JP4291088B2 - 摩擦緩和材の収容装置及び摩擦緩和装置 - Google Patents

Description

この発明は、レールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材とその収容装置、及びレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置に関する。

鉄道車両は、急曲線を通過するときに曲線通過性能に応じた横圧を伴って走行し、この横圧は曲線の内軌及び外軌のきしり音（摩擦音）の原因になるとともに、内軌側のレールの踏面に発生する波状磨耗の原因にもなる。このような過大な横圧や波状磨耗を低減するために、車輪とレールとの間の粘着力を低下させる摩擦調整剤を内軌側のレールの頭頂面又は車輪の踏面に塗布している。従来の摩擦調整剤は、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材と、炭酸カルシウムやケイ酸マグネシウムなどの摩擦調整材と、ナトリウムモンモリロナイトなどの結合材などを水媒体中に含む（例えば、特許文献１参照）。このような従来の摩擦調整剤は、液体状で速乾性がありレールの頭頂面に付着すると時間の経過とともに乾燥し、後続の列車がこの急曲線を通過するときに発生する横圧を低減させる。また、従来の摩擦調整剤の噴射装置は、摩擦調整剤を収容するタンクと、このタンクからレールの頭頂面に摩擦調整剤を噴射する噴射装置と、急曲線を検出する検出装置と、この検出装置の検出結果に基づいて噴射装置を動作させる制御装置とを備えている（例えば、特許文献２参照）。このような従来の摩擦調整剤の噴射装置は、列車の後尾車両に設置されており、列車が急曲線を通過するときにこの列車の後尾車両から内軌側のレールの頭頂面に摩擦緩和剤を噴射している。

特表2001-501994号公報（第14頁第３行目〜第16頁第11行目）

特開2001-151110号公報（段落番号0022〜0030及び図２）

従来の摩擦調整剤は、固体潤滑材などを水媒体中に含む速乾性の液体であるためレールの頭頂面に塗布されてから乾燥するまで待つ必要があり、乾燥前に後続の列車が通過すると頭頂面に付着した水によって摩擦係数が小さくなりすぎてしまう問題があった。また、従来の摩擦調整剤は、固体潤滑材として高価な二硫化モリブデンを使用しているためコストが高くなってしまう問題があった。

従来の摩擦調整剤の噴射装置は、速乾性で液状の摩擦調整剤を噴射するため噴射ノズル内で摩擦調整剤が乾燥すると噴射ノズル内が詰まってしまうおそれがある。また、従来の摩擦調整剤の噴射装置は、比較的硬度の高い摩擦調整材をタンク内に収容しているが、比較的硬度の小さい摩擦調整材をタンク内に収容した場合には列車の振動などによって摩擦調整剤が擦れ合いタンク内で砕ける可能性がある。その結果、摩擦調整剤が粉状になり噴射ノズル内で詰まったり品質にばらつきが生じたりしてしまうおそれがある。

この発明の課題は、安価な材料によってレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和することができるとともに、品質を安定化させることができる摩擦緩和材の収容装置及び摩擦緩和装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、急曲線を通過するときにレール（１ａ）と車輪（４ａ）との間に乾燥状態で噴射されて、これらの間の摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材（Ｃ₁）を収容する摩擦緩和材の収容装置であって、前記摩擦緩和材は、カーボン系材料を主成分とする粒子であり、前記摩擦抵抗を緩和させる物質に酸化鉄及び黒鉛を含み、前記摩擦緩和材が振動によって擦れ合って微粉（Ｃ₃）が発生したときに、粒径が所定値よりも小さい前記摩擦緩和材の微粉を排除する排除手段（９ｂ）を備えることを特徴とする摩擦緩和材の収容装置（９）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の摩擦緩和材の収容装置において、前記摩擦緩和材を収容する上側収容部（９ａ）と、前記微粉を収容する下側収容部（９ｃ）とを備え、前記排除手段は、前記上側収容部と前記下側収容部との間に配置され、前記上側収容部内から前記下側収容部内に前記微粉を通過させて排除するメッシュ部（９ｂ）を備えることを特徴とする摩擦緩和材の収容装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の摩擦緩和材の収容装置において、前記排除手段は、請求項１又は請求項２に記載の摩擦緩和材（Ｃ₁）の微粉（Ｃ₃）を排除することを特徴とする摩擦緩和材の収容装置である。

