(57)【要約】【課題】低摩擦化とオイルレス化の双方を発現した車輪の採用によって、鉄道車両の乗上り脱線防止方法を提供することを目的とする。【解決手段】車輪のフランジコーナー部に自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２  ）による改質を行うことを特徴とするもので、フランジコーナー部を除く車輪周面とレールとの間の転動面においては所定の駆動力が得られるものでありながら、潤滑油等を必要とすることなく、鉄道車両のカーブ走行時には車輪のフランジコーナー部における自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデンによる改質層が、レールとの間で超低摩擦係数による転動が行われるので、フランジコーナー部がレール上に乗り上げることが有効に抑制され、潤滑油の消費節減、滑走防止さらにクリーンな環境共生型鉄道運行システムの構築が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール上を転動するフランジ付き車輪を備えた鉄道車両の乗上り脱線防止方法において、前記車輪のフランジコーナー部を自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２  ）による改質を行うことを特徴とする鉄道車両の乗上り脱線防止方法。
【請求項２】
前記車輪のフランジコーナー部における基材表面にプラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼入れを行ってマイクロポーラス組織層を形成し、該組織層の上に二硫化モリブデン皮膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の乗上り脱線防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レール上を転動するフランジ付き車輪を備えた鉄道車両の乗上り脱線防止方法に係り、レールゲージコーナーの損傷防止に寄与して、鉄道運行システムの安全性向上が期待される。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道の脱線事故の原因は、カーブ走行時において車輪フランジとレール側面の特異な接触により、車輪が徐々に乗り上がる「乗上り（せり上り）脱線」が主である。この脱線はカーブ走行時に車輪フランジとレール側面の高摩擦係数接触下で発生する。車輪がレールから乗り上がらない摩擦係数μは比較的滑らかな０．４以下でなければならないことが理論的に求められており、現在では車輪とレールの摩擦係数低減のために潤滑油を供給する技術が使用されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２７３０４７号公報（段落００３４）
【特許文献２】
特開２００２−２０７７３号公報（段落０００８）
【非特許文献３】
「表面改質皮膜による車輪／レール間の摩擦制御」日本鉄道施設協会誌  ２００３年１月号（平成１５年１月１日発行）第２８頁〜第３１頁
【０００４】
一方、本件発明者等は、硬質セラミックスを基材としてＭｏＳ２  皮膜コーティングを施し、自己潤滑と硬質皮膜で動特性を向上させるようにした表面改質処理方法の問題点、すなわち汎用性に乏しく、ＭｏＳ２  と基材との強固な密着力を発現させることが極めて困難であり、結局は高速摺動体への応用ないしは機器の長期信頼性に欠けるという欠点を克服するために、基材の表面に、複合表面改質によって硬度の傾斜化に加えマイクロポーラス組織層を形成し、そのマイクロポーラス組織層を利用して自己潤滑皮膜（ＭｏＳ２  膜、ＢＮ膜、Ｗ−Ｃ膜、Ａｌ２  Ｏ３  膜）との密着力を向上させることにより、高速摺動部品のさらなる高速化を実現できるようにした剥離防止の強靱化処理を行って、飛躍的に自己潤滑皮膜の基材への密着強度を向上させ、高速摺動部品のさらなる高速化を実現できるようにした表面改質構造およびその製造方法を提案した（上記特許文献２参照）。
【０００５】
さらには、本件発明者等は、鉄道における幾つかの表面改質皮膜による車輪とレールとの間の摩擦制御について、ボールオンディスク試験等の評価試験による調査研究を行った（上記非特許文献３参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に記載されたものでは、潤滑油の使用時に塗布量にムラができて、レールと車輪との間に常時安定した低摩擦状態を確保することが困難であり、潤滑油の蒸発により摩擦係数が増加すること等の様々な問題を抱えている。また、前記非特許文献３に記載された研究では、ラジカル窒化処理の効果を確認して、動摩擦係数と同等なトラクション係数０．１が得られるに止まるものである上に、車輪全体を改質する等不経済であった。
【０００７】
