JP2012077506A - 軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法及びその衝撃試験装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 軌道パッドの衝撃試験装置において、軌道を模擬した支持部材1と、この支持部材1上に6点に配置される荷重センサ2と、下端が前記荷重センサ2上に配置される6点の締結装置3と、この締結装置3に支持されるレール4と、このレール4と前記締結装置3との間に配置される軌道パッド5と、前記レール4に静止輪重相当の予荷重を加える油圧アクチュエータ6と、前記レール4に衝撃輪重相当の衝撃荷重を加えるための重錘7とを具備する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、上記状況に鑑みて、準静的荷重下における軌道パッドの衝撃荷重応答特性を把握し、緩衝性能に優れた軌道パッドを得るための軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法及びその衝撃試験装置を提供することを目的とする。
〔1〕軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法において、列車走行に伴い載荷される列車の静止輪重に相当する予荷重を負荷するとともに、荷重分散の効果を高めるレールの6点締結支持を行い、軌道パッドの衝撃荷重応答を測定することを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法において、前記軌道パッドの温度管理を行うことを特徴とする。
〔4〕軌道パッドの衝撃試験装置において、軌道を模擬した支持部材と、この支持部材上に6点に配置される荷重センサと、下端が前記荷重センサ上に配置される6点の締結装置と、この締結装置に支持されるレールと、このレールと前記締結装置との間に配置される軌道パッドと、前記レールに静止輪重相当の予荷重を加える油圧アクチュエータと、前記レールに衝撃輪重相当の衝撃荷重を加えるための重錘とを具備することを特徴とする。
〔6〕上記〔5〕記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、衝撃荷重に対する前記軌道パッドの緩衝性能を、前記荷重センサによりレール圧力を測定することによって評価することを特徴とする。
〔8〕上記〔4〕記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記軌道パッドの温度管理手段を備えることを特徴とする。
〔9〕上記〔8〕記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記温度管理手段が前記軌道パッドに設置された冷媒循環システムであることを特徴とする。
まず、軌道パッドの準静的荷重下における衝撃荷重応答特性について説明する。
列車走行時の動的輪重は、車輪踏面やレール頭頂部の凹凸などの原因により、静止輪重の数倍に及ぶとされる衝撃輪重を生じることがあり、軌道破壊を促進することが知られている。
これらの図において、図1(a)は軌道破壊理論のモデルを示す図であり、道床や路盤の沈下などの軌道破壊がレール圧力(輪重の印加に伴う)に起因することを示している。図1(b)は図1(a)の理論による計算の一例を示す通トンと道床沈下量との関係を示す図であり、道床沈下量が通トン(列車輪重の積算のようなもの)の増加に伴って増大することを示している(上記非特許文献1参照)。これにより、軌道系の延命化には、道床沈下などの軌道破壊を抑制することが有効であることがわかる。よって、定常時のみならず衝撃輪重発生時においても、レール圧力を低減させることが有効な対策と言える。したがって、衝撃荷重下での軌道パッドの応答特性に関して緩衝性能を評価することは、衝撃荷重に対するレール圧力を評価することに他ならないと考えられる。
P2 ∝v√(kT2mu ) …(2)
