JP2007217539A - 摩擦緩和材、摩擦緩和装置及び摩擦緩和方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な材料によってレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和することができるとともに、車輪とレールとの間の摩擦抵抗を可能な限り緩和することができる摩擦緩和材、摩擦緩和装置及び摩擦緩和方法を提供する。
【解決手段】 安価なコークス粒子Ｃ₁と安価な黒鉛粒子Ｃ₂とを所定範囲内の混合比で混合することによって摩擦緩和材Ｃを安価に製造することができる。コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との最適な混合比を混合比演算部１３が演算すると、制御装置１４が混合比調整部５ｉ，５ｊに管路５ａ，５ｂの開度を調整させるとともに、制御装置１４が混合比調整部６ｉ，６ｊに管路６ａ，６ｂを閉鎖させる。制御装置１４が気体噴射部７を動作させると気体噴射部７が圧縮気体を管路８に供給する。その結果、収容装置５ｃ内のコークス粒子Ｃ₁が圧縮気体とともに噴射部５ｇから噴射する。同様に、収容装置５ｄ内の黒鉛粒子Ｃ₂も圧縮気体とともに噴射部５ｈから噴射する。
【選択図】図４

Description

この発明は、車輪とレールとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材、摩擦緩和装置及び摩擦緩和方法に関する。

鉄道車両は、急曲線を通過するときに曲線通過性能に応じた横圧を伴って走行し、この横圧は曲線の内軌及び外軌のきしり音（摩擦音）の原因になるとともに、内軌側のレール頭頂面に発生する波状摩耗の原因にもなる。一般に、このような過大な横圧や波状摩耗を低減するために、内軌側のレールの頭頂面又は車輪踏面に鉱油やグリースなどの潤滑剤を塗布している。このような車輪とレールとの間の潤滑に使用される鉱油やグリースは、潤滑効果が過大であるため車輪の空転や滑走を誘発する。このため、近年、安定した摩擦係数が確保できる固形の潤滑剤（固体潤滑剤）を摩擦緩和材として使用している。従来の摩擦緩和材は、摩擦抵抗を緩和させる物質がカーボン系材料を主成分としている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の摩擦緩和材は、急曲線の内軌側のレールと車輪との間に噴射されると、レールの頭頂面と車輪の踏面との間の摩擦抵抗が緩和されて、レールと車輪との間に発生する横圧が低減される。その結果、レールの内側頭頂面と車輪のフランジ面との間の摩擦抵抗が低減されてこれらの磨耗が防止される。また、レールと車輪との間で踏み付けられた摩擦緩和材がこれらに残存することが期待できるため、摩擦抵抗の緩和効果がある程度持続される。

特開2005-075042号公報

従来の摩擦緩和材は、例えば、ピッチコークスなどの安価な材料を所定の摩擦係数に調整するために専用の熱処理装置によって熱処理して製造されている。しかし、このような摩擦緩和材は、用途が限られているため需要が少なく高価になるとともに、熱処理装置内の電気炉で１ヶ月程度加熱して自然冷却する必要があり、製造が長時間になるとともに製造コストが高くなり製品自体も高価になってしまう問題点がある。

この発明の課題は、安価な材料によってレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和することができるとともに、車輪とレールとの間の摩擦抵抗を可能な限り緩和することができる摩擦緩和材、摩擦緩和装置及び摩擦緩和方法を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、車輪（４ａ，４ｂ）とレール（１ａ，１ｂ）との間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材であって、コークス粒子（Ｃ₁）と黒鉛粒子（Ｃ₂）とが混合されていることを特徴とする摩擦緩和材（Ｃ）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の摩擦緩和材において、前記コークス粒子の添加率が50〜95mass％であり、前記黒鉛粒子の添加率が5〜50mass％であることを特徴とする摩擦緩和材である。

請求項３の発明は、車輪（４ａ，４ｂ）とレール（１ａ，１ｂ）との間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置であって、前記摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材（Ｃ）のコークス粒子（Ｃ₁）と黒鉛粒子（Ｃ₂）との混合比を調整する混合比調整部（５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊ）と、調整後の前記摩擦緩和材を前記車輪と前記レールとの間に噴射する噴射部（５ｇ，５ｈ，６ｇ，６ｈ）とを備える摩擦緩和装置（５，６）である。

