JP2011220835A - Fatigue testing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道用などの軌条の直線区間ならびに曲線区間における軌条と車輪との接触時における摩耗及び転がり疲労損傷を模擬する疲労試験装置に関する。 The present invention relates to a fatigue test apparatus for simulating wear and rolling fatigue damage at the time of contact between a rail and a wheel in a straight section and a curved section of a rail for a railway or the like.
従来より、鉄道輸送は、他の輸送機関と比較して輸送効率が高く、環境にも優しいことから、運行速度の高速化や貨車積載荷重の増大化、ダイヤの過密化などが積極的に進められている。
その結果、鋼製の軌条(レール)に対する負荷が過酷化しており、車輪の転動による軌条の耐摩耗性や耐疲労損傷性、又はダークスポット損傷性が重視されてきた。
Traditionally, rail transport is more efficient and environmentally friendly than other transport facilities, so it has been actively promoting higher operating speeds, increased freight load on freight cars, and congestion of diamonds. It has been.
As a result, the load on steel rails (rails) has become severe, and the wear resistance, fatigue damage resistance, or dark spot damage resistance of the rails due to rolling of wheels has been emphasized.
近年では、摩耗によって軌条を交換する以前に、軌条における車輪との接触部であるゲージコーナー部(以下、GC部と呼ぶ。)にきしみ割れが発生し、軌条の交換頻度が増加している。そのため、GC部のきしみ割れが問題視されている。
特に、これまで曲線軌道区間に用いられる軌条には、耐摩耗性及び耐疲労損傷性を向上させる観点から、高強度の軌条が用いられてきたが、GC部の耐摩耗性を従来の軌条と同等以上の特性を有した上で、交換に至る原因となるきしみ割れの発生を抑制した軌条も求められるようになってきている。
In recent years, before exchanging the rail due to wear, cracks have occurred in the gauge corner portion (hereinafter referred to as the GC portion), which is the contact portion of the rail with the wheel, and the frequency of rail replacement has increased. For this reason, a crack in the GC portion is regarded as a problem.
In particular, a high-strength rail has been used for the rail used in the curved track section so far, from the viewpoint of improving wear resistance and fatigue damage resistance. However, the wear resistance of the GC portion is different from that of the conventional rail. There is also a need for a rail that has characteristics equal to or better than those and that suppresses the occurrence of cracks that cause replacement.
そして、上述した軌条の耐摩耗性、耐疲労損傷性、ならびに耐きしみ割れ性を評価する場合、実際に軌条を敷設して評価することが最も望ましいが、以下のような問題点がある。
(1)軌条の特性評価が完了するまでに長時間を有する。
(2)軌条の敷設及び撤去に多大な費用がかかる。
そのため、近年では、軌条を実際に敷設することなく、耐摩耗性、耐疲労損傷性、ならびに耐きしみ割れ性を容易に評価し、再現できる疲労試験装置の開発が求められている。この求めに対しては、これまで、幾つかの疲労試験装置で実験が行われてきた。以下にこれらの疲労試験装置について簡単に説明する。
And when evaluating the wear resistance, fatigue damage resistance, and crack crack resistance of the rail described above, it is most desirable to actually lay the rail and evaluate it, but there are the following problems.
(1) It takes a long time to complete the rail characteristic evaluation.
(2) It costs a lot of money to install and remove rails.
Therefore, in recent years, there has been a demand for development of a fatigue test apparatus that can easily evaluate and reproduce wear resistance, fatigue damage resistance, and crack resistance without actually laying rails. In response to this requirement, experiments have been conducted with several fatigue test apparatuses. Hereinafter, these fatigue test apparatuses will be briefly described.
(西原式摩耗試験装置)
非特許文献1には、西原式摩耗試験装置が開示されている。西原式摩耗試験装置は、2つの円筒型の試験輪を異なる速度で回転させ、各試験輪の側面同士を押し当て、すべり摩耗状態における摩耗特性を測定する試験装置である。すなわち、軌条に限らず摩耗に対する材料の評価を行う2円筒接触型の小型試験装置である。
また、特許文献1及び特許文献2には、軌条の転がり疲労試験装置が開示されている。これらの文献によれば、軌条等長尺物の疲労試験に際して、負荷荷重や試験速度が調整自在な転がり疲労試験が開示されている。
(Nishihara type wear test equipment)
Non-Patent Document 1 discloses a Nishihara type wear test apparatus. The Nishihara-type wear test device is a test device that rotates two cylindrical test wheels at different speeds and presses the sides of each test wheel to measure wear characteristics in a sliding wear state. In other words, it is a two-cylinder contact type small test apparatus that evaluates materials for wear as well as rails.
Patent Document 1 and
また、特許文献3には、軌条及び車輪の疲労試験装置が開示されている。この文献では、回転自在に支承された試験輪と、横圧負荷機構と、試験輪装置部と、輪重負荷機構と、接触角付与機構と、アタック角付与機構と、車輪装置部とを具備する軌条及び車輪の疲労試験装置が開示されている。具体的には、前記横圧負荷機構は、前記試験輪を軸方向に移動させて後述する車輪に横圧を負荷する。また、前記試験輪装置部は、前記横圧負荷機構による軸方向移動の吸収部材及びフライホイールを介して直結された前記試験輪の回動源を備える。また、前記輪重負荷機構は、前記試験輪と相対する位置に回転自在に支承された車輪と、該車輪を前記試験輪側の半径方向に移動させる。また、前記接触角付与機構は、前記輪重負荷機構と同様に、前記車輪を試験輪との接触点を中心として同一平面内において所要角度回動せしめる。また、前記アタック角付与機構は、前記接触角付与機構と同様に、前記車輪を試験輪に対して軸と直交する方向に所定角度回動せしめる。また、前記車輪装置部は、前記接触角付与機構及び前記アタック角付与機構による前記車輪の変位を吸収する部材及びブレーキ機構を介して直結された車輪の回動源を備える。すなわち、特許文献3に開示された疲労試験装置は、前記試験輪及び車輪が実物と同一の断面形状を有した疲労試験装置である。 Patent Document 3 discloses a rail and wheel fatigue test apparatus. In this document, a test wheel rotatably supported, a lateral pressure load mechanism, a test wheel device unit, a wheel load mechanism, a contact angle application mechanism, an attack angle application mechanism, and a wheel device unit are provided. A rail and wheel fatigue testing apparatus is disclosed. Specifically, the lateral pressure load mechanism moves the test wheel in the axial direction and applies a lateral pressure to a wheel to be described later. The test wheel device section includes an absorbing member that is moved in the axial direction by the lateral pressure load mechanism and a rotation source of the test wheel that is directly connected via a flywheel. The wheel load mechanism moves a wheel rotatably supported at a position facing the test wheel, and moves the wheel in a radial direction on the test wheel side. The contact angle applying mechanism rotates the wheel by a required angle within the same plane around the contact point with the test wheel as in the wheel load mechanism. Moreover, the said attack angle provision mechanism makes the said wheel rotate the predetermined angle to the direction orthogonal to an axis | shaft with respect to a test wheel similarly to the said contact angle provision mechanism. The wheel device section includes a member that absorbs the displacement of the wheel by the contact angle applying mechanism and the attack angle applying mechanism, and a wheel rotation source that is directly connected via a brake mechanism. That is, the fatigue test apparatus disclosed in Patent Document 3 is a fatigue test apparatus in which the test wheel and the wheel have the same cross-sectional shape as the actual product.
