軌道技術に関する研究開発の現状 - Advantage Austria

オーストリア鉄道技術セミナー： 2009年5月21日 (日本プレスセンター)
日本における軌道技術の研究
開発の現状
鉄道総合技術研究所
軌 技
軌道技術研究部
究
部長
石田
誠
Railway Technical Research Institute
目 次
1 軌道のメンテナンスとは
1.
2 軌道状態監視・評価システム
2.
軌道状態監視 評価システム
3 道床の劣化・沈下とメンテナンス
3.
4 レ
4.
レールの劣化・損傷とメンテナンス
ルの劣化 損傷とメンテナンス
5. 今後の軌道とメンテナンス
Railway Technical Research Institute
新幹線の構造物
土構造
橋梁
高架橋
トンネル
東海道
東海道
山陽東
山陽-岡山以東
山陽西
山陽 岡山以西
山陽-岡山以西
東北東
北
上越上
越
北陸北
陸
九州九
州
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Railway Technical Research Institute
新幹線の軌道構造
道
有道床
スラブ
東海道
東海道
山陽東
山陽-岡山以東
山陽 岡山以西
山陽山陽
山陽西
東北東
北
上越上
越
北陸北
陸
九州九
州
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Railway Technical Research Institute
スラブ軌道
スラブ軌道
枠形スラブ軌道
土路盤上枠形スラブ軌道
Railway Technical Research Institute
メンテナンスフリ 構造・材料の追求
メンテナンスフリー構造・材料の追求
スラブ軌道
D型弾性直結軌道
TC型省力化軌道
合成まくらぎ
Railway Technical Research Institute
保守費用
用 (百万
万円/年
年/km
m)
保守コストの比較
12
スラブ軌道
バラスト軌道
10
8
保守費
1/4
その他
締結装置
CAモルタル
6
通り整正
高低整正（部分）
4
高低整正(大規模）
2
0
75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97
年度
Railway Technical Research Institute
1 軌道のメンテナンスとは
1.
目的：列車を安全かつ安定的に運行させ
うる らかな走行路 確保
うる滑らかな走行路の確保
実務：・軌道状態の管理
実
軌
・構造および構成材料の劣化評価
・効果的かつ効率的な補修
Railway Technical Research Institute
軌道面の不整：
軌道面の不整
軌道変位（狂い）
マルチプルタイタンパー
マルチプルタイタンパ
（大型軌道保守機械）
Railway Technical Research Institute
材料劣化
材料劣化：
摩耗と疲労
レール側摩耗
レールシェリング
レ
ルシェリング（転がり接触疲労）
レール研削車
Railway Technical Research Institute
軌道保守管理の流れ
軌道検測・材料検査
評価
軌道変位・乗り心地・脱線・材料破壊
計画
軌道変位進み・材料劣化予測→保守計画
保守
軌道変位の整正・材料の補修・交換
Railway Technical Research Institute
軌道保守データベースシステム
検査
2. 軌道状態監視・評価システム
軌道変位の種類
(2)通り変位
(1)高低変位
(3)軌間変位
軌間（＋スラック）
14mm
(4)水準変位
軌間
正規の
カント
Railway Technical
Research Institute
(5)平面性変位
軌道検測車の開発
【国鉄時代】
・３台車による10m弦正矢検測
３台車による10m弦正矢検測
（最高速度210km/h)
【ＪＲ以降】
・レーザー基準装置による、
営業車両仕様の２台車検測車
（270km/hによる高速検測）
【今後の動向】
・「慣性正矢法」による
・「慣性正矢法」による、
小型かつ安価な検測装置の実現
・営業車搭載による高頻度検測
３台車検測車
２台車検測車
通常の２台車車両
センサユニット
Railway Technical Research Institute
軌道保守管理データベースシステム
マイクロラボックス
【概要】
軌道変位や車両動揺などの測定データや線路形状・軌道構造・保守
作業歴等の各種の環境データをパソコン上で分析・加工するソフト
