軌道狂いを考慮した輪重横圧推定式の走行試験による検証
鉄道総合技術研究所 正会員 ○大澤純一郎 鉄道総合技術研究所 正会員 古川 敦 鉄道総合技術研究所 正会員 村松 浩成 鉄道総合技術研究所 正会員 西垣 拓也
１．はじめに
輪重横圧推定式は，急曲線低速走行時の車両の乗り上がり脱線に対する安全性の評価手法として，日比谷 線事故後の脱線防止ガード設置の判定等に使われている１）．この推定式は，低速走行時には車両の動的な挙 動は無視できるとの仮定のもとに力の釣合い条件から導かれ，線路の線形，車両諸元等を入力値としている．
また，線路の線形は公称値，軌道狂いは便宜上一定値を見込んで入力するなど簡略化して使用している．本 研究では，脱線防止の観点から，線路の線形に加えて軌道狂いを入力して輪重，横圧を推定し，得られた推 定値と鉄道総研構内で実施された低速脱線走行試験（以下，走行試験）での実測値との比較を行い，改良推 定式の評価をした結果を報告する．
２．軌道狂いを考慮した輪重の推定
輪重推定フローを，図１に示す．このうち，遠心力に よる輪重増減は，カント・曲線半径の関数として表され る．ここでは，設計値でなく，各地点の 10ｍ弦正矢通り 狂いと水準狂いから曲線半径とカントを算出し，入力し た．また，軌道面のねじれによる輪重増減は，カント逓 減に伴う軌道面のねじれによる車両の枕ばねと軸ばねの ３点支持の力の釣合いから導かれ，ばね定数と台車中心 間・軸距平面性狂いの関数で表される．ここでは，平面 性狂いに，実測値を用いた．
３．軌道狂いを考慮した横圧の推定
横圧推定フローを図２に示す．二重線枠は車両諸元に よって変化する要素である．内軌側横圧は，内軌輪重と 内軌側横圧輪重比κの積で表される１）．κは，曲率と車 輪踏面形状を入力とするモデルで表される．走行試験に よって得られたκの実測値と，10ｍ弦正矢通り狂いから 得られる曲率を本モデルに入力して算定した推定値を比 較したところ，両者はほぼ一致し，本モデルの妥当性が 確認されている．
図２の横圧算定式中で空気ばねのねじれによる輪軸横圧は，枕ばねの前後剛性と台車の回転変位の積に補 正係数β１）を乗じたものである．βは，この輪軸横圧のうちの台車前軸の負担割合を表し，曲率，κ及び車 輪踏面形状を入力とするモデルで表される．脱線防止ガード設置の判定には，営団 03 系諸元によるシミュレ ーション結果から得られるモデル（現行モデル）を適用している．曲率に 10ｍ弦正矢通り狂いから得られる 値を算定に用いて，走行試験の実測値からβを逆算したところ，現行モデルより若干小さい値となった．β は，車両諸元により異なるので車種に適合した補正モデルが必要である．ここでは，上記算定に基づく補正 キーワード 乗り上がり脱線，軌道狂い，輪重横圧推定式，走行試験
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車両諸元
車輪上昇量
水 準
ねじり剛性 平面性狂い
静止輪重
軌道面のねじれ による輪重増減
遠心力による 輪重増減
外軌側輪重：Ｐ o 内軌側輪重：Ｐ i カント
曲線半径 10m弦通り
図１ 輪重推定フロー
※太枠：軌道狂いによる変動要素
10m弦通り 水 準
曲線半径 カント 内軌側輪重
内軌側横圧輪重比κ
内軌側横圧：Ｑ i
車両諸元
輪軸横圧補正係数β
外軌側横圧：Ｑ o
遠心力による 輪軸横圧 空気ばねのねじれ による輪軸横圧
継目部衝撃力に よる横圧
※太枠：軌道狂いによる変動要素 二重線枠：車両諸元で変化する要素
図２ 横圧推定フロー 土木学会第58回年次学術講演会（平成15年9月）
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モデルを作成して，推定に適用した．
以上のκ，βモデルを用いて，曲線半径とカントの関数で表される遠心力等の各推定式に，各地点の 10ｍ 弦正矢通り狂い，水準狂いを用いて入力して図２のフローで横圧の推定をした．
４．軌道狂いを考慮した限界脱線係数の推定 限界脱線係数推定フローを，図３に示す．限界 脱線係数の推定式の中で，アタック角推定モデル は曲線半径とスラックの関数として表される．こ れに，前項同様，軌道狂いから得られる数値を入 力した．
このモデルの妥当性検証のため，走行試験にお ける実測値と推定値との比較を行った．図４で，
継目部などの局所的な角折れ箇所が実測値と一致 していることから，モデルの妥当性が確認できる．
５．推定脱線係数の算出
推定脱線係数は，推定した横圧と輪重の比で求 められる．走行試験における輪重，横圧，脱線係 数の実測値と推定値の比較及び限界脱線係数の推 定値を図５に示す．同図で，各推定値
は，実測値とほぼ一致しているといえ る．また，○で囲んだ箇所では脱線係 数推定値が限界脱線係数推定値を上回 り，乗り上がりの可能性があると判定 されるが，走行試験では※印の箇所で 乗り上がりが実際に発生しており，こ の推定式は，走行安全性を適切に評価 できているといえる．
６．おわりに
静的な力の釣合い条件から定められ た輪重横圧推定式は，線路の線形に加 えて軌道狂いを入力したことにより，
推定精度が高まることが確認できた．
この推定結果に基づき，図５の○で 囲んだ条件の箇所から保守を行えば，
走行安全管理上，合理的である．
なお，構内走行試験は国土交通省の 補助金を受けて実施した．
〔参考文献〕
１）運輸省事故調査検討会：「帝都高速 度交通営団日比谷線中目黒駅構内列車 脱線衝突事故に関する調査報告書」
2000 年 10 月
図４ アタック角の実測値と推定値との比較 0.00
0.01 0.02 0.03
150 200 250 300 350 400 450 500
キロ程（ｍ）
アタック角（ｒａｄ）
車上実測値 推定値
10m 弦 通 り
(2m 弦 通 り ) 曲 線 半 径 等 価 摩 擦 係 数
ナ ダ ル の 式 フ ラン ジ 角 度
車 両 諸 元
外 軌 摩 擦 係 数
ア タック 角
軌 間 ス ラ ック 限 界 脱 線 係 数
図３ 限界脱線係数推定フロー※太枠：軌道狂いによる変動要素
-50 0 50 100 150 200
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 10m弦正矢
水準
2m平面性変位 14m平面性変位
R=100m,C=90mm,TCL=36 線形（mm) R=160m,C=90mm,TCL=36
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
実測値 推定値 内軌側輪
外軌側輪 輪重（kN)
-5 0 5 10 15 20 25
内軌Q実測値 推定値 内軌側横圧（kN)
-5 0 5 10 15 20 25
外軌Q実測値 推定値 外軌側横圧（kN)
-0.5 0 0.5 1 1.5 2
外軌Q/Ｐ実測値 推定値
限界脱線係数推定値 脱線係数
限界脱線係数
外軌側脱線係数 R160円
※ R160出
※
R100出
※
図５ 輪重横圧推定式による輪重、横圧、脱線係数等の推定例 土木学会第58回年次学術講演会（平成15年9月）
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