特開 2023-82274 レール断面形状の選定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023082274

(43)【公開日】2023-06-14

(54)【発明の名称】レール断面形状の選定方法

(51)【国際特許分類】

   E01B 5/02 20060101AFI20230607BHJP

   B61K 9/00 20060101ALI20230607BHJP

【ＦＩ】

E01B5/02

B61K9/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021195918

(22)【出願日】2021-12-02

(71)【出願人】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(71)【出願人】

【識別番号】502350504

【氏名又は名称】学校法人上智学院

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】弁理士法人インテクト国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100120237

【弁理士】

【氏名又は名称】石橋 良規

(72)【発明者】

【氏名】辻江 正裕

(72)【発明者】

【氏名】曄道 佳明

(57)【要約】

【課題】き裂の発生を抑制することができるレール断面形状を選定するレール断面形状の選定方法を提供する。
【解決手段】少なくとも軌道の曲線半径、軌道を走行する列車の車輪形状及び、前記列車の走行速度を含む線区条件を選定する第１工程と、選定した前記線区条件を用いて、摩耗進展解析によって車輪とレールの接触面圧が緩和する複数のレールの断面形状を選定する第２工程と、前記選定された全てのレールの断面形状に対して、前記第１工程で選定された全ての線区条件を適用してそれぞれの疲労指数を算出する第３工程と、前記第第３工程で算出された各断面形状ごとの全ての線区条件による疲労指数の和を総計する第４工程と、前記総計された値が最も小さい断面形状を選定する第５工程と、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも軌道の曲線半径、軌道を走行する列車の車輪形状及び、前記列車の走行速度を含む線区条件を選定する第１工程と、
選定した前記線区条件を用いて、摩耗進展解析によって車輪とレールの接触面圧が緩和する複数のレールの断面形状を選定する第２工程と、
前記選定された全てのレールの断面形状に対して、前記第１工程で選定された全ての線区条件を適用してそれぞれの疲労指数を算出する第３工程と、
前記第第３工程で算出された各断面形状ごとの全ての線区条件による疲労指数の和を総計する第４工程と、
前記総計された値が最も小さい断面形状を選定する第５工程と、を含むことを特徴とするレール断面形状の選定方法。

【請求項2】

請求項１に記載のレール断面形状の選定方法において、
前記第１工程のうち、前記曲線半径は、６００ｍから８００ｍの間の複数の値が選定されることを特徴とするレール段面形状の選定方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載のレール断面形状の選定方法において、
前記第１工程のうち、前記列車の車輪形状は、新品形状および代表的な摩耗形状を含む複数の断面形状が選定されることを特徴とするレール断面形状の選定方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載のレール断面形状の選定方法において、
前記摩耗進展解析は、選定された線区条件に対してマルチボディダイナミックスによる車輪／レール接触解析に基づき、接触面圧の低減が期待できるレールの摩耗形状を所定の回数繰り返して予測するとともに、線区条件で選定した全ての条件で摩耗形状をそれぞれ予測することを特徴とするレール断面形状の選定方法。

【請求項5】

請求項４に記載のレール段面形状の選定方法において、
前記疲労指数は、前記摩耗進展解析から得られたレール摩耗形状について、車輪／レール接触解析を行い、算出されたパラメータよりき裂発生評価式を用いて算出することを特徴とするレール断面形状の選定方法。

【請求項6】

請求項１から５の何れか１項に記載のレール断面形状の選定方法において、
前記第５工程は、前記総計された値の最小値を有する断面形状が複数ある場合には、当該断面形状における疲労強度の分散を算出し、最も分散が小さい断面形状を選定することを特徴とするレール断面形状の選定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両が走行する軌道のレールにおけるき裂の発生を抑制することができる効果の高いレール断面形状を選定するレール断面形状の選定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、曲線区間の外側に敷設されたレールには、鉄道車両の走行に伴って、ゲージコーナき裂が発生することが知られており、このゲージコーナき裂が発生すると、レール折損に至る可能性があることが知られている。

【0003】

このゲージコーナき裂の発生要因は、車輪とレール接触部に生じる高い接触面圧やクリープ（すべり）によるものであると考えられている。このようなゲージコーナき裂の発生を抑制する手段は、種々の手段が知られている。

