(57)【要約】本発明は，最適化された性能特性を有する鉄道軌道上部構造用のマクラギを，費用効果的に，かつ高い信頼性をもって製造可能とする方法を提供する。この目的のため，本発明に係る方法は：  a) 10 - 60 質量%が加熱により変形可能なプラスチック粒状材を含み，残部が嵩密度1.4 - 2.0 g/cm3の砂よりなる混合材を準備するステップ；  b) 混合材を150 - 200°Cまで加熱するステップ；  c) 混合材を，マクラギに対応する加圧金型内に装入するステップ；  d) 混合材を金型内において，1 - 5 MPaの圧力下で60分までの加圧時間に亘って加圧するステップ；並びに  e) マクラギを金型から取り出すステップ；を備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道軌道上部構造用のマクラギを製造する方法であって：
a) 10 - 60 質量%が加熱により変形可能なプラスチック粒状材を含み，残部が嵩密度1.4 - 2.0 g/cm3の砂よりなる混合材を準備するステップ；
b) 前記混合材を150 - 200°Cまで加熱するステップ；
c) 前記混合材を，マクラギに対応する加圧金型内に装入するステップ；
d) 前記混合材を前記金型内において，1 - 5 MPaの圧力下で60分までの加圧時間に亘って加圧するステップ；並びに
e) 前記マクラギを前記金型から取り出すステップ；
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって，前記ステップa)で準備される混合材は，20 - 40 質量%のプラスチック粒状材を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって，前記ステップb)で準備される砂の嵩密度が，少なくとも1.6 g/cm3であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の方法であって，前記加圧時間は，少なくとも５分間であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の方法であって，前記ステップb)で前記混合材を加熱する温度は，少なくとも160°Cであることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の方法であって，前記プラスチック粒状材が，ポリプロピレン粒状材（ＰＰ粒状材）又はポリエチレン（ＰＥ粒状材）であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって，前記プラスチック粒状材が，ＰＰ粒状材及びＰＥ粒状材の混合材であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって，前記プラスチック粒状材は，40 - 60 質量%がＰＰ粒状材，残部がＰＥ粒状材であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の方法であって，前記プラスチック粒状材を構成するプラスチックのメルトフローインデックスMFI/190/2,16が，いずれも20超であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の方法であって，前記砂を，前記プラスチック粒状材と混合するに先立って，150 - 230°Cまで加熱することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法であって，前記金型の温度は，前記プラスチック粒状材及び砂の混合材で満たされている場合に，平均で100 - 140°Cであることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法であって，前記砂は，平均粒径0.1 - 0.5mmの砂粒よりなることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって，前記砂粒は，平均粒径が0.5mm未満であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法であって，前記砂は，モース硬度が5 - 8であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鉄道軌道上部構造用として，プラスチック及び砂の混合材から形成されるマクラギの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において規格や対応する規制に言及する場合，特に明記しない限り，本願の出願時点で有効な版が常に参照される。
