JP2005231578A - きしり音発生防止方法及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄道路線の長短やその路線中の曲線区間の多少、及び外気温の高低に関係なく使用できて、確実に効果を発揮するきしり音の防止方法及びその方法を実現する鉄道車両を提供する。
【構成】 散水用の水を貯留する水タンクＴＮと、水タンクＴＮから受けた水を、進行方向前方側の車輪のレール当接面８に散水するノズル部７ａ〜７ｄと、鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部と、鉄道路線の曲線部からの離脱に応答して散水を終了する動作終了部と、を備えてきしり音の発生を防止している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、急カーブでもきしり音が発生しないきしり音の発生防止方法及びこの方法を実現する鉄道車両に関し、特に、レール探傷車に好適に適用される発明である。

鉄道車両が急曲線のレールを通過する際に、時として「キーン、キーン」という高周波数の耳障りな音が発生することがある。これは「きしり音」と呼ばれる車輪の振動音であり、計測結果によると、３．１５ＫＨｚ付近をピークとした幅広い周波数帯域を有している。

きしり音の発生メカニズムについて、「フランジ接触説」、「差動滑り説」、「車輪の横滑り説」などが提唱されているが、「車輪の横滑り説」が最も妥当性が高いと考えられる。この「車輪の横滑り説」では、車体の進行方向（図４（ａ）のＶ方向）と、レールＲの敷設方向（図４（ａ）のＬ方向）とが、曲線通過時には一致しないので、前方側の車輪Ｗ１，Ｗ２がレールＲに対して横滑りして（図４（ｂ）の矢印参照）、車輪からきしり音が発生すると説明されている。各車輪Ｗ１，Ｗ２は、レールＲ上を転がり接触しながら摩擦力により加速または減速しているが、車輪が滑り現象を起こした結果、車輪に自励振動が発生して、きしり音となって放射されると考えるのである。なお、きしり音の周波数ピークが、車輪の共振周波数と一致することも実験的に確認している（図５）。

このようなきしり音の発生は、地域住民からの苦情の対象ともなりかねないので、従来からその対策が採られており、レールに近接して塗油器や散水器が設置されていた。塗油器は、内軌レールＲ２に取付けられ、検出装置が列車を感知すると、自動的にきしり音防止油を噴出するよう構成された装置である。散水器も同様であり、検知装置が列車を感知すると、自動的に噴水又は噴霧によって散水するよう構成されている。これら塗油器や散水器を使用する対策は、油や水によって摩擦係数を下げて、きしり音の発生を防止しようというものである。

しかしながら、上記の装置は、何れもレールに近接して地上側に設置されるため、曲線区間の多い路線では、その設置箇所が多くなり、設置工事や保守作業の負担が多いという問題がある。また、油を噴出させる場合には、単にランニングコストが高いだけでなく、油の潤滑性のために車両の制動性能に悪影響を与えかねないという問題もある。

一方、散水方式の場合には、レールに散水された水が直ぐに垂れ落ちてしまうので、相当量の水を使用しない限り、各曲線区間の全域について、全車輪に対する効果を発揮できないという欠点があり、特に、乾燥の速い夏季では尚更であった。また、寒い時期には水が凍結して、そもそも散水できないという問題もある。

以上の点は、一般車両ではないレール探傷車においては更に深刻であり、きしり音を確実に抑制しないと、レールの振動によって多数の混信ノイズが発生して超音波探傷を不可能にする。ここで、レール探傷車とは、金属疲労が蓄積して発生するレール内部の傷を早期に発見するための車両であり、２ＭＨｚ〜５ＭＨｚの超音波を発生する複数個の探触子を備えている。そして、レールに接触させた探触子から種々の角度で超音波をレール内部に入射させ、その反射波に基づいて内部の傷を検出するので、検査作業時にきしり音が発生したのでは、混信ノイズによって正確な探傷作業ができないのである。

この発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであって、鉄道路線の長短やその路線中の曲線区間の多少、及び外気温の高低に関係なく使用できて、確実に効果を発揮するきしり音の防止方法及びその方法を実現する鉄道車両を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者が鋭意検討した結果、きしり音は、鉄道車両の車輪のレール当接面に対して、必要時に水を供給することにより、最小限の水の消費にも拘わらず優れた効果を発揮することを見出して本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る鉄道車両は、散水用の水を貯留する貯留部と、前記貯留部から受けた水を、進行方向前方側の車輪のレール当接面に散水するノズル部と、鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部と、鉄道路線の曲線部からの離脱に応答して散水を終了する動作終了部と、を備えてきしり音の発生を防止している。

