(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
包囲された硬質の内部コアを備え、レール（１２）を支持する鉄道用枕木において、前記硬質の内部コアは、補強材料（６６）により硬質化される少なくとも１個の細長い補強部材（４４、６８、７６）を備え、該細長い補強部材（４４、６８、７６）および前記補強材料（６６）は、十分に撓む変形可能な複合材料よりなる外側ケーシング（１６、１８）により包囲され、前記レールを保持する固定具を内部に打ち込み可能にすることを特徴とする鉄道用枕木。
【請求項２】
前記外側ケーシング（１６、１８）は、体積比４０％−６０％のポリエチレンと体積比６０％−４０％のゴム粒子の複合材料によるなることを特徴とする請求項１に記載の鉄道用枕木。
【請求項３】
前記細長い補強部材は、鋼製ビームよりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道用枕木。
【請求項４】
前記細長い補強部材（４４、６８、７６）は、少なくとも１個の細長い筒状ビームよりなることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の鉄道用枕木。
【請求項５】
２個の細長い筒状鋼製ビーム（４４）を備えることを特徴とする請求項４に記載の鉄道用枕木。
【請求項６】
前記鋼製ビーム（６８）は、略「Ｈ」断面形状であることを特徴とする請求項３に記載の鉄道用枕木。
【請求項７】
前記鋼製ビーム（７６）は、略「Ｗ」断面形状であることを特徴とする請求項３に記載の鉄道用枕木。
【請求項８】
前記細長い補強部材（４４、６８、７６）は、少なくとも２個の細長く且つ連結された側壁で形成され、該側壁間に内部空間を形成することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の鉄道用枕木。
【請求項９】
前記補強材料（６６）は、前記内部空間を充填することを特徴とする請求項８に記載の鉄道用枕木。
【請求項１０】
前記補強材料（６６）は、コンクリートであることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の鉄道用枕木。
【請求項１１】
前記外側ケーシング（１６、１８）は、２個の相補的な半体で構成され、内部に充填されたコンクリートおよび細長い補強部材を包囲することを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の鉄道用枕木。
【請求項１２】
前記補強部材の前記側壁は、細長い壁で相互接続されることを特徴とする請求項７乃至１１の何れかに記載の鉄道用枕木。
【請求項１３】
更に複合インサート（６２）が前記細長い補強部材（４４、６８、７６）内に配置され、内部に挿入された固定具を保持することを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の鉄道用枕木。
【請求項１４】
前記インサート（６２）は、前記細長い補強部材（４４、６８、７６）内に配置され、前記補強材料で包囲されることを特徴とする請求項１３に記載の鉄道用枕木。
【請求項１５】
前記インサートは、体積比４０％−６０％のポリエチレンおよび体積比６０％−４０％のゴム粒子の複合材料によりなることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の鉄道用枕木。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道用枕木（クロスタイ）およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道用枕木は、鉄道時代の幕開け時から殆ど全て材木により製造されてきた。材木製の枕木はバラストロック（バラス又は砂利）により固定され、レールはタイプレートおよびカットスパイク(犬釘)により固定された。これは、入手が容易であり且つ一般的に使用されたシステムである。材木製の枕木は、スパイクを受け且つ固定するので、レールおよびタイプレート固定システムは、枕木に固定可能である。材木製の枕木は、負荷がかかると撓む。この撓みは、乗り心地を良くする点でのみ有効である。しかし、この撓みは、支持砂利を枕木から押し出す変移又は「ポンピング」を増加する。これは、維持費を増加することとなる。また、この撓みは、犬釘を「ポンプ」又は作用して、それを緩めるので、維持費を一層増加することとなる。材木製の枕木は劣化するので、定期的に交換が必要であり、これが更に維持費を増加させる。
