JP4001527B2

JP4001527B2 - Wheel manufacturing method

Info

Publication number: JP4001527B2
Application number: JP2002245809A
Authority: JP
Inventors: 政美望月; 信稔守田; 愛眞郎田崎
Original assignee: トモエ電機工業株式会社
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP2004082848A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道走行用車輪、それを備えた移動体、および、車輪の製造方法に係り、特に、鋼製レールとの間に高い摩擦係数を有し、かつ、高い強度を備えた軌道走行用車輪、それを備えた移動体、および、車輪の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軌道（レール）上を走行する移動体としては、人、物等を搭載して搬送する車両、位置を変えて作業を行なう作業機等がある。これらの移動体には、レール上を自走するための駆動輪を備えているものがある。通常、この種の自走式の移動体、例えば、機関車は、機関車の重量と車輪の摩擦係数との積が牽引力となる。
【０００３】
ところで、レールと、レール上を走行する移動体、例えば、機関車の車輪とは、双方とも鋼製であることが一般的である。その場合、車輪とレールとの摩擦係数（以下、「μ」と表記することがある。）は、０．２ないし０．３未満である。しかし、この程度の摩擦係数では、十分でない場合がある。例えば、急勾配を走行する機関車等の移動体の場合、登坂能力を大きくするためには、牽引力を高める必要がある。しかし、レールと車輪との間の摩擦係数の大きさに限界があるため、必要以上に機関車の重量を増加させなければならないという問題がある。一方、荷重の大きな移動体の場合、慣性が大きいため、加速に時間がかかると共に、停止する際にも、長い制動距離を必要とする。この場合にも、レールと車輪との間の摩擦係数を高めることが望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、レールと車輪との間の摩擦係数を高めるために、車輪のレールと接触する踏面の摩擦係数を高くすることが考えられる。例えば、μが０．４程度の材料、例えば、ウレタンゴムを、車輪の踏面に装着することが考えられる。しかしながら、ウレタンゴムがその踏面に形成された車輪を使用する場合に、ウレタンゴムが発熱し、その寿命が短いという問題がある。
【０００５】
一方、車輪自体の材質を変えて、摩擦係数を向上することが考えられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて車輪を形成することが考えられる。これによれば、μを増大することができる。しかし、これらの材料は、耐磨耗性が悪く、寿命も短いという問題がある。
【０００６】
一方、本出願人は、車輪の少なくとも踏面部分に、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を用いることで、上述した問題が解決できることを提案した（ＷＯ９８／２６９４４）。
【０００７】
本発明は、前記提案した車輪をさらに改善するものである。すなわち、高い摩擦係数を確保しつつ、耐久性をより向上させた車輪の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、
車輪本体の外周に摩擦増強材を設けた車輪の製造方法において、
前記車輪本体の外周面に、当該外周に沿って開口する凹部を形成し、
前記凹部が設けられた車輪本体を、耐圧性を有する型に収容すると共に、該型内に、アルミニウム合金中にセラミック粒子を含有するセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を溶融状態で注入して、前記凹部内に流入させ、
前記型内のセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を加圧しつつ固化させ、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料が凹部に充填された車輪本体を型から取りだし、
前記車輪の外周に沿う面を切削して踏面を形成すること
を特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態につき詳細に説明する。以下の説明では、本発明を、トンネル工事などの工事現場において、資器材等の搬送に用いられるバッテリー式機関車に適用した例について説明する。もちろん、本発明は、これに限定されるものではない。機関車、電車等の各種車両、掘削、荷役等を行う自走式作業車、資器材等を搬送する自走式搬送機等の、レール上を移動する種々の移動体に適用することができる。なお、本発明は、工事現場、工場等において、工事、作業等に用いられる作業用の移動体に限られない。例えば、旅客用の車両にも適用可能である。具体的には、急勾配区間を走行する車両、制動距離を短くする必要のある高速走行車両等に適用され得る。
【００１０】
図５に示すように、本発明が適用される車輪を用いたバッテリー機関車１０は、トンネル掘削工事において、縦坑１００と切羽１２０間の横坑１３０内において、資材Ｍや作業員（図示せず）などを運搬するためのトンネル内工事用のものである。横坑１３０内には、軌道としてレール１５０が敷設されており、機関車１０は、このレール１５０上を走行する。
【００１１】
レール１５０は、いわゆるＴ型レールであり、底部、底部のほぼ中央から起立する腹部、および、腹部の上に設けられ、その頂面で車輪と接触する頭部を備えている。また、このレールは、複数の枕木に載置され、ボルト、イヌ釘などにより枕木に固定されている。
【００１２】
上述したようなバッテリー機関車に使用される、第１の実施形態にかかる車輪について、以下に説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる車輪の部分正面図、図２は、車輪の一部を截断した断面図、図３は、車輪の踏面形成部を示す部分断面図である。
【００１３】
第１の実施形態の車輪２０は、車輪本体２１と、車輪本体２１の外周部に設けられる摩擦増強材２５とを有する。車輪本体２１の外周部は、前記摩擦増強材２５と共に、レールの頭部の頂面と接触する踏面形成部２３０を構成している。
【００１４】
車輪本体２１は、例えば、マンガン鋳鋼ＳＣＭｎ２により形成される。車輪本体２１には、車軸Ｓ（図６参照）の端部を受け入れて、これを装着するための貫通孔２２を備えている。また、車輪本体２１の外周部には、フランジ２６が形成される。フランジ２６の踏面形成部側の表面は、踏面形成部２３０のレール接触面２３０ａ（以下、踏面という）と滑らかに連なっている。
【００１５】
踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部に形成される。外周部には、それに沿って開口する凹部２４１〜２４３が設けられる。凹部２４１〜２４３内には、摩擦増強材２５が充填される。踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部がそのまま残った車輪本体露出部２３１〜２３４と、摩擦増強材２５とにより構成される。摩擦増強材２５は、車輪本体２１に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、摩擦力を増大させる。一方、車輪本体露出部２３１〜２３４は、摩擦増強材２５に比べて相対的に大きい強度を有する。
【００１６】
また、図２に示すように、踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部において露出する車輪本体露出部２３１〜２３４と、それらの間にあって、交互に露出する摩擦増強材露出部２５１、２５２、２５３（前記凹部２４１〜２４３の開口部分）とにより構成される。この踏面形成部２３０は、全体として、レールの頭部の頂面と接触する踏面２３０ａを構成している。踏面２３０ａは、例えば、１／２０の勾配をなしている。この踏面２３０ａには、図２に示すように、車輪本体露出部２３１〜２３４と、摩擦増強材露出部２５１〜２５３が交互に並ぶ環状パターンが表れる。
【００１７】
