JP6861661B2 - Squeak crack estimation device and squeak crack estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、レール頭頂部ならびにゲージコーナー部に生じうるきしみ割れの発生を推定するきしみ割れ推定装置及びきしみ割れ推定方法に関するものである。 The present invention relates to a squeak crack estimation device and a squeak crack estimation method for estimating the occurrence of squeak cracks that may occur at the top of the rail and the gauge corner.
レールの車輪との接触部である頭頂部は、車輪からの荷重、摩擦等の影響を受けて金属疲労を受ける。そして、この金属疲労が進行すると、きしみ割れと呼ばれるき裂を生じることが知られている。特に、主に曲線区間の外軌レールのゲージコーナー部において、列車の進行方向に対してある角度をもって狭間隔に並んだきしみ割れと呼ばれるき裂が生じることが知られている。 The crown, which is the contact portion of the rail with the wheels, is affected by the load from the wheels, friction, and the like, and is subjected to metal fatigue. It is known that when this metal fatigue progresses, cracks called squeak cracks occur. In particular, it is known that cracks called squeak cracks, which are arranged at narrow intervals at a certain angle with respect to the traveling direction of the train, occur mainly at the gauge corners of the outer rail of the curved section.
ゲージコーナー部に発生したきしみ割れは発生位置が等速部に偏っているため、レール探傷車によるき裂の発見も容易でない。また頭側部に発生したきしみ割れは、成長するとき裂同士が連結して剥離に至ることがあるため、レール探傷車による超音波探傷を阻害する恐れがある。従って、レールの保守管理計画を立てる際に、きしみ割れの発生や進展を精度良く予測できれば、適時適切なレール交換等が可能となり、安全性の確保と同時に経済的な効果も期待できる。 Since the squeak cracks generated at the gauge corners are biased toward the constant velocity part, it is not easy to find the cracks by the rail flaw detector. Further, the squeak cracks generated on the side of the head may hinder ultrasonic flaw detection by the rail flaw detector because the cracks may be connected to each other and lead to peeling when growing. Therefore, if the occurrence and progress of squeak cracks can be predicted accurately when making a rail maintenance management plan, it will be possible to replace the rails in a timely and appropriate manner, and at the same time, it is expected to have an economic effect as well as ensuring safety.
本発明者らは、既に、マルチボディダイナミクスによるレール摩耗形状の予測技術及びその解析結果について提案を行った(非特許文献1参照)。また、マルチボディダイナミクス解析ソフトを用いてレールに発生する応力、歪みを求め、求めた応力からレールの頭頂部に生じうるき裂面を探索し、きしみ割れの発生寿命を評価する手法も提案されている(非特許文献2参照)。 The present inventors have already proposed a technique for predicting a rail wear shape by multibody dynamics and an analysis result thereof (see Non-Patent Document 1). In addition, a method has been proposed in which the stress and strain generated in the rail are obtained using multibody dynamics analysis software, the crack surface that can occur in the crown of the rail is searched from the obtained stress, and the generation life of squeak cracks is evaluated. (See Non-Patent Document 2).
しかしながら、上述した従来の提案は、それぞれマルチボディダイナミクス解析ソフトを用いてレール摩耗形状の予測を行っているか、あるいは、同様にマルチボディダイナミクス解析ソフトを用いてきしみ割れの発生寿命を評価しており、いずれの提案も、レールと車輪との接触による摩耗・疲労バランスに基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定するには至っていない。 However, the above-mentioned conventional proposals either use multibody dynamics analysis software to predict the rail wear shape, or similarly use multibody dynamics analysis software to evaluate the life of cracks. None of the proposals have been able to quantitatively estimate the occurrence of blemishes based on the wear / fatigue balance due to the contact between the rail and the wheel.
そこで、本発明は、きしみ割れの発生を定量的に推定することが可能なきしみ割れ推定装置及びきしみ割れ推定方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a squeak crack estimation device and a squeak crack estimation method capable of quantitatively estimating the occurrence of squeak cracks.
本発明者は上述の課題に基づき鋭意研究した結果、レール上を車両が走行した際のレールに作用する力を用いてレールの摩耗の進展速度及びレールのき裂の進展速度を算出することができ、そして、これらの関係に基づいてきしみ割れの発生を推定できるとの知見を得るに至った。 As a result of diligent research based on the above-mentioned problems, the present inventor can calculate the growth rate of rail wear and the growth rate of cracks in the rail by using the force acting on the rail when the vehicle travels on the rail. It was possible, and it was found that the occurrence of cracks can be estimated based on these relationships.
そこで本発明のきしみ割れ推定装置は、ゲージコーナー部ならびにレール頭頂部に生じうるきしみ割れの発生を推定するきしみ割れ推定装置であって、模擬車両のモデルを設定する車両モデルデータ及び模擬レールのモデルを設定するレールモデルデータが格納される記憶部と、車両モデルデータ及びレールモデルデータを用いて模擬レール上を模擬車両が走行した際の模擬レールに作用する力を算出する車両運動解析部と、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬レールの摩耗の進展速度を算出する摩耗進展解析部と、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展解析部と、摩耗の進展速度とき裂の進展速度とを用いて模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定するきしみ割れ推定部とを有することを特徴とする。 Therefore, the squeak crack estimation device of the present invention is a squeak crack estimation device that estimates the occurrence of squeak cracks that may occur at the gauge corner portion and the top of the rail, and is a vehicle model data for setting a model of a simulated vehicle and a model of the simulated rail. A storage unit that stores rail model data, and a vehicle motion analysis unit that calculates the force acting on the simulated rail when the simulated vehicle runs on the simulated rail using the vehicle model data and rail model data. The wear progress analysis unit that calculates the wear growth rate of the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit, and the crack growth speed that can occur in the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit. It is characterized by having a crack growth analysis unit for calculating the above and a squeak crack estimation unit for estimating whether or not a squeak crack occurs in the simulated rail using the wear growth rate and the crack growth rate.
ここで、摩耗進展解析部は、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬車両と模擬レールとの接触面内における接触応力を算出するレール接触解析部と、レール接触解析部により算出された接触応力に基づいて模擬レールの摩耗の進展速度を算出する摩耗量算出部とを有する構成とすることができる。 Here, the wear progress analysis unit is calculated by the rail contact analysis unit and the rail contact analysis unit that calculate the contact stress in the contact surface between the simulated vehicle and the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit. The configuration may include a wear amount calculation unit that calculates the progress rate of wear of the simulated rail based on the contact stress.
また、摩耗進展解析部は、摩耗量算出部により算出された摩耗量に基づいてレールモデルデータを更新するレールモデルデータ更新部を有し、車両運動解析部は、レールモデルデータ更新部により更新されたレールモデルデータを用いて模擬レールに作用する力を算出する構成とすることができる。 Further, the wear progress analysis unit has a rail model data update unit that updates the rail model data based on the wear amount calculated by the wear amount calculation unit, and the vehicle motion analysis unit is updated by the rail model data update unit. It is possible to calculate the force acting on the simulated rail using the rail model data.
さらに、き裂進展解析部は、レール接触解析部により算出された接触応力に基づいて模擬レールにき裂が発生するか否かを判定するき裂発生条件判定部と、き裂発生条件判定部によりき裂が発生すると判定されたら模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展量算出部とを有する構成とすることができる。 Further, the crack growth analysis unit includes a crack generation condition determination unit that determines whether or not a crack occurs in the simulated rail based on the contact stress calculated by the rail contact analysis unit, and a crack generation condition determination unit. It is possible to have a configuration having a crack growth amount calculation unit for calculating the crack growth rate that can occur on the simulated rail when it is determined that a crack is generated.
