JP4128707B2

JP4128707B2 - 鉄道車輪接触試験装置

Info

Publication number: JP4128707B2
Application number: JP32075699A
Authority: JP
Inventors: 栄一前橋; 誠石田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: JP2001141616A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の性能（例えばクリープ力特性）を試験的に把握する際に用いられる鉄道車両接触試験装置に関する。特には、車輪がレール上を走行するときの輪軸の挙動を試験する際に、実際のレールの状況（スラック（軌間拡大）やカーブ内外レールの周差（内輪差）等）を忠実に且つ連続的に再現することができる鉄道車輪接触試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図７は一般的な鉄道車両の輪軸とレール曲線部を模式的に示す図である。
図７に示すように、一般的な鉄道車両においては、車輪５０の踏面５１に円錐状の勾配が付いている。左右の車輪５０は、車軸５２に圧入組立されている。左右の車輪５０と車軸５２とが一体化して輪軸５３が構成される。
一方、レールＲにおいては、直線部Ｒ１の軌道幅Ｂ１よりも曲線部Ｒ２の軌道幅Ｂ２の方が大きくなっている。これは、輪軸５３自らの転向性能を利用してフランジ接触力（横圧）を減少させ、安全性（安定性）の向上を図る目的で行われている。
【０００３】
ここで、車輪５０の踏面５１とレールＲの頭頂面との接触位置が左右で異なる場合（例えばレール曲線部Ｒ２を走行する際）には、踏面５１の勾配により左右の車輪５０の径差も異なる。このとき、左右の車輪５０を同一の車軸５２によって同一回転数で回そうとすると、左右の車輪５０のいずれか（又は左右いずれも）が微小なすべり状態になる。このような微小なすべり（大きなすべり領域に至らない範囲）状態において、車輪５０の踏面５１とレールＲの頭頂面（接触面）間に発生する接線力を、クリープ力という。
【０００４】
このクリープ力は、鉄道車両の蛇行動への影響、輪軸の転向性能、車輪踏面及びレール頭頂面の波状摩耗等を解明する上で、重要な要因である。そのため、鉄道車両をモデル化してクリープ力を試験的に把握することが行われている。従来、このための試験装置として、例えばクリープ試験機（円筒接触試験機）等が用いられている。
【０００５】
図８は、従来のクリープ試験機の原理を説明するための模式的斜視図である。
図８に示すように、クリープ試験機は、左右一対の車輪６１を備えている。車輪６１の踏面６２には勾配が付いている。各車輪６１は、車軸６０の左右端外周にそれぞれ取り付けられている。左右の車輪６１と車軸６０が一体化して輪軸６４が構成される。車軸６０の左右端近くには、アクチュエータ（図示されず）が付設されている。同アクチュエータの作動により、ヨー角あるいはアタック角（図８の矢印参照）の設定が可能になっている。さらに、各車輪６１に対応して、左右一対の軌条輪６３が設けられている。各車輪６１と軌条輪６３は、踏面同士が接している。左右の軌条輪６３は、回転軸６５の外周に取り付けられている。この回転軸６５は、モータ６７に直結されている。モータ６７が駆動すると回転軸６５が回転し、左右の軌条輪６３が同期回転するようになっている。
【０００６】
このクリープ試験機の原理は次の通りである。
