JP4761834B2 - 鉄道車両用の除雪兼用排障装置 - Google Patents

Description

この発明は、冬季に降雪地帯を走行する鉄道車両の前部に取り付けられる除雪兼用の排障装置に関する。

除雪装置は軌道上の積雪を掻き分けて排除するため、積雪から作用する反力に対抗するだけの支持強度を必要とするのに対し、排障装置は軌道上の障害物に衝突したときの衝突エネルギーを吸収して緩和する緩衝機能が要求されることから、従来は、除雪装置と排障装置とは別個に設けられている。つまり、両者は相反する機能が要求されることから、排障装置とは別個にその前方に除雪装置が取り付けられている。しかし、両装置は車体台枠あるいは側構体下端縁部などに支持部材を介して支持されるため、構造が複雑になり、また重量が増加する要因にもなっている。

排障装置は、軌道上の障害物を排除するだけでなく、新幹線（登録商標）など高速鉄道車両が軌道上で障害物と衝突したときに車両の車体に与える損傷をできるだけ軽減するため、障害物による衝撃エネルギーを吸収するための緩衝機構を介在させて先頭車両の車体台枠の前部に取り付けている。排障装置本体（例えば排障板）にも緩衝機能を持たせるために、アルミ板または鋼板などの薄板を複数枚積層して構成したものが一般に使用されている。

しかしながら、この種の排障装置では、車両が高速になるに連れて増大する衝撃エネルギーに対応するため、排障板の板厚を増加させる必要がある。この結果、排障板が車体台枠より厚い鋼板になり、障害物が車両の先頭部の排障板に衝突し、その後方の緩衝機構に外力が伝達された際に排障板が変形せず、排障板での衝撃吸収作用を欠き、車体に大きな衝撃荷重を与えるおそれがある。また、排障装置全体の重量が増大するので、軽量化が要求される高速鉄道車両には不向きである。

そこで、従来より、車両が高速になるのに伴って増大する衝撃エネルギーに対応でき、しかも軽量化の要求を満たすことができる排障装置が開発されている。こうした排障装置に関する先行技術として、下記の構造のものが提案されている。すなわち、
図１６（ｂ）に示すように、車両の車体台枠の前部に設けられる緩衝装置で、走行方向前方に凸に湾曲した形状を有する、障害物が衝突したときのエネルギーを吸収する緩衝板と、該緩衝板の各辺の内側の面にそれぞれ取り付けられた、緩衝板から伝達される衝撃エネルギーを吸収するための衝撃吸収材と、各衝撃吸収材の緩衝板側と反対側の部位の変位を拘束するように当該部位に取り付けられた支持部材とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

この緩衝装置は、障害物が緩衝板に衝突したときに、緩衝板が変形することと、衝撃吸収材が、障害物が緩衝板に衝突する方向、すなわち、緩衝板から伝達される衝撃荷重の作用方向に応じて、圧壊若しくは剪断座屈、または圧壊および剪断座屈を起こすことにより、衝突時の衝撃エネルギーを吸収する。すなわち、同緩衝装置は、障害物の衝突位置によらず、衝突時の衝撃エネルギーを吸収する。これにより、緩衝装置の構造を簡素化し、緩衝装置の軽量化を図ることができる。

他の先行技術として、 図１６（ａ）に示すように、走行方向前方に凸に湾曲した緩衝板の両辺を連結する横梁と、緩衝板のレール方向中心線上で排障板と横梁との間に設けた角筒などの衝撃吸収部材とから構成される緩衝装置が提案されている(例えば、特許文献２参照)。

この緩衝装置は、障害物と衝突したときに衝撃吸収部材を軸方向に連続的に座屈させることにより、衝撃エネルギーを吸収するものである。しかしながら、この緩衝装置では、障害物が排障板のレール方向中心線上から外れた部分に衝突した場合、衝撃吸収部材を折り曲げる力が発生するため衝撃吸収部材が軸方向に連続的に座屈（圧壊）されず、衝突時の衝撃エネルギーを十分に吸収することができないことも想定される。そのため、横梁および衝撃吸収部材の個数を増したり、衝撃エネルギーを十分に吸収することができるように横梁および衝撃吸収部材を配置する必要がある。その結果、緩衝装置が複雑な構造になるとともに緩衝装置の重量が増加するという問題が生じる。

また、他の先行技術として、両側に直線部、中央部に円弧部を備えてＶ字形状をなす受障板（排障板）と、この受障板の円弧部裏側に設置されるハニカム構造の前面緩衝支持材と、この受障板の直線部裏側に設置されるハニカム構造の側面緩衝支持材と、この前面緩衝支持材および側面緩衝支持材を支持する支持部材とを備えた排障装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

