列車通過時振動による分岐器付属部品 の摩耗予測のための有限要素法解析 JR東日本テクニカルセンターとの共同研究 研究背景 分岐器の転換機構 分岐器 ・列車の進行方向を変更 ・転てつ装置により転換 ・様々な種類や寸法が存在 フロントロッド トングレール 転換動作 電気転てつ機という 電動装置によって トングレールを動かす 電気転てつ機 分岐器の転換(JR東日本より) トングレール先端に付属する フロントロッドの位置情報が 電気転てつ機に送られる 位置情報が重要 許容値1.5mm以上の部品 の位置不備(ロック偏移) ↓ 正常な鎖錠が行われない 転換不能につながる 鎖錠異常時[1] [1]：「NS-A形電気転てつ機の鎖錠に関する課題と改善手法」、五十嵐義信、2009 研究背景 衝撃振動と軸受摩耗 後端部(荷重点) 列車がトングレール後端部継目を 通過する際に衝撃振動が発生[2] 中央部軸受(評価点) 鉄道分岐器 ロック偏移に影響大 振動がトングレールを伝わり フロントロッド中央部の 軸受摩耗を引き起こす フロントロッド中央部軸受 転換不能を防ぐため 定期的な交換が必要 [2]：「フロントロッドの改良（鉄道技術研究所速報）」、伊藤周二ほか、1982 フローチャート 分岐器 軸受 背景知識 分岐器の仕組み 転換不能要因 軸受詳細 摩耗量の定式化 実測・試験 営業線列車通過時 振動波形測定 軸受摩耗試験 モデリング手法 解析 予測 分岐器列車通過時振動解析 軸受摩耗予測 軸受摩耗試験 模擬解析 比摩耗量 の適用 営業線振動波形測定 測定概要 ※JR東日本、吉原鉄道工業の協力のもと行われた 目的 列車通過によって生じる波形の特性を確認 特に衝撃入力部の振動波形の把握 モデリング容易な分岐器での測定 条件 通過方向：背向 分岐方向：定位 後端部 肘金部 測定波形 後端部分加速度 フロントロッド肘金加速度 フロントロッド軸力波形 ※サンプリング周波数2000Hz センサ等設置箇所 フロントロッド肘金部 センサ 測定分岐器 トングレール後端部 センサ 有限要素法モデリング・解析条件 モデリング方針 後端部からフロントロッド先端まで 主要部分は形状を再現 ばね要素などによる一部簡略化 分岐器全体FEモデル 分岐器図面 分岐器FEモデル フロントロッド周辺 分岐器振動解析結果 分岐器 鉛直変位コンター動画（変形×20） 軸受 面圧ベクトル動画 動画 分岐器振動解析結果 後端部加速度 荷重入力位置 FEモデル後端部加速度測定位置 後端部（左）鉛直方向加速度（0.03sまで） ・最初のインパルス的な波形が再現 ・最大値、周波数ともに良い一致 ・輪重を考慮すると跳ね返り減 実分岐器後端部加速度測定位置 入力波形、後端部モデルの妥当性 軸受摩耗予測 軸受の摩耗進行 iステップ目で得られたPV積分値×0.01[mm2/N]を摩耗量[mm]に加算 (1.3×106サイクル相当) ライナー半径を変更し、 (i+1)ステップ目の解析を行うことで摩耗進行を再現する 摩耗量の増加傾向 PV積分値分布の傾向 ※可視化 摩耗量×30+初期半径 ※可視化 PV積分値×3.0[mm2/N]+初期半径 摩耗量増加 始：軌間内外方向 後：225°方向 PV積分値の変化 最大値 始：軌間内外方向 後：225°方向 一様摩耗とならない 滑らかな摩耗進行 ステップ毎に 最大値は減少傾向 初期位置などで 摩耗方向は変化し得る 摩耗進行速度は遅くなる といった定性的な傾向把握 ↓ 初期PV積分値で安全側の評価 軸受摩耗予測 実現象を考慮した予測 算出位置 摩耗予測 90°中部 270°中部 105°前部 PV積分値 [N/mm] 3.129 3.304 3.780 1サイクル摩耗量 [mm] 2.360×10-８ 2.492×10-８ 2.851×10-８ 1日あたり摩耗量[mm] 1.183×10-5 1.249×10-5 1.423×10-5 許容摩耗到達年数[年] 116 110 96 信頼度95%上限[年] 145 137 120 信頼度95%下限[年] 96 91 80 ・許容摩耗到達年数は最も早く とも80年と予測 ・車軸別や摩耗進行という現実の 状態を考慮するほど予測年数は 伸びると推測 ↓ 現行交換周期5～7年は過剰に 安全側に設定されていると言える しかし、摩耗で擦り切れる事案は見られた ↓ 極度に摩耗進行を増加させる要因となる 現場調整状態(継目段違い、枕木状態など) の特定が必要 ↓ それらの適切な保守基準の提言
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