しかしながら、非特許文献1ならびに特許文献1及び特許文献2に開示された試験装置を用いて耐摩耗性、耐疲労損傷性、ならびに耐きしみ割れ性の試験を行う場合、以下に示す問題点がある。
非特許文献1の試験装置は、直径30mmの試験輪を使用するため、実際に製造した軌条から試験輪を採取することが可能である。しかしながら、アタック角の付与ができず、直線区間における軌条と車輪の接触を模擬することはできるが、厳しい使用環境である曲線区間での模擬ができない。そのため、直線区間での軌条の摩耗、疲労損傷に関して模擬できるが、曲線区間での軌条の摩耗、疲労損傷、きしみ割れは模擬できない。ここで、アタック角とは、曲率を有する軌条の接線方向と、車輪の周速ベクトルとのなす角度である。また、ばね方式で荷重負荷をかけるため、試験中に試験輪が振動し、荷重変動が常に発生する。さらに、長時間試験を実施すると試験輪に亀裂が入り、試験輪が破損する可能性があるため、正確な転動疲労特性を調査することができない。
アタック角の付与ができないのは、特許文献1及び特許文献2の試験装置についても同様であり、これらの試験装置は、実際の軌条を使用して直線区間における軌条と車輪の接触を模擬することにより耐疲労損傷性を評価できるものの、厳しい使用環境である曲線区間の模擬ができない。
However, when performing tests for wear resistance, fatigue damage resistance, and crack resistance using the test devices disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1 and
Since the test device of Non-Patent Document 1 uses a test wheel having a diameter of 30 mm, it is possible to collect the test wheel from the actually manufactured rail. However, the attack angle cannot be given and the contact between the rail and the wheel in the straight section can be simulated, but the simulation cannot be performed in the curved section which is a severe use environment. For this reason, rail wear and fatigue damage in the straight section can be simulated, but rail wear, fatigue damage, and cracking in the curved section cannot be simulated. Here, the attack angle is an angle formed by the tangential direction of the rail having a curvature and the peripheral speed vector of the wheel. In addition, since the load is applied by the spring method, the test wheel vibrates during the test, and the load fluctuation always occurs. Further, if the test is performed for a long time, the test wheel may crack and the test wheel may be damaged, so that it is impossible to investigate the accurate rolling fatigue characteristics.
The attack angle cannot be given in the same manner with the test devices of Patent Document 1 and
一方、特許文献3の試験装置は、アタック角を付与することも可能であるため、直線区間ならびに厳しい使用環境である曲線区間における軌条と車輪の接触を模擬することが可能である。また、実物大の車輪を使用するため、実際に敷設された軌条に似た評価試験が可能である。しかしながら、下記(a)及び(b)の問題点がある。
(a)車輪の形状が実物大であり、剛性を考慮して試験輪も車輪と同じ大きさにする必要があり、実際の軌条から試験輪を採取することができない。そのため、鍛造及び熱処理を実施して模擬的な試験輪や車輪を作製するため、実際の軌条と試験用の試験輪の組織及び特性が異なる。また、試験輪や車輪が大きいため、鍛造及び熱処理加工などに多大な費用や時間がかかるため、試験1回当りに多大な費用がかかる。
On the other hand, since the test apparatus of Patent Document 3 can also give an attack angle, it is possible to simulate the contact between the rail and the wheel in a straight section and a curved section which is a severe use environment. In addition, since a full-size wheel is used, an evaluation test similar to the actually laid rail is possible. However, there are problems (a) and (b) below.
(A) The shape of the wheel is full-scale, the rigidity of the test wheel needs to be the same size as the wheel, and the test wheel cannot be sampled from the actual rail. Therefore, forging and heat treatment are performed to produce a simulated test wheel or wheel, the structure and characteristics of the actual rail and the test wheel for testing are different. In addition, since the test wheels and wheels are large, forging and heat treatment processing and the like are very expensive and time consuming, a large cost is required for each test.
(b)試験輪ならびに車輪が大きくなるため、荷重やアタック角を制御するために、油圧装置を導入する必要がある。油圧装置で制御することにより、試験装置の構造は簡略化できるが、配管などが必要になるため試験装置が大型化する。また油圧を使用する場合には下記(b−1)〜(b−3)の問題点が発生する。
(b−1)油温の変動により、圧力や速度が変動する。すなわち、試験時に負荷荷重やアタック角の変動が起こり、また試験輪や車輪の回転速度、ならびに試験条件が試験中に変動する。
(B) Since the test wheel and the wheel become large, it is necessary to introduce a hydraulic device in order to control the load and the attack angle. By controlling with a hydraulic device, the structure of the test device can be simplified. However, since the piping is required, the test device is enlarged. Further, when hydraulic pressure is used, the following problems (b-1) to (b-3) occur.
(B-1) Pressure and speed fluctuate due to fluctuations in oil temperature. That is, the load load and the attack angle fluctuate during the test, and the test wheel and the rotation speed of the wheel and the test conditions fluctuate during the test.