【０００３】
鉄道車両が通過する鉄道軌道は，鉄道軌道上部構造の一部であり，鉄道車両の車輪が転動するレールと，レールを支持すると共に適正位置に保持するマクラギと，レールをマクラギに締結するレール締結手段とを備える。マクラギは，通常，バラスト床（「バラスト床上部構造」）上に，又はコンクリートスラブ等で形成される固体基礎（「固体軌道」）上に支持される。
【０００４】
マクラギには，使用時に高い負荷が作用する。マクラギは，レール及びレール車両の重量のみならず，レール車両が走行する際の動的負荷も吸収する必要がある。これと同時に，マクラギは，例えば温度又は湿度の大きな変動によって特徴付けられる，過酷で広範に変化する環境条件に耐える必要もある。
【０００５】
従来，マクラギは木材，鋼材又はコンクリートで構成されている。木製のマクラギは比較的高価であるが，使用時にある程度は弾性的に挙動する。その利点は，労苦を要することなく，重力方向にある程度の柔軟性を有するレール締結部を形成できることである。これは，レールの耐久性にとって有利な点である。他方，木製マクラギを腐朽から保護するためには，手の込んだ，そして環境的観点からも疑問視される措置を講じる必要がある。また，木製マクラギは，腐朽化のリスクに鑑み，比較的短期の間隔で検査し，かつ，保守しなければならない。
【０００６】
対照的に，コンクリート製マクラギは耐摩耗性に優れており，より費用効果的に製造することができる。しかしながら，コンクリート製マクラギは重量が大きく，弾性的なものではない。弾性の欠如は，各レール締結点において所要の柔軟性を発現させるために，追加的な措置が必要となることを意味する。また，コンクリート製マクラギは，気象条件が極端に変化する場合に，急速に老朽化を生じることが確認されている。
【０００７】
特許文献１（ドイツ国登録実用新案第20 2011 050 077号明細書）は，従来の木製又はコンクリート製マクラギの代替として，プラスチック及び砂の混合材よりなるマクラギを提案している。砂及びプラスチックのポリマーは，一方では十分な寸法安定性を，そして他方では木製マクラギの挙動に匹敵する柔軟性を発現するように，互いに結合させる必要がある。そのようなマクラギを製造可能とする方法は，特許文献２（ヨーロッパ特許第1299321号明細書）から既知である。この方法では，砂が300 - 800°Cまで加熱された後，プラスチックの顆粒と混合される。その混合材は，マクラギに対応する金型内に装入され，1 - 40 kPaの圧力下で60 - 100°Cまで冷却される。砂の粒径は，0.5 - 0.9 mmとされている。
【発明の概要】
【０００８】
このような背景を有する従来技術に鑑み，本発明の課題は，最適な性能特性を有するマクラギを費用効果的に，かつ高い信頼性をもって製造可能とする方法を提供することである。
【０００９】
この課題を，本発明は請求項１に記載した方法によって解決するものである。
【００１０】
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されており，本発明の一般的概念と併せて詳述すれば，以下のとおりである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は，鉄道軌道上部構造用のマクラギを製造するための方法であり，該方法は：
a) 10 - 60質量%が加熱により変形可能なプラスチック粒状材を含み，残部が嵩密度1.4 - 2.0g/cm3の砂よりなる混合材を準備するステップ；
b) 前記混合材を150 - 200°Cまで加熱するステップ；
c) 前記混合材を，マクラギに対応する加圧金型内に装入するステップ；
d) 前記混合材を前記金型内において，1 - 5 MPaの圧力下で60分までの時間に亘って加圧するステップ；並びに
e) 前記マクラギを前記金型から取り出すステップ；
を備える。
【００１２】
本発明は，製造を信頼性が高く，かつ作動的に確実なものとするためには，精密に限定された温度範囲と，精密に決定された加圧圧力範囲とを設定し，金型内に充填された砂・プラスチック混合材を，マクラギの安定性を実現するために必要とされる砂及びプラスチック間の結合が達成されるまで，上記条件下で維持する必要があるとの知見に基づくものである。
【００１３】
砂・プラスチック混合材が金型内で加圧される際の混合材の温度範囲は，本発明では150 - 200°Cとする。砂・プラスチック混合材は，初めに砂及びプラスチック粒状材を混合した後にその混合材を加圧温度まで加熱すれば，上記の温度まで昇温させることができる。形状精度，表面状態及び機械的特性において最も高度の要求にも適合するマクラギを，少なくとも160°Cの加圧温度下において，高い信頼性をもって製造可能であることを，実験的に確認した。エネルギ使用の最適化を図る観点から，加圧温度は高くても180°Cに限定するのが有利であり得る。