請求項４の発明は、急曲線を通過するときにレール（１ａ）と車輪（４ａ）との間に乾燥状態で噴射されて、これらの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置であって、前記摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材（Ｃ₁）を収容する緩和材収容部（９）と、前記レールと前記車輪との間に前記摩擦緩和材を供給するために、前記緩和材収容部からこの摩擦緩和材を乾燥状態で送出する緩和材送出経路（１１ａ）と、前記摩擦抵抗を増加させる増粘着材（Ｃ₂）を収容する粘着材収容部（１０）と、前記レールと前記車輪との間に前記増粘着材を供給するために、前記粘着材収容部からこの増粘着材を送出する粘着材送出経路（１１ｂ）と、前記摩擦緩和材を供給するときには前記緩和材送出経路を開放して前記粘着材送出経路を閉鎖し、前記増粘着材を供給するときには前記粘着材送出経路を開放して前記緩和材送出経路を閉鎖する送出経路切替部（１３ａ，１３ｂ）と、前記緩和材送出経路と前記粘着材送出経路とが合流する管路（１４）から送出される前記摩擦緩和材又は前記増粘着材を前記レールと前記車輪との間に噴射する噴射口（１５）とを備え、前記緩和材収容部は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の摩擦緩和材の収容装置（９）を備えることを特徴とする摩擦緩和装置（５，６）である。

この発明によると、安価な材料によってレールと車輪との間の摩擦抵抗を緩和することができるとともに、品質を安定化させることができる。

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

図１に示す線路１は、車両２が走行する通路（軌道）である。線路１は、車輪４ａ，４ｂを案内する一対のレール１ａ，１ｂなどから構成されており、レール１ａは急曲線の内軌でありレール１ｂは急曲線の外軌である。レール１ａ，１ｂは、図２に示すように、車輪２ａを直接支持する頭頂面（頭部上面）１ｃと、この頭頂面１ｃと連続する内側頭頂面１ｄとを備えている。図３に示すように、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの接触点Ｓには垂直力Ｗ及び接線力Ｆが作用し、垂直力Ｗに対する接線力Ｆの比例係数（接線力係数（トラクション係数))Ｆ／Ｗが摩擦係数であり、この摩擦係数の最大値が粘着係数である。

図１に示す車両２は、電車や気動車などの鉄道車両である。車両２は、図１に示す車体３と、台車４と、摩擦緩和装置５，６と、図３に示す曲線検出部１６と、速度検出部１７と、空転滑走検出部１８と、制御装置１９などを備えている。車体３は、乗客を積載し輸送するための構造物である。台車４は、車体３を支持して走行する装置であり、一対のレール１ａ，１ｂとそれぞれ回転接触する一対の車輪４ａ，４ｂと、車体３の上側心皿と回転自在に連結される下側心皿４ｅなどを備えている。車輪４ａ，４ｂは、図２に示すように、レール１ａ，１ｂの頭頂面１ｃと接触して摩擦抵抗を受ける踏面４ｃと、鉄道車両が急曲線を通過するときに外軌側のレール１ｂの内側頭頂面１ｄと接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面４ｄとを備えている。

摩擦緩和装置５，６は、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの間の摩擦抵抗を緩和する装置である。摩擦緩和装置５，６は、図１及び図３に示すように、車両２が急曲線を通過するときに内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材（摩擦安定材）Ｃ₁を噴射してこれらの間の摩擦抵抗を緩和させるとともに、レール１ａ，１ｂと車輪４ａ，４ｂとの間に増粘着材Ｃ₂を噴射してこれらの間の摩擦抵抗を増加させる摩擦調整装置としても機能する。摩擦緩和装置５，６は、先頭の車両２の進行方向前側の台車４の前方に車輪４ａ，４ｂとそれぞれ対応して設置されている。摩擦緩和装置５，６は、いずれも同一構造であり、以下ではレール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置５側について説明する。摩擦緩和装置５は、図３に示すように、気体噴射部７と、管路８ａ〜８ｃと、収容装置９，１０と、管路１１ａ，１１ｂと、管路１２ａ，１２ｂと、ピンチ弁１３ａ，１３ｂと、管路１４と、噴射口１５などを備えている。

気体噴射部７は、気体を噴射する装置であり圧縮空気などの圧縮気体を管路８ａ内に噴射する。管路８ａ〜８ｃは、圧縮気体を供給するゴムホース製の配管であり、管路８ａは上流側が気体噴射部７に接続されており下流側が分岐してそれぞれ管路８ｂ，８ｃに接続されている。管路８ｂは、収容装置９に圧縮気体を供給する配管であり、管路８ｃは収容装置１０に圧縮気体を供給する配管である。

図４は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の摩擦緩和材の収容装置の縦断面図である。
収容装置９は、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和材Ｃ₁を収容する装置である。収容装置９は、例えば、カーボン系材料を主成分とする摩擦緩和材Ｃ₁を収容する。収容装置９は、図４に示す上側収容部９ａと、メッシュ部９ｂと、下側収容部９ｃと、管路９ｄと、オリフィス９ｅと、噴射孔９ｆと、吸引管路９ｇと、図３に示す電磁弁９ｈとを備えている。

