JP4695417B2

JP4695417B2 - 形状記憶合金を用いたレール継目用部材

Info

Publication number: JP4695417B2
Application number: JP2005074746A
Authority: JP
Inventors: 慶治安藤; 照卓小崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP2006257707A

Description

本発明は、形状記憶合金の形状復元力によりレール同士を密着させるレール継目用部材およびこれを用いた接合方法に関する。

従来の継目構造では、レール端部の突き合わせ部に間隙があるために、レール上を車輪が走行するときにガタンゴトンという衝撃を発生させ、レール継目部の軌道狂いやレール端部の損傷を引き起こす原因となっていた。

そこで、これらを改善するものとして、（１）例えば、特許文献１にも記載されているように、レール端部の頭頂部に直方体状の連結片を嵌め込んで、レールの継目部への車輪の落ち込みにより発生する騒音を抑制する構造、（２）例えば、特許文献２にも記載されているように、レール端部を離間させて設置し、その離間部分に内辺接続子と外辺接続子とを組み合わせた接続子を嵌め込み、内辺接続子と外辺接続子とは、長穴を通したボルトとナットで締合わせてあり、レールの温度変化による伸縮に対応可能とした構造が知られている。

また、（３）例えば、特許文献３にも記載されているように、レール端部の片側頭部を切り落とし、継目板の片側のみ背を高くしてレールの頭頂面に合わせて設置する構造で、レールは継目板に乗り移りレール同士のギャップ部に落ち込まないもの、あるいはレールの端部同士を溶接するエンクローズ溶接方法などが一般的に採用されている。

更に、（４）例えば、特許文献４にも記載されているように、部分的形状記憶効果を有する鋼を素材とする継目板からなるレール継目用部材を用いる構造で、形状記憶効果による収縮力を利用してレール同士のギャップを無くすものがある。

溶接および部分的形状記憶効果を有する鋼を素材とする継目板からなるレール継目用部材を用いる構造以外の継目構造においては、いずれもレールの突き合わせ部は熱膨張によるレールの伸縮を吸収するためのギャップが設けられている。
特開平７−３１７００２号公報特開平１１−３６２０２号公報実開平５−４９８０２号公報特公昭５９−６４２号公報

本発明は、環境温度の変化が小さく、レールの伸縮を無視できる工場建家内のレール等を対象とした接合方法およびその接合に用いるレール継目用部材である。

特許文献１〜３に記載の継手は、いずれもレールの熱膨張による伸縮を吸収できるように設計されているものであるが、それ故に継目構造が複雑であるという欠点がある。また、エンクローズ溶接は高い溶接技術が必要であることや、レールの取替えを行うときに切断する必要があり交換に手間がかかること、施工後に少なくとも数時間冷却時間を要するなどの欠点をもつ。また特許文献４に記載の継手は、部分的形状記憶効果を有する鋼で継目板を構成しているものの、継目板の収縮力を調整できないことから、収縮力が大きい場合にはボルトが損傷したり、小さい場合にはクレーンの制動力によりギャップが生じたりする欠点をもつ。

そこで、本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたもので、レールの継目に間隙をなくし、さらにレールの取替えが容易な接合方法およびその接合に用いるレール継目用部材を提供することを目的とするものである。

本第１発明は、突き合わされた２本のレール端部のウェブ部を両側から挟んでボルトで固定されるレール継目用部材であって、前記レール継目用部材は平板状のFe−Mn−Si系合金の形状記憶合金でかつクロムを含有するFe−Mn−Si系合金の形状記憶合金からなり、形状記憶効果を付与された長手方向の中央部に長手方向に間隔をおいて複数の固定ボルト用長孔を、また長手方向両端部に係止ボルト用孔を有することを特徴とするレール継目用部材である。
本第２発明は、請求項１記載のレール継目用部材を用い、かつそのレール継目用部材は、形状記憶効果を付与するための6％から1 0％の引張変形量を加えられ、その後4 0 0℃ から8 0 0℃に加熱され、更に４％〜７％の引張変形を加えられて形状記憶効果を付与されたレール継目用部材であり、当該レール継目用部材をレールのウェブ部の両側にそれぞれ配置して、レールのウェブ部を両側から挟んでボルトで固定した後、前記レール継目用部材を構成する形状記憶合金の形状が回復する変態温度以上に加熱することを特徴とするレールの接合方法である。

本発明は、以上述べたような形状記憶合金からなるレール継目用部材およびそれを用いたレール接合方法であり、レール端部のギャップを極めて小さく保持することが出来るため、レール上を走行する車輪に衝撃を与えず、レール寿命の延長が可能となるだけでなく、レールを取り替える際の作業を容易にすることが可能となる効果を有する。特に、レール継目部材の断面積と長さを適宜設定することによって、レール端部の初期突き合わせ時の間隙設定誤差を設定目標値±0.5mm以上まで許容可能に出来るという効果を有する。

