JPH0612323B2 - レ−ル・車輪疲労試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は鉄道車両用レールと車輪相互の疲労試験装置の
構成に関するものである。

（従来の技術及びその問題点） 車両走行時のレールと車輪間には、その転動に際して外
的要因による負荷変化及びすべり現象が発生し、これら
の長時間の繰り返しにより、ときにレールにシェリング
に至ることがあり、その解明が急がれている。

このような転動現象の解明を目的として、これまでに後
述するいくつかの試験機が試作されこの転動に際して発
生する現象の再現試験が行われてきた。

すなわち、転動疲労試験機、転がり摩耗試験機、粘着性
能試験機等である。しかし、目的が異なる研究を同一試
験機で行うことは機械の堅牢性と測定系に大きな相違が
あるため非常に難しく、従来は夫々の試験を別々の装置
を用いて行っていたのである。

以下これらの試験機について簡単に説明する。

(1) レーリの転動疲労に関係した試験装置 シェリングの再現を含むレールの転動疲労に関する従来
の試験装置の性能緒元を下記第１表に示す。Ａ、Ｂ、Ｃ
は二円筒接触型のモデル試験機、Ｄ、Ｅは実物疲労試験
機である。以下にそれぞれの試験機の特徴とレール・シ
ェリング解明上の問題点を述べる。

Ａ．高速転動疲労試験機 本機は高速転動条件を再現するために設計されたもので
主な結果と問題点は次のとおりである。

ｉ）水潤滑条件下で、シェリングと同じ転動疲労により
き裂が発生することを確認した。しかし無潤滑条件下で
は試験片の昇温が著しいため寿命試験は困難であった。

ii）水潤滑条件下では速度の向上とともにシェリング発
生寿命が短くなり６０km／ｈに対して１５０km／ｈでは
約１／２程度になる。このような速度効果は本機で初め
て明らかとなった。しかし、１５０km／ｈ以上の高速域
での試験は、試験片を実レールから採取するため試験片
直径が１６０mm以下と制限され軸の回転数が軸受の容量
を超えるため困難である。

iii）シェリングの発生に対してレール・車輪間のすべ
りが重要と考えられるが、本試験機は試験中に任意にす
べり率を変動させることができないすべり率固定方式で
ある。

iv）本試験機にはシェリング発生に関連している可能性
が大きいと考えられる輪重変動・蛇行動等の動的な因子
を付加する機能がない。

ｖ）横圧の付加とアタック角の設定ができないためゲー
ジ・コーナ・シェリングおよび曲線における摩耗のシミ
ュレートができない。

vi）在姿のまま転動面を研削することができないためレ
ール頭部の研削効果の検討ができない。

Ｂ．レール摩耗損傷試験機 レールの摩耗・損傷の再現を目的として任意に種々の相
互作用条件を与えて試験を行う二円筒接触型の試験機で
ある。レール・車輪プロフィールの１／５モデルの試験
片を用い、２モータ制御によってすべり率を任意に変化
させることができる。また、横圧の負荷、アタック角及
びカントの設定等が可能である。しかし、試験速度は最
高７５km／ｈと低速である。シェリングの再現について
の結果は公表されていないが、損傷防止の立場からレー
ル・車輪接触面形状の最適化の検討等を行っている。

Ｃ．車輪／レール接触モデル試験機 レールのきしみ割れの再現を考慮してフランジ付き車輪
とレールを回転接触させ横圧を負荷できるようにした。
きしみ割れの再現は可能であったが、これらの諸因子の
解明については報告されていない。

Ｄ．レール転動疲労試験機 車輪側試験片に直径９１０mmの円筒試験片、レール側試
験片に実物レールを用いる平面・円筒接触型の実物転動
疲労試験機である。試験速度は、列車速度換算1.0 km／
ｈと非常に低速であるが輪重は５００KNと比較的大き
い。試験速度が非常に遅いため実験時間が長いこと、及
び実物試験片であるためその取扱いおよび解析に時間が
かかること、などによる実験数が少なくシェリングの再
現には至っていない。また、車輪が往復運動をすること
も実条件と異なっている。

しかしながら、レール試験片頭部の幅方向に貫通孔を設
ければこれからき裂が発生することが明らかになった。
そのき裂の進展速度と落込み量に関する実験を耐シェリ
ング４鋼種（ＬＣ、ＭＣ、ＨＳ、ＤＨ）、ＨＨおよび普
通レールについて行ったところ、ＨＨおよびＤＨ鋼種が
他の鋼種よりも劣るという結果が得られた。また、予め
繰返し曲げ試験によりき裂を生じさせたものについて実
験を行ったところ、そのき裂はきしみ割れと同様のき裂
形態を呈することが明らかとなった。