(b−2)実際の軌条から試験輪を採取できるように試験輪ならびに車輪を小さくすると、取り付けるシャフトの径を小さくする必要がある。負荷装置には油圧を使用しているため、試験輪や取り付けたシャフトに大きな力がかかるため、破損する可能性がある。そのため、油圧装置を使用する場合には、試験輪や車輪、ならびに取り付けるシャフトの径を小さくすることができない。
(b−3)車輪の形状を実物大にして、かつ負荷荷重を小さくして試験する場合、荷重の制御が困難になり、試験中に負荷荷重の変動や振動が大きくなる。
従って、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化させることなく、実際に敷設されている軌条の直線区間ならびに曲線区間における耐摩耗性、耐疲労損傷性を簡易に評価することができる疲労試験装置を提供することにある。
(B-2) When the test wheel and the wheel are made small so that the test wheel can be collected from the actual rail, it is necessary to reduce the diameter of the shaft to be attached. Since the load device uses hydraulic pressure, a large force is applied to the test wheel and the attached shaft, which may cause damage. Therefore, when using a hydraulic apparatus, the diameter of a test wheel, a wheel, and the shaft to attach cannot be made small.
(B-3) When the test is performed with the wheel shape being the actual size and the load load being reduced, the load control becomes difficult, and the load load fluctuations and vibrations increase during the test.
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the purpose thereof is to increase the wear resistance and fatigue damage resistance in the straight section and the curved section of the actually laid rail without increasing the size. An object of the present invention is to provide a fatigue test apparatus that can easily evaluate the above.
前記課題を解決するため、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、実際に敷設されている軌条と同じ組成及び機械的特性で直線区間ならびに曲線区間における軌条と車輪との接触による摩耗、疲労損傷、きしみ割れを再現し、軌条と車輪との接触時におけるヘルツの接触応力を、実際の軌条と車輪との接触時に適用することで軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性を評価することができることを知見した。すなわち、実際の軌条の頭部(評価部位)から採取できる大きさとした試験輪を、その回転軸が車輪の回転軸に対して回動可能となるように配設し、容易にアタック角を付与するようにした。このようにすることで、負荷荷重を小さくし、軌条(試験輪)と車輪との接触時におけるヘルツの接触応力が再現できるようにした。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made extensive studies, and as a result, wear and fatigue damage due to contact between the rail and the wheel in the straight section and the curved section with the same composition and mechanical characteristics as the actually laid rail. It is possible to evaluate the wear resistance and fatigue damage resistance of the rail by reproducing the cracks and applying the Hertz contact stress at the time of contact between the rail and the wheel at the time of contact between the actual rail and the wheel. I found out. In other words, a test wheel with a size that can be taken from the head (evaluation part) of the actual rail is arranged so that its rotating shaft can rotate with respect to the rotating shaft of the wheel, and an attack angle is easily given. I tried to do it. By doing in this way, load load was made small and the contact stress of Hertz at the time of contact with a rail (test wheel) and a wheel was reproduced.
本発明は、本発明者による前記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項1に係る疲労試験装置は、独立に回転駆動する複数の駆動軸に円筒型の車輪、ならびに円筒型の試験輪をそれぞれ装着し、前記車輪と前記試験輪とを回転させながら相互に押圧することにより、前記試験輪に摩耗及び転がり疲労損傷を発生させる疲労試験装置であって、
試験機台と、該試験機台の上面に沿って回動可能に連結された角度変更プレートとを有し、
前記車輪が装着された第1の駆動軸を備え、その軸方向を中心に第1の駆動軸を回転させる第1の駆動発生手段が前記試験機台に設けられ、
前記試験輪が装着された第2の駆動軸を備え、その軸方向を中心に第2の駆動軸を回転させる第2の駆動発生手段が前記角度変更プレートに設けられ、
第1の駆動軸及び第2の駆動軸によって回転する前記車輪及び前記試験輪のうち、前記車輪の周面に前記試験輪の周面を接触させると共に、前記試験輪に荷重を負荷する荷重負荷手段が前記角度変更プレートに設けられ、
前記角度変更プレートを前記試験機台の上面に沿って回動させることによって第1の駆動軸の軸方向に対して第2の駆動軸の軸方向がなすアタック角を検出するアタック角検出手段と、
前記車輪に対する前記試験輪の負荷荷重を検出する負荷荷重検出手段と、
前記負荷荷重検出手段によって検出される負荷荷重が一定になるように、前記荷重負荷手段を制御する制御手段と、
第1の駆動軸及び第2の駆動軸のそれぞれの回転数、前記負荷荷重検出手段によって検出された負荷荷重、ならびに前記アタック角検出手段によって検出されたアタック角を経時的に関連づけて出力する出力手段とを有することを特徴としている。
The present invention is based on the above knowledge obtained by the present inventor, and the fatigue test apparatus according to claim 1 of the present invention for solving the above-described problems is a cylindrical wheel on a plurality of drive shafts that are independently driven to rotate. In addition, a fatigue test apparatus that wears and rolls fatigue damage to the test wheel by attaching a cylindrical test wheel and pressing the wheel and the test wheel while rotating each other,
A test machine table, and an angle changing plate coupled rotatably along the upper surface of the test machine table,
A first drive shaft having the wheel mounted thereon, and a first drive generating means for rotating the first drive shaft around its axial direction is provided in the test machine base;
A second drive shaft on which the test wheel is mounted, and a second drive generating means for rotating the second drive shaft around the axial direction is provided on the angle change plate;
Of the wheels and the test wheels that are rotated by the first drive shaft and the second drive shaft, a load load that contacts the peripheral surface of the test wheel with the peripheral surface of the wheel and applies a load to the test wheel Means are provided on the angle changing plate;
Attack angle detection means for detecting an attack angle formed by the axial direction of the second drive shaft with respect to the axial direction of the first drive shaft by rotating the angle changing plate along the upper surface of the test machine base; ,
A load detecting means for detecting a load of the test wheel with respect to the wheel;
Control means for controlling the load load means such that the load load detected by the load load detection means is constant;
Output that correlates with time the respective rotation speeds of the first drive shaft and the second drive shaft, the load load detected by the load load detection means, and the attack angle detected by the attack angle detection means Means.
