JP6106282B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、床下を覆う床下カバーを備えた鉄道車両に関し、より詳細には、床下カバーを備えた鉄道車両の耐火構造に関する。

鉄道車両は、台枠、側構体、妻構体、及び屋根構体が接合して構成された車両構体を備えている。台枠は、一般に、車両長手方向（レール方向）に延びる一対の側梁と、一対の側梁を車両幅方向（枕木方向）に連結する複数の横梁とを備えている。横梁には、主変圧器などの床下機器が吊金具を介して吊り下げられている。

特に高速車両においては、車両の床下が床下カバーで覆われたものがある。この床下カバーは、車両の床下に取り付けられた床下機器を障害物や着氷雪などから保護したり、車両まわりの空気の流れや車両の外観形状を整えたりするために、車両の側に沿って台枠の下部に設けられる。特許文献１には高速車両のための床下カバー（フロアパン）が示されている。この床下カバーは、台枠に骨組みを介して支持された保護床と、保護床の車両幅方向側端と台枠の間を覆うサイドパネルで構成されている。

ところで、鉄道車両の台枠に対しては、床下火災を考慮した耐火基準が設けられている。例えば、米国では、ＡＳＴＭ Ｅ−１１９ Standard Methods of Fire Tests of Building Construction and Materialsに、耐火試験体及び耐火試験の方法が規定されている。ここでは、例えば、加熱されている耐火試験体が指定された時間にわたり指定された温度以下であることなどの、耐火試験の相対的な尺度が提供されている。

特許文献２では、耐火構造を備えた鉄道車両の台枠が示されている。この台枠の横梁は断熱材で覆われ、さらにこの断熱材が防熱板で覆われている。さらに、横梁に支持された気密床の全下面が断熱材及び防熱材で覆われている。

国際公開ＷＯ２０１１／０４２４１９号公報 国際公開ＷＯ２０１２／０６３７２１号公報

一般的に、伝熱形態は、熱伝導、熱伝達、熱放射（輻射）に分類され、鉄道車両の床下火災においては、熱伝導と輻射が伝熱形態の主要な因子である。

特許文献１に記載された鉄道車両では、床下カバーが耐火構造を備えていない。もし、この鉄道車両で床下火災が生じると、アルミニウム合金製の車両構体は火災に暴露されて高温となる保護板からの輻射伝熱を直接受ける。この結果、車両構体のうち特に下端に位置する横梁の温度が急激に上昇し、短時間で車両構体が崩壊するおそれがある。このような横梁の急激な温度上昇を回避するために、横梁に特許文献２に記載されているような耐火構造を備えることができる。しかし、横梁に断熱材と防熱板を備えるとなると、作業時間とコストがかかるだけでなく、車両重量が著しく増加する。また、横梁が断熱材と防熱板で覆われることによって、床下艤装が難しくなる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、耐火性能を備えた床下構造を有する鉄道車両を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄道車両は、車両幅方向両端において車両長手方向に延びる一対の側梁、及び、前記一対の側梁を前記車両幅方向に繋ぐ複数の横梁を有する台枠と、前記横梁に吊り下げられた少なくとも1つの床下機器と、前記台枠の床下を覆う床下カバーとを備えており、
前記床下カバーが、前記床下機器より下方に位置し、且つ、前記床下カバーの底部のうち平面視で前記床下機器と重複しない範囲に配設されたステンレス製の上下の板状部材を有し、前記上下の板状部材が少なくとも一部分において上下に離間しているものである。

上記構成の鉄道車両によれば、床下カバーが備える上下の板状部材間に空気層が形成される。この空気層及び上側の板状部材により、床下カバーが床下火災における高温に曝された場合に、下側の板状部材から車両の床下への輻射熱が遮られる。しかも、上下の板状部材はステンレス製であるので、火災における高温下で構造維持性を確保することができる。床下カバーがこのような耐火性能を備え、この床下カバーで鉄道車両の床下が覆われることにより、床下火災の発生時に、車両構体への輻射入熱が抑制され、車両構体の急激な温度上昇を回避することができる。そして、上下の板状部材が床下カバー８０の底部に選択的に配置されることにより、鉄道車両に床下火災に対する耐火性能を備えることと、車両の軽量化とを実現することができる。