一方、衝撃輪重は、上記式(1)のP1 と式(2)のP2 の2つのピーク波形をもち、それぞれ、P1 が車輪とレールの間の面接触に伴い最初に現れる作用時間が数msの鋭いピーク、P2 がP1 に続いて現れる軌道全体のばね質量系に関わる応答ピークである。P2 の作用時間はP1 よりも10倍程度長いといった特徴があるとされる。ここで、P1 ,P2 は衝撃輪重(N)、vは列車速度(m/s)、kH はヘルツ接触剛性(N/m)、mT1は衝撃輪重P1 の発生に関わる軌道(主にレールと考えられる)の有効質量(kg)、kT2は軌道の剛性(N/m)、mu は衝撃輪重P2 の発生に関わる軌道(主に締結装置より下部の軌道構造と考えられる)の有効質量(kg)である。
この図において、1は軌道を模擬した支持部材、2は支持部材1上に6点に配置される荷重センサ、3は下端が荷重センサ2上に配置される6点の締結装置(直結8形締結装置)、4は60kgレール、5はレール4と締結装置3との間に配置される軌道パッド、6は静止輪重相当の予荷重を加える油圧アクチュエータ(予荷重載荷機能:最大100kN)、7は衝撃輪重相当の衝撃荷重を加えるための重錘である。
評価対象とする軌道パッド5を衝撃試験装置に設置し、先端がφ860mmの円弧形状の重錘(模擬車輪)7をレール4上に落下させ、6点の締結装置3に伝達する衝撃力(レール圧力)を荷重センサ2で測定した。表1に試験条件を示す。
図3において、1締結装置支持の場合では、荷重分散がないため、6締結装置支持に比べて2倍程度レール圧力は大きくなることがわかる。また、予荷重を加えた後に衝撃荷重を加えた場合では、レール圧力の最大振幅が大きくなることがわかる。レール圧力と予荷重の関係を定量評価した結果、図4に示すように、レール圧力は予荷重の増加に対して指数関数的に増加することが示された。作用時間に関しては、予荷重を加えた場合には加えない場合に比べて減少する傾向を示す一方で、レール支持条件については1締結支持と6締結支持とで差異は小さいことが認められた。
次に、提案する衝撃試験装置による試験結果を数値解析結果と比較することによって、試験方法の妥当性等について検証した。数値解析は、衝撃試験装置を簡易にモデル化し、汎用非線形動的構造解析ソフトLS−DYNAを用いて軌道パッドの衝撃荷重応答解析を行った。解析に用いる入力パラメータは、動的ばね定数などの軌道パッドの各種物性値のほか、衝撃試験装置による測定結果も一部用いた。その他の解析条件は、衝撃試験と同じ重錘質量500kg、予荷重35kN、落下高さ10mmとした。
次に、軌道パッドの経年劣化特性の調査について説明する。
表2と表3に対象とした経年品の内容を示す。
経年品の劣化特性については(1)外観、(2)寸法、(3)静的ばね定数、(4)動特性(動的ばね定数、減衰係数)などの項目について調査を行ったが、本発明では緩衝性能との関係に主眼をおくことを考慮して、(3)と(4)の項目について中心に述べる。
一方、動特性については、(株)鷺宮製作所製の軌道パッド動ばね試験機を用い、平均荷重30kN,荷重振幅±20kNで1Hzから50Hzまで繰り返し荷重を加え、動的ばね定数と減衰係数の周波数特性を求めた。
まず、敷設箇所と軌道パッドの経年変化について考察する。調査の結果、経年品では、標準寸法や公称ばね定数に比べて厚さは数%程度小さく(厚さの減少と推定)、静的ばね定数が大きい(静的ばね定数の増加と推定)等、寸法やばね値の変化傾向が認められた。そこで、厚さと静的ばね定数の相関分析を行った結果、図6(a)に示すような比較的強い相関が見られた。特に、動的輪重が大きいことが想定される溶接箇所では、厚さが小さく、静的ばね定数が大きいものが目立つことがわかる。輪重変動は、レールの凹凸や軌道不整の大きさに依存するため、これらの箇所で画一的に生じるものではない。このため、明確な傾向は認められないが、動的輪重の大きさや発生頻度などの荷重履歴により、塑性変形を伴うばね定数の増加が生じていることが推察される。一方、動特性に関しても、動的ばね定数では、厚さとの相関性などについて、静的ばね定数とほぼ同様の傾向が得られている。減衰係数については、図6(b)に示すように、その変化は総じて小さく、厚さに対する相関性も弱いものと評価される。
図7は軌道パッド経年品(2000年度発生品)の劣化特性調査の結果を示す図であり、図7(a)は敷設期間(年)と静的ばね定数(MN/m)の関係を示す図、図7(b)は敷設期間(年)と減衰係数(MN・s/m)の関係を示す図である。
上記のような軌道パッドの経年品について、図2に示す衝撃試験装置を用いて衝撃荷重に対するレール圧力の測定により緩衝性能を評価した。表4に主な試験条件を示す。
図8は軌道パッド経年品のレール圧力に対する静的ばね定数と減衰係数の関係を示す図である。
