１．はじめに

　現在，大規模地震動により鉄道車両が脱線した際に，その車両を反対線や線路外部に逸脱させないための各種逸脱防止装置の開発が進められています．その一つとして，軌道上に連続した壁を構築する逸脱防止ガードが提案されていますが，有道床軌道については脱線後の車輪が横まくらぎ上を走行し，また，走行面が平坦なスラブ軌道についても締結装置等の上を走行することが想定されるため，車輪の跳ね上がり等，脱線後の車両走行に影響を及ぼすことが懸念されています．そこで本研究では，脱線後の車両が締結装置上を走行した際の挙動を表現するための力学モデルを構築しましたので紹介します．

２．力学モデルの構築

　本力学モデルは，新幹線車両と鉄道構造物との動的相互作用解析プログラムDIASTARS III¹⁾を改良することで構築しました．
　車両の解析モデルは，車体，台車，輪軸を剛体と仮定し，これらをばねとダンパで結合して構成します．次に，図1 に逸脱防止ガードと車輪のモデル化の概念図を示します．脱線後の車両挙動を評価するために，マルチボディダイナミクスの手法により逸脱防止ガードを含む軌道構造と車輪をモデル化しています．軌道構造は軌間の外側又は内側に逸脱防止ガードを有する剛体断面モデルとし，車輪は解析の高速化を図るため区分的な直線（円錐台形）で近似するモデルとしています．車輪と走行面との衝突は，車輪形状のアタッチメントを用いた軌道部材の静的載荷試験結果に基づく接触ばねで表現されます²⁾．脱線前は車輪とレールの精緻な幾何形状を考慮した接触モデルを，脱線後は上記の接触モデルを車輪ごとに使い分けます．
　図２ に本研究で改良した締結装置を考慮するための力学モデルの概念図を示します．本力学モデルでは，脱線後の走行面を線路直角方向にA・B の二つのゾーンに分割する手法を提案しました．この両ゾーンに対しては凹凸形状を線路方向への関数として離散的に定義可能で，この手法により締結装置やまくらぎの凹凸形状を表現することができます．また，車輪と走行面との接触ばねについても，線路方向の関数として離散的に定義可能なモデルとしました．これにより，横まくらぎや締結装置とバラスト層の繰り返しなど，間欠的に変化する接触ばねの変化も表現することができます．

３．解析事例

　上記の力学モデルを用いて脱線後の車両走行性に関する試計算を実施しました．表１に検討ケースを示します．検討ケースは，A・B ゾーンの両方を平坦又は横まくらぎ形状としたCase1とCase2，各Case のA ゾーンに図２に示す模擬的な締結装置形状を定義したCase3とCase4としました．解析条件として，列車は1両編成，列車速度は270km/hとしました．また，逸脱防止ガードは図２に示すように外側のみをモデル化し，左右方向の正弦波振動を軌道に入力することで車両の脱線を表現しました．
　図３に車輪と走行面間の接触力及び脱線後の車輪の鉛直挙動の時刻歴波形を示します．図３(a)で，脱線後の車輪の挙動に着目すると，平坦なコンクリート上を走行するCase1 に比べ，まくらぎ上を走行するCase2 で脱線直後の跳ね上がり量がやや大きくなる傾向が読み取れます．また，Case2 ではまくらぎ間に車輪が落下するという特徴的な挙動も確認できます．次に，図３(b)，(c)では，締結装置を考慮したCase3 及びCase4 で，締結装置を考慮していないCase1 及びCase2 に比べ脱線直後の跳ね上がり量が大きく，最大で85mm 程度まで上昇しています．また，車輪がAゾーンからBゾーンに移動した後では，車輪の跳ね上がり量に大きな違いは見受けられません．

４．おわりに

　実際に生じる車輪の跳ね上がり量や接触力は，車輪と締結装置間に設定する接触ばねに大きく依存するため，上記解析事例は一検討例に過ぎません．今後，車輪と締結装置間の接触ばね等の検討を行い²⁾，より実現象に近い脱線後の車両挙動を表現していきたいと考えています．

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    図１　　逸脱防止ガードと車輪のモデル化
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    図２　　締結装置のモデル化
  • 表１　　検討ケース
    
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  図３　　車輪と走行面間の接触力及び車輪の鉛直挙動

参考文献

1) 曽我部正道，原田和洋，浅沼潔，丸山直樹，渡辺勉：連続する鉄道構造物群の地震時列車走行性，鉄道力学論文集，No.13，pp.177-184，2009．

2) 後藤恵一，曽我部正道，浅沼潔，渡辺勉：鉄道車輪とPC まくらぎの接触力に関する基礎的研究，コンクリート工学年次論文集，Vol.32，pp.769-774，2010．

