JP7127572B2

JP7127572B2 - 鉄道車両用車輪の転動による疲労き裂進展抑制方法

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Publication number: JP7127572B2
Application number: JP2019028204A
Authority: JP
Inventors: 孝憲加藤; 雄一郎山本; 滋宮廻
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: JP2020131939A

Description

本発明は、鉄道車両、特に大重量の貨物を輸送する貨車（以下、重荷重貨車という。）において、車輪の転動によってリム部に発生する疲労き裂（以下、「転動疲労き裂」という。）の進展、特に前記転動疲労き裂の車軸中心方向への進展を抑制する方法に関するものである。

特に重荷重貨車では、車輪１の転動の繰返しによって、鉄道車両の車輪１のリム部１ａに転動疲労き裂３が発生する場合がある。なお、図９中の１ｂは車輪１のフランジを示す。

発生した転動疲労き裂３は、車輪１の転動の繰返しによって、図９（ａ）に示すように、リム部１ａの表面に沿って進展する。その後、図９（ｂ）に示すように、この進展した転動疲労き裂３が低い確率ながら車軸中心方向に向きを変え、引張残留応力場まで進展すると、リム部１ａが車軸中心方向に割れて、車輪１は急速破壊する。以下、車軸中心方向に進展した転動疲労き裂３をリム縦割れ３ａという。

このような車輪の破壊は、リム部の表面に沿って進展した転動疲労き裂が車軸中心方向に向きを変えた後に発生することが分かっている。しかしながら、車軸中心方向に向きを変える理由については明らかではなかった。

そこで、従来は、車輪のリム部に転動疲労き裂が発生しているかどうかを定期的に、例えば超音波探傷等で検査し、検査により、リム部の表面に沿って進展した転動疲労き裂を検出した場合は、当該車輪を取り替えることで対応していた。

なお、鉄道車両の車輪の破壊に関しては、出願人が特許文献１で、リム部の疲労破壊（シャッタードリム）の発生の防止に関する技術を提案しているが、本願で対象としている転動疲労き裂の進展抑制に関する提案は見当たらない。

特開２００３－４８４０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、特に重荷重貨車に発生する転動疲労き裂の進展方向を制御する技術は見当たらないという点である。

本発明は、特に重荷重貨車に発生する転動疲労き裂の車軸中心方向への進展を抑制する技術を提案することを目的としてなされたものである。

本発明は、鉄道車両の車輪のリム部に転動疲労き裂が存在する際に、前記転動疲労き裂の車軸中心方向への進展を抑制するために、少なくとも、以下の１）～３）の何れかとすることを最も主要な特徴としている。

１）車輪のリム部とレールの、車軸方向における接触位置が、前記転動疲労き裂の反フランジ側の先端近傍に、或いは前記先端よりも反フランジ側に存在するようにする。
２）車輪のリム部とレールの、車軸方向における接触位置が、前記転動疲労き裂の反フランジ側の先端よりフランジ側の、転動疲労き裂の車軸方向長さに応じた適数距離だけ離れた範囲内に存在するようにする。
３）車輪を形成する素材の応力比－１におけるモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithを、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthよりも大きくする。

上記本発明方法を実施することによって、車輪のリム部に存在する転動疲労き裂が、車軸中心方向に進展方向を変えることを抑制することができる。

本発明では、車輪のリム部に存在する転動疲労き裂が、車軸中心方向に進展方向を変えることを抑制することができるので、特に重荷重貨車の車輪が破壊するのを回避できて、高い耐久性を確保することができる。

