JP4541265B2 - 浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造 - Google Patents

Description

本発明は、浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造に関するものである。

磁気浮上式鉄道において軌道の全線に亘って敷設される地上コイルは、長期の屋外使用が前提となるばかりでなく、実用の際には膨大な数が対象となる。従って、地上コイルの開発においては、徹底したコストの低減と高い信頼性の確保をいかにして両立させるかが、重要な開発課題となっている。

特に、屋外の振動環境下で使用される地上コイルの締結構造の良否は、営業時の保守管理コストに大きく影響を及ぼすばかりでなく、システムの信頼性そのものを左右しかねない重要な要素となっている。

地上コイルの締結に関しては、従来から種々の方法がある。例えば、（１）コイルを直接ボルトで締結する、（２）締結用ＦＲＰ部材を介してコイルを間接的に締結する、（３）ＦＲＰ部材を介してコイルを鉄筋に締結しコンクリートにて埋め込み固定を図ることが検討され、それぞれに一長一短を有するものの、コイル交換を含めた作業性において優位な（１）のボルト締結方式が現時点での有力候補となっている。

例えば、地上コイル取り付け構造において、図１１に示すように、軌道構造物１０１に設けられたインサート１０２に地上コイル取り付け部１０３を対応させ、その地上コイル取り付け部１０３の開口部１０４に機械的強度が高い材料からなるブッシュ１０５を設けるようにしたり（下記特許文献１参照）、図１２に示すように、コンクリート軌道２０１に取り付けるための取付座２０２を有し、導体２０３が所定形状に巻回されてなるコイル２０４と、内部にコイル２０４を埋め込んでコイル２０４を支持するモールド樹脂２０５と、貫通する取付穴２０６を有し、両端面がモールド樹脂２０５の表面に露出するように、モールド樹脂２０５の取付座２０２に埋め込まれたブッシュ２０７とを設けることが提案されている（下記特許文献２参照）。
特開平６−２３６８１１号公報 特開平９−３２０８４３号公報

しかしながら、従来の地上コイルの締結に関しては、以下のような問題点がある。

（１）圧縮クリープによる緩み
浮上式鉄道用地上コイルは鉄心のない空心コイルであるため、車上の超電導磁石との間に作用する繰り返し電磁力を保持するために巻線コイルを樹脂で一体成形する必要がある。

つまり、モールド樹脂には電気絶縁機能に加え、締結部材としての機械的強度が要求されている。

ところが、コイルを直接ボルトで締結した場合、ボルトの締結軸力によりモールド樹脂に圧縮クリープ（圧縮変形）が生じ、ボルトの軸力抜けによる緩みが生じることが問題となっている。

これは、日常の保守点検コストを増大させるばかりでなく、締結構成そのものの信頼性を著しく悪化させている。

（２）金属ブッシュのガタ発生
そこで、最近の地上コイル締結部においては、上記圧縮クリープによるボルトの軸力抜けを回避するため、締結部に圧縮クリープを事実上無視できる金属（ＳＵＳ）ブッシュを配置し、モールド樹脂と一体化させることにより締結部の改良を図った（上記引用文献１及び２参照）。

ところが、金属ブッシュ〜モールド樹脂界面を意図的に非接着としている（界面を接着とした場合、ボルト締結時の局部的応力集中によりモールド樹脂に亀裂を生ずるため）ことから、車両通過時の繰り返し電磁力により界面の相対変位が大きくなり、手で容易に動かせるほどのガタが発生し、上記（１）と同様に大きな問題となっている。

本発明は、上記状況に鑑みて、圧縮クリープによる緩みや取り付け部のガタつきを防止することができる浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造において、内層としてＣＦＲＰ強化層（２）と、このＣＦＲＰ強化層（２）の外層にＧＦＲＰ準強化層（３）と、そのＧＦＲＰ準強化層（３）の外層である最外層に応力緩和層（４）とを積層した厚肉ＦＲＰブッシュ（１）を、浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結穴（６）の周りに配置し、モールド樹脂（７）で一体成形することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造において、前記ＣＦＲＰ強化層（２）の内側の最内層に熱可塑性樹脂層（１２）を形成することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造において、前記応力緩和層（４）の外周面に窪み部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結部の物性の極端な不連続界面をなくし、浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結部の強化を図ることができる。つまり、ボルトの締結部の圧縮クリープを抑えるとともに、ボルトの締結部のガタつきを防止することができる。

