JP2010111189A - 鉄道車両の走行安定性判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 時間のかかる接触特性を求める計算や車両運動シミュレーションを実施することなく、現場において日常的に実施されている車輪の状態量を測定をするだけで、あらかじめ求めておいた安定性マップに照らし合わせて鉄道車両の走行安定性の良否を判定することができる鉄道車両の走行安定性判定方法を提供する。
【解決手段】 鉄道車両の走行安定性判定方法において、鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３点の車輪踏面摩耗モデル形状を用いた接触特性の計算結果から前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップをあらかじめ作成しておき、鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置での摩耗量の３点間の相対変位を測定し、前記相対変位を前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップと照合し、前記鉄道車両の車軸方向の車輪踏面の摩耗状態による鉄道車両の走行安定性を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両の走行安定性判定方法に係り、特に車輪踏面の摩耗状態による鉄道車両の走行安定性を判定する方法に関するものである。

鉄道車両は、長期間走行するにつれて車輪踏面が摩耗し走行安定性が低下する。このため、車両基地では車両の走行期間や車両機器のメンテナンス周期に応じて定められた期間ごとに、車輪踏面を元の形状に削る作業が実施されている。

一方、車両に突然異常振動が発生した場合、測定した車輪踏面形状から車輪とレール間の接触特性を求める計算を実施し、等価踏面勾配の算出や、この接触特性を用いた車両運動シミュレーションから安定性の判定を実施することにより異常振動の原因を解明している。しかし、これは異常振動等の問題発生後に行うものであり、作業が煩雑になるなどの理由から問題を未然に防止するための手段としては実施されていない。

また、従来は、車輪踏面形状測定器により、踏面の断面形状の摩耗量や車輪径測定器により車輪径を計測するようにしている（下記特許文献１〜３参照）。

図８は従来の車輪径測定装置を示す図である。

この図において、１０１は鉄道車両の車輪、１０２はその車輪１０１の車輪径測定器、１０３は車輪踏面、１０４は判定表示器、１０５〜１０７は車輪径測定用接触プローブである。

また、車輪踏面の形状や車輪径寸法、車輪幅寸法を測定する装置が提案されている（下記特許文献４参照）。
特開２００４−２５８００７号公報 特開２０００−２０３４２９号公報 特開平１１−１０８６５４号公報 特開平６−１２３６０８号公報

しかしながら、上記した従来の測定法により得られた状態量を用いた走行安定性判定方法は、作業が煩雑であり、現場において簡便に判定できるものではなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、時間のかかる車輪とレール間の接触特性を求める計算や車両運動シミュレーションを実施することなく、現場において日常的に実施されている車輪の状態量を測定をするだけで、あらかじめ求めておいた安定性マップに照らし合わせて鉄道車両の走行安定性の良否を判定することができる鉄道車両の走行安定性判定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道車両の走行安定性判定方法において、鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３点の車輪踏面摩耗モデル形状を用いた車輪とレール間の接触特性の計算結果から前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップをあらかじめ作成しておき、鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置での摩耗量の３点間の相対変位を測定し、前記相対変位を前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップと照合し、前記鉄道車両の車軸方向の車輪踏面の摩耗状態による鉄道車両の走行安定性を判定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の鉄道車両の走行安定性判定方法において、前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置が、フランジ背面からそれぞれ４０ｍｍ付近、６５ｍｍ、１１０ｍｍ付近であることを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす車軸方向の車輪踏面の３箇所の位置での摩耗量の相対変位を測定し、簡便に鉄道車両の安定走行の判定を実施することができる。

本発明の鉄道車両の走行安定性判定方法は、鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３点の車輪踏面摩耗モデル形状を用いた接触特性の計算結果から前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップをあらかじめ作成しておき、鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置での摩耗量の３点間の相対変位を測定し、前記相対変位を前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップと照合し、前記鉄道車両の車軸方向の車輪踏面の摩耗状態による鉄道車両の走行安定性を判定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明に係る鉄道車両の車輪径を測定する測定器を示す図、図２は本発明の実施例を示す鉄道車両の車輪踏面の摩耗測定による鉄道車両の走行安定性判定のフローチャートである。

