JP7711029B2 - Calculation method for rail stress - Google Patents
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Description
本発明は、レールに発生する応力を算定するレール発生応力の算出方法に関するものである。 The present invention relates to a method for calculating rail stress, which calculates the stress generated in a rail.
腐食に伴うレールの損傷は、従来からレール損傷の発生数の大きな部分を占めている。損傷要因として、レール底部領域の腐食によるレール疲労強度の低下が主な要因として考えられ、これまでレール底部の腐食量に着目した研究や検査が行われてきた(非特許文献1参照)。そのための超音波探傷車や超音波探傷装置等が広く用いられている。 Rail damage due to corrosion has traditionally accounted for a large proportion of rail damage occurrences. The main cause of damage is thought to be a decrease in rail fatigue strength due to corrosion in the rail bottom area, and research and inspections have focused on the amount of corrosion in the rail bottom area (see Non-Patent Document 1). For this purpose, ultrasonic flaw detection vehicles and ultrasonic flaw detection devices are widely used.
一方で、軽微なレール底部の腐食であっても、レール損傷が発生することが報告されている(非特許文献2など参照)。その要因として、トンネルの漏水箇所では、繰り返し列車走行でレール頭頂面が局所的に摩耗し、かつ、浮きまくらぎ状態(まくらぎの底面と道床面との間に隙間が生じた状態)の発生にもつながり、総じてレール曲げ応力が増大する。これまで、そのような箇所を抽出できないために、レール損傷を発生させてしまうことがあった。 On the other hand, it has been reported that even minor corrosion at the bottom of the rail can cause rail damage (see, for example, Non-Patent Document 2). One of the causes of this is that at water leak points in tunnels, repeated train travel causes localized wear of the rail head surface and can also lead to a floating sleeper condition (a condition in which a gap occurs between the bottom of the sleeper and the ballast surface), which generally increases rail bending stress. Until now, it has been impossible to identify such points, which has resulted in rail damage.
しかしながら、レール曲げ応力というレール発生応力を得るために、連続的な営業線の任意の位置において、その都度、現地試験を行うことは負担が大きい。他方において、軌道検測データを分析することにより、任意のキロ程におけるレール頭頂面の凹凸やまくらぎ支持状態を把握する手法が提案されている(非特許文献3参照)。 However, conducting on-site tests at any position on a continuous operating line each time in order to obtain rail-induced stress, known as rail bending stress, is a heavy burden. On the other hand, a method has been proposed for determining the unevenness of the rail head surface and the sleeper support condition at any kilometer by analyzing track inspection data (see Non-Patent Document 3).
そこで、本発明は、軌道検測データなどから得られる浮きまくらぎの浮き量とレールの頭頂面の凹凸量とを入力することで、任意の位置のレール発生応力を精度よく算定することができるレール発生応力の算出方法を提供することを目的としている。 The present invention aims to provide a method for calculating rail stress that can accurately calculate rail stress at any position by inputting the amount of floating of a floating sleeper obtained from track inspection data, etc., and the amount of unevenness on the top surface of the rail.
前記目的を達成するために、本発明のレール発生応力の算出方法は、レールに発生する応力を算定するレール発生応力の算出方法であって、前記レールが敷設された軌道の数値解析モデルに、前記レールの頭頂面に生じる凹凸の凹凸波長を設定するステップと、前記数値解析モデルを使って、前記レールの頭頂面の凹凸量毎に、浮きまくらぎの浮き連続数を複数設定して解析を行うステップと、前記解析を行った結果の中から、前記レール発生応力が最大となる前記浮き連続数の応力値と前記浮きまくらぎの浮き量との関係を、前記凹凸量毎に求めるステップと、複数の前記凹凸量の前記応力値と前記浮き量との関係に基づいて、前記浮き量及び前記凹凸量から前記レール発生応力を導く応力推定手段を求めるステップと、前記応力推定手段に、検査対象区間のレールから測定された浮きまくらぎの浮き量とレールの頭頂面の凹凸量とを入力することで、レール発生応力を算定するステップとを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the rail stress calculation method of the present invention is a method for calculating the stress generated in a rail, and is characterized by comprising the steps of: setting the unevenness wavelength of the unevenness generated on the top surface of the rail in a numerical analysis model of the track on which the rail is laid; performing an analysis by setting multiple consecutive numbers of floating sleepers for each amount of unevenness on the top surface of the rail using the numerical analysis model; determining, for each amount of unevenness, the relationship between the stress value of the consecutive number of floating sleepers at which the rail stress is maximized and the amount of floating sleepers from the results of the analysis; determining a stress estimation means for deriving the rail stress from the amount of floating and the amount of unevenness based on the relationship between the stress value of the multiple amounts of unevenness and the amount of floating; and calculating the rail stress by inputting the amount of floating sleepers measured from the rail in the inspection target section and the amount of unevenness on the top surface of the rail to the stress estimation means.
