赤間 誠

鉄道車輪のフラットは、車輪が固着してレール上を滑走し、フラット面の下に白色腐食層（WEL）が形成されることで発生する。転がり接触疲労き裂は、しばしばWEL内で発生し、車輪内部へと伝播し、最終的に運行中に剥離を引き起こす。本研究では、車輪の転がり方向の逆転が、剥離や摩耗につながるき裂伝播挙動に及ぼす影響を調査するため、二円筒摩耗・疲労試験を実施した。また、実験結果の考察を行うために、有限要素解析（FEA）も実施した。潤滑条件下では、車輪試験体の転がり方向を逆転させた後に、WELの剥離により累積摩耗量が増大した。FEAの結果、転がり方向の逆転により、WELの縁に沿って伝播する亀裂内に潤滑剤が閉じ込められ、亀裂面間の摩擦係数が低下し、モードII（せん断モード）のき裂成長が促進されたことで、疲労摩耗が加速されたことが示された。

鉄道レールの頭部におけるき裂は、車輪とレールの繰り返しの接触によって生じる転がり接触疲労（RCF）によって発生・進展することがある。これらのき裂は、最終的には深刻なレール破損や事故につながる可能性がある。レールの疲労寿命を正確に予測するためには、き裂の発生、短いき裂の進展、長いき裂の進展、き裂の分岐、および分岐き裂の進展といったメカニズムを解明することが不可欠である。各段階を正確に予測できれば、鉄道の安全性の向上と、費用対効果の高い保守計画の策定が可能となる。本研究は、鉄道レールにおけるRCFき裂の全寿命を予測できる全寿命シミュレーションモデルの開発を目的としている。

Railway wheels suffer from wear and rolling contact fatigue (RCF) during operation. When passing through a curve, the throat of wheel flange comes into contact with the gauge corner on the outer rail with high slip ratio and high load, resulting in severe wear and RCF. Stellite 6 can be laser clad on top of the throat in order to improve wear and RCF life. In this study, twin-disc tests have been used to assess the suitability of Stellite 6 as a cladding material even at high slip ratio. The material was clad on top of wheel discs and was tested against a disc of rail material under dry and wet conditions. Also, the laser cladding process and subsequent twin-disc tests were simulated numerically using the finite element (FE) method. The resulting wear and RCF performances of the clad layer is vastly improved over conventional materials even at the high slip ra-tio. Residual stress measurements were carried out for validation of the results from the FE simulations showing good correlation.

In this study, we conducted a series of twin-disc wear and fatigue tests and FE simulations of the tests. The results are as follows. In the wet conditions, the wear rate increased when the rolling direction of the wheel disc was reversed. In contrast, in the dry conditions, the wear rate was much higher than in the wet conditions, however, it changed little before and after the reversal. The Archard model could not explain the increase in wear rate after the reversal in wet conditions, because the model does not take into account the delamination wear induced by the fluid. Some discs after the test were sectioned and photographed to observe the crack morphologies and microstructural changes by optical metallography. In wet conditions, when the wheel disc was reversed, the cracks clearly tended to propagate parallel to the surface, and the resulting long and thin wear sheets delaminated. In this case, the crack is filled with fluid just before its mouth reaches the contact area between the wheel and rail discs, whereupon the mouth is sealed. Therefore, the fluid is trapped in the crack and acts as a lubricant to reduce the friction coefficient, and cracks tend to propagate easily and large delamination sheets are apt to form. In order to explain the increase in wear rate after the reversal under wet conditions, CTSDs were obtained by FE analyses. In the wet conditions, the ΔCTSD after the reversal was almost twice as large as that before the reversal. This means that the amount of crack propagation after the reversal is higher than that before the reversal. In contrast in the dry conditions, the ΔCTSD is almost the same before and after the reversal. Therefore, the amount of crack propagation before and after the reversal is considered to be almost the same.

本研究では，高周波表面焼入れを施した車軸鋼相当試験片を用いた超高サイクル領域までの回転曲げ疲労試験を行ってS-N曲線を作製した。同時にFEM解析を行い，試験結果を考察した。またSEMによって破面観察を実施した。その結果，未焼入れ材の10^7時間強度はほぼ300MPaであるのに対して，焼入れ材の同時間強度はほぼ700MPaであり，高周波焼入れによって疲労強度は，ほぼ400MPaも向上すること，焼入れ材では10^7サイクル以上で破断した試験片がかなり存在し，表面焼入れを行っている新幹線車軸は超高サイクル領域での疲労特性の解明が不可欠であることなどがわかった。

車輪転がり方向の逆転が転がりRCFき裂の進展挙動及び摩耗に及ぼす影響を検討するため，二円筒転がり－滑り試験と弾塑性有限要素解析を実施した。その結果，潤滑条件の場合，逆転時に潤滑剤がRCFき裂内に入り込み，き裂面の摩擦係数が低下したことにより，ModeⅡ型のき裂進展が起こりやすくなる。そのため剥離（疲労摩耗）による摩耗量の増大が起こることが推測された。

