JP2006281859A

JP2006281859A - 車輪踏面増粘着方法およびその装置

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Publication number: JP2006281859A
Application number: JP2005101430A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kawaguchi; 清川口; Yasuaki Sakamoto; 泰明坂本; Hiroshi Hata; 広秦; Minoru Kondo; 稔近藤; Takamasa Uesugi; 卓正上杉; Michihiro Hayashi; 満弘林
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4947251B2

Abstract

【課題】保守作業の低減を図るとともに、構成が簡便で車輪踏面の高い粘着力を得ることができる車輪踏面増粘着方法およびその装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両の車輪踏面４に対向し、かつレール１の近傍に電磁石装置９を配置し、走行時に車輪踏面４表面の温度を前記電磁石装置９からの電磁誘導により生じる車輪３の鉄損によって上昇させ、その温度上昇により車輪３とレール１の間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面４の粘着力を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪踏面増粘着方法およびその装置に関するものである。

従来の車輪踏面増粘着方法としては、車輪踏面研磨子や車輪踏面清掃子と称する摩擦材を車輪踏面へ押し付ける方法や、セラミックス粒子を車輪踏面へ噴射して車輪踏面に粗さを得る方法が用いられている。

また、本願発明者らにより、鉄道車両の車輪踏面に対向して、隣合う磁石毎に磁極の方向を９０°回転させた磁石群の配列に構成した磁石ブロックを配置し、走行時に車輪踏面表面の温度を前記磁石ブロックからの電磁誘導により生じる車輪の鉄損によって上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高める鉄道車輪踏面増粘着方法およびその装置が提案されている（下記特許文献１、下記非特許文献１参照）。
特開２００４−３３８６４８号公報Ｊ−ＲＡＩＬ２００４第１１回鉄道技術連合シンポジウム，講演論文集，平成１６年１２月，電気学会交通・電気鉄道技術委員会，ｐｐ．６１

しかしながら、上記した従来の車輪踏面増粘着方法では、車輪踏面に摩擦材による摩耗が生じたり、力行時の連続使用による加速性能の低下が大であり、また、過度の発熱により長時間連続使用ができない等の問題があった。

また、磁石ブロックを配置する場合には、常時、吸引されることで作業性やその消磁方法が複雑になり、１００ｋｍ／ｈ以下の低速時には性能が低下するといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、低速時の性能の確保と、保守作業の低減を図るとともに、構成が簡便で車輪踏面に高い粘着力を得ることができる車輪踏面増粘着方法およびその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕車輪踏面増粘着方法において、鉄道車両の車輪踏面に対向し、前記電磁石装置に接続される制御手段を有し、走行時に車輪踏面表面の温度を前記電磁石装置からの電磁誘導により生じる車輪の鉄損によって上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の車輪踏面増粘着方法において、前記鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に電磁石装置を配置することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の車輪踏面増粘着方法において、車輪踏面表面を５０℃〜３７４℃の間に加熱することにより、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の車輪踏面増粘着方法において、前記電磁石装置が２極以下の電磁石装置からなることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の車輪踏面増粘着方法において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記車輪踏面と前記磁石ブロック間のギャップを変更することを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の車輪踏面増粘着方法において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置の通電電流を制御することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕記載の車輪踏面増粘着方法において、前記電磁石装置に印加する周波数が２ｋＨｚ以上の高周波数であり、車両の状態に応じて周波数を調整することを特徴とする。

〔８〕上記〔７〕記載の車輪踏面増粘着方法において、前記車両の状態が車両速度であり、その車両速度が中高速度域（４０ｋｍ／ｈ〜４００ｋｍ／ｈ）の時に励磁することを特徴とする。

〔９〕車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に配置される電磁石装置と、車両の走行時に前記電磁石装置からの電磁誘導を生成させ、これにより生じる車輪の鉄損によって車輪踏面表面の温度を上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高める手段とを具備することを特徴とする。