モータ６７の駆動により軌条輪６３が回転すると、車輪６１も接触回転する。車輪６１の踏面６２には勾配がついているため、軌条輪６３と車輪６１の接触位置を変化させると、左右の車輪６１の径差が異なってくる。このとき、上述したように、左右の車輪６１を１本の車軸６０によって同一回転数で回そうとすると、左右の車輪６１のいずれか（又は左右いずれも）が微小なすべり状態になる。この微小なすべりを伴う領域において、車輪６１と軌条輪６３との接触力が干渉し合うと、車輪６１単体の挙動を決定するために車軸６０が左右に動こうとする力が生じる。そこで、この際の輪軸６４（車軸６０及び車輪６１）の変位や力、さらに輪軸６４の輪重、横圧（フランジ圧）、車軸６０のトルク等を測定し、車輪輪軸単体の運動特性を把握する。
【０００７】
しかしながら、上記従来のクリープ試験機は、以下に述べる問題点があった。
（１）軌条輪６３の軌間拡大ができない。このため、上述したレールの直線部と曲線部のような、軌道幅が異なる部分の走行を再現することができない。さらに、レール曲線部を走行する際の内外レールの周差（内輪差）も再現できない。したがって、実際にはレール直線部の走行状態しか再現できない。
（２）軌条輪６３を回転軸６５にほぼ直角な方向（ヨー角付与方向）にずらすことができない。このため、アクチュエータにより車軸６０にアタック角（図８の矢印参照）を付与したとき、輪軸６４と回転軸６５の軸心が平行にならない。すなわち、車輪６１のずれに応じて軌条輪６３をずらすことができない。したがって、左右の車輪６１と軌条輪６３の接触面にずれが生じていた。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、実際のレールの状況（スラック（軌間拡大）やカーブ内外レールの周差（内輪差））を忠実に且つ連続的に再現することができる鉄道車輪接触試験装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の鉄道車輪接触試験装置は、車軸の外周に取り付けられた左右一対の車輪と、車輪が接触する左右一対の軌条輪と、車輪に荷重を付加する荷重付加機構と、軌条輪を回転駆動するモータと、左右の軌条輪の間隔を変えるスラック付与機構と、左右の軌条輪の回転スピードを変える変速機構と、車軸を軌条輪回転軸に対してねじるアタック角付与機構と、左右の軌条輪を、該軌条輪回転軸にほぼ直角で、リム荷重付加方向にほぼ直角な方向に移動するずらし機構と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
スラック付与機構により、軌道幅が異なる部分（レール直線部から緩和曲線部（半径、スラックが次第に変化）や円曲線部に至る過程）の走行を連続的に再現することができる。したがって、より実際走行に近い状況を再現して試験を実施することができる。
ずらし機構により、アタック角付与機構で車軸を軌条輪回転軸に対してねじる場合でも、車輪と軌条輪の接触面にずれが生じない。
変速機構により、左右の軌条輪の減速比を無段階且つ連続的に設定することができる。
【００１１】
本発明の鉄道車輪接触試験装置においては、上記スラック付与機構が、左右の軌条輪間に設けられたトリポート継手を含むことが好ましい。また、上記変速機構が無段変速機を含むことが好ましい。
これにより、実体輪軸を用いて、実際のレールを走行するのと同様な条件設定を行うことができる。特に、レール直線部から緩和曲線部（半径、スラックが次第に変化）や円曲線部に至る過程を、より忠実に且つ連続的に再現することができる。
【００１２】
なお、本発明によれば、実体輪軸を使用することができるので、左右の車輪の粘着力の相関を得ることもできる。また、本発明の装置を複数台組み合わせることにより、従来の２円筒（輪）試験機を４円筒（輪）試験機とすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の１実施例に係る鉄道車輪接触試験装置を示す斜視図である。図２は図１の鉄道車輪接触試験装置の一部断面正面図である。なお、以下の説明における上下左右とは、図１及び図２における上下左右を指すものとする。
【００１４】
