鉄道車両構体の荷重試験方法
【課題】構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を移動させる場合において、構体に生じる応力を精度よく予測する。
【解決手段】構体１を支持具１２で４点支持し、これらの支持点Ｍが同じ水平面Ｈ上に位置するような４点水平支持状態とする。この状態から支持具１２１，１２２をそれぞれ沈下させることで、支持具１２１を沈下させた際の構体１の応力を第１基準応力として測定すると共に、４点水平支持状態による構体初期ねじれの影響が含まれないように第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める。空車荷重を構体１に負荷し、４点水平支持状態での構体１の応力を空車応力として測定する。そして、空車荷重の負荷後に４点水平支持状態から支持具１２１を沈下させて支持具１２１が構体１から離れるときの構体１の応力を、第１補正応力及び空車応力に基づき予測する。
【解決手段】構体１を支持具１２で４点支持し、これらの支持点Ｍが同じ水平面Ｈ上に位置するような４点水平支持状態とする。この状態から支持具１２１，１２２をそれぞれ沈下させることで、支持具１２１を沈下させた際の構体１の応力を第１基準応力として測定すると共に、４点水平支持状態による構体初期ねじれの影響が含まれないように第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める。空車荷重を構体１に負荷し、４点水平支持状態での構体１の応力を空車応力として測定する。そして、空車荷重の負荷後に４点水平支持状態から支持具１２１を沈下させて支持具１２１が構体１から離れるときの構体１の応力を、第１補正応力及び空車応力に基づき予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両構体の荷重試験方法に関し、特に、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両構体の荷重試験方法としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この鉄道車両構体の荷重試験方法では、車両全長より短い構体を巧みに支持して荷重を負荷することで、車両全長の構体に荷重を負荷したときと同等のたわみ又は応力を把握することが図られており、荷重試験のコスト軽減が可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−７２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような鉄道車両構体の荷重試験方法としては、例えば「ＪＩＳ Ｅ７１０５」に規定されているように、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するためのものが知られている。このＪＩＳによる荷重試験方法では、メンテナンス時に一般的に行われている車体のリフティング作業を想定し、構体を３点支持（又は２点支持）した状態で荷重試験を行うことが義務付けられている。
【０００５】
具体的には、構体を４つの支持具で４点支持すると共に、これら支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とし、構体に試験荷重を負荷する。その後、４点水平支持状態の４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、そのときの構体の応力を測定する。
【０００６】
ここで、近年の鉄道車両構体の荷重試験方法では、前述したように、支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる際、例えば構体に生じる応力が降伏応力よりも小さいか否かを予め確認することが要求されており、かかる構体の応力を精度よく予測することが強く望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において、構体に生じる応力を精度よく予測することができる鉄道車両構体の荷重試験方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、鉄道車両構体の荷重試験方法に関して次の知見を得た。すなわち、通常、構体は前後左右対称構造であることから、４点水平支持状態の４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させたときと、他の支持具を鉛直方向に沿って移動させたときとで、支持具の移動量は互いに同程度のものとなると考えられる。しかし、実際には、これらの移動量が互いに大きく相違する場合があるという知見を得た。
【０００９】
そして、かかる相違は、例えば構体において一の支持具側の高さと他の支持具側の高さとにバラツキ（非対称性）が存在する等のように４つの支持点が同じ水平面上に完全に位置しないのにもかかわらず、支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態（以下、単に「４点水平支持状態」という）で構体を支持することに起因するということを見出した。つまり、４点水平支持状態で支持された構体においては、その自重等で支持具に押さえ付けられることから、かかるバラツキが存在すると構体変形（ねじれ等）が生じるため、その構体変形に起因した初期応力が発生していることを見出した。
【００１０】
そこで、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において構体に生じる応力を予測するに当たり、４点水平支持状態で支持されたことによる構体変形の影響が含まれないよう応力を補正することができれば、この補正した応力に基づき予測応力を予め精度よく求め得ることに想到し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る鉄道車両構体の荷重試験方法は、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法であって、構体を４つの支持具で支持すると共に、当該４つの支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とする４点支持工程と、４点支持工程の後、構体に試験荷重を負荷し、４点水平支持状態で構体の応力を試験応力として測定する荷重負荷工程と、荷重負荷工程の後に４点水平支持状態から一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が構体から離れたときの構体の応力を第１予測応力として予測する応力予測工程と、を備え、応力予測工程は、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第１基準移動量として測定すると共に構体の応力を第１基準応力として測定する第１工程と、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具に対して構体の長手方向又は幅方向に隣接する他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第２基準移動量として測定する第２工程と、下記式（１）により、第１及び第２基準移動量に基づいて、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める第３工程と、下記式（２）により、試験応力と第１補正応力と試験荷重を負荷する前後において構体に負荷されている総荷重の荷重比とに基づいて、第１予測応力を求める第４工程と、を含むことを特徴とする。
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ’’１ ＝σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’１ ：第１補正応力
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
δ２ ：第２基準移動量
σＴ ：試験応力
σ’’１ ：第１予測応力
λ ：試験荷重を負荷する前後の総荷重の荷重比
【００１２】
この鉄道車両構体の荷重試験方法では、上記式（１）によって、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力が補正される。よって、上記式（２）によって試験応力と第１補正応力と荷重比とに基づくことで、構体に試験荷重を負荷し何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を移動させたときの構体の応力を、第１予測応力として予め精度よく求めることができる。
【００１３】
また、応力予測工程は、荷重負荷工程の後に４点水平支持状態から４つの支持具うち他の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が構体から離れたときの構体の応力を第２予測応力としてさらに予測するものであり、第２工程においては、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、構体の応力を第２基準応力として測定し、第３工程においては、下記式（３）により、第１及び第２基準移動量に基づいて、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第２基準応力が補正されてなる第２補正応力を求め、第４工程においては、下記式（４）により、試験応力と第２補正応力と荷重比とに基づいて、第２予測応力を求めることが好ましい。この場合、構体に試験荷重を負荷し何れかの支持具が構体から離れるまで他の支持具を移動させたときの構体の応力も、第２予測応力として予め精度よく求められることになる。
