JP2019502844A - 斜角先端レール鉄道 - Google Patents

Abstract

本発明は、斜角先端レール鉄道に関し、小鋭角斜め遊間接続設計とプレフォーム縦方向遊間設計を採用することにより、車輪とレールの間の衝撃及びレール熱応力の問題を同時に解決する。さらに、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計により、鉄道の建設・改造コストを大幅に低下させる。該斜角先端レール鉄道は、構成が簡単で、安全性、信頼性や耐久性に優れて、安定的且つ低ノイズで高速走行させることができ、作動効率が高く省エネであり、建設・改造、メンテナンスや保守作業が容易であり、コスト上の優位性が高く、性能も収益性も優れる。

Description

本発明は、国際特許分類番号（ＩＰＣ）がＢ６１Ｂで、各種鉄道及び軌道施設に利用できる。

英国は１８２５年に世界初の鉄道を建設して以来、車輪とレール遊間の衝撃及びレール熱応力の問題が同時且つ完全に解決されていない。

標準レール鉄道は、レール間に横方向遊間が予め残されることでレール熱応力の問題を解決する反面、車輪とレールの間の衝撃の問題を引き起こす。車輪とレールの間の衝撃は、車輪とレールの損失を大幅に速めるだけでなく、衝撃的な振動とノイズを発生させ、列車と鉄道のメンテナンスや交換コストを大幅に向上させるとともに、乗客の乗心地や貨物輸送安全性を低下させる。

ロングレール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃の問題を解決するために、標準レールを溶接して長さが数百メートルないし数キロメートルのロングレールにし、又は、極長ロングレールを用いているものであるが、ロングレールでは車輪とレールの間の衝撃を解消できるものの、ロングレールの間に横方向遊間が存在するため、ロングレール鉄道は車輪とレールの間の衝撃を軽減できるだけで、完全に解消できない。

ロングレール鉄道では、熱応力式継ぎ目無し線路設計によりレールの熱応力を制限するのが一般的であり、つまり、高強度ボルト、クリップ式締結部材又はスプリングバー締結部材等でレールを締着して、線路抵抗によりロングレールの自由伸縮を制限し、又は、応力放出式継ぎ目無し線路設計によりレールの熱応力を減少させたり制御したりし、この２種の方法は、所定範囲内でレールの熱応力を制限したり制御したりできるが、熱応力の制限・制御のいずれかの工程に問題（たとえばレールの締着工程）が発生し又は環境温度の変化が設計範囲（たとえは極端天気の場合）を超えると、レール溶接継ぎ目の引き裂き又はレール膨張の事故が発生する。ロングレール鉄道では、レールを溶接して締着する必要があり、レール溶接継ぎ目、レール締め具、枕木や路盤の品質による鉄道安全性への影響が大きくなり、不確定な要因が増加して、故障率が高くなり。ロングレールがより長くなり、熱応力が増大して、各レールにおける付属部材が多くなり、不確定な要因が増加して、故障率が高くなる。高温差地域の場合、レールの熱応力の変化程度が高くなり、レール溶接継ぎ目、レール締め具、枕木や路盤への印加力の強度が高くなり、不確定な要因が増加して、安全上のリスクが高まる。ロングレール鉄道は、線路安定性への要求がより高く、地質変化要因、気候変化要因や自然災害要因による鉄道安全性への影響が大きく、また、ロングレール鉄道は、使用中に溶接継ぎ目の品質が不安定で、ブレーク率が高いという問題がある。従って、ロングレール鉄道は、レール熱応力の問題を完全に解決できない上、安全上、多数のリスクが存在する。

ロングレール鉄道では、レールを溶接して締着する必要があり、レール溶接継ぎ目、レール締め具、枕木や路盤の品質への要求及び施工難度を大幅に向上させるため、鉄道の建設やメンテナンスコストを数倍向上させ、ロングレールがより長くなり且つ現場溶接が必要であるため、大型敷設設備や多くの技術者が必要であり、鉄道建設の装置コストや労働コストを向上させ、ロングレールがより長くなることにより、レールの生産輸送コストも高まり、継ぎ目無し線路では、メンテナンスや保守の難度及び要求が高く、それによって、メンテナンスや保守のコストが高まる。従って、ロングレール鉄道の建設コストもメンテナンスコストも高い。

前記のとおり、標準レール鉄道は、レール熱応力の問題を解決する反面、車輪とレールの間の衝撃の問題を引き起こし、一方、ロングレール鉄道は車輪とレールの間の衝撃を完全に解消できないだけでなく、建設とメンテナンスのコストを数倍向上させ、レール熱応力の問題を完全に解決できないだけでなく、安全上多数のリスクがあり、このため、標準レール鉄道もロングレール鉄道も、車輪とレールの間の衝撃及びレール熱応力の問題を同時且つ完全に解決できない。

斜角先端レール鉄道は、小鋭角斜め遊間接続設計とプレフォーム縦方向遊間設計を採用することにより、車輪とレール遊間の衝撃及びレール熱応力の問題を同時且つ完全に解決できる。フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、鉄道の建設・改造コストを大幅に低下させる。

斜角先端レール鉄道は、小鋭角斜め遊間接続設計を採用することにより、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消でき、列車と鉄道の損失及びメンテナンスコストを著しく低下させるとともに、列車の走行抵抗、振動やノイズを著しく減少させ、さらに車速を向上させてエネルギー消費量を低下させる。小鋭角斜め遊間接続設計を採用することにより、鉄道の熱応力調整性能を数倍向上させ、斜角先端レール鉄道は高温差地域においても正常に作動できる。

斜角先端レール鉄道は同時にプレフォーム縦方向遊間設計を採用することにより、レール熱応力の問題を完全に解決し、鉄道の安全性を全面的に向上させ、斜角先端レール鉄道は、レールの溶接、制限や締着が不要であるため、一般的な鉄道の技術基準と品質要求に従い建設でき、鉄道の信頼性を全面的に向上させるとともに、鉄道の建設とメンテナンスのコストを大幅に低下させる。

斜角先端レール鉄道はさらに、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、従来の装置を用いて標準斜角先端レールを生産し、標準レールを斜角先端レールに改造して使用し続け、先端の損失により廃棄された標準レールを斜角先端レールに改造することで資源化させ、従来の枕木と線路付属部材をそのまま使用できるため、レール、枕木、線路付属部材や生産装置の交換による大規模な投資の無駄を避けるとともに、再度の大規模な投資を必要としない。フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、標準斜角先端レールは斜角先端に改造された標準レールと適合性及び相補性を有し、「間隔交換」と「部分間隔交換」の方式で線路において従来の各種鉄道を直接改造でき、鉄道改造コストを数倍低下できる。

斜角先端レール鉄道は、鉄道の発展を１９０年間制限している２つの技術的難問を同時且つ完全に解決し、鉄道の技術的性能を全面的に向上させ、鉄道のアップグレードのために技術的に基礎を築く。斜角先端レール鉄道は、設計構成が簡単で、建設・改造が実施されやすく、施工方法が柔軟で、コスト上の優位性が顕著で、斜角先端レール鉄道の大規模な建設や改造のために有益な条件を与える。斜角先端レール鉄道は、安全性、信頼性や耐用性に優れて、安定的に高速走行させることができ、乘心地がよくノイズが小さく、メンテナンス・保守が容易で、鉄道の使用効率及び運行利益の向上に技術的保証を提供する。斜角先端レール鉄道は、性能と収益性に優れて、普及させる価値が期待できる。

（一）技術的解決手段

１、車輪とレールの間の衝撃の解消

車輪とレールの間の衝撃の問題を解決するために、衝撃の原因を把握して、衝撃を引き起こす条件を解消しなければならない。

（１）車輪とレールの間の衝撃をなくする基本条件

列車が鉄道上を走行するとき、車輪がレールの軌道平面を連続的にローリングし、列車がブレーキをかけるとき、車輪がレールの軌道平面上を摺動するようになり、鉄道の軌道平面の連続性と平滑性、及び列車の車輪踏面の円滑性が確保できる限り、車輪とレールの間の衝撃を解消できる。

（２）フラット先端レール鉄道の車輪とレールの衝撃を発生させる原因

従来の各種鉄道に使用されているレールはすべてフラット先端レールであり、斜角先端レール鉄道と比較して説明するために、以下、標準レール鉄道とロングレール鉄道をフラット先端レール鉄道と総称し、標準レール接続部とロングレール接続部をフラット先端レール接続部と総称する。

（１）車輪とフラット先端レール遊間とが衝撃する原因

汽車の円形車輪が所定の幅とラジアンを有し、車輪がレール上をローリング（走行）又は摺動（ブレーキ）するとき、車輪の輪軸垂線の下方にある極めて狭い横方向踏面だけが鉄道の軌道に平面接触し、フラット先端レール鉄道では、レール接続部にある遊間がすべて横方向ノッチであり、車輪がレールの遊間ノッチ上をローリングするとき、車輪の横方向踏面が横方向遊間ノッチにより支持されないことから、車輪は車室の圧力（垂直下方）と機関車牽引力（前方）からなる合力の作用下で前下方へ落ち、次に遊間ノッチの前方にあるレールの開始端の角部と衝撃する。列車自体の大重量、高走行速度により、車輪踏面と遊間ノッチの両端にあるレールの角部との相互作用が巨大であり、車輪踏面が遊間ノッチの一端の角部を通過して遊間ノッチの他端にある角部と衝撃するとき、大きな振動と大きな「カー、ツァ」のような音を２回発生させて、巨大な衝撃力により車輪踏面と遊間ノッチの両端にあるレール角部がダメージされる。

（２）フラット先端レール接続部の受力変換過程

フラット先端レール接続部の受力変換過程は図１に示され、図１はフラット先端レール接続部の軌道平面の上面図とそれに上下対応する直角座標系からなる。

フラット先端レール接続部の軌道平面の上面図において、２つの偏平な長方形は隣接する２本の標準レールの軌道平面を示し、Ａ点はフラット先端レール接続部の左側の標準レールの端点、Ｂ点はフラット先端レール接続部の右側の標準レールの端点、ＡＢの間はフラット先端レール接続部の横方向遊間である。

直角座標系には、フラット先端レール接続部の左右にある２本の標準レールの受力変換過程が示されており、０〜Ａ区間はフラット先端レール接続部の左側の標準レールの受力過程、Ｂ以降の区間はフラット先端レール接続部の右側の標準レールの受力過程であり、直角座標系における縦軸Ｗ１はレールの受力大きさ、横軸ｔは時間を示す。

以上から分かるように、車輪がフラット先端レール接続部を通過する過程に、Ａ点では、左側の標準レールの受力が車輪による全部の圧力から瞬間にゼロに下がり、Ｂ点では、右側の標準レールの受力がゼロから急に最大値に上がり、右側の標準レールのＢ端点は車輪による圧力と機関車牽引力からなる合力による巨大な衝撃を瞬間に受け、合力の大きさは車輪の圧力より遥かに大きく、合力の方向は列車の走行方向の前下方（合力の大きさと方向はベクトル図で正確に示される）であり、車輪がＢ点を通過した後、右側の標準レールの受力は正常に戻り、すなわち車輪の全部の圧力に等しい（方向は垂直下方である）。フラット先端レール接続部的のＡ点とＢ点の間に、隣接する標準レールの間に遊間欠けが発生するため、レールの支持力の急激な変動（急に消失した後、急に回復）を引き起こすとともに、フラット先端レール接続部の受力変換過程の急な中断と受力大きさの限界値の変動を招き、このように、車輪とフラット先端レール接続部での衝撃と振動は伴う。