〔１０〕上記〔９〕記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記車輪踏面と前記電磁石装置間のギャップを変更するギャップ変更機構を具備することを特徴とする。

〔１１〕上記〔９〕又は〔１０〕記載の車輪踏面増粘着装置において、車輪踏面表面を５０℃〜３７４℃の間に加熱することにより、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする。

〔１２〕上記〔９〕又は〔１０〕記載の車輪踏面増粘着装置において、前記電磁石装置が２極以下の電磁石装置であることを特徴とする。

〔１３〕上記〔９〕記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置に供給される周波数を制御することによって前記車輪の鉄損を調整する周波数制御手段を具備することを特徴とする。

〔１４〕上記〔９〕記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置への通電電流を制御する通電電流制御手段を具備することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）保守作業の低減を図るとともに、簡便な構成で車輪踏面の粘着力を得ることができる。

（Ｂ）車両の走行状況に応じて、車輪踏面の加熱の制御を行うことにより、有効な車輪踏面の粘着力の向上を図ることができる。

本発明の車輪踏面増粘着方法は、鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に電磁石装置を配置し、走行時に車輪踏面表面の温度を前記電磁石装置からの電磁誘導により生じる車輪の鉄損によって上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す車輪踏面増粘着装置の正面模式図、図２はその車輪踏面増粘着装置の側面模式図である。

これらの図において、１はレール、２は車軸、３は車輪、４は車輪踏面、５は軸箱、６は軸ばね、７は台車枠、８は支持アーム、９はその支持アーム８の先端に固定され、鉄道車両の車輪踏面４に対向し、かつレール１の近傍に配置される電磁石装置、１０はその電磁石装置９に接続される制御装置、１１はその制御装置１０に接続される電源である。

ここで、車輪踏面４に対向するとともに、レール１の近傍に配置される単極又は２極の電磁石装置９が制御装置１０を介して励磁されることによって、磁界が発生し、この磁界は、単極又は２極の電磁石装置９の一方の磁極から車輪３−車輪踏面４−レール１−単極又は２極の電磁石装置９のもう一方の磁極へと閉じた磁路を形成する。その磁路の磁気抵抗は低いので、蓄電池のような小容量の電源であっても停電時や異常時でも強力な磁束を得ることができる。

したがって、単極又は２極の電磁石装置９と車輪踏面４との間の電磁誘導加熱作用により、車輪踏面４に集中して誘導電流が発生し、鉄損による熱が発生する。この熱により、車輪踏面４が電磁誘導により加熱されることになる。車輪踏面４が加熱されると、車輪３とレール１間に介在する雨水などの流体粘度が下がるため転がり接触面内の排水性が促進され、車輪踏面４の粘着力が高くなる。

このように、車輪踏面４が加熱されると、車輪３におけるレール１と車輪踏面４間の粘着力を高めることができる。

さらに、単極又は２極の電磁石装置９による磁路中、レール１と車輪踏面４との接触箇所Ａにおいて磁束が集中して磁路を形成し、高い周波数により電磁誘導加熱される。したがって、レール１と車輪踏面４との接触箇所Ａで発生する熱エネルギーが増大すれば、より車輪踏面４が加熱されることにより、より効率的に車輪踏面４の粘着力を高めることができる。

本発明にかかる車輪踏面増粘着効果は、電磁誘導加熱作用によるため、車輪踏面４を効果的に加熱させ、車輪踏面の損失を低減するとともに、摩耗がないため長時間連続使用を可能にする。

また、かかる電磁誘導による車輪踏面４の粘着力の制御は、制御装置１０により行う。すなわち、制御装置１０で通電電流を調整することにより、車輪踏面４の加熱の程度を変化させることができ、車輪踏面４の粘着力の調整を行うことができる。

