(57)【要約】【課題】従来の車輪の板部の歪み検出に基づかない、測定誤差を低減した正確な横圧を算出できる、車軸による横圧測定方法を提供する。【解決手段】車軸２の軸方向（矢印（イ）方向）に沿う複数の位置で各々曲げモーメント（Ｍ１〜Ｍ４）を測定する工程と、これらの曲げモーメントの測定位置（Ｓ１〜Ｓ４）／車輪４のレール接触位置（ｂａ１，ｂａ２）／車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）から該車輪４に生じる横圧（Ｑ１，Ｑ２）を算出する工程と、輪重の実測値に基づき、車軸ジャーナル部３の支点位置を補正する補正工程と、を有する。【選択図】図１
2019070555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車軸の軸方向に沿う複数の位置で各々曲げモーメントを測定する測定工程と、
該測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値と、これら曲げモーメントの測定位置と、前記車輪のレール接触位置と、前記車軸を支持する車軸ジャーナル部の支点位置とから前記車輪に生じる横圧を算出する演算工程と、
前記輪重を加えた際の実測値に基づき、前記横圧の誤差が縮小するように前記車軸の支点位置を補正する補正工程と、を有することを特徴とする車軸による横圧測定方法。
【請求項２】
前記補正工程では、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントに基づく現状に対応した車軸の支点位置を求めて、該支点位置を補正することを特徴とする請求項１に記載の車軸による横圧測定方法。
【請求項３】
前記補正工程は、輪重を掛けた場合における車輪とレール接触位置とから、実際に車軸に作用していると考えられる点までの実測移動量に基づき、前記横圧をさらに補正する第２補正工程を含むことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の車軸による横圧測定方法。
【請求項４】
前記測定工程では、少なくとも、左右の車輪の車軸ジャーナル部に位置する２箇所の外側位置と、左右の車輪の内側でかつ中心部付近に位置する２箇所の内側位置とに設置した歪ゲージからの各検出信号に基づき、前記車軸の各位置でそれぞれ曲げモーメントを測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車軸による横圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の走行安全性評価に必要な横圧の車上測定を正確に行うことが可能な鉄道輪軸を用いた横圧測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線車両のブレーキディスク（ＢＤ）は、車輪ボスに近い内周締結から、外周の車輪リム部との間に位置する中央締結に移行しつつあるが、輪重・横圧測定は実績のある内周締結ブレーキディスク付き車輪にて実施している。
その理由として、中央締結車輪では、較正時の横圧ブリッジ出力にヒステリシスが生じることがある。この中央締結車輪では、板部中央のボルト孔があることから、板部の変形に対して、ブレーキディスク締結部に歪みが生じるために、横圧の歪み出力に影響すると考えられている。
【０００３】
横圧とは、車輪に加わる横方向の力のことであり、軌道破壊や車両脱線を防止するための研究において、脱線可能性の有無を評価する際に必要なパラメータとして利用されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１及び２に示される「輪重横圧測定のあゆみ」、「輪重・横圧の連続測定」では、車輪側面に歪みゲージを貼り、該歪ゲージの検出値に基づき車輪の変形状態及び横圧を測定していた。
具体的には、非特許文献１に示される「輪重横圧測定のあゆみ」では、車輪のボス部付近に位置する板部上に、横圧測定用の歪ゲージを貼付し、該歪ゲージの測定値に基づき車輪に作用する横圧を測定する技術が示されている。
また、非特許文献２に示される「輪重・横圧の連続測定」では、車輪に歪ゲージを貼り付けた測定用車軸を台車に組み込んだ状態で、軸端からスリップリングを通じて歪ゲージの検出信号を取り出し、該歪ゲージの検出信号に基づき車輪に作用する横圧を測定する技術が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「輪重横圧測定のあゆみ」ＲＲＲ  ＶＯＬ.６９  ＮО.１０  ２０１２.１０（公益財団法人鉄道総合技術研究所発行）