ここで、前記応力推定手段は、前記浮き量及び前記凹凸量と前記レール発生応力との関係式、又は前記浮き量及び前記凹凸量から前記レール発生応力を導く数表であることが好ましい。 Here, the stress estimation means is preferably a relational expression between the amount of lift and the amount of unevenness and the stress generated in the rail, or a numerical table that derives the stress generated in the rail from the amount of lift and the amount of unevenness.
また、前記解析は、前記検査対象区間の軌道の条件及び走行する車両の条件を設定して行われることが好ましい。そして、前記レール発生応力は、前記レールの底部に発生するレール底部発生応力とすることができる。 The analysis is preferably performed by setting the track conditions of the inspection target section and the conditions of the running vehicles. The rail stress can be rail bottom stress that occurs at the bottom of the rail.
このように構成された本発明のレール発生応力の算出方法では、軌道の数値解析モデルにレールの頭頂面に生じる凹凸の凹凸波長を設定し、レールの頭頂面の凹凸量毎に、浮きまくらぎの浮き連続数を複数設定して解析を行う。さらに、解析を行った結果に基づいて、浮き量及び凹凸量からレール発生応力を導く応力推定手段を求める。 In the method for calculating rail stress of the present invention, which is configured in this way, the wavelength of the unevenness occurring on the top surface of the rail is set in the numerical analysis model of the track, and the analysis is performed by setting multiple numbers of consecutive floating sleepers for each amount of unevenness on the top surface of the rail. Furthermore, based on the results of the analysis, a stress estimation means is found that derives rail stress from the amount of floating and the amount of unevenness.
このため、検査対象区間の軌道検測データなどから得られる浮きまくらぎの浮き量とレールの頭頂面の凹凸量を、応力推定手段に入力することで、任意の位置のレール発生応力を精度よく算定することができるようになる。 Therefore, by inputting the amount of floating of the floating sleeper and the amount of unevenness of the rail top surface obtained from track inspection data for the inspection target section into the stress estimation means, it becomes possible to accurately calculate the stress generated in the rail at any position.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態のレール発生応力の算出方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Figure 1 is a flowchart illustrating the process flow of the rail stress calculation method of this embodiment.
レールは、腐食に伴って損傷することが知られている。レール損傷の発生数において、損傷が原因となっているものは多数ある。損傷要因としては、上述したように、レール底部領域の腐食によるレールの疲労強度の低下が考えられている。 It is known that rails are damaged due to corrosion. Many rail damage cases are caused by damage. As mentioned above, it is believed that the cause of the damage is a decrease in fatigue strength of the rail due to corrosion in the bottom area of the rail.
また、軽微なレール底部の腐食であっても、レール損傷が発生することも知られている。その要因として、トンネルの漏水箇所などで、繰り返し列車走行によってレール頭頂面が局所的に摩耗して、浮きまくらぎ状態が発生することが挙げられている。また、レール溶接部においては、溶接金属の硬さや盛り上がりによってレール凹凸が生じ、浮きまくらぎ状態が発生することも想定できる。そこで、そのような箇所を早期に抽出して、レール損傷を防いだり、損傷箇所に対して早期に処置を行えるようになることが望ましい。 It is also known that even minor corrosion at the bottom of the rail can cause rail damage. One of the causes of this is said to be localized wear on the top surface of the rail due to repeated train travel at water leak points in tunnels, resulting in a floating sleeper. It is also possible that at rail welds, the hardness and swelling of the weld metal can cause rail unevenness, resulting in a floating sleeper. It is therefore desirable to be able to identify such areas at an early stage and prevent rail damage or take early action on damaged areas.
本実施の形態のレール発生応力の算出方法は、鉄道の営業線などの任意のレール位置(キロ程)におけるレールに発生する応力の算定を可能にする。任意のレール位置のレール発生応力が精度よく得られれば、レールの劣化につながる支配的な要因の解明にもつなげることができる。 The rail stress calculation method of this embodiment makes it possible to calculate the stress generated in the rail at any rail position (kilometers) on a railway operating line, etc. If the rail stress at any rail position can be obtained with high accuracy, it can also lead to elucidation of the dominant factors that lead to rail deterioration.
列車通過時のレールの底部に発生する曲げ応力は、レールの頭頂面の凹凸量、浮きまくらぎの状態、輪重などの車両の条件などから推定することができる。ここで、「輪重」とは、列車の重量から主に決まる、車輪からレールに作用する鉛直荷重をいう。本実施の形態では、軌道検測車で測定された軌道検測データや、頭頂面の凹凸及び浮きまくらぎが無い箇所の現地測定で得られた輪重や、静止輪重などを、車両の条件となる輪重として使用する。輪重は、車両の諸元から設定することもできる。 The bending stress generated at the bottom of the rail when a train passes can be estimated from vehicle conditions such as the amount of unevenness on the top surface of the rail, the state of the floating sleepers, and wheel load. Here, "wheel load" refers to the vertical load acting on the rail from the wheels, which is determined mainly by the weight of the train. In this embodiment, the wheel load, which is a condition of the vehicle, is determined by track inspection data measured with a track inspection car, wheel load obtained by on-site measurement of a location without unevenness on the top surface or floating sleepers, static wheel load, etc. Wheel load can also be set from the vehicle specifications.