請求項４の発明は、請求項３に記載の摩擦緩和装置において、前記混合比調整部は、前記摩擦抵抗が大きいときには前記コークス粒子が多くなるように前記混合比を調整し、前記摩擦抵抗が小さいときには前記黒鉛粒子が多くなるように前記混合比を調整することを特徴とする摩擦緩和装置である。

請求項５の発明は、車輪（４ａ，４ｂ）とレール（１ａ，１ｂ）との間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和方法であって、前記摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材（Ｃ）のコークス粒子（Ｃ₁）と黒鉛粒子（Ｃ₂）との混合比を調整し、調整後の前記摩擦緩和材を前記車輪と前記レールとの間に噴射することを特徴とする摩擦緩和方法である。

請求項６の発明は、請求項５に記載の摩擦緩和方法において、前記摩擦抵抗が大きいときには前記コークス粒子が多くなるように前記混合比を調整し、前記摩擦抵抗が小さいときには前記黒鉛粒子が多くなるように前記混合比を調整することを特徴とする摩擦緩和方法である。

この発明によると、安価な材料によってレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和することができるとともに、車輪とレールとの間の摩擦抵抗を可能な限り緩和することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す平面図である。図２は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す正面図であり、図２（Ａ）は内軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図であり、図２（Ｂ）は外軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図である。図３は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を概略的に示す斜視図である。図４は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を概略的に示す構成図である。

図１に示す線路１は、車両２が走行する通路（軌道）である。線路１は、車輪４ａ，４ｂを案内する一対のレール１ａ，１ｂなどから構成されており、レール１ａは急曲線の内軌でありレール１ｂは急曲線の外軌である。レール１ａ，１ｂは、図２に示すように、車輪４ａ，４ｂを直接支持するレール頭頂面（頭部上面）１ｃと、このレール頭頂面１ｃと連続する内側頭側面１ｄとを備えている。図４に示すように、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの接触点Ｓには垂直力Ｗ及び接線力Ｆが作用し、垂直力Ｗに対する接線力Ｆの比例係数（接線力係数（トラクション係数))Ｆ／Ｗが摩擦係数でありこの摩擦係数の最大値が粘着係数である。図１に示す横圧Ｑは、レール１ａとの間に作用する力のうち車軸方向に作用する力である。

図１に示す車両２は、電車や気動車などの鉄道車両である。車両２は、図１に示す車体３と、台車４と、図１及び図３に示す摩擦緩和装置５，６と、図３及び図４に示す気体噴射部７と、管路８と、曲線検出部９と、速度検出部１０と、横圧検出部１１と、きしり音検出部１２と、混合比演算部１３と、制御装置１４などを備えている。図１に示す車体３は、乗客を積載し輸送するための構造物である。台車４は、車体３を支持して走行する装置であり、一対のレール１ａ，１ｂとそれぞれ回転接触する一対の車輪４ａ，４ｂと、車体３に回転自在に連結されるけん引装置４ｅなどを備えている。車輪４ａ，４ｂは、図２に示すように、レール１ａ，１ｂのレール頭頂面１ｃと接触して摩擦抵抗を受ける車輪踏面４ｃと、鉄道車両が急曲線を通過するときに、外軌側のレール１ｂの内側頭側面１ｄと接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面４ｄとを備えている。

図４に示す摩擦緩和材Ｃは、接触部と被接触部との間の摩擦抵抗を緩和させる材料であり、例えば車輪４ａ，４ｂとレール１ａ，１ｂとの間の摩擦抵抗を緩和させる。摩擦緩和材Ｃは、図１に示すように、急曲線通過時に生ずるすべり率の範囲ではトラクション係数が小さくなって横圧Ｑの発生を抑制し、車両２の加速又は減速によって空転又は滑走に至る巨視すべりが発生した場合には瞬時に高いトラクション係数に移行するような材料が望ましい。ここで、すべり率とは、車両２の走行速度と滑走又は空転時の車輪４ａ，４ｂの周速度との差を車両２の走行速度で除した値である。摩擦緩和材Ｃは、例えば、レール１ａ及び／又は車輪４ａに噴射されてこれらの間に生じる過度の摩擦力を緩和し、対象物に噴射したときにこの対象物の表面に容易に付着し、風によって舞上らず取扱が容易な大きさに形成されている。摩擦緩和材Ｃは、例えば、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子（グラファイト粒子）Ｃ₂とが混合されている。