本発明によれば、床下カバーが下方から加熱されたときに、上下の板状部材の間に形成された空気層と上側の板状部材とにより、床下カバーから床下への輻射熱が遮られる。このような耐火性能を備えた床下カバーで鉄道車両の床下が覆われることによって、鉄道車両の床下構造が耐火性能を備え、これにより鉄道車両の耐火性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両の台枠及び床下の車両幅方向断面略図である。 吊金具を車両長手方向から見た図である。 吊金具を車両幅方向から見た図である。 床下カバーの平面図である。 底塞ぎ板の平面図である。 底塞ぎ板を車両長手方向から見た図である。 底塞ぎ板と床下機器の配置例を示す車両の平面図である。 床下カバーの底部に選択的に配置された床カバーを示す図である。 床下カバーを備えた鉄道車両の耐火性能の評価結果を示す図表である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る鉄道車両は、台枠、側構体、妻構体、及び屋根構体が接合して構成された車両構体を備えている。図１は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両の台枠及び床下の車両幅方向断面略図である。図１に示されるように、車両構体の最下部に設けられた台枠１１は、車両長手方向（以下、単に長手方向Ｘという）に延びる一対の側梁１２と、一対の側梁１２を車両幅方向（以下、単に幅方向Ｙという）に連結する複数の横梁３とを備えている。横梁３は、長手方向Ｘに６００ｍｍ〜１０００ｍｍのピッチで設けられている。

台枠１１の上には、気密床１４が設けられている。気密床１４の上には、長手方向Ｘに延びる複数の床受部材１５が幅方向Ｙに間隔をおいて立設されている。この床受部材１５により、気密床１４の上方に所定間隔をあけて配置された客室床１６が支持されている。

横梁３の長手方向Ｘ断面形状は略Ｉ字形であって、上部に床支持部３１が形成され、下部に吊り溝部３３が形成され、床支持部３１と吊り溝部３３との間はウエブ３２で接続されている。横梁３のウエブ３２には、電線や空気配管等が挿通される複数の配管孔３２ａが設けられている。横梁３の吊り溝部３３には、吊り下げボルト１８の頭部が挿入される。そして、吊り下げボルト１８と、この吊り下げボルト１８に結合されたブラケット１９とを介して、床下機器１０が横梁３に支持されている。

鉄道車両の床下、即ち、台枠１１の下方は、床下カバー８０で覆われている。床下カバー８０は、台枠１１の床下の側部を覆う複数の側カバー９と、台枠１１の床下の底部を塞ぐ複数の床カバー８とを備えている。床下カバー８０は、吊金具７を介して横梁３に吊り下げ支持されている。床カバー８は、鉄道車両の床下に設けられた床下機器１０よりも下方に位置している。

図２は吊金具７を車両長手方向Ｘから見た図であり、図３は吊金具７を車両幅方向Ｙから見た図である。図２では、吊金具７の幅方向Ｙの一方の端部が部分的に示されている。図２及び図３に示されるように、吊金具７は、幅方向Ｙに離れた一対の柱部７１と、各柱部７１の上端部に設けられた接続部７３と、一対の柱部７１の下端部を幅方向Ｙに連結する梁部７４と、一対の柱部７１の下端部において柱部７１の幅方向Ｙ外側に設けられた側支持部７５とを一体的に備えている。この吊金具７は、長手方向Ｘから見て上下逆の門形状を成している。

吊金具７の接続部７３は板状であって、横梁３の吊り溝部３３に頭部が挿入された吊り下げボルト１８のねじ部が挿通されている。この吊り下げボルト１８を含む締結具により、横梁３の吊り溝部３３と吊金具７の接続部７３とが締結されている。なお、横梁３の吊り溝部３３と吊金具７の接続部７３との間には取付金受７２が介装されている。

吊金具７の側支持部７５には、側板固定部材９１が取り付けられている。側板固定部材９１は、吊金具７の下端から幅方向Ｙ外方へ突き出しており、側板固定部材９１の幅方向Ｙ端部と側カバー９の下端部とが結合されている。側カバー９の上端部は、側梁１２の下端部と結合されている。このようにして、側梁１２の下方が側カバー９で覆われている。

吊金具７の梁部７４には、支持面７４ａと、支持面７４ａと略直交する補強面７４ｂとが設けられている。床カバー８の長手方向Ｘの端部が、梁部７４の支持面７４ａに載置されている。図４の床下カバー８０の平面図に示されるように、長手方向Ｘに隣り合う横梁３の各々に吊金具７が取り付けられており、長手方向Ｘに隣り合う吊金具７の梁部７４に架け渡される態様で、床カバー８が横梁３に支持されている。

図５は床カバー８の平面図、図６は床カバー８を車両長手方向Ｘから見た図である。図５では、床カバー８の紙面左半分が遮蔽板８１を透過して示されている。図５及び図６に示されるように、床カバー８は、上下に重ねられたステンレス製の板状部材を備えている。上側の板状部材は遮蔽板８１であり、下側の板状部材は塞ぎ板８２である。