鉄道車両は運用中に様々な損傷を受ける．その中でき裂と摩耗は車輪の寿命を決定することが知られている．本研究では，車輪の転がり方向逆転によるき裂と摩耗の挙動への影響を研究するため，西原式二円筒摩耗試験機による試験及び有限要素法(FEM)を用いた数値解析を実施した．

新幹線車軸は疲労強度向上のため，高周波表面焼入れを行っており，平均寿命はほぼ10^9回転に達する。本研究では，焼入れ車軸鋼の10^9回転までの回転曲げ疲労試験を行い，同時に表面硬化層を考慮したFEM応力解析によって，試験結果を解明する。

鉄道車輪は運用中に様々な損傷を受ける．その中で摩耗は，車輪の寿命を決定する最も重要な損傷の一つである．本研究では，潤滑条件下で車輪の転がり方向の逆転が摩耗挙動にどのような影響を及ぼすかを研究するため，二円筒摩耗試験機による一連の摩耗試験と，有限要素法（FEM）を用いた実験のシミュレーションを実施した．

この研究では，非比例モードI/II及びI/III負荷サイクルから得られたき裂進展速度のデータを，適切な応力拡大係数（K値）範囲を使用して整理した．さらに有限要素解析（FEA）を実施して，これら負荷サイクル下でのき裂先端付近の応力場を求めた．得られた応力を二つの非比例混合モード負荷でのき裂進展方向を予測する基準に使用し，対応する実験結果のき裂進展方向を検討した．

短いRCFき裂進展と摩耗の競合を検討するための数値シミュレーションモデルを開発し，それをレール頭部に適用した．その結果，レール頭部は横方向でき裂進展速度及び摩耗速度が異なり，単一の材質では車輪との接触による摩耗だけで，レール頭部全体で均一の‘magic wear rate’を達成することは困難であることが分かった．

本研究では水平裂の進展速度及び横裂への分岐角度を予測するためのプログラムを開発した．水平裂の進展は，二次元（2D）の境界要素法（BEM）による応力拡大係数（K値）解析結果を近似的に三次元（3D）に拡張してシミュレーションを行い，またHourlier–Pineau基準によって分岐角度を予測した．

A numerical model is developed to simulate the competition between RCF-initiated short crack propagation and wear in a wheel tread. The model is shown to operate properly when applied to the results of unidirectional twin disc tests. When an outward route comprising a 1000 km straight run is simulated based on the Shinkansen routes, it is found that the tread is hardly damaged. The results obtained from the rolling reversal fatigue tests show that if the rolling direction of the wheel is reversed, the delamination wear becomes dominant.

本研究では，二円筒疲労試験機を用いて，種々の条件下において円筒試験片に発生する疲労き裂と摩耗に関して詳細な調査を行った結果について報告する。

鉄道における車輪‐レールのような転がり‐滑り接触条件下では，短いき裂（微小き裂）の発生・成長と摩耗の相互作用が起こり，条件によってはき裂の成長が継続するか，摩耗によってき裂が消滅する場合がある．本研究では，最初に短いき裂の発生・成長と摩耗の相互作用をシミュレーションすることができるモデルを，二円筒転がり‐滑り接触疲労試験結果に適用して，その妥当性を検証した．次にこのモデルを，レールとの転がり‐滑り接触状態にある鉄道車輪踏面に適用し，き裂の発生・成長と摩耗の相互作用を検討した．さらに車輪は往復走行により回転方向が逆転するため，逆転がき裂の発生・進展と摩耗にいかなる影響を与えるかを究明するため，二円筒疲労試験を実施した．

車輪とレールの接触領域内では、短いき裂の発生・成長と摩耗の競合がアコる。この競合をシミュレーションできるプログラムを二円筒接触疲労試験の結果に適用して、プログラムの妥当性を検証した。

鉄道車輪を管理する上で最も重要になるのが車輪踏面の熱き裂である。本研究では踏面ブレーキによる熱負荷と車輪とレールの接触による負荷がき裂発生に及ぼす影響を検討した。

本研究では踏面ブレーキによって車輪リム部に引張り残留応力が存在する場合、車輪踏面に発生した表面き裂が進展するための限界寸法及び車輪が脆性破壊する限界寸法を、線形弾性破壊力学（LEFM）を用いて検討した。

本研究では、薄い鋼板の箱内部にスピーカーによる音源があるとして、その音源による箱の振動も考慮した箱内外の音圧分布を有限要素法の汎用ソフトNASTRANによる数値解析で求めた。

本研究では、車輪とレールの接触領域における表面の凹凸に起因して発生する車両の振動による車両内部の騒音を、構造‐音響連成解析で求めた。