そして、き裂進展解析部は、き裂発生条件判定部による判定動作に必要なパラメータの初期値を設定する初期値設定部を有し、き裂発生条件判定部は初期値設定部により設定されたパラメータの初期値を用いて模擬レールにき裂が発生するか否かを判定する構成とすることができる。 The crack growth analysis unit has an initial value setting unit that sets initial values of parameters required for the determination operation by the crack generation condition determination unit, and the crack generation condition determination unit is set by the initial value setting unit. It is possible to determine whether or not a crack occurs in the simulated rail by using the initial value of the parameter.
また、本発明のきしみ割れ推定方法は、模擬車両のモデルを設定する車両モデルデータ及び模擬レールのモデルを設定するレールモデルデータが格納される記憶部を有するきしみ割れ推定装置により実行され、ゲージコーナー部ならびにレール頭頂部に生じうるきしみ割れの発生を推定するきしみ割れ推定方法であって、車両モデルデータ及びレールモデルデータを用いて模擬レール上を模擬車両が走行した際の模擬レールに作用する力を算出し、算出した力を用いて模擬レールの摩耗の進展速度を算出し、算出した力を用いて模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出し、摩耗の進展速度とき裂の進展速度とを用いて模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定することを特徴とする。 Further, the squeak crack estimation method of the present invention is executed by a squeak crack estimation device having a storage unit for storing vehicle model data for setting a model of a simulated vehicle and rail model data for setting a model of a simulated rail, and is executed by a gauge corner. This is a squeak crack estimation method that estimates the occurrence of squeak cracks that may occur on the rail and the top of the rail, and is a force that acts on the simulated rail when the simulated vehicle travels on the simulated rail using vehicle model data and rail model data. Is calculated, the calculated force is used to calculate the wear growth rate of the simulated rail, and the calculated force is used to calculate the crack growth rate that can occur in the simulated rail. It is characterized in that it is estimated whether or not squeak cracks occur in the simulated rail using and.
このように構成された本発明のきしみ割れ推定装置では、車両モデルデータ及びレールモデルデータを用いて模擬レール上を模擬車両が走行した際の模擬レールに作用する力を算出する車両運動解析部と、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬レールの摩耗の進展速度を算出する摩耗進展解析部と、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展解析部と、摩耗の進展速度とき裂の進展速度とを用いて模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定するきしみ割れ推定部とを有する。 In the squeak crack estimation device of the present invention configured as described above, the vehicle motion analysis unit that calculates the force acting on the simulated rail when the simulated vehicle travels on the simulated rail using the vehicle model data and the rail model data. , The wear progress analysis unit that calculates the wear progress rate of the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit, and the crack growth that can occur in the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit. It has a crack growth analysis unit that calculates the speed, and a squeak crack estimation unit that estimates whether or not squeak cracks occur in the simulated rail using the wear growth speed and the crack growth speed.
このようにすることで、模擬レールと模擬車両の車輪との接触状態に基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定することができる。 By doing so, it is possible to quantitatively estimate the occurrence of cracks based on the contact state between the simulated rail and the wheels of the simulated vehicle.
ここで、摩耗進展解析部が、車両運動解析部により算出された力を用いて模擬車両と模擬レールとの接触面内における接触応力を算出するレール接触解析部と、レール接触解析部により算出された接触応力に基づいて模擬レールの摩耗の進展速度を算出する摩耗量算出部とを有するので、摩耗進展解析部による模擬レールの摩耗の進展速度算出処理をより正確に定量的に行うことができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。 Here, the wear progress analysis unit is calculated by the rail contact analysis unit and the rail contact analysis unit that calculate the contact stress in the contact surface between the simulated vehicle and the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit. Since it has a wear amount calculation unit that calculates the wear progress rate of the simulated rail based on the contact stress, it is possible to more accurately and quantitatively perform the wear progress rate calculation process of the simulated rail by the wear progress analysis unit. As a result, the occurrence of squeak cracks can be estimated more quantitatively.
また、摩耗進展解析部が摩耗量算出部により算出された摩耗量に基づいてレールモデルデータを更新するレールモデルデータ更新部を有し、車両運動解析部がレールモデルデータ更新部により更新されたレールモデルデータを用いて模擬レールに作用する力を算出するので、模擬レールの摩耗量を的確にフィードバックして模擬レールに作用する力を算出することができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。 Further, the wear progress analysis unit has a rail model data update unit that updates the rail model data based on the wear amount calculated by the wear amount calculation unit, and the vehicle motion analysis unit has the rail updated by the rail model data update unit. Since the force acting on the simulated rail is calculated using the model data, the force acting on the simulated rail can be calculated by accurately feeding back the amount of wear of the simulated rail, and as a result, the occurrence of squeak cracks is more quantified. Can be estimated.
さらに、き裂進展解析部が、レール接触解析部により算出された接触応力に基づいて模擬レールにき裂が発生するか否かを判定するき裂発生条件判定部と、き裂発生条件判定部によりき裂が発生すると判定されたら模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展量算出部とを有するので、き裂進展解析部による、模擬レールに生じうるき裂の進展速度算出処理をより正確に定量的に行うことができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。 Further, the crack growth analysis unit determines whether or not a crack occurs in the simulated rail based on the contact stress calculated by the rail contact analysis unit, and a crack generation condition determination unit and a crack generation condition determination unit. Since it has a crack growth amount calculation unit that calculates the crack growth rate that can occur on the simulated rail when it is determined that a crack will occur, the crack growth analysis unit can generate a crack growth rate on the simulated rail. The calculation process can be performed more accurately and quantitatively, and as a result, the occurrence of squeak cracks can be estimated more quantitatively.
そして、き裂進展解析部がき裂発生条件判定部による判定動作に必要なパラメータの初期値を設定する初期値設定部を有し、き裂発生条件判定部が初期値設定部により設定されたパラメータの初期値を用いて模擬レールにき裂が発生するか否かを判定するので、模擬レールと模擬車両の車輪との接触状態に基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定することができる。 Then, the crack growth analysis unit has an initial value setting unit for setting the initial value of the parameter required for the determination operation by the crack generation condition determination unit, and the crack generation condition determination unit has the parameter set by the initial value setting unit. Since it is determined whether or not a crack occurs in the simulated rail using the initial value of, the occurrence of cracks can be quantitatively estimated based on the contact state between the simulated rail and the wheel of the simulated vehicle.
また、本発明のきしみ割れ推定方法は、車両モデルデータ及びレールモデルデータを用いて模擬レール上を模擬車両が走行した際の模擬レールに作用する力を算出し、算出した力を用いて模擬レールの摩耗の進展速度を算出し、算出した力を用いて模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出し、摩耗の進展速度とき裂の進展速度とを用いて模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定するので、模擬レールと模擬車両の車輪との接触状態に基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定することができる。 Further, in the squeak crack estimation method of the present invention, the force acting on the simulated rail when the simulated vehicle travels on the simulated rail is calculated using the vehicle model data and the rail model data, and the calculated force is used to calculate the simulated rail. Calculate the growth rate of wear, calculate the growth rate of cracks that can occur in the simulated rail using the calculated force, and use the growth rate of wear and the growth rate of cracks to see if creaking cracks occur in the simulated rail. Since it is estimated whether or not it is present, the occurrence of cracks can be quantitatively estimated based on the contact state between the simulated rail and the wheel of the simulated vehicle.