コークス粒子Ｃ₁は、例えば、石炭（コークス）の乾溜によって生成されるタールを蒸留したときの釜残油であるピッチコークスなどである。黒鉛粒子Ｃ₂は、コークスなどを練り混ぜて熱処理装置で高温加熱して製造される。黒鉛粒子Ｃ₂は、例えば、潤滑性、成形性及び導電性に優れた鱗状黒鉛粉末、導電性及び潤滑性に優れた土状黒鉛粉末、高度及び純度に優れた人造黒鉛粉末などである。コークス粒子Ｃ₁は、添加量が95％を超える（黒鉛粒子Ｃ₂の添加量が5mass％未満）と、図１に示す急曲線の内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間で滑りが生ずる範囲内でトラクション係数が大きくなるため、横圧Ｑが大きくなりきしり音などが発生してしまう不都合がある。一方、コークス粒子Ｃ₁は、添加量が50％未満である（黒鉛粒子Ｃ₂の添加量が50mass％を超える）と、車両２が加速又は減速してすべり率が大きくなったときに、トラクション係数が小さくなり空転や滑走が発生してしまう不都合がある。このため、摩擦緩和材Ｃは、コークス粒子Ｃ₁の添加量が50〜95mass％であり、黒鉛粒子Ｃ₂の添加量が5〜50mass％であることは好ましい。

図１に示す摩擦緩和装置５は、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和する装置であり、摩擦緩和装置６はレール１ｂと車輪４ｂとの間の摩擦抵抗を緩和する装置である。摩擦緩和装置５は、例えば、図１、図３及び図４に示すように、車両２が進行方向に対して左方向の急曲線を通過するときに内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材Ｃを噴射してこれらの間の摩擦抵抗を緩和させる。摩擦緩和装置５，６は、例えば、先頭の車両２の進行方向前側の台車４の車輪４ａ，４ｂとそれぞれ対応して設置されている。摩擦緩和装置５，６は、いずれも同一構造であり、以下ではレール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置５側について説明し、摩擦緩和装置５側の部分に対応する摩擦緩和装置６側の部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。摩擦緩和装置５は、図３及び図４に示すように、管路５ａ，５ｂと、収容装置５ｃ，５ｄと、管路５ｅ，５ｆと、噴射部５ｇ，５ｈと、混合比調整部５ｉ，５ｊなどを備えている。

管路５ａ，５ｂは、圧縮気体を供給する配管である。管路５ａ，５ｂは、上流側が管路８に接続されており、管路５ａは下流側が収容装置５ｃに接続され、管路５ｂは下流側が収容装置５ｄに接続されている。

収容装置５ｃは、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和するコークス粒子Ｃ₁を収容する装置であり、収容装置５ｄはレール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和する黒鉛粒子Ｃ₂を収容する装置である。収容装置５ｃ，５ｄは、いずれも同一構造であり、以下では収容装置５ｃについて説明する。収容装置５ｃは、図４に示すように、収容部５ｋと、管路５ｍと、オリフィス５ｎと、噴射孔５ｐと、吸引管路５ｑとを備えている。収容部５ｋは、コークス粒子Ｃ₁を収容する容器である。管路５ｍは、収容部５ｋを貫通して圧縮気体が流れる配管であり、管路５ｍの上流側は管路５ａに接続されており管路５ｍの下流側は管路５ｅに接続されている。噴射孔５ｐは、管路５ｍ内を流れる圧縮気体の一部を収容部５ｋ内に噴出させる貫通孔である。

管路５ｅは、レール１ａと車輪４ａとの間にコークス粒子Ｃ₁を供給するために収容装置５ｃからコークス粒子Ｃ₁を送出する配管であり、下流側が噴射部５ｇに接続されている。管路５ｆは、レール１ａと車輪４ａとの間に黒鉛粒子Ｃ₂を供給するために収容装置５ｄから黒鉛粒子Ｃ₂を送出する配管であり、下流側が噴射部５ｈに接続されている。