塞ぎ板８２は、平面視略矩形状であって、その四隅は切り欠かれて面取りされている。塞ぎ板８２の長手方向Ｘ両端部には、塞ぎ板８２の下に補強板８３が重ね合わされている。塞ぎ板８２と補強板８３とは、図示されないリベットにより適宜位置で締結されている。また、塞ぎ板８２には、長手方向Ｘに延びる突条８２ａが、幅方向Ｙに複数形成されている。

遮蔽板８１は、平面視略矩形状であって、平面視において塞ぎ板８２と略同じ外形を有している。遮蔽板８１の幅方向Ｙ断面形状はハット状であり、幅方向Ｙ両端に形成されたフランジ部８１ｂと、フランジ部８１ｂ間に形成された遮蔽部８１ａとを一体的に有している。

遮蔽板８１の遮蔽部８１ａは、塞ぎ板８２から上下方向に離間している。離間している遮蔽板８１の遮蔽部８１ａと塞ぎ板８２との間には、輻射熱遮断層としての空気層８４が形成されている。本実施形態において、塞ぎ板８２と遮蔽板８１の遮蔽部８１ａとは、狭いところで１０〜２０ｍｍ程度、広いところで２０〜３０ｍｍ程度、上下方向に離間している。但し、塞ぎ板８２と遮蔽板８１の遮蔽部８１ａの離間距離は上記に限定されない。

遮蔽板８１の遮蔽部８１ａと塞ぎ板８２との距離を保持するために、これらの間にはステンレス製のスペーサ８５が設けられている。スペーサ８５により、遮蔽板８１の遮蔽部８１ａと塞ぎ板８２とが離間されるとともに、これらが上下方向に連結されている。なお、本実施形態において、遮蔽板８１の厚さは１mm程度である。このような厚みの板状部材は車両の走行中に振動して異音が発生するなどの不都合が考えられるが、遮蔽板８１と塞ぎ板８２との間にスペーサ８５が設けられることで、床カバー８が床下火災における高温に曝されても遮蔽板８１と塞ぎ板８２の離間距離が保たれ、遮蔽板８１と塞ぎ板８２の間の空気層８４が維持される。

塞ぎ板８２と遮蔽板８１のフランジ部８１ｂは、ロックボルト等の締結具により上下に結合されている。このようにして、遮蔽板８１と塞ぎ板８２とが一体化されている。また、塞ぎ板８２の長手方向Ｘ端部は、吊金具７の梁部７４に、ボルトとネジ座から成る締結具によって固定されている。このように、床カバー８は吊金具７に対して着脱可能に取り付けられている。例えば、床下機器１０をメンテナンスする際には、床カバー８が吊金具７から取り外される。

図４に示されるように、上記構成の床カバー８が複数敷き詰められて、床下カバー８０の底面が形成されている。各床カバー８は、長手方向Ｘに隣り合う吊金具７に架け渡されている。床カバー８の四隅が面取りされているが、床カバー８の四隅の切欠きは、床カバー８同士の突合せ部に火炎が流入する開口が生じない程度の大きさに定められている。また、幅方向Ｙに隣接する床カバー８の間には間隙が生じるが、この間隙の大きさは火炎が流入しない十分に小さな値（例えば、５mm程度）に定められている。

床カバー８の艤装は、塞ぎ板８２と遮蔽板８１を予め結合し、遮蔽板８１が取り付けられた塞ぎ板８２を吊金具７に取り付ける手順で行われる。但し、吊金具７に塞ぎ板８２を取り付けてから、塞ぎ板８２に遮蔽板８１を取り付ける手順で、床カバー８が床下に艤装されてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る鉄道車両の床下構造は、鉄道車両の床下、即ち、台枠１１の下方を覆う床下カバー８０を備えている。この床下カバー８０は、床下の底部を塞ぐ複数の床カバー８と床下の側部を覆う複数の側カバー９から成り、吊金具７を介して台枠１１の横梁３に吊り下げ支持されている。さらに、床カバー８は、上下の板状部材（遮蔽板８１と塞ぎ板８２）を備え、この上下の板状部材が少なくとも一部分において上下に離間した二重構造を有している。このようにして、床カバー８の上下の板状部材間に空気層８４が形成されている。上記構成の鉄道車両の床下構造により、床下火災などで床下カバー８０が高温に曝されたときに、塞ぎ板８２からの輻射熱が遮蔽板８１により遮られる。しかも、床カバー８を構成している遮蔽板８１と塞ぎ板８２はいずれもステンレス製であり、床下火災における高温にも耐えることができる。このように鉄道車両の床下への輻射入熱が抑制されることで、鉄道車両の耐火性能が高められている。従って、鉄道車両の床下火災発生時に、車両構体の急激な温度上昇を回避し、車両構体の早期の崩壊を防止することができる。