図４に示す上側収容部９ａは、摩擦緩和材Ｃ₁を収容する容器であり、この上側収容部９ａの底部にはホッパ状のメッシュ部９ｂが形成されている。メッシュ部９ｂは、粒径が所定値よりも小さい摩擦緩和材Ｃ₁の微粉Ｃ₃を排除する部分であり、メッシュ部９ｂには下側収容部９ｃ側に突出した凹部９ｉと、この凹部９ｉに向かって傾斜する傾斜部９ｊとが形成されている。メッシュ部９ｂは、上側収容部９ａと下側収容部９ｃとの間に配置されており、上側収容部９ａから下側収容部９ｃに摩擦緩和材Ｃ₁の微粉Ｃ₃を通過させ排除する。メッシュ部９ｂの目数は、摩擦緩和材Ｃ₁がカーボン系材料を主成分とするときには、粒径が0.3mm以下の微粉Ｃ₃を通過可能な大きさであることが好ましい。下側収容部９ｃは、摩擦緩和材Ｃ₁の微粉Ｃ₃を収容する容器であり、上側収容部９ａ内の摩擦緩和材Ｃ₁のうちメッシュ部９ｂを通過して落下してくる微粉Ｃ₃を受け止め回収する。

管路９ｄは、下側収容部９ｃ及び凹部９ｉを貫通して圧縮気体が流れる配管であり、上流側が管路８ｂに接続されており下流側が管路１１ａに接続されている。管路９ｄには、オリフィス９ｅと噴射孔９ｆとが形成されている。オリフィス９ｅは、管路９ｄ内を流れる圧縮気体を上流側から下流側に向かって噴出させる貫通孔であり、上流側と下流側との間に圧力差を生じさせる。噴射孔９ｆは、管路９ｄ内を流れる圧縮気体の一部を上側収容部９ａ内に噴出させる貫通孔であり、管路９ｄのオリフィス９ｅの下流側（高圧側）に形成されている。吸引管路９ｇは、上側収容部９ａ内の摩擦緩和材Ｃ₁を吸引して管路９ｄに排出する配管である。吸引管路９ｇは、一方の端部が上側収容部９ａ内に開口しており、他方の端部が噴射孔９ｆよりも下流側で管路９ｄに接続されている。図３に示す電磁弁９ｈは、管路９ｄを開閉する開閉弁でありオリフィス９ｅの上流側に設置されており、制御装置１９が出力する開閉信号に基づいて管路９ｄを開閉する。

図５は、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の増粘着材の収容装置の縦断面図である。
図５に示す収容装置１０は、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を増加させる増粘着材Ｃ₂を収容する装置である。収容装置１０は、例えば、摩擦係数（粘着係数）を増加させる機能を有するセラミックス粒子又は珪砂などからなる増粘着材Ｃ₂を収容する。収容装置１０は、図４に示す収容装置９に近似した構造であり、図５に示すように収容装置９側の部分に対応する部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。図５に示す収容部１０ａは、増粘着材Ｃ₂を収容する容器である。管路１０ｄは、収容部１０ａを貫通して圧縮気体が流れる配管であり、管路１０ｄの上流側は管路８ｃに接続されており管路１０ｄの下流側は管路１１ｂに接続されている。噴射孔１０ｆは、管路１０ｄ内を流れる圧縮気体の一部を収容部１０ａ内に噴出させる貫通孔である。電磁弁１０ｈは、管路１０ｄを開閉する開閉弁でありオリフィス１０ｅの上流側に設置されており、制御装置１９が出力する開閉信号に基づいて管路１０ｄを開閉する。電磁弁９ｈ，１０ｈは、いずれか一方が開状態であるときには他方が閉状態になる。

図３に示す管路１１ａは、レール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材Ｃ₁を供給するために、収容装置９から摩擦緩和材Ｃ₁を送出するゴムホース製の配管である。管路１１ａは、下流側が管路１１ｂと合流して管路１４に接続されており、摩擦緩和材Ｃ₁を圧縮気体とともに送出するゴムホース製の配管である。管路１１ｂは、レール１ａと車輪４ａとの間に増粘着材Ｃ₂を供給するために、収容装置１０から増粘着材Ｃ₂を送出する配管である。管路１１ｂは、下流側が管路１１ａと合流して管路１４に接続されており、増粘着材Ｃ₂を圧縮気体とともに供給する。管路１２ａは、電磁弁９ｈが管路９ｄを開放したときにこの管路９ｄ内を流れる圧縮気体の圧力をピンチ弁１３ｂに加える管路であり、管路１２ｂは電磁弁１０ｈが管路１０ｄを開放したときにこの管路１０ｄ内を流れる圧縮気体の圧力をピンチ弁１３ａに加える管路である。

