JP4705887B2 - 鉄道車輌用鋳鉄制輪子 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車輌の制動装置に使用される鉄道車輌用鋳鉄制輪子に関するものである。

従来から、鉄道車輌用のブレーキ機構には踏面方式とディスク方式があり、在来線には踏面方式が多く採用されている。この踏面方式は、車輪の踏面に制輪子を押付け、ブレーキ力を得るものである。踏面方式の鉄道車輌用鋳鉄制輪子はブレーキ性能を向上させるために、制輪子を構成する鋳鉄合金の成分を変更したものがある他に、無数の連通気孔が形成されている発泡体状のセラミックスブロック（制動ブロック）を制輪子に鋳込んだものがある。
これらの鋳鉄制輪子は、剛性が高く鉄道車輪に当接する際に弾性変形することが殆どない。また、この制輪子は車輪踏面に鋳鉄粉が付着することにより車輪踏面の粗さが増加し、車輪とレールとの間の摩擦係数を高めることができる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特許第２８７３５６９号公報 特許第３２６１４７８号公報

ところで、上述した従来技術においては、制輪子の当接面を満遍なく全範囲で車輪の踏面に当接させるのが困難であるため、ブレーキ性能の向上に限界がある。また、発泡体状のセラミックスブロックを制輪子に鋳込む場合にあっては、制輪子の摺動摩擦面におけるセラミックスブロックの面積比が何ら開示されておらず、効率的にブレーキ性能を向上し難いという課題がある。

そこで、この発明は、制輪子の当接面を満遍なく車輪の踏面に当接させることでブレーキ性能を向上し、且つ制動ブロックを鋳込むことにより耐摩耗性を改善し、効率的にブレーキ性能を向上することができる車輌用制輪子を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、弾性を有する材料によって円弧状に形成された裏板に、前記鋳鉄ブロックが一対設けられると共に、前記裏板の長手方向中央を基準にして前記鋳鉄ブロックが振り分け配置され、これら鋳鉄ブロック内であって、前記裏板の中央寄りに多孔状の制動ブロックが鋳込まれている鉄道車輌用鋳鉄制輪子であって、前記鋳鉄ブロックの制動摩擦面における前記制動ブロックの面積比が１〜３％であることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記制動ブロックは、無数の連通気孔が形成されている発泡体状の炭化ケイ素セラミックスにより形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記裏板に、前記鋳鉄ブロックが着脱自在に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、鋳鉄ブロックが裏板の曲げ弾性によって車輪踏面への追随性が向上し、車輪踏面との接触面積が増加するためブレーキ性能を向上させることができる。また、この鋳鉄ブロックに制動ブロックを鋳込むことにより、耐摩耗性を向上させることができる。この場合、制動ブロックを適正な割合（鋳鉄ブロックの制動摩擦面における制動ブロックの面積比が１〜３％）及び位置（鋳鉄ブロック内であって、バックメタルの中央寄りに制動ブロックが配置されている）に鋳込むことでブレーキ性能を確実に向上させることができる。
そして、裏板に鋳鉄ブロックが着脱自在に設けられているため、例えば、鋳鉄ブロックが摩耗した場合に、制輪子そのものを交換する必要がなく、鋳鉄ブロックのみ交換して裏板を流用することができる。このため、制輪子交換時のコストを低減できる。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、鉄道車輌用鋳鉄制輪子１は、円弧状の裏板２に一対の鋳鉄ブロック３，３が裏板２の両端に設けられたボルト４ａ、ナット４ｂによって固定されたものである。

裏板２は、弾性を有する板状の鋼が鉄道用の車輪１１に沿うように湾曲形成されたものである。この裏板２における長手方向の略中央の外面２ｂには略台形状のコッタ部５が設けられている。一方、裏板２における長手方向の略中央の内面２ａには一対の板状のストッパ６，６が幅方向に沿うようにして設けられている。これらストッパ６，６は裏板２の長手方向の中央を基準にして振り分け配置されている。また、裏板２の幅方向の両側であって、鋳鉄ブロック３，３に対応する部分に四つの側壁７が裏板２の内面２ａ側に向かって突出して設けられている。さらに、裏板２の両端に幅方向に沿う一対の側壁８，８が内面２ａ側に向かって突出して設けられ、この側壁８，８の幅方向略中央にボルト４ａ、ナット４ｂが設けられている。