Ｅ．レール高速試験機 レール・車輪の転動疲労問題を実験室的に可能な限りシ
ミュレートする目的で高速度試験を行う実物疲労試験機
である。その機構は、頭部を内側にして内径6.0 ｍに加
工した実物レールによる円形軌道上を実物車輪が最大２
６０km／ｈで走行するものである。

本試験機により普通炭素鋼レールを用いて実験を行った
結果、表面損傷の発生を確認した。一つは、ゲージ・コ
ーナ部に発生したき裂であり、実際のきしみ割れに類似
していた。いま一つは頭頂面中央部に発生したき裂であ
り、これは頭頂面に生じた厚い白色層を貫通していた。

(2) 車輪の転動疲労に関する試験装置 車輪の転動疲労に関する従来の試験装置は、下記第２表
に示すＦ、Ｇの試験装置である。車輪の転動接触疲労
は、レール・車輪間のころがり疲労よりもむしろ車輪・
ブレーキによるころがり−すべり接触が主に問題となっ
ている。

Ｆ．小型剥離試験機 車輪の剥離現象は、主にブレーキとのかかわりが強く車
輪滑走によって生じるフラットが大きく関与している。
そこで、本試験機はころがり−すべり接触によるき裂発
生機構の解明を目的として試験機にブレーキ装置を組込
み車輪の滑走−再粘着を発生させるものである。

フラットから剥離を起こす実験としては、フラット箇所
に見られる白色層からのき裂発生の再現をねらった。ま
ずすべりによっていったる白色層を発生させ、これに継
続してすべりを繰返し与えると白色層に熱き裂が発生す
ることが判明した。次に白色層内の熱き裂発生は、転動
により疲労き裂へと進展したが白色層に新たな疲労き裂
が発生することは極めて稀であった。

Ｇ．大形接触剥離試験機 上記の小型剥離試験機Ｆと同様にころがり−すべり接触
疲労によるき裂発生機構の解明を目的とした試験装置で
ある。本試験装置は、大形試験片を用いて大荷重を負荷
できること、また小さな接線力がころがり−すべり接触
疲労強度をおよぼす影響が大きいことを考慮して、精密
にトルクの制御を行う試験ができることが特徴である。

実車輪にみめられるものと類似の損傷が発生したことが
報告されている。

(3) レール・車輪間の摩耗・粘着に関する性能試験装
置 レール車輪間の摩耗粘着に関する試験装置を上記第２表
のＨ〜Ｋに示す。

Ｈ．高速回転接触試験機 レール・車輪間の粘着特性に関する試験機で、特に高速
域での微小すべり領域における粘着特性の検討に用いら
れる。

Ｉ．クリープ力試験機 車両の動的運動特性の解析のためレール・車輪間のクリ
ープ力を測定する装置で特に高速域での動的なクリープ
力の測定を行う装置である。

Ｊ．西原式摩耗試験機 レール・車輪に限らず摩耗に対する材料の評価を行う二
円筒接触型の小型試験機である。

Ｋ．金属腐食摩耗試験機 金属表面に生成する腐食生成物による粘着特性を検討す
る試験装置である。

しかしながら、上記した従来の試験装置を使用して試験
を行っても、レール・シェリングに関していまだ発生機
構は十分解明されずその対策も確立されていないのが実
情である。

本発明はかかる問題点を解決できるレール・車輪の疲労
試験装置を提供せんとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、回転自在に支承された試験輪と、該試験輪を
軸方向に移動させて後述する車輪に横圧を負荷する横圧
負荷機構と、該横圧負荷機構による軸方向移動の吸収部
材及びフライホイールを介して直結された前記試験輪の
回動源を備えた試験輪装置部と、前記試験輪と相対する
位置に回転自在に支承された車輪と、該車輪を前記試験
輪側の半径方向に移動させる輪重負荷機構と、同じく車
輪を試験輪との接触点を中心として同一平面内において
所要角度回動せしめる接触角付与機構と、同じく車輪を
試験輪に対して軸と直交する方向に所要角度回動せしめ
るアタック角付与機構と、これら両機構による前記車輪
の変位を吸収する部材及びブレーキ機構を介して直結さ
れた車輪の回動源を備えた車輪装置部を具備して成るこ
とを要旨とするレール・車輪の疲労試験装置であり、よ
り具体的には前記試験輪及び車輪が実物と同一断面形状
を有したものである。

