JP3711286B2 - レール敷設時のレール加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道のレールの敷設時にこれを加熱する装置に関するものである。
長いレールセクションが熱膨張を制限された条件下で敷設されるとき、レールの温度が変化した場合に、敷設時の過剰な膨張や収縮によって生ずる問題を避けるために、レールの縦方向の歪みをなくす条件（「無歪み条件」と呼ばれる）として温度が規定されており、例えばある鉄道網ではこの温度は３０℃±３℃とされている。レールの温度が規定された温度に一致した時にレールを敷設して固定すると、この条件が満足されたことになるが、一般には、このような最適の環境条件の確認は行われず、敷設時の実際のレール温度は、この温度より低くなっている。したがって、通常、レールの「調整」といわれるものは、レールに対してレールが規定温度で敷設された場合と同じ温度条件下で、既に実験的に確認されている内部歪みがレールに生じるものとして、機械的な収縮や膨張を計算することによって行なわれている。
最も一般的な方法に従ってレールを交換する場合には、単位長さのレールは、一般には３６メートルで熱圧延で製造され、まず溶接せずに敷設及び固定され、この不十分な条件で一時的に鉄道レールとして使われる。その後、調整点となるフリージョイントによって相互に分離したセクションを構成するために、これらのレールセクションが溶接され、そしてレールを固定する部材は緩められる。調整点では、特殊な張力クランプが取り付けられ、これにより、レールがセクションの長さと、レールの熱膨張係数と、調整点での温度と規定温度の差の三者の積に等しい張力をレールセクションが受けるようになるまで、セクションの相対する端面は一方が他方へと引っ張られる。この点で、レールセクションの相対する面は溶接され、レール固定部材が固定される。
上述の作業は、対象となる鉄道軌道の列車の通行を遮断する必要がある。通行が遮断された間に必要な作業と時間により、重大な経済的、技術的及び組織上の障害があり、調整完了前の不十分な条件での鉄道軌道通行が行われる期間には、事故の危険性が高くなり、レールの調整についても問題が残っている。
したがって、鉄道軌道を構成するレールの調整は、レールを敷設するときに、環境温度を超える温度までレールを加熱して、レールを接続する部材の固定が規定温度で行なわれるようになることが好ましい。この目的のため、敷設中にレールを裸火、放射加熱装置または電磁誘導の方法で加熱することが提案されてきたが、対象のセクションの全長にわたってレールを均等に加熱することが困難で、必要な装置は非常に高価である。また、レールに電流を流してジュール効果によりレールを加熱する方法が、これまで一般的に提案されてきた。この原理は論理上合理的でも、実行すると、交流電流に対してレールを構成している強磁性物質の特性の表皮効果が明らかに現れることにより、レールの断面を通過する電流が不均一になり、レールの表面だけが加熱されることになり、さらに例えば１４４メートルもの長さのレールに対して、この処理を行うための電圧は、通常では、安全上の理由から認められない。
本発明は、ジュール効果によりレールを加熱する公知の原理を用いて、上述したような不利な点を回避する鉄道レールの加熱装置を作り出すことにより、技術的な合理性と経済的な簡便な方法で、上述の問題を解決することを目的としている。
本発明によれば、この目的は、鉄道車両に搭載された、直流の電流を発生させる発電部と、前記車両により運搬され、前記発電部に出力端子が接続される、加熱される鉄道軌道を構成する２本のレールの第一の端部に各々が固定されるのに適した一対の第一の接点バイスと、相互に接続され、加熱される鉄道軌道を構成する２本のレールの前記第一の端部の反対側の第二の端部に各々が固定されるのに適した一対の第二の接点バイスを有するトロリーと、規定された温度まで対象となる鉄道軌道を加熱するために、前記発電部から送られる電力を制御する制御手段からなる装置によって、達成される。