レールの頭頂面に存在する凹凸の深さは、凹凸量(頭頂面凹凸量)とする。また、まくらぎ底面と道床面との間に隙間が生じた状態を「浮きまくらぎ」と呼び、その隙間の量を浮き量(浮きまくらぎ量)とする。 The depth of the unevenness on the top surface of the rail is the amount of unevenness (top surface unevenness). Also, a gap between the bottom of the sleeper and the ballast surface is called a "floating sleeper," and the amount of this gap is the amount of floating (floating sleeper amount).
近年は、軌道検測技術等が高度化したことによって、凹凸量や浮き量を、各レール位置におけるパラメータとすることができる。レールの凹凸量に関しては、軌道検測から得られる軸箱加速度から推定する手法(例えば、「軸箱加速度を用いたレール頭頂面凹凸評価手法に関する検討」(進外2名、土木学会年次学術講演会、Vol.55、VI-269、1999)など)や、非特許文献3で示した連続的に測定する手法などがある。 In recent years, with the advancement of track inspection technology, it has become possible to treat the amount of unevenness and the amount of floating as parameters at each rail position. Regarding the amount of rail unevenness, there are methods to estimate it from the axle box acceleration obtained from track inspection (for example, "Study on a method for evaluating rail top surface unevenness using axle box acceleration" (Susumu Gani, 2nd Annual Academic Lecture Meeting of the Japan Society of Civil Engineers, Vol. 55, VI-269, 1999)) and a continuous measurement method as shown in Non-Patent Document 3.
また、浮きまくらぎを推定するための技術は、特開2020-16094号公報や「軌道変位データに基づく浮きまくらぎ検出手法」(楠田外2名、土木学会論文集、Vol.59、No.66、pp.33-35、2012)などに開示がある。 In addition, technology for estimating floating sleepers is disclosed in JP 2020-16094 A and in "Method for detecting floating sleepers based on track displacement data" (Kusuda et al., Journal of the Japan Society of Civil Engineers, Vol. 59, No. 66, pp. 33-35, 2012).
続いて、図2を参照しながら、浮きまくらぎを設定した輪重変動シミュレーションについて説明する。浮きまくらぎを設定した輪重変動シミュレーションとは、図2に示すように、浮きまくらぎを設定した車両走行の数値解析モデルによる数値解析である。 Next, we will explain the wheel load fluctuation simulation with floating sleepers, with reference to Figure 2. The wheel load fluctuation simulation with floating sleepers is a numerical analysis using a numerical analysis model of vehicle travel with floating sleepers, as shown in Figure 2.
この数値解析モデルでは、鉄道の軌道及び車両の各部材を質点とばねで表現し、車両が走行したときの動的な運動を計算することができる。レールには凹凸量(頭頂面凹凸量)を模擬した変位を、まくらぎ下のばねには、浮き量を模擬したばね特性を入力することができる。 In this numerical analysis model, each component of the railway track and vehicle is represented as a mass point and a spring, making it possible to calculate the dynamic movement when the vehicle is running. Displacement simulating unevenness (top surface unevenness) can be input to the rail, and spring characteristics simulating the amount of lift can be input to the springs under the sleepers.
そこで図3に、軌道の現地測定が行われた箇所の実測値となる浮き量及び凹凸量を示す。この図には、現地測定での測点の番号と、車両の走行方向(A方向、B方向)を示している。この実測値の中では、測点(4)において、浮き量及び凹凸量が最大となっている。 Figure 3 shows the amount of floating and unevenness, which are the actual measured values at the points where on-site measurements of the track were conducted. This figure shows the number of the measurement point at the on-site measurement and the direction of travel of the vehicle (direction A, direction B). Among these actual measurements, the amount of floating and unevenness is greatest at measurement point (4).
そこで、これらの実測値を数値解析モデルに入力し、現地の軌道及び車両の条件をパラメータとして、レールの底部に発生する応力を、レール発生応力(レール底部発生応力)をとして算出した。 These measured values were then input into a numerical analysis model, and the stress generated at the bottom of the rail was calculated as rail generated stress (stress generated at the bottom of the rail) using the local track and vehicle conditions as parameters.
図4は、数値解析と現地試験の応力時刻歴波形を比較するための図であって、図4(a)は数値解析結果を示し、図4(b)は現地試験の測定結果を示している。ここで、応力時刻歴波形は、軌道の状態が同じであっても、走行する車両の条件(走行方向、走行速度、輪重など)が変わると、異なる結果を示すことになる。 Figure 4 is a diagram for comparing the stress time history waveforms of numerical analysis and field testing, where Figure 4(a) shows the numerical analysis results and Figure 4(b) shows the measurement results of the field testing. Here, even if the track conditions are the same, the stress time history waveform will show different results if the conditions of the running vehicle (running direction, running speed, wheel load, etc.) change.
現地試験及び数値解析は、ある軌道に対して、車両の条件を変えた複数の試番で行われ、図4はその一例を示している。この図に示した試番では、いずれの測点においても、現地試験結果と数値解析結果とが、よく一致していることがわかる。また、他の試番においても、同様の結果が示された。 On-site testing and numerical analysis were performed on a certain track using multiple test numbers with different vehicle conditions, and Figure 4 shows an example. For the test number shown in this figure, it can be seen that the on-site test results and numerical analysis results are in good agreement at all measurement points. Similar results were also obtained for other test numbers.