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ’’２ ＝σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’２ ：第２補正応力
σ２ ：第２基準応力
σ’’２ ：第２予測応力
【００１４】
また、試験荷重は、４点水平支持状態での４つの支持具における支持荷重の合計が空車状態の車体質量となる荷重であることが好ましい。この場合、ＪＩＳに規定された荷重試験方法に準拠するように荷重試験が実施されることになる。なお、「空車状態」とは、乗客、乗務員及び荷物を積載せず、水，油，砂，工具類等の運転上必要な器具及び物資を搭載した車両の状態を意味する。
【００１５】
また、応力予測工程の前記第１及び第２工程においては、総荷重が、構体の自重に関する荷重と構体に試験荷重を負荷するための治具の自重に関する荷重との合計とされていることが好ましい。この場合、特段の荷重を構体に別途負荷することなく応力予測工程を実施でき、よって、荷重試験方法を好適に実施することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において、構体に生じる応力を精度よく予測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法の対象となる構体を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は本実施形態の予測前工程の手順を示すフローチャートであり、（ｂ）は本実施形態の予測本工程の手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は図１の構体の支持方法を説明するための正面図、（ｂ）は図１の構体の支持方法を説明するための背面図である。
【図５】（ａ）は図１の構体の４点水平支持状態を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の４点水平支持状態から１位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図、（ｃ）は（ａ）の４点水平支持状態から２位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図である。
【図６】本実施形態において１位側支持具を沈下させる場合の説明図である。
【図７】本実施形態において２位側支持具を沈下させる場合の説明図である。
【図８】本実施形態の確認試験の結果を示す図である。
【図９】（ａ）は他の例に係る構体の４点水平支持状態を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の４点水平支持状態から１位側支持具が離れたときの支持状態を示す上面図、（ｃ）は（ａ）の４点水平支持状態から２位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
まず、本発明の一実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法（以下、単に「荷重試験方法」という）の対象となる構体について説明する。図１は荷重試験方法の対象となる構体を示す斜視図である。図１に示すように、構体１は、電車等の鉄道車両の構造体であって、内装や艤装が行われる前のものとして車体の主構造部分を構成する。
【００２０】
この構体１は、ステンレス等の合金鋼で形成されており、その内部に乗客を収容する空間を有する略箱型の形状をなしている。構体１は、車両の底部に位置する台枠８と、車両の両側に位置し窓部及びドアを有する側構体２と、車両の前後に位置する妻構体４と、車両の上部に位置する屋根構体６とから構成されている。
【００２１】
具体的には、台枠８は略矩形状を有し、構体１の底部に配置されている。台枠８の周縁には、両側に位置する側構体２と、車両の前側及び後側に位置する妻構体４とが台枠８を囲むように立設されている。構体１の上部には、屋根構体６が側構体２と妻構体４とから構成された空間に蓋をするように配置されている。側構体２及び妻構体４は、車両の外側に配置された外板とその外板の内側に配置された柱や骨材等とから構成されている。
【００２２】
この構体１には、後述する荷重試験方法にて応力を測定するためのものとして、歪ゲージが貼付されて装着されており、よって、以下の説明における構体１の応力は、具体的には、歪ゲージ貼付箇所の応力値を意味している。
【００２３】
次に、本実施形態の荷重試験方法について、図２に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態は、「ＪＩＳ Ｅ７１０５」に規定された荷重試験方法に準ずるものである。また、以下の荷重試験方法は、説明の便宜上、一の歪ゲージの応力値を構体１の応力として予測し測定するものとする。
【００２４】
まず、図４（ａ），（ｂ）に示すように、構体１に鉛直方向下方の荷重を負荷するものとして、構体１の台枠８上にエアバッグ治具１１を取り付ける。ここでは、台枠８上に床板（不図示）を配置し、この床板上にエアバック治具１１を取り付けている。これと共に、例えば構体１において台枠８のまくらばり（空気バネ位置）付近に設けられた４箇所のジャッキ受部を、支持具１２が有するロードセル１３の頂点に当接させて載置し、構体１を支持具１２で４点支持する。
【００２５】
このエアバッグ治具１１は、その膨張力を利用して台枠８上に荷重を負荷するものである。支持具１２のロードセル１３の下方には、ジャッキ１４が設置されている。このジャッキ１４によって、支持具１２が鉛直方向に沿って移動可能にされ、支持点Ｍの高さ位置が調整可能とされている。
【００２６】
なお、本実施形態では、構体１の前方右側に配置された支持具を１位側支持具（一の支持具）１２１と称し、その支持点を１位側支持点Ｍ１と称すると共に、前方左側に配置された支持具を２位側支持具（他の支持具）１２２と称し、その支持点を２位側支持点Ｍ２と称する。また、構体１の後方右側に配置された支持具を３位側支持具１２３と称し、その支持点を３位側支持点Ｍ３と称すると共に、後方左側に配置された支持具を４位側支持具１２４と称し、その支持点を４位側支持点Ｍ４と称する。
【００２７】
続いて、ジャッキ１４を作動させ、４つの支持具１２１〜１２４の支持点Ｍ１〜Ｍ４が同じ水平面Ｈ（図６参照）上に位置するような４点水平支持状態（以下、単に「４点水平支持状態」という）とする（Ｓ１）。つまり、各ジャッキ１４の頭部を互いに水平にする。ここでは、例えば水盛法によって４点水平支持状態を実現している。
【００２８】
続いて、応力の絶対基準を画定すべく、４点水平支持状態での構体１の応力を０とする（Ｓ２）。換言すると、このときの構体１に負荷されている総荷重（すなわち、構体１の自重とエアバッグ治具１１の自重との合計）による構体１の応力が０として測定されるように初期化する。
【００２９】
続いて、後段のＳ９，Ｓ１２にて測定される構体１の応力を予測するため、予め１位側及び２位側支持具１２１，１２２をそれぞれ沈下させ、そのときの構体１の応力を第１及び第２基準応力として測定する。そして、４点水平支持状態としたことによる構体初期ねじれ（構体変形）の影響が含まれないように第１及び第２基準応力が補正されてなる第１及び第２補正応力をそれぞれ求める（予測前工程：Ｓ３）。
【００３０】
続いて、エアバッグ治具１１を膨張させ、４点水平支持状態においてロードセル１３の総和力（支持具１２の支持荷重の合計）が空車状態の車体質量となるように、構体１に空車荷重（試験荷重）Ｔを負荷する（Ｓ４）。具体的には、各支持具１２１〜１２４の各ロードセル１３で検出された荷重の合計が空車荷重Ｔになるようにエアバッグ治具１１の膨張圧力を調整する。ここでの空車荷重Ｔは、上記Ｓ２で応力が初期化されていることから、下記式（ア）で示されるものとされる。
空車荷重Ｔ＝［営業運転可能な空の車両質量から台車を２つ取り除いた質量（＝空車
状態の荷重）］−［構体自重Ｃ＋エアバッグ治具自重Ａ］ …（ア）
【００３１】
続いて、この４点水平支持状態での構体１の応力を空車応力（試験応力）として測定する（Ｓ５）。そして、上記Ｓ３にて求められた第１及び第２補正応力、及び上記Ｓ５にて測定された空車応力に基づいて、後段のＳ９，１２にて測定される構体１の応力をそれぞれ予測する（予測本工程：Ｓ６）。
【００３２】
続いて、構体１の応力を再度０とする（Ｓ７）。換言すると、このときの総荷重（すなわち、空車荷重Ｔと構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計）による応力が０として測定されるように再び初期化する。
【００３３】