（作 用） 本発明は、回転自在に支承された試験輪と、該試験輪を
軸方向に移動させて後述する車輪に横圧を負荷する横圧
負荷機構と、該横圧負荷機構による軸方向移動の吸収部
材及びフライホイールを介して直結された前記試験輪の
回動源を備えた試験輪装置部と、前記試験輪と相対する
位置に回転自在に支承された車輪と、該車輪を前記試験
輪側の半径方向に移動させる輪重負荷機構と、同じく車
輪を試験輪との接触点を中心として同一平面内において
所要角度回動せしめる接触角付与機構と、同じく車輪を
試験輪に対して軸と直交する方向に所要角度回動せしめ
るアタック角付与機構と、これら両機構による前記車輪
の変位を吸収する部材及びブレーキ機構を介して直結さ
れた車輪の回動源を備えた車輪装置部を具備した構成で
あり、しかも前記試験輪及び車輪が実物と同一断面形状
を有している為、目的が異なる各種試験を一つの装置で
行える。

（実施例） 以下本発明を添付図面に示す一実施例に基づいて説明す
る。

図面において、１は試験輪であり実物のレールと同一の
断面形状を有している。そしてこの試験輪１は軸箱２、
３に内装されたベアリングによって回転自在に支承され
ていると共に、これら両軸箱２、３を一体的に取付けた
架台４毎例えば油圧サーボシリンダ装置５により軸方向
に移動できるように成されている。すなわち、横圧負荷
機構５０である。なお、図中６は前記架台４すなわち試
験輪１の軸方向移動を案内するレール、７は該レール６
にアリ嵌合するブロックである。

８は前記試験輪１を回動せしめるための例えば電動機等
の回動源であり、この回動源８と前記一方の軸箱２側の
試験輪軸間には回動源８側から順次クラッチ９、フライ
ホイール１０、前記軸方向移動の吸収部材であるボール
スプライン１１、ギアカップリング１２が介装されて、
試験輪１を安定して回動させると共に所要の回転数に制
御できるように構成されている。なお、図中１３は前記
フライホイール１０に取付けられたブレーキ機構であ
る。

すなわち、試験輪装置部１４はかかる構成とされている
のである。

次に、車輪装置部１５について説明する。

１６は前記試験輪１と相対する位置に配置せしめられた
車輪であり、この車輪１６も実物の車輪と同一の断面形
状を有している。そして、この車輪１６は前記試験輪装
置部１４と同様軸箱１７、１８に内装されたベアリング
によって回転自在に支承されている。

１９は前記両軸箱１７、１８によって回転自在に支承さ
れた車輪１６を軸と直交する方向に所要角度回動せしめ
るアタック角付与機構であり、下記の如き構成が採られ
ている。

すなわち、車輪１６を両軸箱１７、１８毎一体的に取付
ける架台２０に第２図に示す如く軸２１を突設してこの
軸２１をブッシュ２２を介してケーシング２３で回転自
在に支承すると共に、この軸２１の端面に取付けた突片
２４の上端に、第３図に示す如くねじ軸受２５を枢着し
てこのねじ軸受２５に螺合するねじ杆２６を例えばサイ
クロ減速機２７で所要量正逆回転させることにより車輪
１６にアタック角を付与する構成である。

また、前記ケーシング２３は架台２８上に敷設されたレ
ール２９上に載せられ、同じく架台２８上に敷設させて
そのロッドに連結された連結杆３０を介して前記軸２１
の端面に回転自在に設けられた油圧シリンダ装置３１に
よりレール２９上を移動する構成となっている。

すなわち、車輪１６が前記試験輪１側の半径方向に移動
するのである。

これが輪重負荷機構３２の構成である。

ところで、前記アタック角付与機構１９及び輪重負荷機
構３２を配設した架台２８は、基台３３上に一端を枢着
されたベッド３４上に敷設され、この枢支点Ｏを中心と
して所要角度回転できるように成されている。すなわ
ち、前記枢支点Ｏを車輪１６と試験輪１との接触点とす
ることで車輪１６に接触角を付与できるようになってい
るのである。これが接触角付与機構３５である。なお、
このベッド３４の回転は本実施例では人為的操作による
ものを示しており、回転量はベッド３４の他端側の基台
３３上に取付けた目盛板３６によるものを示している
（第４図参照）。

３７は前記車輪１６を回動せしめるための例えば電動機
等の回動源であり、この回動源３７と前記一方の軸受１
７側の車軸間には回動源３７側から順次ブレーキ装置３
８、トルクメータ３９、前記アタック角付与機構１９及
び輪重負荷機構３２並びに接触角付与機構３５による移
動の吸収部材であるユニバーサルジョイント４０、カッ
プリング４１が介設されている。また、車輪１６の他方
の軸箱１８側にはスリップリング４２が設置され、車輪
１６での輪重や横圧の実測値が検出できるように成され
ている。