前記電源部は、好ましくは、モータと、該モータにより駆動されるオルタネータと、該オルタネータからの電流を受け入れるトランスと、該トランスからの交流電流を直流電流に交換して前記第一の接点バイスに供給する電力レクチファイヤブリッジからなるものとする。
前記モータは、好ましくは、独立のディーゼルエンジンか、もしくはモータ手段を備えたものであれば、装置を駆動する上記エンジンと同じものとする。
前記オルタネータは、好ましくは、励起制御型で、前記レクチファイヤブリッジの出力端子と前記第一の接点バイスとの間に電流センサを取り付け、前記鉄道軌道の中間点に温度センサを使用して、前記センサより発せられた信号を受信し、前記オルタネータの励起を制御するために、プロセスコントローラがそなえられているものとする。
前記オルタネータは、好ましくは、三相オルタネータとし、インダクタと、レクチファイヤブリッジおよびインダクタ巻き線とからなる極性ホイールと、３つのステータ巻き線とからなるものとする。
さらに、安全制御手段は、好ましくは、異常または支障や危険を生じる可能性のある状況の場合に装置を停止させるために、前記プロセスコントローラに接続されるものとする。
前記接点バイスは、好ましくは、レールの断面の形状のジョーにより構成され、油圧モータにより駆動されるものとする。
本発明の主題のこれらおよびその他の特徴、目的及び利点は、以下に示す実施例の記述により明らかなものとなるが、添付の図面に示された本発明に係る装置の例の特性のみに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る装置のブロック図を示す。
図２から図５は、本装置の動作の各段階を示し、
図６は、使用中の鉄道軌道の各地域を区別するのに使われる記号を示す。
前述したように、レールに電流を流してレールの加熱にジュール効果を使うことは既に提案されているが、この方法を用いた実験では、満足な結果が得られていない。出願人の調査及び実験により、このような結果に陥るのは、交流の使用が原因となっていることが判明した。この用途における交流の使用は一般に行なわれており、必要なエネルギーは、モータとオルタネータからなる発電機により発生させている。レールに交流を加えると、その構成材料は強磁性体であるから、強い表皮効果が生じ、実際にはレールの外部表面から浅い領域にしか電流は流れない。この領域だけで熱が発生し、レールの加熱は断面内で均一にならず、一方電流の使用する断面積の現象はレールのみかけの抵抗値の増加を招き、安全上の理由から使用できない高い電圧値が必要になる。これが、当初不必要に複雑になると考えられる直流電流の使用を、本発明が提案する理由である。
このような直流は、オルタネータでなくダイナモを使った特殊な発電機により発電されるが、本発明によれば、交流を発生させる通常の発電機と、交流を直流に変換する受動素子の電子レクチファイヤブリッジを使うことが好ましい。
図１において、本発明の実施例は、車両Ａ（図２から図５で示されているが、図１ではそれ自体としては示されず、四角形で図示されている）に搭載され、コンポーネント部品は前記四角形Ａで示されている。これらのコンポーネント部品には、最初にオルタネータ２を機械的に駆動するモータ１が含まれ、発生した電流はスイッチ３で切り替えられる。例えばモータ１は、独立のディーゼルエンジンであるが、装置を運ぶ車両が自走式のものであれば、鉄道車両を駆動するモータと同じものになる。ここに示したものでは、オルタネータ２は三相オルタネータで、インダクタ２Ｂと、レクチファイヤブリッジ２Ｄの付属した極性ホイールおよびインダクタ巻き線２Ｅからなる三相エキサイタ２Ａと、三相誘電ステータ巻き線２Ｆとから構成されている。
スイッチ３は、三相トランス４に接続され、装置の運転に必要な比較的低い電圧を発生させ、受動素子で作られた電子レクチファイヤブリッジ５は、発生した電流を、三相交流電流から直流に変換する。電流は、電流センサ６により測定され、加熱される鉄道軌道セクションを構成するレールＲに電流を流す接点部７に伝達される。この目的のために、接点部７には、二つの接点バイス７Ａと７Ｂがあり、鉄道軌道の２つのレールＲに各々接続される。高電流が流れることを考慮し、好ましくは、ジョーがレールの断面の形状になっており、油圧モータで駆動されるものとする。