（３）斜角先端レール鉄道が車輪とレールの衝撃を解消する原理

レールは長尺状構造のものであり、レールの軌道平面及び両側辺線がともにレールの延長線に平行である。斜角先端レールの設計参照及び説明の便宜上、以下、レールの軌道平面（軌道平面の両側辺線に平行で且つ等距離である）の中心線はレールの縦軸線として設定される。

（１）斜め遊間による車輪とレールの間の衝撃の解消

周知するように、列車の車輪がレール上をローリング（走行）又は摺動（ブレーキ）するとき、車輪の輪軸垂線の下方にある極めて狭い横方向踏面だけがレールの軌道平面に接触し、フラット先端レール鉄道の車輪とレール遊間との衝撃は、車輪の横方向踏面が横方向遊間ノッチにより支持されないことの結果である。従って、レール接続部の横方向遊間ノッチを解消することは、車輪とレール遊間との衝撃の解決にとって肝要なことである。

レールの両端の横方向直角切削（レール先端の切削面はレール底部の所在する平面に垂直で、レールの縦軸線に垂直である）を斜め切削（レール先端の切削面はレール底部の所在する平面に垂直であるが、レールの縦軸線に垂直ではない）に変更することにより、レール接続部の横方向遊間は斜め遊間（レールの間の遊間はレールの縦軸線に垂直ではない）になり、レール接続部の軌道平面での横方向貫通ノッチを解消し、車輪の横方向踏面が斜角先端レール接続部で交差して接続する軌道平面を通過するときに下へ落ちることがなく、車輪とレール遊間の間の衝撃が解消される。

すべての車輪が斜角先端レール接続部を順調に通過できるように、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑性を確保して障害物をなくする必要がる。従って、斜角先端レール鉄道のレールの型番、規格、材質及び隣接する斜角先端レールの切削角度は必ず同じであり、また、隣接する斜角先端レールは交差して接続され同一平面と同一縦軸線に固定して装着されなければならない。

前記のように、レールの両端にあるフラット先端は交差して接続可能な斜角先端になると、レール接続部の横方向遊間は斜め遊間に変わり、レール接続部の軌道平面での横方向遊間ノッチは解消され、車輪の横方向踏面が斜角先端レール接続部の軌道平面を通過するときに下へ落ちることがなく、車輪とレール遊間の間の衝撃は解消される。

（２）斜角先端レール接続部の受力変換過程

斜角先端レール接続部の受力変換過程は図２に示される。

図２は図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）の４つの図からなり、４つの図は、斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図とそれに上下対応する直角座標系からなる。

４つの図において、斜角先端レールの切削角（レール先端の切削面とレールの縦軸線の間の最小夾角）と切削方向は異なるが、研究結果を比較するために、４つの斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図のいずれでも、Ｄ点は斜角先端レール接続部の右側の斜角先端レールの端点、Ｅ点は斜角先端レール接続部の中心点、Ｆ点は斜角先端レール接続部の左側の斜角先端レールの端点、Ｃ点とＧ点の間は２本の斜角先端レールの接続領域、Ｄ点とＦ点の間は２本の斜角先端レールの重なり領域と同時受力領域である。

４つの図において、それぞれ軌道平面の上面図に上下対応する直角座標系では、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールの受力変換過程が示されており、細い実線は斜角先端レール接続部の左側の斜角先端レールの受力過程、太い実線は斜角先端レール接続部の右側の斜角先端レールの受力過程である。研究結果を容易に比較するように、車輪は同一圧力と同一速度で４つの図における斜角先端レール接続部を通過するようにし、直角座標系における縦軸Ｗ２はレールの受力大きさ、横軸ｔは時間を示す。

４つの図において、図２（ａ）と図２（ｂ）の斜角先端レールでは、切削角は同じで、斜角先端の切削方向は逆であり、図２（ａ）の斜角先端レールでは、切削方向は（レールの縦軸線を基準に）反時計回りの小鋭角方向であり、図２（ｂ）の斜角先端レールでは、切削方向は（レールの縦軸線を基準に）時計回りの小鋭角方向である。図２（ａ）と図２（ｂ）の斜角先端レールの受力変換過程を比較して、斜角先端レール接続部の受力変換過程はレール斜角先端の方向変化により影響されるか否かを把握し、さらに、斜角先端レール鉄道は二方向走行能力を有するか否かを把握できる。

４つの図において、図２（ａ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）の３つの図に示される斜角先端レールでは、斜角先端方向は（レールの縦軸線を基準に）反時計回りの鋭角切削方向であるが、３つの図に示される斜角先端レールの切削角度は異なり、その中でも、図２（ｄ）の斜角先端レールの切削角は最大、図２（ａ）の斜角先端レールの切削角は比較的大きく、図２（ｃ）の斜角先端レールの切削角は最小である。図２（ａ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示される斜角先端レールの受力変換過程を比較して、斜角先端レールの切削角度は斜角先端レール接続部の受力変換過程により影響されるか否かを把握できる。

Ａ、斜角先端レール接続部の受力変換過程

以下、図２（ａ）を例にして斜角先端レール接続部の受力変換過程を分析する。

図２（ａ）では、車輪が斜角先端レール接続部のＤ点に至る前に、車輪の圧力はすべて左側の斜角先端レールにより負荷され、車輪が斜角先端レール接続部のＤＥの間にあるセクションに至ったとき、車輪の主な圧力は依然として左側の斜角先端レールにより負荷されるが、徐々に右側の斜角先端レールへ移行し、車輪が斜角先端レール接続部の中心Ｅ点に至ったとき、交差して重なる２本の斜角先端レールはそれぞれ車輪圧力の半分を負荷し、車輪が斜角先端レール接続部のＥＦセクションに至ったとき、車輪の圧力は２本の斜角先端レールが同様な圧力を負荷する状態から徐々に右側の斜角先端レールが負荷するように変わり、車輪が斜角先端レール接続部のＦ点を通過した後、車輪の圧力はすべて右側の斜角先端レールに移っている。

図２（ａ）における直角座標系から分かるように、車輪が斜角先端レール接続部のＤ点からＦ点へ走行する過程に、左側の斜角先端レールの受力過程は、車輪のすべての圧力を負荷する状態からゼロまで緩やかに線形低下し、右側の斜角先端レールの受力過程は、ゼロから車輪のすべての圧力を負荷するように緩やかに線形上昇し、隣接する２本の斜角先端レールの受ける車輪の圧力の合力は線形で且つ一定であり、このため、車輪と斜角先端レール接続部に衝撃と振動が生じない。

同様な方法によれば、別の３つの図に示される直角座標系にそれぞれ斜角先端レール接続部での隣接する斜角先端レールの受力変換過程を示すことができ、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示されるように、３つの図における斜角先端レールの受力変換過程は図２（ａ）と略同じであるため、ここで重複説明を省略する。

Ｂ、斜角先端レールの切削角が同じで、斜角先端の切削方向が逆である場合の、斜角先端レール接続部の受力変換過程の比較分析

図２（ａ）と図２（ｂ）を比較して分かるように、斜角先端レールの切削角が同じで、斜角先端の切削方向が逆である場合、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールのいずれの受力変換過程も２本の斜角先端レールの斜角先端の重なり領域に生じて、２本の斜角先端レールの受力変換過程は共に線形を維持し、２本の斜角先端レールの受ける車輪圧力の合力は線形で且つ一定であり、２本の斜角先端レールの受力変換過程と受力大きさは同様である。従って、斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係である。

斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係であるため、列車走行方向が変化しても、斜角先端レール接続部の受力変換過程に影響を与えることがない。従って、斜角先端レール鉄道は二方向走行能力を有する。

Ｃ、斜角先端レールの斜角先端の方向が略同じで、斜角先端の切削角が異なる場合の、斜角先端レール接続部の受力変換過程の比較分析

図２（ａ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）の３つの図を比較して分かるように、斜角先端レールの斜角先端の方向がほぼ同じで、斜角先端の切削角が異なる場合、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールのいずれの受力変換過程も、２本の斜角先端レールの斜角先端の交差重なり領域に生じて、２本の斜角先端レールの受力変換過程は共に線形を維持し、２本の斜角先端レールの受力大きさは同様であり、２本の斜角先端レールの受ける車輪圧力の合力は線形で且つ一定であり、従って、車輪と斜角先端レール接続部の間に衝撃と振動が生じることがないが、斜角先端レールの切削角が小さくなる（レール先端の切削面とレールの縦軸線の最小夾角は小さくなる）につれて、２本の斜角先端レールの受力変換時間は徐々に長くなり、２本の斜角先端レールの受力大きさの線形変化率は徐々に小さくなる。従って、斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削角に関連し、斜角先端レール接続部の受力変換時間は斜角先端レールの切削角に反比例し、斜角先端レールの受力大きさの線形変化率は斜角先端レールの切削角に正比例する。

Ｄ、斜角先端レールの軌道平面の受力幅と受力領域の位置が変わるときの、斜角先端レール接続部の受力変換過程の比較分析

列車が２本のレールの型番が異なる鉄道上をそれぞれ走行するとき、又は、先頭部分と車室の車輪踏面の幅が異なるとき、又は、異なる車室の車輪踏面の摩損程度が異なるとき、斜角先端レール接続部に軌道平面の受力幅又は受力領域の位置が変わる。

軌道平面の受力幅と受力領域の位置が変わった斜角先端レール接続部では、隣接する斜角先端レールのいずれの受力変換過程も、車輪の横方向踏面との有効接触軌道平面におけるテープ状延長面であって、テープ状延長面での２本の斜角先端レールの斜角先端の交差重なりセクションに発生し、実質的に、斜角先端レールの切削角は変わらず、軌道平面の幅は変化し、あるいは、斜角先端レールの切削角は変わらず、斜角先端レール接続部の位置は変わる場合と同程度の効果がある。従って、図２と同様な分析方法で、レールの切削角が同じで軌道平面の幅が異なる斜角先端レール接続部の受力変換過程を比較して分析し、又は、レールの切削角が同じで軌道平面の受力領域の位置が変わる程度の、斜角先端レール接続部の受力変換過程を比較して分析すればよい。

斜角先端レールの切削角が同じで、軌道平面の受力幅が変わるとき（受力変換過程の比較図は省略）、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールの受ける車輪圧力の合力は共に線形で且つ一定であり、車輪と斜角先端レール接続部の間に衝撃が生じることがなく、且つ、斜角先端レール接続部の受力変換時間は軌道平面の受力幅に正比例し、斜角先端レールの受力大きさの線形変化率は軌道平面の受力幅に反比例する。

斜角先端レールの切削角が同じで、軌道平面の受力幅が同じで、受力領域の位置が変わるとき（受力変換過程の比較図は省略）、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールの受ける車輪圧力の合力は線形で且つ一定であり、車輪と斜角先端レール接続部とに衝撃が生じることがなく、軌道平面における受力領域の位置が横方向に変位すると、レールの間に斜め遊間があるため、車輪踏面と斜角先端レール接続部との接触開始位置が軌道平面において縦方向に変位し、斜角先端レールの受力変換開始位置（時間）も早まり又は遅延し、斜角先端レール接続部の受力変換開始位置（時間）は受力領域の変位方向と大きさ、レール斜角先端の方向と角度、列車の走行方向と速度のいずれにも関係する。

