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発明の名称 真直度の高いレールを得るローラー矯正方法および矯正機
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−150028(P2001−150028A)
公開日 平成13年6月5日(2001.6.5)
出願番号 特願平11−343146
出願日 平成11年12月2日(1999.12.2)
代理人 【識別番号】100105441
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 久喬
発明者 黒木 俊哉 / 芝田 雅文 / 日置 康弘
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 千鳥に配置したローラー中を通す鉄道用レールの矯正方法において、後段から数えて少なくとも3つ以上ローラーの偏芯を測定しておき、その偏芯の位相を制御することを特徴とする真直度の高いレールを得るローラー矯正方法。
【請求項2】 偏芯に起因するローラーの変位のうち、レール長手方向に対して垂直な方向成分を同一時刻で同一方向に変位させることを特徴とする上記請求項1記載の矯正方法。
【請求項3】 後段から数えて3つ以上のローラーの変位のレール長手方向に対して垂直な方向成分について、同一時刻で同一方向に変位するように位相を制御するに当たり、その3つのローラーの位相差の平均を±60°以内としたことを特徴とする上記請求項1または2に記載の矯正方法。
【請求項4】 後段から数えて3つ以上のローラーの偏芯量を0.3mm以下に抑えた場合において、上記ローラーの変位のレール長手方向に対して垂直な方向成分を同一時刻で同一方向に変位するように位相を制御するに当たり、その3つのローラーの位相差の平均を90°以内としたことを特徴とする上記請求項1または2に記載の矯正方法。
【請求項5】 千鳥に配置したローラー中を通す鉄道用レールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーについて偏芯量の近いローラーを選んで組み立て、そのローラーがレールに垂直な方向に対して同一時刻および同一方向に、偏芯によって変位するようにしたことを特徴とするレール用ローラー矯正機。
【請求項6】 千鳥に配置したローラー中を通すレールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーの偏芯量の差が0.1mm以内であるとき、ローラーのレールに垂直な方向に対して偏芯によって生じる変位の位相差が60°以内にあることを特徴とする上記請求項5に記載のレール用ローラー矯正機。
【請求項7】 千鳥に配置したローラー中を通すレールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーの偏芯量の差が0.05mm以内であるとき、ローラーのレールに垂直な方向に対して偏芯によって生じる変位の位相差が90°以内にあることを特徴とする上記請求項5に記載のレール用ローラー矯正機。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は鉄道用レールを高精度に矯正する方法および矯正機に関する。
【0002】
【従来の技術】熱間成形を終えたレールはその後の大気中での冷却においてその形状に起因して均等に冷却されないことから一般に反りが生じている。この反りは主に上下方向で特に下に凸の方向に生じていることが多い。
【0003】レールはこの上下方向の形状を矯正する目的で、千鳥に配置した水平ローラーを用いて、垂直方向のローラー矯正を行っている。この矯正においてローラーに偏芯があると形状が波打つことがある。この波打ちは波状変形と呼ばれ、かつては問題になっていた時期があったが、ローラーの偏芯量が0.5mm以下程度に抑えられたことによって、あまり問題とされていなかった。
【0004】しかし、最近、鉄道の高速化が進み、輪重抜けや振動の原因の1つにレール頭頂の凹凸が考えられるようになった。ここでの輪重抜けとは、列車走行中に車輪が浮いて輪重が0になってしまう現象のことを意味し、列車の脱線の危険をはらみ、回避しなければならないことである。そこで、フランスの高速鉄道用レールの基準である「頭部のうねりは3m当たり0.3mm以下」という基準が国内の鉄道会社より提案された。この基準は非常に厳しく、従来の矯正機を通ったレールの何割かがこれを満たせなくなった。
