JP4448899B2 - 横圧測定方法及び鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車輪とレール間に作用する横圧を台車側から簡易に測定する方法及びこの測定方法を実施する鉄道車両用台車に関するものである。

新たな車両の製造時や鉄道新線の建設時には、その安全性を確認する必要がある。また、車輪とレール間に作用する力の状態は、その摩擦係数や軌道の状態の変化等により、新車製造時や新線開業時と異なり経時的に変化する。このため、営業線でもその安全性を確認する必要がある。

鉄道車両の走行安全性は脱線係数により評価されているが、その脱線係数は、車輪とレール間に作用する水平方向（車軸に沿う方向）の力（横圧）をＱ、車輪とレール間に作用する垂直方向の力（輪重）をＰとした場合、Ｑ／Ｐで表されることから、横圧Ｑと輪重Ｐを計測することにより求めることができる。

従って、前述の安全性を評価するために、車両から輪重や横圧の計測を行っている。しかしながら、これらの輪重や横圧の計測には、特殊な輪軸（ＰＱ輪軸）が必要で、簡単には計測することができない。
運輸省鉄道局監修、鉄道総合技術研究所編「在来鉄道運転速度向上試験マニュアル・解説」財団法人鉄道総合技術研究所、平成５年５月１０日、ｐ６７〜７６ 「つうしん」住友金属テクノロジー株式会社、２００２年４月１日、２００２年春号ＮＯ．３５

すなわち、ＰＱ輪軸を用いた計測は、車輪にひずみゲージを貼り付けて車輪の変形ひずみを計測することで、車輪に作用する輪重や横圧を計測するものである。そして、このために板部が真っ直ぐなＣ種一体圧延車輪を製造し、その車輪の板部に孔を開けてその孔の中にひずみゲージを貼り付け、車輪がレールと接触することで、前記孔が楕円変形したときの変形量を捕らえて車輪に作用する垂直方向の力を計測する。また、車輪に作用する横圧は、横圧よって曲げ変形する車輪の板部の変形量を、車輪の板部に貼り付けたひずみゲージによって捕らえることで計測する。

しかしながら、前述の従来方法では、回転する輪軸から非回転系に信号を取り出す必要があるために車軸に孔をあけて測定配線を貫通させている。ところが、営業線では、このように車軸に孔を貫通させて車両を走らせることは、それに特別な機能を付加し強度計算もなされている車軸（中ぐり車軸）以外では疲労強度を確保できない。

また、回転する輪軸から非回転系に信号を取り出すためにスリップリングを用いる必要があるが、このスリップリングは消耗品であり、スリップリングが摩耗した場合には計測不可能となる。これとは別にＦＭテレメータ方式があるが、この方法では、車軸にセンサーからの信号を無線送信するテレメータ送信部を取り付ける必要があり、送信のための電力供給源が必要となる。

以上の理由から、前述の従来方法では、営業線で、長期間に亘って車両から軌道の状況変化に関わる安全性を診断することができなかった。このため、営業線でのこれらの力を簡易に測定し、特に軌道の状態を観察し、車両からその安全性を診断することが望まれている。

これとは別にヨーロッパでは、車軸の曲げ応力を計測し、車輪に作用する輪重と横圧を計測する方法があるが、この方法でも前述の従来方法と同様、回転系の信号を非回転系に取り出すためのスリップリングやＦＭテレメータが必要であり、営業線では長期に亘って使用することができない。

また、ひずみゲージを用いた計測では、車輪の板部に貼り付けられる横圧検出用のひずみゲージは、接着剤で接着されているために長期的な使用ができず、また、特に制動時の熱影響等によってひずみゲージ出力に熱影響が現れ、営業線で長期的に使用することは不可能であるという基本的な問題がある。

本発明が解決しようとする問題点は、従来のＰＱ輪軸を使用する横圧の計測では、回転系から非回転系へ信号を取り出すためにスリップリングやＦＭテレメータを使用するので、営業線で長期間に亘って横圧を測定することが不可能であるという点である。

そこで、本発明に係る横圧測定方法は、
走行時における車輪に作用する横圧の計測を、営業線で長期間に亘って可能とするために、
たとえば軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材の、車輪のボス部と対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置に非接触変位計を配置し、
走行中、前記非接触変位計にて車輪のボス部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、
この計測した車輪のリム部または板部の変位量から、車輪のボス部の変位量を減算して車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から、横圧を求めることを最も主要な特徴としている。

すなわち、横圧が作用した時の車輪板部の変形量を、板部に貼り付けたひずみゲージのひずみ量で検出する従来法に対して、本発明に係る横圧測定方法では、軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材に配置した非接触変位計により検出するので、回転する輪軸から非回転系に信号を取り出す必要がない。

前記の本発明において、軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材とは、軸受を介して直接支持するものに限らず、非接触変位計の取付け座のように直接支持する部材（部品）に何らかの方法で結合された部材を含む。なお、非接触変位計とは、非接触にて変位量を計測できるものであればどのようなものでも良いが、渦電流式変位計、レーザ変位計、超音波変位計などが用いられる。