そこで、図5に、数値解析結果の現地試験結果に対する相対誤差をまとめて示した。図5(a)は車両の走行方向がA方向の場合を示し、図5(b)は車両の走行方向がB方向の場合を示している。 Figure 5 shows the relative error of the numerical analysis results compared to the field test results. Figure 5(a) shows the case where the vehicle travels in direction A, and Figure 5(b) shows the case where the vehicle travels in direction B.
この図5は、測点(4)におけるピーク応力の現地試験結果に対する数値解析結果の相対誤差を示している。数値解析モデルの計算結果は、A方向の試番5(図5(a))を除いて相対誤差が20%以内となっている。このため、上述した数値解析モデルは、浮きまくらぎ及びレール凹凸がある軌道のレール発生応力を、精度良く計算できていると考えられる。そこで、以下では、本数値解析モデルを、レール底部発生応力のシミュレーションに使用する。 Figure 5 shows the relative error of the numerical analysis results against the field test results for peak stress at measurement point (4). The calculation results of the numerical analysis model have a relative error of within 20%, except for test number 5 in the A direction (Figure 5(a)). For this reason, it is believed that the above-mentioned numerical analysis model is able to accurately calculate the stress generated in the rail of a track with floating sleepers and rail irregularities. Therefore, in the following, this numerical analysis model will be used to simulate the stress generated at the bottom of the rail.
レール底部発生応力のシミュレーションを行うに際しては、上述したように、数値解析モデルのレールの頭頂面に、凹凸量を設定する必要がある。レール凹凸には、様々な分布が存在すると考えられるが、その中でレール底部発生応力に寄与するレール凹凸の特徴について検討する。 When simulating stress generated at the rail bottom, as mentioned above, it is necessary to set the amount of unevenness on the rail top surface of the numerical analysis model. There are thought to be various distributions of rail unevenness, but we will examine the characteristics of rail unevenness that contribute to stress generated at the rail bottom.
ここでは例として、トンネル漏水箇所におけるレール凹凸を対象とする。浮き量が0の条件で、正弦波状のレール頭頂面の落ち込みを、その波長を様々に変えて設定して、レール底部発生応力を計算した結果を、図6に示す。 As an example, we will look at rail unevenness at a tunnel water leak location. Figure 6 shows the results of calculating the stress generated at the bottom of the rail by setting the sinusoidal rail head surface depression with various wavelengths under the condition that the amount of lift is 0.
詳細には図6は、横軸を凹凸振幅とし、縦軸をレール底部発生応力としたグラフに、レール頭頂面の凹凸量を複数の波長の正弦波によって近似した値(波長0.256m(凡例:〇),波長0.512m(凡例:□),波長0.768m(凡例:△))と、現地測定箇所(凡例:×)及び破断現場(破断例1,破断例2)で測定された凹凸量とを、レール底部発生応力との関係でプロットした図である。 In detail, Figure 6 is a graph with the horizontal axis representing the amplitude of unevenness and the vertical axis representing the stress generated at the bottom of the rail, which plots the amount of unevenness on the rail top surface approximated by sine waves of multiple wavelengths (wavelength 0.256 m (legend: ◯), wavelength 0.512 m (legend: □), wavelength 0.768 m (legend: △)) as well as the amount of unevenness measured at the on-site measurement location (legend: ×) and at the fracture site (fracture example 1, fracture example 2) in relation to the stress generated at the bottom of the rail.
レール凹凸の波長は、小さい方(波長0.256m(凡例:〇))がレール底部発生応力が大きくなることは知られており、図6においてもこの傾向は確認できる。一方において、現地測定箇所及び破断現場において得られたレールの凹凸量を数値解析モデルに入力した場合では、算出されたレール底部発生応力は、ほぼ波長0.512m(凡例:□)の正弦波状のレール凹凸を入力した場合の計算結果上にプロットされた。 It is known that the smaller the wavelength of rail irregularities (wavelength 0.256 m (legend: circle)), the greater the stress generated at the bottom of the rail, and this tendency can be seen in Figure 6. On the other hand, when the amount of rail irregularity obtained at the on-site measurement point and the fracture site was input into the numerical analysis model, the calculated stress generated at the bottom of the rail was plotted on top of the calculation results when a sinusoidal rail irregularity with a wavelength of approximately 0.512 m (legend: square) was input.
したがって、数値解析モデルのレール凹凸は、トンネル漏水箇所では波長0.5mの正弦波で設定することで、レール底部発生応力に関係するレールの凹凸量を考慮することができるようになると言える。 Therefore, it can be said that by setting the rail irregularity in the numerical analysis model to a sine wave with a wavelength of 0.5 m at the tunnel leakage location, it is possible to take into account the amount of rail irregularity that is related to the stress generated at the bottom of the rail.