【００１４】
砂及びプラスチックを一緒に加熱することの代替案として，砂を予熱した後，これを未だ加熱されていないプラスチック粒状材と混合することも有利であり得る。熱した砂との接触の結果，その時点まで冷えていたプラスチックは，本発明において必要とされる加圧温度まで迅速に加熱される。これは，熱エネルギの有効利用においてのみならず，砂及びプラスチックの結合プロセスに対して効果的に作用する点でも有利である。これらの利点を活用するため，砂は，製造すべきマクラギにおける砂及びプラスチックの質量比，並びにプラスチックの加熱挙動も考慮に入れて，加圧温度を超える温度まで加熱する必要があり，これにより，熱した砂と冷えたプラスチックで構成される混合材の温度を，混合後に本発明の規定する温度範囲とする。そのためには，砂を180 - 250°C，特に少なくとも190°C，高くても230°Cまで加熱した後にプラスチックと混合するのが効果的であることを実証実験により確認した。
【００１５】
本発明に従って処理された砂・プラスチック混合材は，加圧金型内において本発明の規定する加圧温度を有する必要がある。この条件を確実に満たすためには，砂・プラスチック混合材が金型への装入前に加熱され，熱した状態で金型内に装入される本発明の実施形態において，砂・プラスチック混合材の温度を，該混合材の金型との接触により生じ得る熱損失を考慮に入れて設定することにより，金型への挿入後の混合材の温度を，加圧温度のために設定した温度範囲内に依然として収める必要があり得る。過剰な熱損失を防止するためには，装入操作のために加圧金型を平均値で少なくとも100°C，特に少なくとも110°Cまで加熱するのが有利であり得る。この場合，エネルギを最適に活用することにより，金型内に装入された砂・プラスチック混合材の温度を十分に制御する観点から，180°Cまでの温度，特に140°Cまでの温度が十分な温度であって好適であることを確認した。ここに「平均値で」とは，金型温度との関連において，金型の全ての領域で検出された温度の平均値が，本発明の規定する設定値に対応することを意味する。従って，この設定値からの局所的な偏差，すなわち，より高い温度又はより低い温度が存在することがあり得る。重要な点は，平均値からの局所的な偏差を最適には10%以下，特に５％以下とすることである。
【００１６】
マクラギは，加圧後に金型から取り出すことができる。言うまでもなく，必要であればマクラギを金型内で所定の取り出し温度まで冷却して，取り出しを容易とすることができる。すなわち，マクラギの温度を40 - 100°C，特に50 - 70°Cとするのが有利であることを確認した。
【００１７】
本発明が奏功するためには，プラスチック粒状材と混合した砂の嵩密度を1.4 - 2.0g/cm3とすることが肝要であり，嵩密度が少なくとも1.6g/cm3である砂が特に有利であることが判明した。本発明に従って砂の嵩密度を選択すれば，砂はプラスチック粒状材と良好に混合し，砂粒がプラスチックマトリックスと良好に結合する。このプラスチックマトリックスは，完成品のマクラギにおいて砂粒を包囲し，加熱及び加圧の過程において融解して圧縮されるプラスチック粒状材から形成されるものである。嵩密度を最大で1.9g/cm3とし，特に少なくとも1.7g/cm3とするのが有利であることが判明した。
【００１８】
本発明の目的のためには，平均粒径が0.1 - 0.5mmの砂が特に好適であることを実験的に確認した。すなわち，そのような粒径の場合，砂は完成品のマクラギにおいて，プラスチックマトリックス内に特に良好に埋設される。これにより，マクラギの安定性が最適化されるのみならず，その制振挙動及び弾性が，輝度プ車両用の鉄道軌道におけるマクラギとして使用する上で最適な態様で設定される。これは，特に砂平均粒径が0.5mm未満，例えば最大で4.8mm，最大で4.5mm又は最大で0.44mmの砂について当てはまることである。
【００１９】
本発明において特定する最小限要件としての嵩密度を有する全ての砂は，本発明の目的のための砂として適用可能である。
【００２０】
本発明に係るマクラギの材料中に配置される砂の種類について，特定の要件が課されるものではないことを実用試験において確認した。砕砂が特に有利であるが，絶対的に必要とされるものではないことを確認した。砕砂は，通常は人工的に製造される砂であり，例えば砂で作られている製品，一例としては本発明に係るマクラギ，をリサイクルする際に形成される。砕砂は，その粒子が周面に角張った突部を有することを特徴とし，これらの突部において砕砂は隣接する粒子と係止し合う。これにより，本発明に基づいて製造される高い強度及び破壊抵抗性を有するマクラギに寄与するものである。