【非特許文献２】「輪重・横圧の連続測定」ＲＲＲ  鉄道技術アラカルト５７  ２００９.２  （公益財団法人鉄道総合技術研究所発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記非特許文献１及び２では、車輪に貼付した歪みゲージの検出値に基づき車輪の横圧測定を行っているが、中央締結車輪では横圧ブリッジ出力にヒステリシスを生じるために正確な検出ができず、測定精度の高い内周締結車輪を利用した新たな測定手法の提供が期待されている。
すなわち、板部の歪み出力によらない新たな手法により、車輪に作用する横圧を正確に測定できる新たな技術の提供が待たれていた。
【０００７】
板部によらない横圧測定方法として車軸曲げ応力を用いた手法が国鉄時代に検討されていたが、今回の発明では、従来の車軸応力を用いた手法から、車軸ジャーナル部での荷重支持位置及び車輪接触位置の変化量と、車軸の曲げモーメントとに基づき横圧を算出し、車軸ジャーナル部での荷重支持位置及び車輪接触位置の変化量により車軸の支点位置を補正するという新たな手法を採用するものである。
すなわち、本発明では、車輪の板部の歪み検出に基づかない、測定誤差を低減した正確な横圧を算出できる、車軸による横圧測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、車軸の軸方向に沿う複数の位置で各々曲げモーメントを測定する測定工程と、該測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値と、これら曲げモーメントの測定位置と、前記車輪のレール接触位置と、前記車軸を支持する車軸ジャーナル部の支点位置とから前記車輪に生じる横圧を算出する演算工程と、前記輪重を加えた際の実測値に基づき、前記横圧の誤差が縮小するように前記車軸の支点位置を補正する補正工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明では、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントを用いて、現状に対応して車軸の支点位置を補正することができる。
【００１０】
また、本発明では、前記補正工程にて、輪重を掛けた場合における前記車輪とレール接触位置とから、実際に車軸に作用していると考えられる点までの実測移動量に基づき、前記横圧をさらに補正する第２補正工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明では、前記測定工程にて、少なくとも、左右の車輪の車軸ジャーナル部に位置する２箇所の外側位置と、左右の車輪の内側でかつ中心部付近に位置する２箇所の内側位置とに設置した歪ゲージからの各検出信号に基づき、前記車軸の各位置でそれぞれ曲げモーメントを測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、測定工程にて、車軸の軸方向に沿う複数の位置で各々曲げモーメントを測定する。その後、演算工程にて、これら測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値と、これら曲げモーメントの測定位置と、車輪のレール接触位置と、車軸を支持する車軸ジャーナル部の支点位置とに基づき、該車輪に生じる横圧を算出する。その際、補正工程にて、輪重を加えた際の実測値に基づき、横圧の誤差が縮小するように車軸の支点位置を補正するようにした。
具体的には、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントを用いて、現状に対応した車軸の支点位置を求めて、該支点位置を補正することができる。
さらに、前述の補正工程の第２工程にて、輪重を掛けた場合における車輪とレール接触位置とから、実際に車軸に作用していると考えられる点までの実測移動量に基づき、前記横圧をさらに補正することができる。
そして、これらの補正処理を行うことにより、横圧の測定誤差を低減することができる。すなわち、本発明では、車軸ジャーナル部での荷重支持位置及び車輪接触位置の変化量と、車軸の曲げモーメントとに基づき横圧を算出するという新たな手法を採用することにより、車輪の板部の歪み検出に基づかない、測定誤差を低減した正確な横圧を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の横圧測定方法が適用される静荷重試験機を示す図である。