前記のとおり、軌道平面の受力幅の変化も受力領域の位置の変化も斜角先端レール接続部の車輪とレールに対する耐衝撃性能に影響を及ぼすことがなく、且つ、軌道平面の受力幅の変化と受力領域の位置変化のいずれもレール幅により制限され、受力変換時間、受力大きさの線形変化率及び受力変換開始位置への影響が極めて小さく、斜角先端レール鉄道は優れた走行性を有する。

以上から、結論１を付けた。

（１）レールの両端にある横方向直角切削を斜め切削に変更することにより、レール接続部の横方向遊間を斜め遊間に変え、車輪が斜角先端レール接続部を通過するとき、斜角先端レール接続部は隣接する２本の斜角先端レールの負荷受力過程が徐々に安定的に線形移行することを確保するとともに、隣接する２本の斜角先端レールの受ける圧力の合力を常に線形と一定に保持し、このように、車輪と斜角先端レール接続部の間に衝撃と振動が生じることがない。

（２）斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係であり、斜角先端レール鉄道は二方向走行能力を有する。

（３）斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削角に関連し、斜角先端レール接続部の受力変換時間は斜角先端レールの切削角に反比例し、斜角先端レールの受力大きさの線形変化率は斜角先端レールの切削角に正比例する。

（４）軌道平面の受力幅の変化も受力領域の位置の変化も斜角先端レール接続部の車輪とレールに対する耐衝撃特性に影響を及ぼすことがなく、斜角先端レール鉄道は優れた走行性を有する。

２、レール熱応力の問題を解決する。

斜角先端レール鉄道は、プレフォーム縦方向遊間設計を採用することによりレール熱応力の問題を解決する。

斜角先端レール鉄道は、隣接する斜角先端レール間に所定幅の縦方向遊間が予め残されており、斜角先端レールの長さが温度変化に伴い伸縮するとき、予め残されている縦方向遊間クリアランスの間で自在に伸縮して、レールの熱応力を完全に放出でき、斜角先端レール同士は溶接を必要としないとともに縦方向遊間があるため、レール破断やレール膨張の問題を避ける。従って、斜角先端レール鉄道は、レール熱応力の問題を完全に解決できる。

プレフォーム縦方向遊間設計を採用すると、レールの制限と締着が不要になり、安全上のリスクを解消できるとともに、鉄道建設コストを数倍低下させる。

３、レールの切削角の最適化設計

周知するように、斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削角に関連する。従って、レールの切削角の変化による斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能への影響をさらに研究する必要がある。

斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係であるため、比較研究の実施し易さから、本明細書では、特に断らない限り、レール先端の切削面とレールの縦軸線の間の反時計回り鋭角θをレールの切削角とする。

（１）レールの切削角による衝撃防止性能への影響

図３は鋭角として切削された５種類の斜角先端レールを接続したときの上面図である。

図３から明らかなように、
（１）レールのプレフォーム斜め遊間の幅が同じである場合、レールの切削角が（０°〜９０°で）漸次的に小さくなると、レール接続部の軌道平面（黒太線で囲んだ領域）に形成された横方向遊間欠けの長さも漸次的に短くなり（破線が通過する遊間の空白領域に示される）、レール接続部の軌道平面に横方向貫通欠けが形成される確率も小さくなり、車輪とレール遊間との衝撃の確率が低くなる。
（２）斜角先端レールの切削角が（０°〜９０°で）大きいほど、斜角先端レールのプレフォーム遊間の幅変化によるレール遊間の横方向欠けの長さ変化への影響が大きくなり、斜角先端レールの切削角が小さいほど、斜角先端レールのプレフォーム遊間の幅変化によるレール遊間の横方向欠けの長さ変化への影響が小さい。

斜角先端レールの切削角とレール遊間の横方向欠けの長さとの正確な関係は図４に示される。

図４は斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図であり、図４では、∠θは斜角先端レールの切削角、線分ＡＢと線分ＤＣは斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールの間に予め残されている縦方向遊間の幅、線分ＢＥは斜角先端レールの軌道平面の幅（レールの頭部幅）、線分ＰＣ（線分ＤＣに垂直である）は斜角先端レール接続部の横方向欠けの幅である。

直角△ＰＣＤにおいて、∠ＰＤＣ＝∠θは斜角先端レールの切削角、線分ＤＣは斜角先端レールの間の縦方向遊間幅、線分ＰＣは斜角先端レールの間の横方向欠けの幅である。三角関数定義に基づき、ＤＣ、ＰＣ及び∠θの関係は以下のとおりである。

式（１）
ｔａｎθ＝ＰＣ（横方向欠けの幅）／ＤＣ（縦方向遊間の幅）
式（１）を変換して、式（２）と式（３）は得られる。
式（２）
ＰＣ（横方向欠けの幅）＝ｔａｎθ×ＤＣ（縦方向遊間の幅）
式（３）
ＤＣ（縦方向遊間の幅）＝ＰＣ（横方向欠けの幅）／ｔａｎθ

周知するように、９０°＞θ＞０°の場合、ｔａｎθ＞０、９０°＞θ＞４５°の場合、ｔａｎθ＞１である。

式（２）から分かるように、
（１）９０°＞θ＞４５°の場合、ｔａｎθ＞１であるため、縦方向遊間の幅（ＤＣ）の変化による横方向欠けの長さ（ＰＣ）変化への影響が大きく、斜角先端レールには大鋭角（９０°＞θ＞４５°）を適用すると、プレフォーム縦方向遊間の幅を減少させることで車輪とレールの間の衝撃を解消できるものの、鉄道の熱応力調整能力を著しく低下させ、この結果、より長尺のレールを用いるしかなく、斜角先端レール鉄道は温度差のより小さい地域だけで作動できるようになる。
（２）４５°＞θ＞０°の場合、ｔａｎθ＜１であるため、縦方向遊間の幅（ＤＣ）の変化による横方向欠けの長さ（ＰＣ）変化への影響が小さく、４５°＞θ＞０°の区間では、∠θが徐々に小さくなるに伴い、横方向遊間の幅（ＰＣ）は正接値が大幅に減少することにより迅速に小さくなり、車輪とレール遊間との衝撃の確率も迅速に低下し、これは斜角先端レール鉄道には小鋭角斜角先端レールを好ましくは使用することの根本的な原因である。

式（３）から分かるように、横方向遊間の幅（ＰＣ）が一定であるとき、斜角先端レールの切削角（θ）が小さいほど、縦方向遊間の幅（ＤＣ）は正接値が著しく減少することにより著しく大きくなる。言い換えれば、車輪とレールの間の衝撃（ＰＣ＜ＢＥ）を避ける前提下で、斜角先端レールの切削角が小さいほど、縦方向遊間の幅変化による横方向欠けの長さ変化への影響は小さい。

周知するように、建設済みの鉄道は、正常な場合、縦方向遊間の幅変化がレールの熱膨脹・冷収縮の結果であり、斜角先端レールの縦方向遊間の幅変化による横方向欠けの長さ変化への影響が小さいほど、温度変化による斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃特性能への影響は小さくなり、斜角先端レール鉄道が正常に動作可能な温度差の範囲は広がる。

以上から、結論２を付けた。

斜角先端レールの切削角が小さいほど（レール先端の切削面とレールの縦軸線の最小夾角が小さいほど）、斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能に優れて、熱応力調整性能も良好になり、正常に作動できる温度差の範囲は広がる。

（２）レールの切削角と熱応力の関係

斜角先端レール鉄道は、プレフォーム縦方向遊間によりレールの熱応力を放出し、プレフォーム遊間の幅変化が斜角先端レール鉄道の熱応力放出能力に直接影響を与える。従って、斜角先端レールの切削角度と斜角先端レール遊間の関係をさらに研究する必要がある。

斜角先端レールの切削角と斜角先端レール遊間の関係は図５に示される。

図５は斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図であり、図５では、斜角先端レール接続部での２本の斜角先端レールの斜辺とプレフォーム遊間は平行四辺形ＡＢＣＤを構成する。線分ＡＢと線分ＤＣは２本の斜角先端レールの間のプレフォーム遊間の縦方向幅であり、線分ＣＥは平行四辺形ＡＢＣＤの高さでありながら、斜角先端レール接続部の斜め遊間の幅である。

平行四辺形ＡＢＣＤでは、線分ＣＥが平行四辺形ＡＢＣＤの高さであるから、直角△ＣＥＤは構成される。直角△ＣＥＤでは、∠ＣＤＥ＝∠θは斜角先端レールの切削角、線分ＤＣは２本の斜角先端レールの間のプレフォーム遊間の縦方向幅であり、線分ＣＥは平行四辺形ＡＢＣＤの高さでありながら、斜角先端レール接続部での斜め遊間の幅である。三角関数定義に基づき、ＤＣ、ＣＥ及び∠θの関係は以下のとおりである。

式（４）
ｓｉｎθ＝ＣＥ（斜め遊間の幅）／ＤＣ（縦方向遊間の幅）

式（４）を変換して、式（５）と式（６）は得られる。
式（５）
ＣＥ（斜め遊間の幅）＝Ｓｉｎθ×ＤＣ（縦方向遊間の幅）
式（６）
ＤＣ（縦方向遊間の幅）＝ＣＥ（斜め遊間の幅）／Ｓｉｎθ

周知するように、∠θが０°〜９０°で変化するとき、それに伴い、正弦値も０〜１で変化し、且つ、正弦値は∠θの増大（又は減少）に伴い増大する（又は減少）。

式（５）から分かるように、縦方向遊間の幅（ＤＣ）が一定であるとき、∠θが徐々に減少するに伴い、斜め遊間の幅（ＣＥ）は正弦値が著しく減少することにより数倍減少する（倍数はＳｉｎθの値に等しい）。

さらに、式（５）から算出した結果、∠θが徐々に減少するに伴い、縦方向遊間の幅変化による斜め遊間の幅への影響は著しく小さくなる。

たとえば、θ＝３０°の場合、縦方向遊間の幅（ＤＣ）変化が±１０ｍｍであると、斜め遊間の幅（ＣＥ）は±５ｍｍしか変化できず、鉄道の熱応力調整能力は従来の２倍となる。θ＝１５°の場合、縦方向遊間の幅（ＤＣ）変化が±１０ｍｍであると、斜め遊間の幅（ＣＥ）は±２．５９ｍｍしか変化できず、鉄道の熱応力調整能力は従来の３．８６倍となる。θ＝１０°の場合、縦方向遊間の幅（ＤＣ）変化が±１０ｍｍであると、斜め遊間の幅（ＣＥ）は±１．７４ｍｍしか変化できず、鉄道の熱応力調整能力は従来の５．７５倍となる。

周知するように、建設済みの鉄道は、正常な場合、縦方向遊間の幅変化がレールの熱膨脹・冷収縮の結果であり、レールの縦方向遊間の幅変化によるレールの斜め遊間の幅変化への影響が小さいほど、鉄道の熱応力調整性能は優れる。斜め遊間の幅はレールの切削角が著しく減少するに伴い数倍減少し、このように、斜角先端レール鉄道の熱応力調整性能を数倍向上でき、斜角先端レール鉄道は高温差地域においても正常に作動できるようになる。