続いて、ジャッキ１４を作動させ、１位側支持具１２１（つまり、１位側支持点Ｍ１）を徐々に沈下させる（Ｓ８）。これと共に、１位側支持具１２１が所定量沈下したごとに、構体１の応力を測定する。そして、１位側支持具１２１（つまり、１位側支持点Ｍ１）が構体１から離れたとき、当該１位側支持具１２１の沈下量を第１沈下量として測定すると共に、構体１の応力を第１沈下応力として測定する（Ｓ９）。ここでは、図５（ａ）に示すように、上方視において構体１の重心位置Ｐが中心にあることから、図５（ｂ）に示すように、このＳ７においては１位側支持具１２１だけでなく４位側支持具１２４が構体１から離間し、構体１が２点で支持される（やじろべー状態）。
【００３４】
続いて、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて１位側支持具１２１を上昇させることで、４点水平支持状態で構体１を再び支持する（Ｓ１０）。続いて、ジャッキ１４を作動させ、２位側支持具１２２（つまり、２位側支持点Ｍ２）を徐々に沈下させる（Ｓ１１）と共に、２位側支持具１２２が所定量沈下したごとに、構体１の応力を測定する。そして、２位側支持具１２２（つまり、２位側支持点Ｍ２）が構体１から離れたとき、当該２位側支持具１２２の沈下量を第２沈下量として測定すると共に、構体１の応力を第２沈下応力として測定する（Ｓ１２）。ここでは、２位側支持具１２２だけでなく３位側支持具１２３が構体１から離間し、構体１が２点で支持される。
【００３５】
次に、上述した予測前工程（上記Ｓ３）及び予測本工程（上記Ｓ６）について、図３に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。
【００３６】
予測前工程（上記Ｓ３）においては、構体１に空車荷重Ｔを負荷する前、すなわち、総荷重が構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計の状態（試験荷重を何も負荷しない状態）において、４点水平支持状態でジャッキ１４を作動させ、１位側支持具１２１が構体１から離れるまで１位側支持具１２１を沈下させる（Ｓ２１）。そして、そのときの構体１の応力を第１基準応力として測定すると共に、その沈下量を第１基準沈下量（第１基準移動量）として測定する（Ｓ２２）。その後、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて１位側支持具１２１を上昇させることで、４点水平支持状態で構体１を再び支持する。
【００３７】
続いて、４点水平支持状態でジャッキ１４を作動させ、２位側支持具１２２が構体１から離れるまで２位側支持具１２２を沈下させる（Ｓ２３）。そして、その移動量を第２基準沈下量（第２基準移動量）として測定する（Ｓ２３）。その後、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて２位側支持具１２２を上昇させ、４点水平支持状態で構体１を再び支持する
【００３８】
ここで、構体１にあっては、概略には、前後左右対称な構造であるものの、厳密には、例えば組上げ時のずれ等の影響のために１位側と２位側との間に構体高さ誤差Ｙを有している場合がある。そのため、図６（ａ）及び図７（ａ）に示す一例のように、上記Ｓ１において構体１を４点水平支持状態とすると、構体自重Ｃやエアバッグ治具自重Ａ等で構体１が支持具１２に押さえ付けられることから、構体１にねじれが生じる。つまり、構体１に存在する非対称性により、上記Ｓ１の構体１は、初期ねじれを有している。
【００３９】
よって、図６（ｂ）に示すように、上記Ｓ２１にて１位側支持具１２１を沈下させると、４点水平支持状態の水平面Ｈが破壊されるような状態となり、ねじれが解放されて構体高さ誤差Ｙが解放され、自然体としての構体１’となる。これと同時に、総荷重によって沈下し、基準沈下量δ１のときに１位側支持具１２１が構体１から離れる。よって、総荷重による沈下量成分ＹＰは、
ＹＰ＝Ｙ＋δ１ …（Ａ）
となる。
【００４０】
一方、図７（ｂ）に示すように、上記Ｓ２４にて２位側支持具１２２を沈下させると、同様に、水平面が破壊されるような状態となり、ねじれが解放されて構体高さ誤差Ｙが解放され、自然体としての構体１’となる。これと同時に、総荷重によって沈下し、基準沈下量δ２のときに１位側支持具１２１が構体１から離れる。よって、総荷重による沈下量成分ＹＰは、
ＹＰ＝δ２−Ｙ …（Ｂ）
となる。
【００４１】
そこで、上記式（Ａ），（Ｂ）から下記式（Ｃ）が導かれる。つまり、下記式（Ｃ）により、第１及び第２基準沈下量δ１，δ２が、総荷重に依存しない第１沈下量成分Ｙ（構体高さ誤差Ｙに相当）と、総荷重に依存する第２沈下量成分ＹＰとに分類されて求められる（Ｓ２６）。
Ｙ＝（δ２−δ１）／２， ＹＰ＝（δ２＋δ１）／２ …（Ｃ）
Ｙ ：第１沈下量成分
ＹＰ ：第２沈下量成分
δ１ ：第１基準沈下量
δ２ ：第２基準沈下量
【００４２】
そして、この分類した第２沈下量成分ＹＰと第１及び第２基準応力σ１，σ２のそれぞれとの比例関係に基づく下記式（１），（３）によって、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１及び第２基準応力σ１，σ２がそれぞれ補正されてなる第１及び第２補正応力σ’１，σ’２がそれぞれ求められる。
σ１：δ１ ＝ σ’１：ＹＰ（＝（δ２＋δ１）／２）
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ２：δ２ ＝ σ’２：ＹＰ（＝（δ２＋δ１）／２）
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
σ’１ ：第１補正応力
σ３ ：第２基準応力
δ２ ：第２基準移動量
σ’２ ：第２補正応力
【００４３】
次に、予測本工程（上記Ｓ６）においては、上記Ｓ２における応力の初期化に応じて空車応力を修正するための荷重比（すなわち、荷重倍数）γを、下記式（Ｄ）によって求める。これは、上記Ｓ５の４点水平支持状態では、実際には、空車荷重Ｔの他に、初期化された構体自重Ｃ及びエアバッグ治具自重Ａも構体１に負荷されていることから、測定された空車応力を真応力として扱うために、かかる空車応力を荷重比γ倍する必要があるためである。
荷重比γ＝（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具Ａ＋空車荷重Ｔ）／空車荷重Ｔ …（Ｄ）
【００４４】
これと共に、空車荷重Ｔを負荷する前後の総荷重の荷重比（すなわち、荷重倍数）λを、下記式（Ｅ）によって求める（Ｓ３１）。
荷重比λ＝（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具Ａ＋空車荷重Ｔ）／
（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具自重Ａ） …（Ｅ）
【００４５】
そして、この荷重比γ，λと、上述した予測前工程で求めた第１及び第２補正応力σ’１，σ’２と、空車応力σＴとに基づくことで、下記式（２），（４）が導かれる。その結果、下記式（２），（４）により、上記Ｓ９にて測定する第１沈下応力の予測値として第１予測応力σ’’１が算出され求められると共に、上記Ｓ１２にて測定する第２沈下応力の予測値として第２予測応力σ’’２が算出され求められる（Ｓ３２）。
σ’’１＝γ・σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’’２＝γ・σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’’１ ：第１予測応力
σ’’２ ：第２予測応力
σＴ ：空車応力
【００４６】
なお、上記式（２），（４）の右辺は、４点水平支持状態における構体１の応力と、支持具１２が構体１から離れるまで支持具１２を沈下させた状態における構体１の応力とに分類し合成した処理を意味している。また、これら第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２は、使用材料に応力が発生していない状態を基準（応力が０）とした値（つまり、真応力）であって、使用材料の降伏応力と同じ基準で比較できるものである。
【００４７】
以上、本実施形態では、上記式（１）によって、４点水平支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力σ１が補正されて第１補正応力σ’１が求められる。よって、上記式（２）において、比例関係に基づいて第１補正応力σ’１を荷重比λ倍したものに、４点水平支持状態の空車応力σＴを荷重比γ倍してなる真応力を合成することで、第１予測応力σ’’１を精度よく求めることができる。また、同様にして、上記式（３），（４）によって、第２予測応力σ’’２を精度よく求めることができる。すなわち、本実施形態によれば、第１及び第２沈下応力を精度よく予測することが可能となる。
【００４８】
従って、本実施形態にあっては、空車荷重Ｔを負荷した際の第１及び第２沈下応力が降伏応力よりも小さいか否かを、予測計算するだけで事前に把握できるものといえる。また、予測前工程では、構体１に負荷される荷重が空車荷重Ｔよりも小さいことから、第１及び第２基準応力が降伏応力を超えることは少ないため、本実施形態は、構体１の永久変形及び座屈が生じる可能性を抑制しつつ、第１及び第２沈下応力を予測できるものともいえる。
【００４９】
