粘着式鉄道

context: 粘着式鉄道(ねんちゃくしきてつどう、英:adhesionrailway.adhesiontraction)は、駆動力が車輪にかかって車輪とレールの間の静摩擦に頼って走行する鉄道を指す言葉である。粘着(adhesion)という言葉は摩擦という意味で使われ、レールに車輪がくっつくという意味ではない。多くの粘着式鉄道では、鉄のレールと鉄の車輪の組み合わせが用いられ、車輪とレールの間の転がり抵抗および摩擦係数は極めて小さい。転がり抵抗が少ないことからエネルギー浪費が他の交通機関と比べて極めて小さいという長所を備えている。一方で摩擦係数が小さく車輪がスリップしやすいため、急な加速や減速が難しく、急勾配に弱いという短所もある。このことから、線路の敷設ルートに制限を受けることになる。コンクリートの路盤をゴムタイヤで走行する新交通システムなども粘着式鉄道のうちであり、摩擦係数が大きくなるため鉄輪鉄軌条式に比べて大きな勾配を許容できる。一方で転がり抵抗は鉄輪鉄軌条式に比べると大きく、エネルギー浪費は増加する。
qas: question: 粘着式鉄道とは、車輪とレールの間の何を利用して走行する鉄道のことを指すの?
answers: text: 静摩擦

question: 粘着式鉄道は他の交通機関と比べて、何が少ないという長所がありますか?
answers: text: エネルギー浪費

question: 粘着式鉄道は何に弱いという短所を持っているか?
answers: text: 急勾配

context: ラック式鉄道やケーブルカー(鋼索式鉄道)、索道(ロープウェイ)、磁気浮上式鉄道、鉄輪式リニアモーターカーなどは、駆動力と制動力が摩擦以外の方式で伝達され、粘着式鉄道ではない。こうした鉄道はエネルギー消費量が増加する欠点はあるものの(リニア誘導モーターの電力消費が従来の回転型電動機に比べて大幅に多いためと、ラックレールの抵抗によるエネルギーの損失がきわめて大きいため)、勾配を大きく取れるので、登山鉄道で多く見られる。例えばスイスのベルナーオーバーラント鉄道は粘着式鉄道とラック式鉄道の区間が両方ある。雨や露、油、落ち葉、摩耗くずなどがレールに付着した際や湿気の影響などにより、粘着が低下する。粘着式鉄道では多くの機関車が砂撒き装置あるいはセラミック噴射装置を備えており、滑りやすい状態では砂を撒いて粘着状態を改善する。落ち葉によって粘着が低下した状態に対処する方法としては、レールの洗浄列車を走らせたりウォータージェットを設置して吹き飛ばしたり、長期間にわたる線路際の植生管理をしたりといった方法がある。電動機やエンジンで車輪を駆動している時に粘着が失われると空転となり、ブレーキをかけている時に粘着が失われると滑走となる。空転・滑走を止めて再度正しく駆動・制動力がかかるように粘着状態に戻す制御を空転滑走再粘着制御と呼ぶ。
qas: question: スイスのベルナーオーバーラント鉄道には、何とラック式鉄道の区間が両方存在するの?
answers: text: 粘着式鉄道

question: スイスのベルナーオーバーラント鉄道において、ラック式鉄道とケーブルカー、粘着式鉄道のうち、その区間が存在しないのは、どちらですか?
answers: text: ケーブルカー

question: 粘着式鉄道では、雨や露、油などにより粘着が低下することを防ぐために、何を利用して粘着状態を改善する仕組みがなされているか?
answers: text: 砂

question: 空転・滑走を止めて再度正しく駆動・制動力がかかるように粘着状態に戻す制御のことを、何と呼ぶか?
answers: text: 空転滑走再粘着制御

context: 一般的な鉄輪鉄軌条式の鉄道においては、車輪とレールはどちらもわずかに歪んで接触している。例えば新幹線に用いられている新品の車輪を新品の60kgレールに載せると、1輪あたりの重量8tの条件で、14mm×12mm程度の進行方向前後方向に長い楕円形状の領域で接触する。この楕円形状の領域に発生する力によって列車が支えられ、走行している。駆動または制動に際しては、車輪とレールの間で前後水平方向に力が働く。レールに対して車輪が滑らずに力を伝達できている時は、摩擦の現象でいう静摩擦力にあたり、滑っている時には動摩擦力にあたる。鉄道では車輪を滑らせずに走行することが基本であるため、静摩擦力の範囲で用いるように考慮されている。車輪とレールの間に働く摩擦力のことを鉄道では粘着力、あるいは接線力、クリープ力などと呼ぶ。静摩擦力の最大値である最大静摩擦力は、垂直抗力に静摩擦係数を掛けた値として求めることができ、これを超えた力が働くと物体は滑り始める。鉄道の場合垂直抗力は車輪に掛かっている車体の重量であり、輪重と呼ぶ。粘着力を輪重で割った値を接線力係数と呼び、このうち最大のものを粘着係数と称する。粘着係数が静摩擦係数に相当することになる。この時の粘着力を特に粘着限界と呼んでいる。
qas: question: 粘着力を垂直抗力で割った値を何と呼ぶの?
answers: text: 接線力係数