噴射部５ｇは、レール１ａと車輪４ａとの間にコークス粒子Ｃ₁を噴射する噴射口（噴射ノズル）であり、噴射部５ｈはレール１ａと車輪４ａとの間に黒鉛粒子Ｃ₂を噴射する噴射口（噴射ノズル）である。噴射部５ｇ，５ｈは、例えば接触点Ｓの直前の内側頭側面１ｄに向けてコークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とをそれぞれ噴射する。

混合比調整部５ｉ，５ｊは、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との混合比（配合比）を調整する装置である。混合比調整部５ｉは、管路５ａの開度を調整してこの管路５ａ内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁などであり、制御装置１４が出力する開閉信号に基づいて、管路５ａを開閉してコークス粒子Ｃ₁の噴射量を可変する。混合比調整部５ｊは、管路５ｂの開度を調整してこの管路５ｂ内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁などであり、制御装置１４が出力する開閉信号に基づいて、管路５ｂを開閉して黒鉛粒子Ｃ₂の噴射量を可変する。混合比調整部５ｉ，５ｊは、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗が大きいときにはコークス粒子Ｃ₁が多くなるように混合比を調整し、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗が小さいときには黒鉛粒子Ｃ₂が多くなるように混合比を調整する。

図３及び図４に示す気体噴射部７は、気体を噴射する装置であり、圧縮空気などの圧縮気体を管路８内に噴射する。気体噴射部７は、例えば、所定の圧力の気体を蓄積する蓄圧部（アキュムレータ）と、この蓄圧部内に気体を供給する気体供給部（コンプレッサ）と、蓄圧部内の気体の圧力を測定する圧力測定部（圧力センサ）などを備えている。気体噴射部７は、圧力測定部の測定結果に基づいて、蓄圧部内の圧力が所定値以下に低下したときには気体供給部に動作を開始させ、蓄圧部内の圧力が所定値に達するまで気体供給部を動作させる。

管路８は、圧縮気体を供給する配管であり、上流側が気体噴射部７に接続されており、図３に示すように下流側が２つに分岐して摩擦緩和装置５側の管路５ａ，５ｂと摩擦緩和装置６側の管路６ａ，６ｂとにそれぞれ接続されている。

曲線検出部９は、車両２が通過する曲線を検出する装置である。曲線検出部９は、例えば、走行地点情報を記憶する地上側タグを車上側検知部によって検知して車両２の走行距離とこの走行地点情報とに基づいて急曲線とその方向を検出したり、図１に示すように台車４がけん引装置４ｅを中心として回転する回転角θを近接スイッチ又は加速度センサなどによって検知したりする。曲線検出部９は、急曲線及びこの急曲線の方向を検出し、この検出結果を急曲線情報として制御装置１４に出力する。

速度検出部１０は、車両２の速度を検出する装置である。速度検出部１０は、例えば、車輪４ａ，４ｂの回転数に応じたパルス信号を発生する速度発電機などである。速度検出部１０は、例えば、車輪４ａ，４ｂの１回転毎に所定数のパルス信号を発生して車両２の速度を検出し、この検出結果を速度情報として制御装置１４に出力する。

横圧検出部１１は、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの間に発生する横圧Ｑを検出する装置である。横圧検出部１１は、例えば、車輪４ａ，４ｂにひずみゲージを貼り付けてこのひずみゲージからの出力信号に基づいて荷重を検出し横圧Ｑを測定する横圧測定器などであり、この検出結果を横圧情報として制御装置１４に出力する。

きしり音検出部１２は、車両２が曲線進入時に発生するきしり音を検出する装置である。ここで、きしり音（きしみ音）とは、車両２が曲線を通過するときに、レール１ａ，１ｂに対して直角方向に作用する車輪４ａ，４ｂのすべり（横クリープ力）が所定の大きさを超えると、車輪４ａ，４ｂ自身の固有振動数が大きく増幅され自励振動によって発生する摩擦振動音である。きしり音検出部１２は、例えば、騒音を測定するマイクロホンと、このマイクロホンの出力信号を処理しきしり音の信号成分を抽出する信号処理回路などを備えており、この検出結果をきしり音情報として制御装置１４に出力する。