【０００３】
材木以外で製造された鉄道用枕木が提案されている。例えば、マーレイ発明の米国特許第５，２３８，７３４号は、リサイクルしたタイヤ片とエポキシの混合物で製造した鉄道用枕木を開示している。複合材料により製造された鉄道用枕木を開示する他の特許として、米国特許第４，１５０，７９０号（ポッター）および米国特許第４，０８３，４９１号公報（ヒル）がある。これら複合材料製の枕木は、材木製の枕木より大幅に長い寿命を有するが、幹線鉄道線路の厳しい反復負荷に耐える高耐久性の複合枕木は得られない。鉄道用の木材および複合枕木は、バラスト砂利をレールからポンプするので、頻繁にリバラスト（砂利調整）が必要になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
種々の材料で補強されたコンクリート枕木も、米国特許第１，５６６，５５０号（マックウイリアム）に開示される如く従来知られている。しかし、従来のコンクリート枕木は、硬すぎ、従来且つ標準の固定システム（タイプレートおよび犬釘）を使用するには脆い。コンクリート枕木は、枕木製造工程における硬化段階で取付けられるプレキャストされた固定具を使用する。更に、各枕木は、個別にロードし且つ金型から遮断されなくてはならない。一見した限りでは、コンクリート枕木は、硬質且つ弾力性がないので、有利であり且つ硬いトラックモジュールを提供し、横方向の安定性およびゲージ(寸法)制御を改善し、レールの寿命を延ばし、更に機関車の燃費を良くするかに見える。しかし、バラスト砂利の「ポンピング」が少ないので、維持費が大幅に低減できると見えたのは、実際には別の維持費を生じた。コンクリート枕木は大変硬いので、下にあるバラスト砂利を砕き、小粒の砂状又は軟質の支持システムとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による鉄道用枕木は、材木製の枕木およびコンクリート枕木の特長を兼備する。本発明によると、コンクリート枕木の全ての利点を提供すると共に外側の複合シェルによる「衝撃吸収」および「耐インパクト」特性を付与する。これにより、バラスト砂利が粉砕されるのを低減する。バラスト砂利は、実際にコンポジット内に入り込み、所定位置に保持されるのを助ける。
【０００６】
従って、好ましくは（リサイクルされた家庭用品の容器等の）高密度ポリエチレンの５０／５０混合物で製造された外側ケーシングを設け、このケーシング内の空洞に補強ビームが取付けられる。この新しいシステムも、伝統的な固定システムを使用する。ケーシングの製造に使用された材料と同じ材料で製造されたインサート(挿入体)がビーム内に配置される。そして、ビームの上面には、開口が形成され、ケーシング、開口およびインサートに犬釘を打ち込み可能にする。ゴムとプラスチックとの混合物は、十分な撓み特性を有し、犬釘は、従来の材木製枕木の場合と略同様に、ケーシングおよびインサート内に打ち込み可能である。ゴムは、複合体に「保持機能」を付与し、犬釘の引き抜き試験を行った結果、犬釘を材木の場合より良好に保持することが確認できた。次に、ビーム内およびインサート間を含む空洞部分にコンクリートを充填する。好ましくは鋼(スチール)製のビームは、枕木を硬質にし且つコンクリートが砕かれるのを阻止する。より重い車軸負荷を収容する場合には、より重いゲージのスチールで製造された筒（又は管）状のビームを使用しても良い。これは、ビームを一層硬質にし、より高い曲げモーメントにする。曲げモーメントが高ければ高いほど、トラックモジュールも一層良くなる。
【０００７】
従って、本発明により製造された枕木は、エンドユーザの要求にマッチした曲げモーメントとし、標準の７インチ（約１７８ｍｍ）×９インチ（約２２８ｍｍ）の断面積を有する。尚、鉄道の要求に合致するコンクリート枕木の断面積は、８インチ(約２０３ｍｍ)×１０インチ(約２５４ｍｍ)の断面積でなくてはならなかった。毎年１４００万本交換される枕木の代替えには、上述した７インチ×９インチ以外の枕木は使用できなかった。曲げモーメントの調節機能および７インチ×９インチ内の断面積に止めることは、極めて有効であり且つ本発明の特徴である。
【０００８】
