JP2010031465A - レールガス圧接方法およびそのガス圧接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レールガス圧接において水素ガスを用いる場合に好適な接合施工条件を有するレールガス圧接方法およびそのガス圧接装置を提供する。
【解決手段】 レールガス圧接方法において、接合すべきレール２１の端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成し、この炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを、前記レール２１の突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる火口１３，１３−１〜１３−４２が配列される加熱バーナ１２で燃焼させ前記レール２１の突き合わせ部分を接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道用レール等のレールをガス圧接する際に用いられるガス圧接方法およびそのガス圧接装置に関するものである。

ガス圧接方法は、鉄筋・レールの接合に広く適用されている。このガス圧接方法は、接合端面を研削し、鋼材を突合わせ加圧した後、酸素・アセチレン炎にて突合わせ部を加熱するものである。ところが、現在燃料ガスとして用いているアセチレンガスは、酸素との燃焼反応に伴う炭酸ガス発生量が多く、環境に与える影響が懸念されている（下記特許文献１参照）。そこで、本発明者らは、水素エネルギー社会へ移行しつつある現状に鑑み、アセチレンガスに代えて水素ガスを用いる酸素・水素炎にて突合わせ部を加熱するガス圧接方法を提案した（下記特許文献２参照）。
特開平９−２２０６６２号公報 特許第４０１５３８０号公報

上記したように、水素ガスをレールガス圧接に適用する場合、アセチレンガスを用いる従来法の接合施工条件および使用機器では、良好な品質を有するレールガス圧接を行うことは、事実上不可能である。

しかしながら、上記先行技術では、レールの接合施工条件および加熱バーナの構造については提案されていなかった。

一方、水素ガスは燃焼速度が非常に速く、燃焼炎の取扱いが難しいという欠点を有している。しかしながら、適量のヘキサン (Ｃ₆ Ｈ₁₄) を付加することで燃焼炎が安定して形成されることがわかっている。そこで、作業性および品質確保の観点から、適量のヘキサンを付加した水素ガスを用いたレールガス圧接を行うこととした。

本発明は、上記状況に鑑みて、レールガス圧接において水素ガスを用いる場合に好適な接合施工条件を有するレールガス圧接方法およびそのガス圧接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〕レールガス圧接方法において、接合すべきレールの端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成し、この炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを、前記レールの突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる複数の火口が配列される加熱バーナで燃焼させ前記レールの突き合わせ部分を接合することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のレールガス圧接方法において、前記炭素化合物は、ヘキサンであり、前記炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスは、水素ガス流量４１０ｌ／ｍｉｎ、酸素ガス流量１２５ｌ／ｍｉｎに対して前記ヘキサンを６５ｍｌ／ｍｉｎを付加したことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載のレールガス圧接方法において、前記複数の火口の配列は、前記レールの形状に応じて各火口の間隔を調整することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のレールガス圧接方法において、前記火口径を、前記レールの形状に応じて異ならせることを特徴とする。

〔５〕レールガス圧接装置において、接合すべきレールの端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成する手段と、前記レールの突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる複数の火口が配列され、前記炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを燃焼させて前記レールの突き合わせ部分を加熱する加熱バーナとを具備することを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載のレールガス圧接装置において、前記複数の火口の配列は、前記レールの形状に応じて各火口の間隔を調整してなることを特徴とする。

〔７〕上記〔５〕記載のレールガス圧接装置において、前記火口径を、前記レールの形状に応じて異ならせてなることを特徴とする。

〔８〕上記〔５〕、〔６〕又は〔７〕記載のレールガス圧接装置において、前記レールは鉄道用レールであることを特徴とする。

本発明によれば、水素ガスをレールガス圧接に適用して継手を作製することで、従来のアセチレンガスを用いたレール圧接と同性能の継手を、炭酸ガス発生量を大幅に削減した条件下で作製できる。

本発明のレールガス圧接方法は、接合すべきレールの端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成し、この炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを、前記レールの突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる複数の火口が配列される加熱バーナで燃焼させ前記レールの突き合わせ部分を接合する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すレールガス圧接装置の全体模式図、図２はその加熱バーナの詳細な構造を示す図である。なお、図２では加熱バーナの左半分が示されているが、右半分は左半分と対称に現れるので省略している。

図１において、１は炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガス発生部、２は酸素ガスボンベ、３は酸素ガスの供給管、４は酸素ガス流量調整弁、５は水素ガスボンベ、６は水素ガス流量調整弁、７は炭素化合物（ヘキサン）気化装置、８は炭素化合物の気体流量調整弁、９は炭素化合物の気体が付加された水素混合ガスの供給管、１０はガス混合室、１１は炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスの供給管、１２は加熱バーナ、１３は加熱バーナ１２に配列される火口、２１はレール、２２はレールの頭部、２３はレールの頭頂面、２４はレールの頭部側面、２５はレールの上首部、２６はレールの腹部、２７はレールの下首部、２８はレールの底部である。

ここでは、ガスボンベ２，５より酸素ガスおよび水素ガスを得ることとしているが、水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスを用いても同様の効果を得ることができる。