【0005】これに対して、矯正機の偏芯量の基準を厳しくしようとしたが、偏芯量を現在以上に小さくすることは非常に困難である。
【0006】Metallugical Plant and Technology International 2/1994に示されているように、欧州ミルではローラーを取り付けてから研削して偏芯を抑える技術が導入されている。この技術において、精度の高い研削機をローラーの研削できる場所に移動させることは、コストもかかるし、調整も難しい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の目的は、現実的な偏芯をもつローラー矯正機を用いて、偏芯を抑えたローラーを用いて製造したのと同様な、真直度の高いレールを得ることができるローラー矯正方法および矯正機を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、レールのローラー矯正実験を数多く行ない、以下の知見を得た。
l)ローラーの偏芯量が小さければ波状変形の波高も低い。
2)偏芯したローラーのレール長手方向に対して垂直な方向の変位の成分がそろっている場合、それほど偏芯量が小さくなくても、発生する波状変形の波高が低くなる。この場合、偏芯の位相がそろっている、と言うことにする。
3)後段から数えて3つ目までの偏芯が波状変形に寄与する影響が大きい。
【0009】これらの知見のうち、特に2)の知見を更に調べると、次のことがわかった。
4)平均で0.5mm程度の偏芯があっても偏芯の位相の誤差が±60°以内であれば波状変形の波高が0.3mm以下におさまる。
5)平均で0.3mm程度の偏芯があっても偏芯の位相の誤差が±90°以内であれば波状変形の波高が0.3mm以下におさまる。
【0010】本発明は上記の知見に基づいて完成した高精度なレールを得るローラー矯正方法および矯正機である。
【0011】その要旨は以下の通りである。
【0012】(1) 千鳥に配置したローラー中を通す鉄道用レールの矯正方法において、後段から数えて少なくとも3つ以上ローラーの偏芯を測定しておき、その偏芯の位相を制御することを特徴とする真直度の高いレールを得るローラー矯正方法。
【0013】(2) 偏芯に起因するローラーの変位のうち、レール長手方向に対して垂直な方向成分を同一時刻で同一方向に変位させることを特徴とする上記(1)記載の矯正方法。
【0014】(3) 後段から数えて3つ以上のローラーの変位のレール長手方向に対して垂直な方向成分について、同一時刻で同一方向に変位するように位相を制御するに当たり、その3つのローラーの位相差の平均を±60°以内としたことを特徴とする上記(1)または(2)に記載の矯正方法。
【0015】(4) 後段から数えて3つ以上のローラーの偏芯量を0.3mm以下に抑えた場合において、上記ローラーの変位のレール長手方向に対して垂直な方向成分を同一時刻で同一方向に変位するように位相を制御するに当たり、その3つのローラーの位相差の平均を90°以内としたことを特徴とする上記(1)または(2)に記載の矯正方法。
【0016】(5) 千鳥に配置したローラー中を通す鉄道用レールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーについて偏芯量の近いローラーを選んで組み立て、そのローラーがレールに垂直な方向に対して同一時刻および同一方向に、偏芯によって変位するようにしたことを特徴とするレール用ローラー矯正機。
【0017】(6) 千鳥に配置したローラー中を通すレールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーの偏芯量の差が0.1mm以内であるとき、ローラーのレールに垂直な方向に対して偏芯によって生じる変位の位相差が60°以内にあることを特徴とする上記(5)に記載のレール用ローラー矯正機。
【0018】(7) 千鳥に配置したローラー中を通すレールの矯正機において、その後段から数えて少なくとも3つのローラーの偏芯量の差が0.05mm以内であるとき、ローラーのレールに垂直な方向に対して偏芯によって生じる変位の位相差が90°以内にあることを特徴とする上記(5)に記載のレール用ローラー矯正機。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に本発明について、図を参酌して詳細に説明する。