【００２１】
本発明において使用する砂は，粒子のモース硬度が有利には5 - 8である。（例えば，非特許文献１：Detlef Gysau著, “Fuellstoffe”〔充填剤〕, 第３版, Vincentz Network社出版, 2014年 (ISBN: 9783866308398)を参照されたい。） 粒子のモース硬度が少なくとも６，特に少なくとも７である砂が特に好適であることを確認した。
【００２２】
本発明の方法のためにステップa)において準備するプラスチック粒状材の混合材は，その含有量を10 - 60質量％，特に20 - 40質量％とするのが有利であることを確認した。
【００２３】
原則的に，本発明に従って構成された砂と混合することができ，かつ，加熱及び加圧によって圧縮されて，プラスチックと，これに埋設された砂の粒子との十分な結合を可能とする全てのプラスチックを，本発明に係るマクラギを製造するためのプラスチックとして使用することができる。この目的のためには，一般的に「熱可塑性」と称されるプラスチックが特に好適である。
【００２４】
プラスチック粒状材としては，ポリプロピレン粒状材（ＰＰ粒状材）又はポリエチレン粒状材（ＰＥ粒状材）よりなる粒状材が特に適しており，ＰＰ粒状材が特に有利であることを確認した。プラスチック材料に関して特別な要件が課される場合には，高密度ポリエチレンよりなる粒状材（ＨＤＰＥ粒状材）も本発明のために適当であり得る。
【００２５】
本発明に係るマクラギを製造するために使用されるプラスチック粒状材は，単一種のプラスチック粒状材で構成することができ，また，異種のプラスチック粒状材の混合材で構成することもできる。
【００２６】
プラスチック粒状材の混合材を使用すべき場合，40 - 60重量%がＰＰ粒状材，残部がＰＥ又はＨＤＰＥ粒状材よりなるプラスチック粒状材が有利であることを確認した。
【００２７】
本発明に従って成形金型内に装入した砂・プラスチック混合材を加圧するに際して金型を十分に充填することに関連して，プラスチック，すなわちプラスチック粒状材を構成するプラスチックは，非特許文献２：ドイツ工業規格EN ISO 1133に従って決定されるのメルトフローインデックスMFI/190/2,16を，試験温度230°C，負荷質量2.16kgの条件下で，何れの場合でも20超とするのが有利であることを確認した（非特許文献３：A.B. Mathur及びI.S. Bhardway著, “Testing and Evaluation of Plastics”〔プラスチックの試験及び評価〕, Allied Publishers PVT. Limited発行, 2003年, ISBN 81-7764-436-X)を参照）。
【００２８】
本発明に従って処理される砂・プラスチック混合材におけるプラスチック材料の砂に対する良好な混合は，粒状材の粒子サイズを砂の粒径と適合させることによって付加的に支援することができる。この目的のためには，プラスチック粒状材を粉末状又は粉末で構成するのが効果的であることを確認した。
【００２９】
本発明に従って製造されたマクラギは，破壊に対して高い抵抗を有する。
【００３０】
ドイツ工業規格EN 13146-10に基づいて行われた試験により，本発明に従って製造されたマクラギが最も厳格な要件に適合する高い引き抜き抵抗を常に有しており，この点に関して実用的に定められた要件に常に高い信頼性をもって適合することか確認された。
【００３１】
これに加えて，本発明に係るマクラギは，マクラギ内に形成された円筒状開口部内，特にドリル孔内にねじ込まれるセルフタッピング型の締結ねじを使用して，マクラギ上でレールを支持する特別な用途や，そのような開口部を包囲する材料内に切り込まれる場合に好適であることを確認した。また，本発明に係るマクラギは，マクラギ材料の欠損を生じることなく，少なくとも60kNの高い締結トルクを吸収できることを確認した。これは，本発明に係るマクラギと相俟って，簡単な構成を有する安価なシステムを使用して締結対象のレールを締結することが可能であり，その際には，レールをマクラギに締結するために最小限の本数のねじのみが必要とされる。
【００３２】
以下，本発明を例示としての実施例について更に詳述する。
【００３３】
バラスト床上部構造用として，既知の態様で矩形状に伸長したマクラギを製造するために，破砕した石英砂を準備した。その砂の嵩密度は約1.9g/cm3，モース硬度は７，砂粒の平均粒径は0.1 - < 0.5mmであった。
【００３４】
同様に，ポリプロピレンプラスチック粒状材（ＰＰ粒状材）の混合材からなるプラスチック粒状材を準備した。ＰＰ粒状材のメルトフローインデックスは，230°Cの温度及び2.16kgの負荷条件下で20超であった。