(きしみ割れ推定システムの概略説明)
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施の形態であるきしみ割れ推定システムSの概略構成を示すブロック図である。
(Outline explanation of squeak crack estimation system)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the squeak crack estimation system S according to the present embodiment.
本実施の形態のきしみ割れ推定システムSは、きしみ割れ推定装置10、入力装置11及び表示装置12を有する。
The squeak crack estimation system S of the present embodiment includes a squeak
本実施の形態のきしみ割れ推定装置(以下、推定装置と省略する)10は、例えばパーソナルコンピュータ等であり、制御部20、記憶部21、入力インタフェース(I/F)22及び出力インタフェース(I/F)23を有する。
The squeak crack estimation device (hereinafter abbreviated as an estimation device) 10 of the present embodiment is, for example, a personal computer or the like, and includes a
制御部20はCPU等の演算素子を有する。記憶部21内に格納されている図略の制御用プログラムが推定装置10の起動時に実行され、この制御用プログラムに基づいて、制御部20は記憶部21等を含む推定装置10全体の制御を行うとともに、表示制御部30、車両運動解析部31、摩耗進展解析部32、き裂進展解析部33及びきしみ割れ推定部34としての機能を実行する。これら各機能部の動作については後述する。
The
記憶部21はハードディスクドライブ等の大容量記憶媒体、及びROM、RAM等の半導体記憶媒体を有する。この記憶部21には上述の制御用プログラムが格納されているとともに、制御部20の制御動作時に必要とされる各種データが一時的に格納される。
The
また、この記憶部21には、車両モデルデータ40、レールモデルデータ41、レール形状データ42、応力データ43、摩耗量データ44、き裂発生初期値データ45及びき裂進展量データ46が格納されている。これらデータのうち、応力データ43、摩耗量データ44、及びき裂進展量データ46については少なくとも一時的に記憶部21に格納されればよい。これらデータの詳細については後述する。
Further, the
入力インタフェース22は、推定装置10に接続された入力装置11からの各種入力を受け入れ、これを制御部20に出力する。本実施例の入力装置11は例えばキーボードやマウス等であり、後述する表示装置12の表示画面に対して座標指定入力を行いうるものである。
The input interface 22 receives various inputs from the input device 11 connected to the
出力インタフェース23は、制御部20、特に表示制御部30から出力された出力信号を受け入れ、これを表示装置12に出力する。本実施例の表示装置12は例えば液晶ディスプレイ装置であり、出力インタフェース23を介して出力された表示制御信号に基づいて図略の表示面に表示画面を表示する。
The
次に、制御部20に構成される各機能部の説明をする。
Next, each functional unit configured in the
表示制御部30は、制御部20及びこの制御部20に構成される各機能部による処理の結果、表示装置12に表示画面を生成するための表示制御信号を生成して、この表示制御信号を出力インタフェース23を介して表示装置12に出力する。
The
車両運動解析部31は、記憶部21に格納された車両モデルデータ40及びレールモデルデータ41を用いて、レールモデルデータ41により設定された模擬レール上を、同様に車両モデルデータ40により設定された模擬車両が走行した際の、この模擬レールに作用する力を算出する。具体的には、車両運動解析部31による算出処理は、SIMPACKやVAMPIRE(いずれも商品名)に代表されるマルチボディダイナミクス解析ソフトにより実施可能である。
The vehicle
このマルチボディダイナミクス解析ソフトは、弾性体を含むマルチボディモデルの動的解析を効率よく行うためのツールである。より詳細には、マルチボディダイナミクス解析ソフトは、任意の車両モデルで、車輪やレールの実測形状を適用し、レール通過時の車両の挙動や車輪/レール間の接触を解析する。 This multibody dynamics analysis software is a tool for efficiently performing dynamic analysis of multibody models including elastic bodies. More specifically, the multibody dynamics analysis software applies the measured shapes of wheels and rails to any vehicle model, and analyzes the behavior of the vehicle when passing through the rails and the contact between the wheels / rails.
本実施の形態である車両運動解析部31では、対象区間の曲線半径や線形、レール形状等のレールモデルデータ41及び車両諸元や列車速度等の車両モデルデータ40をマルチボディダイナミクス解析ソフトに入力し、走行シミュレーション結果から、レールモデルデータ41により設定された模擬レール上を、同様に車両モデルデータ40により設定された模擬車両が走行した際の、この模擬レールに作用する力を算出する。本実施の形態である車両運動解析部31の処理内容、さらにマルチボディダイナミクス解析ソフトそのものは既知のものであるから、本明細書ではこれ以上の詳細な説明は簡略化する。
In the vehicle
摩耗進展解析部32は、車両運動解析部31により算出された力を用いて模擬レールの摩耗の進展速度を算出する。本実施の形態である摩耗進展解析部32は、レール接触解析部32a、摩耗量算出部32b及びレールモデルデータ更新部32cを有する。
The wear
レール接触解析部32aは、車両運動解析部31により算出された力を用いて、模擬車両50と模擬レール51との接触面内における接触応力を算出する。摩耗量算出部32bは、レール接触解析部32aにより算出された接触応力に基づいて、模擬レールの摩耗の進展速度を算出する。レールモデルデータ更新部32cは、摩耗量算出部32bにより算出された摩耗量に基づいてレールモデルデータ41(レール形状データ42を含む)を更新する。そして、車両運動解析部31は、レールモデルデータ更新部32cにより更新されたレールモデルデータ41を用いて模擬レール51に作用する力を算出する。
The rail
き裂進展解析部33は、車両運動解析部31により算出された力を用いて、模擬レール51に生じうるき裂の進展速度を算出する。本実施の形態であるき裂進展解析部33は、初期値設定部33a、き裂発生条件判定部33b及びき裂進展量算出部33cを有する。
The crack
初期値設定部33aは、後述するき裂発生条件判定部33bによる判定動作に必要なパラメータの初期値を設定する。き裂発生条件判定部33bは、レール接触解析部32aにより算出された接触応力に基づいて模擬レール51にき裂が発生するか否かを判定する。好ましくは、き裂発生条件判定部33bは、初期値設定部33aにより設定されたパラメータの初期値を用いて、模擬レール51にき裂が発生するか否かを判定する。き裂進展量算出部33cは、き裂発生条件判定部33bによりき裂が発生すると判定されたら、模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出する。
The initial
きしみ割れ推定部34は、摩耗進展解析部32、特に摩耗量算出部32bにより算出された摩耗の進展速度と、き裂進展解析部33、特にき裂進展量算出部33cにより算出されたき裂の進展速度とを用いて、模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定する。
The squeak
制御部20を構成する各機能部については、後に再度詳細に説明する。
Each functional unit constituting the
(きしみ割れ推定装置の動作)
次に、図2〜図3のフローチャートを参照して、本実施の形態であるきしみ割れ推定システムSの動作について説明する。なお、制御部20を構成する各部の説明について詳述した内容については繰り返しの説明を省略することがある。
(Operation of squeak crack estimation device)
Next, the operation of the squeak crack estimation system S according to the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 2 to 3. It should be noted that repetitive explanations may be omitted for the details of the explanations of the respective parts constituting the
図2は、本実施の形態であるきしみ割れ推定装置10を説明するための図である。きしみ割れ推定装置10の動作が開始されると、まず、ステップS10において、車両運動解析部31による、記憶部21に格納された車両モデルデータ40及びレールモデルデータ41を用いた車両運動解析処理、より詳細には、模擬レール51上を模擬車両が走行した際の模擬レールに作用する力を算出する処理が行われる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the squeak crack