凹部２４１〜２４３は、外周に沿って開口する溝状に形成される。この例では、各凹部２４１〜２４３は、外周の全周に渡って連続的に設けられる。凹部の数は、３本に限られない。また、必ずしも連続的であることが要求されるわけではない。矩形状の開口部が一定間隔で外周全周に渡って配置される構造としてもよい。
【００１８】
踏面形成部２３０における凹部２４１から２４３が占める割合は、凹部の開口幅、車輪本体２１の強度と、摩擦力との関係に基づいて予め決められる。本実施形態では、３本の凹部２４１〜２４３が配置されている。これらの凹部２４１〜２４３は、一定の間隔を空けて、車輪本体２１の軸方向に並ぶ。
【００１９】
また、本実施形態では、図２に示すように、凹部２４１〜２４３は、その深さが、その開口幅より大きい深溝構造となっている。さらに、図３に示すように、フランジ２６と逆の面側に、湯口２４５が設けられている。この湯口２４５は、摩擦増強材２５を充填する際に、後述する溶融摩擦増強材２５０が円滑に注入できるようにするためのものである。したがって、この湯口２４５は、複数個設けられている。また、湯口２４５は、前述した凹部２４１から２４３のすべてに連通している。
【００２０】
前記凹部２４１〜２４３、および、それらと湯口２４５との連通部に、摩擦増強材２５が配置される。具体的には、後述するように、溶融摩擦増強材２５０が凹部空間に充填される。その結果、摩擦増強材２５は、凹部２４１〜２４３の開口面において、その一部が踏面２３０ａに露出する状態となる。これにより、この露出した部分である摩擦増強材露出部２５１、２５２および２５３が、図２、図６に示すように、縞状の環状パターンを構成する。
【００２１】
この実施の形態における車輪２０および踏面形成部２３０の大きさの一例を挙げる。フランジ２６の最外周での車輪の外径は、約４７０ｍｍであり、踏面形成部２３０の外径は、約４２０ｍｍである。また、踏面形成部２３０の厚さは、約６７ｍｍである。そして、凹部２４１〜２４３の開口幅は、約９ｍｍ、そして、これらの凹部２４１〜２４３は、踏面形成部２３０の両端から１０ｍｍ、そして、互いに１０ｍｍ間隔を空けて配置される。また、凹部２４１〜２４３の深さ（すなわち、踏面２３０ａから凹部２４１〜２４３の底部２４４までの長さ）は３０ｍｍである。なお、本発明は、車輪の大きさに限定されない。本発明者らは、外径として約３００ｍｍから６６０ｍｍの大きさのものに適用して、車輪を実際に製作し、登坂力、制動距離等の性能を確認している。
【００２２】
次に、この実施の形態にかかる車輪本体２１の構成、および、その製造について説明する。この実施の形態においては、摩擦増強材２５は、セラミック粒子を含有するアルミ複合材、すなわち、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を含む材料により構成される。なお、これに他の材料を混在させることもできる。一方、車輪本体２１は、鉄を主成分とする金属、例えば、マンガン鋳鋼ＳＣＭｎ２により形成される。なお、他の材料、例えば、炭素鋼Ｓ４５Ｃにより形成することもできる。
【００２３】
まず、前述した材料からなる車輪本体２１に、その外周面について、切削加工を行って３本の溝を、間隔を空けて全周に渡って設ける。すなわち、当該外周に沿って開口する凹部２４１〜２４３を設ける。また、図１および図３に示すように、湯口２４５を、凹部２４１〜２４３に連通させて穿孔する。この湯口２４５は、本実施形態では、１６個設ける。
【００２４】
次に、車輪本体２１の凹部２４１〜２４３に、摩擦増強材２５を配置する。ここでは、溶湯鍛造法により行う。
【００２５】
溶湯鍛造法とは、金属製品の形成法の一種であり、金型内の空間に、溶融または半溶融状の金属を流し込み、高圧力を加えて金属を凝固させる方法である。
【００２６】
この実施の形態における溶湯鍛造法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融し、この状態で、溶融されたアルミニウムまたはアルミニウム合金を同程度の温度に予め加熱された型に入れ、高い圧力（例えば、１０００ｋｇ／ｃｍ²程度）を加えて、ある程度の時間（例えば、８分程度）保持して、溶湯を凝固させる方法である。この方法によると、溶湯を高圧下において、短時間で凝固させるため、金属、合金組織が緻密で、鋳巣の少ない鋳造物を得ることができる。図７にそのための装置を概念的に示す。
【００２７】
図７に示すように、ベース５２０上に、車輪本体２１を配置し、その上にガイド部材５２１が配置される。そして、回りを耐熱性および耐圧性を有するモールド型５１０ａおよび５１０ｂで囲む。この状態で、型５１０ｂ内に、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を溶融状態で注入する。そして、ピストン５３０により、溶融したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料２５０を加圧する。例えば、１０００ｋｇ／ｃｍ²程度の圧力がかけられる。これにより、図８に示すように、溶融したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（溶融摩擦増強材２５０）が車輪本体２１の空間内に充填される。加圧状態を保持し、その後、冷却して、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を凝固させる。
【００２８】
なお、ピストン５３０には、前記ガイド部材５２１との対向面に、当該ガイド部材５２１の上端側を収容できる凹部５３１が設けられている。
【００２９】
この後、ピストン５３０を退避させ、型５１０ａおよび型５１０ｂを外し、車輪本体２１を取り出す。なお、車輪本体を取り出しやすくするため、前述した型５１０ｂ、ガイド部材５２１、ベース５２０、および、ピストン５３０の凹部側の面には、離型材を予め設けるようにしてもよい。
【００３０】
この後、公知の熱処理法であるＴ６の処理を行う。そして、必要に応じて、外面を整形加工処理する。これにより、車輪本体２１の凹部２４１〜２４３に固化したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（摩擦増強材２５）が配置された踏面形成部２３０が得られる。このとき、摩擦増強材２５は、鋳巣が無く、緻密な構造となる。そのため、強度が大幅に向上する。
【００３１】
ここで、溶湯鍛造により凹部２４１〜２４３に充填する摩擦増強材２５について説明する。
【００３２】
摩擦増強材２５を構成するためのセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（以下、アルミ複合材と称する）には、ALCAN社から入手可能な、DURALCAN（登録商標）がある。DURALCANには、現在のところ、２種の材料がある。すなわち、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金（合金番号6061）を母地として、これに、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）の微粒子（例えば、ミクロン単位の大きさ）を混在させて形成される材料と、Ａｌ−Ｃｕ系のアルミニウム合金（合金番号2024）を母地として、ＳｉＣの微粒子（例えば、ミクロン単位の大きさ）を混在させて形成される材料とがある。これらの材料は、良く知られているＴ６の熱処理を行って使用する。本発明では、いずれも使用可能であるが、耐食性、脆性破壊等を考慮すると、アルミニウム合金（6061）を母地とするものが好ましい。
【００３３】
具体的には、前述のアルミニウム合金（6061）に、Ａｌ₂Ｏ₃を１０vol％含む“Ｗ６Ａ１０Ａ”、同じく１５vol％含む“Ｗ６Ａ１５Ａ”、同じく２０vol％含む“Ｗ６Ａ２０Ａ”が好ましく用いられる。これらは、いずれも前記ALCAN社から入手可能である。
【００３４】
アルミニウム合金（6061）は、摩擦係数が大きく、引っ張り強さが３１０ＭＰａ、伸びが１７％である。しかし、耐摩耗性に問題がある。これに対して、アルミ複合材は、耐摩耗性が非常に優れている。例えば、Ｗ６Ａ１０Ａは、前述したアルミニウム合金（6061）と比較して、１／３００倍程度という良好な磨耗体積(Volume Loss)を有し、かつ、１／５０程度という良好な磨耗速度(Wear Rate)を有している。耐摩耗性については、セラミック粒子の含有量が多いほど良くなる傾向にある。しかし、伸びが悪くなる。例えば、前述したアルミナ粒子含有の前述のＷ６Ａ１０Ａは、伸びが１０％程度あり、加工が容易であり、かつ、割れも生じにくい。一方、Ｗ６Ａ１５Ａ、Ｗ６Ａ２０Ａは、伸びがそれぞれ６％、４％程度となり、Ｗ６Ａ１０Ａより伸びの点で劣る。