発明者らが検討した有限要素法の解析モデルを説明する図で、（ａ）は検討した車輪の斜視図、（ｂ）は検討した車輪の外周部の要素分割図及び転動疲労き裂の導入位置を示した図、（ｃ）～（ｅ）は前記位置に導入した楕円形の転動疲労き裂の要素分割図で、（ｃ）は車輪の円周方向長さとなる長径が１０mm、車輪の車軸方向長さとなる短径が５mmのもの、（ｃ）は同じく長径が３０mm、短径が１５mmのもの、（ｄ）は同じく長径が７６mm、短径が３８mmのものである。発明者らが検討した有限要素法の解析条件を説明する図で、（ａ）はヘルツ接触に相当する分布荷重（輪重３２トン）を負荷した車輪とレールの接触部を示した図、（ｂ）は前記接触部と前記転動疲労き裂との相対位置を説明する図、（ｃ）は前記接触部に負荷したヘルツ応力（１９２５MPa）の図である。有限要素法により転動疲労き裂の進展方向を破壊力学的に評価した際の一例を示した図で、（ａ）は転動疲労き裂が垂直方向に変形するモードIの説明図、（ｂ）は転動疲労き裂が面内にせん断変形するモードIIの説明図、（ｃ）は転動疲労き裂が面外にせん断変形するモードIIIの説明図、（ｄ）は表１に示す条件６の場合のモードI～IIIの応力拡大係数と転動疲労き裂の反フランジ側先端の転動方向への移動距離の関係を示した図、（ｅ）は車輪のリム部に作用する面圧分布と転動疲労き裂の反フランジ側の先端である評価位置を説明する図である。数式１中の転動疲労き裂の進展角度φ₀を説明する図である。図３（ｅ）と同様の図に開口型とせん断型の等価応力によるそれぞれの転動疲労き裂の進展方向を示した図である。図１（ｃ）～（ｅ）に示した転動疲労き裂の反フランジ側の先端位置に対する車輪とレールの接触部の車軸方向中心位置が、転動疲労き裂の進展角度に与える影響を示した図である。図１（ｃ）～（ｅ）に示した転動疲労き裂の反フランジ側の先端位置に対する車輪とレールの接触部の車軸方向中心位置が、開口型とせん断型の等価応力拡大係数ΔK_eqとき裂進展下限界値ΔK_thとの比ΔK_eq／ΔK_thに与える影響を示した図で、（ａ）は図１（ｃ）に示した転動疲労き裂の場合、（ｂ）は図１（ｄ）に示した転動疲労き裂の場合、（ｃ）は図１（ｅ）に示した転動疲労き裂の場合である。（ａ）、（ｂ）は、発明者らが検討した有限要素法の解析結果により推定される転動疲労き裂の進展状態を順に示した図である。（ａ）、（ｂ）は、車輪のリム部に発生する転動疲労き裂の進展状態を順に示した図である。

本発明は、特に重荷重貨車に発生する転動疲労き裂が、車軸中心方向に進展方向を変えることを抑制して、車輪が破壊するのを防止する技術を提案することを目的とするものである。

そして、前記目的を、例えば、車輪のリム部とレールの、車軸方向における接触位置が、転動疲労き裂の反フランジ側の先端近傍に、或いは前記先端よりも反フランジ側に存在するようにすることで実現した。

先ず、発明者らが鉄道車両の車輪のリム部に発生する転動疲労き裂の進展について検討した結果を説明する。

発明者らは、使用中の車輪を超音波探傷検査し、車輪のリム部に発生する転動疲労き裂の発生状況を評価した。その結果、車輪のリム部に発生する転動疲労き裂の深さ位置は、車輪のリム部に発生するせん断応力が最大となる位置と対応していることが判明した。

前記超音波探傷検査による結果から、発明者らは、図１（ａ）に示す形状の鉄道車輪１のリム部１ａ及びフランジ１ｂの外周部を、図１（ｂ）で示すように要素分割した。そして、車輪１の反フランジ側であるリム部１ａの端面１ａａから５６mmの、表面から深さ３mmの位置に、図１（ｃ）～（ｅ）に示すように要素分割した長短径比が２の楕円の転動疲労き裂３を導入したモデルを用いて解析した。

解析に際しては、ヘルツ接触に相当する、図２（ｃ）に示す分布荷重（輪重３２トン、ヘルツ応力１９２５MPa）を、図２（ａ）に示した車輪１とレールの接触部（車軸方向長さは７．４mm、車輪の円周方向長さは１０．７mm）４に負荷した。そして、前記分布荷重を負荷した前記接触部４の位置に対し、図１（ｃ）～（ｅ）に示す転動疲労き裂３を、円周方向位置は同じで、車軸方向位置を下記表１に示す位置として解析した（図２（ｂ）参照）。