１．はじめに

　鉄道用レールは，列車の通過により車輪との接触を繰り返し，レールと車輪の接触面には高い接触面圧だけでなく，雨や潤滑油など環境の影響により，すべりも発生します．レールと車輪には，このような厳しい荷重状況や環境など多くの要因が影響することにより，さまざまな現象が生じます．その一つとして，高い荷重条件やすべりとの相互作用により，レール頭頂面の表層部に白色層や白層と呼ばれる硬化層が形成されることが報告されています．実際にレール白色層の発生箇所付近にはシェリングが存在することがあり，白色層を起点としてき裂が発生しシェリングに至ると考えられます．既報¹⁾では，白色層の発生状況や白色層周辺に発生する微小き裂の進展挙動ならびに対策法について報告しました．本報では，レールに発生した白色層について金属組織の観察および解析を行い，白色層の生成要因について検討しましたので，その結果を以下に報告します．

２．レール白色層の観察

　白色層の生成が認められる実レールの断面金属組織を，レーザ顕微鏡及び走査型電子顕微鏡（SEM）によって観察した結果を図１ならびに図２に示します．図１において，断面金属組織の表面箇所に層状の形態をした金属組織が観察されます．これが白色層と呼ばれる，金属組織の変化した箇所です．白色層の直下には，塑性流動や組織の微細化した領域が確認されます．
　SEM によって観察した結果を図２に示します．やはり表層に層状の組織変化が確認されます．白色層の生成要因の一つとして摩擦発熱に伴う酸化物が考えられますが，酸化物をSEM によって観察するとチャージアップが生じて著しい輝度変化が認められるようになり，図2 のような像は得られません．このことから層状の箇所は酸化物ではなく，金属組織の状態変化が生じた箇所であると言えます．
　また表層より20μm を境に，白色層の形態が異なっていることが観察されます．すなわち白色層の上層部では層状な組織が観察されますが，下層部では単一の組織形態が見られます．このようにレーザ顕微鏡では同一に見られる白色層でも，SEM による観察により，表層から20μm を境とする二層構造であることが確認されました．これらはレールに負荷される熱やひずみの差が影響していると考えられます．

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  図１　　レーザ顕微鏡による白色層の観察結果
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  図２　　SEM による白色層の観察結果

３．後方散乱電子回折法（EBSP）による結晶方位解析

　つぎにレール表層に負荷される熱やひずみの履歴を確認するために，白色層が生成したレールについて，EBSP による結晶方位解析を行いました．その結果を図３に，また未使用レールのEBSP 解析結果と方位のカラーキーを図４に示します．このように未使用レールに比べ，レール表層は全体的に結晶粒が微細化していることがわかります．特に白色層部分においては，下地の母材よりもさらに微細化していることがわかります．また白色層内部についても，表層より20μm を境に結晶粒の大きさが異なっていることがわかります．これは白色層の生成に関わる熱やひずみ量が，この領域を境に変化していることが影響しているものと考えられます．また白色層内部には様々な結晶方位が確認され，白色層が集合組織でないことから，レールに生成する白色層は動的再結晶した可能性が考えられます．つまり白色層の生成には，熱的な変化だけでなく，ひずみが大きく影響していると考えられます．

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  図３　　白色層が生成した実使用レールのEBSP 解析結果
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  図４　　未使用レールのEBSP 解析結果とカラーキー

４．生成要因の検討

　これまで白色層の生成については，冷却段階に着目した検討が行われてきました．しかしレールと車輪の摩擦挙動においては，冷却段階の他に温度上昇時についても考える必要があります．空転や滑走のように大きなすべりを伴う摩擦が生じた際，摩擦開始から最大温度まで瞬時に加熱された状態となります．この際，組織が塑性変形し，初期組織であるα＋P（フェライト／パーライト）組織は発熱によりα＋γ（フェライト／オーステナイト）領域にまで逆変態して，逆変態完了時にP（パーライト）中のθ（セメンタイト）を核とした微細なγ（オーステナイト）が生成されます．それと同時に初析α（初析フェライト）もまたすべりにより分断され，α（フェライト）の核サイトが増加するようになります．微細なγはθからの炭素固溶を引き継ぐために，過飽和な炭素を含むことで化学的に安定化します．その後の放冷時にγからα’（マルテンサイト）に変態し，最終的に微細なαとα’が析出して白色層になると考えられます．γからα’への変態では，直接γ→α’への変態とθ相からε（炭化物）相への変化を介したγ→ε→α’への変態が考えられます．前者の変態では双晶関係のあるα’が見受けられるのに対し，後者の変態では様々な方位を有するα’が得られることから，本研究におけるEBSP の方位解析とほぼ対応するような傾向が見受けられますが，本調査だけの結果のみからこのことを支持することはできません．そこで，より微小な領域を観察して評価することが，今後の課題として残されています．

５．おわりに

　今後，ひずみがもたらす組織変化への影響についてより詳細な観察を行い，白色層の発生要因について検討を行う予定です．また白色層発生の対策法として，相変態挙動を制御できるような素材について，冶金学的知見から検討することも予定しています．