【００３５】
プラスチック粒状材と混合する前に砂を，砂中に埋め込んだ加熱カートリッジにより220°Cまで加熱し，加熱オイルにより加熱した。他方，プラスチック粒状材の温度は室温に対応していた。
【００３６】
次に，熱した砂をプラスチック粒状材と混合した。砂及びプラスチック粒状材を計量することにより，得られた砂・プラスチック混合材が35質量％のプラスチック粒状材を含み，残部が砂で構成されるように配合した。混合の間，プラスチック粒状材を加熱すると共に，熱した砂をこれに対応させて冷却し，これにより砂・プラスチック混合材を170°Cの加圧温度とした。この温度下で，プラスチック粒状材は既に完全に溶融していた。
【００３７】
このようにして適正温度下に置かれた砂・プラスチック混合材を，加圧ツールにおける金型内に充填し，その金型を少なくとも120°Cの温度に維持した。
【００３８】
次に，砂・プラスチック混合材を金型内において，例えば３０分に亘り，3.6MPaの圧力下で保持した。このようにして，金型を砂・プラスチック混合材で均一に満たし，金型によって規定されるマクラギの細部を完全に再現し，砂を包囲するプラスチックに対する砂の強力な結合を達成した。
【００３９】
成形時間の経過後，金型を開くことにより，得られたマクラギを60°Cの取り出し温度まで冷却し，その取り出し温度においてマクラギを金型から完全に取り出した。
【００４０】
得られたマクラギは，実用時に生じる負荷を，高い信頼性をもって吸収可能な高い破断抵抗を恒久的に有するものであった。
【００４１】
これと同時に，引き抜き抵抗，すなわちマクラギからレール締結用アンカーを引き抜きために必要とされる力が，実用目的において規定されている最低値よりも相当に高いことを確認した。
【００４２】
同様に，通常のマクラギ用締結ねじを使用して検証したところ，その締結トルクは60kNよりも相当に高く，例えば70kN超であることを確認した。
【００４３】
本発明に従って上述した態様で製造したマクラギの矩形試料と，前述したドイツ登録実用新案第202011050077号明細書に従って製造したマクラギの試料とにつき，-20°C，0°C，室温，+50°C及び+70°Cの試験温度下で三点曲げ試験を行った。この三点曲げ試験は，ドイツ工業規格EN 13146-10に基づくものである。試料の寸法は，160 x 40 x 40 mmとした。
【００４４】
試験条件は，添付図面に示すとおりである。すなわち，試料Ｐを互いに100mmだけ離隔させた２つの円筒状支持体A1, A2上に載置し，試料の各端部をそれぞれの支持体A1, A2から側方に30mmだけ突出させた。支持体A3を介してそれぞれ試験力Ｋを試料Ｐに印加した。
【００４５】
この試験の結果，本発明に従って製造した試料が試験の間に吸収した破断負荷，すなわち，それを超過した場合に試料の破断を生じる最大試験力Ｋは，従来の態様で製造された比較例試料が吸収可能な破断負荷よりも，各試験温度において平均で少なくとも46%だけ高いことを確認した。
【００４６】
表１は，三点曲げ試験において，本発明に係る試料により吸収された破断負荷BK_erfが，比較例試料で吸収可能な破断負荷よりもBK_konvよりも，いかなる割合Ａ％で高いかを各試験温度ＴＰについて示すものである。
【００４７】
【表１】
2019516883.tif 000002
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４８】
【特許文献１】ドイツ登録実用新案第202011050077号明細書
【特許文献２】ヨーロッパ特許第1299321号明細書
【非特許文献】
【００４９】
【非特許文献１】Detlef Gysau著, “Fullstoffe” (充填剤), 第３版, Vincentz Network社出版, 2014年 (ISBN: 9783866308398)
【非特許文献２】ドイツ工業規格EN 13146-10
【非特許文献３】A.B. Mathur及びI.S. Bhardway著, “Testing and Evaluation of Plastics”〔プラスチックの試験及び評価〕, Allied Publishers PVT. Limited発行, 2003年, ISBN 81-7764-436-X)
【図１】
2019516883.tif 000003
【国際調査報告】
2019516883.tif 000004
2019516883.tif 000005
2019516883.tif 000006
2019516883.tif 000007
2019516883.tif 000008
2019516883.tif 000009