この排障装置は、受障板（排障板）と一体的に形成されており、かつ受障板の内側全面に緩衝支持材が設置されており、その緩衝支持材を支持部材で支える構造となっている。したがって、障害物が受障板に衝突したときに受障板が撓みにくいので、受障板の変形による衝撃エネルギーの吸収が期待できない。また、緩衝支持材を軸方向に座屈させる際に抵抗となり、容易には座屈しない。これにより、車体に大きな反力が作用し、車体に損傷を与えるおそれがある。また、この排障装置は、受障板の内側全面に緩衝支持材を設置する必要があるので、構造が複雑になり、軽量化が困難である。
特開２００５−５３３４６号公報（３〜５頁および図１、図２） 特開２００１−５５１４１号公報（図１および図２） 特開２０００−６８０６号公報（２〜３頁および図１）

上記の特許文献１の緩衝装置は衝撃吸収の面では優れているが、除雪機能がないため、従来と同様に除雪装置を緩衝装置の前方に設置する必要があり、構造が複雑になるとともに、全体重量が増大するという点で課題が残されている。

この発明は上述の点に鑑みなされたもので、除雪装置と排障装置とを融合して一体化することにより、構造を簡略化して軽量化を図ることができ、しかも優れた衝撃緩衝機能をもつ鉄道車両用の除雪兼用排障装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る鉄道車両用の除雪兼用排障装置は、先頭車両前端部の車体台枠より下向きに延設された前方支持部材および両側後方支持部材によって支持され、前方へ向けて凸状に配置される略Ｖ字形のスノープラウを備え、前記スノープラウは両側の直線状側板の先端を鋭角状に突き合わせて一体にした構造からなり、前記スノープラウの鋭角部内側を前記両側の直線状側板に跨る枕木方向の支持板材を介して前記前方支持部材により支持するとともに、同前方支持部材には緩衝機能を具備させ、前記両側の各直線状側板の長手方向のほぼ中間位置における内側を、前記直線状側板と平行に配置される緩衝支持材を介して前記後方支持部材によりそれぞれ支持したことを特徴とする。

上記の構成を有する本発明の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、降雪時には前方支持部材および両側の後方支持部材の３つの支持部材で支持され、前方へ向けて凸状に配置される略Ｖ字形のスノープラウによって軌道上の積雪は、スノープラウの両側直線状側板に対し両側の同側板の全長にわたり反走行方向にほぼ均等に作用して両側方へ掻き分けられ排除される。つまり、積雪は障害物（例えば球体）と違ってスノープラウの両側直線状側板の全面にほぼ均等に作用するから、両側直線状側板の一部が局所的に変形するようなことがない。

一方、例えば、障害物（例えば球体）がスノープラウの中央部に正面衝突した場合、両側側板の中央突き合わせ部（先端部）は反走行方向の両側方へ湾曲するように変形し、突き合わせ部（例えば溶接箇所）が破断若しくは圧壊する。これにより、衝突時の衝撃エネルギーの一部が吸収される。同時に、スノープラウが略Ｖ字形状をなし、かつ衝撃吸収機能を有する前方および両側後方の支持部材によって支持されているので、両側の直線状側板において長手方向後方に向かう圧縮荷重（衝撃荷重）がそれぞれ生じ、これによりこの衝撃荷重が前方支持部材および両側の後方支持部材における直線状側板の内側面部位に伝達される。この結果、衝撃荷重の程度によって前方支持部材の本体部分が一部変形して衝撃を吸収し、同時に両側の直線状側板が長手方向後方にそれぞれ移動しようとするとともに、各後方支持部材の側板の内側面部位は、この部位に対応する各側板の移動方向と同一方向にそれぞれ変位しようとする。一方、後方支持部材は定位置に拘束されほとんど変位しないから、各直線状側板との間に介在する緩衝支持材が剪断座屈する。もちろん、緩衝支持材に作用する衝撃荷重の方向によっては、同時に圧壊が緩衝支持材に生じることもある。

障害物がスノープラウの一側方の直線状側板の一部分に対してほぼ垂直に衝突した場合、直線状側板の一部が内側へ窪んで変形し、これに対応する側の前後の支持部材、とくに後方支持部材を直線状側板を介して押圧する。後方支持部材の本体部分は車体台枠に対して支持され、本体も変形しにくい構造からなるので、定位置に拘束され変位しない。この結果、後方支持部材との間に介在する緩衝支持材が、剪断座屈することなく圧壊する。もちろん、この箱形緩衝支持材に作用する衝撃荷重の方向によっては、同時に剪断座屈が生じる場合もある。