図３は本発明の第２実施例を示す車輪踏面増粘着装置の模式図である。

この実施例では、新幹線電車などの場合に、第１実施例に示した単極又は２極の電磁石装置９に数ｋＨｚの周波数を印加するものであり、電源１１に接続される周波数制御器２１によって、車両が低速であっても数ｋＨｚ以上の高周波を印加することができる。

このように、単極又は２極の電磁石装置９に印加する周波数を制御することにより、車両の状況に合わせた電磁誘導による車輪踏面の加熱の制御を行うことができる。

したがって、第１実施例と同様に、車輪踏面４を加熱することによって、車輪２におけるレール１と車輪踏面４間の粘着力を高めることができる。

かかる車輪踏面増粘着効果は、高周波の電磁誘導作用の表皮効果によるため、車輪踏面の表面のみを効果的に加熱させ、損失を低減するとともに、長時間連続使用を可能にする。

図４は本発明の第３実施例を示す車輪踏面増粘着装置の模式図、図５は図４のＡ−Ａ線の断面図である。

これらの図において、３１はレール、３２は車輪、３３は車輪踏面、３４は単極又は２極の電磁石装置、３５は電源、３６は電源３５からの電力や周波数を制御する制御器である。また、制御器３６はブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無を検出して制御することも可能である。

この実施例では、更に、電子制御装置４１、空転・滑走センサー４２、ノッチ情報センサー４３、車両速度計４４、車輪踏面又はその周囲温度を計測する温度センサー４５、ギャップ変更機構４６等を設けて、車両の種々の情報をセンサー４２〜４５（またはブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無）などによって検出して、それらの情報に基づいて、単極又は２極の電磁石装置３４によって車輪踏面３３に生成される鉄損による熱量を加減することにより、車輪踏面増粘着の度合を制御できるようにしている。

例えば、空転・滑走センサー４２により、車輪３２が空転・滑走していることが検知できた場合には、これを電子制御装置４１に取り込んで、制御器３６で単極又は２極の電磁石装置３４への通電電流や周波数を調整することにより車輪踏面３３の鉄損を増加させて、車輪踏面３３をより加熱させることにより、車輪踏面３３の粘着力を高めるようにすることができる。

また、単極又は２極の電磁石装置３４に印加する周波数は新幹線電車の場合は数ｋＨｚの高周波数であるが、第２実施例と同様に車両の状態に応じてその周波数を調整することにより車輪踏面３３の粘着力を制御するようにしてもよい。

さらに、電子制御装置４１が空転・滑走センサー４２から空転・滑走の情報を受けた場合に、ギャップ変更機構４６を駆動させて、単極又は２極の電磁石装置３４と車輪踏面３３との距離を近づけることにより、車輪踏面３３の鉄損を増加させて、車輪踏面３３をより加熱させることにより、車輪踏面３３の粘着力を高めるようにすることもできる。

ギャップ変更機構４６は、例えば、図５に示すような構成とすることができる。すなわち、単極又は２極の電磁石装置３４と一体化された駆動軸４７には図示しないが切り換えレバーを連結するようにする。この駆動軸４７は車体（図示なし）に固定される支持体４８によって支持され、切り換えレバーの動作により、駆動軸４７を矢印方向に移動させることにより、車輪踏面３３と単極又は２極の電磁石装置３４間のギャップを変更することができるようにしている。

さらに、ノッチ情報センサー４３により、力行ノッチ、ブレーキノッチの状態にあることが検出されると、上記と同様に、制御器３６で単極又は２極の電磁石装置３４への通電電力量を制御したり、単極又は２極の電磁石装置３４に印加される周波数を制御したりすることにより鉄損を増加させる、又は、ギャップ変更機構４６を駆動させて、単極又は２極の電磁石装置３４をより車輪踏面３３に近づけることにより、車輪踏面の粘着力を高めるようにすることができる。