【0004】

例えば特許文献１に記載されているように、質量％で、Ｃ：０．６５～１．２０％、Ｓｉ：０．０５～２．００％、Ｍｎ：０．０５～２．００％、Ｃｒ：０．０２～２．００％を含有し、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏの２種以上がそれぞれ少なくとも０．００５％以上でＶ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｍｏ：０．０２～０．２０％含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、頭頂部の硬度が少なくとも３４０Ｈｖである鋼レールにおいて、フェライト相中の１０ｎｍ以下の炭窒化析出物粒子の個数密度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であることを特徴とするパーライトレールが知られている。

【0005】

このようなパーライトレールによれば、パーライト組織の鋼レールにおいて耐磨耗性と延性に優れたレールを提供することが可能とすることで、き裂の抑制を図ることが知られている。

【0006】

また、特許文献２に記載されているように、重量％で、Ｃ：０．７０～０．８５％、Ｓｉ：０．１０～１．５０％、Ｍｎ：０．４０～１．５０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０００５～０．０１０％、および、Ｃｒ：０．０５～１．５０％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、下記（１）式で定義されるラメラー分率が４０～９８％である、レールが知られている。ここで、（１）は、以下の通りである。ラメラー分率＝｛１－（アスペクト比が５以下のセメンタイトの面積／セメンタイトの全面積）｝×１００…（１）

【0007】

このようなレールによれば、延性に優れ、高軸重鉄道においても好適に使用することができる高延性パーライト系レールを提供することができ、強度を増すことでき裂発生の抑制を図ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１５－１５８００６号公報

【特許文献2】特開２０１７－１１５２２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述したように従来のレールは、レールの耐摩耗性や強度を増すことでき裂の発生を抑制しようとするものである。しかしながら、現状では、ゲージコーナき裂の発生によるレール折損を防止するために、ゲージコーナき裂の発生の有無を点検等によって確認し、必要に応じてレール交換を行なっており、ゲージコーナき裂の抑制を図ることができるレール形状が求められていた。

【0010】

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、き裂の発生を抑制することができるレール断面形状を選定するレール断面形状の選定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係るレール断面形状の選定方法は、少なくとも軌道の曲線半径、軌道を走行する列車の車輪形状及び、前記列車の走行速度を含む線区条件を選定する第１工程と、選定した前記線区条件を用いて、摩耗進展解析によって車輪とレールの接触面圧が緩和する複数のレールの断面形状を選定する第２工程と、前記選定された全てのレールの断面形状に対して、前記第１工程で選定された全ての線区条件を適用してそれぞれの疲労指数を算出する第３工程と、前記第第３工程で算出された各断面形状ごとの全ての線区条件による疲労指数の和を総計する第４工程と、前記総計された値が最も小さい断面形状を選定する第５工程と、を含むことを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係るレール断面形状の選定方法において、前記第１工程のうち、前記曲線半径は、６００ｍから８００ｍの間の複数の値が選定されると好適である。

【0013】

また、本発明に係るレール断面形状の選定方法において、前記第１工程のうち、前記列車の車輪形状は、新品形状および代表的な摩耗形状を含む複数の断面形状が選定されると好適である。

【0014】

また、本発明に係るレール断面形状の選定方法において、前記摩耗進展解析は、選定された線区条件に対してマルチボディダイナミックスによる車輪／レール接触解析に基づき、接触面圧の低減が期待できるレールの摩耗形状を所定の回数繰り返して予測するとともに、線区条件で選定した全ての条件で摩耗形状をそれぞれ予測すると好適である。

【0015】

また、本発明に係るレール段面形状の選定方法において、前記疲労指数は、前記摩耗進展解析から得られたレール摩耗形状について、車輪／レール接触解析を行い、算出されたパラメータよりき裂発生評価式を用いて算出すると好適である。

【0016】

また、本発明に係るレール断面形状の選定方法において、前記第５工程は、前記総計された値の最小値を有する断面形状が複数ある場合には、当該断面形状における疲労強度の分散を算出し、最も分散が小さい断面形状を選定すると好適である。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るレール断面形状の選定方法は、複数の線区条件を選定したのち、当該線区条件を用いてレールの摩耗の状態を示すレール断面形状を複数選定し選定したレール断面形状に対して、選定した複数の線区条件の全てを適用して疲労指数をそれぞれ算出し、各断面形状ごとに全ての線区条件による疲労強度の総計が最も小さい断面形状を選定するので、レールと車輪の接触状態を考慮した、き裂の発生を抑制することのできるレール断面形状を選定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の概要を示すフロー図。

【図2】本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第１工程の例を説明するための図。

【図3】本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第２工程で用いられる摩耗進展解析の計算フローを示す図。

【図4】本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第２工程で選定されたレール断面形状をまとめた図表。