上記鉄道車両の床下構造は、床下カバーを備えた既存の鉄道車両にも容易に適用させることができる。例えば、既存の鉄道車両の床下カバーの底面を形成している塞ぎ板に、遮蔽板を取り付ければよい。これにより、床下カバーの塞ぎ板と遮蔽板との間に空気層が形成され、遮蔽板８１により床下カバーから床下への輻射入熱が遮られる。

以上に本発明の好適な実施形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

例えば、上記実施形態に係る床下カバー８０において、上下に離間している塞ぎ板８２と遮蔽板８１との間には空気層８４が介在しているが、空気層８４に代えて断熱材層を備えることもできる。この場合、床カバー８の遮蔽板８１と繋ぎ板８２との間に、断熱材が介装される。これにより、塞ぎ板８２と遮蔽板８１との間に断熱材層が形成されるので、床下火災などで床カバー８が下方から加熱されたときに、塞ぎ板８２から床下への輻射入熱を更に効果的に低減することができる。なお、断熱材としては、例えば、１０００℃以上の耐熱性を有するセラミックファイバーを採用することができる。

また、例えば、上記実施形態に係る吊金具７は、軽量化のためにアルミニウム合金製であるが、耐火性能を高めるために部分的に又は全体がステンレス製であってもよい。吊金具７が部分的にステンレス製である場合、吊金具７の梁部７４、側支持部７５及び柱部７１の下部をステンレス製とし、接続部７３及び柱部７１の上部をアルミニウム合金製としてよい。或いは、吊金具７の梁部７４、及び側支持部７５をステンレス製とし、接続部７３及び柱部７１をアルミニウム合金製としてよい。上記いずれによっても、鉄道車両の軽量化と吊金具７に耐火性能を備えることとを両立させることができる。

また、例えば、上記実施形態において、床カバー８が床下カバー８０の底部に敷き詰められているが、床カバー８は床下カバー８０の底部に選択的に配置されてもよい。図７は床カバー８と床下機器１０の配置例を示す車両の平面図である。図７において、鉄道車両の床下に設けられた、水タンク、電動機冷却送風機、電磁弁箱、空気タンク、ブレーキ制御装置、主変換装置、空調装置などの床下機器１０が四角で示されている。また、車輪２２の位置が点線で示されている。鉄道車両において、基本的に、車輪２２を具備する台車と平面視で重複しない位置に床下機器１０が配置され、これらの床下機器１０が床下カバー８０で覆われている。

鉄道車両の床下火災が発生したときに、平面視で床下機器１０と重複する範囲においては、床下カバー８０からの輻射熱が床下機器１０により遮られ、車両構体への輻射入熱が低減される。したがって、床下カバー８０の底部のうち平面視で床下機器１０と重複する範囲には、遮蔽板８１と塞ぎ板８２による二重構造の床カバー８が設けられなくても十分な耐火性能が備えられている。そこで、図８に示されるように、床下カバー８０の底部のうち、平面視で床下機器１０と重複する範囲（Ａ２）には塞ぎ板８２が敷設され、平面視で床下機器１０と重複しない範囲（Ａ１）（図７において斜線が施されている範囲）には二重構造の床カバー８が敷設される。このように、二重構造の床カバー８が床下カバー８０の底部に選択的に配置されることにより、鉄道車両に床下火災に対する耐火性能を備えることと、車両の軽量化とを実現することができる。

ここで、本実施形態に係る鉄道車両の床下構造の耐火性能の評価結果を示す。図９は床下カバー８０を備えた鉄道車両の耐火性能の評価結果を示す図表１である。鉄道車両の耐火性能の評価するために、図１に示されるような台枠と床下構造から成るシミュレーションモデルを作成し、このシミュレーションモデルを用いて床下カバー８０を下方から加熱したときの横梁３の最高温度点の温度変化を算出した。図表１において、縦軸が温度を示し、横軸が加熱時間を示している。図表１中の鎖線により、床下カバー８０の下面の温度（加熱温度）が示されている。また、図表１中の一点鎖線により、間に空気層を有する二重構造の床カバー８で床下カバー８０の底部が塞がれた床下構造（実施例１）における、横梁３の最高温度点の温度変化が示されている。二点鎖線により、間に断熱材層を有する二重構造の床カバー８で床下カバー８０の底部が塞がれた床下構造（実施例２）の、横梁３の最高温度点の温度変化が示されている。実線により、塞ぎ板８２のみで床下カバー８０の底部が塞がれた床下構造（比較例１）における、横梁３の最高温度点の温度変化が示されている。