スットッパ６、側壁７及び側壁８によって形成された一対の収容部９，９には、一対の鋳鉄ブロック３，３が収容されている。鋳鉄ブロック３は、耐熱性、耐摩耗性等を考慮してニッケル、クロム等の合金元素を添加した合金鋳鉄により成形された直方体のものであって、ボルト４ａがこの鋳鉄ブロック３を中央側に押圧することによりストッパ６とボルト４ａとによって挟持された状態になっている。鋳鉄ブロック３の車輪１１と対向する制動摩擦面１３は、車輪１１の踏面１２に対応するように凹状に湾曲して形成されている。また、鋳鉄ブロック３の裏板２側の背面１４は、裏板２に沿うように凸状に湾曲して形成されている。尚、鋳鉄ブロック３の背面１４は、凸状に湾曲した形状の他に、平面形状や、凹状に湾曲した形状であってもよい。

さらに、鋳鉄ブロック３にはセラミックスブロック１０が鋳込まれている。
図３に示すように、セラミックスブロック１０は炭化ケイ素粉体を焼結して円柱状に形成された発泡体であって、全体に無数の連通気孔が形成され、その開口率は８５〜９４％である。そして、このセラミックスブロック１０は、一側面を鋳鉄ブロック３の制動摩擦面１３に露出させた状態で、その全体が鋳鉄により鋳ぐるまれており、無数の連通気孔内にも鋳鉄が充填した状態になっている。

図４は、制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の面積比（制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の割合）に対する平均摩擦係数の向上割合を示したものである。
同図に示すように、鋳鉄ブロック３の制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の面積比を変化させてブレーキ試験を行い、平均摩擦係数が鋳鉄ブロック３にセラミックスブロック１０を鋳込まない場合に対してどの程度向上したかを求めた。ここで、試験条件は、ブレーキ初速度を１２５ｋｍ／ｈ、１３５ｋｍ／ｈ、１４５ｋｍ／ｈ、押付力を両抱き式で３４ｋＮ、試験回数５回、輪重を６．５ｔ相当とした。試験の結果、鋳鉄ブロック３の制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の面積比が１〜３％のとき、とりわけ略２％において、平均摩擦係数を高める効果が高いことが観察できた。

次に、鋳鉄ブロック３に鋳込むセラミックスブロック１０の最適位置を図５〜図９に基づいて説明する。尚、セラミックスブロック１０の最適位置は、鋳鉄ブロック３が車輪１１の踏面１２と接触した際の鋳鉄ブロック３の各箇所の温度を測定することによって判断できる。すなわち、最も温度の高い箇所、つまり、鋳鉄ブロック３と踏面１２とがより良好に接触している箇所にセラミックスブロック１０を配置すればセラミックスブロック１０の効果が最大限発揮される箇所となる。

図５に示すように、鋳鉄ブロック３毎に三箇所を測定箇所とした。それぞれの測定箇所Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６は、制動摩擦面１３から深さ１０ｍｍで、鋳鉄ブロック３の外側端部から４０ｍｍ，８０ｍｍ，１２０ｍｍの三箇所である。試験条件は、ブレーキ初速度を１３５ｋｍ／ｈ、押付力を両抱き式で３４ｋＮ、試験回数５回、鋳鉄ブロック初期温度を１００℃とした。尚、図５は、図示都合上車輪１１の外周（踏面１２）に対して、鋳鉄ブロック３の制動摩擦面の曲率が一致していないが、実際には図１に示すように両者は略一致している。

図６〜図９は、縦軸を鋳鉄ブロックの各測定箇所の測定温度、横軸をブレーキ時間としたときの各測定箇所とブレーキ時間との温度関係を示している。尚、図６、図７は一回目の試験の測定結果を示し、図６は左側（図５中左側）の鉄道車輌用鋳鉄制輪子１、図７は右側（図５中右側）の鉄道車輌用鋳鉄制輪子１を各々対象としている。また、図８、図９は３回目の試験の測定結果を示し、図８は左側（図５中左側）の鉄道車輌用鋳鉄制輪子１、図９は右側（図５中右側）の鉄道車輌用鋳鉄制輪子１を各々対象としている。
図６〜図９に示すように、鋳鉄ブロック３において裏板２の中央寄り（Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５）が最も温度が高いことが観察できた。

図１０は、本発明に係る鉄道車輌用鋳鉄制輪子１と現行の制輪子との平均摩擦係数（縦軸）をブレーキ回数（横軸）に応じて比較したもので、図１１は、両者の摩耗量の比較を示す。試験条件は、ブレーキ初速度を１３５ｋｍ／ｈ、押付力を両抱え式で４０ｋＮ、試験回数５回、輪重を６．５ｔ相当とした。図１０に示すように、何れのブレーキ回数においても現行の制輪子と比較して平均摩擦係数が向上していることが観察できた。また、図１１に示すように、現行の制輪子と比較して摩耗量が減少していることが観察できた。