(A)車両運動解析
ステップS10において用いられる模擬車両及び模擬レールの概略を図4に、模擬レールの断面形状、つまりレール形状データ42の詳細を図5〜図7に示す。模擬車両50(図4では台車部分のみ図示している)は在来線通勤形車両を模擬し、平均的な走行速度で走行させた。模擬車両50の車輪形状は修正円弧踏面の設計形状を用い、模擬レール51の断面形状はJIS50kgNレールのものを採用した。車両運動解析部31による算出処理では、X軸を模擬レール51の延長方向、Y軸を模擬レールのまくらぎ方向、Z軸を鉛直方向として絶対座標系を設定した。
(A) Vehicle motion analysis The outline of the simulated vehicle and the simulated rail used in step S10 is shown in FIG. 4, and the cross-sectional shape of the simulated rail, that is, the details of the rail shape data 42 are shown in FIGS. 5 to 7. The simulated vehicle 50 (only the bogie portion is shown in FIG. 4) simulated a conventional line commuter vehicle and was run at an average running speed. The wheel shape of the
なお、レールの摩耗形状は、軌道諸元のほか、走行する車両条件、とりわけ車輪とレールとが接する面(以下、「車輪踏面」と記す)の影響を大きく受ける。しかし、車輪踏面はレールと同様に走行する距離に応じて摩耗するが、その状況は走行する線区(例えば直線と曲線の割合)によって大きく異なる。本実施の形態である車両運動解析部31では、摩耗によるレールの形状変化に着目するため、車輪形状については摩耗による形状変化を考慮せず、設計形状の踏面を有する車輪のみが通過するものとした。
In addition to the track specifications, the wear shape of the rail is greatly affected by the conditions of the traveling vehicle, especially the surface where the wheel and the rail are in contact (hereinafter referred to as "wheel tread"). However, like the rail, the wheel tread wears according to the distance traveled, and the situation varies greatly depending on the line section (for example, the ratio of a straight line to a curved line) traveled. Since the vehicle
模擬レール51の形状を構成する座標データであるレール形状データ42は、一例として図5に示すように、レール頭頂面と頭頂面から25mm下の側面まで0.4mm間隔で400点配置した。レールの摩耗を考慮しない場合は、図6のようにレール形状を一定としてモデル化すればよいが、本実施の形態である車両運動解析部31のように長手方向にも摩耗が変化する場合は、逐次、断面形状を変化させなければならない。そこで本実施の形態では、レール長手方向にレール断面の着目点を例えば5mおきに配置し、隣り合う着目点の断面形状をスプライン補間することで、長手方向のレール断面を生成した(図7)。レール形状データ42は事前に記憶部21に格納されていてもよく、ステップS10の処理において作成されてもよい。後述するように、レールモデルデータ更新部32cによりレール形状データ42の更新が行われる。
As an example, as shown in FIG. 5, the rail shape data 42, which is the coordinate data constituting the shape of the
(B)レール接触解析
次に、ステップS11では、摩耗進展解析部32のレール接触解析部32aが、ステップS10において車両運動解析部31により算出された力を用いて、模擬車両50と模擬レール51との接触面内における接触応力を算出する処理を行う。
(B) Rail Contact Analysis Next, in step S11, the rail
車両運動解析部31により、模擬車両50の車輪と模擬レール51との接触位置や接触部に作用する力が算出されるが、接触応力の分布については、詳細な結果は得られない。そこで本実施の形態であるレール接触解析部32aでは、Hertzの接触理論により算出された断面方向の接触半径を用いて、接触面内における応力の分布を算出した。
The vehicle
車両運動解析部31による解析の結果、接触点Cおよび接触点における法線方向の力(以下、「接触力」と記す)Nが、図8のように与えられているとする。図8の観測点は、模擬レール51の断面形状のY−Z座標系である。本実施の形態であるレール接触解析部32aでは、一例として接触点Cを最大10点まで考慮することとし、それぞれY軸の正の方向に向かって1,2,3,…,i,…,10とする。模擬レール51の断面形状を構成する観測点を、Y軸の負の方向から1,2,3,…,i,…,400とする。図8の接触部CPを拡大したものを図9に示す。各接触点Cにおいて、接触面と平行な軸をη(i)と定義し、接触力Nは接触点Cの中心を最大値として楕円形に分布すると考える。
車両運動解析部31より算出された模擬車両50の車輪と模擬レール51の接触力N(i)を用いて、各接触点の最大応力PMax(i)を表すことが出来る。レールと車輪の接触点Cの数をQと仮定すると、最大応力は以下のように考えられる。
ここでa(i)、b(i)は、それぞれ接触部CPの楕円の長径(レール長手方向)、短径(断面方向)の接触半幅である。
As a result of the analysis by the vehicle
The maximum stress PMax (i) at each contact point can be expressed by using the contact force N (i) between the wheel of the
Here, a (i) and b (i) are contact half widths of the ellipse of the contact portion CP in the major axis (rail longitudinal direction) and minor axis (cross-sectional direction), respectively.
接触面に平行な軸η(i)とY軸のなす角をθiとすると、Y軸での接触範囲は以下の式のように表される。
ここでC(i)は車両運動解析部31により算出される接触点中心である。
Assuming that the angle formed by the axis η (i) parallel to the contact surface and the Y axis is θ i , the contact range on the Y axis is expressed by the following equation.
Here, C (i) is the center of the contact point calculated by the vehicle
接触応力は、接触面内においては図9のように分布することから、次式のように記述できる。
式(4)により算出された接触応力P(i,j)は、記憶部21に応力データ43として少なくとも一時的に格納される。
The contact stress P (i, j) calculated by the equation (4) is stored in the
(C)摩耗量算出
次に、ステップS12では、摩耗進展解析部32の摩耗量算出部32bが、ステップS11においてレール接触解析部32aにより算出された接触応力P(i,j)に基づいて、模擬レール51の摩耗の進展速度を算出する。
(C) Wear amount calculation Next, in step S12, the wear
車輪とレールの転がり接触による摩耗は主に凝着摩耗であると考えられ,凝着摩耗を表す摩耗則はこれまでにいくつか提案されている.本実施の形態である摩耗量算出部32bでは,Archardの摩耗予測式(J.F.Archard,“Contact and Rubbing of Flat Surface”,J.Appl.Phys,Vol.24,1953,pp.981-988)を適用した.Archardの摩耗予測式は,次の式(5)で与えられる。
ただし、Wは摩耗体積、Fは接触荷重、Hは接触する物体のうち柔らかい方の材料硬さ(ここではレール材のビッカーズ硬さ)である。またsはすべり距離である。kは摩耗係数であり、材料固有の値である。
Wear due to rolling contact between wheels and rails is considered to be mainly adhesive wear, and several wear rules representing adhesive wear have been proposed so far. In the wear
However, W is the wear volume, F is the contact load, and H is the material hardness of the softer of the objects in contact (here, the Vickers hardness of the rail material). Also, s is the sliding distance. k is a wear coefficient, which is a value peculiar to the material.