評価結果から、加熱温度が約７００℃に満たないときには、実施例１，２および比較例１において横梁３の最高温度点の温度に差異は殆どないが、測定温度が２００℃を超えて輻射熱が支配的となると、比較例１と比べて、実施例１，２では横梁３の最高温度点の温度上昇が抑制されていることがわかる。つまり、実施例１，２では、床カバー８により輻射熱が遮られるので、比較例１と比べて横梁３への輻射入熱が少ないことがわかる。

床下カバー８０が加熱されたときに、気密床１４よりも横梁３が高い温度となることが発明者らにより確認されている。したがって、横梁３の温度上昇の程度に基づいて、車両構体の耐火性能を評価することができる。本実施形態に係る鉄道車両の床下構造によれば、上述の通り車両構体及び気密床１４の温度上昇が抑制されることから、従来と比較して高い耐火性能を満足することができる。

続いて、本実施形態に係る鉄道車両の床下構造の耐火実証試験結果を示す。耐火実証試験は、ＡＳＴＭ Ｅ１１９に基づいて行われた。

耐火実証試験の試供体は、図１に示されるような台枠１１と床下構造から成り、台枠１１と床下構造の長手方向Ｘ中途部が切り出されたような形態を有する。試供体の大きさは、長手方向Ｘが３８００mm、幅方向Ｙが３３５０mm、高さ方向が１３７５mmである。試供体の客室床１６の上面には、乗客と腰掛けの重量がかかると想定して、２８００kgの錘が積載される。耐火試験では、試供体の床下構造部分が炉内に設置され、試供体の横梁下面から３０５mm下に設置された熱電対の温度が、ＡＳＴＭ Ｅ１１９で定められた炉内の加熱温度条件となるように、炉内が加熱される。

上記耐火実証試験から、３０分にわたって、客室床１６の上面の平均温度上昇度及び最大温度上昇度が所定温度以下であること、構造体の崩壊がないこと、客室床１６に設置したコットンパッドが試供体からの発煙などにより発火しないこと、試供体の横梁３の配管孔３２ａや客室床１６の上面へ火炎が貫通しないこと、横梁３の最高点の温度が所定温度以下であること、の全てを確認した。つまり、本実施形態に係る鉄道車両は、ＡＳＴＭ Ｅ１１９に基づく十分な耐火性能を有することが分かった。

本発明によれば、床下火災に対する耐火性能を鉄道車両に備えることができるので、産業上の利用価値が高い。

３ 横梁
７ 吊金具
８ 床カバー
８１ 遮蔽板
８２ 塞ぎ板
９ 側カバー
１０ 床下機器
１１ 台枠
１２ 側梁
１４ 気密床
１６ 客室床
１８ 吊り下げボルト
８０ 床下カバー

Claims (5)

1. 車両幅方向両端において車両長手方向に延びる一対の側梁、及び、前記一対の側梁を前記車両幅方向に繋ぐ複数の横梁を有する台枠と、
   前記横梁に吊り下げられた少なくとも１つの床下機器と、
   前記台枠の床下を覆う床下カバーとを備えており、
   前記床下カバーが、前記床下機器より下方に位置し、且つ、前記床下カバーの底部のうち平面視で前記床下機器と重複しない範囲に配設されたステンレス製の上下の板状部材を有し、前記上下の板状部材が少なくとも一部分において上下に離間している、鉄道車両。
2. 前記床下カバーが、前記上下の板状部材間に設けられた断熱材を備えている、請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記床下カバーが、前記上下の板状部材間に設けられ、前記上下の板状部材の離間距離を保持するスペーサを備えている、請求項１又は２に記載の鉄道車両。
4. アルミニウム合金製の一対の支柱部と、前記一対の支柱部の下端部を前記車両幅方向に繋ぐステンレス製の梁部とを有する吊金具を更に備え、
   前記一対の支柱部の上部が前記横梁と結合され、前記梁部が前記床下カバーと結合されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄道車両。
5. 上部がアルミニウム合金製で下部がステンレス製の一対の支柱部と、前記一対の支柱部の下端部を前記車両幅方向に繋ぐステンレス製の梁部とを有する吊金具を更に備え、
   前記一対の支柱部の上部が前記横梁と結合され、前記梁部が前記床下カバーと結合されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄道車両。

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