図１において、１は車輪踏面の車軸方向の摩耗測定装置、２は車輪、３は車輪２のフランジ、３Ａはフランジ３の背面、４は車輪踏面、４Ａは踏面勾配、５〜７は車輪踏面４の車軸方向の摩耗測定用接触プローブ、８は車軸、９はジャーナルである。ここでは、第１の摩耗測定用接触プローブ５はフランジ３の背面３Ａから４０ｍｍ付近の位置、第２の摩耗測定用接触プローブ６はフランジ３の背面３Ａから６５ｍｍの位置、第３の摩耗測定用接触プローブ７はフランジ３の背面３Ａから１１０ｍｍ付近の位置に配置する。フランジ３の背面３Ａから４０ｍｍ付近、１１０ｍｍ付近の位置は、６５ｍｍの位置に比べて相対的に摩耗し難い位置である。換言すれば、フランジ３の背面３Ａから６５ｍｍの位置が４０ｍｍ位置付近、１１０ｍｍ位置付近に比べて大きく摩耗すると、車両の走行安定性が大幅に低下する。

図２を参照しながら鉄道車両の車輪踏面の摩耗測定による走行安定性判定方法について説明する。

（Ａ）図１に示すように、鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす車輪踏面４の車軸８方向の３箇所の位置において、それぞれ車輪２の直径を測定し、下記の式（１）から３箇所の位置の車輪の直径の３点間の相対変位を算出する（ステップＳ１）。

δ（ｘ）＝ｆ（ｘ）−ｇ（ｘ）−ｆ（６５） …（１）
ここで、ｆ（ｘ）：測定した車輪踏面形状
ｇ（ｘ）：使用している車輪踏面の設計形状
ｆ（６５）：フランジ背面３Ａから６５ｍｍの位置における摩耗量
（Ｂ）次いで、フランジ背面３Ａから４０ｍｍ付近の位置と１１０ｍｍ付近の位置のδ（ｘ）と一致するパターンを選択する。そのためにあらかじめ複数パターンの摩耗評価線図を用いて、車輪・レール間の接触特性を計算で求めておく。この車輪・レール間の接触特性の計算値は車輪踏面の車軸方向の摩耗測定装置１に記憶させておく（ステップＳ２）。

（Ｃ）次に、測定した車輪２の等価踏面勾配がわかるので、あらかじめ計算で求めておいた限度値と比較する。この限度値は、走行安定性に悪影響を及ぼすと考えられる等価踏面勾配（限度値）を、車両形式毎に車両運動シミュレーションの計算であらかじめ求めておくものである。すなわち、車輪転削を実施するなどの措置を行うか否かの限度値を求めておく。なお、この等価踏面勾配（限度値）は車輪踏面の車軸方向の摩耗測定装置１に記憶させておく（ステップＳ３）。

（Ｄ）最後に、測定した車輪２の等価踏面勾配が限度値に近ければ、鉄道車両の走行安定性が劣化しているので、車輪転削を実施するなどの措置により対策を行う（ステップＳ４）。

図３は鉄道レールへの鉄道車両の車輪の接触状態を示す図であり、図３（ａ）は鉄道レールの曲線部における内軌側接触状態を示す図、図３（ｂ）はその外軌側接触状態を示す図である。ここで、１１はレール頭頂面、１２は車輪踏面の断面形状で、輪軸が外軌側レールに向かって変位している。１３はそれぞれの変位量に対する車輪とレールの接触点位置である。輪軸の左右変位量と接触点位置における車輪径の関係を示すと図４となる。Ａ１とＡ２、Ｂ１とＢ２のそれぞれの線が交差する位置が輪軸中立位置であり、左右の車輪の接触円半径は同じとなる。

図４は車輪踏面形状の違いによる接触円半径の関係を示す図である。

この図において、横軸は輪軸左右変位量（ｍｍ）、縦軸は接触円半径（ｍｍ）を示しており、Ａ１，Ａ２は設計時の車輪踏面形状、Ｂ１，Ｂ２は摩耗時の車輪踏面形状を示している。

ここで、設計時の車輪踏面形状Ａ１，Ａ２は、輪軸の中立位置は０ｍｍ位置であるが、摩耗時の車輪踏面形状Ｂ１，Ｂ２を見ると、輪軸の中立位置は左側へ変位している。

図５は車輪踏面形状とその摩耗形状を対象に計算した結果を示す図である。図５（ａ）は車輪踏面形状を示しており、Ｃは設計時の車輪踏面形状、Ｄは摩耗時の車輪踏面形状を示している。図５（ｂ）は摩耗形状を対象に計算した結果を示す図であり、図５（ａ）における摩耗時の車輪踏面形状Ｄを対象に計算した結果がＤ′として示されている。