また、上述したように、予測前工程（上記Ｓ３）においては、総荷重が構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計とされている。そのため、特段の荷重を構体１に別途負荷することなく、４点水平支持状態とした上記Ｓ１の後そのまま予測前工程を実施でき、よって、荷重試験方法を好適且つ簡便に実施することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、上述したように、上記Ｓ５にて応力を初期化することから、その後、支持具１２を沈下させることによる応力のみを測定することができるため、例えば上記Ｓ９，１２において第１及び第２沈下応力を容易に測定することが可能となる。
【００５１】
ちなみに、本実施形態では、上述したように一の歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２を求めたが、全歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２を求めることも勿論できる。全歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２が材料の降伏応力又は座屈応力よりも小さければ、構体１の強度には問題がないと評価することが可能となる。
【００５２】
ここで、説明した本実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法に関し、予測した第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と、実測した第１及び第２沈下応力と、をそれぞれ比較し、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２の予測精度を確認する確認試験を行った。ここでの試験では、構体質量を６８ｋＮとし、エアバッグ治具質量を３２ｋＮとし、空車荷重を９５ｋＮとした。その結果を図８に示す。
【００５３】
図８（ａ）は第１予測応力σ’’１と第１沈下応力とを示す線図であり、図８（ｂ）は第２予測応力σ’’２と第２沈下応力とを示す線図である。図中において、横軸は歪ゲージ番号を示し、縦軸はその歪ゲージ箇所の応力値を示している。この確認試験によれば、図８に示すように、第１及び第２沈下応力を精度よく予測するという上記効果を確認することができた。
【００５４】
また、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と第１及び第２沈下応力とが互いに略一致している場合、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２は荷重比の線形性から求められているため、その歪ゲージ箇所の挙動は線形的なものであると評価することができる。一方、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と第１及び第２沈下応力とに所定値以上の差が生じている場合、その歪ゲージ箇所の挙動は非線形的なもの（例えば、板が重なっていることによる接触に起因した挙動）であると評価することができる。なお、これらに所定値以上の差が生じていても、空車荷重Ｔを除去した後に構体１が元の形状に戻れば、「最大荷重を除去した後に著しい永久変形を生じていないことを確認する」というＪＩＳに規定された試験項目を満足するため、問題はない。
【００５５】
なお、本実施形態では、上述したように、上方視において構体１の重心位置Ｐが中心にあることから、１位側支持具１２１を沈下させて１位側支持具１２１が構体１から離れたとき、４位側支持具１２４も構体１から離れて２点支持されるが、構体１の重心位置Ｐによってはこれに限定されるものではない。
【００５６】
例えば、図９（ａ）に示すように、上方視において構体１の重心位置Ｐが、中心に対してほぼ左側（２位側支持点Ｍ２寄り）にある場合、図９（ｂ）に示すように、１位側支持具１２１を沈下させると、１位側支持具１２１のみが構体１から離れて３点支持される。また、この場合、図９（ｃ）に示すように、２位側支持具１２２を沈下させると、２位側支持具１２２の対角に位置する３位側支持具１２３のみが構体１から離れて３点支持される。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、エアバッグ治具１１を用いて構体１に試験荷重を負荷したが、油圧、水タンク、砂袋、若しくは鉄塊（鋳物用なまこ）を用いて構体１に試験荷重を負荷してもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、支持具１２を沈下させてその沈下量を測定しているが、上昇させてその上昇量を測定してもよく、鉛直方向に沿って移動させてその移動量を測定すればよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、２位側支持具１２２を他の支持具としたが、３側支持具１２３を他の支持具としてもよい。また、上記実施形態では、１位側支持具１２１を一の支持具としたが、２〜４位側支持具１２２〜１２４の何れかを一の支持具としてもよい。この場合、一の支持具とされた２〜４位側支持具１２２〜１２４の対角に位置しない支持具が他の支持具とされる。
【符号の説明】
【００６０】
１…構体、１１…エアバッグ治具（治具）、１２…支持具、１２１…１位側支持具（一の支持具）、１２２…２位側支持具（他の支持具）、Ｈ…水平面、Ｍ，Ｍ１〜Ｍ４…支持点、Ｔ…空車荷重（試験荷重）、δ１…第１基準沈下量（第１基準移動量）、δ２…第２基準沈下量（第２基準移動量）、σ１…第１基準応力、σ２…第２基準応力、σ’１…第１補正応力、σ’２…第２補正応力、σ’’１…第１予測応力、σ’’２…第２予測応力、σＴ…空車応力（試験応力）、λ…荷重比。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両構体の荷重試験方法に関し、特に、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両構体の荷重試験方法としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この鉄道車両構体の荷重試験方法では、車両全長より短い構体を巧みに支持して荷重を負荷することで、車両全長の構体に荷重を負荷したときと同等のたわみ又は応力を把握することが図られており、荷重試験のコスト軽減が可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−７２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような鉄道車両構体の荷重試験方法としては、例えば「ＪＩＳ Ｅ７１０５」に規定されているように、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するためのものが知られている。このＪＩＳによる荷重試験方法では、メンテナンス時に一般的に行われている車体のリフティング作業を想定し、構体を３点支持（又は２点支持）した状態で荷重試験を行うことが義務付けられている。
【０００５】
具体的には、構体を４つの支持具で４点支持すると共に、これら支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とし、構体に試験荷重を負荷する。その後、４点水平支持状態の４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、そのときの構体の応力を測定する。
【０００６】
ここで、近年の鉄道車両構体の荷重試験方法では、前述したように、支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる際、例えば構体に生じる応力が降伏応力よりも小さいか否かを予め確認することが要求されており、かかる構体の応力を精度よく予測することが強く望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において、構体に生じる応力を精度よく予測することができる鉄道車両構体の荷重試験方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、鉄道車両構体の荷重試験方法に関して次の知見を得た。すなわち、通常、構体は前後左右対称構造であることから、４点水平支持状態の４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させたときと、他の支持具を鉛直方向に沿って移動させたときとで、支持具の移動量は互いに同程度のものとなると考えられる。しかし、実際には、これらの移動量が互いに大きく相違する場合があるという知見を得た。
【０００９】
そして、かかる相違は、例えば構体において一の支持具側の高さと他の支持具側の高さとにバラツキ（非対称性）が存在する等のように４つの支持点が同じ水平面上に完全に位置しないのにもかかわらず、支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態（以下、単に「４点水平支持状態」という）で構体を支持することに起因するということを見出した。つまり、４点水平支持状態で支持された構体においては、その自重等で支持具に押さえ付けられることから、かかるバラツキが存在すると構体変形（ねじれ等）が生じるため、その構体変形に起因した初期応力が発生していることを見出した。
【００１０】