なお、この例ではトンネル漏水箇所におけるレール凹凸を対象としたが、例えばレール溶接部においては、溶接金属の硬さや盛り上がりによってレール凹凸の波長が異なることが予想される。したがって、レール溶接部等その他のレール凹凸についても、現場のレール凹凸と正弦波状のレール凹凸を入力した解析結果とを比較することにより、本計算手法を適用するためのレール凹凸の波長を設定することになる。 In this example, the target was rail unevenness at the tunnel water leakage point, but for example, at rail welds, the wavelength of rail unevenness is expected to vary depending on the hardness and bulge of the weld metal. Therefore, for rail welds and other rail unevenness, the wavelength of rail unevenness for applying this calculation method can be set by comparing the on-site rail unevenness with the analysis results in which sinusoidal rail unevenness is input.
続いて、レール底部発生応力に寄与する浮きまくらぎの特徴について説明する。浮きまくらぎは、その浮き量と浮きまくらぎの連続数(浮き連続数)がレール底部発生応力に関係する。浮きまくらぎに伴うレール底部発生応力は、浮き部において車両の通過時に軌道が変形して、レールに曲率が発生することで生じる。 Next, we will explain the characteristics of floating sleepers that contribute to stress generated at the bottom of the rail. The amount of floating of a floating sleeper and the number of consecutive floating sleepers (number of consecutive floating sleepers) are related to the stress generated at the bottom of the rail. Stress generated at the bottom of the rail due to floating sleepers is caused by deformation of the track when a vehicle passes over the floating part, which creates a curvature in the rail.
レールに発生する曲率が最大になる条件は、梁となるレールが支持まくらぎ間で単純支持され、かつ車両走行時にまくらぎ下面がバラスト上面と接触しない状態のときである。すなわち、浮き量が大きくても浮き連続数が大きい場合は、まくらぎ下面がバラスト上面と接触して応力が大きくならないケースなどが想定できる。図7は、浮きまくらぎ状態における軌道の変形を説明する図であって、図7(a)はレール底部発生応力が最大にならない場合の模式図、図7(b)はレール底部発生応力が最大になる場合の模式図である。 The condition for the curvature of the rail to be at its maximum is when the rail, which acts as a beam, is simply supported between the support sleepers, and the underside of the sleeper does not come into contact with the top surface of the ballast when the vehicle is running. In other words, even if the amount of floating is large, if the number of consecutive sleepers is large, it is possible to imagine a case where the underside of the sleeper comes into contact with the top surface of the ballast and stress does not become large. Figure 7 is a diagram explaining the deformation of the track when there are floating sleepers, with Figure 7(a) being a schematic diagram when the stress generated at the bottom of the rail is not at its maximum, and Figure 7(b) being a schematic diagram when the stress generated at the bottom of the rail is at its maximum.
要するに、レールに発生する曲率が最大になる条件を満たす浮き量と浮き連続数との関係は、輪重(車両からレールに負荷される力)や凹凸量との重畳、走行条件(走行方向、走行速度)などによって変化する。そのため、浮きまくらぎについては、浮き量と浮きまくらぎの連続数の2つをパラメータとすることにする。 In short, the relationship between the amount of floating and the number of consecutive floating sleepers that meets the condition for maximizing the curvature of the rail varies depending on the wheel load (the force applied to the rail by the vehicle), the amount of unevenness, and the running conditions (running direction and running speed). Therefore, for floating sleepers, the two parameters are the amount of floating and the number of consecutive floating sleepers.
続いて、浮きまくらぎの状態(浮き量、浮き連続数)と凹凸量とを変数としたパラメトリックスタディについての説明を行う。上述したように、レール凹凸についてはその凹凸量を、浮きまくらぎについては浮き量及び浮き連続数を変数として、数値解析モデルにこれらのレール凹凸及び浮きまくらぎの設定をして、パラメトリックスタディを行った。 Next, we will explain the parametric study that uses the state of the floating sleepers (amount of floating, number of consecutive floating sleepers) and the amount of unevenness as variables. As mentioned above, the amount of unevenness was used as a variable for rail unevenness, and the amount of floating and number of consecutive floating sleepers were used as variables for the floating sleepers. These rail unevenness and floating sleepers were set in the numerical analysis model, and a parametric study was performed.
レール凹凸の波長は、前述の通りトンネル漏水箇所においては0.5mである。図8は、ある凹凸量のときの浮き量と浮き連続数に応じて、発生するレール底部発生応力を説明する関係図である。図8では、凹凸量が4mmの場合を例示した。 As mentioned above, the wavelength of rail irregularities is 0.5 m at the tunnel leakage point. Figure 8 is a relationship diagram that explains the stress generated at the bottom of the rail depending on the amount of floating and the number of consecutive floating for a certain amount of unevenness. Figure 8 shows an example where the amount of unevenness is 4 mm.