図１に示すように、クリープ試験機１は、試験台３を備えている。同試験台３は、基台３ａと、この基台３ａから立ち上がった立壁３ｂからなる。試験台３の基台３ａ上には、軌条輪側の機構部１０が設置されている。一方、試験台３の立壁３ｂには、車輪側の機構部３０が取り付けられている。クリープ試験機１の主要部は、これら軌条輪側の機構部１０と車輪側の機構部３０とに大別される。
【００１５】
まず、軌条輪側の機構部１０について説明する。
図１及び図２に示すように、軌条輪側の機構部１０は、左右一対の軌条輪１１、１２を備えている。これら左軌条輪１１及び右軌条輪１２は、それぞれ左回転軸１１Ａ及び右回転軸１２Ａの外周にそれぞれ個別に固定されている。
【００１６】
左回転軸１１Ａは、２本の支柱１３ａを介して可変ステージ１３に支持されている。各支柱１３ａは、可変ステージ１３の上面から立ち上がり、左軌条輪１１を両側から挟んでいる。この支柱１３ａ上端（支持端）と左回転軸１１Ａ間には、それぞれベアリング１４（図２参照）が介装されている。
右回転軸１２Ａは、２本の支柱５を介して試験台３の基台３ａに支持されている。各支柱５は、基台３ａの上面から直接立ち上がり、右軌条輪１２を両側から挟んでいる。この支柱５上端（支持端）と右回転軸１２Ａ間には、それぞれベアリング１６（図２参照）が介装されている。
【００１７】
図１に示すように、可変ステージ１３は、試験台３の基台３ａ上に移動可能に設置されている。この可変ステージ１３は、スラック付与機構１５と、ずらし機構１７によって、基台３の上で図１の矢印α及びβ方向にスライド駆動される。
【００１８】
スラック付与機構１５は、可変ステージ１３の右端側部に設けられている。同スラック付与機構１５は、アクチュエータ１５ａとモータ１５ｂを備えている。モータ１５ｂの駆動に伴いアクチュエータ１５ａが進退することで、可変ステージ１３を左右に移動させる。可変ステージ１３の左右移動により、左右の軌条輪１１、１２の間隔を図１の矢印α方向に変えてスラックを付与することができる。
【００１９】
ずらし機構１７は、可変ステージ１３の後端側部に設けられている。同ずらし機構１７も、アクチュエータ１７ａとモータ１７ｂを備えている。モータ１７ｂの駆動に伴いアクチュエータ１７ａが進退することで、可変ステージ１３を前後に移動させる。このずらし機構１７の作動により可変ステージ１３が移動すると、左側の軌条輪１１は図１の矢印β方向にずれて、ヨー角を付与することができる。
なお、これら各アクチュエータ１５ａ、１７ａに代えて、送りネジ等を用いることもできる。
【００２０】
右回転軸１２Ａの右端には、フライホイール１９を介してモータ２０が設けられている。右回転軸１２Ａは、フライホイール１９により回転時にぶれどめされる。さらに、右回転軸１２Ａと左回転軸１１Ａ間には、無段変速機（ＣＶＴ）２１が設けられている。同ＣＶＴ２１はトルクコンバータの一種である。モータ２０の駆動により右回転軸１２Ａが回転し、右回転軸１２Ａの回転が無段変速機２１を介して左回転軸１１Ａに伝達されるようになっている。この無段変速機２１により、右回転軸１２（入力軸）と左回転軸１１（出力軸）間の減速比を無段階且つ連続的に設定することが可能であり、左軌条輪１１と右軌条輪１２の回転スピードを変えることができる。
【００２１】
同無段変速機２１は、ベルト伝動装置２３と、歯車装置（歯車列）２５と、これら両者を繋ぐシャフト２７から構成されている。
ベルト伝動装置２３は、右回転軸１２Ａの左端に設けられている。この装置２３は、一対のプーリ２３ａ、２３ｂと、これらプーリ２３ａ、２３ｂに巻き掛けられた無端ベルト２３ｃを有する。プーリ２３ａは右回転軸１２Ａの左端に固定されている。プーリ２３ｂはシャフト２７の右端に固定されている。なお、プーリ２３ａ、２３ｂの径を同一にすれば減速比１：１となる。この条件下では、既存の試験機性能を満たすことも可能である。
