した方が、脱線係数の限界値をより適切に見積もることができることを見出した。この知見に基づいて、有効フランジ高さehを従来の22mmから例えば26mmにした場合、関係式(3)の部分の相対比率は、約1.087倍(即ち、脱線係数の限界値の相対比率が約8.7パーセント増)となる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。
Further, according to the railway vehicle wheel 10 and the design method thereof according to the present embodiment, the distance between the horizontal straight line H and the other end 31E of the straight portion 31 (that is, the effective flange height eh) is longer than 22 mm. In the conventional railway vehicle wheel in which the flange height is 30 mm and the flange angle is 70 degrees, the effective flange height eh is 22 mm (see FIG. 6). For this reason, by making the effective flange height eh longer than 22 mm, the above-described flange height becomes longer than that of a conventional railway vehicle wheel. Here, since the contact part of the flange part 3 and a rail reduces gradually in the front-end | tip part of the flange part 3, these inventors are h in the following relational expression (3) in said relational expression (1). It was found that the limit value of the derailment coefficient can be estimated more appropriately by substituting the effective flange height eh. Based on this knowledge, when the effective flange height eh is changed from the conventional 22 mm to 26 mm, for example, the relative ratio of the relational expression (3) is about 1.087 times (that is, the relative ratio of the derailment coefficient limit value). Is increased by about 8.7%). As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
以上のように、従来の鉄道車両用車輪よりも、上記の関係式に基づいて、車輪10の脱線係数の限界値を大きくすることができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。例えば、上記したように、70度から例えば75度とするとともに、有効フランジ高さehを22mmから例えば26mmにした場合、脱線係数の限界値は、約1.273倍されるとともに更に約1.087倍されるため、結果的に約1.384倍される。即ち、脱線係数の限界値の相対比率が約38.4パーセント増となる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   As described above, the limit value of the derailment coefficient of the wheel 10 can be increased based on the relational expression as compared with the conventional railway vehicle wheel. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety. For example, as described above, when the effective flange height eh is increased from 22 mm to 26 mm, for example, from 70 degrees to 75 degrees, the derailment coefficient limit value is multiplied by about 1.273 and further about 1. Since it is 087 times, the result is about 1.384 times. That is, the relative ratio of the derailment coefficient limit increases by about 38.4 percent. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
図3に、脱線係数の限界値の相対比率と摩擦係数との関係を表すグラフを示す。なお、このグラフは、有効フランジ高さehを22mmから26mmにしたことを前提にしている。フランジ角度αは、75度、77度、及び79度の3種類について示されている。これらのフランジ角度αそれぞれについてのこの相対比率は、摩擦係数μの大きさに関わらず、略1.3より大きくなっている。即ち、フランジ角度αを70度としている従来の鉄道車両用車輪よりも、脱線係数の限界値を30パーセント以上大きくすることができる。なお、摩擦係数μに関して、雨天の場合は0.03程度、高速走行時の場合は0.1程度と考えられ、摩擦係数μが0.5程度の場合に、上記の相対比率が最小となる。また、フランジ角度αを75度よりも77度に、更に77度よりも79度にすることにより、この相対比率が更に大きくなっている。即ち、フランジ角度αを大きくすればするほど、この相対比率を大きくすることができるので、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the relative ratio of the derailment coefficient limit value and the friction coefficient. This graph assumes that the effective flange height eh has been changed from 22 mm to 26 mm. The flange angle α is shown for three types of 75 degrees, 77 degrees, and 79 degrees. This relative ratio for each of these flange angles α is greater than about 1.3 regardless of the size of the friction coefficient μ. That is, the derailment coefficient limit value can be increased by 30% or more compared with the conventional railcar wheel having a flange angle α of 70 degrees. Regarding the friction coefficient μ, the relative ratio is considered to be about 0.03 in the case of rain, and about 0.1 in the case of high-speed driving, and the above relative ratio becomes minimum when the friction coefficient μ is about 0.5. . Further, the relative ratio is further increased by setting the flange angle α to 77 degrees from 75 degrees and further to 79 degrees from 77 degrees. That is, as the flange angle α is increased, the relative ratio can be increased. Therefore, the occurrence of a derailment accident can be prevented more reliably, and traveling safety can be further improved.
