レール腹部水平裂の発生要因とそのき裂進展に関する検討

レール腹部水平裂の発生要因とそのき裂進展に関する検討

鉄道総合技術研究所    正会員  ○細田    充 鉄道総合技術研究所    正会員    片岡  宏夫 鉄道総合技術研究所    正会員    弟子丸  将

１．目的  

  営業線で腹部水平裂が発生する事象が報告されて いる（図１）。腹部水平裂が進展することにより、レ ール破断が生じる可能性があり、鉄道の安全安定輸送 を行う上で障害となる。そこで、レール腹部水平裂の 発生と進展の要因の究明を目的として、腹部応力を把 握するための現地試験および静的解析を行った。さら に、傷の進展の検討のためレール腹部水平裂を有する 発生レールに対し、繰返し鉛直載荷試験を行った。 

２．現地試験  

  腹部水平裂が発生した現場において応力を把握す るため現地試験を行った。現場は在来線のトンネル内 スラブ軌道の直線区間で、レール種別は

50kgN、レー

ル締結装置は直結８型である。図２に腹部応力の測点 配置を示す。

S

1〜S₆において軌間内外のレール腹部中 立軸位置の鉛直応力を測定し、S3の位置では輪重も 測定した。 

図３に列車走行時の測定波形の例を示す。図４に、

列車走行時に各車輪が通過する際の極小値を集計し、

その最小値と平均値を測定位置ごとに整理したもの を示す。なお、ここでは機関車が走行した際のデータ のみを掲載した。図３および図４から、軌間内側より 軌間外側の方が圧縮応力が大きい。車輪がレール中心 を走行した場合、軌間内外の圧縮応力は等しくなるが、

レール頭頂面を観察したところ、車輪の走行跡がレー ル中心から軌間外側に寄る傾向があった。輪重の加わ る位置が偏心していたことにより、軌間外側の腹部に 曲げによる圧縮の鉛直応力が大きく生じたと考えら れる。また、S5 は締結装置直上であり、応力が若干 大きくなっていた。 

３．静的線形解析  

 

50kgN

レールを軌道パッド（60kN/mm）を介して 離散支持した片側軌きょうモデルを用いた静的線形 解析を行い、腹部に発生する応力を検討した。レール

キーワード  レール腹部水平裂、き裂、有限要素法  

連絡先      〒185-8540  東京都国分寺市光町2丁目8-38  （財）鉄道総合技術研究所 軌道構造  ＴＥＬ042-573-7275 図１  レール腹部水平裂の傷の発生状況

◎P,□S_３ 

   

   

□S₁ 

レール 

□S₂  □S_４ 

□S_５ □S_６ 

 

図２  測点配置

-60 -40 -20 0 20

軌間外側 ﾚｰﾙ腹部応力 (N/mm2 )

-40 -20 0 20 40

1 1.5 2 2.5 3 3.5

時 間 (sec)

軌間内側 ﾚｰﾙ腹部応力 (N/mm2 )

図３  列車走行時の計測波形の一例

-80.0 -70.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0

S1 S2 S3 S4 S5 S6

応力(N/mm2)

測定位置

軌間外側・平均値 軌間外側・最小値 軌間内側・平均値 軌間内側・最小値

  図４  レール腹部応力の極小値

レール底部  レール頭部  腹部水平裂 

列車通過時の応力の極小値 列車走行方向→ 

（平均輪重：81.3kN） 

土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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長は

15m

とした。解析は２通り行い、図５のよう に、レール頭頂面の中心と断面方向へ両側

20mm

の位置に荷重を作用させた解析(以下、「解析１」

という。)と、荷重位置を断面方向は頭頂面の中心 として、レール長さ方向に載荷位置を変えて作用 させた解析(以下、「解析２」という。)を行った。

輪重は現地試験を参考に

75kN

とした。応力観測位 置は図５に示す通りとした。 

図６に、レール腹部の中立軸と中立軸から高さ が+30〜-30mm の範囲の解析１で得られる鉛直応 力を示す。荷重の作用位置が応力観測側となって いる方が、腹部の鉛直応力が圧縮側に大きく生じ ている。これは、上記の現地試験における、車輪 からの偏心荷重により生じる曲げ応力の発生傾向 と一致している。また、レール中心に荷重が作用 した場合には、軌間内外の腹部で同等な鉛直応力 を発生することを確認した。輪重が中心より偏心 して作用している場合に中立軸より高い位置の圧 縮応力が大きくなり、高さ

30mm

では中立軸での 値より８割程大きい値となった。図７に解析２の 鉛直応力、せん断応力の結果を示す。応力観測位 置の高さによってせん断応力が変化しないことが わかる。 

４．室内試験  

  腹部水平裂発生レールに対し、き裂の進展を検 討するため、き裂先端近傍に現地測定で観測した 最大変動応力(70N/mm²)が発生する荷重条件を設 定し、繰返し鉛直載荷試験を実施した。図８に試 験方法を示す。試験の結果

200

万回繰り返し載荷 に対し、き裂の進展はみられなかった。この要因 としては荷重条件が過小であること、せん断応力 の影響、き裂が停留していることが考えられ、試 験方法の検討を行う必要があると考えられる。 

５．まとめ  

  腹部水平裂の発生・進展の要因の究明を目的と して発生応力の検討を行った。今後は、さらに得 られるデータを参考に、き裂の進展、発生応力に ついて検討を進める計画である。 

参考文献 

1)

大塚、森、渡部、片岡：レール腹部水平裂の発 生原因に関する一考察、土木学会第

62

回年次 学術講演会概要集、2007年

9

月

荷重作用 位置１

荷重作用 位置２

荷重作用 位置３

20mm 20mm

中立軸 15mm 観測

位置

X(単位:mm) 荷重作用 位置３(x=1000)

荷重作用 位置１(x=0)

荷重作用 位置２(x=550)

荷重作用 位置４(x=1450)

応力観測位置（x=0）

(a)解析１        (b)解析２

図５  荷重作用位置

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

荷重作用位置１ 荷重作用位置２ 荷重作用位置３

鉛直応力（

N /m m

2）

荷重作用位置

中立軸から高さ+30mm 中立軸から高さ+15mm 中立軸

中立軸から高さ-15mm 中立軸から高さ-30mm

図６  荷重作用点直下の腹部の鉛直応力（解析１）

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

-1500 -500 500 1500

応力（N/mm2）

荷重作用位置ｘ(mm)

鉛直応力（高さ+15mm） せん断応力（高さ+15mm） 鉛直応力（中立軸）

せん断応力（中立軸）

鉛直応力（高さ-15mm） せん断応力（高さ-15mm）

図７  レール腹部における応力（解析２）

供試レール 

  1100mm 

  鉛直荷重

（振幅250ｋＮ）

腹部水平裂 

580mm

図８  繰返し鉛直載荷試験 土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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