そこで、本発明では、本件発明者等による前記特許文献２にて提案した表面改質構造およびその製造方法を用いて改良し、駆動時における所定のトラクション制御機能は確保したままで、摩擦係数が極端に小さな潤滑皮膜による表面改質を可能にし、低摩擦化とオイルレス化の双方を発現した車輪の採用によって、鉄道車両の乗上り脱線防止方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、レール上を転動するフランジ付き車輪を備えた鉄道車両の乗上り脱線防止方法において、前記車輪のフランジコーナー部に自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２  ）による改質を行うことを特徴とする。また本発明は、前記車輪のフランジコーナー部における基材表面にプラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼入れを行ってマイクロポーラス組織層を形成し、該組織層の上に二硫化モリブデン皮膜を形成することを特徴とするもので、これを課題解決のための手段とするものである。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の鉄道車両の乗上り脱線防止方法の１つの実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の基本的な構成は、図１に示すように、レール上を転動するフランジ付き車輪を備えた鉄道車両の乗上り脱線防止方法において、前記車輪のフランジコーナー部を自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２  ）による改質を行うことを特徴とするものである。より効果的には、前記車輪のフランジコーナー部における基材表面にプラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼入れを行ってマイクロポーラス組織層を形成し、該組織層の上に二硫化モリブデン皮膜を形成するものである。
【００１０】
以下、本発明がなされた技術的背景を含めて詳述する。図２に鉄道車両の直線走行時およぴカーブ走行時の車輪とレールの接触を表した模式図を示す。この図から、カーブ走行時に車体には遠心力が作用し、これにより車軸が横方向の力（横圧）を受けて片側に移動する。さらに横圧が加えられると、車輪路面は乗り上がり、車輪フランジ部分で１点接触するようになる。この接触状態を力学的に解析したものが図３である。同図から、摩擦係数μの値が大きいほど横圧が大きくなり、せり上り脱線が起こり易くなる。すなわち、せり上り脱線を防止するためには、車輪フランジ部を低摩擦化する必要がある。
【００１１】
一般的にはフランジとレール間の摩擦係数μは０．４以下でなければならない。そのため現在では、レールと車輪フランジ部の高摩擦係数接触を防止するために潤滑油（μ＝０．１）が使用されている。潤滑油はカーブ手前の線路わきに設置された「塗油器」や車両に設置されたタンクからパイブ等を通じて噴射ノズルによりレール側面もしくは車輪フランジに吹き付けられる。しかし、潤滑油による低摩擦化には前述したような問題点がある。
【００１２】
すなわち、線路わきに設置されている塗油器は、潤滑油のムラが出てしまう。また、車両に装着されている塗油器は、列車の速度が一定速度以上に達すると直線あるいはカーブの何れかであっても左右のレール側面に潤滑油を噴射する。このため、潤滑油が無駄に使われるとともに過剰塗油によりレール頭部に潤滑油が付着し滑走を引き起こす虞れがある。さらに、真夏などの炎天下では潤滑油が蒸発してしまい、潤滑油量が充分でないいわゆる乾燥状態になることがあり、高摩擦接触が引き起こされる。
【００１３】
本発明は、潤滑油を使用しないで低摩擦係数を発現する鉄道車輸を使用したものである。すなわち、本件発明者により出願された前記特許文献２（特開２００２−２０７７３号公報）に記載された「自己潤滑機能をもつ表面改質構造およびその製造方法」を応用して、剥離防止の強靭化処理を行ったＭｏＳ２  複合表面改質皮膜を鉄道車輪のフランジ部に施し、低摩擦化を図ったものである。
【００１４】
つまり、例えば、図１に示すように、基材の表面にプラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼き入れを行い、この処理によって、基材の表面に硬さの傾斜化およびマイクロポーラス組織層が形成される。こうして改質された表面に対して、スパッタリングまたはショットピーニングにより自己潤滑機能を持つ皮膜を構成するＭｏＳ２  膜をコーティングする。この自己潤滑皮膜は、マイクロポーラス組織によるクサビ効果により基材と強固に密着する。このように強固な密着力が、超高速摺動部品において自己潤滑皮膜の自己潤滑機能を発現させるのである。
【００１５】
ＭｏＳ２  表面改質皮膜は、自己知能化潤滑皮膜であるため、潤滑油を使用しないで低摩擦係数を得ることが可能である。すなわち、本発明により、何とオイルレスでフランジとレール間の摩擦係数μ＝０．０６を発現し、カーブ走行時の車両の乗上りを有効に防止し、安全な走行を可能にするものである。フランジ以外の車輪とレールとの間の摩擦係数については、所定の駆動力が得られるように、あまり低くされない。
【００１６】
このように、本発明は、１つの実施の形態である図１に示すように、ＭｏＳ２  強靭化複合表面改質皮膜を鉄道車輪のフランジ部のみに施し、低摩擦化を図ることにより、乗上り脱線を防止するための表面改質であるため、カーブ走行時に車輪とレールが接触するフランジ部のみにＭｏＳ２  表面改質皮膜をコーティングし、フランジ部のみの低摩擦化を図ることで、ＭｏＳ２  表面改質皮膜を、自己知能化潤滑皮膜として、潤滑油を使用しないドライ環境で低摩擦係数を得ることが可能となる。すなわち、本発明によりオイルレスでフランジとレール間の摩擦係数μ＝０．０６を発現し、カーブ走行時の車両の乗上りを効果的に防止し、安全な走行を可能にするものである。
【００１７】
＜評価試験および試験データ＞