【0020】図1は、本発明の矯正機および矯正方法の概要を示す図である。
【0021】図1において、1は矯正されるレールである。2〜8は矯正ローラーである。これらのローラーのうち上ローラーである2〜5は駆動ローラー、下ローラーである6から8は従動ローラーである。10は入側ピンチロール、11は出側ピンチロール、そして、12はベルトである。
【0022】まず、各ローラーの偏芯量とその位相は、レール側を固定点とした相対的なものとなるから、偏芯量とその位相をレールの反対側からローラーの変位の変化として測定した。9はこの変位を図るダイャルゲージである。これによって偏芯している方向とその量を得る。
【0023】次に、或る1本以外のローラーを無負荷で回転させ、所定の偏芯の位相を得る。つまり、偏芯の位相差は相対的なものであるから、どれか1つのロールに合わせて所定の偏芯の位相を得ることができる。
【0024】所定の位相を得た後、各従動ローラーが各駆動ローラーと連動するようにベルト12をかける。
【0025】駆動ローラーの回転のスタートは一斉同時とする。噛み込み時にはレールとローラーの滑りによって位相が変化することのないよう留意する。例えば、歯形のついたベルト等を用いることにより位相の変化を防止することができる。
【0026】波状変形の波高はフランス高速鉄道のスペックである0.3mm以下になれば合格とする。なお、本発明での波状変形の波高の値は、前記スペックと同様に3m当りの頭部のうねりの値を意味する。
【0027】図1および図2において、ローラーの形状の中心は●、回転の中心は×で示してある。この●と×とのずれが偏芯量である。●と×はできるだけ近づけてあるはずであるが、実際にはなかなかぴったりとは−致せず、0.2mmから0.5mm程度平均でずれている。したがって、矯正中、ローラーとレールとの接点は●と×とのずれの2倍を全振幅として上下に往復する。
【0028】矯正で発生する波状変形の主原因はこの全てのローラーの上下運動が隣のローラーの上下運動と同期しないことに起因する。逆に言えば全ローラーが同時に同方向に同じ偏芯量で上下運動していれば波状変形が生じないことになる。
【0029】図1のような図を描いた場合、×に対して●の方向にローラーが変位していることを意味している。特に図1の場合は×に対して●が垂直上方にあり、全ローラーが上方へ変位した瞬間を示している。図1の瞬間の前も後も全ローラーは、垂直方向成分において移動方向がそろっているので、同一方向へ変位する。ここで、このようにローラーの変位する状態を「位相がそろった状態」と定義する。もしも、ここで、ローラーの偏芯量が全ローラーで等しいのならばローラーは相対的な変位を変化させないので、波状変形が生じない。
【0030】図2に「位相がそろっていない状態」を示す。このような状態の場合、×に対して●の方向が同一ではない。この状態では偏芯量が等しくなってもローラーの相対的な変位が変化するので、大きく波状変形が生じる可能性が出る。
【0031】図3に位相のそろったローラーの動きを示す。図3(a)は、ローラーが上方向に変位する場合で、図3(b)は、下方向に変位する場合である。変位の方向13に示すように、位相がそろうとローラーが上下方向で同一方向へ変位するので、発生する波状変形が小さい。
【0032】図4に位相が逆になったローラーの動きを示す。図4(a)は、逆方向に変位する場合で、図4(b)は、同方向に変位する場合である。変位の方向13に示すように、位相が逆になると、曲げ量の大きいときと小さいときとの差が大きくなる。これにより同じ偏芯量でも位相を逆にすることで最大の波状変形を生じさせることとなる。逆に図3の位相のそろった状態では同じ偏芯量でも最小の偏芯量となる。
【0033】ところで、波状変形の発生への寄与は後段ほど大きく、特に後段3ローラーの影響が大である。
【0034】図5に実験から得られた偏芯量の波高への寄与率を示す。ここで、♯3とは上ローラーで最後から2番目のローラー、♯4とは上ローラーで最後のローラー、♯7とは下ローラーで最後のローラーである。この図の実験条件は各ローラーを一つづつ大きく偏芯させ、他のローラーの偏芯量を0.3mm以下としたときに、発生した波状変形波高を偏芯量で割った値を寄与率とした。ただし、全ロールの偏芯量を0.3mm以下としたときの波高を差し引いている。このことから、後段の3ローラー(#3、#4、#7)の影響が大きいことがわかる。したがって、少なくとも後段3ローラーについて位相がそろっていれば、位相制御した効果が出る。