障害物が一側方の直線状側板においてその長手方向の中間部位に走行方向前方からレール方向に衝突した場合、この中間部位には、上記２つの変形、すなわち圧壊と剪断座屈とを組み合わせた変形が生ずる。具体的には、直線状側板の中間部位に、その長手方向およびこれに垂直な方向の衝撃荷重がそれぞれ作用し、これにより直線状側板の中間部位が窪んで変形する。同時に、この中間部位を含む直線状側板が長手方向に移動しようとするとともに内側方にも変位する。これらに伴い、緩衝支持材の直線状側板側の部位は、この部位に対応する直線状側板の移動方向と同じ方向に変位するとともに、この移動方向に略垂直な方向に押圧される。しかし、緩衝支持材の直線状側板と反対側の部位は、その変位が支持部材により定位置に拘束されているので、ほとんど変位しない。この結果、この直線状側板の緩衝支持材側の部位には、圧壊と剪断座屈とが同時に生じる。

以上のように本発明の除雪兼用排障装置は、障害物がスノープラウに衝突したときに、一側方の直線状側板が変形することと、前方支持部材の本体部分と後方支持部材の緩衝支持材が、障害物が一側方の直線状側板に衝突する方向、すなわち、直線状側板から伝達される衝撃荷重の作用する方向に応じて、圧壊若しくは剪断座屈あるいは圧壊および剪断座屈を起こすことにより、衝突時の衝撃エネルギーを吸収する。すなわち、本発明の除雪兼用排障装置は、障害物の衝突位置によらず、衝突時の衝撃エネルギーを吸収する。

また、従来は、スノープラウと排障装置とは相反する機能を要求されることから別個に、つまり先頭車両の前部において排障装置が車体台枠に支持され、その前方にスノープラウが側構体下端部あるいは車体台枠に支持されているのに対し、本発明では要求される機能の異なるスノープラウと排障装置とを融合して一体化し、車体台枠に取り付けたので、従来の装置に比べて構造が簡素化され、装置全体の軽量化を図ることができる。

請求項２に記載のように、前記緩衝支持材は平面視長方形の箱形で、上面の長手方向にスリットを設けることが望ましい。

請求項２記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、緩衝支持材が箱形でスリットを設けているので、内部をハニカム構造にしたり発泡材を内蔵したりすることなく変形が容易であり、構造が簡略化され軽量化が図れる。そして、衝撃荷重が作用した際にスリットを中心に変形し、衝撃を吸収緩和する。

請求項３に記載のように、前記各後方支持部材は直角三角柱状の枠状体からなる本体部分を備え、同本体部分の直角部を左右対称に後部内側に対峙させ、かつ内側面をレール方向に平行に配置するとともに、外側面を前記スノープラウの直線状側板と平行に配置し、前記各本体部分の上面に垂直な下向きの管状支持材および本体部分の後面に前方下向きに傾斜した管状支持材により前記車体台枠に支持し、両側の前記後方支持部材の本体部分内側面間を管状支持材により連結することができる。

請求項３記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、両側の後方支持部材がスノープラウの両側直線状側板と平行に、かつ外側面が一定の間隔をあけてしっかりと定位置に支持されるので、衝突時には各直線状側板の変形および緩衝支持材の変形を促して衝撃を効率よく吸収させることができる。とくに後方支持部材が左右対称にかつ一体的に車体台枠に支持されるので、例えばアルミ合金のような、鋼材に比べて剛性が低いが軽量な部材で製作でき、軽量化を図れる。

請求項４に記載のように、前記緩衝支持材の内側面を金属板に溶着し、金属板を介して複数本のボルトにより前記後方支持部材の本体部分外側面に前記各ボルトが直交するように連結し、前記金属板内面と前記後方支持部材の本体部分側面間に剪断受けを固設することができる。

請求項４記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、箱形緩衝支持材と後方支持部材とが異なる金属で形成される場合でも、箱形緩衝支持材の内側面を後方支持部材の本体部分に連結することができ、しかも衝突時に連結用のボルトが剪断力を受けて切断されるのを剪断受けで阻止し、箱形緩衝支持材の変形を促して衝撃力を吸収緩和することができる。

請求項５に記載のように、前記前方支持部材は後面を開放し両側面に縦向きのスリットを有する四角筒状枠状体からなる本体部分を備え、前記支持板材に前記本体部分の両側面下部をＬ形フランジを介して複数本のボルトで連結することができる。

