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技術 鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力、輪重の測定方法及び車軸ねじり測定方法

出願人 住友金属工業株式会社
発明者 下川嘉之佐藤與志岡野真行
出願日 2007年5月11日 (14年5ヶ月経過) 出願番号 2007-127303
公開日 2008年10月2日 (13年0ヶ月経過) 公開番号 2008-233062
状態 特許登録済
技術分野 特殊目的重量測定 特定の目的に適した力の測定 機関車 鉄道車両の補助装置
主要キーワード 位置連続 荷重負荷位置 ゲージブリッジ 歪みゲージ出力 歪み出力 ウイング式 歪み変化 FEM解析モデル
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この項目の情報は公開日時点(2008年10月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (16)

課題

接線力を測定するための歪みゲージブリッジを新たに設けることなく、車輪レール間に作用する接線力を精度良く測定する。

解決手段

PQ輪軸を用いて鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力を測定する方法である。車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定する。これらの歪みと、輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して予め決定しておいた、接線力を求める際に使用する配置位置の歪みゲージの歪みと接線力との関係から、走行中のPQ輪軸に作用する接線力を求める。

効果

測定点数を増加させず、既存の輪重測定用の歪みゲージ出力から、曲線通過性能向上、高速走行性能向上、加速減速性能向上のために必要な接線力を走行中に実測できる。

概要

背景

車輪車軸が一体の輪軸を備えた台車では、曲線区間を通過する際に、後軸の車輪とレール間に作用する接線力は、台車をヨー方向に回転する力が発生して先頭軸外軌側横圧を増加させる方向に作用する。
「後軸に独立車輪を用いた非対称台車の運動性能に関する基礎研究」技術誌住友金属 Vol.50 No.3(1998)、p4〜8

前記横圧が増加すると、曲線区間を通過する際に脱線しやすくなるので、鉄道車両とレール間に作用する荷重のうち、前記接線力を測定することは、鉄道車両の曲線通過性能を向上するうえで大変有用である。

この接線力の測定において、モノリンク式軸箱支持装置を備えた台車では、たとえば特許文献1で開示されているように、軸箱台車間前後荷重を測定することによって容易に求めることができる。
特開2006−188208号公報

概要

接線力を測定するための歪みゲージブリッジを新たに設けることなく、車輪とレール間に作用する接線力を精度良く測定する。PQ輪軸を用いて鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力を測定する方法である。車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定する。これらの歪みと、輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して予め決定しておいた、接線力を求める際に使用する配置位置の歪みゲージの歪みと接線力との関係から、走行中のPQ輪軸に作用する接線力を求める。測定点数を増加させず、既存の輪重測定用の歪みゲージ出力から、曲線通過性能向上、高速走行性能向上、加速減速性能向上のために必要な接線力を走行中に実測できる。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

PQ輪軸を用いてレール車輪間のレール方向の接線力を測定する方法であって、車輪半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、これらの歪みと、予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、走行中のPQ輪軸に作用する接線力を求めることを特徴とする鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法

請求項2

前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、前記輪重測定用歪みゲージを用い、PQ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、PQ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。

請求項3

前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、前記PQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、またはPQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかであることを特徴とする請求項2に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。

請求項4

前記PQ輪軸におけるブリッジ結線連続法によるものである場合、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、車輪の荷重点を0°(360°)とした場合に、90°〜135°の間、または270°〜315°の間に配置されたものであることを特徴とする請求項3に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。

請求項5

前記PQ輪軸におけるブリッジ結線が新連続法によるものである場合、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、車輪の荷重点を0°(360°)とした場合に、135°〜180°の間、または315°〜360°の間に配置されたものであることを特徴とする請求項3に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。

請求項6

前記PQ輪軸におけるブリッジ結線が間欠法によるものである場合、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、車輪の荷重点を0°(360°)とした場合に、90°又は270°に配置されたものであることを特徴とする請求項3に記載の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法。

請求項7

請求項1〜6の何れかに記載の方法で測定した接線力を用い、PQ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することを特徴とする鉄道車両の輪重測定方法

請求項8

請求項1〜6の何れかに記載の方法で測定した接線力を用い、PQ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを特徴とする鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法。