表１の条件６の場合の、転動疲労き裂の反フランジ側の先端の転動方向への移動距離と、モードI（図３（ａ））、モードII（図３（ｂ））、モードIII（図３（ｃ））の各応力拡大係数K_I、K_II、K_IIIの関係を図３（ｄ）に示す。

図３（ｄ）の転動疲労き裂の反フランジ側の先端の転動方向への移動距離とは、図２（ｃ）に示す分布荷重を、図２（ａ）に示した車輪１とレールの接触部４に負荷した場合に、転動疲労き裂３の反フランジ側の先端（評価位置）３ｂが転動方向に移動する距離をいう。なお、図３（ｅ）中の５は車輪１とレールの接触部に負荷した分布荷重の面圧分布を示す。

前記転動疲労き裂３は、図３（ｄ）に示すモードIとモードIIとモードIIIの混合モードで進展する。発明者らは、この混合モードの応力拡大係数を、下記数式１で示す開口型と、下記数式２で示すせん断型の等価応力拡大係数K_o,eq、K_s,eqで評価した。なお、下記数式１中のφ₀は図４に示す、転動疲労き裂の進展角度である。

転動疲労き裂３がせん断型で進展する場合は、図５に示すように、転動疲労き裂３はリム部１ａに沿って進展する一方、転動疲労き裂３が開口型で進展する場合は、転動疲労き裂３は車軸中心方向または表面方向に進展する。このことから、転動疲労き裂３に作用する荷重の負荷条件によっては、転動疲労き裂３が車軸中心方向に進展する可能性があることが判明した。

また、転動疲労き裂の車軸方向長さが５mmの表１の条件１～４と、同じく１５mmの表１の条件５～８と、同じく３８mmの表１の条件９～１２の場合における、転動疲労き裂３の進展角度を図６に示す。図６における横軸は、車輪１とレール２の接触部４の軸方向中心位置が転動疲労き裂３の反フランジ側の先端３ｂより反フランジ側を＋、転動疲労き裂３の反フランジ側の先端３ｂよりフランジ側を－としている。

図６より、前記接触部４の軸方向中心位置が転動疲労き裂３の反フランジ側の先端３ｂの近傍、或いは前記先端３ｂよりも反フランジ側に位置する場合には、転動疲労き裂３はリム部１ａの表面側に進展することが判明した。この場合、仮に破損してもリム部１ａの表面が欠けるだけで、大きな事故にはならない。

反対に、前記接触部４の軸方向中心位置が転動疲労き裂３の反フランジ側の先端３ｂよりもフランジ側に位置する場合には、転動疲労き裂３の車軸方向長さの大きさに拘わらず、転動疲労き裂３は車軸中心方向に進展することが判明した。

以上の結果より、車輪の車軸方向における車輪のリム部とレールの接触位置が、転動疲労き裂の反フランジ側の先端近傍、或いは前記先端よりも反フランジ側に存在するようにすれば、転動疲労き裂が車輪の破損に繋がる車軸中心方向に進展することがないことが判明した。

前記範囲は車輪の幅が１２５～１４５mmであることを考えれば、車輪の車軸方向における車輪のリム部とレールの接触位置が、リム部の端面から４８～５８mmの範囲となる。

また、開口型とせん断型における等価応力拡大係数ΔK_eqと下限界応力拡大係数ΔK_thの比ΔK_eq／ΔK_thと、転動疲労き裂の反フランジ側の先端位置に対する車輪とレールの接触部の車軸方向中心位置との関係を図７に示す。図７（ａ）は転動疲労き裂の車軸方向長さが５mmの表１の条件１～３の場合、図７（ｂ）は同じく１５mmの表１の条件５～７の場合、図７（ｃ）は同じく３８mmの表１の条件９～１２の場合を示す。

ところで、車軸方向へ進展した転動疲労き裂の車軸中心方向への進展しやすさは、車輪のリム部の応力状態と、車輪を形成する素材のき裂進展下限界値ΔK_thに依存することが判っている。

そして、前記ΔK_eq／ΔK_thが１以上になると転動疲労き裂が進展する一方、１未満の場合は転動疲労き裂の進展が停留し、次の場合に転動疲労き裂が車軸中心方向に進展する（転動疲労き裂の進展角度が－になる）。