（２）浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結部のブッシュ部を、浮上式鉄道用地上コイルを成形するモールド樹脂とは別パーツ化することにより、品質（材料、寸法精度）管理をしやすくし、低コスト化を図る。

（３）ＦＲＰの材質や積層構造を見直すことにより、浮上式鉄道用地上コイルの用途に応じ、ボルト締結部の要求機能により近づけることができる。

本発明の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造は、内層としてＣＦＲＰ強化層（２）と、このＣＦＲＰ強化層（２）の外層にＧＦＲＰ準強化層（３）と、そのＧＦＲＰ準強化層（３）の外層である最外層に応力緩和層（４）とを積層した厚肉ＦＲＰブッシュ（５）を、浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結穴（６）の周りに配置し、モールド樹脂（７）で一体成形する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの斜視図、図２はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの上面図、図３はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの断面図、図４はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュをコイル締結部に用いた状態を示す断面図、図５はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの受圧面を示す図である。

本発明では、ＳＷ（シートワインディング）製法による積層構造の厚肉ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）パイプを製作し、図１〜図３に示すように、適当な長さに裁断、外周を機械加工することにより、ＦＲＰブッシュを作成し、図４に示すようにコイル締結部に用いる。

更に詳細に説明すると、積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１は内層に強化層（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）２、その強化層２の外層に準強化層（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）３、その準強化層３の外層（最外層）に応力緩和層４を設けるようにしている。また、図４に示すように、モールド樹脂（エポキシ樹脂）７で成形された浮上式鉄道用地上コイル（図示なし）を締結するボルト５のためのボルト締結穴６の周りに積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１が配置される。

本発明の積層型厚肉ＦＲＰブッシュの特長は、次に示す通りである。

（１）圧縮クリープの対策として強化層（ＣＦＲＰ）２を用いている。通常のＦＲＰ板では、強化繊維が締結時の圧縮方向に対し積層方向を構成するため、効果が十分発揮されない。これに対して、本発明では、圧縮と同方向に強化繊維を配置しているため、耐クリープ特性が格段に向上し、長期使用に対するクリープ変形を事実上無視できる。

長期負荷に対するクリープ変形を無視できるレベルは、静的強度の３０％未満とされている。強化層（ＣＦＲＰ層）（繊維方向０度時）２の圧縮強度は約１０００Ｍｐａであるため、積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１の破壊荷重は６４０ｋＮとなる、一方、ボルト５の締結時の設定軸力は３０〜４０ｋＮ程度であるため、静的強度の数％程度と圧縮クリープは無視できる。

（２）最外層に応力緩和層４（ＧＦＲＰ±４５度）を設けることにより、ボルト締結時の積層型ＦＲＰブッシュ１の微小傾斜に対しモールド樹脂７への無理な応力集中を回避できる。従来の金属ブッシュでは両者の機械物性（特に弾性係数）が桁違いであったため、ブッシュの傾斜による応力集中が避けられず、界面を接着させることができなかった。これに対して、本発明の積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１の応力緩和層４には、±４５度方向のガラスクロスを用いることにより、弾性係数を通常の３０Ｇｐａ前後から４Ｇｐａ程度まで低下させることができ、モールド樹脂（約１３Ｇｐａ）と接着させても積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１の微小傾斜に対し、十分に応力緩和が可能となる。

（３）強化層（ＣＦＲＰ）２と応力緩和層４の間に準強化層３（ＧＦＲＰクロス）を設けることにより、物性的に連続した積層構造を提供することができる。

図６は本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰパイプの一部破断斜視図、図７はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの上面図、図８はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの断面図、図９はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュを浮上式鉄道用地上コイル締結部に用いた状態を示す断面図、図１０はその積層型厚肉ＦＲＰブッシュの受圧面を示す図である。

図６に示すように、ＳＷ（シートワインディング）製法による積層構造の厚肉ＦＲＰパイプ１０を製作し、適当な長さに裁断、外周を機械加工することにより、図７〜図９に示すように、積層型厚肉ＦＲＰブッシュ１１としてコイル締結部に適用する。

詳細に説明すると、積層構造の厚肉ＦＲＰブッシュ１１は最内層に保護層としての熱可塑性樹脂層（ポリプロプレンＰＰ，ポリエチレンＰＥ等）１２、その熱可塑性樹脂層１２の外層に強化層（ＣＦＲＰ）１３、その強化層１３の外層に準強化層（ＧＦＲＰ）１４、その準強化層の外層（最外層）に応力緩和層１５が設けられている。なお、１６は浮上式鉄道用地上コイルを締結するボルト、１７はそのボルト締結穴、１８は浮上式鉄道用地上コイルのモールド樹脂（エポキシ樹脂）である。