従って、従来の材木製の枕木とコンクリート枕木の利点を兼備する鉄道用枕木を提供する。この枕木は、コンクリート枕木の耐久性および負荷支持性能を有するが、この複合材料は、この枕木により支持された列車の乗り心地がスムーズになるように衝撃吸収性および振動低減性を有する。材木製の枕木と同様に、バラスト砂利がケーシング材料内に埋め込まれ、バラストが粉砕および排除されないようにする。この枕木の硬度は制御可能であるので、枕木は乗り心地がスムーズになるように最適化可能であるが、枕木の撓みおよび移動は、材木製の枕木の場合のようにバラスト砂利をレールから押し出さないように制限する。
【０００９】
本発明によるこれらおよび他の利点は、添付図面を参照して行う以下の説明から明らかになろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明により製造された鉄道用枕木およびこの枕木により支持されたレールの斜視図である。図２は、図１中の略線２−２に沿う横断面図である。図３は、図２中の略線３−３に沿う縦断面図である。図４は、図１中に示す枕木の分解斜視図であり、枕木の内部にコンクリート補強材をインストールする前の内部構成品を示す。図５は、図４と同様の図であるが、本発明の他の実施形態を示す。図６は、図４および図５と同様の図であるが、更に他の実施形態を示す。図７は、複合材料で製造された本発明の構成品の製造に使用された小型コンパウンダの構成図である。
【００１１】
次に、図を参照すると、本発明により製造された鉄道用枕木の全体を参照符号１０により示す。この枕木１０は、当業者が周知の方法で鉄道レール１２を略平行に支持する。この枕木１０は、参照符号１４で示す外側ケーシングを含んでいる。この外側ケーシング１４は、上面１６、底面１８および対向する側面２０、２２を有する。図４に示す如く、レール支持領域２４が、枕木１０の上面１６に規定され、レール支持領域２４上にファスナ（固定具）によりタイプレート２６が取付けられる。従来の犬釘（スパイク）３０が、後述する如くタイプレート２６の開口３２を介して鉄道用枕木１０内に打ち込まれレール１２を枕木１０に固定する。
【００１２】
ケーシング１４は、適当な接着剤、好ましくはマクタック（Mactac）社から市販されている航空宇宙用のウレタン接着剤を使用して内面３８同士が固定される上部３４および下部３６を含んでいる。これらケーシング部３４、３６は、後述する如く複合材料により製造される。組み立てられると、ケーシング１４は参照符号４０で示す空洞を形成する。１対の細長い筒状補強ビーム４２、４４が、それぞれ側壁２０、２２に接して空洞４０内に配置される。各筒状ビーム４２、４４は、枕木が組み立てられたときケーシング３４の上部に当接する上面４６、ケーシングの底部３６上に乗せられる底面４８、ケーシングの対応する壁２０、２２の内面に当接する側面５０および相互に対向し両者間に参照符号５５で示す長手方向の空間を形成する内面５２、５４を含んでいる。筒状ビーム４２、４４の面４６、４８、５０、５２は、協働して各筒状ビーム４２、４４内にチャンバ（部屋）５６を形成する。突起（凸条）５８は、外側ケーシング１４の上部３４および下部３６から空洞４０内へ突出し、側壁５２の上下部に係合し、ビーム４２、４４を空洞４０内の所定位置に位置決めする。
【００１３】
各ビーム４２、４４は、１対の開口（図中には各ビームに１個のみ示す）６０を有し、枕木１０のレール支持領域２４の下部へ延びる。１対の複合インサート又は挿入体（図４中には１個のみ示す）６２をビームの対応する端へ、このインサート６２が開口６０と位置合わせされるまで押し込んで各ビーム４２、４４内にインストールされる。これらインサート６２は、ケーシング１４と同じ材料により製造されるが、その詳細は後述する。ビーム４２、４４の各側壁５２、５４には、開口６０間に延びる側壁５２、５４の部分に開口６４（図３）が設けられている。図４に示す如く、ビーム４２、４４の両端は、外側ケーシング１４の端部より僅かに内側で終端する。
【００１４】
ケーシングの上部および下部が相互に固定された後に、参照符号６６で一般的に示す補強材料が、ビーム４２、４４のチャンバ５６の両端から内部にポンピングされ、また同時に補強材料はビーム間の空間５５にもポンピングされる。この空間５５にポンピングされた補強材料は、開口６４を介してインサート６２間のビームの内部チャンバー５６部分へも入る。従って、空洞４０の全空間が補強材料で充填される。この補強材料６６は、液体として枕木１０内にポンピング可能な、好ましくは速乾性コンクリートである。斯かる材料は、一般に「流動性充填」コンクリートと呼ばれている。これに代えて、速乾性のポリウレタン材料を使用しても良い。