技術分野

0001

本発明は、車輪レール間に作用する前後方向の荷重すなわち接線力、及び輪重、並びに鉄道車両用輪軸車軸ねじりを、鉄道車両走行中に測定する方法に関するものである。

背景技術

0002

車輪と車軸が一体の輪軸を備えた台車では、曲線区間を通過する際に、後軸の車輪とレール間に作用する接線力は、台車をヨー方向に回転する力が発生して先頭軸外軌側横圧を増加させる方向に作用する。
「後軸に独立車輪を用いた非対称台車の運動性能に関する基礎研究」技術誌住友金属 Vol.50 No.3(1998)、p4〜8

0003

前記横圧が増加すると、曲線区間を通過する際に脱線しやすくなるので、鉄道車両とレール間に作用する荷重のうち、前記接線力を測定することは、鉄道車両の曲線通過性能を向上するうえで大変有用である。

0004

この接線力の測定において、モノリンク式軸箱支持装置を備えた台車では、たとえば特許文献1で開示されているように、軸箱台車間前後荷重を測定することによって容易に求めることができる。
特開2006−188208号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、例えば軸はり式軸箱支持装置を備えた台車の場合、軸はり部には台車と軸箱の前後荷重と左右荷重の両方が作用するので、軸はりと台車間の前後荷重を正確に測定することは困難である。

0006

また、ウイング式軸箱支持装置を備えた台車や、支持板式軸箱支持装置を備えた台車の場合も同様に、軸箱と台車間の前後荷重を正確に測定することは困難である。

0007

一方、鉄道車両では、横圧/輪重(Q/P)を脱線係数と定義し、この脱線係数を用いて車両の脱線に対する安全性を評価している。この脱線係数は、通常、PQ輪軸を用いて、走行中の車輪の歪みから車輪とレール間に作用する輪重と横圧を測定して求めていた。

0008

このPQ輪軸を用いた測定では、車輪の曲げ歪みを測定することで、左右方向の荷重である横圧を、また半径方向の圧縮歪みを測定することで、垂直方向の荷重である輪重を求めているが、前後方向の荷重である接線力を測定することはできない。

0009

そのため、車輪とレール間に作用する接線力を測定するためには、通常のPQ輪軸に、さらに接線力を測定するための歪みゲージブリッジを設ける必要があった。
「脱線メカニズム解明に向けた車輪・レール間接触位置連続測定装置の開発」JR EASTTechnical Review-No.3、p29〜34

0010

本発明が解決しようとする問題点は、従来の接線力測定では、通常のPQ輪軸に、さらに接線力を測定するための歪みゲージブリッジを設ける必要があったという点である。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、PQ輪軸に、接線力を測定するための歪みゲージブリッジを新たに設けることなく、車輪とレール間に作用する接線力を精度良く測定するために、以下の構成を採用している。

0012

すなわち、本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法は、
PQ輪軸を用いてレール車輪間のレール方向の接線力を測定する方法であって、
車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、
これらの歪みと、
予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、
走行中のPQ輪軸に作用する接線力を求めることを最も主要な特徴としている。

0013

本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法において、
前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記輪重測定用歪みゲージを用い、
PQ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、
PQ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することが望ましい。

0014

具体的には、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記PQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、
またはPQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかとする。

0015

また、本発明の鉄道車両の輪重測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、
PQ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することを最も主要な特徴としている。

0016

また、本発明の鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、
PQ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを最も主要な特徴としている。

発明の効果

0017

本発明では、測定点数を増加させることなく、通常のPQ輪軸の輪重測定用歪みゲージ出力から、曲線通過性能向上、高速走行性能向上、加速減速性能向上のために必要な、車輪とレール間に作用する接線力を、輪重や横圧と共に走行中に実測することができる。

0018

また本発明では、接線力測定用ゲージブリッジを用いていないので、過去のPQ測定結果についても、輪重データを再生することで、接線力を再生することができる。さらに本発明では、輪重測定ゲージの出力から、曲線通過時の車軸ねじり歪みを測定することもできる。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下、本発明の成立に至る新しい着想と、着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を用いて説明する。

0020

PQ輪軸を用いて輪重を測定する場合、輪重測定値は、車輪とレール間に作用する接線力の影響を受けるので、従来は、非特許文献3に示されるように、接線力の影響を除去している。
「車輪・レール間の力を測る—新しい輪重,横圧,脱線係数の連続測定装置—」RRR2003.2、p22〜25

0021

この非特許文献3では、車輪とレール間に作用する輪重と横圧を測定するため、PQ輪軸に予め輪重、横圧、接線力を負荷し、荷重負荷位置における作用力と、車輪に貼り付けた歪みゲージの歪み出力の関係を求めている。