請求項５記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、とくに正面衝突時に前方支持部材の本体部分がスリットを中心に圧壊され、衝撃力を吸収緩和する。

請求項６に記載のように、前記先頭車両前端部において前記スノープラウの前方および両側方を取り囲み可能な平面視略Ｕ字形の下部カバーを、前記車体台枠に対し昇降可能に設けることが望ましい。

請求項６記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置によれば、スノープラウによる除雪が不要な降雪時以外は、下部カバーを降下してスノープラウを覆うことにより、走行時の空気抵抗を低減して先頭車両全体の空力特性を向上できるので、とくに時速３６０ｋｍ前後の高速で走行する新幹線（登録商標）に有効であり、外観上もスノープラウが露呈せずデザイン的にも優れる。なお、下部カバーは、通常、車体の外殻(側構体)と共通の材質、たとえばＦＲＰで形成されるので、強度的に排障機能はほとんどなく、本除雪兼用排障装置の衝撃吸収効果に与える影響は少ない。

請求項７に記載のように、前記スノープラウ、前記前方支持部材および前記緩衝支持材は鋼製とし、前記後方支持部材はアルミ合金製とすることができる。

請求項７記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置は一例であるが、アルミ合金に比べて剛性の高い鋼製と、軽量なアルミ合金とを使い分けることで、軽量で衝撃吸収効果の高い装置が達成される。

本発明の鉄道車両用の除雪兼用排障装置は、従来は別個に設けられていた除雪装置と排障装置とを融合して一体化したことによって、構造が簡略化され軽量化を図ることができる。しかも、障害物がスノープラウに衝突する位置によらず、衝突時の衝撃エネルギーを吸収することができ、先行技術に比べてより優れた衝撃緩衝機能を奏する。また、衝撃吸収を箱形にしたりスリットを設けたりすることにより達成したので、先行技術と違って、衝撃吸収材を圧壊させるために、衝撃吸収材を緩衝板の内側全面に設けたり、衝撃荷重を衝撃吸収材の軸方向に負荷するための部材を新たに追加することが不要で、構造が簡素化される、という優れた効果がある。

以下、本発明に係る鉄道車両用の除雪兼用排障装置実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を先頭車両の前部に取り付けた状態を示す、一部を省略した側面図、図２は本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を示す平面図、図３は本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を示す後ろ側上方より見た斜視図、図４は図３の平面図、図５は中心線で切除した側方断面図、図６は左半分は正面図で右半分はスノープラウ４の先端中央部および前方支持部材を削除した正面図である。

図１・図２に示すように、新幹線（登録商標）など高速鉄道車両の先頭車両１の車体台枠１ａの前端部下部に、冬季に除雪し、かつ障害物と衝突した際に車体への損傷を防止するための除雪兼用排障装置３が取り付けられ、その前方に略Ｕ字形の下部カバー２が昇降可能に車体台枠１ａに支持されている。

下部カバー２は、先頭車両１の外殻１ｂの先端下端部を構成し、外殻１ｂと共通の素材（材質）からなるＦＲＰで形成されている。下部カバー２には排障機能はなく、走行時の空気抵抗を低減する機能をもち、エアーシリンダとリンク機構を介して昇降する。具体的には、下部カバー２は、図１に示すように先頭車両１の外殻（側構体）１ｂにおける先端下端縁部に対応する、平面視略Ｕ字形状で、下部カバー２の両側先端側はそれぞれエアーシリンダ２１・２２により昇降自在に車体台枠１ａに支持されている。また、下部カバー２の両側後方寄りがそれぞれ縦長のブラケット２３を介して「く」の字形リンク２４・２４の先端に軸支され、各リンク２４はその中間屈曲部が車体台枠１ａにブラケット２５を介して上下方向に回転可能に軸着され、基端部（後端部）がそれぞれエアーシリンダ２１・２１により昇降自在に車体台枠１ａに支持されている。さらに、各リンク２４の先端近傍および基端部近傍にそれぞれ受け金具２６・２７が上向きに溶接にて突設され、下部カバー２が上方の定位置に引き上げられた状態で先端側受け金具２６の孔２６ａに挿入可能なロックシリンダ２８が車体台枠１ａに枕木方向に伸縮可能に、また下部カバー２が下端の定位置に下降した状態で基端側受け金具２７の孔２７ａに挿入可能なロックシリンダ２９が車体台枠１ａに枕木方向に伸縮可能にそれぞれブラケット３０を介して固設されている。この下部カバー２は、冬季を除き下端定位置に配置され、外殻１ｂの一部を担うが、冬季にはエアーシリンダ２１・２２により上方定位置へ引き上げた状態でロックシリンダ２８と受け金具２６により定位置に保持されることにより外殻１ｂの先端下端部が開放され、後方のスノープラウ４が露呈する。この状態で、スノープラウ４により除雪可能になる。