さらに、本発明に係る装置は、鉄道トロリーＢ（それ自体は図２から図５までに示されているが、図１では四角形で図示されている）を含んでおり、この鉄道トロリーＢは、すでに述べた接点部７に類似している接点部１３を運搬する。この接点部１３は、接点バイス７Ａと７Ｂに類似している２つの接点バイス１３Ａと１３Ｂとから構成されているが、これら２つの接点バイス１３Ａと１３Ｂとは電源に接続されるのではなく、互いにブリッジ１４に接続されている。
以上のことからわかるように、二つの接点部７と１３が、加熱される鉄道軌道のセクションの両端でレールＲに接続されると、レクチファイア５を通った電流は、接点バイス７Ａと接点バイス１３Ａとの間の第一のレールＲ、接点バイス１３Ａと１３Ｂとの間のブリッジ１４、接点バイス１３Ｂと接点バイス７Ｂの間の第二のレールＲを通過し、ジュール効果によりこれらのレールＲを加熱する。電流は直流のため、熱伝達と加熱はレールＲの断面全体に対して均一になり、交流を使った場合に実証されている問題点を回避している。
オルタネータ２の誘導ステータ巻き線２Ｆにより発生する三相電圧の一つの相は、トランス１１とダイオードブリッジ１２を通ってオルタネータ２のエキサイタ２Ａの誘電巻き線２Ｂに供給される。励起は、好ましくは、電流センサ６と温度センサ１０からの信号も入力されるプロセスコントローラ９からの信号の制御のもとに、オルタネータの励起を制御する装置８に制御され、加熱される鉄道軌道セクションの少なくとも一つの中間点でレールＲに与えられるものとする。プロセスコントローラ９に対して、異常または支障または危険を伴う可能性のある状況の場合に装置の動作を停止させる目的で、トロリー８に搭載されたアラーム制御装置１５の信号が入力できる。従って、プロセスコントローラ９は、オペレータが入力した値とセンサ１０により得られたレールの温度値を比較した後、オルタネータ励起制御装置８を作動させてレールＲに与える電力を制御する。電流センサ６の信号により、オペレータが入力した温度に対して安定にそれを維持する電力が与えられ、レールＲの温度が維持される。
図２から図５では、本発明に係る装置Ａ、Ｂの動作の異なる段階が示され、敷設されたレールＲ上で、通常はこれら別個の作業を同時に行なっていることを考慮して、本装置がレールの溶接装置Ｓとバラスト調整装置Ｔとに同期して作動するようにしている。本発明に係る装置は、新しいレールの敷設装置と溶接装置との間で、線路交換列車に加えることができる。
異なった作業が行なわれるライン内の各部は、図では特別のハッチングをつけて示され、その意味は図６で以下のように識別される。Ｄ＝作業の端部のセクション、Ｅ＝バラスト調整とレール固定のステップのセクション、Ｆ＝レールが敷設されているセクション、Ｇ＝レール加熱中または加熱待ちのセクション、Ｈ＝加熱済のセクション、Ｊ＝前の作業で敷設の終わった最終セクション（多くの場合、前日の作業）。
これからわかるように、作業は図の左から右に行なわれる。
図２は、作業が開始された時、既に敷設されたレールから現在敷設中のレールへの路線を均一な調整状態を得るように、前の作業で敷設した鉄道セクションＫ−Ｌを加熱する点に効果があることを示している。図３は、図２によりセクションＫ−Ｌの前段階の加熱が完了した時、装置Ａ、Ｂは前進して（右側へ）新しい鉄道軌道セクションＬ−Ｍ（敷設済み）に移動し、その一方で溶接装置Ｓは結合部Ｌを溶接するために前進し、パラスト調整装置Ｔも、溶接装置Ｓの後に続いて、溶接および固定の完了した鉄道軌道セクションで作業するために、前進する。図３に示したものの次の作業は図４に示されている。これらの作業が完了すると、敷設された鉄道軌道Ｍ−Ｎセクション（図５）を加熱するために次の段階に進む。
本発明にかかる装置の作動条件の例を述べるが、最適な条件は、個々の場合における実際のレールの特性や環境条件を考慮して決定されるべきである。以下のの例は、６０ＵＮＩ型のレールで、１４４メートルの鉄道軌道セクションについての作業に関するものである。
レール断面積：７８６６平方ミリメートル
線重量密度：６０キログラム／メートル