式（６）から明らかなように、斜め遊間の幅（ＣＥ）が一定であるとき、∠θが徐々に減少する（正弦値も小さくなる）に伴い、縦方向遊間の幅（ＤＣ）は徐々に増大する。言い換えれば、斜角先端レールの切削角が小さいほど、車輪とレールの間の衝撃と鉄道のレール膨張を避ける前提下で、斜角先端レールの間のプレフォーム縦方向遊間の幅はより大きくなり、斜角先端レール鉄道は温度差のより大きい地域においても正常に動作できる。

標準レール鉄道の縦方向遊間を約６ｍｍとして計算すると、レールの切削角θ＝１５°の場合、斜角先端レールの間の斜め遊間の幅は１．５５４ｍｍしかなく、レール接続部での軌道平面は略一体になり、ロングレールの間の縦方向遊間を１１ｍｍとして計算すると、レールの切削角θ＝１５°の場合、斜角先端レールの間の斜め遊間の幅は２．８４９ｍｍしかなく、レール接続部での軌道平面は略一体になる。従って、斜角先端レールの切削角が小さいほど、レールの軌道平面は平滑且つ完全であり、列車の走行抵抗、振動及びノイズが小さくなり、列車は高速且つ安定的で、低ノイズ、低エネで走行できる。

斜角先端レール接続部の斜め遊間の幅は斜角先端レールの切削角が著しく減少するに伴い数倍減少し、このように、斜角先端レール鉄道の熱応力調整性能を数倍向上させて、高温差地域においても正常に作動できるようにするだけでなく、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑度と完全性を高め、列車の走行抵抗と振動を著しく減少させ、さらに、熱応力調整による要件を満たすとともに、縦方向遊間に設計されたプレフォーム幅をさらに減少させて、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑度と完全性を改善して、列車の走行抵抗と振動をより小さくし、鉄道のさらなる高速化と省エネ化のために寄与する。

以上から、結論３を付けた。

斜角先端レールの切削角が小さいほど、斜角先端レール鉄道は熱応力調整性能に優れて、高温差地域においても正常に作動でき、斜角先端レールの切削角が小さいほど、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑度と完全性に優れて、走行抵抗、振動及びノイズが小さくなり、車速をさらに向上させ、走行安定性を向上させてエネルギー消費量を低下させる。

（３）レールの切削角度と斜角先端の長さ

斜角先端レールは、先端ごとに、レールの斜角先端とレールの軌道平面の斜角先端との２つの斜角先端を有する。

斜角先端レールの切削角θと２種類の斜角先端長さの関係は図６に示される。

図６はレールの上面図であり、図６では、∠θは斜角先端レールの切削角、ＡＤは斜角先端レールの斜角先端長さ、ＦＤは斜角先端レールの底部幅、ＡＦは斜角先端レールの斜辺長さ、ＢＣは軌道平面の斜角先端長さ、ＥＣは軌道平面の幅（レールの頭部幅）、ＢＥは軌道平面の斜辺長さである。

直角△ＦＤＡでは、∠θは斜角先端レールの切削角、ＦＤは斜角先端レールの底部幅、ＡＤはレール斜角先端の長さである。三角関数定義に基づき、ＡＤ、ＦＤ及び∠θの関係は以下のとおりである。

式（７）
ｔａｎθ＝ＦＤ（斜角先端レールの底部幅）／ＡＤ（レール斜角先端の長さ）
式（７）を変換して、式（８）は得られる。
式（８）
ＡＤ（レール斜角先端の長さ）＝ＦＤ（斜角先端レールの底部幅）／ｔａｎθ

同様に、直角△ＥＣＢでは、∠θは斜角先端レールの切削角、ＢＣはレールの軌道平面の斜角先端長さ、ＥＣはレールの頭部幅（レールの軌道平面幅）である。三角関数定義に基づき、ＢＣ、ＥＣ及び∠θの関係は以下のとおりである。

式（９）
ｔａｎθ＝ＥＣ（レールの頭部幅）／ＢＣ（軌道平面の斜角先端長さ）
式（９）を変換して、式（１０）は得られる。
式（１０）
ＢＣ（軌道平面の斜角先端長さ）＝ＥＣ（レールの頭部幅）／ｔａｎθ

レールの型番と切削角が決定されると、式（８）と式（１０）に基づいてそれぞれ斜角先端レールの斜角先端長さと軌道平面の斜角先端長さを算出できる。斜角先端レールの斜辺長さと斜角先端レールの軌道平面の斜辺長さを計算する必要がある場合、図６と三角関数的定義に基づき、それぞれ数式を取得できる。

（４）斜角先端レールの切削角の最適化選択

斜角先端レールの切削角の選択は、斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能への影響が大きいとともに、斜角先端レールの加工、輸送や装着にも影響を及ぼす。

結論２と結論３に基づき、斜角先端レールの切削角が小さいほど、斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能に優れて、正常に動作できる温度差の範囲は広がり、列車の走行抵抗、振動及びノイズは小さくなり、また、車速と走行安定性をさらに向上させる。従って、鉄道の技術的性能から、斜角先端レールの切削角は小さいほど好ましい。しかしながら、斜角先端レールの切削角が小さすぎると、斜角先端レールの斜角先端長さは顕著に増大して、斜角先端レールの生産加工及び締結固定のし難さは向上し、さらに斜角先端レールの生産、輸送や装着過程における破損率は向上し、生産、輸送や装着コストの高騰を招く。

最適化検討をした結果、斜角先端レールの切削角を１５°（レール先端の切削面とレールの縦軸線の最小夾角は１５°である）に決定すると、斜角先端レール鉄道に優れた車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能を付与するとともに、斜角先端レールの加工難度、締結固定のし難さや不良率を低下させ、斜角先端レール鉄道の技術的性能と統合的利益を確保できる。

（５）斜角先端レールの切削方式の最適化選択

斜め遊間接続設計は、レールの両端にあるフラット先端を斜角先端に変更することにより実現され、斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係であるため、斜め遊間接続設計を実現するために、斜角先端レールは複数種の切削方向、複数種の切削方式、複数種の切削角度及び複数種の組み合わせ方式を有する。

斜角先端レール鉄道は、平行遊間設計を採用する場合、両端の切削面が平行で（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向で切削して、切削角が同一である斜角先端レールを用いて、斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、両端の切削面が平行で（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）反時計回り鋭角方向で切削して、切削角が同一である斜角先端レールを用いて、斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、上記２種の切削方式により、それぞれ鋭角切削角度を変えることで、遊間が平行で、（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向遊間又は反時計回り鋭角方向の遊間を有し、遊間角度が異なる斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよい。

斜角先端レール鉄道は、非平行遊間設計を採用する場合、レールの両端がそれぞれ（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向で切削し且つ（レールの上面図は等脚台形である）反時計回り鋭角方向で切削し、切削角が同一である斜角先端レールを逆にして、遊間が不平行な斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、同様な切削方式により、それぞれ鋭角の切削角度を変えることで、遊間が不平行な斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよいし、同じレールの切削角度で、それぞれレールの両端について（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向の平行切削（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）反時計回り鋭角方向の平行切削（レールの上面図も平行四辺形である）、すなわち、（レールの縦軸線を基準に）それぞれ時計回り鋭角方向の切削と反時計回り鋭角方向の切削（レールの上面図は等脚台形梯である）を行い、このような３種類の切削角度が同じで、切削方式が異なる斜角先端レールを間隔的に組み合わせて、複雑な斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、この３種類の切削方式により、レールの鋭角切削角度を同時に変え、この３種類のレールを間隔的に組み合わせて、遊間角度の異なる斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよいし、それぞれ異なる切削角度、異なる切削方式、異なる切削方向の斜角先端レールを対応して組み合わせて、より複雑な斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよい。

斜角先端レールは、複数種の切削方向、複数種の切削方式、複数種の切削角度及び複数種の組合せ方式の設計を選択できるが、両端の切削面が平行な斜角先端レールだけは、敷設・交換をするときに向きを変えて突き合せる必要がなく、両端の切削面が平行な斜角先端レールの場合、斜角先端の加工工程を簡略化させ、斜角先端レールの高速連続生産に有利である。従って、両端の切削面が平行な斜角先端レールを選択することによって、斜角先端レールの生産、敷設及び交換をするときのトラブルを避けるとともに、生産効率、敷設効率を著しく向上させ、総コストを低下させる。

最適化検討をした結果、標準斜角先端レールの斜角先端の加工基準について、レールの両端の切削面が平行で、レール先端の切削面がレール底部の所在する平面に垂直であり、レールの縦軸線との夾角が反時計回り１５°であると決定する。

４、斜角先端レール・フラット先端レールの汎用化・適合化設計

斜角先端レール鉄道の建設コストと従来のフラット先端鉄道の改造コストを低下させて、鉄道への大規模な投資の無駄を避けるために、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計は必要なことである。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計は、標準斜角先端レールと標準レールの構造の適合化設計、長さの適合化・相補化設計及び斜角先端の適合化設計を含む。

（１）構造適合化設計

標準レールの負荷受力設計と信頼性は標準レール鉄道とロングレール鉄道に長期間使用されることにより検証されたため、斜角先端レール鉄道の安全性と信頼性を確保するように、標準斜角先端レールには標準レールの構造設計が受け継いで使用され、長さと先端の切削方式が標準レールと異なる以外、残りの設計（型番、規格、構造、材質及び生産基準）はすべて標準レールと同様である。

（２）長さの適合化・相補化設計

斜角先端レール鉄道の熱応力調整性能が高く、標準斜角先端レールの長さ設計をするときの選択範囲が広がり、長さの適合化・相補化設計もより柔軟になる。

しかしながら、標準斜角先端レールの長さを設計するときの選択範囲が広がるが、標準斜角先端レールの長さが長すぎると、レールの製造コスト、輸送コスト、敷設装置コストや労働コストを増加し、標準斜角先端レールの長さが短すぎると、鉄道のレール継ぎ目の数が増えて、レールの接続コストを向上させ、長さが適切な標準斜角先端レールを使用すると、レールの生産、輸送、敷設や交換を容易に実施できるとともに、プレフォーム縦方向遊間の幅をさらに減少させ、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑度をさらに向上させ、走行抵抗をさらに減少させて車速を向上させる。従って、標準斜角先端レールの長さ設計をするときに、各種要因を考慮に入れて最適化検討を行う必要がある。

標準レール鉄道とロングレール鉄道に２５メートルと１２．５メートルの標準レールが大量使用されており、長さ１２．５メートル×Ｎ（Ｎ＝１、２、４、６、８、１０）のレールのいずれも２５メートル及び１２．５メートルの標準レールと長さ上適合性があるため交換することができ、且つ、斜角先端レール鉄道に求められる熱応力調整要求を満たし、また、線路において標準レール鉄道とロングレール鉄道を直接改造すると、標準レール先端について斜め切削を行うだけでなく、隣接するレールの斜角先端を交差して接続する必要があるため、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」に斜角先端が欠失する問題が生じ、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」での斜角先端の切削欠失を解決するために、標準斜角先端レールの単線長さには２個の斜角先端分の長さを追加すべきである。従って、標準斜角先端レールの単線長さを（１２．５×Ｎ＋２ａ）［ａは標準斜角先端レールの斜角先端長さ、Ｎ＝１、２、４、６、８、１０である］メートルに設計すれば、長さを交換可能にするとともに、斜角先端を相補的にするような要件を満たす。