本発明の積層構造の厚肉ＦＲＰブッシュの特長は、上記第１実施例におけるＦＲＰブッシュの特長に加えて、最内層に熱可塑性樹脂層を形成するようにしている。すなわち、
（１）圧縮クリープの対策としてＣＦＲＰの強化層１３を用いる。通常のＦＲＰ板では、強化繊維が締結時の圧縮方向に対し積層方向を構成するため、効果が十分発揮されない。これに対して、本発明では圧縮と同方向に強化繊維を配置しているため、耐クリープ特性が格段に向上し、長期使用に対するクリープ変形が事実上無視できる。

長期負荷に対するクリープ変形が無視できるレベルは、静的強度の３０％未満とされている。ＣＦＲＰ層（繊維方向０度時）の圧縮強度は約１０００Ｍｐａであるため、ＣＦＲＰ層の破壊荷重は６４０ｋＮとなる、一方、ボルト締結時の設定軸力は３０〜４０ｋＮ程度であるため、静的強度の数％程度と圧縮クリープは無視できる。

（２）最外層に応力緩和層１５（ＧＦＲＰ±４５度）を設けることにより、ボルト１６締結時のブッシュの微小傾斜に対しモールド樹脂への無理な応力集中を回避できる。従来の金属ブッシュでは両者の機械物性（特に弾性係数）が桁違いであったため、ブッシュの傾斜による応力集中が避けられず、界面を接着させることができなかった。これに対して、本発明の積層構造の厚肉ＦＲＰブッシュの応力緩和層には、±４５度方向のガラスクロスを用いることにより、弾性係数を通常の３０Ｇｐａ前後から４Ｇｐａ程度まで低下させることができ、モールド樹脂（約１３Ｇｐａ）と接着させても積層構造の厚肉ブッシュの微小傾斜に対し、十分に応力緩和が可能となる。

（３）強化層（ＣＦＲＰ）１３と応力緩和層１５の間に準強化層１４（ＧＦＲＰクロス）を設けることにより、物性的に連続した積層構造を提供することができる。

（４）最内層としての熱可塑性樹脂層１２（ＰＰ，ＰＥ等）の熱可塑性樹脂を用いることにより、積層構造の厚肉ＦＲＰブッシュを保護すると同時に、締結ボルトとの摺動によるブッシュ内周の磨耗を防止することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造は、圧縮クリープによる緩みや取り付け部のガタつきを防止することができる浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造として好適である。

本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの斜視図である。 本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの上面図である。 本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの断面図である。 本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュをコイル締結部に用いた状態を示す断面図である。 本発明の第１実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの受圧面を示す図である。 本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの斜視図である。 本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの上面図である。 本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの断面図である。 本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュを浮上式鉄道用地上コイル締結部に用いた状態を示す断面図である。 本発明の第２実施例を示す積層型厚肉ＦＲＰブッシュの受圧面を示す図である。 従来の地上コイルの締結部の構造（その１）を示す断面図である。 従来の地上コイルの締結部の構造（その２）を示す断面図である。

符号の説明

１，１１ 積層型厚肉ＦＲＰブッシュ
２，１３ 強化層（ＣＦＲＰ）
３，１４ 準強化層（ＧＦＲＰ）
４，１５ 応力緩和層
５，１６ ボルト
６，１７ ボルト締結穴
７，１８ モールド樹脂（エポキシ樹脂）
１０ 積層構造の厚肉ＦＲＰパイプ
１２ 熱可塑性樹脂層（ポリプロプレンＰＰ，ポリエチレンＰＥ等）

Claims (3)

1. 内層としてＣＦＲＰ強化層（２）と、該ＣＦＲＰ強化層（２）の外層にＧＦＲＰ準強化層（３）と、該ＧＦＲＰ準強化層（３）の外層である最外層に応力緩和層（４）とを積層した厚肉ＦＲＰブッシュ（１）を、浮上式鉄道用地上コイルのボルト締結穴（６）の周りに配置し、モールド樹脂（７）で一体成形することを特徴とする浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造。
2. 請求項１記載の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造において、前記ＣＦＲＰ強化層（２）の内側の最内層に熱可塑性樹脂層（１２）を形成することを特徴とする浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造。
3. 請求項１記載の浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造において、前記応力緩和層（４）の外周面に窪み部を形成することを特徴とする浮上式鉄道用地上コイルの締結部の構造。

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