JPH07185659A - 耐疲労性、耐脆性破壊性レールの形状矯正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はレールの耐疲労性および耐脆性破壊
特性を高めるレール形状矯正装置を提供する。 【構成】 千鳥に配置したローラーを有する矯正機の後
段に、相対向するローラーを複数組配置し、該ローラー
でレール頭部コーナーから頭頂部表面全体およびレール
底部中央近傍を均等に加工硬化して強化すると同時に、
圧縮残留応力を誘起させる。 【効果】 レール頭部コーナーから頭頂部表面全体およ
び底部中央近傍を均等に表面加工することで該部が加工
硬化し、かつ大きな圧縮残留応力を付与せしめてレール
頭部から発生する転がり疲労損傷性を防止し、かつ脆性
破壊特性を従来法と比較して著しく改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐疲労性および耐脆性
破壊性にすぐれたレールを製造するための、形状矯正装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】国内外において、鉄道の一層の効果率を
目指して列車の高速化が至上命題となっており最高速度
３５０km／ｈの実現も間近になっている。こうした現状
から、乗客を安全に目的地まで運ぶために、列車を支え
るレールの安全性がますます重要となってきており、レ
ールの耐用寿命の延長ならびに耐破壊性の向上に対する
要求がますます強まっている。

【０００３】従来からレールの製造法において真直性を
得るためにレールに矯正が行われるが、このレールの矯
正は、図５に示すようにローラー７個をレールをはさん
で上側に４個、下側に３個千鳥状に配置した矯正機によ
って行われている。図の左側から矯正機に入ってきたレ
ール１は、上下の矯正ローラー３の間を上下に曲げられ
ながら通過する間に交互に塑性変形を受け、レール１の
塑性加工部と残留内部応力とが均衡することによって、
曲がりが矯正され真直なレールとなる。

【０００４】しかし、図５に示すような矯正機によって
矯正を行った場合、例えば「鉄と鋼、Vol.６６，No．
４，１９８０，ｐ．４４８」で発表されているように、
ローラー矯正によって特にレールの頭部と底部に、図６
に例示するような、大きな引張残留応力（図中の数字）
が発生し、実用レールの耐疲労性および耐脆性破壊性を
損ねるという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな問題点が発生する原因について調査、研究を行った
結果、レールの耐疲労性（耐疲労損傷性）および耐脆性
破壊特性を向上させるためには、レール材質の強化と合
わせて残留応力の活用が最も効果的であることがわかっ
た。すなわち、レールの矯正において如何にしてレール
に耐疲労性および耐脆性破壊特性に有効な圧縮残留応力
を容易にしかも均一に付与するかが本発明の課題であ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記のような問題点およ
び課題を解決するために、本発明者らは、ローラーを千
鳥状に配置したレール矯正機で形状矯正を行った後に、
レール頭部および底部に表面層を加工硬化させることに
より圧縮残留応力を付与すること、特にレール頭角両部
（左右のコーナー）および頭頂部での圧縮残留応力をほ
ぼ均一に与えればよいことを見いだした。すなわちこれ
らの部位の加工を受ける程度が均一であれば表面加工に
よる加工硬化も均一となり、これに誘起される圧縮残留
応力も均一になることを見いだした。そして、レール頭
部の左右のコーナーおよび頭頂部を均一に表面加工する
ためには、レール頭部の左右コーナーのみを加工する圧
下ローラーとレール頭頂部のみを加工する圧下ローラー
とに分けて表面加工を行うか、またレール頭部の左側コ
ーナー、右側コーナーおよび頭頂部を別個の圧下ローラ
ーで表面加工を行えばよいことを知見した。

【０００７】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
もので、その要旨とするところは、ローラーを千鳥状に
配置したレール矯正機の後段に、レールを介してレール
頭角両部とレール底部に当接する矯正ローラーと、レー
ル頭頂部とレール底部に当接する矯正ローラーを配置し
た耐疲労性、耐脆性破壊特性レールの形状矯正装置であ
る。

【０００８】以下本発明について図面を用いながら詳細
に説明する。図１は本発明のレール矯正装置を示す。同
図において、１は走行レール、２はガイドローラー、３
は矯正ローラーである。すなわちレール１はガイドロー
ラー２に誘導されながら走行し、矯正ローラー３を千鳥
状に配置した、従来のものと何ら変わるものではない、
曲げ矯正機で形状矯正される。該矯正機を通過したレー
ル１は、レール頭部および底部に大きな引張残留応力を
有するため、これをなくすために、レール頭角部に接触
する上ローラー対、または上ローラー４ａと該レール底
部に接触する下ローラー４ｂとの組と、レール頭頂部に
接触する上ローラー５ａと該レール底部に接触する下ロ
ーラ５ｂとの組を、各々１組または２組以上備えた圧下
矯正機で圧下加工し矯正する。