また、本実施形態に係る鉄道車両用車輪10及びその設計方法によれば、踏面円弧部2が、上記の曲率半径の凹状円弧部21〜24を順に連設させながら含む。このため、中立点CPと車輪フランジ端面Eとの距離(即ち、77.5mm)は、従来の鉄道車両用車輪における当該距離(即ち、69.15mm)より長い。これにより、鉄道車両用車輪10とレールとの接触点の位置を、フランジ部3とは反対側の方向に移動させることができる。なお、中立点CPと車輪フランジ端面Eとの距離は、69.15mmより長ければ、特に限定されない。図4に、車輪10の横変位に伴う、車輪10とレールとの接触点の位置が変化する様子が計算されて模式的に表されているグラフを示す。図4(a)は、本実施形態に係る車輪10の場合の接触点の位置の変化を示し、図4(b)は、従来の鉄道車両用車輪の場合の接触点の位置の変化を示している。なお、横軸は、レールの頭頂を0とした相対的横方向(幅方向)位置を示し、縦軸は、レールの頭頂を0とした相対的高さを示している。また、車輪10を1mmだけ横変位させた場合における、車輪10とレールとの接触点同士が、細い線によって結ばれている(接触点同士を結ぶ細い線を見やすくするため、車輪10を10mm程度浮かせた状態で表示されている)。また、レールは1mあたり60kgのレールが用いられたことを前提として計算してある。   Moreover, according to the railway vehicle wheel 10 and the design method thereof according to the present embodiment, the tread surface arc portion 2 includes the concave arc portions 21 to 24 having the above-described curvature radii in order. Therefore, the distance between the neutral point CP and the wheel flange end face E (ie, 77.5 mm) is longer than the distance (ie, 69.15 mm) in the conventional railway vehicle wheel. Thereby, the position of the contact point between the railcar wheel 10 and the rail can be moved in the direction opposite to the flange portion 3. The distance between the neutral point CP and the wheel flange end surface E is not particularly limited as long as it is longer than 69.15 mm. FIG. 4 shows a graph schematically showing a state in which the position of the contact point between the wheel 10 and the rail is changed with the lateral displacement of the wheel 10. 4A shows a change in the position of the contact point in the case of the wheel 10 according to the present embodiment, and FIG. 4B shows a change in the position of the contact point in the case of a conventional railway vehicle wheel. ing. The horizontal axis indicates the relative horizontal direction (width direction) position where the top of the rail is 0, and the vertical axis indicates the relative height where the top of the rail is 0. In addition, when the wheel 10 is laterally displaced by 1 mm, the contact points between the wheel 10 and the rail are connected by a thin line (in order to make it easy to see the thin line connecting the contact points, the wheel 10 is about 10 mm. Is displayed in a floating state). Moreover, the rails are calculated on the assumption that 60 kg of rails per meter are used.
従来の鉄道車両用車輪から、本実施形態に係る車輪10の構造に変化させた場合、図4(a)及び図4(b)に示すように、上記の接触点の位置が、フランジ部3から遠ざかる方向に移動している。以下、この理由について説明する。中立点CPの位置が、従来は車輪フランジ端面Eから69.15mmの位置であった(図6参照)のに対し、本実施形態では、踏面円弧部2が上記の曲率半径の凹状円弧部21〜24を順に連設させながら含んでいるため、車輪フランジ端面Eから77.5mmの位置にある(図1参照)。この結果、上記の接触点の位置がフランジ部3から遠ざかる方向(即ち、フランジ部3とは反対側の方向)に移動している。更に、凸状円弧部32の曲率半径を12mmより小さくすることにより、凸状円弧部32とレールとの接触領域を、拡大することができる。この結果、脱線事故の発生をより確実に防いで、走行安全性をより向上させることができる。   When the conventional railway vehicle wheel is changed to the structure of the wheel 10 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the position of the contact point is the flange portion 3. It is moving away from the direction. Hereinafter, this reason will be described. Whereas the position of the neutral point CP is conventionally 69.15 mm from the wheel flange end surface E (see FIG. 6), in the present embodiment, the tread surface arc portion 2 is the concave arc portion 21 having the above-described radius of curvature. -24 are included while being arranged in order, so that the position is 77.5 mm from the wheel flange end face E (see FIG. 1). As a result, the position of the contact point moves in a direction away from the flange portion 3 (that is, a direction opposite to the flange portion 3). Furthermore, by making the curvature radius of the convex arc portion 32 smaller than 12 mm, the contact area between the convex arc portion 32 and the rail can be enlarged. As a result, it is possible to more reliably prevent the occurrence of a derailment accident and further improve traveling safety.