歯車装置２５は、図２に分かり易く示すように、３段の歯車列からなる。上歯車２５ａは左回転軸１１Ａの右端に固定されている。下歯車２５ｂはシャフト２７の左端に固定されている。中歯車２５ｃは上下の歯車２５ａ、２５ｂ間の遊び歯車である。
【００２２】
さらに、左回転軸１１Ａにおいて、左軌条輪１１と歯車装置２５間にはトリポート継手２９が設けられている。同継手２９は、ユニバーサルジョイントの一種である。但し、トリポート継手２９は通常のジョイントとは異なり、以下の特徴を有する。
（Ｉ）左回転軸１１Ａと右回転軸１２Ａをずらしても角速度変化（回転ムラ）が発生しない。つまり、左右回転軸１１Ａ、１２Ａが同一軸心上になくとも（すなわち左右軌条輪１１、１２が平行でなくとも）、これらに角速度変化（回転ムラ）が発生しない。
（ＩＩ）左回転軸１１Ａと右回転軸１２Ａの相互の距離を許容する。したがって、左右軌条輪１１、１２が互いに離れる側あるいは近づく側に変位しても、これら相互間の距離変化が吸収される。
【００２３】
同継手２９によって、スラック付与機構１５により左右軌条輪１１、１２間の間隔を変化させ、ずらし機構１７により左軌条輪１１を移動させた場合にも、車輪３１、３２と軌条輪１１、１２との接触位置を同一に保つことができる。さらに、角速度変化なく位置変化を連続的に付与することも可能になる。
【００２４】
次に、車輪側の機構部３０について説明する。なお、この車輪側の機構部３０については、従来の試験機と同様のものを用いることができる。
車輪側の機構部３０は、左右軌条輪１１、１２に接触する左右一対の車輪３１、３２を備えている。両車輪３１、３２は、１本の車軸３３の左右両端寄り外周にそれぞれ取り付けられている。同車軸３３の両端部（車輪３１、３２より外側）には、それぞれブラケット３５が取り付けられている。左右のブラケット３５の上端面同士は、枠組３７により繋がれている。この枠組３７には、車輪に荷重を付加する荷重付加機構３９が設けられている。
【００２５】
車軸３３は、アタック角付与機構４０に接続されている。同機構４０は、試験台３の立壁３ｂの上端に取り付けられている。このアタック角付与機構４０は、アクチュエータ４０ａとモータ（図１参照）を有している。アクチュエータ４０ａは、リンク４０ｃを介して立壁３ｂの上端に固定されている。一方、アクチュエータ４０ａのロッド４０ｂは、ブラケット３５に連結されている。アクチュエータのモータは、ブラケット３５内部に収容してもよいし、立壁３ｂの裏側に配置してもよい。モータが駆動してアクチュエータ４０ａが作動することにより、軌条輪１１、１２の軸心に対して車輪３１、３２をねじり、アタック角を付与することができる。
【００２６】
なお、本例ではクリープ試験機を例に採って説明しているため、車輪３１、３２及び車軸３３には直接回転力を与える構造にはなっておらず、車輪３１、３２が軌条輪１１、１２に接触回転するようになっている。しかし、例えば後述する台車試験装置や車両試験台においては、実際に輪軸をモータ等で駆動して挙動を把握する。これを考慮し、本事例においても、輪軸を直接回転駆動させる駆動装置を追設することができるものとする。
【００２７】
次に、上記の構成からなるクリープ試験機１の使用例を説明する。
図３（Ａ）はレール直線部走行を再現した状態における車輪と軌条輪を示す模式図であり、図３（Ｂ）はレール曲線部走行を再現した状態における車輪と軌条輪を示す模式図である。
図４は車輪と軌条輪の接触位置の位置関係を説明するための模式図である。
【００２８】
モータ２０を駆動させると、右回転軸１２Ａ及び右軌条輪１２が回転するとともに、ＣＶＴ２１及びトリポート継手２９を介して左回転軸１１Ａ及び右軌条輪１１も回転する。右及び左軌条輪１１及び１２が回転すると、これに接している車輪３１、３２が車軸３３を中心として回転する。
【００２９】
