# 車輪／レールの転がり接触解析

### １．はじめに

鉄道において、車輪～レール間に生じる諸現象（コンタクトメカニクス）の解明は、車両・軌道・材料など、様々な分野に応用できる境界領域研究の一つです。計算力学研究室では、東京大学奥田洋司教授との共同研究において、大規模並列計算に対応した有限要素解析プログラムを用い、高速走行時に車輪／レール間で生じる力学現象の評価に取り組んでいます。さらに、これらの結果をもとに車輪～レール間の現象解明に取り組むとともに、車両や軌道に与える影響を調べ、車両～軌道～構造物の相互作用を考慮した最適な鉄道システムを提案・構築することを目指しています。

### ２．解析手法の特長

解析に用いるツール「車輪・レール転がり接触シミュレータ」は大規模並列計算に対応した有限要素法プログラム「FrontISTR」をベースとし、鉄道車輪の転動現象が再現可能となるよう機能を拡充したものです。本ツールは、車輪を速度ゼロから時速300km超の高速域まで有限長の短いレールを用いて加速するためのレールモデルの工夫（キャタピラメッシュ機能）や、有限長のレールで計算を行う際に、車輪とレールの接触部で発生し、レール内を伝播する弾性波のレール端部での反射を低減するための工夫を行うとともに、車輪が所定の速度に達した後で、軌道や構造物を自由に付加して計算を行うための機能を有しています。これにより、軌道条件の違いによる接触面での力学現象の変化や、レールに種々の不整（波状摩耗や継目など）が存在する場合の影響を捉えることが可能です。

### ３．解析事例

#### ３．１　１車輪もしくは２車輪モデルを用いた解析

図１に示すような１車輪と車軸の1/2を有する車輪・レールモデルによる車輪／レールの動的接触解析を行い、車輪にトルク相当荷重を付加して時速300km超まで加速し、高速走行時の瞬間のダイナミクス（車輪とレールの接触面[コンタクトパッチ]で生じる接触力やすべり・固着など）を詳細に捉えます（動画１）。また、２つの車輪が結合されたモデルにおいても同様に検討を行い、複数車輪走行時の接触現象の解明にも取り組んでいます（図２～図４）。

図１　車輪～レールモデル（１軸１輪）

図２　車輪～レールモデル（２軸２輪）

図３　全体のミーゼス相当応力分布

図４　前後車輪の法線方向接触力の合計値の時刻歴

動画１　車輪走行のシミュレーション
（全体の鉛直方向垂直応力分布、接触面の応力分布および法線方向接触力の合計値の時刻歴）

※上記の動画は外部の動画サイトの埋め込みリンクです。

#### ３．２　４車輪（１台車）モデルを用いた解析

車輪やレールに生じる損傷は、車両の走行状態や車輪とレールとの接触状態がより複雑になる曲線部の軌道においても発生します。そこで、解析ツールを曲線走行が可能となるよう改良するとともに、計算規模の増加による計算負荷の上昇を抑えるため、前述のキャタピラメッシュ機能を応用した計算手法を開発しました（動画２）。このツールにより、車輪の踏面部とフランジ部の同時接触（２点以上の接触）を生じた際の車輪やレールに生じる詳細な応力の分布や、コンタクトパッチ部に作用する力の大きさ／向きなどを詳細に把握することができます（図５～図６）。

動画２　曲線走行のシミュレーション（ミーゼス相当応力表示）
（レールは台車近傍部（青い部分）のみを計算に考慮することで、全体の計算負荷を低減しています。 ）

※上記の動画は外部の動画サイトの埋め込みリンクです。

図５　車輪～レール間の解析モデルと曲線走行シミュレーションによるミーゼス相当応力分布

図６　コンタクトパッチ内における接線力分布（ここでは車輪側に作用する力）と固着・すべりの解析例 （直線走行時およびフランジ接触を伴う曲線走行時）

## 関連ページ

FrontISTR研究会ウェブサイト

上記のリンクは外部サイトへ移動します。

坂井宏隆、唐津卓哉：大規模並列有限要素法による一台車モデルの曲線走行シミュレーション 、鉄道総研報告、第34巻、第8号、2020.8
坂井宏隆、唐津卓哉、林雅江、高垣昌和：一台車モデルを用いた大規模並列有限要素法による曲線走行時の動的転がり接触挙動の再現と検証、日本機械学会論文集、Vol.85、No.878、2019
林雅江、坂井宏隆、高垣昌和、相川明、殷峻、橋本学、奥田洋司：大規模並列有限要素解析による車輪・レール間の動的接触挙動の検証、第20回計算工学講演会論文集、Vol.20、2015
林雅江、坂井宏隆、高垣昌和、相川明、奥田洋司、殷峻：車輪・レール間の動的接触挙動評価、鉄道総研報告、第28巻、第12号、2014.12
H. Sakai, M. Takagaki, M. Hayashi and A. Aikawa：“Analysis of Rolling Contact Behavior between Wheel and Rail through Large-scale Parallel Computing”, Quarterly Report of RTRI, Vol.55, No.3, 2014.08　（※）
H. Sakai, M. Takagaki, M. Hayashi, A. Aikawa, H. Okuda and J. Yin：“Dynamic Rolling Contact Analysis between Wheel/Rail by Large-Scale Parallel FEM”, Railways 2014, 2014

（※）印のついたリンクは外部サイトへ移動します。

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