ウェア ＪＲ各社で利用されている
ウェア。ＪＲ各社で利用されている。
【主な機能】
・軌道検測データ、車上測定データ
軌道検測デ タ 車上測定デ タ
のキロ程整合。
・各種データの描画、印刷。
・スペクトル解析。
・各種ディジタルフィルタ処理。
・Ｐ値 標準偏差等の区間統計量
・Ｐ値、標準偏差等の区間統計量
算出。
・復元原波形の算出。またこれを
用いた軌道変位整正量算出。
Railway Technical Research Institute
3. 道床劣化・沈下とメンテナンス
道床沈下測定器設置箇所の様子
測定器具
Railway Technical Research Institute
車両/軌道動的応答モデル
車体
台車枠
台車
締結間隔
締結間隔
接触ばね
車輪
レール
まくらぎ
道床バラスト
Railway Technical Research Institute
道床沈下予測モデル
車両／軌道
動的応答モデル
軌道変位
・レール頭頂面凹凸
・道床不整
道床不整
まくらぎ 道床
まくらぎ・道床
動的挙動
道床沈下則
β = a×( P − b) ×&y&
2
道床沈下
β：道床沈下量，P：まくらぎ下面圧力，
ａ＆ｂ：係数 &&
ａ＆ｂ：係数，ｙ：道床振動加速度係数
ｙ：道床振動加速度係数
Railway Technical Research Institute
まくら
らぎ静的位置
置（mm
m）
道床沈下の実測値と解析値（営業線）
-10
10
10
解析結果
測定結果
凍上
-5
55
00
-5
55
-10
10
10
0
50
100
150
通過トン数（百万トン）
Railway Technical Research Institute
有道床軌道の沈下抑制法
［軌道沈下量］∝［道床圧力］＆［道床振動加速度］
対 象
レール
具体的方策
重量化（大型化）
道床圧力低減、衝撃荷重低減
ロングレール化
軌道パッド 低ばね化
まくらぎ
大型化、弾性化
道床バラスト 結合力強化
路
盤
ね ら い
強化、雨水浸透防止
まくらぎ振動低減
道床圧力低減、まくらぎ振動低減
変形抵抗力増大
変形抵抗力増大、遮水
Railway Technical Research Institute
メンテナンスフリー構造・材料の追求
弾性被覆材
高架橋スラブ
有道床弾性まくらぎ
スラブ軌道
バラストラダー軌道
D型弾性まくらぎ直結軌道
型弾性まくらぎ直結軌道
Railway Technical Research Institute
合成まくらぎ直結分岐器
Railway Technical Research Institute
4. レール劣化・損傷とメンテナンス
レール側摩耗
Railway Technical Research Institute
急曲線における車輪からレールに
作用する力（一般的な例）
般
走行方向
横クリープ力
アタック角
縦クリープ力
横圧
縦クリープ力
Railway Technical Research Institute
車輪
車輪とレールの摩耗に関する室内試験
摩耗 関する室 試験
モータ
横圧相当荷重
輪重相当荷重
DR
Dw
α=1/40
1/40
フライホイール
D R ： レール試験輪
D W ： 車輪試験輪
モータ
α ： 傾斜敷設角
Railway Technical Research Institute
レール側摩耗の影響因子 – 実験結果
摩耗 [mm]
ゲージ
ジコーナ摩
8
7
6
5
4
3
2
1
0
０゜
０
0
00.3
03゜
0.3
3
アタック角°]
アタック角
円弧 円錐
車輪断面
車輪断面
17kN
17
34kN
34
横 圧
横圧
[
[ｋN]
累積通過トン数 4000万トン相当
Railway Technical Research Institute
急曲線内軌波状摩耗
Railway Technical Research Institute
総研所内試験線走行試験
塗布範囲
L=55m
R100m
L=73m
L
73m
走行方向
R160m
L=187m
測定点(緩和出口)
終点
起点
Railway Technical Research Institute
車両運動シミュレーションの活用
車両のシミ レ シ ンモデル
車両のシミュレーションモデル
ｚ
車 体
1車両モデル
x
ヨーダンパ
x
台車枠
ｚ
y
車 体
枕ばね
台車枠
軸ばね
輪軸
ストッパ
車輪
レール
イメージを表示できません。メモリ不足のためにイメージを開く こ とができないか、イメージが破損している可能性があります。コンピュータ を再起動して再度ファイルを開いてください。それでも赤い x が表示される場合は、イメージを削除して挿入してください。