【００１５】
この筒状補強ビーム４２、４４は、枕木１０の硬度を増加させるが、枕木に衝撃吸収性および振動低減特性を付与し、この枕木により支持されたトラックを使用する列車の乗り心地をスムーズにする。通常より高い車軸負荷を収容するには、筒状部材４２、４４の材料の厚さを増加し、ビームの硬度を増加して一層高い車軸負荷を収容させても良い。また、ビーム４２、４４は、好ましくはスチール（鋼）製であり可撓性を有するので、ビーム内のかチャンバ５６に射出されたコンクリートの粉砕に耐えることが可能である。
【００１６】
ケーシングの上部３４および下部３６とインサート６２に使用される複合材料は、後述する如く、リサイクルされたプラスチックおよび粉砕されたゴムの混合体である。この材料は、耐候性を有するが、十分に変形可能であり、枕木１０にレール１２を保持する犬釘３０プレート２６の開口３２を介してケーシング１４の上部３４のレール支持領域２４、対応する筒状ビーム４２、４４の開口６０およびインサート６２の複合材料内に打ち込みが可能である。従って、犬釘は、枕木１０内に打ち込まれ、従来の材木製枕木上にレールを保持するために犬釘が使用されたのと全く同様に、レールを保持可能である。
【００１７】
図５および図６に示す他の実施形態を参照すると、図１乃至図４に示す実施形態と同じ又は略同じ構成要素には、同じ参照符号を使用する。図５において、２個の筒状ビーム４２、４４は、長手方向に延びるアーム７０、７２および連結部７４を有する「H」状断面を有する単一の筒状ビーム６８に置換されている。インサート６２は、アーム７０、７２内に筒状ビーム４２、４４と同様方法でインストールされる。即ち、それらはビーム６８の端部からインストールされる。コンクリート又はこれと等価な補強材料がビーム７０内にポンピングされ、必要な補強を行う。図６の実施形態を参照すると、筒状ビーム４２、４４は、「W」字状のビーム７６に置換されている。Wビーム７６は、ビーム７６の横断部８２により分離された１対の上向きチャネル（溝）７８、８０を有し、外側ケーシングの側壁と接する。これにより、チャネル７８、８０間で分離された長手方向に延びる空間８４を形成する。インサート６２がチャネル７８、８０内にインストールされるが、それは上部３４が下部３６上に乗せる前に配置される。コンクリートは、上部３４および下部３６をインストールして外側ケーシングを組立前に、両端から内部にポンピングされ、その後に端キャップ３２をインストールする。
【００１８】
上述した如く、外側ケーシング１４およびインサート６２は、高密度ポリエチレンおよび粉砕されたゴムの５０−５０混合体である。好ましくは、高密度ポリエチレンは、業界で周知の如く裁断されたシャンプー又は洗剤の容器等のリサイクルされたプラスチックから得られる。ゴム粒子は、好ましくはリサイクルされた自動車用タイヤを業界で周知の如く所定寸法に砕いた「粒子状」ゴム部材である。このゴム粒子の寸法は、好ましくは標準業界サイズ測定法による「１０メッシュ」である。ゴム粒子１４は、通常の細かく砕かれたタイヤに含まれる如く長いナイロン繊維を体積比で約１％以下含んでいても良い。上述の如く、ゴム粒子は、プラスチックに半弾性を付与し、これにより外側ケーシングおよびインサート６２内に犬釘３０を打ち込む際に、プラスチックにクラックが発生するのを防止する。この混合体は、裁断された高密度ポリエチレンを６０％に対しゴム粒子４０％から、裁断された高密度ポロエチレン４０％に対しゴム粒子６０％までの範囲で混合比を変化させても良い。この複合材料の詳細を、以下に例示する。
【００１９】
例１
種々のソースから得たある量のポリエチレン容器を裁断機により細かく砕き、種々の形状および厚さの約１／２インチ（約１３mm）の不均一なプラスチック粒子を得る。使用済みの自動車用タイヤを、市販のグラインダを使用してゴム粒子を得る。１平方インチ（約２５．４ｍｍ×２５．４ｍｍ）に１００個の孔（１平方インチ当り１０行×１０列の孔）を有する１０メッシュのスクリーンを使用して、１０メッシュゴム粒子の大きさとする。典型的には、１０メッシュゴム粒子は、大半のタイヤに見られる如く補強ベルトからの長手のナイロン繊維を、体積比で約１％含んでいる。これらゴム粒子および裁断されたプラスチックを体積比で５０−５０混合する。
【００２０】