【００３５】
なお、アルミナ粒子を５vol％含有のアルミ複合材の場合、母地のアルミニウム合金（6061）に比べれば、耐摩耗性はよいが、用途によっては必ずしも十分とは言えない。一方、アルミナ粒子を２５vol％含有のアルミ複合材の場合、耐摩耗性は極めてよいが、母地のアルミニウム合金（6061）に比べれば、伸びがより悪くなる。したがって、本発明者らの研究によれば、アルミ複合材としては、セラミック粒子を、５ないし２５vol％含有したアルミ複合材を用いることがよいといえる。特に、鋼製の車輪と同等の強度、加工性を実現することを考慮すると、例えば、アルミナの場合、１０vol％が最も好ましく、それについで、１５vol％、２０vol％のものが好ましく用いられる。
【００３６】
このようなセラミック粒子であるアルミナ粒子を、１０vol％含有したアルミ複合材と鋼との間の摩擦係数は、サンプル片を用いた実験では、約０．８〜０．９程度である。また、実際に車輪の形態とした場合の実験でも、０．４〜０．４５であり、従来のものと比較して、極めて大きい。
【００３７】
なお、セラミック粒子として、シリコンカーバイト粒子を５〜１０％用いる５０５２アルミニウム合金としても、同様の効果が期待できる。
【００３８】
このように構成することにより、踏面形成部２３０は、少なくともレールと接触する部分である踏面２３０ａに、相対的に大きい摩擦係数を有する摩擦増強材２５と、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有する車輪本体２１とが露出する構成となる。
【００３９】
ところで、本実施形態では、踏面形成部２３０は、レールとの踏面２３０ａのすべてではなく、部分的に摩擦増強材２５を有する構造となっている。このような構造であっても、大きな摩擦係数を有する車輪が実現できる。その理由は次の通りである。まず、走行時の車輪は、レールとの軸方向の相対位置関係が絶えず変化する揺らいだ状態にあり、踏面形成部２３０におけるレールとの接触位置は、絶えず変化していることが知られている。一方、本発明者らの研究によると、摩擦増強材２５がレールと接触すると表面に分散しているセラミック粒子がレール表面に擦り付けられること、および、車輪をセラミック粒子が擦り付けられた後に走行させると、摩擦増強材２５の車輪と同様に高い摩擦係数が実現されることが見いだされた。このため、踏面形成部２３０の一部分に摩擦増強材２５を有する場合であっても、全部に摩擦増強材２５を有する場合と同様に、高い摩擦係数を確保できることとなる。
【００４０】
また、本実施形態において、踏面形成部２３０は、部分的に車輪本体露出部２３１〜２３４を有する構造となっている。このような構造により、耐久性をより向上した車輪を実現している。その理由は次の通りである。前述したように、踏面形成部２３０は、レールとの軸方向における相対接触位置が、絶えず変化している。そのため、摩擦増強材２５に係る荷重が車輪本体２１に分担されること、および、細いレール、ポイント等において荷重が集中的にかかる場合でも、車輪の軸方向の揺らぎにより摩擦増強材２５に荷重がかかる時間が低減される。そのため、摩擦増強材２５の寿命が長くなり、全体として車輪の耐久性を向上することが可能となる。
【００４１】
また、摩擦増強材２５は摩擦係数が大きい。このため、踏面２３０ａの軸方向への滑りを抑える作用がある。そのため、踏面２３０ａ全体を摩擦増強材２５により構成すると、踏面２３０ａがその軸方向に応力を受ける傾向にある。しかし、前述した実施形態のように、摩擦増強材２５と車輪本体２１とが交互に配置されると、踏面２３０ａの軸方向への滑りが円滑に行われる。従って、踏面２３０ａにおける軸方向に受ける応力を軽減することができる。
【００４２】
さらに、高価なアルミ複合材の使用量が減少するため、車輪のコストを低減することができる。また、磨耗時は、踏面形成部２３０の踏面２３０ａを削ることで、踏面２３０ａの表面を円滑にすることができる。
【００４３】
図６は、前述した構成の車輪を利用したバッテリー機関車の車輪部分を示す部分略断面図である。図６に示すように、車輪２０の踏面形成部２３０は、レール１５０の頭部１５１の頂面と接触している。レール１５０は、枕木１６０に取り付けられるための底部１５２、底部のほぼ中央から起立する腹部１５３および腹部の上に設けられた頭部１５１から構成されている。
【００４４】
図６に示す踏面形成部２３０は、摩擦増強材２５が縞状の摩擦増強材露出部２５１〜２５３として露出している。従って、踏面２３０ａは、摩擦係数μが大きく、耐磨耗性が大きい摩擦増強材２５の摩擦増強材露出部２５１〜２５３、および、相対的に強度の大きい車輪本体２１の車輪本体露出部２３１〜２３４とを有することとなる。
【００４５】
ここで、前述した踏面形成部２３０を有する第１のメリットとして、車輪の駆動力を向上する点が挙げられる。
【００４６】
また、第２のメリットとして、急坂、重負荷等の過酷な動作環境下においても、確実に制動制御が行え、結果的に、制動距離の短縮が期待できる点が挙げられる。例えば、工事用のバッテリー機関車の場合、制御モータであるサーボモータによる多軸制御による回生制動等の電気的制動を用い、一般に用いられるブレーキシューにより車輪を抑えて停止する制動方法ではなく、サーボ制御により制動制御が行われる。この場合には、車輪のμにより、停止距離が決まる。このため、アルミ複合材からなる第１部材を有する踏面形成部２３０を有する車輪を、バッテリー機関車に搭載した場合、車輪のμの増大により、鋼製の車輪の場合に比べて、同じ走行速度からの停止距離の短縮が期待できる。また、サーボモータで制御する場合において、鋼製車輪が用いられる機関車では、車輪がロックして滑走する事態が起こるおそれがあるような、急坂、重負荷の環境下での制動であっても、踏面形成部２３０を有する本実施形態の車輪の場合には、サーボモータで駆動される車輪を制御可能な状態に維持できる。すなわち、過酷な動作環境下においても、制動制御を確実に行い得る。
【００４７】
第３のメリットとして、摩擦増強材２５が車輪本体２１と交互に配置されるため、車輪にかかる加重が強度の高い車輪本体２１により分担されることとなる。これにより、レール幅が狭いレール上を走行する場合、ポイントを走行する場合のように、車輪とレールとの接触幅が小さい場合にも、前述したように、摩擦増強材２５に加重がかかる時間を減少することができる。従って、車輪全体の耐久性を向上することができる。その結果、高い摩擦係数を有し、かつ、より重負荷に対応できる車輪が実現できる。
【００４８】
第４のメリットとして、摩擦増強材２５が車輪本体２１と交互に配置されるため、車輪の軸方向の滑りが、摩擦係数が大きい割に容易となる。そのため、曲線部で車輪２０のレール頂部１５１に対する横ずれが容易に行え、曲線部をより円滑に運行することができる。
【００４９】
第５のメリットとして、摩擦増強材２５が、緻密な構造であるため、その強度が大幅に向上している。また、摩擦増強材２５が車輪本体２１に包まれる状態であるため、摩擦増強材２５の変形が抑えられる。
【００５０】
なお、本実施形態の機関車は、軸Ｓに固定されている円盤１６１と、円盤１６１を両側から挾み込むブレーキパッド１６２，１６２と、これらブレーキパッド１６２，１６２を駆動させる駆動機構（図示されていない。）とを有するディスクブレーキ１６３が備えられ、停車時の駐車ブレーキとして使用される。駆動機構としては、例えば、油圧、空気圧等が用いられる。この場合にも、本発明の車輪は、レール１５０との間の摩擦係数μが大きいので、勾配の途中で静止している場合でも、滑りにくいため、安全性が高くなる。
【００５１】
次に、図４を参照して、本実施形態の車輪を備えた電気車である機関車の使用形態について説明する。図４には、図６に示すような車輪を用いたバッテリー機関車１０、および、それに連結された台車１４０を示す。
【００５２】
図４に示すように、機関車１０は、一方が主駆動輪、他方が従駆動輪である二対の車輪２０，２０と、これらの車輪により指示されるボディ１７０と、各々の駆動輪を回転させるための２個のサーボモータ（図示せず）と、２個のサーボモータを駆動するためのバッテリー１７１と、２個のサーボモータなどを制御して機関車を運転するための、操作パネルを含むドライバユニット１７２とを有している。ここで、機関車１０は、駆動機構として、前記サーボモータの他に、動力伝達機構、制御装置（ドライバ）等を有している。また、機関車１０は、資器材Ｍなどが積載された台車１４０、１４０を連結している。