この図8から分かる通り、ある凹凸量(この図では4mm)と浮き量に対して、レール底部発生応力が最大となる浮き連続数は異なっている。例えば、凹凸量が4mmで浮き量が11mmの場合に、レール底部発生応力が最大となる浮き連続数は5本である(△の凡例の矢印を付したプロットを参照)。 As can be seen from Figure 8, the number of consecutive floatings at which the stress generated at the rail bottom is maximum varies depending on the amount of unevenness (4 mm in this figure) and the amount of floating. For example, when the amount of unevenness is 4 mm and the amount of floating is 11 mm, the number of consecutive floatings at which the stress generated at the rail bottom is maximum is 5 (see the plot with the arrow in the △ legend).
ここで、最終的にレール底部発生応力を算出するに際して、浮き量と凹凸量の2変数を入力値にすることを想定する。ところが上述したように、浮きまくらぎについては、浮き量と浮き連続数とが変数になっている。そこで、パラメトリックスタディの結果のうち、ある凹凸量及び浮き量について、レール底部発生応力が最大となる浮き連続数の応力値を、レール底部発生応力の代表値として採用する。 Here, we assume that two variables, the amount of lift and the amount of unevenness, will be used as input values when finally calculating the stress generated at the bottom of the rail. However, as mentioned above, for a lifted sleeper, the variables are the amount of lift and the number of consecutive lifts. Therefore, from the results of the parametric study, for a certain amount of unevenness and amount of lift, the stress value of the number of consecutive lifts that maximizes the stress generated at the bottom of the rail is adopted as the representative value of the stress generated at the bottom of the rail.
様々な凹凸量の浮き量について、レール底部発生応力が最大となる浮き連続数の応力値を抽出した結果を、図9に示す。例えば、図9内の矢印を付したプロット(×印)は、図8内の矢印を付した凹凸量4mmにおいて浮き連続数が5本で浮き量が11mmのプロット(△印)の応力値と同一の値である。要するに図9には、浮き連続数は現れない。 Figure 9 shows the results of extracting the stress value for the number of consecutive floats that maximizes the stress generated at the rail bottom for various amounts of float with various unevenness. For example, the plot with an arrow in Figure 9 (marked with an x) is the same stress value as the plot with an arrow in Figure 8 (marked with a triangle) where the unevenness is 4 mm, there are 5 consecutive floats, and the amount of float is 11 mm. In other words, the number of consecutive floats does not appear in Figure 9.
この図9に示すように整理された、複数の凹凸量(この図では、凹凸量が1mmから5mmの5ケース)の浮き量とレール底部発生応力との関係から、レール底部発生応力σmを推定するための関係式を求める。 From the relationship between the amount of uplift for multiple amounts of unevenness (in this figure, five cases with amounts of unevenness ranging from 1 mm to 5 mm) and the stress generated at the rail bottom, organized as shown in Fig. 9, a relational equation for estimating the stress generated at the rail bottom, σ m, is obtained.
要するに、図9に示したデータを使って、浮き量dと凹凸量zとを変数にした重回帰分析を行って、次式の関係式を求める。
σm=az + bd + c
ここで、係数aは16.4、係数bは6.5、係数cは31.4となった。この重回帰式の重相関係数はR2=0.844で、t値及びp値についても、有意性を示す結果が得られた。
In short, using the data shown in FIG. 9, multiple regression analysis is performed with the floating amount d and the unevenness amount z as variables to obtain the following relational expression.
σ m = az + bd + c
Here, coefficient a was 16.4, coefficient b was 6.5, and coefficient c was 31.4. The multiple correlation coefficient of this multiple regression equation was R2 = 0.844, and the t-value and p-value also showed significant results.
一方、図10は、レール底部発生応力を算出するための数表を例示した説明図である。レール底部発生応力σmを算定するには、上記関係式に浮き量dと凹凸量zとを入力して計算により求めることもできるが、図10に示すような数表を、予め作成しておくこともできる。 On the other hand, Fig. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a numerical table for calculating the stress generated at the rail bottom. The stress generated at the rail bottom σm can be calculated by inputting the floating amount d and the unevenness amount z into the above relational expression, but it is also possible to prepare a numerical table such as that shown in Fig. 10 in advance.
要するに、検査対象区間のレールの検測によって浮きまくらぎの浮き量と凹凸量とが得られたときに、図10の数表の行列にそれらの測定値を当てはめて、交差する欄に記載された応力値を読み取るだけで、簡単にレール底部発生応力を算定することができる。 In short, when the amount of lift and unevenness of the loose sleeper are obtained by measuring the rail in the section to be inspected, the stress generated at the bottom of the rail can be easily calculated by simply applying these measurements to the matrix in the table in Figure 10 and reading the stress values recorded in the intersecting columns.
次に、本実施の形態のレール発生応力の算出方法について、図1に示したフローチャートを参照しながら順に説明する。
まずステップS1では、図2を使って説明したような数値解析モデルを作成する。
Next, a method for calculating rail stress according to this embodiment will be described in detail with reference to the flow chart shown in FIG.
First, in step S1, a numerical analysis model such as that described with reference to FIG. 2 is created.
