JP2014104508A - 鉄道用レール傷補修方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 鉄道用レール傷補修方法において、鉄道用レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷をレール交換なしで除去可能なテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法により補修するにあたって、穴7が形成されたプーリングプラグ6を設置して、湯口4からの注湯を行うと同時に、前記プーリングプラグ6に形成した穴7からも注湯を行う併用注湯を行うことにより、補修溶接時の溶込みの不均一や溶込み不足を解消する。
【選択図】 図1
Description
テルミット溶接法とは、酸化金属とアルミニウム間の酸化還元反応、いわゆるテルミット反応を溶接に応用したものである。ドイツでは、1903年にレールの接合手段としての適用が始まったとされている。
レールのテルミット溶接では、以下に示す酸化鉄とアルミニウムによるテルミット反応によって得られる溶鋼(Feが主成分)を、接合するレール間に設けられた一定の隙間に流し込むレールの接合方法である。
Fe2 O3 +2Al→2Fe+Al2 O3
3FeO+2Al→3Fe+Al2 O3
この反応は短時間で行われ、溶鋼の温度は2100〜2400℃程度といわれる。しかし、反応自体は爆発的ではなく、また反応開始に1200℃程度の温度を必要とするため、その取扱いは比較的安全である。実用に供されるレール用テルミット溶剤は、上述の酸化鉄およびアルミニウム粉末を主成分とし、生成物の温度を制御し溶接金属の機械的性質を使用目的に適合させるため、鋼片、合金鉄、グラファイトなどが添加されている。
この図において、101はルツボ、102はスラグ、103はモールドケース、104はモールド、105はテルミット溶鋼、106はプーリングプラグ、107はスラグパンである。
テルミット溶接法でJIS60kg普通レールを溶接する際の作業工程は以下のとおりである。
(2)モールドケース103に入れたモールド104をレールに取り付け、砂詰めを行う。
(3)ルツボ101をモールド104の上部に設置した後、ルツボ101内へテルミット溶剤を装填する。
(5)予熱作業後、モールド104の上部にプーリングプラグ106を差し込む。その後、ルツボ101内のテルミット溶剤に着火することでテルミット反応を開始させ、テルミット反応によって精製されたテルミット溶鋼105をモールド104内へ注入する。
(6)テルミット溶鋼105の注入から4分程度静置した後、モールド104上部を倒し、レール頭部の上方に形成した溶接金属を押抜きせん断機で除去する。なお、この溶接金属とは、テルミット溶鋼が冷却に伴って凝固したものである。
上記テルミット溶接法は、使用する機器が簡便であり、また溶接時間が比較的短いことから、列車運行時間外に実施される線路内溶接の手段として適している。
この溶接法を用いて、レール折損の主因であるレール頭頂部のシェリング傷を除去する場合、傷が存在するレールを傷の無いレールと交換することになる。この場合、交換したレールの両端2箇所のレール溶接施工が必須となるため、多くの手間と費用が必要となる。特に、冬期のロングレール区間の施工では、レールに数10トンのレール長手方向の軸力が負荷されているため、溶接施工の前後で軸力が変化しないようにレール緊張器を使用したりする。また、溶接時に軸力が低下する場合は、軸力を回復するためのレール設定替え作業を別に行う場合があり、更なる費用が嵩む。
国鉄時代には、被覆アーク溶接によるシェリング傷の補修溶接が試行されていたが、残存したシェリング傷が起点となり、引張残留応力の作用によって、早期に疲労損傷を引き起こしたため、採用されていない。
しかし、レールのアーク溶接法には高度な溶接技量を必要とし、深さ10mm程度の切り取り部の補修溶接でも施工には長時間を要する。また、施工時間を短縮するため補修溶接する領域を浅くする場合には、残存したシェリング傷等による損傷の危険性が高くなるため、アーク溶接法でのレール頭部補修溶接は技術的にも、経済的にも得策ではないと判断される。
現在、テルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法が施工されているのは、主に海外である。
この内、図8は海外で試行されている補修溶接法の場合のモールド内における溶鋼の湯流れ模式図、図9はそのモールド内のプーリングプラグの設置状況を示す図面代用写真である。
(1)レール頭部上面を長さ約75mm、深さ約25mmの半円形の形状寸法にガス切断等で切り取る。