また、本発明のきしり音の発生防止方法は、散水用の水を貯留する貯留部と、前記貯留部から受けた水を、進行方向前方側の車輪のレール当接面に散水するノズル部と、鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部と、鉄道路線の曲線部からの離脱に応答して散水を終了する動作終了部とを鉄道車両に備えて、必要時に進行方向前方の車輪に散水処理を行っている。

上記各発明では、一台の台車の内、進行方向前方側の車輪のレール当接面に散水するだけで効果が得られるので、不必要な水を消費することなく、最小限の水の消費できしり音の発生を効果的に防止できる。ここで、進行方向前方側の車輪のうち、特に問題になるのは、曲線部の内軌側レールに当接する内軌側車輪であるので、少なくとも、内軌側車輪には必要量の散水をする必要があるが、内軌側車輪と共に外軌側車輪にも散水するのが好ましい。なお、本発明において、散水とは、水を噴出又は噴霧することを含め、車輪のレール当接面に対して水を供給する全ての動作を含んだ概念である。散水量は、列車の速度に対応して決定されるが、例えば時速２０Ｋｍで走行する車両であれば、０．１〜０．５リットル／分とするのが好適である。０．１リットル／分より少ないと潤滑作用が期待できず、一方、５リットル／分より多くても、車輪からレールに垂れ落ちるだけで効果の上昇が望めない。より好適には、時速２０Ｋｍで走行する車両において、０．２〜０．３リットル／分程度の水量である。なお、車両速度が速くなれば、車輪の角速度の増加に対応して散水量を増やせば良く、概略、車輪の角速度に比例した水量を車輪に供給すれば良い。

上記各発明では、地上側の設備は特に必要ではないので、従来例のように、地上側での設置工事や保守作業の負担がなく、しかも、外気温の高低に係らず所定の効果を発揮する。また、レールに散水するのではなく、きしり音の発生源であると思われる車輪のレール当接面に散水するので、水の飛び散りや垂れ落ちがなく、水の消費量が少ないにも係らず、きしり音発生防止の効果が高い。

鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部の動作から、必ずしも、人為的な操作を排除する必要はないが、鉄道路線の曲線部への進入を自動的に検知する進入検知部と、前記進入検知部の検知結果に基づいて散水を自動的に開始させる制御部とで動作開始部を構成するのが好ましい。この場合には人為的操作を完全に排除できる。以上の点は、動作終了部についても同様であり、鉄道路線の曲線部からの離脱を自動的に検知する離脱検知部と、前記離脱検知部の検知結果に基づいて散水を終了させる制御部とで動作終了部を構成するのが好ましい。

このような構成においては、鉄道レールの敷設面のうち、曲線部への進入部と曲線部からの離脱部にそれぞれＩＤタグを配置しておき、鉄道車両の底面から放射波を受信したことを条件に、ＩＤタグの記憶データを鉄道車両に放射させるのが効果的である。この場合、ＩＤタグからのデータに基づいて、鉄道車両において、曲線部への進入や曲線部からの離脱を認識することができる。

また、車体の進行方向と、前方側車輪の進行方向との偏差に基づいて、曲線部への進入や曲線部からの離脱を検知するのでも良い。この場合、直線区間では、車体の進行方向と前方側車輪の進行方向とが一致するが、曲線区間に進入すると車体の進行方向と前方側車輪の進行方向とが不一致となるので、例えば、車体の進行方向と、左右の車輪を連結する車軸との角度をセンサで検出して、検出された角度が９０度から大きく偏移した場合には、車両が、散水動作を実行すべき曲線部分に位置していると把握することができる。

このような構成に限定されないが、いずれにしても、車体の進行方向と、前方側車輪の進行方向との偏差に基づいて、曲線部への進入や曲線部からの離脱を検知する場合には地上側の設備が不要になるという利点がある。

前記鉄道車両は、乗客を輸送する一般車両でも良いが、超音波探傷動作によってレールの欠陥を検出するレール探傷車である場合には、きしり音が単なる騒音ではなく、レール欠陥の検出動作を不能にしかねない致命的な障害となるので、本発明の効果は極めて高い。特に、前記ノズル部より進行方向後方側に配置された超音波センサによって超音波探傷動作を行えば、高精度な探傷動作を実現できる。また、超音波探傷動作を、レール頂面を摺動する超音波探触子で行う場合には、ノズル部から散水された水は車輪からレールに伝達され、接触子とレールの隙間を埋めるので、超音波探傷動作にも有効に寄与する。更にまた、レール探傷車は、一般車両とは異なり、十分な容量の貯留部スペースを確保できるのでこの点でも有効である。なお、超音波探傷を行うには、１０〜３０Ｋｍ／ｈ程度の速度でレールの頂面を超音波探触子で摺動しながら、所定角度で数ＭＨｚの超音波を発射し、その反射波に基づいてレール内部の欠陥を検出する構成を採るのが好適である。