また、車両速度計４４により車両速度が早いことが検出されると、ブレーキが利き難くなるので、上記手段により、車輪踏面の粘着力を高めるように、設定することができる。

図６は本発明の第４実施例を示す車輪踏面増粘着装置の正面模式図、図７はその車輪踏面増粘着装置の側面模式図である。

これらの図において、図１及び図２と異なる点は、支持アーム５１の先端部は鉄芯５２となし、その鉄芯５２の先端５２Ａと車輪３との間隙を小さくするように、上向きに曲げられた形状をしており、その曲げられた支持アーム５１の先端部のＵ字形の鉄芯５２に２極の電磁石装置５３が配置されている。

すなわち、高周波になるほどに磁界が発生し難くなるので、ギャップを小さくする必要がある。そこで、極ピッチを長くしなければならない。図６及び図７は極ピッチを長くするため、支持アーム５１の部分である鉄心５２をＵ字形状にして、車輪踏面４のみに対峙させるようにしている。

したがって、電磁石装置５３によって発生する高周波磁界は、鉄心５２の先端５２Ａ−車輪３−鉄心５２の他端へと磁路が形成され、車輪踏面４での表皮効果により電磁誘導加熱作用のため、車輪踏面の表面のみを効果的に加熱させることができる。

図８は本発明にかかる車輪踏面における水の潤滑膜の流体粘度と温度の関係を示す図である。

この図に示すように、温度の上限は水の臨界温度３７４℃であり、水の粘度係数は温度の上昇に伴って低減し、車輪踏面の粘着力が高まることがわかる。

因みに、基礎実験の結果、車輪踏面と磁石装置間のギャップが５ｍｍの場合、車輪当面の温度は、スタート時には１０℃、２分後１５０ｋｍ／ｈで１８℃、３０分後１５０ｋｍ／ｈで３０℃、３２分後２５０ｋｍ／ｈで４０℃、６０分後３５０ｋｍ／ｈで５０℃、６２分後３５０ｋｍ／ｈで７０℃、９０分後３５０ｋｍ／ｈで８０℃であった。

また、車輪踏面と単極の電磁石装置間のギャップが２ｍｍの場合、車輪当面の温度は、スタート時には３０℃、２分後１５０ｋｍ／ｈで９０℃、２０分後１５０ｋｍ／ｈで１３０℃、２２分後２５０ｋｍ／ｈで２０５℃であった。

上記からして、ギャップ５ｍｍの場合で効果を高めるには、磁界φの増大か車両速度あるいは周波数が高くなることが望ましい。そのためにも、単極又は２極の電磁石装置は、鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に配置することが望ましい。

上記したように、車輪踏面の温度の制御要因は種々存在する。

車輪踏面の温度の切り換え条件を表１に示す。

また、車輪踏面の温度の切り換え方法を表２に示す。

このように、車輪踏面又は車輪踏面の周囲の温度を計測する温度センサー４５からの情報により、車輪踏面の粘着力を制御するように設定することができる。または季節によって前述したギャップ変更機構４６の切り換えレバーで車輪踏面と単極又は２極の電磁石装置間のギャップを変更するようにしてもよい。

上記のように構成したので、従来のように、摩擦摩耗に伴う車輪や研磨子の保守、セラミックスの補充といった保守作業の低減を図ることができる。また、セラミックス粒子の噴射と併用することにより、効果を高めることもできる。

また、車両の走行状態に応じて、力行・駆動時の粘着力の増大を図ることができる。

この車輪踏面増粘着装置によれば、特に、中高速度域での粘着力の増大を図ることができ、１００Ｖ（３００Ｗ）交流電源で、２ｋＨｚ〜２ＭＨｚ帯域で、実用的な踏面の加熱温度は１５０℃〜２００℃を目標とする。特に、２０ｋＨｚでの踏面での表皮効果を期待することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の車輪踏面増粘着方法およびその装置は、鉄道車両の制動装置に利用可能である。