ピンチ弁１３ａ，１３ｂは、摩擦緩和材Ｃ₁を供給するときには管路１１ａを開放して管路１１ｂを閉鎖し、増粘着材Ｃ₂を供給するときには管路１１ｂを開放して管路１１ａを閉鎖する開閉弁である。ピンチ弁１３ａは、管路１１ａを開閉しピンチ弁１３ｂは管路１１ｂを開閉する。ピンチ弁１３ａ，１３ｂは、管路１２ａ，１２ｂ内の圧縮気体の圧力に応じて可撓性を有するゴムホース製の管路１１ａ，１１ｂを締め付けて閉鎖する。ピンチ弁１３ａ，１３ｂは、電磁弁９ｈ，１０ｈが管路９ｄ，１０ｄを開放したときには、管路１２ａ，１２ｂ内が高圧になるため管路１１ａ，１１ｂを締め付ける締付力が増加し管路１１ａ，１１ｂを閉鎖する。一方、ピンチ弁１３ａ，１３ｂは、電磁弁９ｈ，１０ｈが管路９ｄ，１０ｄを閉鎖したときには、管路１２ａ，１２ｂ内が低圧になるため管路１１ａ，１１ｂを締め付ける締付力が低下し、ゴムホースの弾性力によって管路１１ａ，１１ｂを開放する。管路１４は、摩擦緩和材Ｃ₁又は増粘着材Ｃ₂を圧縮気体とともに噴射するゴムホース製の配管である。噴射口１５は、レール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材Ｃ₁又は増粘着材Ｃ₂を噴射する噴射ノズルであり、接触点Ｓの直前の踏面４ｃに向けて摩擦緩和材Ｃ₁又は増粘着材Ｃ₂を噴射する。

曲線検出部１６は、車両２が通過する曲線を検出する装置である。曲線検出部１６は、例えば、走行地点情報を記憶する地上側タグを車上側検知部によって検知して車両２の走行距離とこの走行地点情報とに基づいて急曲線とその方向を検出したり、図１に示すように台車４が下側心皿４ｅを中心として回転する回転角θを近接スイッチや加速度センサなどによって検知したりして急曲線とその方向を検出する。速度検出部１７は、車両２の速度を検出する装置であり、車輪４ａ，４ｂの回転によって発生するパルス信号に基づいて車両２の速度を検出する速度発電機などである。空転滑走検出部１８は、車両２の空転及び滑走を検出する装置である。空転滑走検出部１８は、例えば、速度検出部１７の検出結果に基づいて、力行（駆動）時に車輪４ａ，４ｂがレール１ａ，１ｂ上を滑る車輪４ａ，４ｂの空転や、ブレーキ時に車輪４ａ，４ｂがレール１ａ，１ｂ上を滑る車輪４ａ，４ｂの滑走を検出する。

制御装置１９は、曲線検出部１６、速度検出部１７及び空転滑走検出部１８の検出結果に基づいて摩擦緩和装置５，６を制御する装置である。制御装置１９は、曲線検出部１６の検出結果に基づいて回転角θが所定角度を超えており左右いずれの方向の急曲線を車両２が通過していると判断したときには、気体噴射部７を動作させるとともに電磁弁９ｈ，１０ｈを開閉させる。制御装置１９は、例えば、車両２が5〜60km／hの範囲内であるようなときには曲線半径にかかわらず摩擦緩和装置５を動作させて摩擦緩和材Ｃ₁を噴射させるが、車両２が60km／hを超えるようなときには曲線半径にかかわらず摩擦緩和装置５を動作させない。また、制御装置１９は、曲線検出部１６の検出結果や空転滑走検出部１８の検出結果に基づいて、気体噴射部７を動作させるとともに電磁弁９ｈ，１０ｈを開閉させる。

次に、この発明の実施形態に係る摩擦緩和材について説明する。
図４に示す摩擦緩和材Ｃ₁は、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和させる材料であり、摩擦係数を略一定範囲内に低減する摩擦安定材として機能する。摩擦緩和材Ｃ₁は、摩擦抵抗を緩和させる物質としてカーボン系材料を主成分とするものであり、このカーボン系材料以外に酸化鉄（マグネタイト）及び／又は黒鉛（グラファイト）を含むことが好ましい。摩擦緩和材Ｃ₁には、例えば、トロリ線との摺動部に取り付けられたパンタグラフのカーボン系すり板や、脱臭剤などに使用される活性炭などのように、カーボン（炭素）を主原料とするものを再使用することができる。