混合比演算部１３は、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との混合比を演算する装置である。混合比演算部１３は、曲線検出部９、速度検出部１０、横圧検出部１１又はきしり音検出部１２の少なくとも一つの検出結果に基づいて、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との最適な混合比を演算し、この演算結果を混合比情報として制御装置１４に出力する。混合比演算部１３は、例えば、車両２が走行する急曲線の曲線半径と、車両２の速度と、混合比との相関関係を表す演算式や、横圧Ｑの大きさと、車両２の速度と、混合比との相関関係を表す演算式や、きしり音の大きさと、車両２の速度と、混合比との相関関係を表す演算式などに基づいて、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との最適な混合比を演算する。

制御装置１４は、混合比演算部１３の演算結果に基づいて混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊの調整動作及び気体噴射部７の噴射動作を制御する装置である。制御装置１４は、例えば、回転角θが所定角度を超えており左、右いずれの方向の急曲線を車両２が通過していると判断したとき、横圧Ｑが所定値よりも大きいと判断したとき、きしり音のレベルが所定値よりも大きいと判断したときには、混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊの調整動作及び気体噴射部７の噴射動作を制御する。制御装置１４は、例えば、図１に示すように、車両２が進行方向に対して左方向の急曲線を通過するときには、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との混合比が最適になるように、混合比調整部５ｉ，５ｊによって管路５ａ，５ｂの開度を調整し、混合比調整部６ｉ，６ｊによって管路６ａ，６ｂを閉鎖させて気体噴射部７を動作させる。制御装置１４は、例えば、車両２が5〜60km／hの範囲内であるようなときには曲線半径にかかわらず、コークス粒子Ｃ₁及び黒鉛粒子Ｃ₂を噴射するように混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊ及び気体噴射部７を動作制御する。一方、制御装置１４は、例えば、車両２が60km／hを超えるような高速走行時や5km／hを下回るような低速走行時には、曲線半径にかかわらずコークス粒子Ｃ₁及び黒鉛粒子Ｃ₂を噴射しないように、混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊ及び気体噴射部７を動作制御する。

次に、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の動作を説明する。
以下では、図１に示すように、車両２の進行方向に対して左方向の急曲線を車両２が通過する場合を例に挙げて説明する。
図３及び図４に示す曲線検出部９、速度検出部１０、横圧検出部１１又はきしり音検出部１２の少なくとも一つの検出結果に基づいて、コーク粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との最適な混合比を混合比演算部１３が演算する。その結果、制御装置１４が混合比調整部５ｉ，５ｊに管路５ａ，５ｂの開度を調整させるとともに、制御装置１４が混合比調整部６ｉ，６ｊに管路６ａ，６ｂを閉鎖させる。制御装置１４が気体噴射部７を動作させると気体噴射部７が圧縮気体を管路８に供給する。その結果、管路５ｍに管路５ａから圧縮気体が流入してオリフィス５ｎを通過する。オリフィス５ｎを通過した高圧の圧縮気体が管路５ｍを流れると、収容部５ｋ内に開口する吸引管路５ｑが管路５ｍに接続されているため、この収容部５ｋ内が負圧になる。同時に、オリフィス５ｎを通過した高圧の圧縮気体が噴射孔５ｐから収容部５ｋ内に流入するため、収容部５ｋ内のコークス粒子Ｃ₁が吸引管路５ｑから吸引されて、コークス粒子Ｃ₁が圧縮気体とともに管路５ｅに流入し噴射部５ｇから噴射する。同様に、収容装置５ｄ内の黒鉛粒子Ｃ₂も圧縮気体とともに管路５ｆに流入し噴射部５ｈから噴射する。

