JP2008233062A - 鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力、輪重の測定方法及び車軸ねじり測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接線力を測定するための歪みゲージブリッジを新たに設けることなく、車輪とレール間に作用する接線力を精度良く測定する。
【解決手段】ＰＱ輪軸を用いて鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力を測定する方法である。車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定する。これらの歪みと、輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して予め決定しておいた、接線力を求める際に使用する配置位置の歪みゲージの歪みと接線力との関係から、走行中のＰＱ輪軸に作用する接線力を求める。
【効果】測定点数を増加させず、既存の輪重測定用の歪みゲージ出力から、曲線通過性能向上、高速走行性能向上、加速減速性能向上のために必要な接線力を走行中に実測できる。
【選択図】図９

Description

本発明は、車輪とレール間に作用する前後方向の荷重すなわち接線力、及び輪重、並びに鉄道車両用輪軸の車軸ねじりを、鉄道車両の走行中に測定する方法に関するものである。

車輪と車軸が一体の輪軸を備えた台車では、曲線区間を通過する際に、後軸の車輪とレール間に作用する接線力は、台車をヨー方向に回転する力が発生して先頭軸外軌側の横圧を増加させる方向に作用する。
「後軸に独立車輪を用いた非対称台車の運動性能に関する基礎研究」技術誌住友金属 Vol.50 No.3(1998)、ｐ４〜８

前記横圧が増加すると、曲線区間を通過する際に脱線しやすくなるので、鉄道車両とレール間に作用する荷重のうち、前記接線力を測定することは、鉄道車両の曲線通過性能を向上するうえで大変有用である。

この接線力の測定において、モノリンク式軸箱支持装置を備えた台車では、たとえば特許文献１で開示されているように、軸箱と台車間の前後荷重を測定することによって容易に求めることができる。
特開２００６−１８８２０８号公報

しかしながら、例えば軸はり式軸箱支持装置を備えた台車の場合、軸はり部には台車と軸箱の前後荷重と左右荷重の両方が作用するので、軸はりと台車間の前後荷重を正確に測定することは困難である。

また、ウイング式軸箱支持装置を備えた台車や、支持板式軸箱支持装置を備えた台車の場合も同様に、軸箱と台車間の前後荷重を正確に測定することは困難である。

一方、鉄道車両では、横圧／輪重（Ｑ／Ｐ）を脱線係数と定義し、この脱線係数を用いて車両の脱線に対する安全性を評価している。この脱線係数は、通常、ＰＱ輪軸を用いて、走行中の車輪の歪みから車輪とレール間に作用する輪重と横圧を測定して求めていた。

このＰＱ輪軸を用いた測定では、車輪の曲げ歪みを測定することで、左右方向の荷重である横圧を、また半径方向の圧縮歪みを測定することで、垂直方向の荷重である輪重を求めているが、前後方向の荷重である接線力を測定することはできない。

そのため、車輪とレール間に作用する接線力を測定するためには、通常のＰＱ輪軸に、さらに接線力を測定するための歪みゲージブリッジを設ける必要があった。
「脱線メカニズムの解明に向けた車輪・レール間接触位置連続測定装置の開発」JR EAST Technical Review-No.3、ｐ２９〜３４

本発明が解決しようとする問題点は、従来の接線力測定では、通常のＰＱ輪軸に、さらに接線力を測定するための歪みゲージブリッジを設ける必要があったという点である。

本発明は、ＰＱ輪軸に、接線力を測定するための歪みゲージブリッジを新たに設けることなく、車輪とレール間に作用する接線力を精度良く測定するために、以下の構成を採用している。

すなわち、本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法は、
ＰＱ輪軸を用いてレールと車輪間のレール方向の接線力を測定する方法であって、
車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、
これらの歪みと、
予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、
走行中のＰＱ輪軸に作用する接線力を求めることを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法において、
前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記輪重測定用歪みゲージを用い、
ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、
ＰＱ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することが望ましい。

具体的には、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、
またはＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかとする。

また、本発明の鉄道車両の輪重測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、
ＰＱ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することを最も主要な特徴としている。

また、本発明の鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、
ＰＱ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを最も主要な特徴としている。

本発明では、測定点数を増加させることなく、通常のＰＱ輪軸の輪重測定用歪みゲージ出力から、曲線通過性能向上、高速走行性能向上、加速減速性能向上のために必要な、車輪とレール間に作用する接線力を、輪重や横圧と共に走行中に実測することができる。

また本発明では、接線力測定用のゲージブリッジを用いていないので、過去のＰＱ測定結果についても、輪重データを再生することで、接線力を再生することができる。さらに本発明では、輪重測定ゲージの出力から、曲線通過時の車軸ねじり歪みを測定することもできる。

以下、本発明の成立に至る新しい着想と、着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を用いて説明する。

ＰＱ輪軸を用いて輪重を測定する場合、輪重測定値は、車輪とレール間に作用する接線力の影響を受けるので、従来は、非特許文献３に示されるように、接線力の影響を除去している。
「車輪・レール間の力を測る―新しい輪重，横圧，脱線係数の連続測定装置―」RRR 2003.2、ｐ２２〜２５