請求項1に係る発明によれば、第1の駆動発生手段12から得られた第1の駆動軸11の経時的な回転数、第2の駆動発生手段22から得られた第2の駆動軸21の経時的な回転数、負荷荷重検出手段70によって検出された経時的な負荷荷重、ならびにアタック角検出手段60によって検出されたアタック角θが得られ、これらの情報を経時的に関連づけることにより、曲線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性を評価することができる。
According to the first aspect of the present invention, the rotational speed of the
また、本発明の請求項2に係る疲労試験装置は、請求項1に記載の疲労試験装置において、前記車輪及び前記試験輪の少なくともいずれかに潤滑剤を供給する潤滑剤供給手段を有することを特徴としている。
また、本発明の請求項3に係る疲労試験装置は、請求項1又は2に記載の疲労試験装置において、前記車輪及び前記試験輪の直径が50mm以下であることを特徴としている。
A fatigue test apparatus according to
A fatigue test apparatus according to claim 3 of the present invention is the fatigue test apparatus according to
また、本発明の請求項4に係る疲労試験装置は、請求項1〜3のいずれかに記載の疲労試験装置において、前記アタック角が、0(rad)超、±3(rad)以下であることを特徴としている。
また、本発明の請求項5に係る疲労試験装置は、請求項1〜4のいずれかに記載の疲労試験装置において、前記試験輪が、レール鋼であることを特徴としている。
Moreover, the fatigue test apparatus according to claim 4 of the present invention is the fatigue test apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the attack angle is greater than 0 (rad) and less than ± 3 (rad). It is characterized by that.
A fatigue test apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the fatigue test apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the test wheel is rail steel.
本発明に係る疲労試験装置によれば、試験輪を実際の軌条から採取しているので、大型化させることなく、敷設する軌条そのものの特性を評価することができ、軌条を実際に敷設したときの軌条と車輪との接触時の状態を再現することで、直線区間ならびに曲線区間に敷設した軌条の耐摩耗性、耐疲労損傷性を簡易に評価することができる疲労試験装置を提供することができる。 According to the fatigue test apparatus according to the present invention, since the test wheel is taken from the actual rail, the characteristics of the rail to be laid can be evaluated without increasing the size, and when the rail is actually laid. It is possible to provide a fatigue test device that can easily evaluate the wear resistance and fatigue damage resistance of a rail laid in a straight section and a curved section by reproducing the state at the time of contact between the rail and the wheel. it can.
以下、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態における構成を示す平面図である。また、図2は、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態における構成を示す正面図である。また、図3は、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態における構成を示す側面図である。また、図4は、図3のAの向きの矢視図である。また、図5は、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態における車輪及び試験輪の構成を示す正面図及び側面図であり、(a)は車輪の構成を示す正面図及び側面図であり、(b)は試験輪(評価面がR15の円弧形状)の構成を示す正面図及び側面図である。また、図6は、本発明に係る疲労試験装置の一実施形態における構成を示すブロック図である。なお、図1においては、後述するアタック角を付与したときの角度変更プレート20及び角度変更プレート20に設けられる各部材を破線で示している。また、図3においては、荷重負荷発生手段23を駆動させて除荷したときのアーム部25を破線で示している。
図1〜図6に示すように、本発明に係る疲労試験装置1は、試験機台10と、角度変更プレート20と、荷重負荷発生手段23と、アタック角検出手段60と、負荷荷重検出手段70と、制御手段80と、出力手段90とを有する。
Hereinafter, an embodiment of a fatigue test apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration in an embodiment of a fatigue test apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a front view showing a configuration in an embodiment of the fatigue test apparatus according to the present invention. FIG. 3 is a side view showing a configuration in an embodiment of the fatigue test apparatus according to the present invention. FIG. 4 is a view in the direction of arrow A in FIG. FIG. 5 is a front view and a side view showing the configuration of the wheel and the test wheel in one embodiment of the fatigue test apparatus according to the present invention, and (a) is a front view and a side view showing the configuration of the wheel. (B) is the front view and side view which show the structure of a test wheel (arc shape whose evaluation surface is R15). FIG. 6 is a block diagram showing a configuration in an embodiment of the fatigue test apparatus according to the present invention. In addition, in FIG. 1, each member provided in the
As shown in FIGS. 1 to 6, the fatigue test apparatus 1 according to the present invention includes a
<試験機台>
図1〜図4に示すように、試験機台10には、回転駆動可能な第1の駆動軸11と、該第1の駆動軸11を回転駆動させる第1の駆動発生手段12と、アタック角検出手段60(61,62)が設けられる。