y
Railway Technical Research Institute
レールから車輪への作用
力
10 kN
潤滑なし
内軌頭頂面潤
滑
Railway Technical Research Institute
潤滑の外軌側横圧への影響
30
シミュレーション
走行試験
横
横圧（kN)
20
10
0
無潤滑
内軌潤滑
外軌GC潤滑
外軌潤滑
Railway Technical Research Institute
摩擦緩和システム
FRIMOS (Friction Moderating System)
S stem)
噴射制御装置
噴射制御装
摩擦緩和材
摩擦緩和材
（標準品）
（標準品）
緩和材
タンク
ノズル
騒音レベル
平均動摩擦係数 μ
k
μ
散布（2回目）
90
k
0.6
散布（１回目）
0.5
平均動
動摩擦係数
騒音レ
レベル（ｄB(A
A))
95
平均粒径
平均粒径
0.2mm
0.2mm
10mm
車輪とレール間に摩擦緩和材を噴射して、
摩耗と騒音を低減します
摩耗と騒音を低減します。
85
168軸（42車両）通過
0.4
248軸（62車両）通過
80
0.3
75
02
0.2
70
0.1
65
0
散布前
24
40
48
72
8096
120 144
120
160
168
192 200
216
240 264
240
280
288
312
320
336
360 384
360
400
408
432 440
456
480 504
480
520
528
0.0
通過軸数
Railway Technical Research Institute
摩擦緩和材による横圧低減効果
25
内軌横圧(kN)
散布
20
15
216軸（54車両）通過
10
5
0
散布前
0 8
40 48
80 88
120128
160168
200208
通過軸数
Railway Technical Research Institute
レールシェリング外観
レ
ルシ リング外観
(転がり接触疲労き裂）
Railway Technical Research Institute
レールシェリング
レ
ルシ リング
模式図と破断面
落ち込んで黒斑になる
起点
水平裂
横裂
Railway Technical Research Institute
レ ル接触面表層の塑性変形例
レール接触面表層の塑性変形例
ダ
ダメージが大きい
ジ 大き
55
5μm
Railway Technical Research Institute
１回の平均研削
削量（mmm/0.5億
億ﾄﾝ）
予防研削によるシェリング抑制効果
0.5億トン毎に0.1ｍｍを目安
0.12
0.10
0.08
y = 5.99×10-3 X + 0.0465
0.06
0 04
0.04
y = 0.127×X 0.155 - 0.083
0.02
0.00
0
2
4
実験値
解析値*
線形近似
対数近似
6
8
10
シェリング発生に至る累積通トン（億ﾄﾝ）
*；実験値の累積通トンごとの分布を仮定し、統計解析により
その分布の５０％推定値を求めた
Railway Technical Research Institute
レール研削
レール研削状況
レール研削車
研削車
Railway Technical Research Institute
耐シェリング： ベイナイトレｰルの開発構想
摩耗限度
摩耗限度
摩耗量
量
ベイナイトレｰル(
ベイナイト鋼)
ベイナイトレｰル
摩耗促進
摩耗促進
（普通レｰルの
（普通レｰルの1.2倍)
1.2倍)
普通
普通レｰル
普通レｰル( パｰライト鋼)
シェリング発生
シ
リ グ発生
シェリング発生
計画寿命
計画寿命
レ ル更換
レｰル更換
累積通過トン数
Railway Technical Research Institute
対する摩
対する摩
摩耗比
摩耗比
現
現用普通
現用普
普通レー
通レール
ールに対
ルに対
ベイナイトレｰル頭頂面の摩耗推移
3
ベイナイト-１
鋼種１
N1E
(HV270)
（東北本線）
新たな材料・保守システム
ベイナイト-２
鋼種２
LC
(HV320)
2
1
普通レール
0
0
100
ベイナイト-３
鋼種３
HLC (HV380)
200
300
通トン百万トン
累積通過トン数，
累積通過トン数
累積通過トン数
累積通過トン数，MGT
通トン百万トン
MGT
Railway Technical Research Institute
5 今後の軌道とメンテナンス
5.