question: 粘着力を垂直抗力で割った最大値のことを、何と呼びますか?
answers: text: 粘着係数

question: 粘着力を垂直抗力で割った最大値が静摩擦係数に相当する時の粘着力のことを、何と呼ぶか?
answers: text: 粘着限界

context: 車輪とレールは、一見お互いに全く滑っていないように思われても、正確に測定するとわずかに滑っていることが分かる。車輪の回転数を測定してこれに車輪の円周長を掛けると、その間の移動距離に正確に一致するはずであるが、実際には一致しない。この微小な滑りのことをクリープ(creep)と呼ぶ。この言葉は一定の負荷が掛かった時の材料の挙動であるクリープとは異なり、また鉄道においてもレールが地面に対してずれる現象をクリープと呼んでいるがこれとも異なる現象である。このクリープ現象に対してすべり率あるいはクリープ率が定義される。すべり率は、円周速度と車両速度の差を車両速度で割った値として定義される。円周速度は車輪の回転速度という意味である。円周速度と車両速度が完全に等しい時が滑りが全く無い時であり、この時すべり率は0になる。車輪とレールが接触する楕円形状の領域のうち、弾性変形した状態の領域である固着領域(粘着領域)が進行方向の前側にあり、進行方向後ろ側には車輪とレールが接触していながら相対的に滑った状態にある滑り領域がある。すべり率が増加していくと、固着領域が相対的に減少していき、また接線力係数が増加して得られる粘着力が増加していく。最大の粘着力が得られるのは、完全に滑っていない時ではなく、わずかながら滑っている時であることになる。しかしすべり率がある限界を超えると接線力係数は減少に転じる。この時固着領域は完全に失われて全体がすべり領域となっている。粘着力が最大になる点が粘着限界であり、これよりすべり率が小さい領域を微小すべり領域、大きい領域を巨視すべり領域という。
qas: question: クリープとは、車輪の回転数に輪の円周長を掛けた値と何の間で生じる、ほんの少しの差のことをいうの?
answers: text: 移動距離

question: ここですべり率とは、円周速度と車両速度の差を何で割った値のことをいいますか?
answers: text: 車両速度

question: 円周速度と何の値が完全に一致する時に、すべり率は0になるか?
answers: text: 車両速度

question: 微小すべり領域と巨視すべり領域のうち、すべり率がより大きい領域のことを呼ぶのは、どちらか?
answers: text: 巨視すべり領域

context: 微小すべり領域にあるうちは、粘着力はほぼ静摩擦力として取り扱うことができる。巨視すべり領域に入ると粘着力は動摩擦力とみなされることになる。一度巨視すべり領域に入ってしまうと、すべり率が上がるにつれて粘着が低下してさらに滑るようになる悪循環になってしまうため、空転や滑走を引き起こすことになる。この場合一旦駆動力や制動力を緩めるなどの手段をとらない限り微小すべり領域に戻すことはできない。巨視すべり領域に入ったものを微小すべり領域に戻すための制御が空転滑走再粘着制御である。
qas: question: 微小すべり領域と巨視すべり領域のうち、粘着力が静摩擦力とみなされるのは、どちらの領域でか?
answers: text: 微小すべり領域

context: 粘着力を予測するために粘着現象の理論の発展が行われてきた。鉄道分野におけるクリープ理論は、イギリス人の機関車技術者であったフレデリック・ウィリアム・カーターによるものが始まりとされる。以下、クリープ理論の発達の歴史を主な研究と共に記す。1874年に、オズボーン・レイノルズにより、ベルトやストラップによる動力伝達の研究の中でクリープの考え方が初めて説明された。レイノルズはクリープは鉄道車輪にも同じく適用できると述べている。その後1916年、カーターにより、鉄道車輪におけるクリープの基本コンセプトが導入され、粘着力がクリープに比例するという仮定が発表された。さらに1926年、カーターにより、ラヴのヘルツ接触に基づく接触弾性理論を用いて、機関車の粘着力について解析を行った論文が発表された。この研究の中で、摩擦を伴う転がり接触による2次元理論(前後、鉛直方向)による鉄道のクリープ問題への考察が行われ、クリープ力を接触面の凝着領域とすべり領域で分けて計算する考え方が初めて考案された。
qas: question: 鉄道分野におけるクリープ理論の創始者と考えられる人は、どの国の人か?
answers: text: イギリス