セクションの総重量：１７２８０キログラム
比抵抗：２０．８２マイクロオーム／メートル
総抵抗近似値：６ミリオーム
適切な温度変化：摂氏４５度
適切な作業時間：１５分
所要電力近似値：４０８キロワット
軌道セクション線表面積：０．６８m²／メートル
発散熱量：２４６ワット／平方メートル
発散熱量：１６７ワット／メートル
総発散熱量：５０キロワット
所要総電力：４６０キロワット
軌道セクションの電流強度：８８００アンペア
セクション両端の最大電圧：５２ボルト
最小温度変化率：３℃／分
本発明の原理と特徴についての記述を知り得た当該分野の技術に熟練した者にとっては明らかであるが、実施例で示された作動条件は、開始条件が異なれば変更するものである。
本発明を適用すれば、鉄道のレールの設置または交換の際に、その他の必要な作業を行なうその時点において、短時間かつ簡単な作業によって、敷設するレールの有効な熱的な調整を容易に行なうことができる。
本発明の実施例については、一つしか示していないが、この分野に熟練した者にとっては、発明の思考や特許請求範囲から離れることなしに、技術的に同等な方法による変更や置き換えを行なうことができるのは明らかなことであろう。

Claims (8)

1. 車両（Ａ）と、該車両（Ａ）に組み込まれた、直流を発生させる発電部（１−５）と、前記発電部（１−５）の出力端子に接続され、加熱される鉄道軌道セクションを構成する２本のレール（Ｒ）の第一の端に各々が固定されるのに適した、前記車両により運搬される一対の第一の接点バイス（７）と、トロリー（Ｂ）と、前記第一の端部の反対側で、相互に接続され、かつ前記加熱される鉄道軌道セクションを形成する前記２本のレール（Ｒ）の第２の端に各々が固定されるのに適した、前記トロリー（Ｂ）に組み込まれた、前記加熱される鉄道軌道セクションを形成する一対の第二の接点バイス（１３）と、前記加熱される鉄道軌道セクションを規定温度まで加熱するために、前記発電部（１−５）によって供給される電力を制御する手段（８−１２）とからなることを特徴とする、軌道セクション敷設時に該軌道セクションを構成する２本のレールの加熱装置。
2. 直流を発生させる前記発電部（１−５）が、モータ（１）と、該モータ（１）により駆動されるオルタネータ（２）と、該オルタネータ（２）により生じた電流が入力されるトランス（４）と、該トランス（４）からの交流電流を直流電流に変換して前記第一の接点バイス（７）に供給するための電力レクチファイヤブリッジ（５）とからなることを特徴とする、特許請求項１記載の装置。
3. 前記のモータ（１）が自動ディーゼルエンジンであることを特徴とする特許請求項２記載の装置。
4. 前記発電部が装置を駆動するエンジンを含んだモータ手段からなり、かつ前記モータ（１）が該装置を駆動するモータと同じものであることを特徴とする特許請求項２記載の装置。
5. 前記オルタネータ（２）が励起制御を行なうタイプであり、装置が前記レクチファイヤブリッジ（５）の出力端子と前記第一の接点バイス（７）との間に挿入された電流センサ（６）と、前記加熱される鉄道軌道セクションの中間点に取り付けられた温度センサ（１０）と、該センサ（６、１０）からの信号を受信し、前記オルタネータ（２）の励起を制御するためのプロセスコントローラ（９）とからなることを特徴とする特許請求項２記載の装置。
6. 前記オルタネータ（２）が三相オルタネータであって、インダクタ（２Ｂ）と、レクチファイヤブリッジ（２Ｄ）およびインダクタ巻き線（２Ｅ）からなる極性ホイールとを有する三相エキサイタ（２Ａ）と、三つのステータ巻き線（２Ｆ）とを含むことを特徴とする特許請求項２記載の装置。
7. 異常または支障や危険性を確認した場合に装置の動作を停止するための前記プロセスコントローラ（９）に接続された安全制御手段（１５）を含んでいることを特徴とする特許請求項５記載の装置。
8. 前記接点バイス（７、１３）が、レール断面（Ｒ）に対応したジョーと、該ジョーを作動する油圧モータとからなることを特徴とする特許請求項１記載の装置。

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