第1の駆動発生手段12は、例えば、ステータ及びロータを有する電動モータであり、第1の駆動軸11は、前記ロータと一体形成されてもよく、カップリングを介して連結されてもよい。なお、図1〜4では、第1の駆動発生手段12の電源の図示を省略している。
<Test machine stand>
As shown in FIGS. 1 to 4, the
The first drive generating means 12 is, for example, an electric motor having a stator and a rotor, and the
試験機台10は、平板形状をなし、該試験機台10の上面には第1の駆動発生手段12が固定されている。第1の駆動発生手段12は、第1の駆動軸11の軸方向と試験機台10の上面とが平行になるように試験機台10に設置される。そして、第1の駆動軸11の端部には、円筒型をなす車輪40が第1の駆動軸11の軸方向と車輪40の厚さ方向とを平行にして取り付けられる。したがって、第1の駆動発生手段12によって、第1の駆動軸11が、その軸方向を中心に回転することに伴って、車輪40は、その厚さ方向を軸として回転する。
The
[車輪]
図5(a)に示すように、車輪40の形状は円筒形状であり、車輪40の内周面に第1の駆動軸11の端部が嵌着されることによって第1の駆動軸11に車輪40が取り付けられる。車輪40の円環状の平面部の直径は50mm以下とされる。車輪40の具体的な寸法としては、直径30mm、厚さ8mm、内径16mm(第1の駆動軸11の直径と同じ)である。
[Wheel]
As shown in FIG. 5A, the shape of the
<角度変更プレート>
角度変更プレート20は、試験機台10と同様に平板形状をなし、試験機台10よりも小さく形成される。
ここで、角度変更プレート20は、その下面が試験機台10の上面と対向させて該上面に沿って回動するように、支軸30を介して試験機台10の上面に設置される。すなわち、角度変更プレート20の下面に設けられた支軸30が、試験機台10の上面に形成された支持穴13に軸受を介して回動可能に嵌挿されている。このように、支軸30が支持穴13に対して回動可能とされているので、角度変更プレート20は、試験機台10に対して回動可能に設置される。試験機台10に対する角度変更プレート20の回動中心(試験機台10における支持穴13の設置位置)は、後述する車輪40と試験輪50との接触位置の下方に形成されることが好ましい。
したがって、角度変更プレート20の大きさは、試験機台10の上面に沿って角度変更プレート20を回動させたとき、該角度変更プレート20が、試験機台10の上面に固定された第1の駆動発生手段12に干渉しない大きさとされる。
<Angle change plate>
The
Here, the
Accordingly, the size of the
また、角度変更プレート20には、回転駆動可能な第2の駆動軸21と、該第2の駆動軸21を回転駆動させる第2の駆動発生手段22と、荷重負荷発生手段23とが設けられる。
角度変更プレート20の上面には、直方体形状の支持ブロック24が前記上面に垂直に立設されている。支持ブロック24の上端部には、角度変更プレート20の上面に垂直な面上を回動可能なアーム部25が支持されている。アーム部25の一端には、該アーム部25の回動方向に直交する方向に延びる第2の駆動発生手段22が接続され、アーム部25の他端には荷重負荷発生手段23が接続されている。
The
A rectangular
第2の駆動発生手段22は、第1の駆動発生手段12と同様、例えば、ステータ及びロータを有する電動モータであり、第2の駆動軸21は、前記ロータと一体形成されてもよく、カップリングを介して連結されてもよい。なお、第2の駆動発生手段22は、第1の駆動発生手段12から突出させた第1の駆動軸11に対向させるように第2の駆動軸21を突出させている。また、第2の駆動発生手段22が回転駆動させる第2の駆動軸21の回転方向は、対向する第1の駆動軸11の回転の向きと逆向きとされる。また、図1〜4では、第2の駆動発生手段22の電源の図示を省略している。
第2の駆動発生手段22は、第2の駆動軸21の軸方向と角度変更プレート20の上面とが平行になるように設置される。そして、第2の駆動軸21の端部には、円筒型をなす試験輪50が取り付けられる。
The second drive generating means 22 is, for example, an electric motor having a stator and a rotor, like the first drive generating means 12, and the
The second drive generating means 22 is installed so that the axial direction of the
[試験輪]
図5(b)に示すように、試験輪50の形状は、円筒形状であり、試験輪50の内周面に第2の駆動軸21の端部が嵌着されることによって第2の駆動軸21に試験輪50が取り付けられる。試験輪50の材質はレール鋼であることが好ましく、実際の軌条から採取される。試験輪50の円環状の平面部の直径は50mm以下とされる。試験輪50の具体的な寸法としては、直径30mm、厚さ8mm、内径16mm(第2の駆動軸21の直径と同じ)である。疲労試験装置1で使用する試験輪50の形状としては、接触面(摩擦試験において車輪40の周面31に接触させる試験輪50の周面)41にR15の曲面をつけた形状を接触面に有してもよい。
[Test wheel]
As shown in FIG. 5B, the
第2の駆動発生手段22は、角度変更プレート20の上面に垂直に立設された支持ブロック24に対して回動可能に接続されたアーム部25の一端に設置されているため、アーム部25の回動(角度変更プレート20の上面に対する傾斜)によって角度変更プレート20の上面からの高さを変化させることができるが、アーム部25が角度変更プレート20の上面に平行とされた基準状態では、第2の駆動発生手段22に直結された第2の駆動軸21が、試験機台10上に設けられた第1の駆動発生手段12の第1の駆動軸11よりも高い位置となるように、支持ブロック24に対するアーム部25の接続位置が決定されている。そして、アーム部25が基準状態のとき、該第2の駆動発生手段22に直結された第2の駆動軸21の端部に取り付けられた試験輪50が、第1の駆動軸11の端部に取り付けられた車輪40の上方で接触するように設定される。アーム部25は、支持ブロック24に対して前記基準状態から、例えば、約15radを限度として回動可能に設置される(図3参照)。
Since the second drive generating means 22 is installed at one end of an
このように設けられた疲労試験装置1の試験機台10及び角度変更プレート20は、第1の駆動軸11と第2の駆動軸21とが、車輪40と試験輪50とが上下方向に位置するように配置されている。すなわち、独立に回転駆動する複数の第1の駆動軸11、第2の駆動軸21のそれぞれに装着された車輪40及び試験輪50が、上下方向に位置するように配置されている。すなわち、前記基準状態では、車輪40の周面と試験輪50の周面とを接触させた状態で、第1の駆動軸11と第2の駆動軸21とが平行(後述するアタック角θ=0(rad))とされる。
In the
この基準状態で試験輪50に荷重負荷発生手段23による負荷荷重をかけながら第1の駆動軸11、第2の駆動軸21を回転させると、直線区間を模擬した試験を行うことができる。また、前記基準状態から試験機台10に対して角度変更プレート20を作業者が所定の角度で回動させることによって、車輪40及び試験輪50にアタック角θを付与することができ、その状態で試験輪50に荷重負荷発生手段23による負荷荷重をかけながら、第1の駆動軸11,第2の駆動軸21を回転させると、曲線区間を模擬した試験を行うことができる。アタック角θとは、車輪40を基準として、試験輪50と車輪40のなす角度である。アタック角θは、0(rad)を超え、±3(rad)以下であることが好ましい。
When the
なお、角度変更プレート20には、試験機台10に対して角度変更プレート20を押圧させて固定するハンドレバー27が設けられてもよい(図1参照)。このハンドレバー27は、緩めることによって、角度変更プレート20が試験機台10に対して回動可能となり、締め付けることにより、車輪40及び試験輪50にアタック角θを付与する前後において角度変更プレートを試験機台10に固定することができるように構成される。これにより試験中にアタック角θが変動することがないので、良好な評価結果を得ることができる。