次に、この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の動作を説明する。
（急曲線通過時）
以下では、図１に示すように、左方向の急曲線を車両２が通過する場合を例に挙げて説明する。曲線検出部１６が急曲線とその方向を検出すると、この曲線検出部１６の検出結果に基づいて制御装置１９が摩擦緩和装置５を動作させる。図３に示す制御装置１９が気体噴射部７を動作させると気体噴射部７が圧縮気体を管路８ａに供給するとともに、制御装置１９が電磁弁９ｈを開放させ電磁弁１０ｈを閉鎖させる。その結果、圧縮気体が管路８ａから管路８ｂに流入するとともに、図４に示す管路９ｄに圧縮気体が流入してオリフィス９ｅを通過する。オリフィス９ｅを通過した高圧の圧縮気体が管路９ｄを流れると、上側収容部９ａ内に開口する吸引管路９ｇが管路９ｄに接続されているため、この上側収容部９ａ内が負圧になる。同時に、オリフィス９ｅを通過した高圧の圧縮気体が噴射孔９ｆから上側収容部９ａ内に流入するため、上側収容部９ａ内の摩擦緩和材Ｃ₁が吸引管路９ｇから吸引され、圧縮気体とともに図３に示す管路１１ａに流入する。

電磁弁９ｈが管路９ｄを開放しているため、圧縮気体による圧力を受けて管路１２ａ内が高圧になり管路１１ｂをピンチ弁１３ｂが閉鎖する。一方、電磁弁１０ｈが管路１０ｄを閉鎖しているため、圧縮気体による圧力が管路１２ｂ内には加わらず管路１１ａをピンチ弁１３ａが開放する。その結果、摩擦緩和材Ｃ₁が圧縮気体とともに管路１１ａから管路１４に流入して噴射口１５から噴射する。噴射口１５から摩擦緩和材Ｃ₁が噴射すると、接触点Ｓの直前の踏面４ｃに摩擦緩和材Ｃ₁が噴射されて、急曲線の内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間で摩擦緩和材Ｃ₁が踏み付けられる。このため、図１及び図２（Ａ）に示すレール１ａの頭頂面１ｃと車輪４ａの踏面４ｃとの間の摩擦抵抗が緩和されて、レール１ａと車輪４ａとの間に発生する横圧Ｑが低減される。その結果、図２（Ｂ）に示すレール１ｂの内側頭頂面１ｄと車輪４ｂのフランジ面４ｄとの間の摩擦抵抗が低減されてこれらの磨耗が防止される。なお、レール１ａと車輪４ａとの間で踏み付けられた摩擦緩和材Ｃ₁がこれらに残存することが期待できるため、摩擦抵抗の緩和効果がある程度持続される。

（摩擦緩和材の収容装置の動作）
摩擦緩和材Ｃ₁がカーボン系材料を主成分とするときには、車両２の振動などによって図４に示す上側収容部９ａ内で摩擦緩和材Ｃ₁が擦れ合い粒子の角部が摩滅して微粉Ｃ₃が発生する。メッシュ部９ｂの目数は所定の大きさに設定されているため、粒径が所定値よりも大きい摩擦緩和材Ｃ₁の粒子はメッシュ部９ｂを通過することができず上側収容部９ａ内に残存する。一方、粒径が所定値よりも小さい摩擦緩和材Ｃ₁の微粉Ｃ₃はメッシュ部９ｂを通過して下側収容部９ｃ内に落下し、上側収容部９ａ内から排除されて下側収容部９ｃ内に回収される。

（空転滑走時）
図３に示す空転滑走検出部１８が空転又は滑走を検出すると、制御装置１９が気体噴射部７を動作させて気体噴射部７が圧縮気体を管路８ａに供給するとともに、制御装置１９が電磁弁９ｈを閉鎖させ電磁弁１０ｈを開放させる。その結果、圧縮気体が管路８ａから管路８ｃを通過して図５に示す管路１０ｄに流入しオリフィス１０ｅを通過する。オリフィス１０ｅを通過した高圧の圧縮気体が噴射孔１０ｆから収容部１０ａ内に流入すると、収容部１０ａ内の増粘着材Ｃ₂が吸引管路１０ｇから吸引され、圧縮気体とともに図３に示す管路１１ｂに流入する。

電磁弁９ｈが管路９ｄを閉鎖しているため管路１１ｂをピンチ弁１３ｂが開放し、電磁弁１０ｈが管路１０ｄを開放しているため管路１１ａをピンチ弁１３ａが閉鎖する。このため、増粘着材Ｃ₂が圧縮気体とともに管路１１ｂから管路１４に流入して、接触点Ｓの直前の踏面４ｃに増粘着材Ｃ₂が噴射口１５から噴射され、レール１ａと車輪４ａとの間で増粘着材Ｃ₂が踏み付けられる。その結果、図２に示すレール１ａの頭頂面１ｃと車輪４ａの踏面４ｃとの間の摩擦抵抗が増加されて、レール１ａと車輪４ａとの間に発生する巨視的な滑りである空転や滑走が防止される。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和材には、以下に記載する効果がある。
(1) この実施形態では、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和させる物質がカーボン系材料を主成分とする。その結果、従来の摩擦調整剤のように高価な二硫化モリブデンなどを摩擦調整材として使用する必要がないため、安価な材料によってレール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を緩和することができる。また、使用済みのカーボン系すり板や活性炭などを摩擦緩和材Ｃ₁として再利用することができるためコストの低減化を図ることができる。