式(5)より、模擬レール51の各接触点Cにおける摩耗深さは、次の式(6)で与えられる。
ここでdは摩耗深さ、Pは接触面圧、δは単位長さあたりのすべり距離(すべり率と等価)であり、本発明者らが行った室内摩耗試験結果より2.54×10-4とした。
From the formula (5), the wear depth at each contact point C of the
Here, d is the wear depth, P is the contact surface pressure, and δ is the slip distance per unit length (equivalent to the slip ratio), which is 2.54 × 10 -4 from the results of the indoor wear test conducted by the present inventors. did.
なお、本実施の形態である摩耗量算出部32bにおける摩耗形状予測モデルは、車輪/レール間の巨視的な摩耗に着目するため、接触面内におけるすべり/固着領域の区別は行わず、一定とした。
Since the wear shape prediction model in the wear
ステップS12で算出された摩耗量(摩耗深さd)は、摩耗量データ44として記憶部21に少なくとも一時的に格納される。
The wear amount (wear depth d) calculated in step S12 is stored in the
次に、ステップS13では、き裂進展解析部33が、ステップS10において車両運動解析部31により算出された力を用いて、模擬レール51に生じうるき裂の進展速度を算出する。
Next, in step S13, the crack
(D)き裂進展解析
ステップS13におけるき裂進展解析処理の詳細について、図3のフローチャートを参照して説明する。
(D) Crack Growth Analysis The details of the crack growth analysis process in step S13 will be described with reference to the flowchart of FIG.
(D−1)初期値設定
ステップS20では、き裂進展解析部33の初期値設定部33aが、後述するステップS21において行われる、き裂発生条件判定部33bによる判定動作に必要なパラメータの初期値を設定する。初期値設定部33aが設定する初期値とは、模擬レール51内のフェライト相・パーライト相・非金属材料の分布の計算、結晶粒のゆがみ、き裂の原点、スリップラインの向きに関するパラメータである。初期値設定部33aは、これらパラメータを乱数を発生して設定している。
(D-1) In the initial value setting step S20, the initial
初期値設定部33aにより設定されたパラメータの初期値は、き裂発生初期値データ45として記憶部21に少なくとも一時的に格納される。
The initial value of the parameter set by the initial
(D−2)き裂発生条件判定
次に、ステップS21では、き裂進展解析部33のき裂発生条件判定部33bが、初期値設定部33aにより設定されたパラメータの初期値を用いて、ステップS11においてレール接触解析部32aにより算出された接触応力Pに基づいて模擬レール51にき裂が発生する条件を算出し、ついでステップS22では、き裂発生条件判定部33bが模擬レール51にき裂が発生するか否かを判定する。そして、模擬レール51にき裂が発生したと判定した(ステップS22においてYES)場合は、プログラムはステップS23に進み、模擬レール51にき裂が発生しないと判定したらプログラムはステップS14に戻る。
(D-2) Determination of Crack Generation Condition Next, in step S21, the crack generation
き裂の種となるフェライト相・パーライト相・非金属材料の分布、及びき裂方向(スリップライン)となる偏向方向(層方向)や境界方向は、ステップS20において初期値設定部33aにより乱数で決定されるが、これらのき裂が実際に進展するかどうかは、塑性流動方向に対し定められた閾値角度内にき裂方向が存在するかどうかによる。この条件を満たした場合、その結晶粒のき裂の種は活性化し、き裂発生条件が評価できるようになる。
The distribution of the ferrite phase, pearlite phase, and non-metallic material that are the seeds of cracks, and the deflection direction (layer direction) and boundary direction that are the crack directions (slip lines) are randomized by the initial
模擬レール51におけるレール鋼は、(a)フェライト相、(b)パーライト相及び(c)非鉄金属材料から構成される。ここでは各相のき裂の種の活性条件、進展ルールについて説明する。
The rail steel in the
(a)フェライト相
フェライト相は結晶粒内部をき裂が進展する。結晶粒内部にき裂の種を持ち、偏向方向(層方向)をき裂方向(スリップライン)とする。塑性流動方向に対し定められた閾値角度内にき裂方向がある場合、き裂の種は活性化する。
(A) Ferrite phase In the ferrite phase, cracks grow inside the crystal grains. It has crack seeds inside the crystal grains, and the deflection direction (layer direction) is the crack direction (slip line). If the crack direction is within a defined threshold angle with respect to the plastic flow direction, the crack seeds are activated.
(b)パーライト相
パーライト相は結晶粒内部または境界をき裂が進展する。パーライト相では、き裂の種は境界上に配置する。パーライト相のき裂の種の発生ルールを図示すると図10のようになる。
(B) Pearlite phase In the pearlite phase, cracks grow inside or at the boundaries of the crystal grains. In the pearlite phase, the crack seeds are placed on the boundary. The rules for generating crack seeds in the pearlite phase are illustrated as shown in FIG.
パーライト相におけるき裂の種60は、ランダムに生成した点61と重心62を結ぶ直線63と境界線64の交点とする(ステップ1)。パーライト相が隣り合う場合において、すでに隣接する要素のき裂の種60が境界線64上に存在する場合は、別の境界線64上にき裂の種60が生成されるようにする(ステップ2)。
The
パーライト相のき裂の種の活性と進展は以下のルールに従うものとする。
(1)界面進展き裂:き裂の種が配置された結晶粒界面の方向が、塑性流動方向に対し定められた閾値角度内の場合、き裂の種は活性化し、き裂は結晶粒界面上を進展する。
(2)結晶粒内部進展き裂:結晶粒の偏向方向(層方向)が塑性流動方向に対し定められた閾値角度以内なら、き裂の種は活性し、結晶粒内をき裂が進展する。(1)と(2)とでは(1)が優先される。
(3)パーライト相の結晶粒界面を進展したき裂がフェライト相にぶつかったときは、フェライト相中を進展したき裂と合体するまでは止まっていることとする。
(4)き裂の進展則は、フェライト相と同じものを使う。
The activity and development of crack seeds in the pearlite phase shall be subject to the following rules.
(1) Interface extension crack: When the direction of the grain interface where the crack seeds are arranged is within the threshold angle defined with respect to the plastic flow direction, the crack seeds are activated and the cracks are crystal grains. Proceed on the interface.
(2) Internally propagated cracks in crystal grains: If the deflection direction (layer direction) of the crystal grains is within the threshold angle set with respect to the plastic flow direction, the crack seeds are activated and cracks propagate in the crystal grains. .. In (1) and (2), (1) has priority.
(3) When a crack that has propagated at the grain interface of the pearlite phase collides with the ferrite phase, it is assumed that the crack has stopped until it merges with the crack that has propagated in the ferrite phase.
(4) Use the same crack growth rule as the ferrite phase.
(c)非金属材料
非金属材料はパーライト相にのみ存在するものとし、その位置はき裂の種の位置とする。そのため、非金属材料の種の発生条件はパーライト相と同様である。いくつかのパーライト相の中で非金属材料を包含することになったものは、その種が非金属材料の種として利用されるイメージである。
(C) Non-metallic material The non-metallic material shall be present only in the pearlite phase and its position shall be the position of the crack seed. Therefore, the conditions for generating seeds of non-metallic materials are the same as those for the pearlite phase. Among the several pearlite phases that have come to include non-metallic materials is the image that the species is used as a seed for non-metallic materials.
非金属材料のき裂は結晶粒界面を進展する。き裂の種の結晶粒界面の方向が、塑性流動方向に対し定められた閾値角度内の場合、き裂の種は活性化する。 Cracks in non-metallic materials propagate at grain boundaries. If the direction of the grain interface of the crack seed is within the threshold angle defined with respect to the plastic flow direction, the crack seed is activated.