そして、まずレール直線部走行時の輪軸（車輪３１、３２及び車軸３３）の挙動を再現する。この場合は、図３（Ａ）に示すように、左軌条輪１１及び左車輪３１と、右軌条輪１２及び右車輪３２とのそれぞれの接触位置が車輪の同径の位置になっている。このレール直線部走行の再現時には、左軌条輪１１と右軌条輪１２とが同一速度で回転するようにＣＶＴ２１を制御する。
【００３０】
次いで、レール直線部走行の状態からレール曲線部走行の状態へ移行させるには、スラック付与機構１５、ずらし機構１７及びＣＶＴ２１をそれぞれ作動させる。すなわち、レール軌道幅の変位（スラック）を再現するため、スラック付与機構１５のモータ１５ｂを駆動させてアクチュエータ１５ａを作動させる。アクチュエータ１５ａが進出すると、可変ステージ１３は左側（図１における矢印αの左側）に移動する。これによって、図３（Ｂ）に示すように、左軌条輪１１は右車輪３１の外側面寄りに変位する。この際、例えば、レール直線部の再現間隔（図３（Ａ）の状態）が１０６７ｍｍであれば、レール曲線部の再現間隔（図３（Ｂ）の状態）は可変ステージ１３の移動分αだけ増えた１０６７＋αｍｍとなる。この移動分αは、トリポート継手２９によって吸収される。
【００３１】
さらに、アタック角付与機構４０を作動させて車軸３３をずらすこともできる。つまり、左車輪３１側のモータを駆動してアクチュエータ４０ａのロッド４０ｂを進出させる。あるいは、逆に右車輪３２側のモータを駆動してアクチュエータ４０ａのロッド４０ｂを後退させる。このロッド４０ｂの進出によるアクチュエータ４０の捩れ度合いは、リンク４０ｃにより吸収される。
【００３２】
そして、このアタック角の角度に応じて、ずらし機構１７を作動させる。すなわち、モータ１７ｂを駆動してアクチュエータ１７ａを進出させると、可変ステージ１３が前側（図１における矢印βの手前側）へと移動する。つまり、図４に示すように、アクチュエータ１７ａの作動前には、符号１１′の位置にあった左軌条輪が、アクチュエータ１７ａの作動後には符号１１″の位置に移動する。
【００３３】
これをさらに詳しく説明すると、アタック角付与機構４０の作動前（車軸３３がずれる以前）には、右車輪３２と右軌条輪１２は符号Ｘ（図４参照）の位置で接触し、左車輪３１と左軌条輪１１は符号Ｙ（図４参照）の位置で接触している。この状態から、アタック角付与機構４０が作動し、図４において右車輪３２にアタック角、左車輪３１にヨー角が付与されると、右車輪３２と右軌条輪１２の接触位置は符号Ｘから変化せず、左車輪３１が符号Ｙ′の位置において左軌条輪１１と接触する。この際、左軌条輪１１は、ずらし機構１７の作動により符号１１″の位置に移動している。このため、左車輪３１と左軌条輪１１の接触位置が符号Ｙから符号Ｙ′に変化しても、双方の接触位置の重心は変化しない。言い換えると、アタック角付与機構４０の作動により車軸３３がずれた分は、ずらし機構１７の作動に伴う左軌条輪１１の移動分で対応し、左車輪３１と左軌条輪１１の接触位置の重心は実質的に変化しない。したがって、左右の車輪３１、３２と軌条輪１１、１２のそれぞれの接触位置を、レール曲線部への移行の前後で同一に保つことができる。
【００３４】
さらに、ＣＶＴ２１を制御して、連続的に左右軌条輪１１、１２に回転差を与え、アタック角度、スラックαを変化させることにより、基本踏面、円弧踏面といった断面形状の異なる車輪に相当する回転差を設定することができる。この際、両軌条輪１１、１２間では、トリポート継手２９により右回転軸１２Ａと左回転軸１１Ａとの間で角速度変化（回転ムラ）が発生しない。
なお、輪軸への上下荷重の付与は荷重付与機構３９により適宜行うようにする。
【００３５】
このように、本実施例によれば、可変ステージ１３の移動制御及びＣＶＴ２１の回転速度制御により、左右軌条輪１１、１２の回転位相差なく前後・左右・上下変位を付与することができる。したがって、レール曲線部のスラックやカントを忠実に再現できるとともに、レール曲線部の内輪差を忠実に連続して再現することができる。これにより、レール直線部から曲線部に移行する際の状況を連続的に再現することができるので、実際の走行状況に近い試験状態を実現することができる。
