テクニカルレポート

2019/05/24 / テクニカルレポート

シリーズ さまざまな研究所を巡る(第6回)

〜鉄道総合技術研究所(その1)〜

厚木エレクトロニクス  加藤 俊夫 氏

 

1. はじめに


 5ヶ月続けて宇宙ロケット、航空機を取り上げたので、次は地上の鉄道の出番である。

 そこで、公益財団法人 鉄道総合技術研究所を取材させていただいた。

 研究所の紹介の前に、日本の鉄道の進化について触れておきたい。

 誰でも知っているようでいて、案外知られていない技術が非常に多く開発され蓄積している。

 日本の鉄道の始まりは、明治5(1872)年、新橋―横浜間であり、それ以来日本全国に鉄道網が貼りめぐらされた。

 第2次大戦後、東京―大阪間を特急が6時間半で走るようになり、戦後の復興に大いに寄与した。

 その時、国鉄総裁になった十河信二氏は、狭軌鉄道の限界を悟り、将来を見て広軌の新幹線の建設を主張し、もはや自動車と航空機の時代であるという周囲の猛反対を押し切って新幹線の建設を推進した。

 新幹線によって、どれほど日本の産業が発達し、生活が豊かになったかを考える時、十河氏の将来を見る目の素晴らしさに感嘆せざるを得ない。

 しかし、当時の列車の世界最高速度であった200㎞/hは、思わぬ問題点が続出した。

 たとえば、図1のように高速でトンネルに入ると、空気圧が急増し車内の気圧も高くなって耳ツンといわれる現象が発生する。

 さらに山陽新幹線以降のスラブ軌道トンネルでは、トンネル出口で空気圧が上昇してドーンという衝撃音が発生する。

 この対策として図1下のような長い鼻で空気圧が急増しない構造が開発され、現在もこのような長い鼻の車両が走っている。

図1 列車がトンネルに入った時の空気圧の変化と、長い鼻による解決

 

 

2. ブレーキ


 鉄道にとって最重要な技術は、動かす動力よりブレーキであろう。

 従来からの機械ブレーキの一つとして、図2や図3のようなブレーキディスクと呼ばれる回転体に対してブレーキライニングを押し付けることによって摩擦力を発生させて止まる方式がある。

 しかし、いろいろな場面で簡単にはブレーキが効かない場合もあり、多くの研究がなされているので、その一端を紹介する。

 

1.新幹線用空圧式フローティングキャリパ

 ブレーキディスクを任意の力で挟み、ブレーキ力を得る装置をキャリパと呼ぶが、新幹線の油圧キャリバと互換性を持ち、空油圧変換装置(増圧シリンダ)を用いないシンプルでメンテナンス性に優れた空圧式フローティングキャリパが開発された。

 本装置では、テコや歯車といった仕組みを用いず大きな力を直接伝えることができる「楕円形ダイヤフラム押付機構」を作動アクチュエータとして用いている。

 ダイヤフラムは空気圧を押し付け力に直接変換できる図2のような単純な機構で、薄くて気密性の高いゴム膜を用いるため製作形状の自由度が大きい。

 そのため、限られたスペースを有効に利用できる楕円形状にすることで、油圧式キャリパと同等の大きさに構成することができた。

図2 空圧式フローティングキャリバ(図は鉄道総合研究所の提供によるもので、一部を筆者が加工した)

 


2.ブレーキの氷結防止

 ブレーキディスクの摩擦面が氷結すると、ブレーキの効きが悪くなり問題である。

 氷結状態を実験的に再現して効き具合を調査した。

 図3のように、厚さ0.5mmの氷結層を形成し、ブレーキ開始温度を-20℃として低温・氷結状態を模擬した台上ブレーキ試験を行った。

 制動直後はディスクとライニングの間の摩擦係数が極めて低いため、約25秒までの間はトルクが出ない。

 その後、氷雪が破砕されて摩擦面が接触を始め、摩擦熱による温度上昇とともにトルクが回復する。

 氷雪の介在による摩擦面のすべりはブレーキ初速度及び押付力が小さいほど顕著な傾向を示し、ブレーキ性能は、氷雪破砕の促進により上昇する傾向が確認された。

 なお、摩擦係数の低下率は押付力に依存せず、初速度125km/hが約50%、165km/hが約7%であった。

図3 ブレーキの氷結防止のための試験(図は鉄道総合研究所の提供によるもの)

 

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