この非特許文献３では、車輪とレール間に作用する輪重と横圧を測定するため、ＰＱ輪軸に予め輪重、横圧、接線力を負荷し、荷重負荷位置における作用力と、車輪に貼り付けた歪みゲージの歪み出力の関係を求めている。

そして、車輪に貼り付けた複数の歪みゲージの出力に対してブリッジを組み、輪重出力を得るようにしている。その際、輪重の測定精度を悪化させないように、接線力の影響を排除するようにしている。

このような従来方法に対して、発明者等は、輪重測定用に貼り付けた歪みゲージのブリッジに対し、非特許文献３と同様に接線力を負荷して荷重と歪みの関係を求めたところ、以下に示すような結果が得られた。

ＰＱ輪軸の車輪（外径が８６０mmの一体車輪）の側面８箇所に歪みゲージを貼り付け、輪重が作用した場合と、接線力が作用した場合の車輪の半径方向歪み（μ）を有限要素法（ＦＥＭ）によって解析した。その結果を下記表１、２と、図１、２に示す。

なお、下記表１及び図１は輪重が作用した場合の結果、表２及び図２は接線力が作用した場合の結果を示し、接線力が作用した場合のＦＥＭ解析モデルを図３に示す。また、歪みゲージの貼り付け位置の名称をイ〜チ（図４（ａ）参照）、測定時における荷重点ＬＰからの位置を０°〜３６０°（図４（ｂ）参照）と定義する。

ところで、ＰＱ輪軸を用いて輪重、横圧、接線力を測定する場合、非特許文献３に記載されているように、連続法、新連続法と間欠法がある。

これらの方法におけるブリッジの組み方を図５〜７に示すが、１０kNの接線力が作用した場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は図８に示す通りである。一方、軸重が１００kN（輪重が５０kN）の場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は図９に示す通りになる。

なお、図４（ａ）に示した貼り付け位置の定義を用いた場合、連続法では、｛（イ＋ロ＋ハ＋ニ）−（ホ＋ヘ＋ト＋チ）｝／８で、新連続法では、｛（イ＋ロ）−（ホ＋ヘ）｝／４で、間欠法では、（イ−ホ）／２で歪み出力を表すことができる。

この図８及び図９から以下のことが分かる。
（連続法の場合）
図４（ｂ）に示した荷重点ＬＰから９０°〜１３５°及び２７０°〜３１５°の位置では、輪重による歪み出力は同一であるが、接線力荷重による歪みは変化している。従って、９０〜１３５゜又は２７０〜３１５゜の位置で車輪歪みの変化が測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

（新連続法の場合）
同様に荷重点ＬＰから１３５°〜１８０°及び３１５°〜３６０°の位置では、輪重による歪み出力は同一であるが、接線力荷重による歪みは変化している。従って、１３５゜〜１８０゜又は３１５゜〜３６０゜の位置で車輪歪みの変化が測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

（間欠法の場合）
同様に荷重点ＬＰから９０°及び２７０°の位置で輪重による歪みは０になる。従って、９０゜又は２７０゜の位置で車輪歪みが測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

次に、５０kNの垂直荷重を作用させた時に、同時に１０kN、２０kN、３０kNの接線力が作用した場合の歪み出力例を調査した。その結果を図１０〜１２に示す。図１０は連続法による場合、図１１は新連続法による場合、図１２は間欠法による場合の結果である。

これら図１０〜１２のうち、図１０で示した連続法による場合において、接線力による車輪歪みを測定することができる、９０°〜１３５°間における歪み変化と負荷した接線力との関係を図１３に示す。

この図１３より、例えば連続法の場合には、荷重点ＬＰから９０°〜１３５°の間では、負荷した接線力と測定された車輪歪み変化との間には、一定の相関関係を有することが分かる。

なお、図示省略したが、新連続法や間欠法による場合も、接線力による車輪歪みを測定することができる設置位置における車輪歪みと負荷した接線力の間には、連続法の場合と同様の一定の相関関係を有することは言うまでもない。

また、曲線通過時の接線力は車軸ねじり歪みから求めることができるので、発明者等は、車軸ねじりから求めた接線力と、連続法で測定した輪重波形から求めた曲線通過時の接線力を比較した。なお、車軸ねじりは、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、車軸１に歪みゲージ２ａ〜２ｄを貼り付け、（ｃ）図に示す組み方のブリッジで曲線通過時の歪みを実測した。

その結果を図１５に示すが、両者とも実用の範囲内でよく一致していることが分かる。このことから、車輪の接線力を測定した結果に基づいて、車軸ねじりも測定できることが分かる。

発明者等は、以上の解析結果等に基づき、接線力測定用のゲージブリッジを使用しなくても、輪重測定のための歪みゲージを用いて測定した輪重波形から、輪重が接線力測定に与える影響を除去することで、接線力や車軸ねじりを測定できることを見出し、以下の本発明方法を成立させた。