数値解析モデルには、ステップS2において、レールの頭頂面に生じる凹凸の凹凸波長を設定することになる。この凹凸波長の設定については、図6を参照しながら上述したように、検査対象区間の軌道から得られた測定値を使った解析を行ってから設定することができる。 In step S2, the wavelength of the irregularities occurring on the top surface of the rail is set in the numerical analysis model. This wavelength of irregularities can be set after performing an analysis using the measured values obtained from the track of the section to be inspected, as described above with reference to Figure 6.
また、トンネルの漏水箇所やレール溶接部など、検査対象区間の状況が明らかな場合は、状況が類似する他区間で設定した凹凸波長を、そのまま利用することができる。例えば、検査対象区間がトンネル漏水箇所であれば、レール凹凸の凹凸波長を0.5mに設定することができる。 In addition, if the condition of the section to be inspected is clear, such as a tunnel leak or rail welds, the irregularity wavelength set in other sections with similar conditions can be used as is. For example, if the section to be inspected is a tunnel leak, the irregularity wavelength of the rail irregularities can be set to 0.5 m.
ステップS2では、考慮する必要がある凹凸の振幅(凹凸量)の範囲についても設定する。一方、ステップS3では、浮きまくらぎの状態を示す浮き量及び浮きまくらぎの連続数(浮き連続数)について、検査対象区間で考慮すべき範囲を設定する。 In step S2, the range of the amplitude of unevenness (amount of unevenness) that needs to be taken into consideration is also set. Meanwhile, in step S3, the range of the amount of floating, which indicates the state of the floating sleeper, and the number of consecutive floating sleepers (number of consecutive floating sleepers) that should be taken into consideration in the inspection target section are set.
さらに、ステップS4では、軌道の条件及び車両の条件の設定を行う。軌道の条件には、敷設からの経過年数、レールのサイズ、曲線区間の情報などが該当する。また、車両の条件は、検査対象区間の軌道を走行する列車の車両に関する情報で、列車の重量や輪重などが該当する。 Furthermore, in step S4, the track conditions and vehicle conditions are set. The track conditions include the number of years since installation, the size of the rails, and information about the curved section. The vehicle conditions include information about the train cars that will run on the track in the section being inspected, such as the train's weight and wheel load.
そして、設定された凹凸の振幅(凹凸量)の範囲内で、数値解析モデルを使って数値解析を行う。この際、浮きまくらぎについては、浮き量と浮き連続数を、ステップS3で設定した範囲の任意の値にする。 Then, a numerical analysis is performed using the numerical analysis model within the range of the set unevenness amplitude (amount of unevenness). At this time, for the floating sleepers, the amount of floating and the number of consecutive floating sleepers are set to any value within the range set in step S3.
ステップS5では、数値解析結果から、浮き量及び凹凸量に対して、上記したような重回帰分析の関係式、図10に示したような数表又は両方を、応力推定手段として作成する。一方、検査対象区間においては、軌道検測車を走行させたり、作業員などが測定したりするなどして、レール位置に紐付けられた浮き量及び凹凸量を取得する。軌道検測車を走行させる際に、輪重を測定することもできる。 In step S5, from the results of the numerical analysis, the above-mentioned multiple regression analysis relational equation, a numerical table as shown in FIG. 10, or both are created as stress estimation means for the amount of lift and the amount of unevenness. Meanwhile, in the section to be inspected, the amount of lift and the amount of unevenness linked to the rail position are obtained by running a track inspection car or by having workers measure. The wheel load can also be measured when running the track inspection car.
また、一定速度で軌道検測車を走行させ、測定時刻を測定値に紐付けておくことで、レール位置を示す位置情報に変換することができる。その他にも、GPS(Global Positioning System)に基づく位置情報を、測定値に紐付けることもできる。 In addition, by running a track inspection vehicle at a constant speed and linking the measurement time to the measurement value, it is possible to convert the data into location information indicating the rail position. In addition, location information based on the Global Positioning System (GPS) can also be linked to the measurement value.
検査対象区間のレール位置に紐付けられた浮き量及び凹凸量が取得されると、そのレール位置に発生するレール底部発生応力を、上記した関係式又は数表によって算定することができる。 Once the amount of lift and unevenness associated with the rail position in the inspected section is obtained, the rail bottom stress occurring at that rail position can be calculated using the above-mentioned relational equation or table.
このレール底部発生応力の算定は、測定値が得られた軌道の全線にわたって行うこともできるが、演算負荷を軽減するために、凹凸量や浮き量などの各パラメータのいずれか又は両方が閾値を超えたキロ程についてだけ実施することもできる。 This calculation of the stress generated at the bottom of the rail can be performed for the entire length of the track for which measurements were obtained, but to reduce the computational load, it can also be performed only for the kilometers where one or both of the parameters, such as the amount of unevenness or the amount of lift, exceed a threshold value.
次に、本実施の形態のレール発生応力の算出方法の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態のレール発生応力の算出方法では、軌道の数値解析モデルにレールの頭頂面に生じる凹凸の凹凸波長を設定し、レールの頭頂面の凹凸量毎に、浮きまくらぎの浮き連続数を複数設定して解析を行う。
Next, the operation of the method for calculating rail stress according to this embodiment will be described.