スノープラウ４は平面視略Ｖ字形をなし、先頭車両１に前方へ向けて凸状に配置される。またスノープラウ４は、両側の直線状側板４１・４１の先端を鋭角状に突き合わせて溶接にて一体に形成され、各直線状側板４１は、本例では比較的厚みの薄い鋼製(例えばステンレス製）板材を図３〜図６に示すように、中間部から上端部にかけて上向きに凸の円弧状に湾曲させて形成されている。各直線状側板４１の長手方向の中間位置付近（軌道位置）に、軌道上の小石などの比較的小さな障害物をはねのけて排除するためのゴム製排障板４２を各側板４１の下方へ突出させて取り付けている。図１中の符号９は車輪である。

図１〜図６に示すように、除雪兼用排障装置３は、軌道（レール）１０上の降雪を排除するスノープラウ４と、このスノープラウ４を車体台枠１ａに支持する前方支持部材５および両側の後方支持部材６・６と、スノープラウ４と各後方支持部材６間に介設され、障害物と衝突した際に自ら変形することにより衝突時の衝撃エネルギーを吸収・緩和する緩衝支持材８とを備えている。

前方支持部材５には、衝突時の衝撃エネルギーを吸収・緩和する緩衝機能を具備させている。すなわち、前方支持部材５は、後面が開放され両側面上部にそれぞれ縦向きの長方形状スリット５２が穿設されたことにより、緩衝機能を奏する略四角筒状枠体からなる本体部分５１を備え、この本体部分５１の上面に先端辺を下向きに折り曲げた広幅の薄板状天板５３を介して車体台枠１ａの下面にボルト５７にて連結されている。なお、本体部分５１の両側面５１ａの下部は後方へ向け上向きに傾斜させて切除されている。一方、スノープラウ４の先端鋭角部内側を両側の直線状側板４１・４１間に平面視台形で断面「コ」の字形の支持板材５４を跨って溶着し、この枕木方向の支持板材５４にこの後面に一体に固着した両側のＬ形フランジ５５を介して本体部分５１の両側面下部を複数本のボルト５６により連結している。

各後方支持部材６は直角三角柱状枠体からなる本体部分６１を備え、左右対称に両側の本体部分６１の直角部を後部内側に対峙させ、かつ内側面６１ａを軌道（レール）１０と平行に配置するとともに、外側面６１ｂをスノープラウ４の直線状側板４１と平行に配置した状態で、車体台枠１ａに広幅の天板６２ａを介して複数のボルト６４で連結した支持パイプ（管状支持材）６２の下端を各本体部分６１の上面に垂直に溶接して固着し、また本体部分６１の後面に車体台枠１ａにフランジ６３ａを介して複数のボルト６８で連結した前方下向きに傾斜させた支持パイプ（管状支持材）６３の下端を本体部分６１の後面に溶接にて固着することにより支持されている。この支持パイプ６３は上下に分割され、フランジ６３ｂを突き合わせて複数のボルト６５で連結されている。両側の本体部分６１は、内側面６１ａ間が支持パイプ（管状支持材）６７により一体に連結されている。

両側の直線状側板４１におけるゴム製排障板４２の取付位置にＬ形支持板４３が固設され上面の長手方向にスリット８１を設けた下端開放の箱形（正面視門形）緩衝支持材８が支持板４３と後方支持部材６の本体部分６１の外側面６１ｂ間に介設されている。箱形緩衝支持材８の外側面は長方形の薄い平板状金属板８２に一体に溶接され、この金属板８２の両側部が本体部分外側面６１ｂに直交するように複数本のボルト８３で連結されている。さらに、金属板８２には切欠き８２ａ・８２ｂが設けられ、本体部分外側面６１ｂに一体に突設された剪断受け具８４・８５が切欠き８２ａ・８２ｂに嵌め込まれている。この構造を採用したのは、本例の場合スノープラウ４および箱形緩衝支持材８（金属板８２を含む）は比較的高剛性の鋼製であるのに対し、後方支持部材６は軽量なアルミ合金製であり溶接にて連結ができないことから、ボルト８３で連結したので、衝突時にボルト８３が剪断力を受けて切断されないようにするためである。なお、これはあくまで一例で、材質、形状および寸法などは、実験または有限要素法による構造解析などにより設定される。