【００５３】
さて、このようなバッテリー機関車１０において、前述したように機関車の重量とμとの積が牽引力に対応する。μがせいぜい０．２ないし０．３未満の従来の車輪を用いたバッテリー機関車においては、４０／１０００ないし５０／１０００の勾配を登坂することができるのに過ぎなかった。これに対して、この実施の形態においては、実際に、μを０．３５〜０．４５まで大きくすることが可能となる。したがって、従来の勾配の略２倍（すなわち、０．４／０．２倍）である、１００／１０００あまりの勾配を、サーボモータの出力を上げることのみで登坂することが可能となる。
【００５４】
従来、約５０／１０００以上の勾配を登坂する場合には、いわゆるアプト式登坂装置を備えた機関車および軌道が用いられている。本実施の形態によれば、１００／１０００程度の勾配までは、性能上、高価なアプト式登坂装置を設けることなく、急勾配を登坂できる機関車を実現できる。また、アプト式登坂装置を設ける場合においても、小型な装置で足りる。もちろん、本発明は、機関車に限らず、その他の自走式台車、自走式作業台車等の、各種移動体の場合においても、登坂能力を高めることができる。
【００５５】
さらに、前記実施形態によれば、μの増大により、移動体の牽引力を、重量を増やさずに増大させることが可能となる。したがって、小さな移動体で、出力さえ上げれば、従来不可能であった大きな負荷に対応することができる。例えば、機関車の場合には、より大きな荷重の台車を牽引できる。
【００５６】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【００５７】
本発明にかかる車輪において、踏面形成部は、少なくともレールと接触する踏面に形成されていれば良い。踏面形成部の形状は、限定されるものではない。また、車輪や軸の外径、踏面形成部の厚みは、前記実施の形態のものに限定されない。
【００５８】
また、本発明は、バッテリー機関車に適用することに限定されるものではないことも明らかである。さらに、機関車に使用することのみならず、人や資器材を運搬する自走式台車、作業を行う自走式作業台車に使用できることも明らかである。
【００５９】
このアルミ複合材を装着した車輪は、アルミ複合材の踏面とレールとの摩擦係数μが大きい。発電制動、回生制動等の電気的制動によるブレーキ効果は、踏面とレールとの摩擦係数によって決まるので、μが大きいことは、そのまま制動距離の短縮となり、安全性が増大する。例えば、サーボモータ駆動によるバッテリー機関車および自走台車等のサーボモータ駆動車の場合、その制動は、サーボモータの回生制動によるため、踏面とレールとの摩擦係数μが大きいことが、制動距離の短縮につながる。
【００６０】
本発明の好ましい実施態様においては、車輪の踏面にアルミ複合材を設け、しかも、前記材料は、セラミック粒子を５ないし２５vol％含有している。特に、１０ないし２２vol％含有するものが好ましく用いられる。これにより、レール鋼と車輪（踏面形成部）との間の摩擦係数を、実験で約０．８〜０．９程度、実際の車輪の形態による実験でも０．３５〜０．４５にすることができる。その結果、移動体の重量を増大させることなく、出力を増やすのみで、この車輪を有する移動体の牽引力を増し、あるいは、ブレーキ性能をより向上させることが可能となる。
【００６１】
次に、第２の実施形態について説明する。図９は、第２の実施形態にかかる車輪の一部を截断した側面図である。図９に示すように、踏面２３０ａにおける摩擦増強材露出部２５１〜２５３は、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている。
【００６２】
この実施の形態の車輪２０は、車輪本体２１と、車輪本体２１の外周部に設けられる摩擦増強材２５とを有する。車輪本体２１の外周部は、前記摩擦増強材２５と共に、レールの頭部の頂面と接触する踏面形成部２３０を構成している。前記踏面形成部には、軌道と接触する面において開口する凹部２４１〜２４３が設けられ、凹部２４１〜２４３内には、摩擦増強材２５が充填される。また、車輪本体２１の外周部には、フランジ２６が形成され、フランジ２６の踏面形成部側の表面は、軌道と接触する踏面２３０ａと滑らかに連なっている。
【００６３】
この実施の形態における踏面形成部２３０の大きさの一例を挙げる。踏面形成部２３０の厚さは、約７０ｍｍである。そして、踏面２３０ａにおける凹部２４１および２４２の開口幅は、約１２ｍｍ、そして凹部２４３の開口幅は、約１６ｍｍである。そして、凹部２４１は、フランジ２６と逆の面側から１０ｍｍ、そして、凹部２４１〜２４３は、互いに１０ｍｍ間隔を空けて配置される。
【００６４】
なお、この実施の形態は、少なくとも、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている点において、第１の実施形態と相違する。
【００６５】
また、このように、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が期待できる。
【００６６】
さらに、走行時の車輪は、レールとの軸方向の相対位置関係が絶えず変化する揺らいだ状態にあり、踏面形成部２３０におけるレールとの接触位置は、絶えず変化しているが、このような揺らいだ状態にあっても、レールとの接触頻度が高い部分（すなわち踏面２３０ａのフランジ２６寄りの部分）に、摩擦増強材露出部２５３が比較的大きく配置される場合は、より高い摩擦係数を有することが期待できる。
【００６７】
また、この実施形態の車輪は、第１の実施形態の製造方法と同様の方法により製造できる。
【００６８】
このように、本発明によれば、高い耐磨耗性を確保しつつ、耐久性を向上させた移動体用車輪および移動体を実現することができる。しかも、車輪の軸方向の滑りをよくして、曲線部での走行をより円滑にすることができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、車輪について、高い摩擦係数を確保しつつ、耐久性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる車輪の半周分を示す部分正面図である。
【図２】図２は、図１に示す車輪の一部を截断した側面図である。
【図３】図３は、図１に示す車輪に用いられる踏面形成部を示す部分断面図である。
【図４】図４は、バッテリー機関車の利用形態の一例を示す側面図である。
【図５】図５は、バッテリー機関車の利用形態の一例を示す説明図である。
【図６】図６は、本実施の形態にかかる車輪を利用したバッテリー機関車の車輪部分を示す正面図である。
【図７】図７は、本実施形態における車輪の製造装置および工程の一部を示し、車輪本体に摩擦増強材を注入する状況を示す一部破断斜視図である。
【図８】図８は、本実施形態における車輪の製造装置および工程の一部を示し、車輪本体に摩擦増強材を注入して、加圧する状況を示す部分断面図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態に係る車輪の一部を截断した側面図である。
【符号の説明】
１０…機関車、２０…車輪、２１…車輪本体、２３０…踏面形成部、２３０ａ…踏面、２３１、２３２，２３３，２３４…車輪本体露出部、２４１、２４２、２４３…凹部、２４４…凹部底面、２４５…湯口、２５…摩擦増強材、２５０…溶融摩擦増強材、２５１、２５２、２５３…摩擦増強材露出部、２６…フランジ、１５０…レール。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a track traveling wheel, a moving body including the same, and a method of manufacturing the wheel, and in particular, a track traveling having a high coefficient of friction with a steel rail and having a high strength. The present invention relates to a vehicle wheel, a moving body including the same, and a method for manufacturing the wheel.