【図5】本発明の実施形態に係るレール段面形状の第３工程の断面形状ごとに全ての線区条件を用いて疲労指数を算出した図表。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0020】

図１は、本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の概要を示すフロー図であり、図２は、本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第１工程の例を説明するための図であり、図３は、本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第２工程で用いられる摩耗進展解析の計算フローを示す図であり、図４は、本発明の実施形態に係るレール断面形状の選定方法の第２工程で選定されたレール断面形状をまとめた図表であり、図５は、本発明の実施形態に係るレール段面形状の第３工程の断面形状ごとに全ての線区条件を用いて疲労指数を算出した図表である。

【0021】

図１に示すように、本実施形態に係るレール断面形状の選定方法は、少なくとも軌道の曲線半径、軌道を走行する列車の車輪形状及び、前記列車の走行速度を含む線区条件を選定する第１工程と、選定した前記線区条件を用いて、摩耗進展解析によって車輪とレールの接触面圧が緩和する複数のレールの断面形状を選定する第２工程と、前記選定された全てのレールの断面形状に対して、前記第１工程で選定された全ての線区条件を適用してそれぞれの疲労指数を算出する第３工程と、前記第第３工程で算出された各断面形状ごとの全ての線区条件による疲労指数の和を総計する第４工程と、前記総計された値が最も小さい断面形状を選定する第５工程とを有している。

【0022】

本実施形態に係るレール断面形状の選定方法は、コンピュータなどの処理装置によって行われると好適である。処理装置は、当該処理プログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置と、処理プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの処理に必要なデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを備えている。また、処理装置は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの入力装置、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ－Ｒａｙ－Ｔｕｂｅ）ディスプレイ、液晶ディスプレイ、プリンタなどの出力装置、通信インタフェイスなどを備えると好適である。

【0023】

このような処理装置は、計算機内に構築されたコンピュータシステムであると好適であり、このような計算機は、例えば、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバ、タブレットコンピュータなどが好適に用いられ、記憶装置に記録されたアプリケーションソフトなどのプログラムに従って動作する計算機であれば種々の計算機を用いることができ、単独の計算機であってもよいし、複数台の計算機をネットワークなどで通信可能に接続したコンピュータ群を用いても構わない。

【0024】

なお、上述したように、ゲージコーナき裂は、曲線区間の外軌に生じる現象であるため、以下の説明は、曲線区間の外軌の断面形状について説明を行う。

【0025】

第１工程（Ｓ１０１）は、曲線区間における線区条件を複数選定する。線区条件は、曲線区間の軌道の曲線半径、軌道を走行する列車の車輪形状、及び列車の走行速度を組み合わせた線区条件を選定する。

【0026】

図２に示すように、本実施形態に係るレール断面形状の選定方法では、曲線半径を６００ｍ、７００ｍ、８００ｍの３個、車輪形状を新品形状、摩耗形状１、摩耗形状２の３個、走行速度を８０ｋｍ／ｈの１個を組み合わせて条件Ｉ～ＩＸの９個の条件を選定した。なお、車輪形状における摩耗形状は、代表的な摩耗形状を用いることができるが、例えば、摩耗形状１は、直線区間が多めの区間を所定の距離走行した場合の車輪の摩耗形状、摩耗形状２は、曲線区間が多めの区間を所定の距離走行した場合の車輪の摩耗形状を用いると好適である。

【0027】

なお、線区条件は上述した９条件に限らず、例えば、走行速度を複数選定しても構わないし、軌道のカントや走行する列車のタイプ（例えば、通勤車両や貨物車両）などの条件を加えても構わない。このように、線区条件は、敷設される軌道の走行状況に応じて適宜変更することが可能である。

【0028】

第２工程（Ｓ１０２）は、第１工程（Ｓ１０１）で選定された複数の線区条件（本実施形態の場合は、９個）のそれぞれについて、摩耗進展解析によって複数の摩耗形状を演算する。摩耗進展解析は、各条件に対してマルチボディダイナミクスによる車輪／レール接触解析を行い、車輪とレールの接触状況をそれぞれ算出する。その後、マルチボディダイナミクスを活用した車輪／レール接触解析の結果に基づき、接触面圧の低減が期待出来るレールの摩耗形状を予測する。

【0029】

具体的には、図３に示すように、あらかじめ用意した車両と軌道データを元に、マルチボディダイナミクスシミュレーションツールの「ＳＩＭＰＡＣＫ（登録商標）」上にシミュレーションモデルが作成される。