ステップ1におけるき裂の進展ルールはパーライト相と同様であるが、ステップ2の考え方が異なる。累積せん断歪みが大きくなり、変形が進み変形後の非金属の長いほうの対角線が規定値(結晶粒径の3倍)を超えた場合、ステップ2のルールに従いき裂が進展する。
The crack growth rule in
非金属材料におけるステップ2のき裂は、連結されたき裂の先端どうしを結んだ方向をき裂方向とする。この方向が塑性流動方向に対し定められた閾値角度内にない場合は進展しないものとする。
For the crack in
本実施の形態であるき裂発生条件判定部33bでは、非金属材料について累積せん断歪みを算出し、その値から変形量を計算している。図11に示すように、正方形であったものが、変形によりひし形に歪んだ場合、塑性流動方向に対し定められた閾値角度は見かけ上大きくなる。また、ステップ2に進む際にき裂の先端距離で連結の判定を行うが、変形に伴いこの距離も変わってくる。変形に伴い閾値角度およびき裂先端距離の評価を再度行なうことを、種と距離の動的判定と呼ぶことにする。
In the crack generation
閾値角度θは
で補正させる。先端座標は1次変換行列
により写像させた点で評価する。
The threshold angle θ is
To correct with. Tip coordinates are linear transformation matrix
Evaluate by the point mapped by.
本実施の形態であるき裂発生条件判定部33bにおいて判定されるき裂発生条件は、(a)ラチェッティングによるき裂発生条件と、(b)疲労によるき裂発生条件と、(c)これらのうち早いものの3つの条件が存在する。ラチェッティングは累積せん断歪みが規定値を超えた場合の条件であり、変形による発生条件である。疲労は各種モデルで計算された限界サイクル数を実際のサイクル数が超えた場合の条件である。
The crack generation conditions determined by the crack generation
(a)ラチェッティングによるき裂発生条件
(a−1)累積せん断ひずみモデル
フェライト、パーライトの各要素には、材料特性(初期せん断降伏応力、破壊の限界せん断ひずみ)を割り当てる。初期せん断降伏応力は以下の式に従う。
[数8]
k0=0.8×106Hn (7)
ここで、
k0:初期せん断降伏応力
Hn:ナノ硬さ
である。Hnはフェライト相、パーライト相で以下の値とする。
[Number 8]
k 0 = 0.8 × 10 6 H n (7)
here,
k 0 : Initial shear yield stress H n : Nano hardness. H n is a ferrite phase or a pearlite phase and has the following values.
破壊の限界せん断ひずみγcは、フェライト、パーライト共に以下の値とする。
[数9]
γc=11 (8)
The limit shear strain γ c of fracture shall be the following value for both ferrite and pearlite.
[Number 9]
γ c = 11 (8)
本実施の形態であるき裂発生条件判定部33bでは、荷重サイクルが進むにつれてせん断ひずみが累積するモデルを採用する。モデルは、以下のものを採用する。
ここで、
である。
In the crack generation
here,
Is.
式(7)により求められたフェライト・パーライトの各要素における全累積せん断ひずみγijが、要素毎に初期に割り当てられた破壊の限界せん断ひずみγcを超えた場合に、き裂が発生するものとする。 Cracks occur when the total cumulative shear strain γ ij in each element of ferrite pearlite obtained by equation (7) exceeds the fracture limit shear strain γ c initially assigned to each element. And.
また、パラメータα、βはフェライト、パーライトで以下の値とする。
累積せん断ひずみは、レール接触解析部32aにより算出された車輪/レール接触の応力値より算出する。累積せん断ひずみの算出には最大直交せん断応力τj zx(max)が必要であるが、この応力値はレール接触解析部32aによる車輪/レール接触解析の結果を用いる。
The cumulative shear strain is calculated from the stress value of the wheel / rail contact calculated by the rail
ここで、累積せん断ひずみは粒界フェライト部分についても考慮している。フェライト相の場合、その結晶粒の累積せん断ひずみはフェライトの材料特性より算出したものを用いるが、パーライト相の場合は、粒界と結晶粒のそれぞれの材料特性より求めた累積せん断ひずみに体積比を乗じて合計する。 Here, the cumulative shear strain also considers the grain boundary ferrite portion. In the case of the ferrite phase, the cumulative shear strain of the crystal grains calculated from the material characteristics of ferrite is used, but in the case of the pearlite phase, the volume ratio is the cumulative shear strain obtained from the material characteristics of the grain boundaries and the crystal grains. Multiply and add up.
ここで、パーライトの累積せん断歪みをrp、フェライト相の累積せん断歪みをrfとすると、全体の累積せん断歪みは
[数12]
rp×(1-Ab/Aa)+rf×Ab/Aa (12)
となる。このような計算で求めた累積せん断歪みを各結晶粒に保持する。ラチェッティングによるき裂の発生判定には、上記で求めた全体の累積せん断歪みの値を利用する。
Here, if the cumulative shear strain of pearlite is rp and the cumulative shear strain of the ferrite phase is rf, the total cumulative shear strain is
[Number 12]
rp × (1-Ab / Aa) + rf × Ab / Aa (12)
Will be. The cumulative shear strain obtained by such calculation is retained in each crystal grain. The value of the total cumulative shear strain obtained above is used to determine the occurrence of cracks due to ratcheting.
(a−2)累積垂直ひずみモデル
き裂の発生条件には関係しないが、垂直方向の変形算出に際して累積せん断ひずみと同様の方法を用いている。
上記の式は式(7)〜(11)に対応したものである。これらの式からある行(同じ高さの粒子群)のひずみを求めることができ、車輪通過ごとの垂直方向の変位は、Δεij×(ある行の高さ)で求められる。
(A-2) Cumulative vertical strain model Although it is not related to the crack generation conditions, the same method as the cumulative shear strain is used when calculating the vertical deformation.
The above equation corresponds to equations (7) to (11). From these equations, the strain of a certain row (particle group of the same height) can be obtained, and the vertical displacement for each wheel passage is calculated by Δε ij × (height of a certain row).
(b)疲労によるき裂発生条件
疲労によるき裂発生は、荷重サイクル数が下式(17)で得られるNを超えた際に発生するものとする。
ここで、すべり帯の長さdは、図12に示すように、各結晶粒において、重心62を通り塑性流動方向に伸ばした直線63がそれぞれ界面64と交わる線分の長さとする。
(B) Conditions for crack generation due to fatigue Crack generation due to fatigue shall occur when the number of load cycles exceeds N obtained by the following equation (17).
Here, as shown in FIG. 12, the length d of the slip zone is the length of a line segment in which a
また、下式(18)により、分解せん断応力範囲Δτresを算出する。
[数15]
Δτres=τmax−τmin (18)
ここで、τmax、τminはレール接触解析部32aによる車輪/レール接触解析の結果から取得することができる。応力の評価の座標は仮想的なき裂の種、方向は仮想的なき裂進展方法とする。
Further, the decomposition shear stress range Δτ res is calculated by the following equation (18).