question: オズボーン・レイノルズとカーターのうち、クリープについての研究をより早く進めたのは、誰なの?
answers: text: オズボーン・レイノルズ

question: 1926年にカーターは、何に基づく接触弾性理論を用いて、機関車の粘着力について解析を行った論文を発表しましたか?
answers: text: ヘルツ接触

context: カーターの研究の後、この理論を基により現実的な複雑な問題へ理論を拡張する試みが続けられた。1958年、ケネス・L・ジョンソンにより、カーターの2次元理論が3次元理論(前後、左右、鉛直方向)へ拡張された。この理論では問題を球と平面の接触と近似し、スピンによるクリープは考慮していない。しかし、同じ1958年、ジョンソンにより、スピンの影響が初めて研究された。これによるとスピンによる左右方向の接線力が無視できない場合があることが示唆された。その後1963年、HainesとOllertonにより、接触面を楕円と考え、前後方向に細長い一片(Strip)ずつに分割してカーターのクリープ則を適用する方法が考案された。このような近似計算方法をStripTheoryと呼ぶ。また1964年、Vermeulenとジョンソンにより、1958年の彼らの研究と同様な仮定に基づき、接触楕円の半軸値に基づき粘着力を計算できるような3次元理論が発展された。種々の理論の拡張の後、オランダ人の機械工学者であったヨースト・ジャック・カルカーにより集大成化される。1967年、カルカーにより、Hainesの理論を基にして、ポアソン比も考慮にいれた3次元理論が発表された。また、この研究の中で、すべり領域の影響が無視できるほどクリープが小さい範囲で線形近似した理論についても考案されており、非線形理論と区別してカルカーの線形理論などと呼ばれる。クリープが大きくなく線形性が成り立つ範囲においては、このカルカーの線形理論が車両運動解析でも使用されている。1967年以後も、粘着力がクリープに単純比例しない領域までを考慮する非線形理論の発展がなされてきた。非線形理論数を使用した場合の計算時間を短縮するために、ヘルツ接触を仮定した近似・単純化が理論に加えられ、特にカルカーにより考案されたものはカルカーの単純化理論またはカルカーの単純化非線形理論などと呼ばれる。この非線形理論とその計算アルゴリズムとしてはFASTSIM、その改訂版のROLLENなどがよく知られている。また、非ヘルツ接触まで扱う厳密理論とその計算アルゴリズムとしては、KalkerのCONTACTなどがよく知られている。
qas: question: Hainesとケネス・L・ジョンソンのうち、カーターの理論をもとにより早く研究を行ったのは、誰なの?
answers: text: ケネス・L・ジョンソン

question: Hainesと誰が、StripTheoryを考案しましたか?
answers: text: Ollerton

question: 1958年にケネス・L・ジョンソンとともに、カーターの理論を3次元のものにするための研究を行ったのは、誰か?
answers: text: Vermeulen

question: ヨースト・ジャック・カルカーは、何年に登場した理論を3次元のものにするための研究を行ったか?
answers: text: 1963年

context: 粘着係数(粘着限界÷輪重)は一定ではなく、様々な条件によって変化する。以下にその要因を示す。車輪がレールと接触する面を「踏面」(とうめん)という。踏面は見た目には綺麗に整っているように思われても、実際には細かく見ると微小な突起物がたくさんあるでこぼこした表面になっている。レールの側も同様であり、この突起物同士が接触している地点で接線力を伝達している。鉄道では多くの車両で踏面ブレーキという、制輪子を踏面に押し当てて制動力を得るブレーキが用いられている。この制輪子のうち、鋳鉄制輪子や特殊鋳鉄制輪子の場合は、踏面の荒さを適度に保つため粘着係数を維持する効果がある。一方合成制輪子(レジン制輪子)は踏面を綺麗に磨き上げて表面粗さが失われてしまい、粘着係数が減少する傾向がある。また雨が降るなどしてレール表面が濡れると粘着が低下する。これは車輪とレールの隙間に水が入り込んで、水が輪重の一部を負担するようになり、車輪とレールの突起物同士の間に働く輪重が減少してしまうからである。また、突起物が水に埋もれてしまい、突起物のうちレールと接触するものの数も減少する。さらに表面に付着した液体の粘度が高いほど粘着係数が小さくなる傾向があり、水は水温が低いほど粘度が高いため、低温では粘着係数が大きく低下する。レール表面に付着している汚れ成分によっても粘着係数が変化し、特に雨が降り始めた初期には汚れ成分が水に溶け出して界面化学作用が起きて粘着係数が低下することがある。長い編成の列車では、先頭車両がレール面上の水を弾くため後方の車両では水が粘着係数に与える影響が少なくなる。おおむね3両目以降では空転や滑走が起きづらくなり、新幹線の500系や700系ではこの効果を積極的に利用している。
qas: question: この文書では、車輪がレールと接触する面を細かく見ると、何がたくさんあると言っているの?
answers: text: 突起物