鉄道性能、応用範囲、改造ニーズ、生産コスト、輸送コストや敷設し易さ等の要因を考慮に入れた結果、標準斜角先端レールの「有効長さ」を２５メートル、標準斜角先端レールの単線長さを（２５＋２ａ）メートル［ａは標準斜角先端レールの斜角先端長さ］として設計する。

「有効長さ」
斜角先端レール鉄道では、標準斜角先端レールの両端にある斜角先端がすべて交差して接続されるとともに、縦方向遊間が予め残され、且つ型番の異なる斜角先端レールの斜角先端長さと軌道平面の斜角先端長さが異なることから、鉄道の長さ設計も計算も面倒である。各種斜角先端レールの両端の斜角先端を除く中間部分を「有効長さ」として設定すると、「有効長さ」と交差して接続する斜角先端とを単位にして線路長さを計算し、このように、斜角先端レール鉄道の長さ設計と計算を簡素化させる。標準斜角先端レールの単線長さを設定することは、生産とテストの利便さのためである。ａで標準斜角先端レールの斜角先端長さを示すと、標準斜角先端レールの単線長さと「有効長さ」は、標準斜角先端レールの単線長さ＝有効長さ＋２ａといった関係を有し、標準斜角先端レールの「有効長さ」が２５メートルであれば、標準斜角先端レールの単線長さ＝（２５＋２ａ）メートルである。

標準レール鉄道とロングレール鉄道に用いるレールはすべてフラット先端のものであり、レールの「有効長さ」はレールの長さに等しく、標準レールの両端を切削して斜角先端にすると、「フラット先端を斜角先端に変更するレール」の「有効長さ」＝（標準レール長さ−２ａ）メートル［ａは標準斜角先端レールの斜角先端長さである］となる。

斜角先端レール鉄道を新設する、または、各種フラット先端レール鉄道を改造する場合、斜角先端レール鉄道の斜角先端を交差して接続する特徴、及び型番の異なる斜角先端レールの斜角先端長さと軌道平面の斜角先端長さが異なる特徴を考慮に入れて、各種斜角先端レールの「有効長さ」と交差して接続する斜角先端を線路長さを計算するための根拠として、同時に、設計による「レール破断」や設計による「レール膨張」の問題を避けるように、プレフォーム縦方向遊間の要因を考慮に入れなければならない。

斜角先端レール鉄道を新設する場合、標準斜角先端レールを用い、「部分間隔交換」又は「間隔交換」の方式で「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」を改造した場合、同一型番の標準斜角先端レール［長さ＝（２５＋２ａ）メートル］と「フラット先端を斜角先端に変更するレール」［長さ＝（２５−２ａ）メートル］を用い、斜角先端レール鉄道を再敷設する場合、標準斜角先端レールだけを使用してもよく、「フラット先端を斜角先端に変更するレール」だけを使用してもよい。斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃を解消するため、レールの耐用年数を著しく延長させ、未来の長期間内、各種「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」は、標準斜角先端レールと「フラット先端を斜角先端に変更するレール」を同時に使用する。

（３）斜角先端の適合化設計

標準斜角先端レールと標準レールの構造の適合化及び長さの適合化と相補化を実現した上、標準斜角先端レールと同一の斜角先端の切削基準に準じて標準レール先端について斜角先端切削による改造を行うと、標準レールと標準斜角先端レールの斜角先端の適合化が実現される。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、従来の装置と技術により基準斜角先端レールを生産し、標準レールを「フラット先端を斜角先端に変更するレール」に改造して使用し続けることもでき、さらに、従来の枕木と線路付属部材をそのまま使用して、線路において従来の各種鉄道を直接改造でき、このように、レール、枕木、線路付属部材及び生産装置の交換による投資の巨大な無駄を避けるとともに、再度の大規模な投資を必要とせずに済み、巨大な経済的利益は得られる。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、標準斜角先端レールと「フラット先端を斜角先端に変更するレール」の汎用適合化と斜角先端の相補化による要件を満たし、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式で、大量ある標準レール鉄道とロングレール鉄道を改造でき、鉄道改造コスト（「部分間隔交換」と「間隔交換」について本明細書の第１９頁参照）を数倍低下させる。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、廃棄された各種レールを資源化できる。フラット先端レール鉄道では、レールが廃棄される要因は、車輪とレールの間の衝撃によるレール先端の破損（約６０％）にあり、標準斜角先端レールは、鋭角で斜め切削されるため、先端破損により廃棄された標準レールを斜角先端レールに改造すると、廃棄されたレールの破損されたフラット先端を切り落とし、廃棄された標準レールを合格した斜角先端レールに改造して再利用することができ、標準斜角先端レールの生産、輸送や装着過程に、長さ（２５＋２ａ）メートルの標準斜角先端レールの斜角先端に破損が発生すると、長さ（２５−２ａ）メートルの規格で再切削して、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」に適用できる。

（二）技術的特徴

斜角先端レール鉄道は４つの顕著な技術的特徴がある。

１、レールの間の遊間はレールの縦軸線に垂直ではない。

斜角先端レール鉄道では、斜め遊間接続設計を採用することにより、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消できるとともに、鉄道の熱応力調整性能を著しく向上させる。斜め遊間とレールの縦軸線の最小夾角が小さいほど、斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能は優れ、斜め遊間とレールの縦軸線の最小夾角が比較的大きい場合においても、比較的長尺の斜角先端レールの選択及び斜角先端レールの間の縦方向遊間の幅の調整によって斜角先端レール鉄道の高性能を保持できる［レールの軌道平面の（軌道平面の両側辺線に平行で且つ等距離である）の中心線はレールの縦軸線として設定される］。

斜め遊間接続設計の技術的特徴
レールの間の遊間はレールの縦軸線に垂直ではない。

レール両端の横方向直角切削を斜め切削に変更することでレールの間の横方向遊間を斜め遊間に変えて、斜め遊間接続設計を実現する。斜角先端レール接続部の受力変換過程は斜角先端レールの切削方向とは無関係であるため、レールの間の斜め遊間接続を実現するために、斜角先端レールは複数種の切削方向、複数種の切削角度及び複数種の組み合わせ方式を有し、斜角先端レール鉄道の斜め遊間設計も、複数種の方向、複数種の角度及び複数種の組み合わせを有する。

斜角先端レール鉄道は、平行遊間設計を採用する場合、両端の切削面が平行で（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向で切削して、切削角が同一である斜角先端レールを用いて、斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、両端の切削面が平行で（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）反時計回り鋭角方向で切削して、切削角が同一である斜角先端レールを用いて、斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、それぞれ上記２種の切削方式により、それぞれ鋭角切削角度を変えることで、遊間が平行で、（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向遊間又は反時計回り鋭角方向の遊間を有し、遊間角度が異なる斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよい。

斜角先端レール鉄道は、非平行遊間設計を採用する場合、レールの両端がそれぞれ（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向で切削し且つ（レールの上面図は等脚台形梯である）反時計回り鋭角方向で切削し、切削角が同一である斜角先端レールを逆にして、遊間が不平行な斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、同様な切削方式により、それぞれ鋭角切削角度を変えることで、それぞれ遊間が不平行な斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよいし、同一のレールの切削角度で、それぞれレールの両端について（レールの縦軸線を基準に）時計回り鋭角方向の平行切削（レールの上面図は平行四辺形である）、（レールの縦軸線を基準に）反時計回り鋭角方向の平行切削（レールの上面図も平行四辺形である）、すなわち、（レールの縦軸線を基準に）それぞれ時計回り鋭角方向の切削、及び反時計回り鋭角方向の切削（レールの上面図は等脚台形梯である）を行い、次に３種類の切削角度が同じで、切削方式が異なる斜角先端レールを間隔的に組み合わせて、複雑な斜角先端レール鉄道を構成してもよいし、この３種類の切削方式により、レールの鋭角切削角度を同時に変え、次にこの３種類のレールを間隔的に組み合わせて、遊間角度の異なる斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよいし、それぞれ異なる切削角度、異なる切削方式、異なる切削方向の斜角先端レールを対応して組み合わせて、より複雑な斜角先端レール鉄道をより複数種構成してもよい。

斜角先端レール鉄道の斜め遊間設計に、複数種の方向、複数種の角度及び複数種の組み合わせ方式があるが、使用される斜め遊間設計の種類、レール接続部の斜め遊間が（レールの縦軸線を基準に）反時計回り鋭角方向であるか時計回り鋭角方向であるか、鉄道における斜め遊間が同一方向であるか異なる方向か、斜め遊間とレールの縦軸線の最小夾角が大鋭角であるか小鋭角であるか、鉄道における斜め遊間が単一斜め遊間であるか組み合わせ斜め遊間であるか（レールの両端は交差して突き合せることのできる組合せ式斜め切削を行う）に関わらず、斜角先端レール鉄道のレールの間の遊間はレールの縦軸線に垂直ではなく、これも斜角先端レール鉄道の主な技術的特徴である。

２、斜角先端レール間に縦方向遊間クリアランスが残されている。

斜角先端レール鉄道は同時にプレフォーム縦方向遊間設計を採用し、斜角先端レール接続部での斜角先端レール間に所定幅の縦方向遊間クリアランスが予め残されており、斜角先端レールの長さが温度変化に伴い伸縮するとき、斜角先端レールは予め残されている縦方向遊間の間で自在に伸縮でき、レールの熱応力を完全に放出し、それによりレール熱応力の問題を完全に解決する。

プレフォーム縦方向遊間設計の技術的特徴
斜角先端レール間に縦方向遊間クリアランスが残されている。

プレフォーム縦方向遊間設計を採用すると、レールの制限及び締着が不要であり、レール熱応力の問題を完全に解決できるとともに、鉄道建設とメンテナンスのコストを数倍低下させる。

斜角先端レール間に縦方向遊間クリアランスが残されることも、斜角先端レール鉄道の技術的特徴である。

３、レール先端の切削面はレール底部の所在する平面に垂直であるが、レールの縦軸線に垂直ではない。

斜角先端レール鉄道は、斜め遊間接続設計を採用すると、レールの間の斜め遊間接続を実現するために、フラット先端レールを交差して接続可能な斜角先端レールに変更することができる。

斜角先端レールの技術的特徴
レール先端の切削面はレール底部の所在する平面に垂直であるが、レールの縦軸線に垂直ではない。

斜め遊間接続設計を実現するために、斜角先端レールは、複数種の切削方式、複数種の切削方向、複数種の切削角度及び複数種の組み合わせがあるが、使用される切削方式の種類、切削方向、切削角度及び組み合わせ方式に関わらず、レールの間の斜め遊間接続を実現するために、レール先端の切削面がレール底部の所在する平面に垂直であるが、レールの縦軸線に垂直ではないようにし、これも斜角先端レール鉄道の技術的特徴である。

斜角先端レールの切削角が小さいほど（レール先端の切削面とレールの縦軸線の最小夾角は小さいほど）、斜角先端レール鉄道の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能は優れる。