以上の結果により、軌道パッドは経年に伴うばね定数の増加など、剛性や減衰係数の増加に伴い緩衝性能が低下する傾向が明らかとなった。このため、軌道パッドの緩衝性能を維持するためには、その要因と考えられる(1)軌道の動的輪重の緩和と、(2)レール温度の影響の緩和が求められる。これらの対策として、(1)では車両のばね下荷重の低減や軌道の低弾性化が有効であり、(2)では軌道パッドの耐熱性の向上またはレール温度の低減が挙げられる。軌道パッドによる対応が可能な対策としては、(1)では緩衝性能の向上があり、(2)では耐熱性の向上が考えられる。ここで、(1)については、ばね定数や減衰係数の低下が有効と考えられる。しかしながら、軌道パッドの緩衝性能の向上は、低ばね化のみでは十分と言えず、衝撃試験装置等による検証が必要と考えられる。
軌道パッドの緩衝性能を長期間維持するためには、上述のように軌道パッドに対する動的輪重等の荷重履歴を軽減するとともに、局部的な応力の集中をなくすことが重要と考えられる。そこで、上記した数値解析手法に基づき、異なる形状や材質の軌道パッドモデルに対する衝撃荷重作用時の応力分布に関する検討を行った。
図9と図10に形状の異なる軌道パッドにおける最大応力発生時の応力分布を示す。解析の結果、図9の溝付の凹凸形状では、溝の角や隅で応力の高い部分が局部的に現れた。これらの箇所では、過去の調査において寸法変化の原因となる塑性変形などの変状が目立つ傾向にあり、構造上の弱点箇所となっている。一方、図10に示した内部発泡平板状の構造では応力分布は比較的均一となり、形状変化の発生が少ないことが予測された。
図11(a)に示すように、軌道パッドに用いられる各種素材では、発泡ポリウレタンゴム(PUR)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)の貯蔵ばね定数とその周波数依存性が比較的小さく、これらの緩衝性能が高いことが予測される。一方、減衰係数は、図11(b)に示すように、PURやEPDMで小さくなっている。この結果、減衰係数が小さいPURやEPDMにおいて、貯蔵ばね定数の周波数依存性が低く緩衝性能が高いと予測された。
供試体の緩衝性能の評価は、上記した衝撃試験装置による緩衝性能評価手法を用いて、衝撃荷重に対するレール圧力の測定により緩衝性能を評価した。
ここでは測定したレール圧力(kN)を供試体の静的ばね定数(MN/m)とともに整理した結果を図12(a)、減衰係数(MN・s/m)とともに整理した結果を図12(b)に示す。これらの図に示すように、レール圧力と静的ばね定数には、経年品の衝撃性能試験の結果と同様に緩やかな相関が認められる。その一方、静的ばね定数が同等の供試品でもレール圧力が1.5倍程度異なる結果が得られている。この理由として、これまで述べた試験結果等も考え併せると、軌道パッドの緩衝性能は剛性に依存するだけでなく、減衰による影響等剛性以外の因子の影響も無視できないことが明らかとなった。このため、軌道パッドの緩衝性能評価を的確に行うためには、実軌道の力学条件を考慮した本発明による手法により、軌道パッドの衝撃荷重応答を直接的に評価することが欠かせないものと考える。この手法を用いた評価の結果、PURなどの従来素材の低ばね軌道パッドに比べ、EPDM製の低ばね品の緩衝性能が高いことが示唆された。
軌道パッドは高分子材料のため温度の影響が大きく、この軌道パッドの性能を精度良く評価するためには温度を管理した状態で評価する必要がある。ところが、衝撃試験装置を全体的に温度管理することは困難であるため、本発明では、冷媒システムによって軌道パッドの部分を集中的に温度管理するようにした。
(1)従来の衝撃試験装置を改良することによって、軌道パッドによる荷重分散と列車接近に伴い載荷される列車の静止輪重に相当する予荷重の影響を考慮した衝撃試験装置を提案し、衝撃試験を可能にした。上記した衝撃試験装置により衝撃試験を行った結果、軌道パッドの衝撃荷重応答に対する荷重分散と予荷重の影響が明確であることを確認した。また、数値解析による衝撃応答波形と比較した結果、試験波形が理論どおりの特性を示し、本発明の衝撃試験装置による衝撃応答の試験結果が妥当であることが推察された。
また、明かり区間の軌道パッドの経年品において、静的ばね定数・動的ばね定数及び減衰定数の増加が明確で、レール温度が軌道パッドの経年劣化に与える影響が大きいことが分かった。