(2)モールドケースに入れたモールド202、204をレールに取り付け、砂詰めを行う。
(4)モールド202,204内に予熱バーナーを差し込み、予熱作業を実施する(1.5分間)。
(5)予熱作業後、モールド202,204の内部上部にプーリングプラグ208を差し込む。その後、ルツボ209内のテルミット溶剤に着火することでテルミット反応を開始させ、テルミット反応によって精製されたテルミット溶鋼210をモールド202,204内へ注入する。
なお、この溶接金属とは、テルミット溶鋼が冷却に伴って凝固したものである。
(7)レール頭部の仕上げ作業を行い、溶接部の冷却後、仕上がり検査を実施する。
この従来方法によると、図8に示すように鋳込み側モールド202の湯口203から、ライザー側モールド204のライザー205に向かう1方向の溶鋼の湯流れ経路210となっている。
〔1〕鉄道用レール傷補修方法において、鉄道用レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷をレール交換なしで除去可能なテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法により補修するにあたって、穴が形成されたプーリングプラグを設置して、湯口からの注湯を行うと同時に、前記プーリングプラグに形成した穴からも注湯を行う併用注湯を行うことにより、補修溶接時の溶込みの不均一や溶込み不足を解消することを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕記載の鉄道用レール傷補修方法において、押抜き直後の高温状況下で、風量と、風の吹き出し口寸法を調整した冷却装置で強制空冷することにより、補修した溶接金属の硬度を母材と同等以上にし、かつ硬度分布を平滑化することを特徴とする。
〔5〕鉄道用レール傷補修装置において、鉄道用レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷をレール交換なしで除去可能なテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法により補修する装置であって、穴が形成されたプーリングプラグを設置し、湯口からの注湯を行うと同時に、前記プーリングプラグに形成した穴からも注湯を行う併用注湯を行うことにより、補修溶接時の溶込みの不均一や溶込み不足を解消することを特徴とする。
〔7〕上記〔5〕記載の鉄道用レール傷補修装置において、押抜き直後の高温状況下で、風量と、風の吹き出し口寸法を調整した冷却装置を配置し、この冷却装置による強制空冷で補修した溶接金属の硬度を母材と同等以上にし、かつ硬度分布を平滑化することを特徴とする。
図1は本発明の実施例を示すモールド内の湯流れ模式図、図2はそのモールド内のプーリングプラグの設置状況を示す図面代用写真である。
これらの図において、1は補修溶接されるレール頭部領域、2は鋳込み側モールド、3はライザー側モールド、4は湯口、5はライザー、6はプーリングプラグ、7はプーリングプラグ6に形成される穴である。
なお、本テルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法では、レール頭頂部に発生したシェリング傷の大きさに合わせてレール頭部上面を半円形の形状寸法にガス切断等で切り取り、その部分にテルミット反応で生成した溶融金属を流し込み溶融させている。この様に、本レール頭部補修溶接法では、レール頭部のみ加熱されるため、補修溶接後には補修溶接部の下側〔図3(a)では、写真の下側から〕、及び補修溶接部の両側から〔図3(b)では、写真の右側から〕、熱が放散する。
本テルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法では、レール頭部上にできた溶接金属を従来のレール同士のテルミット溶接と同様に押抜きせん断機で除去するが、この押抜きせん断が終了した時の頭頂面温度は800℃程度で、レール鋼の変態点720℃程度よりも高い。
図4は本発明の実施例を示す押抜き直後の溶接金属に対する空冷試験の実施状況を示す図である。
図5は本発明の実施例を示す冷却装置のダイヤル(5)及びダイヤル(3)による補修溶接部の頭頂面硬度分布を示す図である。図5において、点線はダイヤル(3)、実線はダイヤル(5)で強制空冷した場合のレール頭頂面における硬度分布を示している。
また、補修溶接部中央付近の冷却速度を上昇させることが目的であるため、本空冷試験例では、レール頭部上面を長さ90mm、深さ約25mmの半円形の形状寸法にガス切断等で切り取っているので、図4(b)に示すように、冷却装置11の吹出口12を75mmとし、これを補修溶接部の中心に設置した。これによって、放冷のままでは硬さが低くなる補修溶接部中央付近のの硬度レベルを補修溶接部の両端部より上昇させることができ、均一で適正な硬度分布が得られた。