ところで、横圧が作用した時に車輪の板部に発生する変形量は非常に微少なものであることから、軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材に取付ける非接触変位計の位置は綿密に決定する必要がある。たとえば横圧以外の力が作用した時に変形する位置に非接触変位計を取付けた場合には、横圧のみによる車輪板部の変形を正確に捕らえることができなくなるからである。

また、横圧が作用した時に車輪の板部に発生する変形量のみを捕らえることができる測定位置であったとしても、横圧によってそれ以外の変位を伴う場合にはその影響を取り除く必要がある。このため、非接触変位計の取付け位置は、十分に実験した結果最適な位置を決定し、横圧と非接触変位計の測定値には横圧以外の荷重による影響が無いか、もしくは非常に小さいことを事前に実験等で確認しておく必要がある。

前記の本発明に係る横圧測定方法は、軸受を介して輪軸を回転自在に支持する部材の、車輪のボス部と対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置に非接触変位計を配置し、前記非接触変位計にて、走行中の車輪のボス部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、この計測した車輪のリム部または板部の変位量から、車輪のボス部の変位量を減算して車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から横圧を求めるようにした本発明に係る鉄道車両用台車を用いて実施する。

本発明は、回転する輪軸から計測信号を取り出すのではなく、軸受を介して輪軸を回転自在に支持する部材に取付けた非接触変位計から信号を取り出すので、スリップリングやＦＭテレメータを用いることなく、車輪に発生する横圧の計測が、営業線で簡易にしかも長期間に亘って可能になるという利点がある。

また、車輪や車軸に計測用のリード線を這わすための孔をあける必要が無く、車輪や車軸の強度についても従来の輪軸と同様に確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を，図１〜図３を用いて説明する。
本発明に係る横圧測定方法は、たとえば図１に示したように、軸受１を介して回転自在に輪軸を支持する部材、たとえば軸箱２に、変位計取付け座７を介して非接触変位計３を配置した本発明に係る鉄道車両用台車の走行中に、たとえばＣ種一体圧延車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量を計測するのである。

前記軸受１を介して回転自在に輪軸を支持する部材は、基本的に車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量が直接測定できる部位であれば、前記軸箱２に限らず、歯車箱などの駆動装置部でも良いことは言うまでもない。また、車輪４のリム部４ａ、板部４ｂ以外の変形の影響を受けても、計測上、その影響を取り除くことが困難でなければ、そのような部材に取付けても良い。

しかしながら、軸箱２であっても、台車の構造（輪軸を軸箱２で固定する方法）から輪軸そのものがスラスト方向に移動する場合がある。したがって、本発明では、前記非接触変位計３で車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変位量を計測する一方、軸箱２に変位計取付け座８を介して取付けたもう１台の非接触変位計５で車輪４のボス部４ｃの変位を計測し、その差から横圧に相当する車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂそのものの変形量を演算する。

すなわち、車軸がスラスト方向に移動すると、車輪４のボス部４ｃやリム部４ａも共に同じスラスト方向に移動することを考慮し、ボス部４ｃで測定した変位量δ2をリム部４ａの変位量δ3から減算する（δ3−δ2）ことで対応する（図２参照）。

また、さらに軸箱２が車輪４に対して傾く場合もあるが、このような場合には、軸箱２の傾きを補正するために、車軸に対して前記非接触変位計５と対称の位置に非接触変位計６をもう１台取付け、これら２台の非接触変位計５，６で軸箱２の傾きと軸箱２のスラスト量を同時に補正すれば良い。

以下、これら２台の非接触変位計５，６で計測したボス部４ｃの変位量δ1，δ2と、１台の非接触変位計３で計測したリム部４ａの変位量δ3を用いて、軸箱２の傾きと軸箱２のスラスト量を同時に補正する場合を、図２を参照しつつ説明する。

すなわち、前記スラスト方向の移動量の補正値δ4は、ボス部４ｃの上部と下部での傾きを考慮し、ボス部４ｃの上部と下部の変位量δ1，δ2の平均値（車軸中心における変位）を適用して、δ4＝δ3−（δ1＋δ2）／２とすれば良い。

一方、軸箱２の傾き量は、ｔａｎθ＝（δ1−δ2）／Ａで求められることから、この軸箱２の傾きによりリム部４ａに発生する変位δ5は、δ5＝Ｂ・ｔａｎθ＝（Ｂ／Ａ）（δ1−δ2）となる。

よって、軸箱２の傾きによる補正量は、Ｂ／Ａとなり、ここで、たとえばＢ＝４３０ｍｍ、Ａ＝２２５ｍｍとした場合、傾きの補正量は１．９となるから、前記リム部４ａに発生する変位δ5は、δ5＝１．９×（δ1−δ2）となる。