したがって、上述の実施形態によれば、裏板２に設けられた鋳鉄ブロック３を車輪１１の踏面１２に押付ければ裏板２の曲げ弾性によって鋳鉄ブロック３の踏面１２への追随性が向上し、踏面１２への鋳鉄ブロック３の接触面積を増加させることができる。このため、ブレーキ性能を向上させることが可能となる。

また、鋳鉄ブロック３にセラミックスブロック１０を鋳込む際には、鋳鉄ブロック３の制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の面積比（制動摩擦面１３におけるセラミックスブロック１０の占める割合）を１〜３％、好ましくは略２％とし、さらに、セラミックスブロック１０を鋳鉄ブロック３内であって裏板２の中央寄りに鋳込むことで、よりブレーキ性能を向上させることが可能となる。

また、鋳鉄ブロック３が裏板２に設けられたストッパ６とボルト４ａによって挟持された状態となっているため、ボルト４ａを緩めれば容易に鋳鉄ブロック３を裏板２から脱着させることができる。このため、例えば、鋳鉄ブロック３が摩耗して鉄道車輌用鋳鉄制輪子１の交換が必要になった場合であっても、鋳鉄ブロック３のみ交換するという簡単な作業でよく、コストも低減できる。

さらに、鉄道車輌用鋳鉄制輪子１は、裏板２に鋳鉄ブロック３が着脱自在に設けられたものであるため、鋳鉄ブロック３の材質を変更したものや、鋳鉄ブロック３に鋳込ませるセラミックスブロック１０の配置を変化させたものを複数用意しておき、仕様に応じて鋳鉄ブロック３を交換するという簡単な作業でブレーキ性能を変更させることができる。

また、裏板２に設けられたストッパ６によって鋳鉄ブロック３が位置決められるため、鋳鉄ブロック３は裏板２に対して中央基準として対称配置することができると共に、例えば、鋳鉄ブロック３を交換した場合であっても、交換前の鋳鉄ブロック３の位置と交換後の鋳鉄ブロック３の位置との再現性を確保することができる。このため、鉄道車輌用鋳鉄制輪子１のブレーキ性能を安定させることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、例えば、鉄道車輌用鋳鉄制輪子１は裏板２に一対の鋳鉄ブロック３が設けられた場合について説明したが、この鋳鉄ブロック３を３個以上設けてもよい。
また、上述の実施形態では、例えば、セラミックスブロック１０は円柱状に形成されたものである場合について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、円柱形状に限られるものではない。
さらに、上述の実施形態では、例えば、セラミックスブロック１０は全体に無数の連通気孔が形成されたもので、その開口率は８５〜９４％である場合について説明したが、開口率はこれに限るものではなく、全体に無数の連通気孔が形成されたものであればよい。

本発明の実施形態における鉄道用車輌制輪子の側面図である。 本発明の実施形態における鉄道用車輌制輪子の正面図である。 本発明の実施形態におけるセラミックスブロックの斜視図である。 本発明の実施形態における制動摩擦面におけるセラミックスブロックの割合に対する平均摩擦係数の向上割合を示したグラフである。 本発明の実施形態における鉄道用車輌制輪子の測定箇所を示す側面図である。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックの温度状況を示すグラフである。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックの温度状況を示すグラフである。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックの温度状況を示すグラフである。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックの温度状況を示すグラフである。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックのブレーキ性能を示す摩擦係数比較図である。 本発明の実施形態における鋳鉄ブロックのブレーキ性能を示す摩耗量比較図である。

符号の説明

１ 鉄道車輌用鋳鉄制輪子
２ 裏板
３ 鋳鉄ブロック
４ａ ボルト
４ｂ ナット
１０ セラミックスブロック（制動ブロック）

Claims (3)

1. 弾性を有する材料によって円弧状に形成された裏板に、前記鋳鉄ブロックが一対設けられると共に、前記裏板の長手方向中央を基準にして前記鋳鉄ブロックが振り分け配置され、これら鋳鉄ブロック内であって、前記裏板の中央寄りに多孔状の制動ブロックが鋳込まれている鉄道車輌用鋳鉄制輪子であって、
   前記鋳鉄ブロックの制動摩擦面における前記制動ブロックの面積比が１〜３％であることを特徴とする鉄道車輌用鋳鉄制輪子。
2. 前記制動ブロックは、無数の連通気孔が形成されている発泡体状の炭化ケイ素セラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車輌用鋳鉄制輪子。
3. 前記裏板に、前記鋳鉄ブロックが着脱自在に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄道車輌用鋳鉄制輪子。

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