つぎに、以上のようにして構成される本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置についてその奏する作用について図面を参照して詳しく説明する。

図７はスノープラウの下部で降雪を排除する状態を示す一側前方より見た斜視図、
図８は本実施例の装置３に球状障害物が正面衝突（左側５ｍｍの位置）した場合の変形前の全体図と有限要素解析による緩衝支持材８の変形状態を示す図である。図９は本実施例の装置３の緩衝能力を確認するために実施した、スノープラウに質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突したときの有限要素解析による変形図である。図１０は本実施例の装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときのスノープラウ４の変位（ｍｍ）の経時変化を示す線図、図１１は本実施例の装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときの車体に作用する荷重の経時変化を従来例と比較して示す線図である。図１２は本実施例の装置３に球状障害物が正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突した場合の変形前の全体図と有限要素解析による緩衝支持材８の変形状態を示す図である。図１３は本実施例の装置３の緩衝能力を確認するために実施した、スノープラウに質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突したときの有限要素解析による変形図である。図１４は本実施例の装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときのスノープラウ４の変位（ｍｍ）の経時変化を示す線図、図１５は本実施例の装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突したときの車体に作用する荷重の経時変化を従来例と比較して示す線図である。

図１・図２において下部カバー２は冬季にだけ引き上げてロックシリンダ２８により保持し、除雪兼用排障装置３を露呈させた状態で走行するが、下部カバー２は空気抵抗低減作用だけで、排障機能はほとんどないので、仮に下部カバー２が下方定位置に保持されている状態であっても、障害物Ｂとの衝突時に下部カバー２の存在は一応無視し得る。そこで、以下は下部カバー２が上方の定位置に引き上げられているものとして、説明する。

1) 積雪状態で、図７に示すスノープラウ４に作用する雪圧荷重は、下記の表１に示すとおりである。スノープラウ４の下部に作用する全雪圧を１とし、ベクトル解析して、レール（走行）方向全荷重は１８．２ton 枕木方向荷重は０．０ton 高さ方向全荷重は−１２．２ton となる。走行方向要求全荷重の１８．２tonを満たしている。

スノープラウ４は３つの支持部材５・６・６により３点で支持され、軌道上の積雪から雪圧が作用してもしっかりと受け止め、略Ｖ字形スノープラウ４により軌道の両側方へ雪を掻き払って除去する。

2) 障害物（質量１００kgの鋼球）Ｂに先頭車両１が正面衝突したときは、スノープラウ４の先端中央部が座屈して変形する。そして、スノープラウ４から前方支持部材５および後方支持部材６・６の緩衝支持材８に衝撃荷重が伝達され、前方支持部材５の本体部分５１および後方支持部材６の緩衝支持材８が圧壊若しくは剪断座屈、または圧壊および剪断座屈する。その結果、衝突時の衝撃エネルギーが吸収される。これにより、前方支持部材本体部分５１および緩衝支持材８により衝突時の衝撃エネルギーが吸収されるので、車体台枠１ａに衝撃荷重が直接伝達されない。この結果、先頭車両１を含む車両への衝撃が大幅に緩和されることになる。なお、車両１の衝突時の速度は時速３６０ｋｍとする。

具体的には、図８・図９に示すように、除雪兼用排障装置３が障害物Ｂに対し正面衝突する場合、スノープラウ４の先端部に走行方向後方に衝撃荷重が作用する。この衝撃荷重により、スノープラウ４の先端突き合わせ部４ａが破断され、湾曲する（図９符号Ｈ１参照）。これにより、衝突時の衝撃エネルギーの一部が吸収される。同時に、スノープラウ４を介して前方支持部材５に反走行方向の圧縮荷重（衝撃荷重）が、後方支持部材６・６とその間の緩衝支持材８に直線状側板４１の長手方向後方への圧縮荷重（衝撃荷重）がそれぞれ伝達される。この結果、前方支持部材本体部分５１の両側面５１ａがスリット５２を中心に変形し圧壊される。同時に、両側の緩衝支持材８には直線状側板４１からその長手方向に沿って衝撃荷重が伝達され、同じ方向へ変位しようとする。一方、緩衝支持材８・８の内側はそれぞれ後方支持部材６の本体部分６１により堅固に支持され、定位置に拘束されているので、ほとんど変位しない。この結果、緩衝支持材８は、断面視長方形から断面視菱形に変形するが、これが剪断座屈である。これにより、衝突時の衝撃エネルギーが吸収されることになる。