【図２】図１における車軸の支点位置及び車輪接触位置を詳細に示す図である。
【図３】既知の輪重を加えた場合の横圧推定値を示すグラフである。
【図４】図３に示される横圧推定値の誤差を示すグラフである。
【図５】本発明に係る変数（α１，α２）の設定及び車輪接触位置の移動量（β１，β２）を考慮した横圧推定値を示すグラフである。
【図６】図５に示される横圧推定値の誤差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
図１は、鉄道輪軸を用いた横圧測定方法が適用される静荷重試験機１であって、図示しない台車に、輪軸となる車軸２が支持されている。
車軸２は、各端部に位置するジャーナル部３に設けられた軸受（図示略）を介して台車に回転自在に支持されている。
また、車軸２の端部における各ジャーナル部３の内側には、車輪４が一体回転可能に取り付けられており、該車輪４により台車がレール上を走行可能となっている。
また、車輪４間に位置する車軸２の途中には、台車上のモータ（図示略）から伝達された動力の回転速度を減速しかつトルク調整するためのギアボックス５が設けられている。
【００１５】
次に、車軸の曲げモーメントに基づき横圧を算出する鉄道輪軸を用いた横圧測定方法について説明する。
まず、本発明の実施形態に係る鉄道輪軸を用いた横圧測定方法は、車軸２の軸方向（矢印（イ）方向）に沿う複数の位置（Ｓ１〜Ｓ４）にて各々曲げモーメントを測定する「測定工程」と、該測定工程で得た測定値から車輪４に生じる横圧（Ｑ１，Ｑ２）を算出する「演算工程」と、既知の輪重（Ｐ１，Ｐ２）を加えた際の実測値に基づき横圧（Ｑ１，Ｑ２）の誤差が縮小するように車軸２の支点位置を補正する「補正工程」と、を有するものである。
なお、「演算工程」では、測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値（Ｍ１〜Ｍ４）と、これら曲げモーメントの測定位置（Ｓ１〜Ｓ４）と、車輪４のレール接触位置（ｂａ１，ｂａ２）と、車軸２を支持する車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）とに基づき、車輪４に生じる横圧（Ｑ１，Ｑ２）を算出する（後述する）。
また、上記工程において、「測定工程」及び「演算工程」は既存の技術を用いた工程である。
【００１６】
また、図１において、車軸ジャーナル部３の支点３Ａ，３Ｂに作用する垂直方向の力をＦ１とＦ２とし、静荷重試験機１から車輪接触部に作用する垂直方向の力（すなわち、輪重）をＰ１とＰ２とし、車輪４に加わる横方向の力（すなわち、横圧）をＱ１とＱ２としている。
【００１７】
上述した測定工程、演算工程、補正工程について図１〜図６を参照して順次説明する。
〔測定工程〕
まず、図１で示されるように、本例に示される横圧（Ｑ１，Ｑ２）の算出に際しては、車軸２の軸方向（矢印（イ）方向）に沿う複数の位置（Ｓ１〜Ｓ４）で測定された各曲げモーメントの測定値（Ｍ１〜Ｍ４）が使用される。
【００１８】
これらの曲げモーメントは、左右の車輪４のジャーナル部３に位置する２箇所の外側位置（Ｓ１，Ｓ４）と、左右の車輪４の内側に位置する２箇所の内側位置（Ｓ２，Ｓ３）とに設置した歪ゲージ１１〜１４からの各検出信号に基づき検出されるものであって、該歪みゲージ１１〜１４からの出力が測定値（Ｍ１〜Ｍ４）として示される。
また、これら歪みゲージ１１〜１４は、車輪４の中間に位置する車軸中心Ｏ１を基準として、符号ｂ１〜ｂ４で示される距離をおいた設置位置（Ｓ１〜Ｓ４）にそれぞれ設けられている。
なお、これら歪みゲージ１１〜１４は、車輪４のそれぞれの車軸断面Ｉ〜ＩＶでの断面にて４つの検出素子を周方向に貼られており、ホイートストンブリッジ回路により車軸２の曲げ応力測定を行う。
【００１９】
また、車軸中心Ｏ１から車輪４のレール接触位置までの距離については符号ｂａ１，ｂａ２でそれぞれ示されている。
また、車軸中心Ｏ１から車軸ジャーナル部３の支点３Ａ，３Ｂに作用する荷重位置までの距離については符号ｂz１，ｂz２でそれぞれ示されている。
【００２０】
〔演算工程〕
演算工程では、以下の数式１及び２に示されるように、測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値（Ｍ１〜Ｍ４）と、これら曲げモーメントの測定位置（ｂ１〜ｂ４）と、車輪４のレール接触位置（ｂａ１，ｂａ２）と、車軸２を支持する車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）とに基づき、車輪４に生じる横圧（Ｑ１，Ｑ２）を算出する。