ところで、一般の鉄道車両の場合には、貯留部の設置スペースが問題になるが、曲線部が少ない路線で使用する車両は、小容量の貯留部で足りるので、本発明が特に有効に機能する。なお、急カーブの少なくない路線で使用する車両の場合には、貯留部の容量を小さくする一方で、このような貯留部に対して、空調装置の吸熱動作により発生する結露水を供給するのが好適である。

現状の電車では、空調装置の吸熱動作により発生する結露水は、単に線路に放水されているだけである。しかし、上記のような発明の場合には、結露水を貯留部に蓄える一方、必要時に、車輪のレール当接面に散水すると、小容量の貯留部でも所定の効果を発揮できる。なお、このような構成の場合、地上側にも補助的に散水器を設置するのが好適であるが、冷房動作を行う時期には、地上側の散水器の動作を停止するか、或いは、地上側での散水量を抑制できる利点がある。

以下、本発明を実施例に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明をレール探傷車に適用した場合を例示したものであり、牽引用モーターカー１と、レール探傷車２とを示している。各車両１，２は、前後二本の車軸の両端に装着された合計４個の車輪によって、レール上を移動可能に構成されており、牽引用モーターカー１に牽引されると左向きに移動し、牽引用モーターカー１に押されると右向きに移動するようになっている。

レール探傷車２の底面には、前後２つの車軸３，４の間に、超音波探傷装置５が設置されている。超音波探傷装置５には、複数個の超音波探触子が備えられ、探傷動作時にはレール探傷車２が時速２０Ｋｍ程度の速度で運転され、超音波探触子が、これに合わせてレールの頂面を摺動しつつレール内部の欠陥を検出するようになっている。

図２は、レール探傷車２の正面図（ａ）、左側面図（ｂ）、底面図（ｃ）、要部拡大図（ｄ）（ｅ）を図示したものである。なお、必要部分を明示するため、特に、レール探傷車の車輪６付近の部材については、図示が省略されている。

図２（ａ）に示す通り、レール探傷車２の底面には、超音波探傷装置５が配置され、超音波探傷装置５を囲む前後４個の車輪６に近接して、合計４個のノズル７ａ〜７ｄが配置されている。図２（ｄ）に示すように、各車輪６は、レール当接面８とフランジ部９とを備えるが、各ノズル７ａ〜７ｄは、フランジ部９の内周面９ａからレール当接面８にかけて、必要量の散水ができるように配置されている。なお、フランジ部９ａからレール当接面８にかけて散水すると、レール当接面の傾斜によって当接面全体に水が行き渡るので、車輪６の滑りにより発生するきしり音を有効に防止できる。

レール探傷車２は計測動作時に時速２０Ｋｍ程度で走行するので、０．１〜０．５リットル／分の散水量とするのが、きしり音の発生を防止する上で好適であり、０．２〜０．３リットル／分程度の散水量が最適であることを確認している。

レール探傷車２の内部には、進行方向に延びる通路を挟んで、２つの水タンク１０ａ＋１０ｂ（＝ＴＮ）が、互いの底部を連通させて配置されている。そして、水タンクＴＮとノズル７ａ〜７ｄの間には、図３に示すように、電磁弁Ｄ０〜Ｄ２、加圧ポンプ１１〜１２、及び連結管Ｃ１〜Ｃ２が設けられている。なお、電磁弁Ｄ０は、電源投入に合わせて自動的に開状態となり、非常時を除き、その状態が維持されるようになっている。

また、この実施例では、レール探傷車２の進行方向に応じて、ノズル７ａ，７ｂか又はノズル７ｃ，７ｄの何れか一方が散水動作をするようになっている。すなわち、レール探傷車２が、図２（ａ）の左方向に進行する場合には、必要時に加圧ポンプ１１が作動してノズル７ａ，７ｂから水が出力され、一方、レール探傷車２が、図２（ａ）の右方向に進行する場合には、必要時に加圧ポンプ１２が作動してノズル７ｃ，７ｄから水が出力されるようになっている。なお、電磁弁Ｄ１及び電磁弁Ｄ２は、加圧ポンプ１１，１２の作動時に開放されていれば足りるので、簡易的には、レール探傷車２の進行方向が決まる作業開始時に、人為的なスイッチ操作に基づいて、一方側を開状態にし、他方側を閉状態に制御すれば良い。