[0002]
[Prior art]
Examples of the moving body that travels on a track (rail) include a vehicle that carries a person, an object, and the like, and a work machine that performs work by changing the position. Some of these moving bodies are provided with drive wheels for self-propelling on rails. Usually, in this type of self-propelled moving body, for example, a locomotive, the product of the weight of the locomotive and the friction coefficient of the wheel is the traction force.
[0003]
By the way, it is common that both a rail and the moving body which drive | works on a rail, for example, the wheel of a locomotive, are steel. In that case, the friction coefficient between the wheel and the rail (hereinafter sometimes referred to as “μ”) is 0.2 to less than 0.3. However, this level of friction coefficient may not be sufficient. For example, in the case of a moving body such as a locomotive traveling on a steep slope, it is necessary to increase the traction force in order to increase the climbing ability. However, there is a problem in that the weight of the locomotive must be increased more than necessary because there is a limit to the size of the friction coefficient between the rail and the wheel. On the other hand, in the case of a moving body with a large load, since the inertia is large, it takes time to accelerate and a long braking distance is required when stopping. Also in this case, it is desired to increase the coefficient of friction between the rail and the wheel.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in order to raise the friction coefficient between a rail and a wheel, it is possible to raise the friction coefficient of the tread which contacts the rail of a wheel. For example, it is conceivable that a material having μ of about 0.4, for example, urethane rubber is mounted on the tread of the wheel. However, when a wheel having urethane rubber formed on its tread is used, there is a problem that the urethane rubber generates heat and its life is short.
[0005]
On the other hand, it is conceivable to improve the friction coefficient by changing the material of the wheel itself. For example, it is possible to form a wheel using aluminum or an aluminum alloy. According to this, μ can be increased. However, these materials have problems of poor wear resistance and short life.
[0006]
On the other hand, the present applicant has proposed that the above-mentioned problems can be solved by using a ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material at least on the tread portion of the wheel (WO 98/26944).
[0007]
The present invention further improves the proposed wheel. That is, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a wheel that further improves durability while ensuring a high coefficient of friction.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides:
In the wheel manufacturing method in which a friction enhancing material is provided on the outer periphery of the wheel body,
On the outer peripheral surface of the wheel body, forming a recess that opens along the outer periphery,
The wheel body provided with the recess is housed in a pressure-resistant mold, and a ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material containing ceramic particles in an aluminum alloy is injected into the mold in a molten state. Flow into the recess,
The ceramic particle dispersion-strengthened aluminum matrix composite in the mold is solidified while being pressurized, and the wheel body filled with the ceramic particle dispersion-strengthened aluminum matrix composite in the recess is taken out of the mold,
A surface along the outer periphery of the wheel is cut to form a tread surface .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, an example will be described in which the present invention is applied to a battery-type locomotive used for transporting equipment and the like at a construction site such as tunnel construction. Of course, the present invention is not limited to this. It can be applied to various vehicles that move on rails such as various vehicles such as locomotives, trains, self-propelled work vehicles that perform excavation and cargo handling, self-propelled transporters that transport equipment, etc. . In addition, this invention is not restricted to the moving body for work used for construction, work, etc. in a construction site, a factory, etc. For example, the present invention can be applied to a passenger vehicle. Specifically, the present invention can be applied to a vehicle that travels in a steep slope section, a high-speed traveling vehicle that needs to shorten the braking distance, and the like.
[0010]
As shown in FIG. 5, the battery locomotive 10 using wheels to which the present invention is applied includes a material M and a worker (not shown) in a horizontal shaft 130 between a vertical shaft 100 and a face 120 during tunnel excavation work. Etc.) for construction in tunnels for transporting etc. A rail 150 is laid as a track in the horizontal shaft 130, and the locomotive 10 travels on the rail 150.
[0011]
The rail 150 is a so-called T-shaped rail, and includes a bottom portion, an abdominal portion standing up from substantially the center of the bottom portion, and a head portion provided on the abdominal portion and in contact with the wheel at the top surface. The rail is placed on a plurality of sleepers and is fixed to the sleepers with bolts, dog nails or the like.
[0012]
The wheel according to the first embodiment used in the battery locomotive as described above will be described below. FIG. 1 is a partial front view of a wheel according to the first embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view in which a part of the wheel is cut, and FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a tread surface forming portion of the wheel.
[0013]
The wheel 20 of the first embodiment includes a wheel main body 21 and a friction enhancing material 25 provided on the outer peripheral portion of the wheel main body 21. The outer peripheral portion of the wheel body 21 constitutes a tread surface forming portion 230 that contacts the top surface of the head portion of the rail together with the friction enhancing material 25.
[0014]
The wheel body 21 is made of, for example, manganese cast steel SCMn2. The wheel body 21 is provided with a through hole 22 for receiving the end of the axle S (see FIG. 6) and mounting it. A flange 26 is formed on the outer periphery of the wheel body 21. The surface on the tread surface forming portion side of the flange 26 is smoothly connected to a rail contact surface 230 a (hereinafter referred to as a tread surface) of the tread surface forming portion 230.
[0015]
The tread surface forming portion 230 is formed on the outer peripheral portion of the wheel body 21. The outer peripheral portion is provided with concave portions 241 to 243 that open along the outer peripheral portion. The friction enhancing material 25 is filled in the recesses 241 to 243. The tread surface forming part 230 is constituted by the wheel main body exposed parts 231 to 234 in which the outer peripheral part of the wheel main body 21 remains as it is, and the friction enhancing material 25. The friction enhancing material 25 has a relatively large coefficient of friction compared to the wheel body 21 and increases the friction force. On the other hand, the wheel body exposed portions 231 to 234 have a relatively large strength compared to the friction enhancing material 25.
[0016]
Further, as shown in FIG. 2, the tread forming portion 230 includes wheel main body exposed portions 231 to 234 exposed at the outer peripheral portion of the wheel main body 21, and friction enhancing material exposed portions 251 and 252 that are alternately exposed between them. 253 (opening portions of the recesses 241 to 243). The tread surface forming portion 230 forms a tread surface 230a that contacts the top surface of the head of the rail as a whole. The tread surface 230a has a gradient of 1/20, for example. As shown in FIG. 2, an annular pattern in which the wheel main body exposed portions 231 to 234 and the friction enhancing material exposed portions 251 to 253 are alternately arranged appears on the tread 230a.
[0017]
The recesses 241 to 243 are formed in a groove shape that opens along the outer periphery. In this example, each of the recesses 241 to 243 is continuously provided over the entire outer periphery. The number of recesses is not limited to three. Also, it is not necessarily required to be continuous. It is good also as a structure where a rectangular-shaped opening part is arrange | positioned over a perimeter outer periphery at fixed intervals.
[0018]
The proportion of the recesses 241 to 243 in the tread surface forming portion 230 is determined in advance based on the relationship between the opening width of the recesses, the strength of the wheel body 21 and the frictional force. In the present embodiment, three recesses 241 to 243 are arranged. These recesses 241 to 243 are arranged in the axial direction of the wheel main body 21 with a certain interval.
[0019]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the recesses 241 to 243 have a deep groove structure in which the depth is larger than the opening width. Furthermore, as shown in FIG. 3, a gate 245 is provided on the side opposite to the flange 26. The sprue 245 is provided to allow a molten friction enhancing material 250 (described later) to be poured smoothly when the friction enhancing material 25 is filled. Therefore, a plurality of gates 245 are provided. Further, the gate 245 communicates with all of the aforementioned recesses 241 to 243.
[0020]
The friction enhancing material 25 is disposed in the recesses 241 to 243 and the communication portion between them and the gate 245. Specifically, as will be described later, the melt friction enhancing material 250 is filled in the recessed space. As a result, a part of the friction enhancing material 25 is exposed to the tread surface 230a in the opening surfaces of the recesses 241 to 243. Thereby, the friction enhancing material exposed portions 251, 252, and 253 which are the exposed portions constitute a striped annular pattern as shown in FIGS.