ここで、車輪10は通常、中立点CPを中心にして±3mm程度の範囲で回転している。このため、中立点CPでの車輪踏面とレールの頭頂との間の位置関係を示す踏面勾配δが、重要なファクタとなる。上記したように、車輪10の踏面の中立点CPの曲率半径Rwheelは1000mmであり、レールの頭頂の曲率半径Rrailは600mmである。また、踏面勾配δは1/80である。一方、従来の鉄道車両用車輪については、曲率半径Rwheel及び曲率半径Rrailは共通であるものの、踏面勾配δは、δ=25mm/1000mm=1/40である(図6参照)。ここで、理論上の等価踏面勾配λeを、以下の関係式(4)に基づいて求め、本実施形態に係る車輪10と従来の鉄道車両用車輪とについて比較する(日本機会学会編、「車輪踏面の等価踏面勾配」、鉄道車両のダイナミクス 最新の台車テクノロジー、電気車研究会、p.24)。
Here, the wheel 10 normally rotates in a range of about ± 3 mm around the neutral point CP. Therefore, the tread gradient δ indicating the positional relationship between the wheel tread at the neutral point CP and the top of the rail is an important factor. As described above, the radius of curvature R wheel of the neutral point CP of the tread of the wheel 10 is 1000 mm, and the radius of curvature R rail of the top of the rail is 600 mm. Further, the tread gradient δ is 1/80. On the other hand, in the conventional railway vehicle wheel, the curvature radius R wheel and the curvature radius R rail are common, but the tread gradient δ is δ = 25 mm / 1000 mm = 1/40 (see FIG. 6). Here, the theoretical equivalent tread surface gradient λe is obtained based on the following relational expression (4), and the wheel 10 according to the present embodiment is compared with the conventional railcar wheel (the Japan Opportunity Society, “Wheels”). "Equivalent tread slope of treads", Railway vehicle dynamics Latest truck technology, Electric vehicle workshop, p.24).
上記の関係式(4)に基づいて、本実施形態に係る車輪10についての等価踏面勾配λeは、1/32である。一方、従来の鉄道車両用車輪についての等価踏面勾配λeは、1/16である。本実施形態に係る車輪10についての等価踏面勾配λeの方が、等価踏面勾配λeが小さくなっているため、高速走行時の走行安定性及び振動乗り心地が改善されている。このように、車輪10の構造が、本実施形態のような踏面勾配δを有するようにすることで、高速走行時の走行安定性及び振動乗り心地を改善することができる。   Based on the relational expression (4), the equivalent tread gradient λe for the wheel 10 according to the present embodiment is 1/32. On the other hand, the equivalent tread gradient λe for the conventional railway vehicle wheel is 1/16. The equivalent tread gradient λe for the wheel 10 according to the present embodiment has a smaller equivalent tread gradient λe, so that the running stability and vibration riding comfort during high speed running are improved. In this way, by making the structure of the wheel 10 have the tread gradient δ as in this embodiment, it is possible to improve the running stability and the vibration ride comfort during high speed running.
本発明の実施形態に係る鉄道車両用車輪の断面の外形形状示す図である。It is a figure which shows the external shape of the cross section of the wheel for rail vehicles which concerns on embodiment of this invention. 鉄道車両用車輪の設計方法が備えるステップを表す流れ図である。It is a flowchart showing the step with which the design method of the wheel for rail vehicles is equipped. 脱線係数の限界値の相対比率と摩擦係数との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the relative ratio of the limit value of a derailment coefficient, and a friction coefficient. 車輪の横変位に伴う、車輪とレールとの接触点の位置が変化する様子を模式的に表すグラフである。It is a graph which represents typically a mode that the position of the contact point of a wheel and a rail changes with lateral displacement of a wheel. フランジ衝突している輪軸を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the wheel axis which has flange collision. 従来の鉄道車両用車輪の断面の外形形状示す図である。It is a figure which shows the external shape of the cross section of the wheel for conventional rail vehicles.
符号の説明Explanation of symbols
2…踏面円弧部、2E…一端、3…フランジ部、10…鉄道車両用車輪、21〜24…凹状円弧部、31…直線部、31E…他端、32…凸状円弧部、CP…中立点、E…車輪フランジ端面、H…水平直線、α…フランジ角度。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Tread surface arc part, 2E ... One end, 3 ... Flange part, 10 ... Rail vehicle wheel, 21-24 ... Concave arc part, 31 ... Linear part, 31E ... Other end, 32 ... Convex arc part, CP ... Neutral Point, E: Wheel flange end face, H: Horizontal straight line, α: Flange angle.