【００３６】
さらに、本実施例では左軌条輪１１のみが変位するように構成したが、右軌条輪１２に対しても可変ステージ１３、スラック付与機構１５及びずらし機構１７等を設けることもできる。但し、左右軌条輪１１、１２の双方の回転速度を個別に制御することは技術的に難しいことがわかっているため、１個のモータ２０だけで回転力を与えることが好ましい。
【００３７】
なお、本実施例では、クリープ試験機１を例に採って説明してきたが、図５（Ａ）に示すように、本実施例で述べた軌条輪側の機構部１０と車輪側の機構部３０をそれぞれ２つずつ並べて台車試験装置５０を構成することもできる（この台車試験装置５０は、図６に示すような状態でレール曲線部を走行する。車輪とアタック角、ヨー角の関係は図６の通りである）。あるいは、図５（Ｂ）に示すように、軌条輪側の機構部１０と車輪側の機構部３０をそれぞれ４つずつ並べて車両試験台６０を構成することもできる。これらそれぞれの使用目的は異なるが、本実施例の設定可能な条件をこれらに付加すれば、より実車の走行条件に近い状態での試験が可能となる。但し、台車試験装置は台車の挙動を把握するシャーシダイナモのようなものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、カント、スラック、曲線曲率等の複数の状況を連続的に再現することができるので、これまで不可能であった種々の試験が可能となる。これにより、クリープ力だけではなく、輪軸の転向性能をも詳細に知ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る鉄道車輪接触試験装置を示す斜視図である。
【図２】図１の鉄道車輪接触試験装置の一部断面正面図である。
【図３】（Ａ）はレール直線部走行を再現した状態における車輪と軌条輪を示す模式図であり、（Ｂ）はレール曲線部走行を再現した状態における車輪と軌条輪を示す模式図である。
【図４】車輪と軌条輪の接触位置の位置関係を説明するための模式図である。
【図５】（Ａ）は本発明を台車試験装置に適用した場合を示す模式的斜視図であり、（Ｂ）は本発明を車両試験台に適用した場合を示す模式的斜視図である。
【図６】図５（Ａ）の台車試験装置のレール曲線部の走行状態を説明するための模式図である。
【図７】一般的な鉄道車両の車輪とレール曲線部を模式的に示す図である。
【図８】従来のクリープ試験機の原理を説明するための模式的斜視図である。
【符号の説明】
１クリープ試験機１０軌条輪側の機構部
１１左軌条輪１１Ａ左回転軸
１２右軌条輪１２Ａ右回転軸
１５スラック付与機構１７ずらし機構
２０モータ２１無段変速機（ＣＶＴ）
２３ベルト伝動装置２５歯車装置（歯車列）
２７シャフト２９トリポート継手
３０車輪側の機構部３１左車輪
３２右車輪３３車軸
３９荷重付加機構４０アタック角付与機構
５０台車試験装置６０車両試験台

Claims

車軸の外周に取り付けられた左右一対の車輪と、
車輪が接触する左右一対の軌条輪と、
車輪に荷重を付加する荷重付加機構と、
軌条輪を回転駆動するモータと、
左右の軌条輪の間隔を変えるスラック付与機構と、
左右の軌条輪の回転スピードを変える変速機構と、
車軸を軌条輪回転軸に対してねじるアタック角付与機構と、
左右の軌条輪を、該軌条輪回転軸にほぼ直角で、リム荷重付加方向にほぼ直角な方向に移動するずらし機構と、
を備えることを特徴とする鉄道車輪接触試験装置。
上記スラック付与機構が、左右の軌条輪間に設けられたトリポート継手を含むことを特徴とする請求項１記載の鉄道車輪接触試験装置。
上記変速機構が無段変速機を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車輪接触試験装置。