(3)緩衝性能の経年劣化が少ない軌道パッド形状の検討のために、非線形動的構造解析ソフトを用いて数値解析を行った結果、溝付の凹凸形状では溝部の角などに応力の高い部分が局部的に現れ、軌道パッドの長期使用において弱点となり得る要素を有する一方で、平板状においては応力分布が均一で有利であることが分かった。
2 荷重センサ
3 締結装置
4,14 レール
5,11 軌道パッド
6 油圧アクチュエータ
7 重錘
12 上部アルミニウムプレート
13 下部アルミニウムプレート
12A,13A 冷媒循環孔
15,16 ベーク板
17 温度管理装置
18 タイプレート
19 板ばね
20 温度センサ
21 冷凍機
22 冷却器
23 ポンプ
24,25 配管
26 三方弁
Claims (10)
- 列車走行に伴い載荷される列車の静止輪重に相当する予荷重を負荷するとともに、荷重分散の効果を高めるレールの6点締結支持を行い、軌道パッドの衝撃荷重応答を測定することを特徴とする軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法。
- 請求項1記載の軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法において、前記軌道パッドの温度管理を行うことを特徴とする軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法。
- 請求項2記載の軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法において、前記軌道パッドの温度管理は該軌道パッドに設置された冷媒循環システムによって行うことを特徴とする軌道パッドの衝撃荷重応答評価方法。
- (a)軌道を模擬した支持部材と、
(b)該支持部材上に6点に配置される荷重センサと、
(c)下端が前記荷重センサ上に配置される6点の締結装置と、
(d)該締結装置に支持されるレールと、
(e)該レールと前記締結装置との間に配置される軌道パッドと、
(f)前記レールに静止輪重相当の予荷重を加える油圧アクチュエータと、
(g)前記レールに衝撃輪重相当の衝撃荷重を加えるための重錘とを具備することを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。 - 請求項4記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記重錘は車輪を模擬した先端がφ860mmの円弧形状に形成されることを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
- 請求項5記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、衝撃荷重に対する前記軌道パッドの緩衝性能を、前記荷重センサによりレール圧力を測定することによって評価することを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
- 請求項4記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記軌道パッドとしてエチレンプロピレンゴムからなるばね品を用いることを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
- 請求項4記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記軌道パッドの温度管理手段を備えることを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
- 請求項8記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記温度管理手段が前記軌道パッドに設置された冷媒循環システムであることを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
- 請求項9記載の軌道パッドの衝撃試験装置において、前記冷媒循環システムは、前記軌道パッドを挟み込むように配置されたアルミニウムプレート内に冷媒を循環させるものであることを特徴とする軌道パッドの衝撃試験装置。
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