車輪踏面熱き裂の発生メカニズムと対策法
１．はじめに
車輪踏面熱き裂（図１）は踏面ブレーキ使用車両の一部において車輪踏面全周に発生する表面き裂で、き裂の除去に頻繁な車輪削正を要することから車両検修上の課題となっています。踏面熱き裂について車両設計上抜本的な対策を講じるためには熱き裂の発生メカニズムと発生条件が明示される必要があります。しかしながら従来は定性的な仮説しか検討例が無く試験機で検証された事例もないため、これらは不明でした。本研究では踏面熱き裂を阻止できる車両設計指標の提示を視野に、発生メカニズムの解明を図りました。
２．踏面熱き裂再現試験
車輪に踏面ブレーキが作用した際の摩擦特性や温度影響はブレーキダイナモ試験機によるブレーキ性能試験によって評価されます。従来、実物車輪と実物制輪子による試験では実車を上回る過酷な条件でも踏面熱き裂が生成した例はありません。今回、車輪と制輪子に加え車輪とレールとの転動接触を再現するため軌条輪を加えた試験（図２）を実施した結果、実車で見られるのと同等の踏面熱き裂の再現生成に成功しました（図３）。この結果、制輪子による摩擦熱と転がり接触の同時負荷が踏面熱き裂の発生要因であることが分かりました。
３．材料調査と数値解析
踏面熱き裂の発生メカニズムを解明するため、熱き裂発生部の温度および応力状態を材料調査および数値解析により推定しました。熱き裂発生部近傍では車輪鋼の金属組織が製造時のパーライト組織からフェライトの微細組織に変化していました（図４）。この組織を詳細に調査した結果、連続再結晶と呼ばれる特殊な組織変化が生じており、このことからその領域の温度が最大500℃以上に達していることが分かりました。応力状態については、破面観察の結果熱き裂進展時の荷重モードが開口型（モードⅠ）であると推定されました。さらに数値解析（図５）により、踏面制輪子の接触状態によっては踏面ブレーキの熱負荷によって車輪踏面近傍に停止ブレーキ動作毎に引張残留応力が発生することを見出しました。
また、実車および実験で熱き裂が発生した車輪の残留応力状態を測定したところ、両者とも表面深さ1mm以内の領域を除いて製造時に付与された圧縮残留応力が残っており、踏面熱き裂自体は車輪割損に対する安全性に影響しないことを確認しました。
４．発生メカニズムの推定と検証試験
材料調査と数値解析の知見に基づき、踏面熱き裂の発生主要因が「車輪／レール間接線力」（車輪／レール間の駆動力の伝達に伴って車輪円周方向にはたらく力）と「残留応力」であると仮定し、この仮説を検証するための試験を実施しました。検証試験では図２の試験装置を用いて残留応力と接線力を作用させるため制輪子を加工し（図６）、踏面ブレーキ後に車輪が冷却された状態で極力小さな輪重下で前述の再現試験と同等の接線力を付与させる試験を繰り返しました。その結果、繰り返し数100回程度で踏面熱き裂の発生を確認しました。これにより前記の仮説が実証され、踏面熱き裂の発生メカニズムが明らかになりました。
５．発生条件と対策法の評価
解明された発生メカニズムに基づき温度上昇による車輪鋼の物性変化と発生する応力状態を対比することで、車輪／レール間接線力を発生させる車両の減速度と、残留応力を発生させる車輪の最高温度の関数として、踏面熱き裂が発生する／発生する可能性がある領域を図示した踏面熱き裂の発生条件指標図（図７）を作成ました。これにより車両諸元に基づいて踏面熱き裂の発生可能性を定量的に評価することが可能となりました。
この指標図から、車輪踏面熱き裂に対する各種対策について、電制失効対策など車輪温度を低下させる対策が有効であることを確認しました。特に編成内ブレーキ力配分の変更（空制Ｔ車優先制御）については車輪温度を低下させるとともにＭ車車輪の接線力（相当減速度）を低下させることから特に有効な対策と考えられます。
また、この手法により、線区条件や車両諸元を適用することで車両設計段階で車輪踏面熱の発生可能性を事前に評価することが可能となりました。
６．まとめ
実物大定置試験、材料調査、数値解析を組み合わせ、さらに特殊な試験条件による検証試験を実施することで、車輪踏面熱き裂は残留応力と車輪／レール間接線力が主因となって発生していることを解明しました。車輪表面近傍の応力状態に基づき、車輪踏面熱き裂の発生条件指標図を作成しました。これにより踏面熱き裂に関する対策や設計段階での発生可能性の評価が可能となったほか、従来からの各種対策の妥当性が理論的にも確認されました。
摩擦材料の研究開発における位置づけ
※ 車輪・ブレーキ系材料の研究開発もあわせてご覧ください。
車輪・ブレーキ系材料の研究開発を行っています。一例として、踏面ブレーキ車輪に発生する熱き裂や凹摩耗などの損傷の原因を、実験・材料分析・数値解析を組み合わせて解明し、各種の対策を提案しています。
参考文献
- Kazuyuki HANDA, Fumiko MORIMOTO："Influence of wheel/rail tangential traction force on thermal cracking of railway wheels", Wear, Vol.289, pp.112-118, 2012
- 半田和行、森本文子、深貝晋也、柿嶋秀史：車輪踏面熱き裂の発生メカニズムと対策法、鉄道総研報告、第25巻、第10号、pp.23-28、2011.10
- 半田和行、牧野一成、西森久宜、小原孝則、宮内瞳畄、柿嶋秀史：車輪踏面熱き裂の実験的再現と生成条件、鉄道総研報告、第24巻、第8号、pp.35-40、2010.08
- Kazuyuki HANDA, Yoshisato KIMURA, Yuji YASUMOTO, Taisuke KAMIOKA, Yoshinao MISHIMA："Effect of deformation and annealing temperatures on ultrafine microstructure development and yield strength of pearlitic steel through continuous recrystallization", Materials Science and Engineering A, Vol.527, pp.1926-1932, 2010
- Kazuyuki HANDA, Yoshisato KIMURA, Yoshinao MISHIMA："Surface cracks initiation on carbon steel railway wheels under concurrent load of continuous rolling contact and cyclic frictional heat", Wear, Vol.268, pp.50-58, 2010
- Kazuyuki HANDA, Yoshisato KIMURA, Yoshinao MISHIMA："Ferrite and Spheroidized Cementite Ultrafine Microstructure Formation in an Fe-0.67 Pct C Steel for Railway Wheels under Simulated Service Conditions", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol.40, pp.2901-2908, 2009