なお、以下の数式１及び２において、符号ｒは車輪４の半径を示している。
【００２１】
【数１】
2019070555.tif 000003
【数２】
2019070555.tif 000004
【００２２】
〔補正工程〕
補正工程では、上記演算工程での横圧演算に際して、図２及び数式３，４に示されるように、変数（α１，α２）に基づき、車軸ジャーナル部３の軸受中心Ｏ２となる支点位置（ｂz１，ｂz２）を、補正支点位置（ｂ´z１，ｂ´z２）に補正する処理を行う。
ここで示される変数（α１，α２）は、車軸ジャーナル部３での実際の荷重支持位置を求めるために必要な値である。また、符号ｂ´z１，ｂ´z２ は変数（α１，α２）により示される移動量を考慮した支持位置に基づく、車軸中心Ｏ１までの距離を示している。
【００２３】
【数３】
2019070555.tif 000005
【数４】
2019070555.tif 000006
【００２４】
なお、中央締結車輪では、車輪板部の歪みによる輪重測定が可能であるので、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントを用いて、現状に対応した車軸の支点位置を求めて、該支点位置を補正することができ、この補正のための値として上記変数（α１，α２）を使用する。
この変数（α１，α２）として、「既知の輪重（Ｐ１，Ｐ２）を加えることにより得た車輪４の横圧基準値」と、「既知の輪重（Ｐ１，Ｐ２）を車輪４に加えることで車軸２に発生させた曲げモーメントと推定計算式（上記数式１，２）に基づき算出される横圧推定値」との差が用いられる。
具体的には、実験装置では輪重と横圧を任意に決めて、その力を加えることができる。このため、この実験装置にて、例えば輪重を任意の一定値にしたまま横圧を「１０Ｎ→２０Ｎ→３０Ｎ・・」と変化させようにし（これら値はロードセルにて確認）、このときの横圧値と推定値との比較を、図３以下の測定結果に示した（後述する）。
【００２５】
その後、上記数式１，２に示される推定計算式を用いて、既知の輪重（Ｐ１，Ｐ２）を車輪４に加えることで車軸２に発生させた曲げモーメントの測定値（Ｍ１〜Ｍ４）と、これら曲げモーメントの測定位置（ｂ１〜ｂ４）と、車輪４のレール接触位置（ｂａ１，ｂａ２）と、車軸２を支持する車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）とに基づき推定横圧（Ｑ１，Ｑ２）を求め、その結果を図３及び図４に示すものである。
【００２６】
図３には既知（本例では２０ｋＮ，４０ｋＮ，６０ｋＮ）の輪重（Ｐ１，Ｐ２）を加えた場合に、推定計算式（数式１，２）で求めた横圧推定値が示され、また、図４には、予め車輪４の板部にて求めておいた横圧基準値と、推定計算式（数式１，２）で算出した横圧推定値との差が示されている。
そして、これらの結果を参照して分かるように、輪重が大きくなる程、横圧推定値（Ｑ１，Ｑ２）の差が大きくなることが確認されている。
【００２７】
そして、以上のような実験に基づき、誤差となる差が縮小するように上述した変数（α１，α２）を設定するのであるが、その変数設定は以下の数式５，６に基づき行うものである。
すなわち、本件で検討している中央締結ブレーキディスク付き車輪では、車輪板部の歪みによる輪重測定が可能であることから、板部から求めた既知の輪重と車軸曲げ応力を用いて算出する横圧推定式とから、実際の状況に対応した、車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）の移動量である変数（α１，α２）を求めるものである。
そして、この変数（α１，α２）に基づき、推定横圧（Ｑ１，Ｑ２）の計算値を誤差が縮小するように補正可能とする。
【００２８】
【数５】
2019070555.tif 000007
【数６】
2019070555.tif 000008
【００２９】
そして、以上の数式５、６で算出した変数（α１，α２）に基づき、車軸ジャーナル３の支点位置（ｂz１，ｂz２）を補正支点位置（ｂ´z１，ｂ´z２）に補正する処理を行うことにより、推定計算式（数式１，２）で求める横圧推定値の誤差が小さくする演算を行うことができる。
【００３０】
なお、本実施形態に示される「補正工程」では、横圧が無負荷で輪重（Ｐ１，Ｐ２）のみを作用させたときの基準位置から、実際に車軸２に作用していると考えられる点までの移動量（β１，β２）に基づき、横圧（Ｑ１，Ｑ２）をさらに補正する「第２補正工程」を含んでいる。