[0021]
An example of the size of the wheel 20 and the tread forming portion 230 in this embodiment will be given. The outer diameter of the wheel at the outermost periphery of the flange 26 is about 470 mm, and the outer diameter of the tread surface forming portion 230 is about 420 mm. Further, the thickness of the tread forming portion 230 is about 67 mm. And the opening width of the recessed parts 241 to 243 is about 9 mm, and these recessed parts 241 to 243 are arranged 10 mm from both ends of the tread surface forming part 230 and spaced from each other by 10 mm. The depths of the recesses 241 to 243 (that is, the length from the tread surface 230a to the bottoms 244 of the recesses 241 to 243) are 30 mm. In addition, this invention is not limited to the magnitude | size of a wheel. The inventors have applied the present invention to an outer diameter of about 300 mm to 660 mm, actually manufactured the wheel, and confirmed performances such as climbing force and braking distance.
[0022]
Next, the structure of the wheel main body 21 concerning this embodiment and its manufacture are demonstrated. In this embodiment, the friction enhancing material 25 is made of an aluminum composite material containing ceramic particles, that is, a material containing a ceramic particle dispersion strengthened aluminum matrix composite material. In addition, other materials can be mixed therewith. On the other hand, the wheel main body 21 is formed of a metal whose main component is iron, for example, manganese cast steel SCMn2. In addition, it can also form with other materials, for example, carbon steel S45C.
[0023]
First, the outer peripheral surface of the wheel body 21 made of the above-described material is cut to provide three grooves over the entire circumference at intervals. That is, the recesses 241 to 243 that open along the outer periphery are provided. Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the gate 245 is drilled by communicating with the recesses 241 to 243. In this embodiment, 16 gates 245 are provided.
[0024]
Next, the friction enhancing material 25 is disposed in the recesses 241 to 243 of the wheel body 21. Here, it is performed by a molten metal forging method.
[0025]
The molten metal forging method is a kind of metal product forming method, in which a molten or semi-molten metal is poured into a space in a mold and a high pressure is applied to solidify the metal.
[0026]
In the molten forging method in this embodiment, aluminum or an aluminum alloy is melted, and in this state, the molten aluminum or aluminum alloy is put in a mold preheated to a similar temperature, and a high pressure (for example, 1000 kg / added cm approximately ²⁾ is a method in which a certain amount of time (e.g., about 8 minutes) to hold, to solidify the molten metal. According to this method, since the molten metal is solidified in a short time under a high pressure, it is possible to obtain a casting having a dense metal and alloy structure and a small number of cast holes. FIG. 7 conceptually shows an apparatus for that purpose.
[0027]
As shown in FIG. 7, the wheel body 21 is disposed on the base 520, and the guide member 521 is disposed thereon. The periphery is surrounded by mold dies 510a and 510b having heat resistance and pressure resistance. In this state, the ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material is poured into the mold 510b in a molten state. Then, the melted ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material 250 is pressurized by the piston 530. For example, a pressure of about 1000 kg / cm ² is applied. As a result, as shown in FIG. 8, the melted ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material (molten friction enhancing material 250) is filled into the space of the wheel body 21. The pressed state is maintained, and then cooled to solidify the ceramic particle dispersion strengthened aluminum matrix composite.
[0028]
The piston 530 is provided with a recess 531 on the surface facing the guide member 521 that can accommodate the upper end side of the guide member 521.
[0029]
Thereafter, the piston 530 is retracted, the mold 510a and the mold 510b are removed, and the wheel body 21 is taken out. In addition, in order to make it easy to take out the wheel main body, a release material may be provided in advance on the concave side of the mold 510b, the guide member 521, the base 520, and the piston 530 described above.
[0030]
Thereafter, a treatment of T6 which is a known heat treatment method is performed. And if necessary, the outer surface is subjected to a shaping process. Thereby, the tread surface formation part 230 in which the ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material (friction enhancing material 25) is disposed in the recesses 241 to 243 of the wheel body 21 is obtained. At this time, the friction enhancing material 25 does not have a cast hole and has a dense structure. Therefore, the strength is greatly improved.
[0031]
Here, the friction enhancing material 25 that fills the recesses 241 to 243 by molten metal forging will be described.
[0032]
As a ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material (hereinafter referred to as an aluminum composite material) for constituting the friction enhancing material 25, there is DURALCAN (registered trademark) available from ALCAN. DURALCAN currently has two types of materials. That is, a material formed by mixing Al ₂ O ₃ (alumina) fine particles (for example, in micron units) with an Al—Mg—Si based aluminum alloy (alloy number 6061) as a base. In addition, there is a material formed by mixing SiC fine particles (for example, in micron units) with an Al—Cu-based aluminum alloy (alloy number 2024) as a base. These materials are used after the well-known T6 heat treatment. In the present invention, any of them can be used. However, in consideration of corrosion resistance, brittle fracture, and the like, an aluminum alloy (6061) as a base is preferable.
[0033]
Specifically, “W6A10A” containing 10 vol% Al ₂ O ₃ , “W6A15A” containing 15 vol%, and “W6A20A” containing 20 vol% are preferably used in the aluminum alloy (6061). These are all available from ALCAN.
[0034]
The aluminum alloy (6061) has a large friction coefficient, a tensile strength of 310 MPa, and an elongation of 17%. However, there is a problem with wear resistance. On the other hand, the aluminum composite material is very excellent in wear resistance. For example, W6A10A has a good wear volume (Volume Loss) of about 1/300 times that of the aforementioned aluminum alloy (6061) and a good wear rate (Wear Rate) of about 1/50. have. About wear resistance, it tends to improve as the content of ceramic particles increases. However, the growth becomes worse. For example, the above-described W6A10A containing alumina particles described above has an elongation of about 10%, is easy to process, and does not easily crack. On the other hand, W6A15A and W6A20A have elongations of about 6% and 4%, respectively, and are inferior to W6A10A in terms of elongation.
[0035]
In the case of an aluminum composite material containing 5 vol% of alumina particles, the wear resistance is better than that of the base aluminum alloy (6061), but it is not necessarily sufficient depending on the application. On the other hand, in the case of an aluminum composite material containing 25 vol% of alumina particles, the wear resistance is very good, but the elongation is worse than that of the base aluminum alloy (6061). Therefore, according to the study by the present inventors, it can be said that an aluminum composite material containing 5 to 25 vol% ceramic particles is preferably used as the aluminum composite material. In particular, in view of realizing strength and workability equivalent to those of steel wheels, for example, in the case of alumina, 10 vol% is most preferable, and then 15 vol% and 20 vol% are preferably used.
[0036]
The friction coefficient between the aluminum composite material containing 10 vol% of alumina particles, which are ceramic particles, and steel is about 0.8 to 0.9 in an experiment using a sample piece. Moreover, even in the experiment in the case of actually using the form of the wheel, it is 0.4 to 0.45, which is extremely large as compared with the conventional one.
[0037]
The same effect can be expected when 5052 aluminum alloy using 5 to 10% silicon carbide particles is used as ceramic particles.
[0038]
By configuring in this way, the tread forming portion 230 is relatively larger than the friction enhancing material 25 and the friction enhancing material 25 having a relatively large friction coefficient at least on the tread 230a that is in contact with the rail. The wheel body 21 having strength is exposed.