(2) この実施形態では、摩擦抵抗を緩和させる物質に酸化鉄及び／又は黒鉛を含むことが好ましい。このため、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗をカーボン系材料によって緩和することができるとともに、酸化鉄及び／又は黒鉛によってレール１ａと車輪４ａとの間の摩擦係数を安定化させることができる。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和材の収容装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、粒径が所定値よりも小さい摩擦緩和材Ｃ₁の微粉Ｃ₃を排除するメッシュ部９ｂを収容装置９が備える。このため、車両２の振動などによって摩擦緩和材Ｃ₁が擦れ合って角部が摩滅し微粉Ｃ₃が発生したときに、この微粉Ｃ₃を排除することができる。その結果、摩擦緩和材Ｃ₁の品質を安定化させることができるとともに、管路１１ａ，１４や噴射口１５に微粉Ｃ₃が詰まるのを可能な限り防止することができる。

(2) この実施形態では、摩擦緩和材Ｃ₁を収容する上側収容部９ａと、微粉Ｃ₃を収容する下側収容部９ｃとの間に、上側収容部９ａ内から下側収容部９ｃ内に微粉Ｃ₃を通過させて排除するメッシュ部９ｂを備える。その結果、粒径が所定値よりも大きい摩擦緩和材Ｃ₁の粒子を上側収容部９ａ内に残留させて、粒径が所定値よりも小さい微粉Ｃ₃を下側収容部９ｃ内に落下させて排出させることができる。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材Ｃ₁を収容装置９が収容し、レール１ａと車輪４ａとの間に摩擦緩和材Ｃ₁を供給するために収容装置９から摩擦緩和材Ｃ₁を乾燥状態で管路１１ａが送出する。その結果、従来の摩擦調整剤の噴射装置のような速乾性で液状の摩擦調整剤を噴射する場合とは異なり、摩擦緩和材Ｃ₁が乾燥状態で供給されるため管路１１ａ，１４や噴射口１５で摩擦緩和材Ｃ₁が詰まるのを防止することができる。また、従来の摩擦調整剤の噴射装置とは異なり、乾燥状態の摩擦緩和材Ｃ₁を供給するため、レール１ａの頭頂面１ｃに塗布してから乾燥するまで待つ必要がなく、後続の列車からではなく摩擦緩和材Ｃ₁を噴射している列車から摩擦緩和の効果を得ることができる。

(2) この実施形態では、摩擦抵抗を増加させる増粘着材Ｃ₂を収容装置１０が収容し、レール１ａと車輪４ａとの間に増粘着材Ｃ₂を供給するために収容装置１０から増粘着材Ｃ₂を管路１１ｂが送出する。その結果、レール１ａと車輪４ａとの間の摩擦抵抗を増加させて空転や滑走を可能な限り防止することができる。また、この実施形態では、摩擦緩和材Ｃ₁を供給するときにはピンチ弁１３ａが管路１１ａを開放してピンチ弁１３ｂが管路１１ｂを閉鎖し、増粘着材Ｃ₂を供給するときにはピンチ弁１３ｂが管路１１ｂを開放してピンチ弁１３ａが管路１１ａを閉鎖する。その結果、車両２の走行状況に応じて摩擦緩和材Ｃ₁の使用と増粘着材Ｃ₂の使用とを切り替えることができる。

次に、この発明の実施例について説明する。

表１は、実施例１及び比較例１〜３の潤滑剤の性状及び塗布量を示す表である。実施例１は、固体潤滑材などを低揮発性溶媒に分散させたもので外観はグリースと同様であり、安価なカーボン系材料が潤滑成分である。比較例１，２は、ともにグリース状であるが、比較例１は国産品であり、比較例２は環境保全を考慮した海外製品である。比較例３は、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材などを揮発性溶媒に分散させた輸入品であり外観はグリースと同様である。実施例１は、塗布直後からの使用が可能であり徐々に溶媒が蒸発し固化することを特徴としているが、比較例３は塗布後溶媒が完全に蒸発し固化した後に使用することを原則としている。