0022

そして、車輪に貼り付けた複数の歪みゲージの出力に対してブリッジを組み、輪重出力を得るようにしている。その際、輪重の測定精度を悪化させないように、接線力の影響を排除するようにしている。

0023

このような従来方法に対して、発明者等は、輪重測定用に貼り付けた歪みゲージのブリッジに対し、非特許文献3と同様に接線力を負荷して荷重と歪みの関係を求めたところ、以下に示すような結果が得られた。

0024

PQ輪軸の車輪(外径が860mmの一体車輪)の側面8箇所に歪みゲージを貼り付け、輪重が作用した場合と、接線力が作用した場合の車輪の半径方向歪み(μ)を有限要素法(FEM)によって解析した。その結果を下記表1、2と、図1、2に示す。

0025

なお、下記表1及び図1は輪重が作用した場合の結果、表2及び図2は接線力が作用した場合の結果を示し、接線力が作用した場合のFEM解析モデル図3に示す。また、歪みゲージの貼り付け位置の名称をイ〜チ(図4(a)参照)、測定時における荷重点LPからの位置を0°〜360°(図4(b)参照)と定義する。

0026

0027

0028

ところで、PQ輪軸を用いて輪重、横圧、接線力を測定する場合、非特許文献3に記載されているように、連続法新連続法間欠法がある。

0029

これらの方法におけるブリッジの組み方を図5〜7に示すが、10kNの接線力が作用した場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は図8に示す通りである。一方、軸重が100kN(輪重が50kN)の場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は図9に示す通りになる。

0030

なお、図4(a)に示した貼り付け位置の定義を用いた場合、連続法では、{(イ+ロ+ハ+ニ)−(ホ+ヘ+ト+チ)}/8で、新連続法では、{(イ+ロ)−(ホ+ヘ)}/4で、間欠法では、(イ−ホ)/2で歪み出力を表すことができる。

0031

この図8及び図9から以下のことが分かる。
(連続法の場合)
図4(b)に示した荷重点LPから90°〜135°及び270°〜315°の位置では、輪重による歪み出力は同一であるが、接線力荷重による歪みは変化している。従って、90〜135゜又は270〜315゜の位置で車輪歪みの変化が測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

0032

(新連続法の場合)
同様に荷重点LPから135°〜180°及び315°〜360°の位置では、輪重による歪み出力は同一であるが、接線力荷重による歪みは変化している。従って、135゜〜180゜又は315゜〜360゜の位置で車輪歪みの変化が測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

0033

(間欠法の場合)
同様に荷重点LPから90°及び270°の位置で輪重による歪みは0になる。従って、90゜又は270゜の位置で車輪歪みが測定された場合は、接線力による車輪歪みである。

0034

次に、50kNの垂直荷重を作用させた時に、同時に10kN、20kN、30kNの接線力が作用した場合の歪み出力例を調査した。その結果を図10〜12に示す。図10は連続法による場合、図11は新連続法による場合、図12は間欠法による場合の結果である。

0035

これら図10〜12のうち、図10で示した連続法による場合において、接線力による車輪歪みを測定することができる、90°〜135°間における歪み変化と負荷した接線力との関係を図13に示す。

0036

この図13より、例えば連続法の場合には、荷重点LPから90°〜135°の間では、負荷した接線力と測定された車輪歪み変化との間には、一定の相関関係を有することが分かる。

0037

なお、図示省略したが、新連続法や間欠法による場合も、接線力による車輪歪みを測定することができる設置位置における車輪歪みと負荷した接線力の間には、連続法の場合と同様の一定の相関関係を有することは言うまでもない。

0038

また、曲線通過時の接線力は車軸ねじり歪みから求めることができるので、発明者等は、車軸ねじりから求めた接線力と、連続法で測定した輪重波形から求めた曲線通過時の接線力を比較した。なお、車軸ねじりは、図14(a)(b)に示すように、車軸1に歪みゲージ2a〜2dを貼り付け、(c)図に示す組み方のブリッジで曲線通過時の歪みを実測した。

0039

その結果を図15に示すが、両者とも実用の範囲内でよく一致していることが分かる。このことから、車輪の接線力を測定した結果に基づいて、車軸ねじりも測定できることが分かる。