４３及び４４は、前記アタック角付与機構１９、輪重負
荷機構３２及び接触角付与機構３５を配置した基台３３
と、前記回動源３７、ブレーキ装置３８を配設した基台
４５を夫々第１図における上下方向に移動させる平行移
動機構であり、夫々モータ４６の回動を歯車機構４７を
介してねじ軸４８を回動させ、前記夫々の基台３３及び
４５の裏面に設置されたナット部材４９により移動させ
るいわゆる親ねじ送り機構が採用されている。すなわ
ち、かかる構造により車輪１６の取替え時や研削、切削
時におけるスペースを確保できるのである。

なお、図示省略したが本発明にあっては上記各構成を適
正に制御するための電気制御盤や操作盤等が設けられて
いることは勿論である。

本発明に係るレール・車輪の疲労試験装置は上記した構
成であり、試験車両（レール相当）１と車輪１６を実線
路での両者の関係と同等に接触状態を再現できることと
なる。つまり、試験輪用と車輪用に夫々回動源８及び３
７を設けて個々に回転数制御を行うと共に、車輪側には
油圧サーボシリンダ装置３１を、また試験輪側には油圧
サーボシリンダ装置５を夫々設けて個々にその制御を行
うのである。また、クリープ領域でのトルクとすべり率
の関係を求めるときには、トルクメータ３９によって車
輪側の回動源３７をトルク制御する。更に、試験輪１と
車輪１６との間で曲線通過を模擬的に再現するときに
は、車輪１６に対しアタック角及び接触角を付与して行
うのである。

すなわち、かかる状態での試験を行うことにより、接線
力計数、荷重制御転動疲労、すべり率制御、転動疲労を
得ることができるのである。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、回転自在に支承された試
験輪と、該試験輪を軸方向に移動させて後述する車輪に
横圧を負荷する横圧負荷機構と、該横圧負荷機構による
軸方向移動の吸収部材及びフライホイールを介して直結
された前記試験輪の回動源を備えた試験輪装置部と、前
記試験輪と相対する位置に回転自在に支承された車輪
と、該車輪を前記試験輪側の半径方向に移動させる輪重
負荷機構と、同じく車輪を試験輪との接触点を中心とし
て同一平面内において所要角度回動せしめる接触角付与
機構と、同じく車輪を試験輪に対して軸と直交する方向
に所要角度回動せしめるアタック角付与機構と、これら
両機構による前記車輪の変位を吸収する部材及びブレー
キ機構を介して直結された車輪の回動源を備えた車輪装
置部を具備した構成であり、しかも前記試験輪及び車輪
が実物と同一断面形状を有している為、目的が異なる各
種試験を一つの装置で行え、よってレールシェリング発
生機構の解明が行える。

従って、本発明装置を採用すれば下記の対策検討が行え
ることとなりその効果は極めて大きい。

耐シェリング用鋼種の選定又は開発。

円弧踏面車輪等各種断面形状の車輪に対するレール
断面形状の最適化の検討。

各種曲線半径に対応したレール摩耗状況の再現によ
る摩耗対策の検討。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は全体の
平面図、第２図は車輪のアタック角付与機構と輪重負荷
機構の説明図、第３図は同じくアタック角付与機構の説
明図で第２図の矢視III−III図、第４図は車輪の接触角
付与機構の説明図で、（イ）は正面図、（ロ）は平面図
である。 １は試験輪、８は回動源、１０はフライホイール、１１
はボールスプライン、１４は試験輪装置部、１５は車輪
装置部、１６は車輪、１９はアタック角付与機構、３２
は輪重負荷機構、３５は接触角付与機構、３７は回動
源、３８はブレーキ機構、４０はユニバーサルジョイン
ト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鳥居 修 兵庫県神戸市東灘区住吉台41−１−405 (72)発明者 羽田野 四郎 大阪府交野市幾野１−６−５ (56)参考文献 特開 昭58−53736（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転自在に支承された試験輪と、該試験輪
   を軸方向に移動させて後述する車輪に横圧を負荷する横
   圧負荷機構と、該横圧負荷機構による軸方向移動の吸収
   部材及びフライホイールを介して直結された前記試験輪
   の回動源を備えた試験輪装置部と、前記試験輪と相対す
   る位置に回転自在に支承された車輪と、該車輪を前記試
   験輪側の半径方向に移動させる輪重負荷機構と、同じく
   車輪を試験輪との接触点を中心として同一平面内におい
   て所要角度回動せしめる接触角付与機構と、同じく車輪
   を試験輪に対して軸と直交する方向に所要角度回動せし
   めるアタック角付与機構と、これら両機構による前記車
   輪の変位を吸収する部材及びブレーキ機構を介して直結
   された車輪の回動源を備えた車輪装置部を具備して成る
   ことを特徴とするレール・車輪疲労試験装置。
2. 【請求項２】前記試験輪及び車輪が実物と同一断面形状
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   レール・車輪疲労試験装置。