本発明の第１実施例を示す車輪踏面増粘着装置の正面模式図である。本発明の第１実施例を示す車輪踏面増粘着装置の側面模式図である。本発明の第２実施例を示す車輪踏面増粘着装置の模式図である。本発明の第３実施例を示す車輪踏面増粘着装置の模式図である。図４のＡ−Ａ線の断面図である。本発明の第４実施例を示す車輪踏面増粘着装置の正面模式図である。本発明の第４実施例を示す車輪踏面増粘着装置の側面模式図である。本発明にかかる車輪踏面における水の潤滑膜の流体粘度と温度の関係を示す図である。

符号の説明

１，３１レール
２車軸
３，３２車輪
４，３３車輪踏面
５軸箱
６軸ばね
７台車枠
８，５１支持アーム
９，３４，５３電磁石装置（単極又は２極の電磁石装置）
１０制御装置
１１，３５電源
２１周波数制御器
３６制御器
４１電子制御装置
４２空転・滑走センサー
４３ノッチ情報センサー
４４車両速度計
４５温度センサー
４６ギャップ変更機構
４７駆動軸
４８支持体
５２鉄芯
５２Ａ鉄芯の先端

Claims

鉄道車両の車輪踏面に対向し、前記電磁石装置に接続される制御手段を有し、走行時に車輪踏面表面の温度を前記電磁石装置からの電磁誘導により生じる車輪の鉄損によって上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１記載の車輪踏面増粘着方法において、前記鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に電磁石装置を配置することを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１記載の車輪踏面増粘着方法において、車輪踏面表面を５０℃〜３７４℃の間に加熱することにより、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１、２又は３記載の車輪踏面増粘着方法において、前記電磁石装置が２極以下の電磁石装置からなることを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１、２、３又は４記載の車輪踏面増粘着方法において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記車輪踏面と前記磁石ブロック間のギャップを変更することを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１、２、３又は４記載の車輪踏面増粘着方法において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置の通電電流を制御することを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項１記載の車輪踏面増粘着方法において、前記電磁石装置に印加する周波数が２ｋＨｚ以上の高周波数であり、車両の状態に応じて周波数を調整することを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
請求項７記載の車輪踏面増粘着方法において、前記車両の状態が車両速度であり、その車両速度が中高速度域（４０ｋｍ／ｈ〜４００ｋｍ／ｈ）の時に励磁することを特徴とする車輪踏面増粘着方法。
（ａ）鉄道車両の車輪踏面に対向し、かつレールの近傍に配置される電磁石装置と、
（ｂ）車両の走行時に前記電磁石装置からの電磁誘導を生成させ、これにより生じる車輪の鉄損によって車輪踏面表面の温度を上昇させ、その温度上昇により車輪とレールの間に介在する流体粘度を下げ、車輪踏面の粘着力を高める手段とを具備することを特徴とする車輪踏面増粘着装置。
請求項９記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記車輪踏面と前記電磁石装置間のギャップを変更するギャップ変更機構を具備することを特徴とする車輪踏面増粘着装置。
請求項９又は１０記載の車輪踏面増粘着装置において、車輪踏面表面を５０℃〜３７４℃の間に加熱することにより、車輪踏面の粘着力を高めることを特徴とする車輪踏面増粘着装置。
請求項９又は１０記載の車輪踏面増粘着装置において、前記電磁石装置が２極以下の電磁石装置であることを特徴とする車輪踏面増粘着装置。
請求項９記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置に供給される周波数を制御することによって前記車輪の鉄損を調整する周波数制御手段を具備することを特徴とする車輪踏面増粘着装置。
請求項９記載の車輪踏面増粘着装置において、鉄道車両の車輪の空転・滑走の有無や力行ノッチ及びブレーキノッチの状態、車両速度、ブレーキシリンダ圧、増粘着噴射の有無、車輪踏面又はその周囲温度の状態に基づいて、前記電磁石装置への通電電流を制御する通電電流制御手段を具備することを特徴とする車輪踏面増粘着装置。