参考文献

1)辻江 他：白色層に起因するレール微小き裂の進展挙動と削正法の検討, 鉄道総研報告, 23-10, pp.53-58, 2009

１．はじめに

　新幹線のロングレール区間でレール部分交換（以下，「レール交換」）を行うと，旧レールと新レールの接続部で頭部断面形状（以下，「レール断面」）に急激な変化が生じるため，車輪の乗り移り時に大きな車体左右振動加速度（以下，「左右動」）が発生することがあります．そこで，新旧レール境界部における左右動を抑制するためのレール断面取り付け法を検討するため，レール交換前と交換後約2 ヶ月間における，列車進入側の溶接部前後を中心としたレール断面調査結果と，同一編成の営業列車による左右動測定を実施した結果に基づき，左右動発生要因および抑制対策を検討しました．

２．調査結果

　調査対象は，直線区間のバラスト軌道とし，左右動測定はレール交換後1・7・14・28・56 日後を基本とし，レール断面はレール交換前および左右動測定と同時期に実施しました．

（１）左右動

　図１に，レール交換1～56 日後までの左右動の経時変化を示します．レール交換7 日後までは列車進入側の溶接部付近で大きな左右動が発生しましたが，14 日以降は収束する傾向にありました．

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  図１　　左右動波形の経時変化

（２）レール断面（レール交換前）

　レール交換前のレール断面は，測定区間や測定レール等による大きな差異が見られませんでした．測定した片側レール全体の平均断面形状における曲率半径の一例を図２に示し，あわせて60kgレールと50kgNレールの設計形状を示 します．ゲージコーナー側の円弧部で比較すると，交換前レールの曲率半径は300mm 前後であり，50kgN レール設計形状に近い形となっていました．

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  図２　　レール交換前レール断面曲率半径（平均）

（３）レール断面（レール交換後）

　図３に，レール交換前，レール交換1 日後と14日後の経時変化を示します．ここで用いる曲率半径は，レール中心±10mm 間の範囲の左右レールの平均としました．レール交換前は曲率半径に変化はなく，レール交換1 日後は溶接部付近で局所的に変化が大きかったものの，左右動が収束した14日後には，列車進行方向に緩やかに変化する形状となっていました．

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  図３　　レール交換前後のレール断面曲率半径の変化

２．左右動発生要因

　発生する左右動は，レール断面曲率半径の局所的な変化による車輪とレールとの接触状況に起因すると考えられるため，走行安定性の評価に用いられる等価踏面勾配1)により接触状態を評価しました．図４に，左右動測定を行った編成に近い車輪転削後走行距離5 万キロの車輪データを用いた等価踏面勾配の計算結果を示します．溶接部付近での等価踏面勾配の変化が局所的に大きくなり，レール交換前あるいは左右動が収束した14 日後には，等価踏面勾配の変化が緩やかになっています．このことから，レール交換後の溶接部を境界とする左右動の発生要因となる車輪とレールの接触状況を評価するには，評価指標として等価踏面勾配を用いれば良く，溶接部付近での等価踏面勾配の変化が列車進行方向に緩やかに推移すれば，左右動が発生しないと考えられます．

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  図４　　等価踏面勾配の進路方向の変化

３．左右動抑制対策

　上述した左右動発生の実態調査および分析結果より，以下に示す事項がわかりました．

• レール交換前の経年レール断面のゲージコーナー側形状は50kgN 設計形状に近い．
• 左右動発生時にはレール長手方向のレール断面曲率半径と等価踏面勾配の変化が局所的に大きい．
• 左右動収束時には等価踏面勾配の変化が緩やかに推移している．

　以上のことから，次に示す左右動抑制対策レールを提案しました（特許出願中）．

1. 5m 以上のレール断面変化区間を有し，その間で緩やかに形状が変化する（左右動抑制）．
2. レール高さは一定とし，一方の端部は50kgN，他方の端部は60kg 形状とする（溶接作業性向上）．

　図５に，左右動抑制対策レール全体のイメージ，図６に断面変化部のレール断面形状を示します．列 車進入側の端部を50kgN 形状，他方の端部を60kg 形状とし，その間でレール断面を緩やかに変化させる ことで，等価踏面勾配の変化が列車進行方向で緩やかになり，左右動抑制が期待できます．また，列車 進入側旧レールとの溶接部が50kgN 形状となるため，芯だし作業と溶接部のグラインダー仕上げの時間 短縮と精度向上が期待できます．

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  図５　　対策用レール全体イメージ
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  図６　　対策用レールの断面形状変化

４．おわりに

　現在，試作した左右動抑制対策レールを本線上に試験敷設し，その効果を確認しています．

参考文献

1)足立雅和他：車輪とレールの摩耗を考慮した接触状態解析手法の開発，鉄道総研報告，Vol.20，pp.17-22，2006