４、標準斜角先端レールは斜角先端に改造された標準レールと適合性及び相補性を有する。

斜角先端レール鉄道は、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、同型番の標準斜角先端レールが斜角先端に改造された標準レールと適合性と相補性を有するようになる。フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計は、標準斜角先端レールと標準レールの構造適合化設計、長さの適合化・相補化設計及び斜角先端の適合化設計を含む。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計の技術的特徴
構造適合化を実現するために、長さと先端の切削方式が異なる以外、標準斜角先端レールの残りの設計（型番、規格、構造、材質及び生産基準）はすべて標準レールと同様であり、長さの適合化と斜角先端の相補化を実現するために、標準斜角先端レールの単線長さは（１２．５×Ｎ＋２ａ）メートルの設計範囲から選択され［ａは標準斜角先端レールの斜角先端長さ、Ｎ＝１、２、４、６、８、１０である］、斜角先端の適合化を実現するために、標準レール先端について標準斜角先端レールと同一の切削基準に従い斜角先端改造を行う。

フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、従来の装置を用いて基準斜角先端レールを生産でき、且つ標準レールを斜角先端レールに改造して使用し続け、従来の枕木と線路付属部材をそのまま使用できるため、斜角先端レール鉄道の建設コストを大幅に低下させ、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式で線路においてロングレール鉄道（高速鉄道を含む）と標準レール鉄道を直接改造でき、従来の各種鉄道の改造コストを数倍低下させる（「部分間隔交換」と「間隔交換」は本明細書の第１９〜２０頁参照）。

「部分間隔交換」の技術的特徴
標準斜角先端レールの部分間隔交換と、標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の部分改造の方式で、ロングレールの間の横方向遊間を縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に切り替え、ロングレールを縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間で複数のショートセクションに分割する。

「間隔交換」の技術的特徴
標準斜角先端レールの間隔交換と標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の間隔改造の方式で、標準レール鉄道又はロングレール鉄道のレールの間の横方向遊間又は溶接継ぎ目をすべて縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に変更する。

標準斜角先端レールは、斜角先端に改造された標準レールと適合性及びと相補性を有し、斜角先端レール鉄道の建設改造コストを大幅に低下させる設計上の長所でありながら、斜角先端レール鉄道の技術的特徴の１つである。

（三）主な利点

斜角先端レール鉄道の主な利点は以下のとおりである。

１、車輪とレールの間の衝撃は解消される。

斜角先端レール鉄道は、小鋭角斜め遊間接続設計を採用することにより、レール接続部の軌道平面での横方向遊間ノッチを解消し、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消する。

斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消するとともに、車輪とレールの衝撃損失、衝撃的な振動による金属疲労や関連損傷を解消する。従って、斜角先端レール鉄道は、車輪、レール、枕木、路盤、列車付属部材や線路付属部材の耐用年数を著しく延長させ、列車と鉄道のメンテナンスと交換コストを著しく低下させ、車輪とレールの間の衝撃の解消により列車の走行抵抗、振動及びノイズを著しく減少させ、さらに車速を向上させてエネルギー消費量を低下させる。

小鋭角斜め遊間接続設計はさらに、鉄道の熱応力調整性能を数倍向上させ、斜角先端レール鉄道が各種温度差地域で正常に作動できるようにする。

２、熱応力問題は完全に解決する。

斜角先端レール鉄道は同時にプレフォーム縦方向遊間設計を採用することにより、レールの熱応力を完全に放出し、レール熱応力の問題を完全に解決する。

斜角先端レール鉄道は、隣接する斜角先端レール間に所定幅の縦方向遊間クリアランスが予め残されており、斜角先端レールが温度変化に伴い熱膨脹・冷収縮をするとき、斜角先端レールはプレフォーム縦方向遊間クリアランスの間で縦方向に自在に伸縮して、レールの熱応力を完全に放出でき、斜角先端レール同士は溶接を必要としないとともに縦方向遊間があるため、レール破断やレール膨張の問題を避ける。従って、斜角先端レール鉄道は、レール熱応力の問題を完全に解決できる。

プレフォーム縦方向遊間設計を採用すると、レールの制限と締着が不要になり、レール熱応力の問題を完全に解決できるとともに、鉄道建設とメンテナンスのコストを数倍低下させる。

３、安全性と信頼性は共に高まる。

斜角先端レール鉄道は、構成構造が極めてシンプルで、信頼性の理論に基づいて、システムの構成構造が簡単であるほど、信頼性が高まり、システムの構成構造の簡素化により、装着しやすくなり、検点が容易になり、迅速にメンテナンスでき、システムの意匠性と信頼性に寄与する。

斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消するとともに、車輪とレールの衝撃損失、衝撃的な振動による金属疲労や関連損傷を解消する。従って、斜角先端レール鉄道は、車両、車輪、レール、路盤や線路付属部材の故障率を著しく低下させ、鉄道の安全性と信頼性を著しく向上させる。

斜角先端レール鉄道は、プレフォーム縦方向遊間設計を採用することにより、レール熱応力の問題を解決し、レールの制限と締着が不要であるため、レール締め具、枕木や路盤の品質への要件、受力強度と故障の発生率を著しく低下させ、さらに鉄道の安全性と信頼性を著しく向上させ、斜角先端レール鉄道は、斜め遊間接続設計を採用することにより、車輪とレールの間の衝撃を解消し、レールの溶接が不要になり、レール破断という安全上のリスクを完全に解消し、プレフォーム縦方向遊間設計と斜め遊間接続設計によれば、熱応力調整性能は極めて強くなり、鉄道が各種温度差地域においても正常に作動できるとともに、レール膨張やレール破断の安全上のリスクを完全に解消し、さらに鉄道の安全性と信頼性を著しく向上させる。

４、列車は安定的且つ低ノイズで高速走行できる。

斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消するため、衝撃的な振動と衝撃ノイズを発生させることがなく、車輪とレールの間の衝撃の解消により列車の走行抵抗を著しく減少させて、車速を更に向上させてエネルギー消費量を低下させ、斜め遊間接続設計は、斜角先端レール接続部の軌道平面の平滑度と完全性を著しく向上させるとともに、列車の走行抵抗、走行振動やノイズを一層低減させる。従って、列車は、斜角先端レール鉄道上をより安定的且つ低ノイズで高速走行でき、乗客の乘心地はよくなり、貨物はより安全に輸送できる。

５、建設と改造の効率は共に高まる。

斜角先端レール鉄道は、構成が簡単で、標準斜角先端レールの長さが適切であり、施工条件に応じて施工方式（人力又は機械化）を柔軟に選択できるため、鉄道建設と改造の作業効率を著しく向上させる。施工条件が苛酷な地域、戦争中や災害後復興の場合、斜角先端レール鉄道は大きな長所がある。

斜角先端レール鉄道は、レールの溶接と締着が不要であるため、鉄道建設とメンテナンスの技術的難度や品質への要件を著しく低下させるとともに、鉄道建設とメンテナンスの作業効率を著しく向上させる。

斜角先端レール鉄道は、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式で線路において従来の各種鉄道を直接改造でき、線路の少量のレールの交換と改造だけが必要で、既設の路盤、道床や枕木を改造せずに済み、鉄道改造の作業効率を著しく向上させる。

６、鉄道コストを大幅に低下させる。

斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃を完全に解消するとともに、車輪とレールの衝撃損失、衝撃的な振動による金属疲労や関連損傷を解消する。従って、車輪、レール、枕木、路盤、列車付属部材や線路付属部材の耐用年数を著しく延長させ、列車と鉄道のメンテナンスコストと交換コストを著しく低下させる。

斜角先端レール鉄道は、レールの溶接と締着が不要であり、標準レール鉄道の技術基準と品質への要件に準じて建設でき、鉄道建設の材料コストや労働コストを数倍低下させる。

標準斜角先端レールは、長さが適切で、生産、輸送や敷設が実施されやすく、大型生産装置、輸送装置や敷設装置を必要としないため、斜角先端レールの生産、輸送や敷設のコストを著しく低下させる。

斜角先端レール鉄道は、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、従来の装置と技術により標準斜角先端レールを生産でき、且つ、標準レールを斜角先端レールに変更して使用し続け、先端磨損により廃棄された標準レールを斜角先端レールに改造して再利用でき、従来の枕木と線路付属部材をそのまま使用でき、レール、枕木、線路付属部材及び生産装置の交換による投資の巨大な無駄を避けるとともに、再度の大規模な投資を防止し、従来の装置を用いて鉄道建材を量産でき、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計によれば、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式で従来の各種鉄道を改造でき、従来の鉄道の改造コストを数倍低下させる。

斜角先端レール鉄道は、安全性と信頼性がより高く、列車がより安定的且つ安全に走行でき、故障率や貨物破損率が低下し、さらに鉄道運行による賠償コストを低下させる。

７、コストパフォーマンスは極めて高く、用途は幅広い。

斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの衝撃とレール熱応力の問題を同時且つ完全に解決し、鉄道の安全性、信頼性及び耐用性を全面的に向上させるとともに、乗客の乘心地と貨物の輸送安全性を著しく向上させ、レール破断やレール膨張の安全上のリスクを解消し、各種温度差地域において正常に動作でき、鉄道建設、運行、メンテナンスと改造のコストを大幅に低下させるとともに、投資の巨大な無駄や再度の大規模な投資を防止し、高効率で使用可能で運行の高利益を確保でき、コストパフォーマンスは極めて大きく、各種三世代の鉄道や軌道施設に幅広く利用できる。

斜角先端レール鉄道は、安全性、信頼性や耐用性に優れて、より高速且つ安定的に走行でき、乘心地がよく、建設、メンテナンスや運行のコストがより削減され、各種の高性能、高速化、低エネルギー化の三世代旅客輸送鉄道にも、三世代地下鉄、軽便鉄道や路面電車にも幅広く適用できる。

斜角先端レール鉄道は、安全性と信頼性が高まり、より高速且つ安定的に走行でき、精密装置を輸送する場合の信頼性及び可燃性・爆発性物品を輸送する場合の安全性を著しく向上させ、斜角先端レール鉄道は、使用効率が高まり、耐用性を高めてエネルギーを節約し、メンテナンスや保守が容易で、鉄道建設、メンテナンス、運行のコスト及び貨物輸送リスクを著しく低下させ、各種の高性能、低エネルギー化の三世代高速貨物輸送鉄道や鉱山鉄道に幅広く適用できる。

一世代標準レール鉄道に比べて、斜角先端レール鉄道は、レール熱応力の問題を完全に解決できるとともに、車輪とレールの間の衝撃の問題を完全に解決でき、列車がより安全、迅速且つ安定的に、低ノイズ、省エネで走行できるようにし、列車と鉄道のメンテナンスコスト及び運営コストを大幅に低下させる。従って、斜角先端レール鉄道は標準レール鉄道を代替することが期待できる。

二世代ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）に比べて、斜角先端レール鉄道は、車輪とレールの間の衝撃の問題を完全に解決するとともに、レール熱応力の問題を完全に解決し、鉄道の安全性、信頼性、安定性や快適性を全面的に向上させ、車速を更に向上させてエネルギー消費量を低下させ、鉄道建設、メンテナンス及び運行効率を著しく向上させ、鉄道建設、メンテナンス、改造や運行のコストを大幅に低下させ、特に高速鉄道の建設とメンテナンスのコスト及び動力車のメンテナンスコストを数倍低下させる。従って、斜角先端レール鉄道は二世代ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）を代替することが期待できる。