次に、この発明の実施形態に係る摩擦緩和方法について説明する。
図４に示す接触点Ｓの直前の内側頭側面１ｄにコークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とが噴射されると、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とが混合された摩擦緩和材Ｃが内側頭側面１ｄに衝突する。そして、内側頭側面１ｄとフランジ面４ｄとの間に摩擦緩和材Ｃが挟み込まれて、これらの間で摩擦緩和材Ｃが加圧される。このとき、車輪４ａとレール１ａとの接触圧力が大きいため、摩擦緩和材Ｃが圧縮せん断応力を受けて破壊する。その結果、図１に示すレール１ａと車輪４ａとの間に発生する横圧Ｑが低減するため、内側頭側面１ｄとフランジ面４ｄとの間に生じる過度の摩擦抵抗が緩和され、急曲線部におけるレール１ａの摩耗が防止される。また、レール１ａと車輪４ａとの間で摩擦緩和材Ｃが加圧されて内側頭側面１ｄに摩擦緩和材Ｃが広がり、内側頭側面１ｄ及び／又はフランジ面４ｄに摩擦緩和材Ｃが残留する。その結果、摩擦緩和材Ｃによる摩擦係数の緩和機能が長期間にわたり持続し、車両２が通過した後に急曲線を後続列車が通過するときにも残留する摩擦緩和材Ｃによって摩擦緩和の効果が期待される。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和材、摩擦緩和装置及び摩擦緩和方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、車輪４ａ，４ｂとレール１ａ，１ｂとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材Ｃにコークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とが混合されている。このため、汎用熱処理装置によって安価なコークスを簡単に熱処理して黒鉛粒子Ｃ₂を安価に製造することができるとともに、この黒鉛粒子Ｃ₂よりも安価なコークス粒子Ｃ₁を黒鉛粒子Ｃ₂と混合して摩擦緩和材Ｃを生成し、従来の摩擦緩和材に比べてより一層安価な摩擦緩和材Ｃによって、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの間の摩擦抵抗を緩和することができる。

(2) この実施形態では、コークス粒子Ｃ₁の添加率が50〜95mass％であり、黒鉛粒子Ｃ₂の添加率が5〜50mass％である。このため、摩擦抵抗の大きさに応じて、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との混合比を調整して、状況に応じて摩擦緩和効果を発揮させることができる。

(3) この実施形態では、摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材Ｃのコークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂との混合比を混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊが調整し、調整後の摩擦緩和材Ｃを車輪４ａ，４ｂとレール１ａ，１ｂとの間に噴射部５ｇ，５ｈ，６ｇ，６ｈが噴射する。このため、安価な摩擦緩和材Ｃによって車輪４ａ，４ｂとレール１ａ，１ｂとの間の摩擦抵抗を可能な限り緩和することができる。

(4) この実施形態では、摩擦抵抗が大きいときにはコークス粒子Ｃ₁が多くなるように混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊが混合比を調整し、摩擦抵抗が小さいときには黒鉛粒子Ｃ₂が多くなるように混合比調整部５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊが混合比を調整する。このため、車両２が走行する急曲線の曲線半径及び／又は車両２の速度などに応じて最適な混合比の摩擦緩和材Ｃを噴射することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図５は、トラクション特性の模式図である。
図５に示すトラクション特性は、トラクション係数ｔとすべり率との関係を表す曲線であり、縦軸がトラクション係数ｔであり横軸がすべり率である。ここで、トラクション係数ｔとは、レールに作用する車輪円周の接線方向の力（図４に示す接線力Ｆ）を車輪からレールに作用する垂直力（図４に示す垂直力Ｗ）で除した値（接線力係数）であり、ブレーキ力や駆動力の伝達の大きさを表し、接線力Ｆが最大値となる場合の係数を粘着係数という。すべり率とは、車両の走行速度と滑走又は空転車輪の周速度との差を車両の走行速度で除した値である。

図５に示す曲線Ｉは、レールと車輪とが乾燥状態であるときのトラクション特性である。曲線Ｉでは、図１に示すような急曲線の内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間で滑りが生ずる範囲（図５に示す内軌に生ずるすべりの範囲）内でトラクション係数ｔが大きくなるため、横圧Ｑが大きくなりきしり音などが発生してしまう。曲線IIは、通常の油潤滑を使用したときのトラクション特性である。曲線IIでは、急曲線を通過（図５に示す内軌に生ずるすべりの範囲内）しているときには曲線Ｉに比べてトラクション係数ｔが小さくなり、レール１ａと車輪４ａとの間で発生する横圧Ｑを抑制できる。しかし、車両が加速又は減速してすべり率が大きくなると、トラクション係数ｔがさらに小さくなり空転や滑走が発生してしまう。曲線IIIは、理想的なトラクション特性であり、急曲線通過時に生ずるすべり率の範囲ではトラクション係数ｔが小さくなり横圧Ｑの発生を抑制し、車両の加速又は減速によって空転又は滑走に至る巨視すべりが発生した場合には瞬時に高いトラクション係数ｔに移行している。