本発明の一実施形態を図により説明する。

まず、本発明のレールの継目に用いるレール継目用部材について、図１，２，３，４を参照してその特徴を説明する。図１にレール継目用部材の形状を示すが、全体が平板状の形状記憶合金からなり、形状記憶効果を付与された長手方向の中央部に固定ボルト用長孔１９，２０が、また長手方向両端部に係止ボルト用孔１７，１８が設けられている。尚、この係止ボルト用孔１７，１８より端部側には形状記憶効果が付与されている必要はない。

形状記憶合金は、ある臨界温度以下で加工を加えた後に必要な温度に加熱することによって加工前の形状に戻るという特性を持っている。従って、この合金を予め臨界温度以下で長さ方向に一定量の引張変形（両端を掴んで引っ張るか、厚み方向に圧延して長さ方向に延ばす）を付与した上でレール継目用部材１５，１６を作り、所定の位置に取り付けて加熱するだけでレールを締結することが出来る訳である。本発明では係止ボルト用孔１７，１８より内側の部分に形状記憶効果を付与しておくことを一つの特徴としている。

また、この係止ボルト用孔１７，１８より内側で形状記憶効果を付与された部分に設けられた固定ボルト用孔１９，２０は、レールとの相対変位を許容するために長孔としている。このような構成とすることにより両端部の係止ボルト１１，１２間の形状記憶効果による収縮力を有効にレール締結力として利用することが可能となる。

また、本発明で用いる形状記憶合金としては、構造材としても十分な基本特性を有する
Fe-Mn-Si系合金が最も相応しいものの一つである。Fe-Mn-Si系合金の代表的な成分組成には、Fe-16%Mn-5%Si-12%Cr-5%Ni、Fe-20%Mn-5%Si-8%Cr-5%Ni、Fe-28%Mn-6%Si
-5%Cr等がある。本実施例では主としてFe-28%Mn-6%Si-5%Cr合金を使用したが、引張強さ680〜1000N/mm²、形状が完全に回復する変態温度300〜350℃、形状回復応力180N/mm²程度の性能を有するなど、好ましい特性を有していた。尚、形状記憶効果を付与するための引張変形量は、6から10％程度とした。
なおFe-Mn-Si系形状記憶合金では、これらの引張変形を付与した後に400℃から800℃程度への加熱を行い、それに続いてさらに４〜7%程度の引張変形を付与すればより一層大きな形状回復量を取り出せることが知られており（トレーニングと呼ばれている）、本発明のレール継目用部材１５，１６においてもこの活用は有効である。

本発明のレール継目用部材を用いたレール継目構造の側面図を図２に、その平面図を図３に、Ａ-Ａ断面図を図４に示したが、本発明のレール継目用部材１５，１６を突き合わされた２本のレール端部のウェブ部を両側から挟んでボルト・ナット１３，１４で固定し、レール継目を締結する。また、図５（ａ）（ｂ）に本発明のレール継目用部材１５，１６を使用したレール継目構造の形状回復前後における状態を示したが、形状回復によりどのような力がレールに作用することになるかについて以下に説明する。

図５（ａ）において、レール継目用部材１５，１６の取り付け時（形状回復前）におけるレール１，２端部同士のギャップをＧ（ｍｍ）とすると、形状回復後を示した図５（ｂ）におけるＬ２（ｍｍ）とＬ１（ｍｍ）の差がギャップＧ（ｍｍ）となる。なお、係止ボルト１１，１２は、レール継目用部材１５，１６とレール１，２のそれぞれに対して密着させておく。また、レール継目用部材１５，１６をフリーな状態で形状回復させた時の係止ボルト間長さの収縮量を形状回復最大収縮量としてδｍａｘ（ｍｍ）で表すと、
δｍａｘ＝Ｌ × εmax
となる。ここでＬ（ｍｍ）は形状回復範囲の長さであり、εmaxは形状回復時の最大ひずみ（%）であり、前記形状記憶合金を用いた場合は3.5%程度となる。
この時、形状回復に伴う有効収縮量即ち、レール継目用部材組み込み状態における係止ボルト間長さの有効収縮量をδ（ｍｍ）とすると、
δ ＝ δｍａｘ − Ｇ
となる。