そこで、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において構体に生じる応力を予測するに当たり、４点水平支持状態で支持されたことによる構体変形の影響が含まれないよう応力を補正することができれば、この補正した応力に基づき予測応力を予め精度よく求め得ることに想到し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る鉄道車両構体の荷重試験方法は、鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法であって、構体を４つの支持具で支持すると共に、当該４つの支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とする４点支持工程と、４点支持工程の後、構体に試験荷重を負荷し、４点水平支持状態で構体の応力を試験応力として測定する荷重負荷工程と、荷重負荷工程の後に４点水平支持状態から一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が構体から離れたときの構体の応力を第１予測応力として予測する応力予測工程と、を備え、応力予測工程は、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第１基準移動量として測定すると共に構体の応力を第１基準応力として測定する第１工程と、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具に対して構体の長手方向又は幅方向に隣接する他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第２基準移動量として測定する第２工程と、下記式（１）により、第１及び第２基準移動量に基づいて、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める第３工程と、下記式（２）により、試験応力と第１補正応力と試験荷重を負荷する前後において構体に負荷されている総荷重の荷重比とに基づいて、第１予測応力を求める第４工程と、を含むことを特徴とする。
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ’’１ ＝σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’１ ：第１補正応力
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
δ２ ：第２基準移動量
σＴ ：試験応力
σ’’１ ：第１予測応力
λ ：試験荷重を負荷する前後の総荷重の荷重比
【００１２】
この鉄道車両構体の荷重試験方法では、上記式（１）によって、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力が補正される。よって、上記式（２）によって試験応力と第１補正応力と荷重比とに基づくことで、構体に試験荷重を負荷し何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を移動させたときの構体の応力を、第１予測応力として予め精度よく求めることができる。
【００１３】
また、応力予測工程は、荷重負荷工程の後に４点水平支持状態から４つの支持具うち他の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が構体から離れたときの構体の応力を第２予測応力としてさらに予測するものであり、第２工程においては、荷重負荷工程の前に、４点水平支持状態から４つの支持具うち何れかの支持具が構体から離れるまで他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、構体の応力を第２基準応力として測定し、第３工程においては、下記式（３）により、第１及び第２基準移動量に基づいて、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第２基準応力が補正されてなる第２補正応力を求め、第４工程においては、下記式（４）により、試験応力と第２補正応力と荷重比とに基づいて、第２予測応力を求めることが好ましい。この場合、構体に試験荷重を負荷し何れかの支持具が構体から離れるまで他の支持具を移動させたときの構体の応力も、第２予測応力として予め精度よく求められることになる。
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ’’２ ＝σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’２ ：第２補正応力
σ２ ：第２基準応力
σ’’２ ：第２予測応力
【００１４】
また、試験荷重は、４点水平支持状態での４つの支持具における支持荷重の合計が空車状態の車体質量となる荷重であることが好ましい。この場合、ＪＩＳに規定された荷重試験方法に準拠するように荷重試験が実施されることになる。なお、「空車状態」とは、乗客、乗務員及び荷物を積載せず、水，油，砂，工具類等の運転上必要な器具及び物資を搭載した車両の状態を意味する。
【００１５】
また、応力予測工程の前記第１及び第２工程においては、総荷重が、構体の自重に関する荷重と構体に試験荷重を負荷するための治具の自重に関する荷重との合計とされていることが好ましい。この場合、特段の荷重を構体に別途負荷することなく応力予測工程を実施でき、よって、荷重試験方法を好適に実施することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構体を支持する４つの支持具のうち何れかの支持具が構体から離れるまで一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合において、構体に生じる応力を精度よく予測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法の対象となる構体を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は本実施形態の予測前工程の手順を示すフローチャートであり、（ｂ）は本実施形態の予測本工程の手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は図１の構体の支持方法を説明するための正面図、（ｂ）は図１の構体の支持方法を説明するための背面図である。
【図５】（ａ）は図１の構体の４点水平支持状態を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の４点水平支持状態から１位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図、（ｃ）は（ａ）の４点水平支持状態から２位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図である。
【図６】本実施形態において１位側支持具を沈下させる場合の説明図である。
【図７】本実施形態において２位側支持具を沈下させる場合の説明図である。
【図８】本実施形態の確認試験の結果を示す図である。
【図９】（ａ）は他の例に係る構体の４点水平支持状態を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の４点水平支持状態から１位側支持具が離れたときの支持状態を示す上面図、（ｃ）は（ａ）の４点水平支持状態から２位側支持具が沈下し離れたときの支持状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
まず、本発明の一実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法（以下、単に「荷重試験方法」という）の対象となる構体について説明する。図１は荷重試験方法の対象となる構体を示す斜視図である。図１に示すように、構体１は、電車等の鉄道車両の構造体であって、内装や艤装が行われる前のものとして車体の主構造部分を構成する。
【００２０】
この構体１は、ステンレス等の合金鋼で形成されており、その内部に乗客を収容する空間を有する略箱型の形状をなしている。構体１は、車両の底部に位置する台枠８と、車両の両側に位置し窓部及びドアを有する側構体２と、車両の前後に位置する妻構体４と、車両の上部に位置する屋根構体６とから構成されている。
【００２１】
具体的には、台枠８は略矩形状を有し、構体１の底部に配置されている。台枠８の周縁には、両側に位置する側構体２と、車両の前側及び後側に位置する妻構体４とが台枠８を囲むように立設されている。構体１の上部には、屋根構体６が側構体２と妻構体４とから構成された空間に蓋をするように配置されている。側構体２及び妻構体４は、車両の外側に配置された外板とその外板の内側に配置された柱や骨材等とから構成されている。
【００２２】
この構体１には、後述する荷重試験方法にて応力を測定するためのものとして、歪ゲージが貼付されて装着されており、よって、以下の説明における構体１の応力は、具体的には、歪ゲージ貼付箇所の応力値を意味している。
【００２３】