この複合枕木は、米国オハイオ州ブレックビルのポミニ（Pomini）社が製造する如き、長い連続したミキサおよび単一スクリューのエキスツルーダを有するコンパクトコンパウンダを使用して射出される。裁断されたポリエチレンは、コエキスツルーダの第１供給ホッパに入れられ、ゴム粒子は、第２供給ホッパに入れられる。裁断したプラスチックおよびゴム粒子は、バレル内に送られ、圧力下での反転回転ロータによる摩擦により溶融状態にされる。次に、この溶融された混合体は、単一スクリューエキスツルーダ内に送られ、供給スクリューによりバレルから押し出される。次に、このプラスチック／ゴム混合体は、ダイ（金型）から射出されケーシングの上部３４を形成する。このケーシング部又はインサートが射出されると、冷却され、標準寸法（セグメント）に切断される。このケーシングセクションは、特定用途に応じて、長く又は短く切断しても良い。
【００２１】
また、５０−５０比率から少し外れても最終製品の特性又は利点を大幅に変化させることはない。最終製品の重量又は密度を厳格に制御する必要があるときは、この変化は特に有益である。このプラスチック／ゴムマトリックの自然の灰色／黒色は、大半の用途に好適である。しかし、異なる色部材を得るために少量の色素を加えても良い。例えば、赤い色素を加えて材木に似た部材を得ても良く、また加える色素の量により外観が杉又はセコイアスギのように見える。
【００２２】
図７は、本発明を射出するのに使用されるコンパクトコンパウンダ１２０を示す。このコンパウンダ１２０は、オハイオ州ブレックビルのポミニ社製である。コンパウンダ１２０は、長い連続ミキサ１２２および単一スクリューエキスツルーダ１２４を含んでいる。長い連続ミキサ１２２は、ホッパ１２６、インレット（入口）１２７およびバレル又はミキシングチャンバ（混合室）１２８を含んでいる。また、ミキサ１２２は、排出バルブ１３２を有するディスチャージオリフィス（排出開口）１３２を含んでいる。１対の反対回転ロータ１３０がチャンバー１２８内に設けられ、ロータ１３０はモータ１３１により駆動される。単一スクリューエキスツルーダ１２４は、射出プロセスでは普通に採用されているプラスチキャスチング供給スクリュー１３４を含んでいる。単一スクリューエキスツルーダ１２４は、ミキサ１２２の排出開口１３２と連通したインレット１３８を有する。プラスチキャスチング供給スクリュー１３４は、バレル又はチャンバ１３５内に取付けられ且つモータ１３７により駆動される。ディスチャージ（放出）ダイ１３６は、出口１３９又はエキスツルーダ１２４に固定される。ディスチャージダイ１３６は、射出される部材の断面寸法と一致する寸法である。
【００２３】
裁断されたプラスチック材料１４０およびゴム粒子１４２は、ホッパ１２６から長い連続ミキサ１２２内に供給され、モータ１３１により駆動されるロータ１３０の圧力下で混合される。必要あれば、少量の色素１４４もホッパ１２６からミキサ内に供給しても良い。最初に、放出開口１３２の放出バルブ１３３は閉じる。これにより、チャンバ１２８内の圧力を維持する。反対回転するロータ１３０により生じる摩擦熱で材料を溶融状態にし、この時点でバルブ１３３を開き、溶融材料を、インレット１３８を介してエキスツルーダ１２４内に流し込む。エキスツルーダ１２４のモータ１３７は、供給スクリュー１３４を駆動する。これにより、溶融材料に出口端１３９およびダイ１３６へ向けて圧力を加える。射出された材料（図示せず）は、所望長に切断され且つ冷却される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明により製造された鉄道用枕木およびこの枕木により支持されたレールの斜視図である。
【図２】  図２は、図１中の略線２−２に沿う横断面図である。
【図３】  図３は、図２中の略線３−３に沿う縦断面図である。
【図４】  図４は、図１中に示す枕木の分解斜視図であり、枕木の内部にコンクリート補強材をインストールする前の内部構成品を示す。
【図５】  図５は、図４と同様の図であるが、本発明の他の実施形態を示す。
【図６】  図６は、図４および図５と同様の図であるが、更に他の実施形態を示す。
【図７】  図７は、複合材料で製造された本発明の構成品の製造に使用された小型コンパウンダの構成図である。
【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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【図７】
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