一方、形状回復により生ずる力の最大値Ｐｍａｘ（Ｎ）は、レール継目用部材１５（１６）の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と形状記憶合金の形状回復時の単位断面積あたりの応力との積として次式で与えられる。
Ｐｍａｘ＝Ｓ × K（N/mm^２）
ここでKは、形状記憶合金の形状回復時の単位断面積あたりの応力を示す数値であり、前記形状記憶合金を用いた場合は180（N/mm^２）となる。従って、レール締結力Ｐ（Ｎ）は、図６から明らかなように、
Ｐ：Ｐｍａｘ＝ δ ： δｍａｘ
Ｐ＝Ｐｍａｘ×δ/δｍａｘ
で表されることになる。
また、形状回復範囲の長さＬ（ｍｍ）が大きい場合と、小さい場合について、形状回復により生じる回復力の最大値Ｐｍａｘを一定としてこれを縦軸に、形状回復量δを横軸にして、レール締結力線図を描くと図６のように、右下がりの線図が得られる。

尚、レール締結力Ｐ１（Ｎ）は、通常目標とする値の１．５倍、０．５倍程度をその上下限として設計するが、係止用のボルトは、１．５Ｐ（Ｎ）の剪断力に対抗できる強度を持たせる必要があるが、市販のハイテンボルト（S10Tクラス）を用いれば十分対応可能である。

実際の継目構造におけるギャップＧ（ｍｍ）は、レール及び継目板のボルト孔明け位置の精度、ボルト孔とボルトとの遊びの程度によって設計値（設定目標値）に対して誤差Δ（mm）が生じることは避けられない。厳密な製作管理を行うことによって、このギャップＧの誤差は最大でも±０．５ｍｍに抑えることが出来るが、最大の０．５ｍｍの誤差が生じた場合でも、レール締結力Ｐ１（Ｎ）が目標値の上下限におさまるように、レール継目用部材のサイズを設計する必要がある。

従って、例えば、図６に示すように、（ａ+Δ）−（ａ−Δ）＜１．０ｍｍとなった場合には、形状回復範囲の長さＬを長くして、（ｂ+Δ）−（ｂ−Δ）＞１．０ｍｍとなるようにサイズを変更して対応すればよい。

また、レール継目用部材１５（１６）の形状は、レールの種類によっても異なるが、設計上必要な締付力が80kNの場合、板厚28mm、板幅75mm程度でよい。

このように、本発明では、レール継目用部材の断面積と長さは、レール端部の初期突き合わせ時の間隙設定誤差を、設定目標値±０．５ｍｍ以上まで許容可能とする値に設定することができる。
また、レール継目用部材１５（１６）の長さは、通常、６１５ｍｍまたはその前後であるので、これらの間で変化させることにより、実用上は、設定目標値±０．５ｍｍ以上で、設定目標値±１．０ｍｍ以下を見込んでおけばよく、好ましくは、設定目標値±１．０ｍｍ以下でよい。

本発明のレール継目用部材を示す図である。本発明のレール継目用部材を用いたレール継目構造を示す側面図である。本発明のレール継目用部材を用いたレール継目構造を示す平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明のレール継目構造の形状回復前後における状態を示す図である。（ａ）：形状回復前、（ｂ）：形状回復後本発明のレール継目用部材の形状回復収縮量とレール締結力の関係を示す図である。

符号の説明

１，２・・・レール
３，４，５，６，７，８，９，１０・・・締結装置
１１，１２・・・レール継目用部材の係止ボルト・ナット
１３，１４・・・レール継目用部材の固定ボルト・ナット
１５，１６・・・レール継目用部材
１７，１８・・・係止ボルト用孔
１９，２０・・・固定ボルト用孔
２１・・・形状記憶効果を付与する範囲
２２・・・ギャップ
２３，２４・・・係止ボルトと継目板ならびにレールとの接触面

Claims

突き合わされた２本のレール端部のウェブ部を両側から挟んでボルトで固定されるレール継目用部材であって、前記レール継目用部材は平板状のFe−Mn−Si系合金の形状記憶合金でかつクロムを含有するFe−Mn−Si系合金の形状記憶合金からなり、形状記憶効果を付与された長手方向の中央部に長手方向に間隔をおいて複数の固定ボルト用長孔を、また長手方向両端部に係止ボルト用孔を有することを特徴とするレール継目用部材。
請求項１記載のレール継目用部材を用い、かつそのレール継目用部材は、形状記憶効果を付与するための6％から1 0％の引張変形量を加えられ、その後4 0 0℃ から8 0 0℃に加熱され、更に４％〜 7 %の引張変形を加えられて形状記憶効果を付与されたレール継目用部材であり、当該レール継目用部材をレールのウェブ部の両側にそれぞれ配置して、レールのウェブ部を両側から挟んでボルトで固定した後、前記レール継目用部材を構成する形状記憶合金の形状が回復する変態温度以上に加熱することを特徴とするレールの接合方法。