[0039]
By the way, in this embodiment, the tread surface formation part 230 has the structure which has the friction reinforcement | strengthening material 25 partially instead of all the tread surfaces 230a with a rail. Even with such a structure, a wheel having a large friction coefficient can be realized. The reason is as follows. First, it is known that the wheel at the time of traveling is in a rocking state in which the relative positional relationship in the axial direction with the rail is constantly changing, and the contact position with the rail in the tread forming portion 230 is constantly changing. . On the other hand, according to the study by the present inventors, when the friction enhancing material 25 comes into contact with the rail, the ceramic particles dispersed on the surface are rubbed against the rail surface, and the wheel is run after the ceramic particles are rubbed. It has been found that a high coefficient of friction is realized, as is the case with the wheels of the friction enhancing material 25. For this reason, even when the friction enhancing material 25 is provided in a part of the tread surface forming portion 230, a high friction coefficient can be ensured as in the case where the friction enhancing material 25 is provided entirely.
[0040]
Moreover, in this embodiment, the tread surface formation part 230 has a structure which has the wheel main body exposure parts 231-234 partially. With such a structure, a wheel with improved durability is realized. The reason is as follows. As described above, in the tread surface forming portion 230, the relative contact position in the axial direction with the rail is constantly changing. Therefore, even if the load related to the friction enhancing material 25 is shared by the wheel main body 21 and the load is concentrated on a thin rail, a point, etc., the load is applied to the friction enhancing material 25 due to the fluctuation in the axial direction of the wheel. Such time is reduced. Therefore, the life of the friction enhancing material 25 is extended, and the durability of the wheel as a whole can be improved.
[0041]
The friction enhancing material 25 has a large friction coefficient. For this reason, there exists an effect | action which suppresses the slip to the axial direction of the tread 230a. Therefore, when the entire tread surface 230a is configured by the friction enhancing material 25, the tread surface 230a tends to be stressed in the axial direction. However, when the friction enhancing material 25 and the wheel main body 21 are alternately arranged as in the above-described embodiment, the tread surface 230a is smoothly slipped in the axial direction. Therefore, the stress received in the axial direction on the tread surface 230a can be reduced.
[0042]
Further, since the amount of expensive aluminum composite material used is reduced, the cost of the wheel can be reduced. Further, when worn, the surface of the tread surface 230a can be made smooth by scraping the tread surface 230a of the tread surface forming portion 230.
[0043]
FIG. 6 is a partial schematic cross-sectional view showing a wheel portion of a battery locomotive using the wheel having the above-described configuration. As shown in FIG. 6, the tread surface forming portion 230 of the wheel 20 is in contact with the top surface of the head portion 151 of the rail 150. The rail 150 includes a bottom 152 for attaching to the sleeper 160, an abdomen 153 standing up from substantially the center of the bottom, and a head 151 provided on the abdomen.
[0044]
In the tread surface forming portion 230 shown in FIG. 6, the friction enhancing material 25 is exposed as striped friction enhancing material exposing portions 251 to 253. Accordingly, the tread surface 230a has a friction coefficient μ having a large frictional resistance μ and a high wear resistance, and the friction enhancing material exposed portions 251 to 253 of the friction enhancing material 25 and the wheel body exposed portions 231 of the wheel body 21 having relatively high strength. 234.
[0045]
Here, the point which improves the driving force of a wheel is mentioned as a 1st merit which has the tread surface formation part 230 mentioned above.
[0046]
Further, as a second merit, it is possible to reliably perform the braking control even under a severe operating environment such as a steep slope or a heavy load, and as a result, it can be expected that the braking distance is shortened. For example, in the case of a battery locomotive for construction, it is not a braking method that uses electric braking such as regenerative braking by multi-axis control by a servo motor, which is a control motor, and stops the wheel while suppressing the wheel by a commonly used brake shoe. Braking control is performed by the control. In this case, the stop distance is determined by the wheel μ. For this reason, when the wheel having the tread forming portion 230 having the first member made of the aluminum composite material is mounted on the battery locomotive, the same traveling speed as compared with the case of the steel wheel due to the increase in μ of the wheel. It can be expected that the stopping distance from will be shortened. Also, when controlling with a servo motor, in a locomotive that uses steel wheels, even when braking in a steep slope or heavy load environment where there is a risk of the wheels locking and sliding, In the case of the wheel of the present embodiment having the tread surface forming portion 230, the wheel driven by the servo motor can be maintained in a controllable state. That is, the braking control can be reliably performed even under a severe operating environment.
[0047]
As a third merit, since the friction enhancing material 25 is arranged alternately with the wheel main body 21, the weight applied to the wheel is shared by the wheel main body 21 having high strength. As a result, as described above, when the vehicle travels on a rail with a narrow rail width, or when the contact width between the wheel and the rail is small, such as when traveling on a point, the time required for the friction enhancing material 25 to be loaded is applied. Can be reduced. Therefore, the durability of the entire wheel can be improved. As a result, a wheel having a high coefficient of friction and capable of handling a heavy load can be realized.
[0048]
As a fourth merit, since the friction enhancing material 25 is alternately arranged with the wheel main body 21, slip in the axial direction of the wheel is easy for a large friction coefficient. Therefore, the lateral displacement of the wheel 20 with respect to the rail top 151 can be easily performed at the curved portion, and the curved portion can be operated more smoothly.
[0049]
As a fifth merit, since the friction enhancing material 25 has a dense structure, its strength is greatly improved. Further, since the friction enhancing material 25 is in a state of being wrapped by the wheel body 21, deformation of the friction enhancing material 25 is suppressed.
[0050]
The locomotive according to this embodiment includes a disk 161 fixed to the shaft S, brake pads 162 and 162 that squeeze the disk 161 from both sides, and a drive mechanism (not shown) that drives the brake pads 162 and 162. And a disc brake 163 having a function of a parking brake when the vehicle is stopped. As the drive mechanism, for example, hydraulic pressure, air pressure, or the like is used. Also in this case, the wheel according to the present invention has a high coefficient of friction μ with the rail 150, and therefore, even when the wheel is stationary in the middle of the gradient, it is difficult to slip, so the safety is improved.
[0051]
Next, with reference to FIG. 4, the usage form of the locomotive which is an electric vehicle provided with the wheel of this embodiment is demonstrated. FIG. 4 shows a battery locomotive 10 using wheels as shown in FIG. 6 and a carriage 140 connected thereto.
[0052]
As shown in FIG. 4, the locomotive 10 includes two pairs of wheels 20 and 20, one of which is a main drive wheel and the other is a slave drive wheel, a body 170 indicated by these wheels, and each drive wheel. Two servo motors (not shown) for rotating, a battery 171 for driving the two servo motors, and an operation panel for controlling the two servo motors to drive the locomotive And a driver unit 172 including Here, the locomotive 10 has a power transmission mechanism, a control device (driver), etc. in addition to the servo motor as a drive mechanism. In addition, the locomotive 10 connects carts 140 and 140 loaded with equipment M and the like.
[0053]
In such a battery locomotive 10, the product of the locomotive weight and μ corresponds to the traction force as described above. In a battery locomotive using conventional wheels having μ of at most 0.2 to less than 0.3, it was only possible to climb a gradient of 40/1000 to 50/1000. On the other hand, in this embodiment, it is possible to actually increase μ from 0.35 to 0.45. Therefore, it is possible to climb a gradient of about 100/1000, which is approximately twice the conventional gradient (that is, 0.4 / 0.2 times) only by increasing the output of the servo motor.
[0054]
Conventionally, when climbing a slope of about 50/1000 or more, a locomotive and a track provided with a so-called Apt type climbing device are used. According to the present embodiment, it is possible to realize a locomotive capable of climbing a steep slope up to a gradient of about 100/1000 without providing an expensive up type climbing apparatus in terms of performance. In addition, a small device is sufficient when an up type climbing device is provided. Of course, the present invention is not limited to locomotives, and can increase the climbing ability even in the case of various moving bodies such as other self-propelled trolleys and self-propelled work trolleys.