[Number 15]
Δτ res = τ max −τ min (18)
Here, τ max and τ min can be obtained from the results of wheel / rail contact analysis by the rail
(D−3)き裂進展量算出
ステップS23では、き裂発生条件判定部33bによりき裂が発生すると判定されたので(ステップS22においてYES)、き裂進展解析部33のき裂進展量算出部33cが模擬レール51に生じうるき裂の進展速度を算出する。
(D-3) In the crack growth amount calculation step S23, since it was determined by the crack generation
き裂進展量算出部33cにおいて算出されるき裂進展量におけるき裂進展規則は、フェライト相・パーライト相・非金属材料に共通である。
The crack growth rules for the crack growth amount calculated by the crack growth
本実施の形態であるき裂進展量算出部33cにおけるき裂進展のアルゴリズムは、H. A. Suharutono,K. Potter,A. Schram and H. Zenner,“Multiaxial Fatigue and Deformation: Testing and Prediction”,ASTM STP 1387,2000,pp.323を基にしている。
The crack growth algorithm in the crack growth
(a)第1ステップ
結晶粒内を進展するき裂は、図13に示すように、き裂65の原点(き裂の種)60から、スリップライン(き裂方向)66に沿って式(19)に従って進展する。ここで、aはき裂の長さであり、Nは応力の負荷回数である。
式(20)は、スリップラインに沿って働くせん断応力の変動幅を表しており、Δσx、Δσy、ΔσxyはX、Y軸で定義される垂直応力とせん断応力の変動幅である。き裂進展量算出部33cでは、き裂発生条件判定部33bで求めた値を用いてき裂進展量を算出する。
(A) First step As shown in FIG. 13, the crack extending in the crystal grain is from the origin (crack seed) 60 of the crack 65 along the slip line (crack direction) 66. Proceed according to 19). Here, a is the length of the crack and N is the number of stress loads.
Equation (20) represents the fluctuation range of the shear stress acting along the slip line, and Δσ x , Δσ y , and Δσ xy are the fluctuation widths of the normal stress and the shear stress defined on the X and Y axes. The crack growth
(b)第2ステップ
複数のき裂は、その先端の距離が結晶粒径の25%以内であり、且つ、き裂自身の長さが結晶粒径の75%に達すると互いに結合する。ただし、結合直前のき裂の形状は、結合後に変化することはない。また、き裂の長さが結晶粒径の3倍に達したとき今度は、き裂は次式(21)に従って進展する。
ただし、複数のき裂が結合した場合、き裂の長さを、最も長くなる先端同士の直線距離で定義する。また、き裂面はその直線方向で定義し、θはその角度である。き裂の角度が塑性流動方向に対し定められた閾値角度内に含まれない場合は進展しない。Δεは、この面にかかる垂直歪みの変動幅である。
(B) Second step The plurality of cracks are bonded to each other when the distance between the tips thereof is within 25% of the crystal grain size and the length of the crack itself reaches 75% of the crystal grain size. However, the shape of the crack immediately before the bond does not change after the bond. Further, when the crack length reaches three times the crystal grain size, the crack grows according to the following equation (21).
However, when multiple cracks are combined, the length of the crack is defined by the linear distance between the longest tips. The crack surface is defined in the linear direction, and θ is the angle. If the crack angle is not within the threshold angle defined for the plastic flow direction, it will not grow. Δε is the fluctuation range of the vertical distortion applied to this surface.
この段階では、き裂はき裂面に対する垂直歪みが引張時においてのみ進展するため、式(22)の歪みの値が負になった場合は、計算上Δεは0で置き換えられる。また、式(19)で計算されるき裂の進展が式(21)の結果よりも大きい場合には、式(19)の値を用いている。 At this stage, since the vertical strain with respect to the crack surface propagates only during tension, when the strain value in Eq. (22) becomes negative, Δε is calculatedly replaced with 0. When the crack growth calculated by the equation (19) is larger than the result of the equation (21), the value of the equation (19) is used.
本実施の形態であるき裂進展量算出部33cでは、初期構造として正六角形状からの結晶粒のゆがみを与えることができる。このゆがみ形状は、星出敏彦、河端享介、井上達雄、日本機械学会論文集A編、55巻、1989年、pp.222を基にしたアルゴリズムを用いて与えられ、図14に示すように、六角形の各頂点を0<r<ζLの範囲内でランダムに移動させている。ここでLは正六角形の一辺の長さであり、各結晶粒の大きさを決める。ζは、歪みの大きさを表すパラメータである。
In the crack growth
結晶粒を正六角形から歪ませると、結晶粒径を正しく定義することはできない。そのため、き裂の結合判定やき裂の進展速度式の選択に使われる結晶粒径は、本実施の形態では、結晶粒を歪ませる前の半径の2倍(つまり2L)として定義している。 If the crystal grains are distorted from a regular hexagon, the crystal grain size cannot be defined correctly. Therefore, in the present embodiment, the crystal grain size used for determining the crack bond and selecting the crack growth rate equation is defined as twice the radius before the crystal grains are distorted (that is, 2 L).
本実施の形態であるき裂進展量算出部33cでは、以下の摩耗モデルを実装している。摩耗された領域においてき裂が進展することは物理的にありえないので、き裂進展量算出部33cにおいて、摩耗された領域のき裂が進展しない処理が行われている。
In the crack growth
上述したArchard摩耗モデルの摩耗深さは以下の式で求めることができる。
この摩耗深さΔz(x,y)は接触面が一要素分移動する際に摩耗する量である。車輪の接触面は、ある面積を持って移動するため、車輪通過1サイクルにおいて一要素が摩耗する量は、接触面積分を重ね合わせた量となる。
The wear depth of the Archard wear model described above can be calculated by the following formula.
This wear depth Δz (x, y) is the amount of wear when the contact surface moves by one element. Since the contact surface of the wheel moves with a certain area, the amount of wear of one element in one cycle of passing the wheel is the sum of the contact areas.