図１に示すように、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガス発生部１が加熱バーナ１２に接続されている。この炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガス発生部１から供給される炭素化合物（ヘキサン）の気体が付加された酸素水素混合ガスを加熱バーナ１２により燃焼して燃焼炎を発生させ、端面を互いに突き合わせ接合すべきレール２１を加熱し接合する。

ガス圧接施工条件を検討する過程で、ガス燃焼条件の選定が重要な要素となるが、この際、燃焼炎の加熱能力および接合面の酸化を低減する上で重要となる燃焼炎の還元特性に留意する必要がある。よって、これらを念頭に置き、レールのガス圧接に最適なガス燃焼条件を検討した。表１に本発明のレールガス圧接方法におけるガス燃焼条件の一例を示す。この条件により酸素・水素及び炭素化合物（ヘキサン）を混合させることで、加熱特性および還元特性のバランスに優れた燃焼炎を得ることができる。

さらに、水素ガスを用いた燃焼炎は、水素ガス自体の燃焼速度が非常に速いため、適量のヘキサンを付加した場合でも、ガス圧接作業において接合端面の酸化を低減する上で重要となる接合部のシールド性がアセチレンガス燃焼炎に比べて劣る。ヘキサンの付加量を過大に設定すれば燃焼炎のシールド範囲を拡張することが可能であるが、ヘキサン付加量の増大は燃焼炎の加熱能力低下および炭酸ガス発生量の増加に直結するため、好ましい対処策とは言えない。そこで、ヘキサンの付加量を適量に抑えた条件下で、燃焼炎のシールド範囲を拡張する方法を検討し、図２に示す火口配列および火口径を有するレール用ガス圧接加熱バーナを得た。この加熱バーナ１２は、火口１３がレールの頭頂面２３−レールの頭部側面２４−レールの上首部２５−レールの腹部２６−レールの下首部２７−レールの底部２８にそれぞれ対応するように配列されている。すなわち、レールの頭頂面２３からレールの底部２８にかけて、第１番目の火口１３−１の火口径は０．９ｍｍ、第２番目の火口１３−２の火口径は０．９ｍｍ、第３番目の火口１３−３の火口径は０．９ｍｍ、第４番目の火口１３−４の火口径は０．８ｍｍ、第５番目の火口１３−５の火口径は０．６ｍｍ、第６番目の火口１３−６の火口径は０．６ｍｍ、第７番目の火口１３−７の火口径は０．６ｍｍ、第８番目の火口１３−８の火口径は０．７ｍｍ、第９番目の火口１３−９の火口径は０．８ｍｍ、第１０番目の火口１３−１０の火口径は０．９ｍｍ、第１１番目の火口１３−１１の火口径は０．９ｍｍ、第１２番目の火口１３−１２の火口径は０．８ｍｍ、第１３番目の火口１３−１３の火口径は０．７ｍｍ、第１４番目の火口１３−１４の火口径は０．６ｍｍ、第１５番目の火口１３−１５の火口径は０．８ｍｍ、第１６番目の火口１３−１６の火口径は１．１ｍｍ、第１７番目の火口１３−１７の火口径は１．１ｍｍ、第１８番目の火口１３−１８の火口径は０．９ｍｍ、第１９番目の火口１３−１９の火口径は０．７ｍｍ、第２０番目の火口１３−２０の火口径は０．６ｍｍ、第２１番目の火口１３−２１の火口径は０．５ｍｍ、第２２番目の火口１３−２２の火口径は０．６ｍｍ、第２３番目の火口１３−２３の火口径は０．６ｍｍ、第２４番目の火口１３−２４の火口径は０．７ｍｍ、第２５番目の火口１３−２５の火口径は０．８ｍｍ、第２６番目の火口１３−２６の火口径は１．０ｍｍ、第２７番目の火口１３−２７の火口径は１．１ｍｍ、第２８番目の火口１３−２８の火口径は１．１ｍｍ、第２９番目の火口１３−２９の火口径は１．１ｍｍ、第３０番目の火口１３−３０の火口径は１．０ｍｍ、第３１番目の火口１３−３１の火口径は０．７ｍｍ、第３２番目の火口１３−３２の火口径は０．６ｍｍ、第３３番目の火口１３−３３の火口径は０．６ｍｍ、第３４番目の火口１３−３４の火口径は０．７ｍｍ、第３５番目の火口１３−３５の火口径は０．６ｍｍ、第３６番目の火口１３−３６の火口径は０．７ｍｍ、第３７番目の火口１３−３７の火口径は０．８ｍｍ、第３８番目の火口１３−３８の火口径は０．９ｍｍ、第３９番目の火口１３−３９の火口径は０．９ｍｍ、第４０番目の火口１３−４０の火口径は０．９ｍｍ、第４１番目の火口１３−４１の火口径は０．９ｍｍ、第４２番目の火口１３−４２の火口径は１．０ｍｍである。

以上から明らかなように、レールの下首部２７部分およびレールの底部２８部分の火口径を大きくして燃焼炎の形成領域が拡張されるようにしている。

このように、本発明のレール用ガス圧接加熱バーナは、従来の加熱バーナに対し、火口の配列及び火口径が変更されており、同ガス供給条件下で燃焼炎のシールド範囲を拡張することができる。