図６は、実施例及び比較例１〜３の摩擦緩和材の粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフである。
実施例は、コークス粒子と黒鉛粒子とを添加率50％ずつ混合した摩擦緩和材であり、比較例１は、従来の摩擦緩和材であり、比較例２はコークス粒子のみからなる摩擦緩和材であり、比較例３は黒鉛粒子のみからなる摩擦緩和材である。実施例及び比較例１〜３の摩擦緩和材の粘着力特性を２円筒転がり接触試験機を用いて評価した。２円筒転がり接触試験機は、種々の車輪／レール接触問題を探求するために製作された基礎試験機であり、車輪ディスク／レールディスク間に発生するトラクション（接線力）を高精度に測定することができる。２円筒転がり接触試験機は、材質が実物と同一である車輪ディスクとレールディスクとを所定の荷重を加えて加圧接触させた状態で車輪ディスクを回転させ、この車輪ディスクに作用するトルクをトルク計によって測定する。実施例及び比較例１〜３の摩擦緩和材をレールディスクの全周にわたり所定量塗布し、車輪ディスク及びレールディスクを接触させて、荷重１kN，周速度5km/hで回転させ両ディスクに均一に塗布させた。

試験条件は、通勤形車両が急曲線を通過する際の走行を想定して周速度40km/h、接触荷重3.5kN、最大ヘルツ接触圧力672MPaとした。粘着力評価試験は、レールディスク及び車輪ディスクの回転速度をロータリエンコーダで検出しながら、永久磁石式の渦電流ブレーキにより負荷トルクを徐々に増加させ、すべりを発生させる方式で実施した。

その結果、図６に示すように、実施例の摩擦緩和材は、比較例１の従来の摩擦緩和材に近いトラクション特性を示しており、安価なコークス粒子と安価な黒鉛粒子とを混合した安価な実施例の摩擦緩和材によって、高価な比較例１の従来の摩擦緩和材と同様の摩擦緩和効果を達成することが確認された。また、図６に示すように、実施例の摩擦緩和材は、比較例２の摩擦緩和材のトラクション特性と比較例３の摩擦緩和材のトラクション特性のほぼ中間のトラクション特性を示している。このため、コークス粒子と黒鉛粒子との混合比を変化させることによって、トラクション特性を任意に制御し調整可能であることが確認された。

図７は、実施例の摩擦緩和材のコークス粒子と黒鉛粒子との混合率を変化させたときの粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフである。
次に、実施例の摩擦緩和材の黒鉛粒子の添加率を0％，25％、50％，75％，100％（コークス粒子の添加率を100％，75％、50％，25％，0％）の５段階に変化させて、粘着力特性を２円筒転がり接触試験機を用いて評価した。その結果、図７に示すように、黒鉛粒子の添加率が0％に近づくと、トラクション係数が大きくなり、横圧が大きくなってきしり音などが発生するおそれがあることが確認された。また、黒鉛粒子の添加率が50％を超えると、トラクション係数が小さくなり、空転や滑走を発生するおそれがあることが確認された。このため、黒鉛粒子の添加率を5〜50％程度に調整することによって、摩擦緩和効果を達成可能であることが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道用車輪及び鉄道用レールを例に挙げて説明したが、接触面と被接触面との間の相対運動によって摩擦抵抗を受ける他の鉄道用部材についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、レール１ｂと車輪４ｂとの間に摩擦緩和材Ｃを噴射して内側頭側面１ｄに摩擦緩和材Ｃを付着させた場合を例に挙げて説明したが、内側頭側面１ｄとフランジ面４ｄの両方又はフランジ面４ｄのみに摩擦緩和材Ｃを付着させることもできる。