ここで、除雪兼用排障装置３の変形状態を有限要素解析すると、図８・図９のようになる。上述したように、スノープラウ４の先端部４ａに破断部Ｈ１が形成され、本体部分５１が押圧変形され、また両側の緩衝支持材８・８に剪断座屈が生じていることが確認される。また、図１０に示すようにスノープラウ４の先端部４ａの下方への垂れ下がりが８４ｍｍで許容範囲内であることから、衝突後も先頭車両１は走行を継続できる状態にある。また、この場合の車体に作用する荷重の経時変化を示すと、図１１に示すように、車体に作用する荷重Ｐ１は、衝突から０．００５秒後に最大となり、０．０１５秒後にほぼ無負荷状態になる。この時の最大荷重は約１２７２ｋＮである。これは、上記特許文献１における緩衝装置の場合（Ｐ２）の最大荷重約１０００ｋＮに比べるとやや大きいが、車速が２倍近い超高速走行（本発明は３６０km/h；特許文献１は２００km/h）であるとを考慮すると、衝撃緩衝性能は特許文献１の装置に比べて低いとはいえない。また、現在一般的に使用されている排障装置（鋼板などの薄緩衝板を複数枚（４枚）積層した構造）の場合（Ｐ３）の最大荷重約２０００ｋＮに比べると、車速に大差（本発明は３６０km/h；特許文献２は２００km/h）があるにも拘わらず、極めて低い。したがって、車体に作用する衝撃荷重は上記従来の排障装置に比べて大幅に緩和されている。

また、図１２・図１３に示すように、障害物Ｂにスノープラウ４の先端から前方に向かって左側７５０ｍｍの位置(左側ゴム製排障板４２の位置)が軌道方向に衝突した場合、一側方の直線状側板４１には、その長手方向後方およびこれに垂直な方向に衝撃荷重が作用する。この衝撃荷重により、直線状側板４１は長手方向後方に変位し、同時に緩衝支持材８側に撓んで後方部分が外側へやや湾曲する。しかし、緩衝支持材８の内側は、後方支持部材６の本体部分６１により走行方向、車幅方向および上下方向に拘束されているので、ほとんど変位しない。この結果、緩衝支持材８は剪断力で後方へ変形されると同時に、内側への圧縮力で圧縮、変形されるが、前者が剪断座屈、後者が圧壊である。これにより、衝突時の衝撃エネルギーが吸収される。

ここで、除雪兼用排障装置３の変形状態を有限要素解析すると、図１２・図１３のようになる。上述したように、直線状側板４１に窪み部Ｈ２が形成され後方部分が外側へやや湾曲し、緩衝支持材８に剪断変形と圧壊が生じていることわかる。また、図１４に示すようにスノープラウ４の先端部の垂れ下がり寸法は最大８．３ｍｍで、わずかである。したがって、垂れ下がり寸法は許容範囲であるから、先頭車両１はそのまま走行可能である。また、この場合の車体に作用する荷重の経時変化を示すと、図１５に示すように、車体に作用する荷重Ｐ１は、衝突から０．００５秒後に最大となり、０．０１２秒後にほぼ無負荷状態となる。この時の最大荷重は約１１８４ｋＮである。これは、特許文献１の装置の場合（Ｐ２）の最大荷重約８００ｋＮに比べるとやや大きいが、本発明では車速が２倍近い超高速走行（本発明は３６０km/h；特許文献１は２００km/h）であることを考慮すると、衝撃緩衝性能は特許文献１の装置に比べて低いとはいえない。また、現在一般的に使用されている排障装置（鋼板などの薄緩衝板を複数枚（４枚）積層した構造）の場合（Ｐ３）の最大荷重約１５００ｋＮに比べると、車速に大差（本発明は３６０km/h；特許文献２は２００km/h）があるにも拘わらず、極めて低い。したがって、車体に作用する荷重は上記従来の排障装置に比べて大幅に緩和される。

以上に本発明に係る除雪兼用排障装置の一実施例を示したが、例えば、緩衝支持材８は箱形に限らず、中空構造にしてスリットを設けたり仕切を設けたりすることができる。また、材質については上記実施例に限定するものでなく、鋼製あるいはアルミ合金以外の金属およびエンジニアリングプラスチックなどを適用できる場合もある。