図６は本発明の実施例を示す測定した車輪踏面形状に対して３点間の関数を求めた図である。

この図において、車輪踏面のフランジ背面から４０ｍｍ付近の第１の点Ｅと、車輪踏面のフランジ背面から６５ｍｍの第２の点Ｆと、車輪踏面のフランジ背面から１１０ｍｍ付近の第３の点Ｇとすると、上記点Ｅと点Ｆとの関数Ｈと、上記した点Ｆと点Ｇとの関数Ｉとによる等価踏面勾配をあらかじめ記憶しておく。

そこで、摩耗した車輪踏面形状のフランジ背面から４０ｍｍ付近、６５ｍｍ、１１０ｍｍ付近の位置の摩耗量を測定し、計算した相対変位から求めた車輪踏面勾配を、あらかじめ記憶されている３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップと照合して鉄道車両の走行安定性が劣化しているか否かを判定する。３点間の関数と等価踏面勾配の関係は式（１）を逆算して求める。なお、等価踏面勾配は小さいほど鉄道車両の走行安定性は良好であると言える。

図７は本発明の実施例を示す等価踏面勾配と相対変位量の関係を示す図であり、縦軸は等価踏面勾配の逆数（１／γｅ）、横軸は相対変位量（ｍｍ）を示しており、フランジ背面から６５ｍｍ位置に対する４０ｍｍ付近位置と１１０ｍｍ付近位置の相対変位量を同じ値とした条件での計算結果を示している。

同様に、車輪踏面の摩耗状態を考慮して４０ｍｍ付近位置と１１０ｍｍ付近位置の相対変位量を若干左右方向に動かしたり、４０ｍｍ付近位置と１１０ｍｍ付近位置の相対変位量を異なる値にして、等価踏面勾配を数パターン計算する。

本発明では、現場で通常実施されている車輪踏面の測定作業の中で同時に走行安定性の良否を判定できるようになり、保守の省力化を図り、乗り心地の良い鉄道車両を提供することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の鉄道車両の走行安定性判定方法は、鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３点における摩耗状態を測定することにより、その走行安定性を簡便に判定することができる鉄道車両の走行安定性判定ツールとして利用可能である。

本発明に係る鉄道車両の車輪径を測定する測定器を示す図である。 本発明の実施例を示す鉄道車両の車輪踏面の摩耗測定による鉄道車両の走行安定性判定のフローチャートである。 鉄道レールへの鉄道車両の車輪の接触状態を示す図である。 車輪踏面形状の違いによる接触円半径の関係を示す図である。 車輪踏面形状とその摩耗形状を対象に計算した結果を示す図である。 本発明の実施例を示す測定した車輪踏面形状に対して３点間の関数を求めた図である。 本発明の実施例を示す等価踏面勾配と相対変位量の関係を示す図である。 従来の車輪径測定装置を示す図である。

符号の説明

１ 車輪踏面の車軸方向の摩耗測定装置
２ 車輪
３ 車輪のフランジ
３Ａ フランジの背面
４ 車輪踏面
４Ａ 踏面勾配
５〜７ 車輪踏面の車軸方向の摩耗測定用接触プローブ
５ 第１の摩耗測定用接触プローブ
６ 第２の摩耗測定用接触プローブ
７ 第３の摩耗測定用接触プローブ
８ 車軸
９ ジャーナル
１１ レール
１２ フランジ
１３ フランジ部分（フランジ背面から４０ｍｍ付近の位置）

Claims (2)

1. （ａ）鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３点の車輪踏面摩耗モデル形状を用いた接触特性の計算結果から前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップをあらかじめ作成しておき、
   （ｂ）鉄道車両の安定走行に影響を及ぼす前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置での摩耗量の３点間の相対変位を測定し、
   （ｃ）前記相対変位を前記３点間の関数と等価踏面勾配の関係を示したマップと照合し、
   （ｄ）前記鉄道車両の車軸方向の車輪踏面の摩耗状態による鉄道車両の走行安定性を判定することを特徴とする鉄道車両の走行安定性判定方法。
2. 請求項１記載の鉄道車両の走行安定性判定方法において、前記鉄道車両の車輪踏面の車軸方向の３箇所の位置が、フランジ背面からそれぞれ４０ｍｍ付近、６５ｍｍ、１１０ｍｍ付近であることを特徴とする鉄道車両の走行安定性判定方法。