また、本実施の形態であるき裂進展量算出部33cでは、粗さ接触モデルを実装している。粗さ接触は、以下の式を直交せん断応力(垂直応力)に乗じることによって定義する(第1ステップおよび第2ステップ共通)。
ステップS13及び図3に示すステップにおいて算出されたき裂進展量は、き裂進展量データ46として記憶部21に少なくとも一時的に格納される。
The crack growth amount calculated in steps S13 and FIG. 3 is stored in the
(E)きしみ割れ推定
図2に戻って、ステップS14では、きしみ割れ推定部34が、摩耗進展解析部32、特に摩耗量算出部32bにより算出された摩耗の進展速度と、き裂進展解析部33、特にき裂進展量算出部33cにより算出されたき裂の進展速度とを用いて、模擬レール51にきしみ割れが生じるか否かを推定する。そして、模擬レール51にきしみ割れが生じると推定したら(ステップS14においてYES)、ステップS15においてきしみ割れ推定部34が模擬レール51にきしみ割れが推定する旨の表示を表示装置12に表示する。一方、模擬レール51にきしみ割れが生じないと推定したら(ステップS14においてNO)、プログラムはステップS16に進む。
(E) Squeak crack estimation Returning to FIG. 2, in step S14, the squeak crack
(F)レールモデルデータ更新
ステップS16において、摩耗進展解析部32のレールモデルデータ更新部32cは、摩耗量算出部32bにより算出された摩耗量に基づいてレールモデルデータ41(含むレール形状データ42)を更新する。そして、プログラムはステップS10に戻り、車両運動解析部31は、レールモデルデータ更新部32cにより更新されたレールモデルデータ41を用いて模擬レール51に作用する力を算出する。
(F) Rail model data update In step S16, the rail model
(本実施の形態の効果)
このように構成された本実施の形態のきしみ割れ推定装置10では、車両モデルデータ40及びレールモデルデータ41を用いて模擬レール51上を模擬車両50が走行した際の模擬レール51に作用する力を算出する車両運動解析部31と、車両運動解析部31により算出された力を用いて模擬レール51の摩耗の進展速度を算出する摩耗進展解析部32と、車両運動解析部31により算出された力を用いて模擬レール51に生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展解析部33と、摩耗の進展速度とき裂の進展速度とを用いて模擬レール51にきしみ割れが生じるか否かを推定するきしみ割れ推定部34とを有する。
(Effect of this embodiment)
In the squeak crack
このようにすることで、模擬レール51と模擬車両50の車輪との接触状態に基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定することができる。
By doing so, it is possible to quantitatively estimate the occurrence of cracks based on the contact state between the
ここで、摩耗進展解析部32が、車両運動解析部31により算出された力を用いて模擬車両50と模擬レール51との接触面内における接触応力を算出するレール接触解析部32aと、レール接触解析部32aにより算出された接触応力に基づいて模擬レール51の摩耗の進展速度を算出する摩耗量算出部32bとを有するので、摩耗進展解析部32による模擬レール51の摩耗の進展速度算出処理をより正確に定量的に行うことができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。
Here, the wear
また、摩耗進展解析部32が摩耗量算出部32bにより算出された摩耗量に基づいてレールモデルデータ41を更新するレールモデルデータ更新部32cを有し、車両運動解析部31がレールモデルデータ更新部32cにより更新されたレールモデルデータ41を用いて模擬レール51に作用する力を算出するので、模擬レール51の摩耗量を的確にフィードバックして模擬レール51に作用する力を算出することができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。
Further, the wear
さらに、き裂進展解析部33が、レール接触解析部32aにより算出された接触応力に基づいて模擬レール51にき裂が発生するか否かを判定するき裂発生条件判定部33bと、き裂発生条件判定部33bによりき裂が発生すると判定されたら模擬レール51に生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展量算出部33cとを有するので、き裂進展解析部33による、模擬レール51に生じうるき裂の進展速度算出処理をより正確に定量的に行うことができ、結果として、きしみ割れの発生をより定量的に推定することができる。
Further, the crack
そして、き裂進展解析部33がき裂発生条件判定部33bによる判定動作に必要なパラメータの初期値を設定する初期値設定部33aを有し、き裂発生条件判定部33bが初期値設定部33aにより設定されたパラメータの初期値を用いて模擬レール51にき裂が発生するか否かを判定するので、模擬レール51と模擬車両50の車輪との接触状態に基づいてきしみ割れの発生を定量的に推定することができる。
Then, the crack
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the embodiments and examples, and design changes are made to the extent that the gist of the present invention is not deviated. Is included in the present invention.
例えば、上述の実施の形態であるきしみ割れ推定システムSでは、推定装置10内に記憶部21を設けていたが、記憶部21を推定装置10とは別体に構成することも可能である。
For example, in the squeak crack estimation system S according to the above-described embodiment, the
そして、上述の実施例において、推定装置10を動作させるプログラムは記憶部21に格納されて提供されていたが、不図示の光学ディスクドライブ等を用いて、プログラムが格納されたDVD(Digital Versatile Disc)、USB外部記憶装置、メモリーカード等を接続し、このDVD等からプログラムを推定装置10に読み込んで動作させてもよい。また、インターネット上のサーバ装置内にプログラムを格納しておき、推定装置10に通信部を設けてこのプログラムを推定装置10に読み込んで動作させてもよい。さらに、上述の実施例において、推定装置10は複数のハードウェア要素により構成されていたが、これらハードウェア要素の一部の動作を制御部20がプログラムの動作により実現することも可能である。
Then, in the above-described embodiment, the program for operating the
S 推定システム
10 推定装置
20 制御部
21 記憶部
30 表示制御部
31 車両運動解析部
32 摩耗進展解析部
32a レール接触解析部
32b 摩耗量算出部
32c レールモデルデータ更新部
33 き裂進展解析部
33a 初期値設定部
33b き裂発生条件判定部
33c き裂進展量算出部
34 きしみ割れ推定部
40 車両モデルデータ
41 レールモデルデータ
50 模擬車両
51 模擬レール
Claims (6)
模擬車両のモデルを設定する車両モデルデータ及び模擬レールのモデルを設定するレールモデルデータが格納される記憶部と、前記車両モデルデータ及び前記レールモデルデータを用いて前記模擬レール上を前記模擬車両が走行した際の前記模擬レールに作用する力を算出する車両運動解析部と、前記車両運動解析部により算出された前記力を用いて前記模擬レールの摩耗の進展速度を算出する摩耗進展解析部と、前記車両運動解析部により算出された前記力を用いて前記模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出するき裂進展解析部と、前記摩耗の進展速度と前記き裂の進展速度とを用いて前記模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定するきしみ割れ推定部とを有することを特徴とするきしみ割れ推定装置。 It is a squeak crack estimation device that estimates the occurrence of squeak cracks that may occur at the gauge corners and the top of the rail.
A storage unit that stores vehicle model data for setting a model of a simulated vehicle and rail model data for setting a model for a simulated rail, and the simulated vehicle on the simulated rail using the vehicle model data and the rail model data. A vehicle motion analysis unit that calculates the force acting on the simulated rail when traveling, and a wear progress analysis unit that calculates the wear progress rate of the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit. , The crack growth analysis unit that calculates the crack growth speed that can occur in the simulated rail using the force calculated by the vehicle motion analysis unit, and the wear growth speed and the crack growth speed. A squeak crack estimation device comprising a squeak crack estimation unit for estimating whether or not squeak cracks occur in the simulated rail.
前記車両運動解析部は、前記レールモデルデータ更新部により更新された前記レールモデルデータを用いて前記模擬レールに作用する前記力を算出する
ことを特徴とする請求項2に記載のきしみ割れ推定装置。 The wear progress analysis unit has a rail model data update unit that updates the rail model data based on the wear amount calculated by the wear amount calculation unit.
The squeak crack estimation device according to claim 2, wherein the vehicle motion analysis unit calculates the force acting on the simulated rail using the rail model data updated by the rail model data update unit. ..
前記車両モデルデータ及び前記レールモデルデータを用いて前記模擬レール上を前記模擬車両が走行した際の前記模擬レールに作用する力を算出し、算出した前記力を用いて前記模擬レールの摩耗の進展速度を算出し、算出した前記力を用いて前記模擬レールに生じうるき裂の進展速度を算出し、前記摩耗の進展速度と前記き裂の進展速度とを用いて前記模擬レールにきしみ割れが生じるか否かを推定することを特徴とするきしみ割れ推定方法。 Executed by a squeak crack estimation device having a storage unit for storing vehicle model data for setting a model of a simulated vehicle and rail model data for setting a model for a simulated rail, and squeak cracks that may occur at the gauge corner and the top of the rail. It is a squeak crack estimation method for estimating the occurrence,
Using the vehicle model data and the rail model data, a force acting on the simulated rail when the simulated vehicle travels on the simulated rail is calculated, and the calculated force is used to advance wear of the simulated rail. The velocity is calculated, the calculated force is used to calculate the crack growth rate that can occur in the simulated rail, and the wear growth rate and the crack growth rate are used to cause squeak cracks in the simulated rail. A squeak crack estimation method characterized by estimating whether or not it occurs.
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