鉄道総合技術研究所（以下、鉄道総研）においては，鉄道車輪とレールの接触間題に対して開発された二円筒転がり接触摩擦摩耗試験機を使用した。本装置は鉄道総研において開発されたもので、車輪とレールの転がり接触における様々な特性を高精度に評価でき、信頼性が非常に高い試験機である。その概要を図４に示し、仕様を図５の表図に示す。本評価装置では、車輪（相手車輪）および試験輪（モデル車輪）は、それぞれ独立した１５０ｋＷのモータにより回転の制御を行い、各輪の速度はロータリーエンコーダの出力を速度加減速度計で測定している。
【００１８】
さらに、試験輪側の軸には、モータに加え永久磁石式の渦電流ブレーキ（ＰＭＢ）を備え、いずれか一方に切り替えて運用できる構造を有している。  モータは、摩耗および疲労試験時のトルク制御もしくは巨視的すべりの制御に用いられる他、試験輪表面の研磨時にも使用される。また、両輪の接線力は軸受上部に設置されたロードセルで検出し、車輪／試験輪接触部で発生するトラクション（接線力とも呼ぶ）は、車輪の軸トルクとして非接触トルク計で計測される。
【００１９】
具体的な試験方法法として、車輪にラジアル荷重（輪重）を掛けながら、車輪と試験輪の２円筒を接触させる。試験開始直後は２円筒を共にモータで回転させ回転速度を一定にし、転がり接触させる。その後、試験輪に徐々にブレーキを掛け、転がり−すべり接触させる。最終的に、互いの接触面がフラットにならないよう、すべり率１０％に到達した時点で試験を終了するものとした。この試験により、車輪と試験輪の接触から、すべり率とトラクション係数の関係が得られる。
【００２０】
図６に二円筒転がり接触摩擦試験機により得られたＭｏＳ２  皮膜を施した鉄道車輪のトランクション係数とすべり率の関係の線図を示す。同図からＭｏＳ２  皮膜のトラクション係数は０．０６を保ち非常に安定である。すなわち、潤滑油を使用した場合のトラクション係数０．１と比較しても格段に小さくなっており低摩擦化が実現できる。このことから、オイルレスで乗上り脱線が確実に防止でき、車輪およぴレールのメンテナンスコストの低減が図られるものと考えられる。さらには、従来の潤滑油を使用する方法と組合せた場合、潤滑油の使用量を格段に抑えることができ、潤滑油の消費節減、滑走防止さらにクリーンな環境共生型鉄道運行システムの構築が可能となる。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で、レールの断面形状、フランジおよびフランジコーナー部を含む車輪の形状、基材としてのその材質、フランジコーナー部における二硫化モリブデンの改質範囲、プラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼入れによってマイクロポーラス組織層を形成させ、該組織層への二硫化モリブデン皮膜の形成形態等については適宜選定が可能である。また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２２】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、レール上を転動するフランジ付き車輪を備えた鉄道車両の乗上り脱線防止方法において、前記車輪のフランジコーナー部を自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２  ）による改質を行うことにより、フランジコーナー部を除く車輪周面とレールとの間の転動面においては所定の駆動力が得られるものでありながら、潤滑油等を必要とすることなく、鉄道車両のカーブ走行時には車輪のフランジコーナー部における自己潤滑機能および表面改質構造を有する二硫化モリブデンによる改質層が、レールとの間で超低摩擦係数による転動が行われるので、フランジコーナー部がレール上に乗り上げることが有効に抑制され、潤滑油の消費節減、滑走防止さらにクリーンな環境共生型鉄道運行システムの構築が可能となる。
【００２３】
また、前記車輪のフランジコーナー部における基材表面にプラズマ窒化処理あるいはプラズマ浸炭焼入れを行ってマイクロポーラス組織層を形成し、該組織層の上に二硫化モリブデン皮膜を形成することにより、窒化による耐摩耗性が向上して車輪の耐久性向上に寄与する上、マイクロポーラス組織による楔効果が発現されて、二硫化モリブデン膜が基材である車輪のフランジコーナー部と強固に密着するので、超高速摺動部品において自己潤滑皮膜の自己潤滑機能を充分に発揮させることができ、耐久性・密着性も向上する。かくして、駆動時における所定のトラクション制御機能は確保したままで、摩擦係数が極端に小さな潤滑皮膜による表面改質を可能にし、低摩擦化とオイルレス化の双方を発現した車輪の採用によって、鉄道車両の乗上り脱線防止方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両の乗上り脱線防止方法の実施の形態を示す要部断面図である。
【図２】鉄道車両のカーブ走行時の車輪とレールの接触を説明する図面である。
【図３】レールと車輪との間の力学的解析説明図である。
【図４】接触摩擦摩耗試験機の全体概念図である。
【図５】前記接触摩擦摩耗試験機の仕様説明図である。
【図６】本発明の鉄道車輪のトラクション係数とすべり率の関係図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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