実施例１及び比較例１〜３の潤滑剤の粘着力特性を２円筒転がり接触試験機を用いて評価した。２円筒転がり接触試験機は、種々の車輪／レール接触問題を探求するために製作された基礎試験機であり、車輪ディスク／レールディスク間に発生するトラクション（接線力）を高精度に測定することができる。２円筒転がり接触試験機は、材質が実物と同一である車輪ディスクとレールディスクとを所定の荷重を加えて加圧接触させた状態で車輪ディスクを回転させ、この車輪ディスクに作用するトルクをトルク計によって測定する。先ず、車輪ディスク及びレールディスクを＃80のサンドペーパーによって表面仕上げし、試験開始前に両ディスクの接触部をなじませる目的と軸受の温度を適当な温度にするために、乾燥状態で５分程度の慣らし運転を実施して、自乗平均平方根粗さ(r.m.s)で約１μmの表面粗さを両ディスクに形成した。その後、実施例１及び比較例１〜３の潤滑剤をレールディスクの全周にわたり所定量塗布し、車輪ディスク及びレールディスクを接触させて、荷重１kN，周速度5km/hで回転させ両ディスクに均一に潤滑剤を塗布させた。

試験条件は、通勤形車両が急曲線を通過する際の走行を想定して周速度40km/h、接触荷重3.5kN、最大ヘルツ接触圧力672MPaとした。粘着力評価試験は、レールディスク及び車輪ディスクの回転速度をロータリエンコーダで検出しながら、永久磁石式の渦電流ブレーキにより負荷トルクを徐々に増加させ、すべりを発生させる方式で実施し、過大なすべり若しくは0.3を超えるトラクション係数が観測された時点で試験を終了した。なお、粘着力評価試験は、１回の塗布に対し繰り返し３回実施し、潤滑効果の持続性についても評価を行った。

図６は、トラクション特性の模式図である。
図６に示すトラクション特性は、トラクション係数ｔとすべり率との関係を表す曲線であり、縦軸がトラクション係数ｔであり横軸がすべり率である。ここで、トラクション係数ｔとは、レールに作用する車輪円周の接線方向の力（図３に示す接線力Ｆ）を車輪からレールに作用する垂直力（図３に示す垂直力Ｗ）で除した値（接線力係数）であり、ブレーキ力や駆動力の伝達の大きさを表し、接線力が最大値となる場合の係数を粘着係数という。また、すべり率とは、車両の走行速度と滑走又は空転車輪の周速度との差を車両の走行速度で除した値である。

図６に示す曲線Ｉは、レールと車輪とが乾燥状態であるときのトラクション特性である。曲線Ｉでは、図１に示すような急曲線の内軌側のレール１ａと車輪４ａとの間で滑りが生ずる範囲（図６に示す内軌に生ずるすべりの範囲）内でトラクション係数ｔが大きくなるため、横圧Ｑが大きくなりきしり音などが発生してしまう。曲線IIは、通常の油潤滑を使用したときのトラクション特性である。曲線IIでは、急曲線を通過（図６に示す内軌に生ずるすべりの範囲内）しているときには曲線Ｉに比べてトラクション係数ｔが小さくなり、レール１ａと車輪４ａとの間で発生する横圧Ｑを抑制できる。しかし、車両が加速又は減速してすべり率が大きくなると、トラクション係数ｔがさらに小さくなり空転や滑走が発生してしまう。曲線IIIは、理想的なトラクション特性であり、急曲線通過時に生ずるすべり率の範囲ではトラクション係数ｔが小さくなり横圧Ｑの発生を抑制し、車両の加速又は減速によって空転又は滑走に至る巨視すべりが発生した場合には瞬時に高いトラクション係数ｔに移行するような潤滑剤が望ましい。

図７は、粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフであり、図７（Ａ）は実施例１の試験結果であり、図７（Ｂ）は比較例１の試験結果であり、図７（Ｃ）は比較例２の試験結果であり、図７（Ｄ）は比較例３の試験結果である。
図７に示すように、比較例１，２は、微量の塗布にもかかわらず粘着係数（最大トラクション係数）が0.1程度と低く、しかも繰り返し３回目においても潤滑効果に大きな変化が認められないことから持続性に優れていると評価できる。このため、急曲線の内軌側のレールの頭頂面の摩擦を低減し、円滑な曲線通過を実現する反面、すべり率の増加に伴ってトラクション係数が減少することから加速又は減速に際して空転や滑走を誘発する可能性が大きい。

比較例３は、粘着係数が0.18（減速度換算値:6.35(km/h)/s)と比較的高く、この値は一般的な水潤滑状態で得られる摩擦係数と同程度であり、すべり率が増加してもトラクション係数ｔの低下は認められず、粘着上の問題を生ずる可能性は低いと推測される。しかし、繰り返し試験を行うと潤滑効果が早期に消失している。