また、疲労試験装置1には、車輪40及び試験輪50のそれぞれに駆動発生装置12,22が連結されているため、それぞれ回転数を変化させることによってすべりを発生させ、試験を行うことも可能である。
The
Further, since the
<潤滑剤供給手段>
ここで、疲労試験装置1には、試験輪50に潤滑剤として水を供給する第1の潤滑剤供給手段14、及び試験輪50に潤滑剤として油を供給する第2の潤滑剤供給手段26が設けられることが好ましい。
潤滑剤供給手段14は、水を貯留するタンクと、水を試験輪50に噴射するノズルと、タンクからノズルに水を送る送水管とを有し、ノズルから回転中の試験輪50に噴射される。この噴射の制御は、第1の潤滑剤供給手段14が制御装置80に接続されることによって、制御装置80が行ってもよい。
<Lubricant supply means>
Here, the fatigue test apparatus 1 includes a first
The lubricant supply means 14 has a tank for storing water, a nozzle for injecting water to the
また、第2の潤滑剤供給手段26は、油を貯留するタンクと、油を試験輪50に噴射するノズルと、タンクからノズルに油を送る送油管とを有し、ノズルから回転中の試験輪50に噴射される。この噴射の制御は、第2の潤滑剤供給手段26が制御装置80に接続されることによって、制御装置80が行ってもよい。
なお、図2では、第1の潤滑剤供給手段14が試験機台10に設けられ、第2の潤滑剤供給手段26が角度変更プレート20に設けられるように示されているが、これらの潤滑剤供給手段の設置は逆でもよく、第1の潤滑剤供給手段14及び第2の潤滑剤供給手段26が共に、試験機10又は角度変更プレート20のいずれか一方に設置されてもよい。
The second lubricant supply means 26 has a tank for storing oil, a nozzle for injecting oil onto the
In FIG. 2, the first lubricant supply means 14 is provided on the
また、上記説明では、第1の潤滑剤供給手段14及び第2の潤滑剤供給手段26が水又は油を供給する対象を、試験輪50としているが、これは、試験輪50が車輪40よりも上方に位置されているからであり、試験輪50に供給された水又は油は、試験輪50の下方に位置する車輪40にも供給される。よって、試験輪50よりも車輪40のほうが上方に位置するような構成の疲労試験装置1においては、第1の潤滑剤供給手段14及び第2の潤滑剤供給手段26が水又は油を供給する対象は、上方に位置する車輪40となる。
In the above description, the object to which the first lubricant supply means 14 and the second lubricant supply means 26 supply water or oil is the
<荷重負荷発生手段>
荷重負荷発生手段23は、第2の駆動軸21に取り付けられた試験輪50、及び第1の駆動軸11に取り付けられた車輪40を、車輪40に対して試験輪50を押圧させて試験輪50に摩耗及び転がり疲労損傷を発生させる手段である。具体的には、荷重負荷発生手段23は、角度変更プレート20に固定された支持部23aと、アーム部25の端部に回動可能に連結されたヒンジ部23bと、ボールねじ23cと、ボールねじ23cのねじ軸23dを回転駆動させるモータ23eとを有する。ボールねじ23cは、ねじ軸23dと、ナット部23fと、ねじ軸23dの外周面及びナット部23fの内周面のそれぞれに螺旋状に形成された転動溝に介装された多数の転動体(図示せず)とを有する。ナット部23fの外周面は、角度変更プレート20の下面に固定された2本の支持部23aに挟まれるようにして固定されている。ねじ軸23dの一方の端部は、支持部23aと同様に角度変更プレート20の下面に固定されたモータ23eがプーリー23gを介して連結されている。また、ねじ軸23dの他方の端部は、負荷荷重70を介してヒンジ部23bの下面に接続されている。
<Load load generating means>
The load
このような構成によって、モータ23eの回転駆動により、ねじ軸23dに対してナット部23fが相対移動し、角度変更プレート20に対するアーム部25の端部の高さを変化させることができ、結果として、車輪40に対する試験輪50の押圧力を変化させることができる。
ここで、モータ23eは、制御手段80に接続され、該制御手段80から送信された、負荷荷重に基づいて回転駆動する。
With such a configuration, the rotation of the
Here, the
<アタック角検出手段>
アタック角検出手段60は、試験機台10に対して角度変更プレート20を回動させた角度を検出する手段である。角度センサ61は、試験機台10に設置され、試験機台10に対する支軸30の回動の機械的変位量を電気信号に変換し、この信号を処理して回転を検出することができるセンサであり、例えばロータリーエンコーダが用いられる。
試験機台10に対して角度変更プレート20を回動させるアタック角θは、0.1°刻みと小さいので、角度センサ61がそれに対応する精度で回動角度を検出できなければ、アタック角検出手段60として、角度センサ61と測距センサ62とを用いてもよい。
<Attack angle detection means>
The attack angle detection means 60 is a means for detecting an angle obtained by rotating the
The attack angle θ for rotating the
測距センサ62は、例えば、試験機台10上面縁部に設けられ、測距センサ62自身と角度変更プレート20の側面との距離を測定するレーザー方式のセンサであり、角度変更プレート20が回動することによって変化した角度変更プレート20との距離を測定し、予め測定された基準状態の距離とを演算し、その結果を制御手段80に出力する。
アタック角検出手段60は、角度センサ61、又は角度センサ61及び測距センサ62によって得られた角度の変位及び距離の変位に基づいて高精度化されたアタック角θを演算し、制御手段80に出力する。
The
The attack
<負荷荷重検出手段>
負荷荷重検出手段70は、車輪40に対する試験輪50の負荷荷重を検出する手段である。負荷荷重検出手段70は、荷重負荷発生手段23に設けられる。負荷荷重検出手段70は、ヒンジ部23bと、ボールねじ23cとの間に介装される。負荷荷重検出手段70は、例えば、本体部72及びロードボタン73を有する圧縮型荷重計(ロードセル)であり、具体的なものとしては、「圧縮型荷重計 TCLN−500NA(株式会社東京測器研究所製)」が挙げられる。このような負荷荷重検出手段70は、ボールねじ23cのねじ軸23dの上端部に下台座71が設置され、この下台座71の上面に本体部72を固定し、本体部72の上面に摺動可能に設けられたロードボタン73がヒンジ部23bの下面に設置された上台座74に接触してなる。下台座71及び上台座74は、本体部72よりも平面の面積が大とされた平板形状をなす。このように負荷荷重検出手段70を設置することで、アーム部25を介して車輪40に対する試験輪50の負荷荷重を検出することができる。
<Load load detection means>
The load load detection means 70 is means for detecting the load load of the
<制御手段>
制御手段80は、負荷荷重検出手段70によって検出される負荷荷重が一定になるように、荷重負荷手段23を制御する手段である。具体的には、所定の負荷荷重で接触している車輪40及び試験輪50は、それぞれに生じる摩耗により、負荷荷重が低下することがあるため、車輪40と試験輪50とが接触している間は所定の負荷荷重を保つように、負荷荷重検出手段70によって検出される負荷荷重に応じて、荷重負荷手段23のモータ23eを制御手段80が制御する。
また、制御手段80は、第1の駆動発生手段12及び第2の駆動発生手段22に対して、第1の駆動軸11及び第2の駆動軸21の回転数を制御してもよい。
<Control means>