斜め遊間接続設計は、車輪とレールの間の衝撃と振動を解消し、且つレール接続部の軌道平面の平滑度を著しく向上させ、従って、極めて安定的に走行でき、各種軌道施設の締結に利用でき、クレーンのレール締結に用いる場合は、クレーンの作動中の振動を解消し、燃焼性、爆発性、破砕しやすい貨物や精密装置の場合は、移動して吊り下げるときの安全性を著しく向上させる。

（一）図１
フラット先端レール接続部のレールの受力変換過程の模式図である。図１はフラット先端レール接続部の軌道平面の上面図とそれに上下対応する直角座標系からなる。（二）図２ 斜角先端レール接続部の受力変換過程の模式図である。図２は図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）の４つの図からなり、４つの図はすべて斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図とそれに上下対応する直角座標系からなる。（三）図３ 鋭角で切削された５種類の斜角先端レールを接続したときの上面図である。図３からは、斜角先端レールの切削角と斜角先端レールの横方向遊間欠け長さとの関係を直観的に把握できる。（四）図４ 斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図である。図４からは、斜角先端レール接続部の横方向欠けの幅、縦方向遊間の幅及び斜角先端レールの切削角の関係を正確に把握できる。（五）図５ 斜角先端レール接続部の軌道平面の上面図である。図５からは、斜角先端レール接続部の斜め遊間の幅、縦方向遊間の幅及び斜角先端レールの切削角の関係を正確に把握できる。（六）図６ レールの上面図である。図６からは、斜角先端レールの切削角、レール斜角先端長さ及び軌道平面の斜角先端長さの関係を正確に把握できる。（七）図７ レールの上面図である。図７では、左側は横方向直角切削レールの模式図、右側は小鋭角斜め切削レールの模式図である。（八）図８ 斜角先端レール接続部の上面図である。図８からは、斜角先端レール鉄道のレールの接続方式を直観的に把握でき、図中、２本の黒太線はレール接続部の継ぎ目板である。

斜角先端レール鉄道は、設計構成が簡単で、建設改造が実施されやすく、施工方法が柔軟で、コストの長所が顕著で、普及させやすい。

（一）標準斜角先端レールの生産及び改造

標準化された斜角先端レール鉄道を建設するには、統一した斜角先端レール鉄道の建設基準を制定しなければならない。斜角先端レールの生産、敷設や交換過程のトラブルを回避するために、統一した斜角先端レールの生産基準を制定しなければならない。

１、斜角先端レールの生産基準

（１）斜角先端レールの構造

標準斜角先端レールの構造
標準斜角先端レールは、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用し、長さと先端の切削方式が標準レールと異なる以外、残りの設計（型番、規格、構造、材質及び生産基準）がすべて標準レールと同様である。

（２）斜角先端の加工基準

標準斜角先端レールの斜角先端の加工基準
レールの両端の切削面は平行で、レール先端の切削面はレール底部の所在する平面に垂直であり、レールの縦軸線との夾角は反時計回り１５°である。
標準斜角先端レールの切削方式は図７に示される。図７はレールの上面図であり、図７では、左側は横方向直角切削レールの模式図、右側は斜角先端レールの生産基準に準じて切削された標準斜角先端レールの模式図である。

図７から分かるように、レールブランクを標準斜角先端レールの生産基準に準じて切削した後、レール先端はフラット先端から（レールの縦軸線を基準に）反時計回り１５°を有する小鋭角斜角先端になり、さらに、図７から分かるように、同一幅の縦方向遊間が予め残されている条件において、標準斜角先端レールの斜め遊間の幅は標準レールの横方向遊間の幅よりも遥かに小さい。

（３）斜角先端レールの長さ

標準斜角先端レールの長さ
標準斜角先端レールの「有効長さ」は２５メートル、標準斜角先端レールの単線長さは（２５＋２ａ）メートルである［ａは斜角先端レールの斜角先端長さである］。

標準斜角先端レールには１５°斜角先端切削角と２５メートルの「有効長さ」の設計が採用されることは、型番の異なるレールの底部幅と軌道平面の幅が異なるため、型番の異なる標準斜角先端レールの斜角先端長さ、軌道平面の斜角先端長さ及び単線長さも異なるためである。フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、同一型番の標準斜角先端レールと同一型番標準レールから改造された斜角先端レールのいずれも、長さの適合化と斜角先端の相補化が実現できる。

レールの型番が決定されると、式（８）によりこのような型番の斜角先端レールの斜角先端長さ（ａ）を算出して、それに基づいて、このような型番の斜角先端レールの単線長さを算出できる。

Ｐ５０レールを例にすれば、Ｐ５０レールの底部幅＝０．１３２メートル、ｔａｎ１５°＝０．２６７９であり、式（８）により標準Ｐ５０斜角先端レールの斜角先端長さ（ａ）＝０．４９２６メートル、標準Ｐ５０斜角先端レールの単線長さ＝（２５＋２ａ）メートル≒２５．９９メートルとして算出した。

２、標準斜角先端レールの生産

標準斜角先端レールは、従来の標準レールの生産ラインで生産でき、ただし、標準レールの生産ラインの切削工程を横方向切削から斜角先端切削に変更して、レールの型番に応じて標準斜角先端レールの単線長さを設定するだけで、標準レールの生産ラインを標準斜角先端レールの生産ラインに変更できる。

３、標準レールの斜角先端改造

標準レールの斜角先端の改造は、簡便であり、標準斜角先端レールの斜角先端の加工基準に準じて標準レール先端について斜角先端切削を行えばよい。

標準レールの両端を再切削することで、２５メートルの標準レールは「有効長さ」＝（２５−２ａ）メートルの「フラット先端を斜角先端に変更するレール」、１２．５メートルの標準レールは「有効長さ」＝（１２．５−２ａ）メートルの「フラット先端を斜角先端に変更するレール」に改造できる。

標準レール鉄道とロングレール鉄道を改造する場合は、レール式レール斜角先端切削機を用いて線路において保留（取り外せず）された標準レールとロングレール先端について斜角先端切削を直接行ってもよい。

（二）標準化斜角先端レール鉄道の建設

標準化斜角先端レール鉄道を建設するとき、新設と改造を組み合わせた方式で行われ、投資の無駄を避けて再度の投資をできる限り防止するように、統一した技術基準を制定して、建設計画を最適化させて、施工管理を科学的に行い、品質検収を厳密に実施し、競争入札の方式を採用し、できるだけ建設と改造の効率及び利益を向上させる。

１、斜角先端レール鉄道の建設基準

斜角先端レール鉄道は、レールの溶接、制限や締着が不要であり、標準レール鉄道の技術基準と品質要件に従い建設でき、さらに施工条件に応じて施工方式（人力又は機械化）を柔軟に選択でき、このため、鉄道建設の技術的難度を著しく低下させるとともに、鉄道建設コストを数倍低下させる。

２、斜角先端レール鉄道の接続方式

斜角先端レール鉄道では、標準斜角先端レールは継ぎ目板締結により、連続した軌道を構成し、斜角先端レール鉄道のレール接続部には、継ぎ目板、ボルト、ナットやばね座金にて締結して固定する。

斜角先端レール鉄道の接続は図８に示される。図８は、斜角先端レール接続部の上面図であり、図中、２本の黒太線はレール接続部の継ぎ目板を示し、図８から分かるように、斜角先端レール接続部の遊間は小鋭角斜め遊間である。

３、斜角先端レール鉄道の建設ステップ

標準化斜角先端レール鉄道の建設基準に準じて、標準レール鉄道の技術基準と品質要件に従い、路盤、道床及び枕木を敷設して、標準斜角先端レールの間に設計要求に応じて縦方向遊間クリアランスを予め残し、標準斜角先端レールを継ぎ目板で順次締結して枕木に固定すると、低コスト、高性能の標準化斜角先端レール鉄道は得られる。

（三）フラット先端レール鉄道の低コスト改造

現在、各種フラット先端レール鉄道は大量あり、すべて廃棄されると巨大な無駄になり、従来の方式で改造する場合も大規模な投資が必要であるため、低コスト改造方法の研究は求められる。

斜角先端レール鉄道は、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、従来の装置を用いて斜角先端レールを生産し、標準レールを改造することで使用し続けることができ、従来の枕木と線路付属部材もそのまま使用できるため、鉄道改造のための建材コストを大幅に低下させ、また、フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を採用することにより、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式でフラット先端レール鉄道を直接改造でき、線路における少量の標準レールを交換または改造すればよく、既設の路盤、道床及び枕木を改造せずに済み、このため、鉄道改造コストを数倍低下させ、斜角先端レール鉄道の品質基準と技術的要件も標準レール鉄道と同様であるため、ロングレール鉄道の改造コストを大幅に削減させる。

１、フラット先端鉄道の改造方法

従来のフラット先端鉄道は、標準レールで構成されて、通常の方式で固定された
標準レール鉄道と、ロングレール又は極長ロングレールを溶接して構成されて、締着方式で固定されたロングレール鉄道との２種類に大別され、各種高速鉄道にロング線路設計とロングレールが適用されるため、高速鉄道もロングレール鉄道に分類される。

従来の各種フラット先端鉄道は、複数種の方式で改造することができ、鉄道の道路状況、締結固定方式、地域の温度差及び鉄道の重要性等に応じて、「部分間隔交換」、「間隔交換」、「全部交換」又は「全体再敷設」の方式を適切に選択して改造する。

（１）「部分間隔交換」

「部分間隔交換」は、各種ロングレール鉄道の高効率・低コスト改造に適用できる。

「部分間隔交換」
ロングレール鉄道のロングレールの間で標準斜角先端レールに間隔的に交換して、ロングレールの間の横方向遊間をすべて斜め遊間に切り替えることで、ロングレール鉄道に存在する車輪とロングレールの間の遊間による衝撃の問題を解消し、同時に、異なる温度差の地域による熱応力放出のニーズに応じて、ロングレールごとに適当な比率で標準斜角先端レールを等間隔で交換し、縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間でロングレールを複数のショートセクションに分け、斜角先端レール接続部での高いレール熱応力放出性能と枕木に締着された各ショートセクションのロングレールによる熱応力制限機能とを利用して、レール熱応力を間隔的に放出しレール熱応力を間隔的に制限するという統合的効果を奏し、それにより、ロングレール鉄道に存在するレール熱応力のリスクを解消し、ロングレール同士とロングレール自体について標準斜角先端レールを間隔的に交換することで、ロングレール鉄道に存在する車輪とレールの衝撃とレール熱応力の問題を完全に解消できる。