【０００９】圧下ローラーは図２〜図４に示すように、
レール頭角両部とレール頭頂部とを分けて圧下加工を行
う。図２は本発明のレール頭角両部とレール底部に当接
する矯正ローラーの配置例を示したものである。レール
頭角両部上ローラー４ａはローラー軸方向形状が凹状
で、レール１の頭角両部（レール頭部両コーナー）Ｃ，
Ｃ′部分のみと接触し、レール頭頂部Ｔ部分とは接触し
ない。従って、上ローラー４ａのレール頭角両部（Ｃ，
Ｃ′部分）と当接する部分は、レール頭角部と接触がで
きしかも局部的な接触にならないようにして、外部表面
層に塑性変形を与え加工硬化で強化すると同時に引張残
留応力が残らないようにするため、該レール頭角部の曲
率と同等かやや大きめの曲率半径Ｒを有し、またレール
頭頂部と対する部分は該頭頂部と接触しない凹形状を有
する。一方、レール底部下ローラー４ｂはローラー軸方
向形状が、ローラー矯正で生成したレール底部Ｂの、引
張残留応力を圧縮残留応力に変えると同時に同部を加工
硬化により強化するため凸状とし、レール１に底部Ｂの
中央部を中心に圧下加工を行う。

【００１０】図３は本発明のレール頭角両部とレール底
部に当接する圧下ローラーの別の配置例を示したもので
ある。レール頭角部ＣあるいはＣ′部のみとそれぞれ接
触する圧下ローラーの対４ａおよび４ａ′を設け、これ
らのローラー４ａ，４ａ′はローラー軸方向形状が凹状
で、レール頭角両部と当接する部分は図２と同じ理由で
頭角部の曲率と同等かやや大きめの曲率半径Ｒを有し、
レール頭頂部とは接触しない。またレール底部下ローラ
４ｂは図２の場合と同様のものである。

【００１１】図４は本発明のレール頭頂部Ｔとレール底
部Ｂに当接する圧下ローラーの配置例を示したものであ
る。レール頭頂部上ローラー５ａはローラー軸方向形状
が凹状で、レール１の頭頂部Ｔ部のみと接触し、レール
頭角両部Ｃ，Ｃ′とは接触しない。従って、上ローラー
５ａのレール頭頂部と当接する部分は、レール頭頂部と
接触ができしかも局部的な接触にならないようにして、
頭角部圧下ローラーと同じく外部表面層に塑性変形を与
え加工硬化で強化すると同時に引張残留応力が残らない
ようにするため、該レール頭頂部の曲率と同等かやや大
きめの曲率半径Ｒを有し、レール頭角部とは接触しな
い。またレール底部下ローラー５ｂは、図２，図３と同
様のものである。

【００１２】このように、本発明では、レール頭部およ
び底部表面層を均等に加工硬化させて強化し、かつ耐疲
労性および耐脆性破壊特性に有効な圧縮残留応力を均等
に付与することにある。すなわち、図２または図３のよ
うなレール頭角両部とレール底部に当接する圧下ローラ
ーによってレール頭角両部に圧縮残留応力を均等に誘起
させ、別に図４のようなレール頭頂部とレール底部に当
接する圧下ローラーによってレール頭頂部に圧縮残留応
力を均等に誘起させることによって、レール頭角両部と
頭頂部および底部に目的とする均一な圧縮残留応力を付
与することできる。頭角両部圧下ローラーと頭頂部圧下
ローラーの配置はレールの進行方向に対してどちらが先
でもよく、また複数を配置してもよいのはもちろんであ
る。

【００１３】なお、本発明のローラーの直径、各ローラ
ー間の配置距離や圧下荷重、およびローラー周軸方向の
曲率半径は特に限定しないが、レール頭角両部上ローラ
ー４ａ，４ａ′の曲率はレール左右頭角部（左右コーナ
ー）曲率半径と同等〜１．３倍、レール頭頂部下ローラ
ー５ｂの曲率はレール頭頂部曲率半径と同等〜１．３
倍、レール底部下ローラー４ｂ，５ｂの曲率半径は２０
０〜１０００mmがそれぞれ望ましい。