question: 車輪がレールと接触する面に制輪子を押し当てて制動力を得るブレーキのことを、何と呼びますか?
answers: text: 踏面ブレーキ

question: レール表面が濡れると粘着が低下するのは、レールと接触する突起物の数の減少と何の減少が原因であるか?
answers: text: 車輪とレールの突起物同士の間に働く輪重

question: 長い編成の列車においては、後方の車両で水が粘着係数に与える影響が少なくなる効果を利用した実例としては、新幹線700系と何系が挙げられるか?
answers: text: 500系

context: 列車の速度も粘着係数に影響を与える。レールが十分乾燥した状態では速度との関係はあまりないが、レールが湿潤状態になると速度が上がるにつれて粘着係数が低下する。接触面に入り込んだ水が膜状になり、この水膜が速度の0.6乗におおむね比例して厚くなることから、高速ではより大きく輪重を負担するようになるためである。水の他に、湿度、レール上の落ち葉、ほこり、油類、踏切において自動車が持ち込む泥などが粘着に影響を与える。粘着係数が高くなる場合としては、熱処理レールを使用した場所で酸化鉄(III)がレール表面に形成されていると0.7に達することもある。これは、1tの輪重に対して700kgの粘着力が得られるということである。ただしこれは例外的な高い値であり、かえってレールの波状磨耗やきしり音などの問題を引き起こすことがある。通常のレールと車輪の状態では乾燥した箇所で0.25-0.30、濡れた状態では0.18-0.22、油が付着した状態では0.15-0.18、みぞれや雪が付着した状態では0.10-0.15である。また、ゴムタイヤコンクリート軌道式の新交通システムでは、状態がよければ1.0を超え、通常でも0.50-0.60程度あり鉄輪鉄軌条式に比べて粘着が優れているが、降雨・降雪時に大きく粘着が低下する傾向があり、粘着係数の天候に対する安定性の観点では鉄輪鉄軌条式の方が優れている。
qas: question: レールがどんな状態であるときに、列車の速度が粘着係数に影響を与えるの?
answers: text: 湿潤状態

question: 水と踏切において自動車が持ち込む泥、レール上の落ち葉、ほこり、油類のほかに、粘着係数に変化をもたらすのは、何ですか?
answers: text: 湿度

question: 雨が降る時に、列車の速度は粘着係数に影響を与えるか?
answers: text: 与える

context: 電車や電気機関車で従来から用いられてきた抵抗制御では、マスター・コントローラー(主幹制御器)でモーターの出力を次第に上げて運転している。この際に制御器にノッチと呼ばれる刻みがあって、その段階ごとに出力が設定されている。同じ出力では速度が上がるにつれてモーターが車輪を駆動して発揮する引張力(列車を引っ張り前進させる力)が下がっていくので、ある点でノッチを1段階上げて大きな出力にすることで再度引張力を増加させる。しかし引張力の最大値が粘着限界を超えると空転してしまうので、最大値がこれを超えないようにしなければならない。したがって図示したように引張力がのこぎり状に変化するように次第にノッチを上げていくことになる。ノッチの段階を増やして細かく制御できるようにすると、全体として平均引張力は上昇することになるので、粘着力を有効利用できる。後により技術が進歩して、サイリスタ位相制御やチョッパ制御、可変電圧可変周波数制御が利用されるようになった。これらの制御では多段制御からさらに進んで連続的な制御を行うことができ、粘着限界を一杯に活用することができる。こうしたことから、これらの制御を利用した車両では実質的に粘着係数が向上している。
qas: question: ノッチの段階を増やして細かく制御できるようにすると、全体的に何が上昇し、粘着力を有効利用できるようになるの?
answers: text: 平均引張力

question: 電車や電気機関車では、何でモーターの出力を次第に上げて運転していたか?
answers: text: マスター・コントローラー

question: 今になって、連続的な制御を行い、粘着限界を最大限活用できるようになったのは、サイリスタ位相制御とチョッパ制御のほかに、どのような制御技術が開発されたからか?
answers: text: 可変電圧可変周波数制御