一方、実施例１は、図６に示す理想的なトラクション特性（曲線III）に近似した測定結果であり、粘着力特性及び潤滑効果の持続性がともに良好であるため、急曲線の内軌側のレールの頭頂面の潤滑に適している。このため、レールの頭頂面と車輪の踏面との接触部に噴射することによって横圧を低減し、安全の確保と経費削減に貢献できると考えられる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
例えば、この実施形態では、鉄道用部材として鉄道用車輪及び鉄道用レールを例に挙げて説明したが、接触面と被接触面との間の相対運動によって摩擦抵抗を受ける他の鉄道用部材についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、一つの管路１４を通じて噴射口１５から摩擦緩和材Ｃ₁又は増粘着材Ｃ₂を噴射しているが、管路１１ａ，１１ｂの先端部にそれぞれ噴射口を設けることもできる。さらに、この実施形態では、摩擦緩和装置５，６を車両２側に設置した場合を例に挙げて説明したが地上側に設置して地上側からレール１ａと車輪４ａとの間に噴射することもできる。

この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置を備える車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を示す正面図であり、（Ａ）は内軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図であり、（Ｂ）は外軌側のレールと車輪との接触状態を示す正面図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の構成図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の摩擦緩和材の収容装置の縦断面図である。 この発明の実施形態に係る摩擦緩和装置の増粘着材の収容装置の縦断面図である。 トラクション特性の模式図である。 粘着特性評価試験の試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は実施例１の試験結果であり、（Ｂ）は比較例１の試験結果であり、（Ｃ）は比較例２の試験結果であり、（Ｄ）は比較例３の試験結果である。

符号の説明

１ 線路
１ａ レール（内軌）
１ｂ レール（外軌）
１ｃ 頭頂面
１ｄ 内側頭頂面
４ 台車
４ａ，４ｂ 車輪
４ｃ 踏面
４ｄ フランジ面
５，６ 摩擦緩和装置
９ 収容装置（緩和材収容部）
９ａ 上側収容部
９ｂ メッシュ部（排除手段）
９ｃ 下側収容部
９ｄ 管路
１０ 収容装置（粘着材収容部）
１０ａ 収容部
１０ｄ 管路
１１ａ 管路（緩和材送出経路）
１１ｂ 管路（粘着材送出経路）
１３ａ，１３ｂ ピンチ弁（送出経路切替部）
１５ 噴射口
Ｃ₁ 摩擦緩和材
Ｃ₂ 増粘着材
Ｃ₃ 微粉

Claims (4)

1. 急曲線を通過するときにレールと車輪との間に乾燥状態で噴射されて、これらの間の摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材を収容する摩擦緩和材の収容装置であって、
   前記摩擦緩和材は、カーボン系材料を主成分とする粒子であり、前記摩擦抵抗を緩和させる物質に酸化鉄及び黒鉛を含み、
   前記摩擦緩和材が振動によって擦れ合って微粉が発生したときに、粒径が所定値よりも小さい前記摩擦緩和材の微粉を排除する排除手段を備えること、
   を特徴とする摩擦緩和材の収容装置。
2. 請求項１に記載の摩擦緩和材の収容装置において、
   前記摩擦緩和材を収容する上側収容部と、
   前記微粉を収容する下側収容部とを備え、
   前記排除手段は、前記上側収容部と前記下側収容部との間に配置され、前記上側収容部内から前記下側収容部内に前記微粉を通過させて排除するメッシュ部を備えること、
   を特徴とする摩擦緩和材の収容装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の摩擦緩和材の収容装置において、
   前記排除手段は、請求項１又は請求項２に記載の摩擦緩和材の微粉を排除すること、
   を特徴とする摩擦緩和材の収容装置。
4. 急曲線を通過するときにレールと車輪との間に乾燥状態で噴射されて、これらの間の摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和装置であって、
   前記摩擦抵抗を緩和させる摩擦緩和材を収容する緩和材収容部と、
   前記レールと前記車輪との間に前記摩擦緩和材を供給するために、前記緩和材収容部からこの摩擦緩和材を乾燥状態で送出する緩和材送出経路と、
   前記摩擦抵抗を増加させる増粘着材を収容する粘着材収容部と、
   前記レールと前記車輪との間に前記増粘着材を供給するために、前記粘着材収容部からこの増粘着材を送出する粘着材送出経路と、
   前記摩擦緩和材を供給するときには前記緩和材送出経路を開放して前記粘着材送出経路を閉鎖し、前記増粘着材を供給するときには前記粘着材送出経路を開放して前記緩和材送出経路を閉鎖する送出経路切替部と、
   前記緩和材送出経路と前記粘着材送出経路とが合流する管路から送出される前記摩擦緩和材又は前記増粘着材を前記レールと前記車輪との間に噴射する噴射口とを備え、
   前記緩和材収容部は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の摩擦緩和材の収容装置を備えること、
   を特徴とする摩擦緩和装置。

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