すなわち、本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法は、
車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、
これらの歪みと、
予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、
走行中のＰＱ輪軸に作用する接線力を求めるものである。

そして、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記輪重測定用歪みゲージを用い、
ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、
ＰＱ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することが望ましい。

具体的には、前記ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、またはＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかとする。

例えば前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
車輪の荷重点を０°（３６０°）とした場合に、
1) ＰＱ輪軸におけるブリッジ結線が連続法によるものである場合は、９０°〜１３５°の間、または２７０°〜３１５°の間に配置されたもの。
2) 前記ブリッジ結線が新連続法によるものである場合は、１３５°〜１８０°の間、または３１５°〜３６０°の間に配置されたもの。
3) 前記ブリッジ結線が間欠法によるものである場合は、９０°又は２７０°に配置されたもの。
を使用するのである。

また、本発明の鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用いて、ＰＱ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを最も主要な特徴としている。

上記本発明方法では、輪重測定用の歪みゲージの出力を用いて接線力や車軸ねじりを求める。その際、本発明方法の車輪歪みと接線力の関係を得る方法としては、車輪実態に静的に荷重を負荷するのが望ましいが、ＦＥＭ解析結果を使用しても良い。

また、前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、ＰＱ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することもできることは言うまでもない。これが、本発明の鉄道車両の輪重測定方法である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇内であれば、適宜変更可能なことは言うまでもない。

本発明は、上記の例に示した車輪と車軸が一体の輪軸を備えた台車のみならず、独立した左右の輪軸を組み立てて、一つの輪軸として使用する独立車輪を備えた台車にも適用できる。

外径が８６０mmの一体車輪に２０kN、４０kN、６０kNの輪重が作用した場合の車輪半径方向歪みを示す図である。 外径が８６０mmの一体車輪に１０kN、２０kN、３０kNの接線力が作用した場合の図１と同様の図である。 接線力が作用した場合のＦＥＭ解析モデルを示す図である。 （ａ）は歪みゲージの貼り付け位置の名称を定義する図、（ｂ）は測定時における荷重点ＬＰからの位置を定義する図である。 連続法におけるブリッジの組み方を説明する図で、（ａ）は歪みゲージの貼り付け位置を説明する車輪の側面から見た図、（ｂ）は（ａ）図の中央縦断面図、（ｃ）は輪重を測定する場合のブリッジを示す図、（ｄ）は横圧を測定する場合のブリッジを示す図である。 新連続法におけるブリッジの組み方を説明する図５と同様の図である。 間欠法におけるブリッジの組み方を説明する図５と同様の図である。 １０kNの接線力が作用した場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力を示す図である。 軸重が１００kN（輪重が５０kN）の場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は示す図である。 ５０kNの垂直荷重を作用させた時に、同時に１０kN、２０kN、３０kNの接線力が作用した場合の連続法による歪み出力例を調査した結果を示した図である。 新連続法による場合の図１０と同様の図である。 間欠法による場合の図１０と同様の図である。 図１０で示した連続法による場合における接線力負荷時の、９０°〜１３５°間の歪み変化と接線力との関係を示す図である。 （ａ）（ｂ）は車軸ねじりを計測する際の歪みゲージを貼り付け位置を説明する図、（ｃ）はブリッジの組み方を示した図である。 車軸ねじりから求めた接線力と、連続法で測定した輪重波形から求めた曲線通過時の接線力を比較した結果を示す図である。

符号の説明

１ 車軸
２ 歪みゲージ

Claims (8)

1. ＰＱ輪軸を用いてレールと車輪間のレール方向の接線力を測定する方法であって、
   車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、
   これらの歪みと、
   予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、
   走行中のＰＱ輪軸に作用する接線力を求めることを特徴とする鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
2. 前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
   前記輪重測定用歪みゲージを用い、
   ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、
   ＰＱ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
3. 前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
   前記ＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、
   またはＰＱ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかであることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
4. 前記ＰＱ輪軸におけるブリッジ結線が連続法によるものである場合、
   前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
   車輪の荷重点を０°（３６０°）とした場合に、
   ９０°〜１３５°の間、または２７０°〜３１５°の間に配置されたものであることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
5. 前記ＰＱ輪軸におけるブリッジ結線が新連続法によるものである場合、
   前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
   車輪の荷重点を０°（３６０°）とした場合に、
   １３５°〜１８０°の間、または３１５°〜３６０°の間に配置されたものであることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
6. 前記ＰＱ輪軸におけるブリッジ結線が間欠法によるものである場合、
   前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
   車輪の荷重点を０°（３６０°）とした場合に、
   ９０°又は２７０°に配置されたものであることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の方法で測定した接線力を用い、
   ＰＱ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することを特徴とする鉄道車両の輪重測定方法。
8. 請求項１〜６の何れかに記載の方法で測定した接線力を用い、
   ＰＱ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを特徴とする鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法。

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