【0035】ところで、偏芯量は小さいほど波状変形の波高が低くなる。0mmであればそれに越したことはない。現状では矯正ローラーの偏芯量は全ローラーの平均で0.5mm以内におさまっている。また、高精度な研削を施すと0.3mm以内におさめることができる。
【0036】そこで、現状レベルの偏芯量のあるローラーを用いて偏芯の位相差がどの範囲にあればよいのか検討し、実験で#3−#7の位相差と#4−#7の位相差の平均が60°以内であれば、波高変形の波高が0.3mmを超えないことがわかった。また、同様に0.3mmの偏芯量であれば#3−#7の位相差と#4−#7の位相差の平均が90°以内におさまっていれば、波高変形の波高が0.3mmを超えないことがわかった。
【0037】ただし、矯正ローラー径が異なると一旦あった位相がずれることがあるので、好ましくは、ローラー径の径差は滑りで修正が効く1%以内であることが望ましい。
【0038】なお、全くの同一の位相でも発生する波形変形が最小となるとは限らない。なぜならば、偏芯量が各ローラーで異なるからである。
【0039】次に、本発明の矯正機について説明する。
【0040】図6は、本発明の矯正機の例の模式図を示す。
【0041】図6において、それぞれ、●はローラー形状の中心、×はローラーの回転中心である。即ち、それぞれ、a、bおよびcは偏芯量である。この図ではレール1が左から右へ移動することを想定しているので、#3ローラー4と#4ローラー5は左回りに回転し、#7ローラー8は右回りに回転する。したがって、α、βおよびγは位相角であり、αとβは左回りを正、γは右回りを正とする。
【0042】本発明は、図6中のa、bおよびcの距離を近い値とし、かつ、α、βおよびγの角度を近い値に設定したローラー矯正機である。a、bおよびcの値は、相対的に近い値であれば、0にならなくてもよい。これが本発明のメリットである。逆にa、bおよびcでどれか1つまたは2つが0であっても、残った他の値が大きければ、波状変形を生じさせる恐れがある。
【0043】ただし、相対的に近い値でさえあればよいわけではなく、その偏芯量の位相がそろっている必要がある。
【0044】ある波状変形の波高の基準を決めた場合、偏芯量と位相角には相対的関係が生じる。即ち、偏芯量の差が小さい場合、位相角の差の許容範囲が広くなり、偏芯量の差が大きい場合、位相角の許容範囲は狭くなる。
【0045】即ち、各ロールの偏芯量は、それぞれa、b、cであるから、偏芯量の最大はmax(a,b,c)である。そして、偏芯量の差は、|a−c|と|b−c|であるから、偏芯量の差の最大はmax{|a−c|,|b−c|}である。
【0046】そこで、多くの実験を行ない、その偏芯量と位相角の関係を調べた。この結果、波状変形の波高が0.3mm以下規定した場合で、後段3ロールの偏芯量の差が最大0.1mmあったとすると、そのときの位相角の許容範囲は60°以内となる。また、同じ波高の基準の場合、後段3ロールの偏芯の差が最大0.05mmあったとすると、そのときの位相角の許容範囲は90°以内でなければならないことがわかった。即ち、TGVスペックが3m当たり0.3mm以下の凹凸と規定しているので、これを満たすためには、偏芯量と位相角との間で上記の関係を満たしていなければならない。
【0047】即ち、一本のロールには偏芯量がなく(0.0mm)、これ以外のロールが0.3mm偏芯し、全てのロールの偏芯の位相が合っていた場合、偏芯量のないロールの偏芯量を0.3mmまで増やしていくと波状変形の波高が低くなっていった。
【0048】ただし、矯正ローラー径が異なると一旦あった位相がずれることがあるので、好ましくは、ローラー径の径差は滑りで修正が効く1%以内であることが望ましい。
【0049】矯正ローラーの偏芯による変位の方向を合わせる目的で、後段の3ローラーは連動していることが必要である。そこで、好ましくは少なくとも後段の3ローラーはベルトまたはギアで連動して動くことが望ましい。
【0050】
【実施例】以下本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