次に、本発明によりＪＩＳ−６０ｋｇ普通レールの試験継手を作製し、継手品質を調査した結果について説明する。なお、継手品質は磁粉探傷検査、静的曲げ破断試験、曲げ疲労試験により評価した。表２に継手作製条件を示す。

表３に磁粉探傷検査および静的曲げ破断試験の結果を示す。なお、静的曲げ破断試験は、支点間距離１ｍ、中央集中荷重で破断させて行った。磁粉探傷検査ではいずれの試験継手においても磁粉探傷検査で磁粉模様は観察されず、また、静的曲げ破断試験では、全継手の破断荷重、たわみ量ともＪＩＳ−６０ｋｇ普通レールガス圧接部の曲げ破断基準値〔ＨＵ（頭部上向）姿勢：１，３７０ｋＮ−２５ｍｍ、ＨＤ（頭部下向）姿勢：１，２３０ｋＮ−２０ｍｍ〕を上回っている。

また、表４に４点曲げ疲労試験の結果を示す。なお、曲げ疲労試験は支点間距離１３００ｍｍ、中心載荷点距離１５０ｍｍで行った。試験に供した２本の試験継手 とも全応力振幅３２０Ｎ／ｍｍ² の下、繰り返し数２００万回で未破断であり、アセチレンガスを用いる従来法によるレールガス圧接部が有する３２０Ｎ／ｍｍ² （全応力振幅）の疲労強度レベルを確保していると判断された。

また、表２の継手作製条件で、ＪＩＳ−６０ｋｇ普通レールを接合する場合の炭酸ガス発生量を、従来法における炭酸ガスの発生量と比較した結果を表５に示す。本発明のレールガス圧接方法を用いることにより、炭酸ガス発生量を従来法のおよそ１／３程度に削減できることがわかる。

このように、水素ガスをレールガス圧接に適用し、継手を作製することで、従来のアセチレンガスを用いた圧接と同性能の継手を、炭酸ガス発生量を大幅に削減した条件下で作製できるので、産業上の効果が大きい。

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き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。

本発明のレールガス圧接方法およびそのガス圧接装置は、炭酸ガス発生量を大幅に削減した条件下でレールガス圧接することができるレールガス圧接ツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示すレールガス圧接装置の全体模式図である。 本発明の実施例を示すレールガス圧接装置の加熱バーナの詳細な構造を示す図である。

符号の説明

１ 炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガス発生部
２ 酸素ガスボンベ
３ 酸素ガスの供給管
４ 酸素ガス流量調整弁
５ 水素ガスボンベ
６ 水素ガス流量調整弁
７ 炭素化合物（ヘキサン）気化装置
８ 炭素化合物の気体流量調整弁
９ 炭素化合物の気体が付加された水素混合ガスの供給管
１０ ガス混合室
１１ 炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスの供給管
１２ 加熱バーナ
１３，１３−１〜１３−４２ 火口
２１ レール
２２ レールの頭部
２３ レールの頭頂面
２４ レールの頭部側面
２５ レールの上首部
２６ レールの腹部
２７ レールの下首部
２８ レールの底部

Claims (8)

1. （ａ）接合すべきレールの端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成し、
   （ｂ）該炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを、前記レールの突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる複数の火口が配列される加熱バーナで燃焼させ前記レールの突き合わせ部分を接合することを特徴とするレールガス圧接方法。
2. 請求項１記載のレールガス圧接方法において、前記炭素化合物は、ヘキサンであり、前記炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスは、水素ガス流量４１０ｌ／ｍｉｎ、酸素ガス流量１２５ｌ／ｍｉｎに対して前記ヘキサンを６５ｍｌ／ｍｉｎを付加したことを特徴とするレールガス圧接方法。
3. 請求項１記載のレールガス圧接方法において、前記複数の火口の配列は、前記レールの形状に応じて各火口の間隔を調整することを特徴とするレールガス圧接方法。
4. 請求項１記載のレールガス圧接方法において、前記火口径を、前記レールの形状に応じて異ならせることを特徴とするレールガス圧接方法。
5. （ａ）接合すべきレールの端面を互いに突き合わせて加圧した状態下で、炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを生成する手段と、
   （ｂ）前記レールの突き合わせ部分を取り囲むように火口径が異なる複数の火口が配列され、前記炭素化合物の気体が付加された酸素水素混合ガスを燃焼させて前記レールの突き合わせ部分を加熱する加熱バーナとを具備することを特徴とするレールガス圧接装置。
6. 請求項５記載のレールガス圧接装置において、前記複数の火口の配列は、前記レールの形状に応じて各火口の間隔を調整してなることを特徴とするレールガス圧接装置。
7. 請求項５記載のレールガス圧接装置において、前記火口径を、前記レールの形状に応じて異ならせてなることを特徴とするレールガス圧接装置。
8. 請求項５、６又は７記載のレールガス圧接装置において、前記レールは鉄道用レールであることを特徴とするレールガス圧接装置。

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