次に、本実施形態の荷重試験方法について、図２に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態は、「ＪＩＳ Ｅ７１０５」に規定された荷重試験方法に準ずるものである。また、以下の荷重試験方法は、説明の便宜上、一の歪ゲージの応力値を構体１の応力として予測し測定するものとする。
【００２４】
まず、図４（ａ），（ｂ）に示すように、構体１に鉛直方向下方の荷重を負荷するものとして、構体１の台枠８上にエアバッグ治具１１を取り付ける。ここでは、台枠８上に床板（不図示）を配置し、この床板上にエアバック治具１１を取り付けている。これと共に、例えば構体１において台枠８のまくらばり（空気バネ位置）付近に設けられた４箇所のジャッキ受部を、支持具１２が有するロードセル１３の頂点に当接させて載置し、構体１を支持具１２で４点支持する。
【００２５】
このエアバッグ治具１１は、その膨張力を利用して台枠８上に荷重を負荷するものである。支持具１２のロードセル１３の下方には、ジャッキ１４が設置されている。このジャッキ１４によって、支持具１２が鉛直方向に沿って移動可能にされ、支持点Ｍの高さ位置が調整可能とされている。
【００２６】
なお、本実施形態では、構体１の前方右側に配置された支持具を１位側支持具（一の支持具）１２１と称し、その支持点を１位側支持点Ｍ１と称すると共に、前方左側に配置された支持具を２位側支持具（他の支持具）１２２と称し、その支持点を２位側支持点Ｍ２と称する。また、構体１の後方右側に配置された支持具を３位側支持具１２３と称し、その支持点を３位側支持点Ｍ３と称すると共に、後方左側に配置された支持具を４位側支持具１２４と称し、その支持点を４位側支持点Ｍ４と称する。
【００２７】
続いて、ジャッキ１４を作動させ、４つの支持具１２１〜１２４の支持点Ｍ１〜Ｍ４が同じ水平面Ｈ（図６参照）上に位置するような４点水平支持状態（以下、単に「４点水平支持状態」という）とする（Ｓ１）。つまり、各ジャッキ１４の頭部を互いに水平にする。ここでは、例えば水盛法によって４点水平支持状態を実現している。
【００２８】
続いて、応力の絶対基準を画定すべく、４点水平支持状態での構体１の応力を０とする（Ｓ２）。換言すると、このときの構体１に負荷されている総荷重（すなわち、構体１の自重とエアバッグ治具１１の自重との合計）による構体１の応力が０として測定されるように初期化する。
【００２９】
続いて、後段のＳ９，Ｓ１２にて測定される構体１の応力を予測するため、予め１位側及び２位側支持具１２１，１２２をそれぞれ沈下させ、そのときの構体１の応力を第１及び第２基準応力として測定する。そして、４点水平支持状態としたことによる構体初期ねじれ（構体変形）の影響が含まれないように第１及び第２基準応力が補正されてなる第１及び第２補正応力をそれぞれ求める（予測前工程：Ｓ３）。
【００３０】
続いて、エアバッグ治具１１を膨張させ、４点水平支持状態においてロードセル１３の総和力（支持具１２の支持荷重の合計）が空車状態の車体質量となるように、構体１に空車荷重（試験荷重）Ｔを負荷する（Ｓ４）。具体的には、各支持具１２１〜１２４の各ロードセル１３で検出された荷重の合計が空車荷重Ｔになるようにエアバッグ治具１１の膨張圧力を調整する。ここでの空車荷重Ｔは、上記Ｓ２で応力が初期化されていることから、下記式（ア）で示されるものとされる。
空車荷重Ｔ＝［営業運転可能な空の車両質量から台車を２つ取り除いた質量（＝空車
状態の荷重）］−［構体自重Ｃ＋エアバッグ治具自重Ａ］ …（ア）
【００３１】
続いて、この４点水平支持状態での構体１の応力を空車応力（試験応力）として測定する（Ｓ５）。そして、上記Ｓ３にて求められた第１及び第２補正応力、及び上記Ｓ５にて測定された空車応力に基づいて、後段のＳ９，１２にて測定される構体１の応力をそれぞれ予測する（予測本工程：Ｓ６）。
【００３２】
続いて、構体１の応力を再度０とする（Ｓ７）。換言すると、このときの総荷重（すなわち、空車荷重Ｔと構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計）による応力が０として測定されるように再び初期化する。
【００３３】
続いて、ジャッキ１４を作動させ、１位側支持具１２１（つまり、１位側支持点Ｍ１）を徐々に沈下させる（Ｓ８）。これと共に、１位側支持具１２１が所定量沈下したごとに、構体１の応力を測定する。そして、１位側支持具１２１（つまり、１位側支持点Ｍ１）が構体１から離れたとき、当該１位側支持具１２１の沈下量を第１沈下量として測定すると共に、構体１の応力を第１沈下応力として測定する（Ｓ９）。ここでは、図５（ａ）に示すように、上方視において構体１の重心位置Ｐが中心にあることから、図５（ｂ）に示すように、このＳ７においては１位側支持具１２１だけでなく４位側支持具１２４が構体１から離間し、構体１が２点で支持される（やじろべー状態）。
【００３４】
続いて、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて１位側支持具１２１を上昇させることで、４点水平支持状態で構体１を再び支持する（Ｓ１０）。続いて、ジャッキ１４を作動させ、２位側支持具１２２（つまり、２位側支持点Ｍ２）を徐々に沈下させる（Ｓ１１）と共に、２位側支持具１２２が所定量沈下したごとに、構体１の応力を測定する。そして、２位側支持具１２２（つまり、２位側支持点Ｍ２）が構体１から離れたとき、当該２位側支持具１２２の沈下量を第２沈下量として測定すると共に、構体１の応力を第２沈下応力として測定する（Ｓ１２）。ここでは、２位側支持具１２２だけでなく３位側支持具１２３が構体１から離間し、構体１が２点で支持される。
【００３５】
次に、上述した予測前工程（上記Ｓ３）及び予測本工程（上記Ｓ６）について、図３に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。
【００３６】
予測前工程（上記Ｓ３）においては、構体１に空車荷重Ｔを負荷する前、すなわち、総荷重が構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計の状態（試験荷重を何も負荷しない状態）において、４点水平支持状態でジャッキ１４を作動させ、１位側支持具１２１が構体１から離れるまで１位側支持具１２１を沈下させる（Ｓ２１）。そして、そのときの構体１の応力を第１基準応力として測定すると共に、その沈下量を第１基準沈下量（第１基準移動量）として測定する（Ｓ２２）。その後、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて１位側支持具１２１を上昇させることで、４点水平支持状態で構体１を再び支持する。
【００３７】
続いて、４点水平支持状態でジャッキ１４を作動させ、２位側支持具１２２が構体１から離れるまで２位側支持具１２２を沈下させる（Ｓ２３）。そして、その移動量を第２基準沈下量（第２基準移動量）として測定する（Ｓ２３）。その後、応力が０となるようにジャッキ１４を作動させて２位側支持具１２２を上昇させ、４点水平支持状態で構体１を再び支持する
【００３８】
ここで、構体１にあっては、概略には、前後左右対称な構造であるものの、厳密には、例えば組上げ時のずれ等の影響のために１位側と２位側との間に構体高さ誤差Ｙを有している場合がある。そのため、図６（ａ）及び図７（ａ）に示す一例のように、上記Ｓ１において構体１を４点水平支持状態とすると、構体自重Ｃやエアバッグ治具自重Ａ等で構体１が支持具１２に押さえ付けられることから、構体１にねじれが生じる。つまり、構体１に存在する非対称性により、上記Ｓ１の構体１は、初期ねじれを有している。
【００３９】
よって、図６（ｂ）に示すように、上記Ｓ２１にて１位側支持具１２１を沈下させると、４点水平支持状態の水平面Ｈが破壊されるような状態となり、ねじれが解放されて構体高さ誤差Ｙが解放され、自然体としての構体１’となる。これと同時に、総荷重によって沈下し、基準沈下量δ１のときに１位側支持具１２１が構体１から離れる。よって、総荷重による沈下量成分ＹＰは、
ＹＰ＝Ｙ＋δ１ …（Ａ）
となる。
【００４０】
一方、図７（ｂ）に示すように、上記Ｓ２４にて２位側支持具１２２を沈下させると、同様に、水平面が破壊されるような状態となり、ねじれが解放されて構体高さ誤差Ｙが解放され、自然体としての構体１’となる。これと同時に、総荷重によって沈下し、基準沈下量δ２のときに１位側支持具１２１が構体１から離れる。よって、総荷重による沈下量成分ＹＰは、
ＹＰ＝δ２−Ｙ …（Ｂ）
となる。
【００４１】
そこで、上記式（Ａ），（Ｂ）から下記式（Ｃ）が導かれる。つまり、下記式（Ｃ）により、第１及び第２基準沈下量δ１，δ２が、総荷重に依存しない第１沈下量成分Ｙ（構体高さ誤差Ｙに相当）と、総荷重に依存する第２沈下量成分ＹＰとに分類されて求められる（Ｓ２６）。
Ｙ＝（δ２−δ１）／２， ＹＰ＝（δ２＋δ１）／２ …（Ｃ）
Ｙ ：第１沈下量成分
ＹＰ ：第２沈下量成分
δ１ ：第１基準沈下量
δ２ ：第２基準沈下量
【００４２】
そして、この分類した第２沈下量成分ＹＰと第１及び第２基準応力σ１，σ２のそれぞれとの比例関係に基づく下記式（１），（３）によって、４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１及び第２基準応力σ１，σ２がそれぞれ補正されてなる第１及び第２補正応力σ’１，σ’２がそれぞれ求められる。
σ１：δ１ ＝ σ’１：ＹＰ（＝（δ２＋δ１）／２）
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ２：δ２ ＝ σ’２：ＹＰ（＝（δ２＋δ１）／２）