(2) この実施形態では、摩擦緩和材Ｃにコークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とが混合されている場合を例に挙げて説明したが、これらの粒子に加えて硬質粒子などが混合された摩擦緩和材についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、コークス粒子Ｃ₁を収容装置５ｃ，６ｃに収容し、黒鉛粒子Ｃ₂を収容装置５ｄ，６ｄに収容する場合を例に挙げて説明したが、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とが予め所定の混合比で混合された摩擦緩和材Ｃを一つの収容装置に収容することもできる。さらに、この実施形態では、コークス粒子Ｃ₁を噴射部５ｇ，６ｇから噴射し、黒鉛粒子Ｃ₂を噴射部５ｈ，６ｈから噴射する場合を例に挙げて説明したが、コークス粒子Ｃ₁と黒鉛粒子Ｃ₂とを混合しながら一つの噴射部から噴射することもできる。

(3) この実施形態では、摩擦緩和装置５，６を車両２側に設置した場合を例に挙げて説明したが、摩擦緩和装置５，６を地上側に設置して地上側から内側頭側面１ｄとフランジ面４ｄとの間に噴射することもできる。また、この実施形態では、レール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材Ｃを噴射しているが、分岐器のトングレールを摺動自在に支持する床板に保線作業車などから摩擦緩和材Ｃを噴射することもできる。さらに、この実施形態では、曲線検出部９、速度検出部１０、横圧検出部１１及びきしり音検出部１２を車両２が備える場合を例に挙げて説明したが、これらのいずれか一つを車両２に設置したり、これらを任意に選択可能にしたり構成することもできる。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す正面図であり、（Ａ）は内軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図であり、（Ｂ）は外軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を概略的に示す斜視図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を概略的に示す構成図である。 トラクション特性の模式図である。 実施例及び比較例１〜３の摩擦緩和材の粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフである。 実施例の摩擦緩和材のコークス粒子と黒鉛粒子との混合率を変化させたときの粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 線路
１ａ レール（内軌）
１ｂ レール（外軌）
１ｃ レール頭頂面
１ｄ 内側頭側面
４ 台車
４ａ，４ｂ 車輪
４ｃ 車輪踏面
４ｄ フランジ面
５，６ 摩擦緩和装置
５ａ，５ｂ 管路
５ｃ，５ｄ 収容装置
５ｅ，５ｆ 管路
５ｇ，５ｈ，６ｇ，６ｈ 噴射部
５ｉ，５ｊ，６ｉ，６ｊ 混合比調整部
５ｋ 収容部
５ｍ 管路
５ｎ オリフィス
５ｐ 噴射孔
５ｑ 吸引管路
７ 気体噴射部
８ 管路
９ 曲線検出部
１０ 速度検出部
１１ 横圧検出部
１２ きしり音検出部
１３ 混合比演算部
１４ 制御装置
Ｃ 摩擦緩和材
Ｃ₁ コークス粒子
Ｃ₂ 黒鉛粒子

Claims (6)

1. 車輪とレールとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材であって、
   コークス粒子と黒鉛粒子とが混合されていること、
   を特徴とする摩擦緩和材。
2. 請求項１に記載の摩擦緩和材において、
   前記コークス粒子の添加率が50〜95mass％であり、前記黒鉛粒子の添加率が5〜50mass％であること、
   を特徴とする摩擦緩和材。
3. 車輪とレールとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置であって、
   前記摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材のコークス粒子と黒鉛粒子との混合比を調整する混合比調整部と、
   調整後の前記摩擦緩和材を前記車輪と前記レールとの間に噴射する噴射部と、
   を備える摩擦緩和装置。
4. 請求項３に記載の摩擦緩和装置において、
   前記混合比調整部は、前記摩擦抵抗が大きいときには前記コークス粒子が多くなるように前記混合比を調整し、前記摩擦抵抗が小さいときには前記黒鉛粒子が多くなるように前記混合比を調整すること、
   を特徴とする摩擦緩和装置。
5. 車輪とレールとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和方法であって、
   前記摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材のコークス粒子と黒鉛粒子との混合比を調整し、調整後の前記摩擦緩和材を前記車輪と前記レールとの間に噴射すること、
   を特徴とする摩擦緩和方法。
6. 請求項５に記載の摩擦緩和方法において、
   前記摩擦抵抗が大きいときには前記コークス粒子が多くなるように前記混合比を調整し、前記摩擦抵抗が小さいときには前記黒鉛粒子が多くなるように前記混合比を調整すること、
   を特徴とする摩擦緩和方法。
   

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