図6は転動疲労試験の模式図である。
転動疲労試験では、図6に示すように曲げ支点23から50mmの位置が補修溶接金属中心となるよう試験体21を設置し、補修溶接部22の中心から前後100mm、総移動範囲200mmに亘って車輪24を前後に転動させた。
なお、この試験条件は、過去の解析結果によると、頭頂面下10mm位置に最大139N/mm2 のせん断応力が作用する。そして、レールのエンクローズアーク溶接部に対して同様の試験を行った例では、その溶接頭頂部に水平裂が発生すると言う非常に厳しい条件である。
軸力付加曲げ疲労試験は、試験体21に引張方向の軸力364kN(設定温度から20℃低い場合にレールに発生する軸力相当)を与えた状態で、スパン1mの支点間の央部部に補修溶接部を設置し、そこに垂直荷重を載荷する3点曲げ疲労試験を実施した。
軸力付加曲げ疲労試験の結果、繰返し数200万回において破断せず、試験終了後の超音波探傷試験では何れの傷エコーも検出されなかった。
本発明であるテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法では、レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷を、レールを交換することなく、除去可能である。
また、レール頭頂面のシェリング傷の寸法に合わせてレール頭部上面をガス切断等で切り取って補修溶接と押し抜きせん断を行った後に、風量と、風の吹き出し幅や長さなどの風の吹き出し口寸法を調整した冷却装置じ強制空冷することにより、補修溶接部の頭頂面硬度分布を均一とし、かつ硬度も母材と同様以上の補修溶接部が得られる。これにより、車輪と接触しても局所的な落ち込みが生じることはない。
2 鋳込み側モールド
3 ライザー側モールド
4 湯口
5 ライザー
6 プーリングプラグ
7 プーリングプラグに形成される穴
11 冷却装置
12 吹出口
23 曲げ支点
21 試験体(レール)
22 補修溶接部
23 転動疲労試験時の曲げ支点
24 車輪
Claims (8)
- 鉄道用レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷をレール交換なしで除去可能なテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法により補修するにあたって、穴が形成されたプーリングプラグを設置して、湯口からの注湯を行うと同時に、前記プーリングプラグに形成した穴からも注湯を行う併用注湯を行うことにより、補修溶接時の溶込みの不均一や溶込み不足を解消することを特徴とする鉄道用レール傷補修方法。
- 請求項1記載の鉄道用レール傷補修方法において、前記穴を1個以上で、かつ1mm以上の丸穴又は角穴としたことを特徴とする鉄道用レール傷補修方法。
- 請求項1記載の鉄道用レール傷補修方法において、押抜き直後の高温状況下で、風量と、風の吹き出し口寸法を調整した冷却装置で強制空冷することにより、補修した溶接金属の硬度を母材と同等以上にし、かつ硬度分布を平滑化することを特徴とする鉄道用レール傷補修方法。
- 請求項3記載の鉄道用レール傷補修方法において、前記強制空冷時の前記吹き出し口寸法を、頭頂面の溶融幅と硬度に応じて10〜150mmとすることを特徴とする鉄道用レール傷補修方法。
- 鉄道用レール折損の主因となっているレール頭頂部のシェリング傷をレール交換なしで除去可能なテルミット溶接法によるレール頭部補修溶接法により補修する装置であって、穴が形成されたプーリングプラグを設置し、湯口からの注湯を行うと同時に、前記プーリングプラグに形成した穴からも注湯を行う併用注湯を行うことにより、補修溶接時の溶込みの不均一や溶込み不足を解消することを特徴とする鉄道用レール傷補修装置。
- 請求項5記載の鉄道用レール傷補修装置において、前記穴は1個以上で、かつ1mm以上の丸穴又は角穴であることを特徴とする鉄道用レール傷補修装置。
- 請求項5記載の鉄道用レール傷補修装置において、押抜き直後の高温状況下で、風量と、風の吹き出し口寸法を調整した冷却装置を配置し、該冷却装置による強制空冷で補修した溶接金属の硬度を母材と同等以上にし、かつ硬度分布を平滑化することを特徴とする鉄道用レール傷補修装置。
- 請求項7記載の鉄道用レール傷補修装置において、前記強制空冷時の前記吹き出し口寸法を、頭頂面の溶融幅と硬度に応じて10〜150mmとすることを特徴とする鉄道用レール傷補修装置。
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