【0051】(実施例1)本発明の矯正方法で矯正した条件と結果を表1に示す。
【0052】実施例1では偏芯が元々小さく、非常に位相角がよくそろっているので、波状変形の波高が非常に低かった。
【0053】実施例2では偏芯量が現状並みであるが、位相角がよくそろっているので波状変形の波高が低かった。
【0054】実施例3では偏芯量が現状並みであるが、個々の偏芯量に差がついているので実施例2ほど波高が低くならなかった。ただし、これでも充分に0.3mm以下の波状変形の波高は満足する。
【0055】実施例4では、偏芯量、位相角がともに実施例並みであるが、矯正前にできたうねりが高かったため実施例2ほど波状変形の波高は低くならなかった。
【0056】実施例5は現状の偏芯量で下ローラーの位相角をそろった状態から30°進めたものである。この場合でも波状変形の波高はまだ充分に0.3mm以下である。
【0057】実施例6は現状の偏芯量で下ローラーの位相角をそろった状態から60°進めたものである。この場合でも波状変形の波高は0.3mm以下であるが、ぎりぎりである。
【0058】比較例1は現状の偏芯量で下ローラーの位相角をそろった状態から90°進めたものである。この場合では0.3mmを超えた波高の波状変形が発生した。
【0059】実施例7は後段の偏芯量を0.3mm以下に抑えて、下ローラーの位相角をそろった状態から90°進めた場合である。この場合でも波状変形の波高は0.3mm以下におさまった。
【0060】比較例2は後段の偏芯量を0.3mm以下に抑えて、下ローラーの位相角をそろった状態から120°進めた場合である。この場合は0.3mm以上の波高の波状変形が生じた。
【0061】比較例3は現状の偏芯量で位相角を#7〜#4間で90°、#7〜#3間で45°としたものである。#7〜#4間では規定内の位相差になっているが、#7〜#3間の位相差が大きいため、わずかに0.3mm以上の波高の波状変形が生じた。
【0062】実施例8は現状の偏芯量で位相角を#7〜#4間で15°、#7〜#3間で75°としたものである。#7〜#3間では規定外の位相差になっているが、#7〜#4間で位相差が小さいので波状変形は0.3mm以下におさまった。
【0063】比較例4は後段の偏芯量を0.3mm以下に抑えて、位相角を#7〜#4間で75°、#7〜#3間で180°とした。この場合、#7〜#3間での位相差が大きいので波状変形の波高は0.3mmを超えた。
【0064】実施例9は後段の偏芯量を0.3mm以下に抑えて、位相角を#7〜#4間で30°、#7〜#3間で120°とした。この場合、波状変形の波高は0.3mm以内におさまった。
【0065】
【表1】

【0066】(実施例2)本発明の矯正機を用いて矯正したレールの波状変形の発生状況を表2に示す。
【0067】実施例11は偏芯量の差を0.05mm以内、位相角の差を60°以内に調整しているので、非常に小さい波状変形しか生じない。
【0068】実施例12は偏芯量の差を0.05mm以内、位相角の差を90°以内に調整しているので、波状変形の波高は0.3mm以下におさまった。
【0069】実施例13は偏芯量の差を0.1mm以内、位相角の差を60°以内に調整しているので波状変形の波高は0.3mm以下におさまった。
【0070】比較例11ではローラー偏芯量の1つをほとんど0にすることができたが、他のローラーの偏芯量が大きく、その差が0.1mmを超えるので、位相角の差を60°以内に調整しても波状変形の波高が0.3mm以内にならなかった。
【0071】比較例12では偏芯量の差を0.1mm以下に調整してあるが、位相角の差が60°以内に調整していないので、波状変形の波高が0.3mm以内にならなかった。
【0072】比較例13では偏芯量の差を0.05mm以下に調整してあるが、位相角の差が90°以内に調整していないので、波状変形の波高が0.3mm以内にならなかった。
【0073】
【表2】

【0074】
【発明の効果】本発明によって、偏芯のあるローラーを用いても、偏芯を高精度に抑えたローラーで製造したのと同様な波状変形の波高の小さい真直なレールを製造することができた。
【0075】更に、偏芯のあるローラーを用いたローラー矯正機に簡単な調整を施すことで、高精度なローラー矯正機とすることができる。




 

 


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