本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を先頭車両の前部に取り付けた状態を示す、一部を省略した側面図である。 本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を示す平面図である。 本発明の一実施例に係る除雪兼用排障装置を示す後ろ側上方より見た斜視図である。 図３の平面図である。 中心線（車幅方向の中間位置に直交する線）で切除した側方断面図である。 左半分は正面図で右半分はスノープラウ４の先端中央部および前方支持部材を削除した正面図である。 スノープラウの下部で降雪を排除する状態を示す一側前方より見た斜視図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３に球状障害物が正面衝突（左側５ｍｍの位置）した場合の変形前の全体図と有限要素解析による緩衝支持材８の変形状態を示す図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３の緩衝能力を確認するために実施した、スノープラウに質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突したときの有限要素解析による変形図である。 （ａ）は本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３とその衝突位置を示す斜視図、（ｂ）は質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときのスノープラウ４の変位（ｍｍ）の経時変化を示す線図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときの車体に作用する荷重の経時変化を従来例と比較して示す線図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３に球状障害物が正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突した場合の変形前の全体図と有限要素解析による緩衝支持材８の変形状態を示す図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３の緩衝能力を確認するために実施した、スノープラウに質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突したときの有限要素解析による変形図である。 （ａ）は本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３とその衝突位置を示す斜視図、（ｂ）は質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面衝突したときのスノープラウ４の変位（ｍｍ）の経時変化を示す線図である。 本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置３に質量１００kgの球状障害物が時速３６０km/hで正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に衝突したときの車体に作用する荷重の経時変化を従来例と比較して示す線図である。 （ａ）および（ｂ）は従来例を、（ｃ）は本発明の実施例に係る除雪兼用排障装置をそれぞれ示す斜視図である。

１ 先頭車両
１ａ 車体台枠
２ 下部カバー
３ 除雪兼用排障装置
４ スノープラウ
５ 前方支持部材
６ 後方支持部材
８ 緩衝支持材
２１・２２ エアーシリンダ
２３・２５・３０ ブラケット
２４ リンク
２６・２７ 受け金具
２８・２９ ロックシリンダ
４１ 直線状側板
４２ ゴム製排障板
４３ Ｌ形支持板
５１ 本体部分
５２ 長方形状スリット
５３ 薄板状天板
５４ 支持板材
５５ Ｌ形フランジ
５６・５７ ボルト
６１ 本体部分
６２・６３・６７ 支持パイプ（管状支持材）
６２ａ天板
６４・６５ ボルト
８１ スリット
８２ 平板状金属板
８２ａ・８２ｂ切欠き
８３ ボルト
８４・８５ 剪断受け具

Claims (7)

1. 先頭車両前端部の車体台枠より下向きに延設された前方支持部材および両側後方支持部材によって支持され、前方へ向けて凸状に配置される略Ｖ字形のスノープラウを備え、
   前記スノープラウは両側の直線状側板の先端を鋭角状に突き合わせて一体にした構造からなり、前記スノープラウの鋭角部内側を前記両側の直線状側板に跨る枕木方向の支持板材を介して前記前方支持部材により支持するとともに、同前方支持部材には緩衝機能を具備させ、
   前記両側の各直線状側板の長手方向のほぼ中間位置における内側を、前記直線状側板と平行に配置される緩衝支持材を介して前記後方支持部材にそれぞれ支持したこと
   を特徴とする鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
2. 前記緩衝支持材は平面視長方形の箱形で、上面の長手方向にスリットを設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
3. 前記各後方支持部材は直角三角柱状の枠状体からなる本体部分を備え、同本体部分の直角部を左右対称に後部内側に対峙させ、かつ内側面をレール方向に平行に配置するとともに、外側面を前記スノープラウの直線状側板と平行に配置し、前記各本体部分の上面に垂直な下向きの管状支持材および本体部分の後面に前方下向きに傾斜した管状支持材により 前記車体台枠に支持し、
   両側の前記後方支持部材の本体部分内側面間を管状支持材により連結したこと
   を特徴とする請求項１または２記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
4. 前記緩衝支持材の内側面を金属板に溶着し、金属板を介して複数本のボルトにより前記後方支持部材の本体部分外側面に前記各ボルトが直交するように連結し、前記金属板内面と前記後方支持部材の本体部分側面間に剪断受けを固設したこと
   を特徴とする請求項３記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
5. 前記前方支持部材は後面を開放し両側面に縦向きのスリットを有する四角筒状枠状体からなる本体部分を備え、
   前記支持板材に前記本体部分の両側面下部をＬ形フランジを介して複数本のボルトで連結したこと
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
6. 前記先頭車両前端部において前記スノープラウの前方および両側方を取り囲み可能な平面視略Ｕ字形の下部カバーを、前記車体台枠に対し昇降可能に設けたこと
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。
7. 前記スノープラウ、前記前方支持部材および前記緩衝支持材は鋼製とし、前記後方支持部材はアルミ合金製としたこと
   を特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の鉄道車両用の除雪兼用排障装置。

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