・
・
・
・
車両運動シミュレーションの活用
材料の破壊メカニズムの解明
ズ
新たな材料 構造の開発
新たな材料・構造の開発
車両と軌道の協調
ト タルメンテナンス
トータルメンテナンス
Railway Technical Research Institute
車両運動シミュレーションの活用
統合 デ
統合モデルによる車両応答予測の流れ
る車 応答 測 流れ
車両運動シミ レ シ ンモデル
車両運動シミュレーションモデル
線形ディジタルフィルタ
軌道管理の
ルーティンワーク
軌道検測データ
ラボックスによる処理
車両応答の予測波形
Railway Technical Research Institute
材料の破壊
メカニズムの解明
カ ズム 解明
きしみ割れ
ゲ ジコ ナはく離
ゲージコーナはく離
Railway Technical Research Institute
材料の破壊メカニズムの解明
きしみ割れとはく離対策：
摩耗と疲労の制御
・摩擦緩和(横圧低減)による摩耗低減
・研削と摩耗による疲労層除去
車両と軌道の状況に応じた組合せ
Railway Technical Research Institute
材料の破壊
レール摩耗・損傷モデル
メカニズムの解明
損傷の進行挙動
き裂発生寿命予測 VS
摩耗速度予測
摩耗モデル
摩耗進行速度の推定
シェリングモデル
きしみ割れモデル
シェリング進行速度の推定
きしみ割れ進行速度の推定
Railway Technical Research Institute
材料の破壊メカニズムの解明
道床沈下（塑性変形）メカニズム：
道床沈下（塑性変形）
カ
道床バラストの挙動
バラストを粒状体とするモデル：
ラストを粒状体とする デル
個別要素法（ＤＥＭ）
不連続変形法（ＤＤＡ）
連続変 法（
）
Railway Technical Research Institute
材料の破壊メカニズムの解明
不連続変形（DDA)モデル
まくらぎ
バラスト
• 砕石
砕石：実形状を多角
実形状を多角
形でモデル化(不連続
体モデル
体モデル：DDA)
A)
• まくらぎ：矩形要素
矩 要素
集合体(FEMモデル)
Railway Technical Research Institute
新たな材料・構造の開発
省保守 低騒音新型軌道 開発
省保守・低騒音新型軌道の開発
新 状
新形状レール・ロングレール・直結・プレキャストユニット
直結
新形状レール
新形状レ
ル
可変パッド
変パ ド
弾性材
プレキャストコンクリート
（短繊維補強）
レール抑え
ブロック
現場打ちコンクリート
（短繊維補強）
Railway Technical Research Institute
車両と軌道の協調
→ トータルメンテナンス
・急曲線走行時の乗り心地
・車輪フランジ摩耗／レ ル波状摩耗・側摩耗
・車輪フランジ摩耗／レール波状摩耗・側摩耗
→ 転向横圧・軌道変位
対策
→ 車両性能に応じた軌道変位管理
→ 操舵性の改善＋摩擦緩和システム
→ アクティブ制御（軌道変位に応じた）
Railway Technical Research Institute
おわり
軌道技術研究部
Railway Technical Research Institute