ところで、散水動作は、レール探傷車２が所定曲率よりきつい急カーブにさしかかると開始され、具体的には、進行方向の前方側の車輪のレール当接面に対して必要量の水が供給される。そして、この散水動作は、その後、レール探傷車２が急カーブを抜けると終了される。きしり音の発生を防止するには、内軌側の車輪とレールとの間に潤滑性をもたせることが最も重要であるが、本実施例では、外軌側の車輪にも散水処理をしているので、より確実にきしり音の発生を防止できる。

散水動作の開始と終了のタイミングは、位置検知を行うセンサ等の出力に基づいて決定することができる。例えば、鉄道レールの敷設面のうち、曲線部への進入部と曲線部からの離脱部にそれぞれＩＤタグ（マイクロ波帯のアンテナ回路とメモリとを内蔵する応答器）を配置しておき、鉄道車両の底面から放射波を受信したことを条件に、ＩＤタグの記憶データを鉄道車両に放射させるのが効果的である。この場合、ＩＤタグからのデータに基づいて、鉄道車両において、曲線部への進入や曲線部からの離脱を認識することができる。

但し、レール探傷車２の場合には、車両の進行速度が低速であるので（時速２０Ｋｍ程度）、係員のスイッチ操作によって開始と終了のタイミングを特定するのが簡易的である。すなわち、簡易的な構成においては、係員が、作業開始時に、車両進行方向に応じたボタン（Ｐ１又はＰ２）を押すと、対応する何れか一方の電磁弁（Ｄ１又はＤ２）のみが開放される。その後、急カーブにさしかかった際に、係員が別の動作開始ボタンを押すと、作業開始時に特定されたノズルに対応するポンプ（１１又は１２）が作動して、散水動作が開始され、その後、動作停止ボタンを押すと、動作中のポンプが停止する。

以上、レール探傷車２について構成と動作とを具体的に説明したが、牽引用モーターカー１についても基本構成は全く同じである。したがって、図１において車両が左向きに進行する場合には、急カーブで各車両の前方側（Ａ，Ｃ）の車輪に散水がされ、車両が右向きに進行する場合には、急カーブで各車両の前方側（Ｄ，Ｂ）の車輪に散水がされる。したがって、実際に超音波探傷を行うレール探傷車２だけでなく、これに連結された牽引用モーターカー１の運転によってもきしり音の発生がなく、高精度の探傷処理が可能となる。なお、後方側の車輪では滑りが生じないので、散水処理が不要であることも確認している。

レール探傷車と牽引用モーターカーの正面図である。 レール探傷車２の正面図（ａ）、左側面図（ｂ）、底面図（ｃ）、要部拡大図（ｄ）（ｅ）を図示したものである。 レール探傷車の制御動作を説明するブロック図である。 車輪とレールの関係を図示したものである。 きしり音と車輪打撃音の周波数分析図である。

符号の説明

ＴＮ、１０ 貯留部（タンク）
７ａ〜７ｄ ノズル部
２ 鉄道車両（レール探傷車）
１ 鉄道車両（牽引用モーターカー）

Claims (6)

1. 散水用の水を貯留する貯留部と、前記貯留部から受けた水を、進行方向前方側の車輪のレール当接面に散水するノズル部と、鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部と、鉄道路線の曲線部からの離脱に応答して散水を終了する動作終了部と、を備えてきしり音の発生を防止している鉄道車両。
2. 前記動作開始部は、鉄道路線の曲線部への進入を自動的に検知する進入検知部と、前記進入検知部の検知結果に基づいて散水を自動的に開始させる制御部とで構成されている請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記動作終了部は、鉄道路線の曲線部からの離脱を自動的に検知する離脱検知部と、前記離脱検知部の検知結果に基づいて散水を終了させる制御部とで構成されている請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両。
4. 前記鉄道車両は、超音波探傷動作によってレールの欠陥を検出するレール探傷車であり、前記超音波探傷動作が、前記ノズル部より進行方向後方側に配置された超音波センサによって実現されている請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両。
5. 前記貯留部には、空調装置の吸熱動作により発生する結露水が供給されている請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両。
6. 散水用の水を貯留する貯留部と、前記貯留部から受けた水を、進行方向前方側の車輪のレール当接面に散水するノズル部と、鉄道路線の曲線部への進入に応答して散水を開始する動作開始部と、鉄道路線の曲線部からの離脱に応答して散水を終了する動作終了部とを鉄道車両に備えて、必要時に進行方向前方の車輪に散水処理を行うきしり音の発生防止方法。

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