【００１４】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。本発
明によるレール矯正法の有効性を確認するため、普通炭
素鋼レールのＪＩＳ６０ｋレール１２ｍを用いて通常の
ローラー矯正の後、本発明のレール矯正を行い、レール
表面残留応力、水潤滑下での実物レール転がり疲労損傷
試験および低温での落重試験を実施した。矯正条件およ
びそれぞれの結果を本発明法と従来法で比較し、表１に
示す。なお、本発明法ではレール頭部左右コーナーを同
時に表面加工した場合と、別々に表面加工した場合につ
いての２例を示す。ここで試験に用いた本発明の圧下加
工ローラーの接触部曲率半径は、頭角両部（頭部左右コ
ーナー）および頭頂部圧下ローラーが使用レール該当部
の曲率と同等〜１．３倍で、底部圧下ローラーが曲率半
径２００〜１０００mmである。

【００１５】

【表１】

【００１６】試験結果から明らかなように、本発明のレ
ール矯正法ではいずれもレール頭部コーナーから頭頂部
にかけて均等な圧縮残留応力が付与され、また、レール
底部中央近傍にも大きな圧縮残留応力が付与され、加工
硬化に強化およびこれらの圧縮残留応力の効果で耐転が
り疲労性や耐脆性破壊特性が著しく向上していることが
明白である。すなわち、従来のローラー矯正ままのレー
ルの場合、レール頭頂部および底部中央近傍にはレール
長手方向に約２００〜２４５MPa の引張残留応力が発生
し、また、水潤滑下での実物レールの転がり疲労損傷試
験では通過トン数７９５０万トンで引張残留応力の存在
するレール頭頂面からき裂が発生した。また、低温での
落重試験でも−１０℃で脆性破壊が発生した。これに対
し、本発明法ではいずれの方法でもレール頭頂部および
頭部左右コーナーおよびレール底部中央近傍の長手方向
残留応力が−２００〜−２５０MPa の圧縮となり、水潤
滑下の実物転がり疲労試験では通過トン数５億トンでも
損傷発生は認められず、また、低温での落重試験でも−
４０℃まで脆性破壊は発生しなかった。

【００１７】このように、本発明法によるレール矯正を
受けたレールが耐転がり疲労損傷性や耐脆性破壊特性が
優れている理由は、転がり疲労損傷の発生するレール頭
部コーナーから頭頂部にかけて、加工ローラーにより均
等に加工硬化して強化され、かつ大きな圧縮残留応力が
誘起されていること、また、レール底部でも底部中央近
傍に大きな圧縮残留応力が付与され、脆性破壊発生を抑
制していることに起因している。このように耐転がり疲
労性が優れているため、従来新幹線などで顕在化してい
る“ダークスポット”と称する高速鉄道特有の転がり損
傷や、重荷重鉄道で問題となっている“ゲージコーナー
シェリング”などにも大きな効果があると思われる。ま
た、カナダやロシアで問題となっている低温でのレール
脆性破壊に対しても大きな効果が期待される。このよう
に、本発明法は生産性を確保しながら、低コストで効率
的にレールの使用性能を著しく改善できる画期的レール
形状矯正装置を提供するものである。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ール頭角両部、頭頂部およびレール底部に均一な加工硬
化と圧縮残留応力を付与することにより、耐疲労性およ
び耐脆性破壊性にすぐれたレールを製造することがで
き、高速鉄道、重荷重鉄道、あるいは低温で使用される
レールとして極めて有用なレールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレール矯正設備のローラー配置の例。

【図２】本発明のレール頭角部圧下ローラー配置の例。

【図３】本発明のレール頭角部圧下ローラー配置の他の
例。

【図４】本発明のレール頭頂部圧下ローラー配置の例。

【図５】従来のレール矯正設備のローラー配置の例。

【図６】従来のレール矯正設備による矯正後の引張残留
応力の例。

【符号の説明】

１ 走行レール ２ ガイドローラー ３ 矯正ローラー ４ａ 上ローラー（レール頭角部圧下） ４ｂ 下ローラー（レール底部圧下） ５ａ 上ローラー（レール頭頂部圧下） ５ｂ 下ローラー（レール底部圧下） Ｂ レール底部 Ｃ，Ｃ′ レール頭角部 Ｔ レール頂部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若月 輝行 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ローラーを千鳥状に配置したレール矯正
   機の後段に、レールを介してレール頭角両部とレール底
   部に当接する圧下ローラーと、レール頭頂部とレール底
   部に当接する圧下ローラーを配置したことを特徴とする
   耐疲労性、耐脆性破壊性レールの形状矯正装置。