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
σ’１ ：第１補正応力
σ３ ：第２基準応力
δ２ ：第２基準移動量
σ’２ ：第２補正応力
【００４３】
次に、予測本工程（上記Ｓ６）においては、上記Ｓ２における応力の初期化に応じて空車応力を修正するための荷重比（すなわち、荷重倍数）γを、下記式（Ｄ）によって求める。これは、上記Ｓ５の４点水平支持状態では、実際には、空車荷重Ｔの他に、初期化された構体自重Ｃ及びエアバッグ治具自重Ａも構体１に負荷されていることから、測定された空車応力を真応力として扱うために、かかる空車応力を荷重比γ倍する必要があるためである。
荷重比γ＝（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具Ａ＋空車荷重Ｔ）／空車荷重Ｔ …（Ｄ）
【００４４】
これと共に、空車荷重Ｔを負荷する前後の総荷重の荷重比（すなわち、荷重倍数）λを、下記式（Ｅ）によって求める（Ｓ３１）。
荷重比λ＝（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具Ａ＋空車荷重Ｔ）／
（構体自重Ｃ＋エアバッグ治具自重Ａ） …（Ｅ）
【００４５】
そして、この荷重比γ，λと、上述した予測前工程で求めた第１及び第２補正応力σ’１，σ’２と、空車応力σＴとに基づくことで、下記式（２），（４）が導かれる。その結果、下記式（２），（４）により、上記Ｓ９にて測定する第１沈下応力の予測値として第１予測応力σ’’１が算出され求められると共に、上記Ｓ１２にて測定する第２沈下応力の予測値として第２予測応力σ’’２が算出され求められる（Ｓ３２）。
σ’’１＝γ・σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’’２＝γ・σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’’１ ：第１予測応力
σ’’２ ：第２予測応力
σＴ ：空車応力
【００４６】
なお、上記式（２），（４）の右辺は、４点水平支持状態における構体１の応力と、支持具１２が構体１から離れるまで支持具１２を沈下させた状態における構体１の応力とに分類し合成した処理を意味している。また、これら第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２は、使用材料に応力が発生していない状態を基準（応力が０）とした値（つまり、真応力）であって、使用材料の降伏応力と同じ基準で比較できるものである。
【００４７】
以上、本実施形態では、上記式（１）によって、４点水平支持工程による構体変形の影響が含まれないように第１基準応力σ１が補正されて第１補正応力σ’１が求められる。よって、上記式（２）において、比例関係に基づいて第１補正応力σ’１を荷重比λ倍したものに、４点水平支持状態の空車応力σＴを荷重比γ倍してなる真応力を合成することで、第１予測応力σ’’１を精度よく求めることができる。また、同様にして、上記式（３），（４）によって、第２予測応力σ’’２を精度よく求めることができる。すなわち、本実施形態によれば、第１及び第２沈下応力を精度よく予測することが可能となる。
【００４８】
従って、本実施形態にあっては、空車荷重Ｔを負荷した際の第１及び第２沈下応力が降伏応力よりも小さいか否かを、予測計算するだけで事前に把握できるものといえる。また、予測前工程では、構体１に負荷される荷重が空車荷重Ｔよりも小さいことから、第１及び第２基準応力が降伏応力を超えることは少ないため、本実施形態は、構体１の永久変形及び座屈が生じる可能性を抑制しつつ、第１及び第２沈下応力を予測できるものともいえる。
【００４９】
また、上述したように、予測前工程（上記Ｓ３）においては、総荷重が構体自重Ｃとエアバッグ治具自重Ａとの合計とされている。そのため、特段の荷重を構体１に別途負荷することなく、４点水平支持状態とした上記Ｓ１の後そのまま予測前工程を実施でき、よって、荷重試験方法を好適且つ簡便に実施することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、上述したように、上記Ｓ５にて応力を初期化することから、その後、支持具１２を沈下させることによる応力のみを測定することができるため、例えば上記Ｓ９，１２において第１及び第２沈下応力を容易に測定することが可能となる。
【００５１】
ちなみに、本実施形態では、上述したように一の歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２を求めたが、全歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２を求めることも勿論できる。全歪ゲージの第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２が材料の降伏応力又は座屈応力よりも小さければ、構体１の強度には問題がないと評価することが可能となる。
【００５２】
ここで、説明した本実施形態に係る鉄道車両構体の荷重試験方法に関し、予測した第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と、実測した第１及び第２沈下応力と、をそれぞれ比較し、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２の予測精度を確認する確認試験を行った。ここでの試験では、構体質量を６８ｋＮとし、エアバッグ治具質量を３２ｋＮとし、空車荷重を９５ｋＮとした。その結果を図８に示す。
【００５３】
図８（ａ）は第１予測応力σ’’１と第１沈下応力とを示す線図であり、図８（ｂ）は第２予測応力σ’’２と第２沈下応力とを示す線図である。図中において、横軸は歪ゲージ番号を示し、縦軸はその歪ゲージ箇所の応力値を示している。この確認試験によれば、図８に示すように、第１及び第２沈下応力を精度よく予測するという上記効果を確認することができた。
【００５４】
また、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と第１及び第２沈下応力とが互いに略一致している場合、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２は荷重比の線形性から求められているため、その歪ゲージ箇所の挙動は線形的なものであると評価することができる。一方、第１及び第２予測応力σ’’１，σ’’２と第１及び第２沈下応力とに所定値以上の差が生じている場合、その歪ゲージ箇所の挙動は非線形的なもの（例えば、板が重なっていることによる接触に起因した挙動）であると評価することができる。なお、これらに所定値以上の差が生じていても、空車荷重Ｔを除去した後に構体１が元の形状に戻れば、「最大荷重を除去した後に著しい永久変形を生じていないことを確認する」というＪＩＳに規定された試験項目を満足するため、問題はない。
【００５５】
なお、本実施形態では、上述したように、上方視において構体１の重心位置Ｐが中心にあることから、１位側支持具１２１を沈下させて１位側支持具１２１が構体１から離れたとき、４位側支持具１２４も構体１から離れて２点支持されるが、構体１の重心位置Ｐによってはこれに限定されるものではない。
【００５６】
例えば、図９（ａ）に示すように、上方視において構体１の重心位置Ｐが、中心に対してほぼ左側（２位側支持点Ｍ２寄り）にある場合、図９（ｂ）に示すように、１位側支持具１２１を沈下させると、１位側支持具１２１のみが構体１から離れて３点支持される。また、この場合、図９（ｃ）に示すように、２位側支持具１２２を沈下させると、２位側支持具１２２の対角に位置する３位側支持具１２３のみが構体１から離れて３点支持される。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、エアバッグ治具１１を用いて構体１に試験荷重を負荷したが、油圧、水タンク、砂袋、若しくは鉄塊（鋳物用なまこ）を用いて構体１に試験荷重を負荷してもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、支持具１２を沈下させてその沈下量を測定しているが、上昇させてその上昇量を測定してもよく、鉛直方向に沿って移動させてその移動量を測定すればよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、２位側支持具１２２を他の支持具としたが、３側支持具１２３を他の支持具としてもよい。また、上記実施形態では、１位側支持具１２１を一の支持具としたが、２〜４位側支持具１２２〜１２４の何れかを一の支持具としてもよい。この場合、一の支持具とされた２〜４位側支持具１２２〜１２４の対角に位置しない支持具が他の支持具とされる。
【符号の説明】
【００６０】
１…構体、１１…エアバッグ治具（治具）、１２…支持具、１２１…１位側支持具（一の支持具）、１２２…２位側支持具（他の支持具）、Ｈ…水平面、Ｍ，Ｍ１〜Ｍ４…支持点、Ｔ…空車荷重（試験荷重）、δ１…第１基準沈下量（第１基準移動量）、δ２…第２基準沈下量（第２基準移動量）、σ１…第１基準応力、σ２…第２基準応力、σ’１…第１補正応力、σ’２…第２補正応力、σ’’１…第１予測応力、σ’’２…第２予測応力、σＴ…空車応力（試験応力）、λ…荷重比。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法であって、