これにより、横圧により発生する軸箱２と車輪４のリム部４ａ間の変位δは、前記のスラスト方向の補正も考慮して、δ＝δ4＋δ5＝δ3−（δ1＋δ2）／２＋（Ｂ／Ａ）（δ1−δ2）となる。

本発明に係る横圧測定方法では、前述のようにして測定した車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量と横圧の関係は、事前に校正をとっておく必要がある。その方法として横圧を付加しながら、横圧荷重と車輪４の変形量の関係を予め求めておく。

或いは、車輪４の板部４ｂに横圧検出用のひずみゲージを貼り付け、予め横圧検定を実施しておき、営業線にて横圧測定と同時に車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量を測定する。

これにより、横圧と車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量の関係を校正する。そして、実際の営業線での測定は、車輪４のリム部４ａ又は板部４ｂの変形量のみを計測し、これらの校正を用いて横圧に換算する。

図１の例では、車輪４のリム部４ａの変形量を計測するものについて説明したが、図３のように、車輪４の板部４ｂの変形量を計測しても良い。また、車輪４のリム部４ａと板部４ｂの両方の変形量を計測してその平均をとっても良い。

本発明の方法により、横圧が測定できるかどうかの検証を、特公平３−７１６５５号の台車試験機を用いて実施した。検証に用いた台車試験機は、実体台車を用いて、曲線走行を模擬できる試験装置であり、曲線では横圧が発生するため、種々の曲線半径にて横圧と本発明による車輪リム部の変位計測の結果を比較した。

図４は、４０ｋＮの横圧荷重を付加した状態で、２０ｋｍ／ｈの速度で曲線半径が２００ｍの曲線を走行した場合の、ＰＱ輪軸で測定した横圧波形（（ａ）図）と、本発明方法で測定した結果（（ｂ）図）を示したものであるが、本発明方法は曲線での横圧波形が十分に再現されていることがわかる。

また、図５では曲線半径を変化させて、軸箱と車輪間の変位量と、ＰＱ輪軸を用いて測定した横圧との関係を示したものであるが、両者には線形関係が認められ、本発明の測定方法で横圧が測定できることが確認された。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の本発明は、鉄道車両の車輪に作用する横圧測定に限らず、他の車両の横圧測定にも適用できる。

本発明方法を実施する本発明鉄道車両用台車の非接触変位計取付け部の第１の例を説明する図で、（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は側面から見た図である。 本発明方法において、軸箱の傾きと軸箱のスラスト量を同時に補正する場合の説明図である。 図１と同様の第２の例を示した図である。 曲線半径が２００ｍの曲線を走行した場合の横圧波形を示した図で、（ａ）はＰＱ輪軸で測定した横圧波形、（ｂ）は本発明方法で測定した横圧波形を示した図である。 曲線半径を変化させて、軸箱と車輪間の変位量と、ＰＱ輪軸を用いて測定した横圧との関係を示した図である。

符号の説明

１ 軸受
２ 軸箱
３，５，６ 非接触変位計
４ 車輪
４ａ リム部
４ｂ 板部
７，８ 変位計取付け座

Claims (5)

1. 鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法であって、
   軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材の、車輪のボス部と対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置に非接触変位計を配置し、
   走行中、前記非接触変位計にて車輪のボス部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、
   この計測した車輪のリム部または板部の変位量から、車輪のボス部の変位量を減算して車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から、横圧を求めることを特徴とする横圧測定方法。
2. 軸受を介して輪軸を回転自在に支持する部材の、車輪のボス部と対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置に非接触変位計を配置し、
   前記非接触変位計にて、走行中の車輪のボス部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、この計測した車輪のリム部または板部の変位量から、車輪のボス部の変位量を減算して車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から横圧を求めるようにしたことを特徴とする鉄道車両用台車。
3. 鉄道車両の車輪に発生する横圧を測定する方法であって、
   軸受を介して回転自在に輪軸を支持する部材の、車輪のボス部の上部と下部に対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置にそれぞれ非接触変位計を配置し、
   走行中、前記非接触変位計にて車輪のボス部の上部と下部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、
   この計測した車輪のボス部の上部と下部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量から、輪軸を支持する部材の傾きの補正を加えた、車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から、横圧を求めることを特徴とする横圧測定方法。
4. 軸受を介して輪軸を回転自在に支持する部材の、車輪のボス部の上部と下部に対向する位置、および車輪のリム部または板部と対向する位置に、それぞれ非接触変位計を配置し、
   前記非接触変位計にて、走行中の車輪のボス部の上部と下部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量を計測し、この計測した車輪のボス部の上部と下部の変位量、および車輪のリム部または板部の変位量から、輪軸を支持する部材の傾きの補正を加えた、車輪リム部または板部そのものの変位量を求め、予め求めてある車輪のリム部または板部の変位量と横圧との換算値から横圧を求めるようにしたことを特徴とする鉄道車両用台車。
5. 非接触変位計が配置される、前記軸受を介して輪軸を回転自在に支持する部材が、軸箱または歯車箱であることを特徴とする請求項２又は４に記載の鉄道車両用台車。

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