【0030】

次に、摩耗進展解析の一例を示す。例えば、「ＳＩＭＰＡＣＫ」において、線区条件Ｉの曲線半径６００ｍに敷設されるレールと、新品形状の車輪とが構築される。構築されたシミュレーションモデルにおいて、線区条件Ｉの列車の走行速度が８０ｋｍ／ｈの走行シミュレーションが行われ、車輪とレールの接触状況を逐次算出して解析される。

【0031】

そして、摩耗形状予測では、解析された車輪／レール接触状況の解析結果から得られた摩耗予測に基づいて、レールの摩耗量を計算し、レールの摩耗断面形状が演算される。その後、この演算されたレールの摩耗断面形状をモデル上に更新する。そして更新した断面形状を基に再度車両と軌道のモデルを構築し、上述した手順を繰り返し計算する。このように車両とレールの接触解析と摩耗形状予測を繰り返し行うことで、レールの断面形状の変化が求められる。

【0032】

このように計算する事で、図４に示すように９個の線区条件Ｉ～ＩＸについて、それぞれ摩耗進展解析を行い、レールの摩耗形状を１０個ずつ、合計９９個の断面形状を演算する。なお、この摩耗進展解析によってレールの摩耗形状が演算される数は１０に限定されず、任意の数に設定することができる。

【0033】

なお、レールが新品である場合、９個の線区条件Ｉ～ＩＸにおけるレールの形状は同一の形状であるため、摩耗進展解析によって得られる断面形状の数は、（新品）、（Ｉ_１）、（ＩＩ_１）…（ＩＸ＿１）、（Ｉ＿２）、（ＩＩ_２）…（ＩＸ＿２）……（Ｉ_１０）、（ＩＩ_１０）…（ＩＸ＿１０）の９１個となる。

【0034】

第３工程（Ｓ１０３）は、、第２工程（Ｓ１０２）において選定された９１個のレール摩耗形状（新品）、（Ｉ_１）、（ＩＩ_１）…（ＩＸ＿１）、（Ｉ＿２）、（ＩＩ_２）…（ＩＸ＿２）……（Ｉ_１０）、（ＩＩ_１０）…（ＩＸ＿１０）について、全ての線区条件に対して車輪とレールの接触解析を実施し、それぞれの疲労指数を算出する。

【0035】

具体的には、摩耗進展解析で得られたレール摩耗形状について車輪／レール接触解析を実施し、車輪とレールの接触状態を明らかにする。そして車輪／レール接触解析によって算出したパラメータより、以下のき裂発生評価式を用いて疲労指数（ＦＩ）を算出する。

【数1】

ここで、Ｆｘ，Ｆｙは、縦，横クリープ、Ｆｚは、車輪／レール間における垂直応力である接触力、ｋは、基準強度Ｆ（Ｎ／ｍｍ^２）より算出されるせん断強度、ｐは、車輪／レール間の接触面圧である。

【0036】

図５は、各断面形状について全ての線区条件を適用して疲労指数を算出した結果をまとめた図表である。図５において、例えば、摩耗１、条件Ｉのセルに纏められた疲労指数は、条件Ｉで選定されたレールの摩耗形状１について線区条件ＩからＩＸを適用して算出された疲労指数がそれぞれ記入されている。

【0037】

第４工程（Ｓ１０４）は、第３工程で算出された各断面形状ごとの全ての線区条件による疲労強度の和を総計する。即ち、図５における各セルに入力された疲労指数を各セルごとに総計する。また、各セルごとに、疲労強度の分散を算出する。

【0038】

第５工程は、総計された値が最も小さい値を特定し、当該断面形状をき裂の発生を抑制できるレール断面形状として選定する。即ち、疲労指数の総計が最も小さい値を示した断面形状を特定する。これは、疲労指数が小さいほど、き裂発生の抑制効果があるところ、全ての線区条件に適用した場合に最も小さい値を示す断面形状があらゆる線区条件におけるき裂発生の抑制効果があると考えられることによる。

【0039】

このとき、最小値が複数ある場合には、第４工程で算出した分散を比較し、分散が最も小さい断面形状を特定する。これは、分散が小さい形状があらゆる線区条件における影響が最も小さいと考えられることによる。

【0040】

このように選定されたレール断面形状は、例えば新規にレールを敷設する際、曲線区間に敷設する曲線用レールとして設計する場合に適用しても構わないし、既設のレールの曲線区間において、レールを切削などして選定された断面形状に加工するなどを施しても構わない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】