In the method for calculating stress generated in a rail according to this embodiment, which is configured as described above, an unevenness wavelength of the unevenness occurring on the top surface of the rail is set in a numerical analysis model of the track, and multiple numbers of consecutive floating sleepers are set for each amount of unevenness on the top surface of the rail, and analysis is performed.
さらに、解析を行った結果に基づいて、浮き量及び凹凸量からレール底部発生応力などのレール発生応力を算定することができる上記関係式や数表(図10参照)を、応力推定手段として求める。 Furthermore, based on the results of the analysis, the above-mentioned relational expressions and numerical tables (see Figure 10) are obtained as stress estimation means, which can calculate rail stresses such as rail bottom stresses from the amount of lift and unevenness.
このため、検査対象区間の軌道検測データなどから得られる浮きまくらぎの浮き量とレールの頭頂面の凹凸量を、関係式や数表などに入力することで、任意の位置のレール発生応力を精度よく算定することができるようになる。 Therefore, by inputting the amount of floating of the floating sleeper and the amount of unevenness of the rail top surface obtained from track inspection data for the inspection section into a relational equation or a mathematical table, it becomes possible to accurately calculate the stress generated in the rail at any position.
すなわち、連続的な営業線の任意の位置において、その都度、現地試験を行うというコストや時間のかかる負担をなくして、レールの劣化につながる支配的な要因の解明に寄与するレール発生応力を、容易に取得することができるようになる。 In other words, it will be possible to easily obtain rail stresses that contribute to elucidating the dominant factors that lead to rail deterioration, without the costly and time-consuming burden of conducting on-site tests at any location on a continuous operating line each time.
また、レール位置に関連付けられたレール発生応力が算定できれば、レール損傷が発生する可能性があるレール位置を早期に抽出して、レール損傷を防いだり、損傷箇所に対して早期に処置を行えたりするようになる。 Furthermore, if it is possible to calculate rail stress associated with rail position, rail positions where rail damage may occur can be identified at an early stage, making it possible to prevent rail damage or take early action on damaged areas.
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。 The embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and design changes that do not deviate from the gist of the present invention are included in the present invention.
例えば前記実施の形態では、レール底部発生応力をレール発生応力として説明したが、これに限定されるものではなく、レールの状態を示す応力であれば、レールの別の部位に発生する応力であってもよい。 For example, in the above embodiment, the stress occurring at the bottom of the rail was described as the rail stress, but this is not limited to this, and the stress may occur in another part of the rail as long as it is a stress that indicates the condition of the rail.
また、前記実施の形態では、検査対象区間において改めて関係式又は数表を作成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、作成済みの関係式又は数表が適用できるのであれば、検査対象区間において関係式や数表を作成する手間を省略することができる。 In addition, in the above embodiment, a case where a relational equation or a numerical table is newly created in the section to be inspected is described, but this is not limited to this, and if a relational equation or a numerical table that has already been created can be applied, the effort of creating a relational equation or a numerical table in the section to be inspected can be eliminated.
Claims (4)
前記レールが敷設された軌道の数値解析モデルに、前記レールの頭頂面に生じる凹凸に相当する凹凸波長を設定するステップと、
前記数値解析モデルを使って、前記レールの頭頂面の凹凸量毎に、浮きまくらぎの浮き連続数を複数設定して解析を行うステップと、
前記解析を行った結果の中から、前記レール発生応力が最大となる前記浮き連続数の応力値と前記浮きまくらぎの浮き量との関係を、前記凹凸量毎に求めるステップと、
複数の前記凹凸量の前記応力値と前記浮き量との関係に基づいて、前記浮き量及び前記凹凸量から前記レール発生応力を導く応力推定手段を求めるステップと、
前記応力推定手段に、検査対象区間のレールから軌道検測によって測定された浮きまくらぎの浮き量とレールの頭頂面の凹凸量とを入力することで、レール発生応力を算定するステップとを備え、
前記凹凸波長は、予め実測して得られた凹凸量とレール発生応力との関係に基づいて正弦波の波長を求めることで設定されることを特徴とするレール発生応力の算出方法。 A method for calculating stress generated in a rail, comprising the steps of:
setting an irregularity wavelength corresponding to irregularities occurring on a top surface of the rail in a numerical analysis model of the track on which the rails are laid;
a step of performing an analysis by using the numerical analysis model while setting a plurality of numbers of consecutive floating sleepers for each unevenness amount of the rail head surface;
determining, for each of the irregularities, a relationship between the stress value of the number of consecutive lifts at which the rail stress is maximized and the amount of lift of the lifted sleeper from the results of the analysis;
determining a stress estimation means for deriving the rail generated stress from the amount of lift and the amount of unevenness based on a relationship between the stress value of a plurality of the amounts of unevenness and the amount of lift;
a step of calculating stress generated in the rail by inputting the amount of lift of the lifted sleeper and the amount of unevenness of the rail head surface measured by track inspection from the rail in the inspection target section to the stress estimation means ,
A method for calculating stress generated in a rail, characterized in that the unevenness wavelength is set by determining the wavelength of a sine wave based on the relationship between the amount of unevenness obtained by a previous actual measurement and the stress generated in the rail.
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