この移動量（β１，β２）は、図１及び図２に示されるように、車輪４の基準位置Ｏ３（車輪背面から６５ＭＭ）から実際に車軸に作用していると考えられる点までの移動量であり、以下の数式７，８に基づき、車輪接触位置（ｂａ１，ｂａ２）が補正される。
なお、以下の数式７，８では、符号ｂａ１´，ｂａ２´は移動量（β１，β２）を考慮した車軸中心Ｏ１からの車輪接触位置までの距離を示している。
【００３１】
【数７】
2019070555.tif 000009
【数８】
2019070555.tif 000010
【００３２】
また、ｂａ´を求めるためには、輪重（Ｐ１，Ｐ２）と横圧（Ｑ１，Ｑ２）が既知である必要がある。輪重は車輪板部の測定より既知となるが、横圧は既知ではない。そこで、横圧Ｑが無負荷で、輪重Ｐのみ作用した時の基準位置（車輪背面６５ＭＭの位置）からの移動量（β１，β２）を求めることにした。これは、実際の現車において構内走行などの直線における低速走行での測定結果から求める移動量（オフセット量）を想定している。
【００３３】
そして、中央締結車輪にて車輪板部の歪みによる輪重測定が可能であるので、本実施形態では、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントを用いて、現状に対応した車軸の支点位置を求めて、該支点位置を補正することができ、その結果、図５及び図６で示されるような測定誤差の低減が確認された。
【００３４】
以上詳細に説明したように本実施形態に示される鉄道輪軸を用いた横圧測定方法によれば、測定工程にて、車軸２の軸方向（矢印（イ）方向）に沿う複数の位置で各々曲げモーメントを測定した後、演算工程にて、これら測定工程で得た複数の曲げモーメントの測定値（Ｍ１〜Ｍ４）と、該曲げモーメントの測定位置（ｂ１〜ｂ４）と、車輪４のレール接触位置（ｂａ１，ｂａ２）と、車軸２を支持する車軸ジャーナル部３の支点位置（ｂz１，ｂz２）とから該車輪４に生じる横圧（Ｑ１，Ｑ２）を算出するようにした。
その際、補正工程にて、輪重の実測値に基づき、横圧（Ｑ１，Ｑ２）の誤差が縮小するように車軸ジャーナル３の支点位置（ｂz１，ｂz２）を補正するようにした。
具体的には、実測輪重を既知として、車軸に発生する曲げモーメントを用いて、現状に対応した車軸の支点位置を求めて、該支点位置を補正することができる。
さらに、この補正工程の第２補正工程では、輪重を掛けた場合における車輪４とレール接触位置とから、実際に車軸２に作用していると考えられる点までの実測移動量（β１，β２）に基づき、車輪接触位置（ｂａ１，ｂａ２）を補正して横圧をさらに是正することができる。
そして、これらの補正処理を行うことにより、横圧の測定誤差を低減することができる。
【００３５】
すなわち、本実施形態に示される鉄道輪軸を用いた横圧測定方法では、荷重位置調整用の変数（α１，α２）及び車輪接触位置の移動量（β１，β２）の設定と、車軸２の曲げモーメントとに基づき横圧を算出するという新たな手法を採用することにより、車輪４の板部の歪み検出に基づかない、測定誤差を低減した正確な横圧を求めることができる。
その結果、本発明では、板部の歪み検出によらない横圧測定ができるので、新幹線車両の中央締結ブレーキディスク付き車輪に対応した横圧の測定が期待される。さらに、本発明では、車軸曲げ応力を用いた横圧測定手法に関して、従来の車輪板部による横圧の測定と同等の精度が期待される。
【００３６】
なお、上記実施形態では、測定工程、演算工程、補正工程を経ることにより、車輪４の板部の歪み検出に基づかない、測定誤差を低減した正確な横圧を求めることが可能となるが、これら測定工程、演算工程、補正工程を複数回繰り返すことにより、荷重位置調整用の変数（α１，α２）及び車輪接触位置の移動量（β１，β２）を順次更新してゆき、測定誤差をさらに低減させるようにしても良い。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、鉄道車両の走行安全性評価に必要な横圧の車上測定を正確に行うことが可能な鉄道輪軸を用いた横圧測定方法に関する。
【符号の説明】
【００３９】
１  静荷重試験機
２  車軸
３  車軸ジャーナル部
４  車輪
５  ギアボックス
Ｐ１  輪重
Ｐ２  輪重
Ｑ１    横圧
Ｑ２    横圧
【図１】
2019070555.tif 000011
【図２】
2019070555.tif 000012
【図３】
2019070555.tif 000013
【図４】
2019070555.tif 000014
【図５】
2019070555.tif 000015
【図６】
2019070555.tif 000016