The control means 80 is means for controlling the load load means 23 so that the load load detected by the load load detection means 70 is constant. Specifically, the
The
<出力手段>
出力手段90は、第1の駆動発生手段12、第2の駆動発生手段22、アタック角検出手段60,及び負荷荷重検出手段70に接続され、それぞれの手段において得られた情報を得ることができるようにされている。そして、出力手段90は、第1の駆動発生手段12から得られた第1の駆動軸11の経時的な回転数、第2の駆動発生手段22から得られた第2の駆動軸21の経時的な回転数、アタック角検出手段60によって検出されたアタック角θ、ならびに負荷荷重検出手段70によって検出された経時的な負荷荷重を経時的に関連づけて出力する。出力先は、例えば、試験機の制御操作盤や、評価情報の蓄積機能や、解析機能を有する端末である。上記情報の取得や出力は、制御手段80によって行ってもよい。
このように出力手段90によって、第1の駆動軸11、第2の駆動軸21、アタック角θ、及び負荷荷重の経時的な関係を、試験輪50の表面検査と共に検証することで、直線区間ならびに曲線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性を同時に、あるいはどちらか一方の特性を評価することができる。
<Output means>
The
As described above, the
<疲労試験方法>
次に、このように構成された疲労試験装置1を用いて、直線区間ならびに曲線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性試験を行う方法について図面を参照して以下に説明する。
まず、第1の駆動軸11の端部に車輪40を取り付け、第2の駆動軸21の端部に、試験対象である試験輪50を取り付ける。このとき、第1の駆動軸11の軸方向と、第2の駆動軸21の軸方向とは、同じ方向とされる(アタック角θ(=0)の基準状態)。また、荷重負荷発生手段23は、「基準状態」として、第1の駆動軸11の端部、及び第2の駆動軸21の端部それぞれに車輪40及び試験輪50を取り付けた状態でも、車輪40の周面に対して試験輪50の周面が間隙を有する程度にアーム部25を支持ブロック24に対して傾斜させる位置に調整されている。これにより、車輪40及び試験輪50は第1の駆動軸11の端部、及び第2の駆動軸21の端部それぞれに取り付けやすくなっている。なお、荷重負荷発生手段23が「基準状態」とされたとき、負荷荷重検出手段70は、回転駆動時の車輪40に対して試験輪50を接触させたときの負荷荷重よりも小さな値を示している。
<Fatigue test method>
Next, a method of performing a rail wear resistance and fatigue damage resistance test in a straight section and a curved section using the fatigue test apparatus 1 configured as described above will be described below with reference to the drawings.
First, the
次に、作業者が制御手段80に接続された入力端末などを用いて、第1の駆動軸11の回転数、第2の駆動軸21の回転数、回転駆動時の車輪40に対して試験輪50を接触させたときに一定とする負荷荷重を入力することにより、制御手段80が、その入力された情報を基に、荷重負荷発生手段23を駆動させ、車輪40と試験輪50を所定の負荷荷重で接触させる。その後、第1の駆動発生手段12、第2の駆動発生手段22を駆動させる。これにより、回転する車輪40の周面に、該車輪40と逆方向に回転する試験輪50の周面が所定の負荷荷重及び回転数で接触され、疲労試験が開始される。この状態で、第1の駆動発生手段12から得られた第1の駆動軸11の経時的な回転数、第2の駆動発生手段22から得られた第2の駆動軸21の経時的な回転数、ならびに負荷荷重検出手段70によって検出された経時的な負荷荷重は、制御手段80によって出力手段90で経時的に関連づけられ、該出力手段90に接続された試験機の制御操作盤や、評価情報の蓄積機能や解析機能等を有する端末に出力されることにより、直線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性を評価することができる。
Next, the operator uses the input terminal connected to the control means 80 to test the rotational speed of the
次に、ハンドレバー27が解除され、角度変更プレート20が試験機台10に対して回動可能となっている状態において、作業者が角度変更プレート20を試験機台10に対して所定の角度(例えば0.1rad単位)で回動させて、アタック角θを付与する。
制御手段80は、作業者が角度変更プレート20を試験機台10に対して回動させることによって付与されたアタック角θの情報を、アタック角検出手段60から受信している。
Next, in a state where the
The control means 80 receives information on the attack angle θ given by the operator by rotating the
次に、作業者が制御手段80に接続された入力端末などを用いて、第1の駆動軸11の回転数、第2の駆動軸21の回転数、回転駆動時の車輪40に対して試験輪50を接触させたときに一定とする負荷荷重を入力することにより、制御手段80が、その入力された情報を基に、荷重負荷発生手段23を駆動させ、車輪40と試験輪50を所定の負荷荷重で接触させる。その後、第1の駆動発生手段12、第2の駆動発生手段22を駆動させる。これにより、回転する車輪40の周面に、該車輪40と逆方向に回転する試験輪50の周面が所定の負荷荷重及び回転数で接触され、疲労試験が開始される。
Next, the operator uses the input terminal connected to the control means 80 to test the rotational speed of the
この状態で、第1の駆動発生手段12から得られた第1の駆動軸11の経時的な回転数、第2の駆動発生手段22から得られた第2の駆動軸21の経時的な回転数、負荷荷重検出手段70によって検出された経時的な負荷荷重、ならびにアタック角検出手段60によって検出されたアタック角θは、制御手段80によって出力手段90で関連づけられ、該出力手段90に接続された評価情報の蓄積機能や解析機能等を有する端末に出力されることにより、曲線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性を評価することができる。
In this state, the rotational speed of the
負荷荷重検出手段70から、予め規定された負荷荷重の値と異なる負荷荷重の値を示す情報を得た制御手段80は、その情報に基づいて、荷重負荷発生手段23に対して車輪40に対する試験輪50の負荷荷重を調整させる命令を送信する。具体的には、車輪40に対する試験輪50の負荷荷重を調整させる命令を受信した荷重負荷発生手段23は、制御手段80が負荷荷重検出手段70から得た負荷荷重に関する情報に基づいてボールねじ23cを変位させるモータ23eを駆動させる。そして、制御手段80は、負荷荷重検出手段70から得られる負荷荷重に関する情報に基づき荷重負荷発生手段23をフィードバック制御している。具体的には、制御手段80が、負荷荷重検出手段70から現実の負荷荷重の値を随時受信しながら、その負荷荷重の値が、予め規定された負荷荷重の値に一致するまで、荷重負荷手段23に負荷荷重を調整させる命令を出し続ける。
The control means 80, which has obtained information indicating a load load value different from the predetermined load load value from the load load detection means 70, tests the
以上説明したように本発明は、直線区間ならびに曲線区間における軌条の耐摩耗性及び耐疲労損傷性試験が、実際に敷設された軌条と同じ特性を持った試験輪を使用してなされているので、疲労試験装置を大型化することなく提供することができる。