Claims (4)

  1. 回転軸を含む平面で切断したときの断面の外形形状に関して、中立点から連続する1つ以上の凹状円弧部を含む踏面円弧部と、当該踏面円弧部の一端に連設されるフランジ部とを含む踏面を有する鉄道車両用車輪であって、
    前記フランジ部は、
    前記回転軸に対して70度より大きい角度をなすとともに当該直線部の一端で前記踏面円弧部の一端に連設され、且つ、前記回転軸に平行であるとともに前記中立点を通過する水平直線と当該直線部の他端との距離である有効フランジ高さが22mmより長い直線部と、
    前記直線部の前記他端に連設される凸状円弧部と、
    を備える鉄道車両用車輪。
    Regarding the outer shape of the cross-section when cut along a plane including the rotation axis, a tread surface arc portion including one or more concave arc portions continuing from a neutral point, and a flange portion connected to one end of the tread arc portion A railcar wheel having a tread surface including:
    The flange portion is
    A horizontal straight line that forms an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis, is connected to one end of the tread surface arc portion at one end of the linear portion, and is parallel to the rotation axis and passes through the neutral point; A straight portion having an effective flange height that is a distance from the other end of the straight portion, which is longer than 22 mm;
    A convex arc portion connected to the other end of the linear portion;
    A rail vehicle wheel comprising:
  2. 前記中立点と前記フランジ部の内側端面との距離は、69.15mmより長い、
    請求項1に記載の鉄道車両用車輪。
    The distance between the neutral point and the inner end face of the flange portion is longer than 69.15 mm,
    The wheel for a railway vehicle according to claim 1.
  3. 前記踏面円弧部は、
    曲率が0.0〜1.0m−1である凹状円弧部と、
    曲率が1.3〜1.5m−1である凹状円弧部と、
    曲率が16.5〜19.5m−1である凹状円弧部と、
    曲率が66.5〜74.0m−1である凹状円弧部とを順に連設させながら含み、
    前記凸状円弧部は、曲率半径が12mmより小さい、
    請求項1または2に記載の鉄道車両用車輪。
    The tread arc portion is
    A concave arc portion having a curvature of 0.0 to 1.0 m −1 ;
    A concave arc portion having a curvature of 1.3 to 1.5 m −1 ;
    A concave arc portion having a curvature of 16.5 to 19.5 m −1 ;
    Including a concave arc portion having a curvature of 66.5 to 74.0 m −1 while being sequentially arranged,
    The convex arc portion has a radius of curvature smaller than 12 mm.
    The wheel for a railway vehicle according to claim 1 or 2.
  4. 回転軸を含む平面で切断したときの断面の外形形状に関して、中立点から連続する1つ以上の凹状円弧部を含む踏面円弧部と、当該踏面円弧部の一端に連設されるフランジ部とを含む踏面を有する鉄道車両用車輪の設計方法であって、
    前記回転軸に対して70度より大きい角度をなすとともに当該直線部の一端で前記踏面円弧部の一端に連設され、且つ、前記回転軸に平行であるとともに前記中立点を通過する水平直線と当該直線部の他端との距離である有効フランジ高さが22mmより長い、前記フランジ部の直線部を規定する直線部規定ステップと、
    前記直線部の前記他端に連設される、前記フランジ部の凸状円弧部を規定する凸状円弧部規定ステップと、
    を備える鉄道車両用車輪の設計方法。

    Regarding the outer shape of the cross-section when cut along a plane including the rotation axis, a tread surface arc portion including one or more concave arc portions continuing from a neutral point, and a flange portion connected to one end of the tread arc portion A method of designing a railway vehicle wheel having a tread including:
    A horizontal straight line that forms an angle greater than 70 degrees with respect to the rotation axis, is connected to one end of the tread surface arc portion at one end of the linear portion, and is parallel to the rotation axis and passes through the neutral point; A linear portion defining step for defining a straight portion of the flange portion, wherein an effective flange height, which is a distance from the other end of the straight portion, is longer than 22 mm;
    A convex arc portion defining step for defining a convex arc portion of the flange portion, which is connected to the other end of the linear portion;
    A method for designing a wheel for a railway vehicle comprising:

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