[0055]
Further, according to the embodiment, it is possible to increase the traction force of the moving body without increasing the weight by increasing μ. Therefore, if the output is increased with a small moving body, it is possible to cope with a large load that has been impossible in the past. For example, in the case of a locomotive, a cart with a larger load can be pulled.
[0056]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.
[0057]
The wheel concerning this invention should just be formed in the tread surface which contacts a rail at least with a tread surface formation part. The shape of the tread surface forming portion is not limited. Further, the outer diameters of the wheels and shafts and the thickness of the tread forming portion are not limited to those of the above-described embodiment.
[0058]
It is also clear that the present invention is not limited to application to battery locomotives. Furthermore, it is clear that it can be used not only for locomotives, but also for self-propelled trolleys that carry people and equipment and for self-propelled trolleys that perform work.
[0059]
A wheel equipped with this aluminum composite material has a large friction coefficient μ between the tread of the aluminum composite material and the rail. Since the braking effect by electric braking such as power generation braking and regenerative braking is determined by the coefficient of friction between the tread and the rail, a large μ directly reduces the braking distance and increases safety. For example, in the case of a servo motor driven vehicle such as a battery locomotive driven by a servo motor and a self-propelled carriage, the braking is based on the regenerative braking of the servo motor, so that the friction coefficient μ between the tread and the rail is large. It leads to shortening.
[0060]
In a preferred embodiment of the present invention, an aluminum composite material is provided on the tread surface of the wheel, and the material contains 5 to 25 vol% of ceramic particles. In particular, those containing 10 to 22 vol% are preferably used. As a result, the coefficient of friction between the rail steel and the wheel (tread surface forming portion) is about 0.8 to 0.9 in the experiment, and 0.35 to 0.45 in the experiment with the actual wheel form. Can do. As a result, it is possible to increase the traction force of the moving body having the wheels or improve the braking performance only by increasing the output without increasing the weight of the moving body.
[0061]
Next, a second embodiment will be described. FIG. 9 is a side view in which a part of the wheel according to the second embodiment is cut off. As shown in FIG. 9, the friction enhancing material exposed portions 251 to 253 on the tread surface 230 a are larger than the other friction enhancing material exposed portions 251 and 252 in that the friction enhancing material exposed portion 253 disposed at a position close to the flange 26. It has a structure.
[0062]
The wheel 20 of this embodiment includes a wheel main body 21 and a friction enhancing material 25 provided on the outer peripheral portion of the wheel main body 21. The outer peripheral portion of the wheel body 21 constitutes a tread surface forming portion 230 that contacts the top surface of the head portion of the rail together with the friction enhancing material 25. The tread surface forming portion is provided with recesses 241 to 243 that open on the surface in contact with the track, and the recesses 241 to 243 are filled with the friction enhancing material 25. Further, a flange 26 is formed on the outer peripheral portion of the wheel main body 21, and the surface of the flange 26 on the tread surface forming portion side is smoothly connected to the tread surface 230a in contact with the track.
[0063]
An example of the size of the tread forming portion 230 in this embodiment will be given. The thickness of the tread forming portion 230 is about 70 mm. And the opening width of the recessed parts 241 and 242 in the tread 230a is about 12 mm, and the opening width of the recessed part 243 is about 16 mm. And the recessed part 241 is 10 mm from the surface opposite to the flange 26, and the recessed parts 241-243 are arrange | positioned at intervals of 10 mm.
[0064]
This embodiment is the first in that the friction enhancing material exposed portion 253 disposed at a position close to the flange 26 has a larger structure than the other friction enhancing material exposed portions 251 and 252. This is different from the embodiment.
[0065]
In this way, in the second embodiment in which the friction enhancing material exposed portion 253 arranged at a position close to the flange 26 is larger than the other friction enhancing material exposed portions 251, 252, The same effect as that of the first embodiment can be expected.
[0066]
Furthermore, the wheel during running is in a swaying state in which the relative positional relationship in the axial direction with the rail is constantly changing, and the contact position with the rail in the tread surface forming portion 230 is constantly changing. Even in this state, when the friction-enhancing material exposed portion 253 is disposed relatively large in the portion where the contact frequency with the rail is high (that is, the portion close to the flange 26 of the tread surface 230a), the friction coefficient higher exposed portion 253 has a higher friction coefficient. I can expect that.
[0067]
Moreover, the wheel of this embodiment can be manufactured by a method similar to the manufacturing method of the first embodiment.
[0068]
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a moving body wheel and a moving body with improved durability while ensuring high wear resistance. In addition, the sliding in the axial direction of the wheel can be improved, and the running on the curved portion can be made smoother.
[0069]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, durability can be improved more, ensuring a high friction coefficient about a wheel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial front view showing a half circumference of a wheel according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view in which a part of the wheel shown in FIG. 1 is cut off.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a tread surface forming portion used in the wheel shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a side view showing an example of a usage form of a battery locomotive.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a usage form of a battery locomotive.
FIG. 6 is a front view showing a wheel portion of the battery locomotive using the wheel according to the present embodiment.
FIG. 7 is a partially broken perspective view showing a part of the manufacturing apparatus and process of the wheel in the present embodiment and showing a situation in which a friction enhancing material is injected into the wheel body.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a part of the manufacturing apparatus and process of the wheel in the present embodiment and showing a state in which a friction enhancing material is injected into the wheel body and pressurized.
FIG. 9 is a side view in which a part of a wheel according to a second embodiment of the present invention is cut off.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Locomotive, 20 ... Wheel, 21 ... Wheel main body, 230 ... Tread surface formation part, 230a ... Tread surface, 231, 232, 233, 234 ... Wheel main body exposure part, 241, 242, 243 ... Concave part, 244 ... Concave bottom face, 245 ... pouring gate, 25 ... friction enhancing material, 250 ... molten friction enhancing material, 251,252,253 ... friction enhancing material exposed portion, 26 ... flange, 150 ... rail.

Claims

In the wheel manufacturing method in which a friction enhancing material is provided on the outer periphery of the wheel body,
  On the outer peripheral surface of the wheel body, forming a recess that opens along the outer periphery,
  The wheel body provided with the recess is housed in a pressure-resistant mold, and a ceramic particle dispersion-strengthened aluminum-based composite material containing ceramic particles in an aluminum alloy is injected into the mold in a molten state. Flow into the recess,
  The ceramic particle dispersion-strengthened aluminum matrix composite in the mold is solidified while being pressurized, and the wheel body filled with the ceramic particle dispersion-strengthened aluminum matrix composite in the recess is taken out of the mold,
  Cutting a surface along the outer periphery of the wheel to form a tread surface
A method of manufacturing a wheel characterized by the above.

In the manufacturing method of the wheel according to claim 1 ,
The method of manufacturing a wheel according to claim 1, wherein the exposed portion of the tread surface of the friction enhancing material forms an annular pattern coaxial with the wheel body .

In the manufacturing method of the wheel according to claim 2 ,
A plurality of the annular patterns are arranged at intervals in the axial direction of the wheel body .

In the manufacturing method of the wheel according to claim 3 ,
A method of manufacturing a wheel , wherein a plurality of the recesses are provided corresponding to the plurality of annular patterns, and they are communicated with each other .

In the manufacturing method of the wheel according to any one of claims 2, 3, and 4 ,
The method of manufacturing a wheel according to claim 1, wherein the annular pattern is a pattern continuous in a circumferential direction of the tread .

In the manufacturing method of the wheel according to claim 3,
Of the tread surface exposed portions arranged as a plurality of the annular patterns, a width of a tread surface exposed portion arranged at a position close to the flange is larger than a width of another tread surface exposed portion.