また、本発明は、軌条を実際に敷設したときの軌条と車輪との接触時の状態をアタック角の付与により再現することで得られた情報を基に、直線区間ならびに曲線区間に敷設した軌条の耐摩耗性、耐疲労損傷性を簡易に評価することができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。
As described above, according to the present invention, the rail wear resistance and fatigue damage resistance tests in the straight section and the curved section are performed using test wheels having the same characteristics as the actually laid rail. The fatigue test apparatus can be provided without increasing the size.
In addition, the present invention is based on information obtained by reproducing the state of contact between the rail and the wheel when the rail is actually laid by applying an attack angle, and the rail laid in the straight section and the curved section. Wear resistance and fatigue damage resistance can be easily evaluated.
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to this, A various change and improvement can be performed.
1 疲労試験装置
10 試験機台
11 第1の駆動軸(車輪用)
12 第1の駆動発生手段(車輪用)
13 支持穴
14 第1の潤滑剤供給手段
20 角度変更プレート
21 第2の駆動軸(試験輪用)
22 第2の駆動発生手段(試験輪用)
23 荷重負荷発生手段
24 支持ブロック
25 アーム部
26 第2の潤滑剤供給手段
30 支軸
40 車輪
50 試験輪
60 アタック角検出手段
61 角度センサ
62 測距センサ
70 負荷荷重検出手段
80 制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12 1st drive generation means (for wheels)
13
22 Second drive generating means (for test wheels)
23 Load load generating means 24
Claims (5)
試験機台と、該試験機台の上面に沿って回動可能に連結された角度変更プレートとを有し、
前記車輪が装着された第1の駆動軸を備え、その軸方向を中心に第1の駆動軸を回転させる第1の駆動発生手段が前記試験機台に設けられ、
前記試験輪が装着された第2の駆動軸を備え、その軸方向を中心に第2の駆動軸を回転させる第2の駆動発生手段が前記角度変更プレートに設けられ、
第1の駆動軸及び第2の駆動軸によって回転する前記車輪及び前記試験輪のうち、前記車輪の周面に前記試験輪の周面を接触させると共に、前記試験輪に荷重を負荷する荷重負荷手段が前記角度変更プレートに設けられ、
前記角度変更プレートを前記試験機台の上面に沿って回動させることによって第1の駆動軸の軸方向に対して第2の駆動軸の軸方向がなすアタック角を検出するアタック角検出手段と、
前記車輪に対する前記試験輪の負荷荷重を検出する負荷荷重検出手段と、
前記負荷荷重検出手段によって検出される負荷荷重が一定になるように、前記荷重負荷手段を制御する制御手段と、
第1の駆動軸及び第2の駆動軸のそれぞれの回転数、前記負荷荷重検出手段によって検出された負荷荷重、ならびに前記アタック角検出手段によって検出されたアタック角を経時的に関連づけて出力する出力手段とを有することを特徴とする疲労試験装置。 By attaching a cylindrical wheel and a cylindrical test wheel to a plurality of drive shafts that are independently driven to rotate, and pressing the wheel and the test wheel while rotating, the test wheel is worn and worn. A fatigue testing device for generating rolling fatigue damage,
A test machine table, and an angle changing plate coupled rotatably along the upper surface of the test machine table,
A first drive shaft having the wheel mounted thereon, and a first drive generating means for rotating the first drive shaft around its axial direction is provided in the test machine base;
A second drive shaft on which the test wheel is mounted, and a second drive generating means for rotating the second drive shaft around the axial direction is provided on the angle change plate;
Of the wheels and the test wheels that are rotated by the first drive shaft and the second drive shaft, a load load that contacts the peripheral surface of the test wheel with the peripheral surface of the wheel and applies a load to the test wheel Means are provided on the angle changing plate;
Attack angle detection means for detecting an attack angle formed by the axial direction of the second drive shaft with respect to the axial direction of the first drive shaft by rotating the angle changing plate along the upper surface of the test machine base; ,
A load detecting means for detecting a load of the test wheel with respect to the wheel;
Control means for controlling the load load means such that the load load detected by the load load detection means is constant;
Output that correlates with time the respective rotation speeds of the first drive shaft and the second drive shaft, the load load detected by the load load detection means, and the attack angle detected by the attack angle detection means And a fatigue testing apparatus.
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