開口型の等価応力拡大係数ΔK_o,eqと下限界応力拡大係数ΔK_Ithの比ΔK_o,eq／ΔK_Ithが１より大きく、せん断型の等価応力拡大係数ΔK_s,eqと下限界応力拡大係数ΔK_IIthの比ΔK_s,eq／ΔK_IIthより大きい場合。

図７から、前記条件に該当しない、レールと車輪の接触部に対する転動疲労き裂の接触位置を調べると、図７（ａ）に示す表１の条件１～３の場合は、車輪のリム部とレールの接触部の車軸方向中心位置が、転動疲労き裂の反フランジ側の先端よりフランジ側へ２．５～３．５mmの範囲が該当する。

また、図７（ｂ）に示す表１の条件５～７の場合は、同様に車輪のリム部とレールの接触部の車軸方向中心位置が、転動疲労き裂の反フランジ側の先端よりフランジ側へ１．５～５mmの範囲が該当する。

また、図７（ｃ）に示す表１の条件９～１２の場合は、同様に車輪のリム部とレールの接触部の車軸方向中心位置が、転動疲労き裂の反フランジ側の先端よりフランジ側へ１～１０mmの範囲が該当する。

これらの前記条件に該当しない範囲は、図７（ａ）～（ｃ）では、ΔK_s,eq／ΔK_IIthがΔK_o,eq／ΔK_Ithより大きい場合である。この条件は、車輪を形成する素材のモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithが、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthとほぼ同等の素材で車輪を製造することによって達成できる。

一方、素材のモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithを、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthよりも大きくすれば、車輪とレールの接触位置によらず、常にΔK_s,eq／ΔK_IIthをΔK_o,eq／ΔK_Ithより大きくすることができ、転動疲労き裂の車軸中心方向への進展を抑制することができる。発明者らの検討結果によれば、特にΔK_Ith／K_IIthが１．６以上、より好ましくは２．２以上とするのが良いことが判明している。

車輪１とレールとの接触部で発生した転動疲労き裂は、図８（ａ）に示すように、車軸方向に進展する。

上記車軸方向に進展した転動疲労き裂３を検出した場合、例えば上記本発明方法で規定した範囲内にレールとの接触部が位置するように、リム部を加工することにより、前記転動疲労き裂３は、図８（ｂ）に示すような、車軸中心方向に進展することがなくなる。

或いは、車輪を形成する素材のモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithが、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthよりも大きい素材で製造した車輪を使用することで、前記転動疲労き裂３は、図８（ｂ）に示すような、車軸中心方向に進展することがなくなる。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１車輪
１ａリム部
１ｂフランジ
２レール
３転動疲労き裂
３ｂ反フランジ側の先端
４車輪とレールの接触部

Claims

鉄道車両の車輪のリム部に転動による疲労き裂が存在する際に、前記転動疲労き裂の車軸中心方向への進展を抑制する方法であって、
少なくとも、以下の１）～３）の何れかとすることを特徴とする鉄道車両用車輪の転動による疲労き裂進展抑制方法。
１）車輪のリム部とレールの、車軸方向における接触位置が、前記転動疲労き裂の反フランジ側の先端近傍に、或いは前記先端よりも反フランジ側に存在するようにする。
２）車輪のリム部とレールの、車軸方向における接触位置が、前記転動疲労き裂の反フランジ側の先端よりフランジ側の、転動疲労き裂の車軸方向長さに応じた適数距離だけ離れた範囲内に存在するようにする。
３）車輪を形成する素材の応力比－１におけるモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithを、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthよりも大きくする。
前記３）は、車輪を形成する素材のモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithが、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthの１．６倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用車輪の転動による疲労き裂進展抑制方法。
前記３）は、車輪を形成する素材のモードIのき裂進展下限界値ΔK_Ithが、モードIIのき裂進展下限界値ΔK_IIthの２．２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用車輪の転動による疲労き裂進展抑制方法。
前記２）の適数距離だけ離れた範囲は、前記転動疲労き裂の車軸方向長さが５mmの場合は、２．５～３．５mm、前記転動疲労き裂の車軸方向長さが１５mmの場合は、１．５～５mm、前記転動疲労き裂の車軸方向長さが３８mmの場合は、１～１０mmであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用車輪の転動による疲労き裂進展抑制方法。