前記構体を４つの支持具で支持すると共に、当該４つの支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とする４点支持工程と、
前記４点支持工程の後、前記構体に試験荷重を負荷し、前記４点水平支持状態で前記構体の応力を試験応力として測定する荷重負荷工程と、
前記荷重負荷工程の後に前記４点水平支持状態から一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が前記構体から離れたときの前記構体の応力を第１予測応力として予測する応力予測工程と、を備え、
前記応力予測工程は、
前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第１基準移動量として測定すると共に前記構体の応力を第１基準応力として測定する第１工程と、
前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記一の支持具に対して前記構体の長手方向又は幅方向に隣接する他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第２基準移動量として測定する第２工程と、
下記式（１）により、前記第１及び第２基準移動量に基づいて、前記４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように前記第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める第３工程と、
下記式（２）により、前記試験応力と前記第１補正応力と前記試験荷重を負荷する前後において前記構体に負荷されている総荷重の荷重比とに基づいて、前記第１予測応力を求める第４工程と、を含むことを特徴とする鉄道車両構体の荷重試験方法。
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ’’１ ＝σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’１ ：第１補正応力
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
δ２ ：第２基準移動量
σＴ ：試験応力
σ’’１ ：第１予測応力
λ ：試験荷重を負荷する前後の総荷重の荷重比
【請求項２】
前記応力予測工程は、前記荷重負荷工程の後に前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち前記他の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が前記構体から離れたときの前記構体の応力を第２予測応力としてさらに予測するものであり、
前記第２工程においては、前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、前記構体の応力を第２基準応力として測定し、
前記第３工程においては、下記式（３）により、前記第１及び第２基準移動量に基づいて、前記４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように前記第２基準応力が補正されてなる第２補正応力を求め、
前記第４工程においては、下記式（４）により、前記試験応力と前記第２補正応力と前記荷重比とに基づいて、前記第２予測応力を求めることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両構体の荷重試験方法。
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ’’２ ＝σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’２ ：第２補正応力
σ２ ：第２基準応力
σ’’２ ：第２予測応力
【請求項３】
前記試験荷重は、前記４点水平支持状態での前記４つの支持具における支持荷重の合計が空車状態の車体質量となる荷重であることを特徴とする請求１又は２記載の鉄道車両の荷重試験方法。
【請求項４】
前記応力予測工程の前記第１及び第２工程においては、前記総荷重が、前記構体の自重に関する荷重と前記構体に前記試験荷重を負荷するための治具の自重に関する荷重との合計とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の鉄道車両構体の荷重試験方法。
【請求項１】
鉄道車両の構体における強度又は剛性を確認するための荷重試験方法であって、
前記構体を４つの支持具で支持すると共に、当該４つの支持具の支持点が同じ水平面上に位置するような４点水平支持状態とする４点支持工程と、
前記４点支持工程の後、前記構体に試験荷重を負荷し、前記４点水平支持状態で前記構体の応力を試験応力として測定する荷重負荷工程と、
前記荷重負荷工程の後に前記４点水平支持状態から一の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が前記構体から離れたときの前記構体の応力を第１予測応力として予測する応力予測工程と、を備え、
前記応力予測工程は、
前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記一の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第１基準移動量として測定すると共に前記構体の応力を第１基準応力として測定する第１工程と、
前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記一の支持具に対して前記構体の長手方向又は幅方向に隣接する他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、その移動量を第２基準移動量として測定する第２工程と、
下記式（１）により、前記第１及び第２基準移動量に基づいて、前記４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように前記第１基準応力が補正されてなる第１補正応力を求める第３工程と、
下記式（２）により、前記試験応力と前記第１補正応力と前記試験荷重を負荷する前後において前記構体に負荷されている総荷重の荷重比とに基づいて、前記第１予測応力を求める第４工程と、を含むことを特徴とする鉄道車両構体の荷重試験方法。
σ’１ ＝（σ１／δ１）・（δ１＋δ２）／２ …（１）
σ’’１ ＝σＴ＋λ・σ’１ …（２）
σ’１ ：第１補正応力
σ１ ：第１基準応力
δ１ ：第１基準移動量
δ２ ：第２基準移動量
σＴ ：試験応力
σ’’１ ：第１予測応力
λ ：試験荷重を負荷する前後の総荷重の荷重比
【請求項２】
前記応力予測工程は、前記荷重負荷工程の後に前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち前記他の支持具を鉛直方向に沿って移動させる場合であって、何れかの支持具が前記構体から離れたときの前記構体の応力を第２予測応力としてさらに予測するものであり、
前記第２工程においては、前記荷重負荷工程の前に、前記４点水平支持状態から前記４つの支持具うち何れかの支持具が前記構体から離れるまで前記他の支持具を鉛直方向に沿って移動させ、前記構体の応力を第２基準応力として測定し、
前記第３工程においては、下記式（３）により、前記第１及び第２基準移動量に基づいて、前記４点支持工程による構体変形の影響が含まれないように前記第２基準応力が補正されてなる第２補正応力を求め、
前記第４工程においては、下記式（４）により、前記試験応力と前記第２補正応力と前記荷重比とに基づいて、前記第２予測応力を求めることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両構体の荷重試験方法。
σ’２ ＝（σ２／δ２）・（δ１＋δ２）／２ …（３）
σ’’２ ＝σＴ＋λ・σ’２ …（４）
σ’２ ：第２補正応力
σ２ ：第２基準応力
σ’’２ ：第２予測応力
【請求項３】
前記試験荷重は、前記４点水平支持状態での前記４つの支持具における支持荷重の合計が空車状態の車体質量となる荷重であることを特徴とする請求１又は２記載の鉄道車両の荷重試験方法。
【請求項４】
前記応力予測工程の前記第１及び第２工程においては、前記総荷重が、前記構体の自重に関する荷重と前記構体に前記試験荷重を負荷するための治具の自重に関する荷重との合計とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の鉄道車両構体の荷重試験方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１６９３９７（Ｐ２０１０−１６９３９７Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４９７３（Ｐ２００９−４９７３）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
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