0040

発明者等は、以上の解析結果等に基づき、接線力測定用のゲージブリッジを使用しなくても、輪重測定のための歪みゲージを用いて測定した輪重波形から、輪重が接線力測定に与える影響を除去することで、接線力や車軸ねじりを測定できることを見出し、以下の本発明方法を成立させた。

0041

すなわち、本発明の鉄道車両の車輪とレール間に作用する接線力の測定方法は、
車輪の半径方向歪みを検出する輪重測定用歪みゲージにより、走行中における歪みを測定し、
これらの歪みと、
予め定めておいた輪重測定用歪みゲージの配置位置における歪みと接線力との関係から、
走行中のPQ輪軸に作用する接線力を求めるものである。

0042

そして、前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
前記輪重測定用歪みゲージを用い、
PQ輪軸に輪重のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みと、
PQ輪軸に接線力のみが作用したときの歪みゲージの配置位置ごとの歪みを比較して決定することが望ましい。

0043

具体的には、前記PQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが変化しない部分に配置されたものか、またはPQ輪軸に輪重のみが作用したときに歪みが生じない部分に配置されたものの何れかとする。

0044

例えば前記接線力を求める際に使用する歪みと接線力との関係を有する配置位置の歪みゲージは、
車輪の荷重点を0°(360°)とした場合に、
1)PQ輪軸におけるブリッジ結線が連続法によるものである場合は、90°〜135°の間、または270°〜315°の間に配置されたもの。
2) 前記ブリッジ結線が新連続法によるものである場合は、135°〜180°の間、または315°〜360°の間に配置されたもの。
3) 前記ブリッジ結線が間欠法によるものである場合は、90°又は270°に配置されたもの。
を使用するのである。

0045

また、本発明の鉄道車両用輪軸の車軸ねじり測定方法は、
前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用いて、PQ輪軸に作用する車軸ねじりを求めることを最も主要な特徴としている。

0046

上記本発明方法では、輪重測定用の歪みゲージの出力を用いて接線力や車軸ねじりを求める。その際、本発明方法の車輪歪みと接線力の関係を得る方法としては、車輪実態に静的に荷重を負荷するのが望ましいが、FEM解析結果を使用しても良い。

0047

また、前記何れかに記載の本発明方法で測定した接線力を用い、PQ輪軸に作用する輪重を前記接線力と同時に測定することもできることは言うまでもない。これが、本発明の鉄道車両の輪重測定方法である。

0048

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範疇内であれば、適宜変更可能なことは言うまでもない。

0049

本発明は、上記の例に示した車輪と車軸が一体の輪軸を備えた台車のみならず、独立した左右の輪軸を組み立てて、一つの輪軸として使用する独立車輪を備えた台車にも適用できる。

図面の簡単な説明

0050

外径が860mmの一体車輪に20kN、40kN、60kNの輪重が作用した場合の車輪半径方向歪みを示す図である。
外径が860mmの一体車輪に10kN、20kN、30kNの接線力が作用した場合の図1と同様の図である。
接線力が作用した場合のFEM解析モデルを示す図である。
(a)は歪みゲージの貼り付け位置の名称を定義する図、(b)は測定時における荷重点LPからの位置を定義する図である。
連続法におけるブリッジの組み方を説明する図で、(a)は歪みゲージの貼り付け位置を説明する車輪の側面から見た図、(b)は(a)図の中央縦断面図、(c)は輪重を測定する場合のブリッジを示す図、(d)は横圧を測定する場合のブリッジを示す図である。
新連続法におけるブリッジの組み方を説明する図5と同様の図である。
間欠法におけるブリッジの組み方を説明する図5と同様の図である。
10kNの接線力が作用した場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力を示す図である。
軸重が100kN(輪重が50kN)の場合における連続法、新連続法と間欠法による歪み出力は示す図である。
50kNの垂直荷重を作用させた時に、同時に10kN、20kN、30kNの接線力が作用した場合の連続法による歪み出力例を調査した結果を示した図である。
新連続法による場合の図10と同様の図である。
間欠法による場合の図10と同様の図である。
図10で示した連続法による場合における接線力負荷時の、90°〜135°間の歪み変化と接線力との関係を示す図である。
(a)(b)は車軸ねじりを計測する際の歪みゲージを貼り付け位置を説明する図、(c)はブリッジの組み方を示した図である。
車軸ねじりから求めた接線力と、連続法で測定した輪重波形から求めた曲線通過時の接線力を比較した結果を示す図である。

符号の説明

0051

1車軸
2 歪みゲージ

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