「部分間隔交換」の施工方法
ロングレールの間のフラット先端接続部の一側から１本の標準レールを撤去し、レールが欠失した部位の両端にある標準レールのフラット先端について、標準斜角先端レールの斜角先端切削基準に準じて、斜角先端切削を行い、次にレールが欠失した部位で標準斜角先端レールを装着すればよい。ロングレールについては、まず、温度差の異なる地域による熱応力放出ニーズに応じて標準斜角先端レールの交換数を設計し、次にロングレールの等間隔溶接継ぎ目でそれぞれ１本の標準レールを撤去し、レールが欠失した部位の両端にある標準レールのフラット先端について、それぞれ標準斜角先端レールの斜角先端切削基準に準じて、斜角先端切削を行い、次にレールが欠失した部位でそれぞれ標準斜角先端レールを装着すればよい。改造施工はロングレール鉄道において同時に実施されることができ、レールの交換位置を設計するにあわって、後続改造をするときに標準斜角先端レールと「フラット先端を斜角先端に変更するレール」との長間隔と短間隔の組み合わせを考慮に入れるべきである。

「部分間隔交換」の技術的特徴
標準斜角先端レールの部分間隔交換と、標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の部分改造の方式で、ロングレールの間の横方向遊間を縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に切り替え、ロングレールを縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間で複数のショートセクションに分割する。

「部分間隔交換」鉄道の性能
ロングレール鉄道について「部分間隔交換」の方式で初回改造を行った後、車輪とレールに対する耐衝撃性能は標準斜角先端レール鉄道と完全に同じであり、ロングレールで間隔的に交換する斜角先端レールの比率を調整することにより、各セクションのロングレールの熱応力放出能力を調整し、同時に各セクションの枕木に締着されたロングレールによる熱応力制限機能を利用して、レール熱応力を間隔的に放出しレール熱応力を間隔的に制限するという統合的効果を奏し、改造鉄道の熱応力調整性能を標準斜角先端レール鉄道と略同じにすることができる。線路交換周期と組み合わせて後続改造を行うとき、前記のように、「部分間隔交換」の方式で、ロングレール鉄道に溶接された標準レールを標準斜角先端レールに間隔的に交換し、且つ、「フラット先端を斜角先端に変更するレール」として間隔的に改造し、このようにして、ロングレール鉄道を「間隔交換」式の「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」改造でき、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能は標準斜角先端レール鉄道とは完全に同じであり、標準レール鉄道の技術的要件に応じてメンテナンスや保守を行うことができる。

（２）「間隔交換」

「間隔交換」は、各種標準レール鉄道の高効率・低コストの改造、及び高温差地域又は主幹線での各種ロングレール鉄道の高効率・低コストの改造に適用できる。

「間隔交換」
標準レール鉄道又はロングレール鉄道の標準レールを、接続順番又は溶接順番に応じて配列させ、偶数位置にある標準レールをすべて撤去して、標準斜角先端レールに切り替え、奇数位置にある標準レールをすべて保留して、保留された標準レールの両端について標準斜角先端切削を行って改造し、次に、保留して斜角先端改造を行われた「フラット先端を斜角先端に変更するレール」と交換した標準斜角先端レールとを再び接続して、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」を構成する。

「間隔交換」の技術的特徴
標準斜角先端レールの間隔交換と、標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の間隔改造の方式で、各種フラット先端レール鉄道レールの間の横方向遊間又は溶接継ぎ目をすべて縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に変更する。

「間隔交換」鉄道の性能
各種標準レール鉄道とロングレール鉄道について、「間隔交換」の方式で改造した後、線路上レールの間のすべての横方向遊間又は溶接継ぎ目は縦方向クリアランスのある斜め遊間に変わる。従って、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能のいずれも標準斜角先端レール鉄道と完全に同じであり、且つ、標準レール鉄道の技術的要件に従い線路全体のメンテナンスや保守を行うことができ、このような「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」はまた、標準斜角先端レール［長さ＝（２５＋２ａ）メートル］と「フラット先端を斜角先端に変更するレール」［長さ＝（２５−２ａ）メートル］を間隔的に組み合わせて接続する特徴を有する。

（３）「全部交換」

「全部交換」
既設の路盤、道床及び枕木の全部について標準斜角先端レール又は「フラット先端を斜角先端に変更するレール」に交換し、標準斜角先端レール又は「フラット先端を斜角先端に変更するレール」で斜角先端レール鉄道を構成する。

「全部交換」は路盤、道床及び枕木全体の品質が基準を満たすが、線路におけるレール全体の品質が基準以下である各種標準レール鉄道とロングレール鉄道に適応でき、「全部交換」鉄道の性能は標準斜角先端レール鉄道とは完全に同じである。

（４）「全体再敷設」

「全体再敷設」
鉄道の元の線路の位置で斜角先端レール鉄道を再敷設する。

「全体再敷設」は、路盤全体の品質が基準を満たさない各種標準レール鉄道とロングレール鉄道に適用でき、「全体再敷設」鉄道の性能は標準斜角先端レール鉄道とは完全に同じである。

２、ロングレール鉄道の低コスト改造

ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）の建設基準は、標準レール鉄道より遥かに高く、線路付属部材、枕木及び路盤の品質指標も標準レール鉄道よりもはるかに高く、且つ、鉄道建設時間は一般的に短く、道路状況は一般的に良好である。ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）の改造コストをできるだけ低下させて改造効率を向上させるために、鉄道の所在する地域の温度差及び線路重要性に応じて、できる限り「部分間隔交換」又は「間隔交換」の方式で改造を行う。

（１）小温度差地域

小温度差地域では、ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）のレール、路盤、道床及び枕木の品質は全て基準を満たす場合、「部分間隔交換」の方式で改造を行う。

（２）大温度差地域

大温度差地域では、ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）のレール、路盤、道床及び枕木の品質はすべて基準を満たす場合も、「部分間隔交換」の方式で改造を行うが、熱応力調整性能を効果的に向上させるように、ロングレールにおいてより多くの標準斜角先端レールを等間隔で交換する。

（３）高温差地域

高温差地域では、線路におけるレールの熱応力がより大きいため、鉄道の安全性を確保するように、「間隔交換」の方式で完全に改造して、「フラット先端を斜角先端に変更する鉄道」の車輪とレールに対する耐衝撃性能と熱応力調整性能の両方が標準斜角先端レール鉄道とは完全に同じようにする。

ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）を改造する場合、温度差要因以外、線路の重要性、線路状況及び建設時間等の要因を考慮に入れるべきであり、重要な幹線にある鉄道では、大温度差地域又は高温差地域に位置する限り、「間隔交換」の方式で完全に改造を行い、ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）全体の状況が一般的である場合も、「全体交換」の方式で完全に改造を行い、ロングレール鉄道（高速鉄道を含む）の路盤、道床又は枕木のいずれかの品質が標準を満たさない場合、レールの状態の良否に関わらず、「全部再敷設」方式で一括して改造を行う。

３、標準レール鉄道の低コスト改造

標準レール鉄道は、通常、建設時間が長くて、線路老化の問題が深刻であり、それに加え、車輪とレール遊間の間の頻繁な衝撃によっても、線路の品質及び信頼性を著しく低下させる。従って、標準レール鉄道を改造するとき、実際な状況に応じて、「間隔交換」、「全部交換」又は「全体再敷設」の方式のいずれかを用いて一括して改造を行う。

（１）鉄道全体の状況は良好である場合

標準レール鉄道全体の状況が良好である場合、「間隔交換」の方式で一括して改造を行う。

（２）鉄道全体状況は一般的である場合

標準レール鉄道の路盤、道床及び枕木の品質がすべて基準を満たし、レールの状況が一般的である場合、「全部交換」の方式で一括して改造を行う。

（３）鉄道全体の状況は悪い場合

標準レール鉄道の路盤、道床及び枕木の品質のいずれも基準を満たさないと、レールの状態の良否に関わらず、「全体再敷設」の方式で一括して改造を行う。

斜角先端レール鉄道は、鉄道の安全性、信頼性、快適性及び耐用性を全面的に向上させるとともに、鉄道の建設、改造、メンテナンス及び運行のコストを大幅に低下させ、大規模な投資の無駄を回避するとともに、再度の大規模な投資を節約し、高性能鉄道の設計、高使用効率、高利益を実現した運行、低コスト建設、低コストメンテナンスや低コスト改造のために新しい手段を提供し、普及させる価値が期待できる。

Claims (6)

1. 小鋭角斜め遊間接続設計を用いた斜角先端レール鉄道であって、
   小鋭角斜め遊間接続設計は、レール接続部での斜め遊間とレールの縦軸線の最小夾角（θ）が４５°（θ＝１５°では、コストパフォーマンスは最高である）より小さいことを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。［レールの軌道平面（軌道平面の両側辺線に平行で且つ等距離である）の中心線がレールの縦軸線として設定される］
2. プレフォーム縦方向遊間設計を用いた斜角先端レール鉄道であって、
   プレフォーム縦方向遊間設計は、斜角先端レール間に縦方向遊間クリアランスが予め残されていることを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。
3. 標準斜角先端レールを用いて小鋭角斜め遊間接続設計を実現する斜角先端レール鉄道であって、
   標準斜角先端レールは、斜角先端部位のレール腹部の厚みとレール頭部の幅が同じであり、レール両端の切削面が平行で、レール先端の切削面がレール底部の所在する平面に垂直で、レールの縦軸線との最小夾角（θ）が４５°より小さいことを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。
4. フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を用いた斜角先端レール鉄道であって、
   フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計は、構造適合化を実現するために、長さ、先端の切削方式及び斜角先端部位の構造設計が異なる以外、標準斜角先端レールの残りの設計（型番、規格、構造、材質及び生産基準）が標準レールと同様であり、長さの適合化と斜角先端の相補化を実現するために、標準斜角先端レールの単線長さが（１２．５×Ｎ＋２ａ）［ａは標準斜角先端レールの斜角先端長さ、Ｎ＝１、２、４、６、８、１０である］メートルの設計範囲から選択され、斜め切削によるレール頭部の斜角先端の先端がぶら下がる問題、斜角先端部位の耐曲げ性能と負荷性能が低下する問題を解決するために、標準斜角先端レールの斜角先端部位でのレール腹部の厚みとレール頭部の幅を同じにし、斜角先端の適合化を実現するために、標準レール先端について、標準斜角先端レールと同様な切削基準に準じて、斜角先端改造を行うことを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。
5. フラット先端レール・斜角先端レールの適合化・相補化設計を用いた斜角先端レール鉄道であって、
   標準斜角先端レールは、斜角先端に改造された標準レールと適合性と相補性を有し、「部分間隔交換」と「間隔交換」の方式で、従来の各種鉄道を改造でき、
   「部分間隔交換」は、標準斜角先端レールの部分間隔交換と、標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の部分改造の方式で、ロングレールの間の横方向遊間を縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に切り替え、ロングレールを縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間で複数のショートセクションに分割することを技術的特徴とし、
   「間隔交換」は、標準斜角先端レールの間隔交換と、標準斜角先端レールの両端にある隣接する標準レール先端の間隔改造の方式で、標準レール鉄道又はロングレール鉄道のレールの間の横方向遊間又は溶接継ぎ目をすべて縦方向遊間クリアランスのある斜め遊間に切り替えることを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。
6. 「追加レール腹部型継ぎ目板」で斜角先端に改造された標準レールを締結する斜角先端レール鉄道であって、
   「追加レール腹部型継ぎ目板」は、継ぎ目板の3つの側面がそれぞれレール腹部の曲面、レール頭部の下面及び底部の上面に密着して組み合わせ、継ぎ目板の外側平面がレール頭部の側面の幅と同様であることを技術的特徴とする斜角先端レール鉄道。