JP4078075B2 - 再生ゴム製鉄道用枕木 - Google Patents

Description

優先権主張
本出願は、２０００年５月１５日出願の米国仮特許出願第６０／２０４,３４２号に対して優先権を主張する。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道用レール支持具とくに鉄道用の枕木（crosstie）またはタイ（tie）およびそれらの製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、大多数の鉄道用軌道は、その上に鉄製レールを載置しこれを整合、支持するための木製枕木（しばしば単にタイと呼ばれる）を備える。しかし、様々な理由によって、例えば木材コストが高価なことからオークより低品質のマツを使用するなど、鉄道業界では木製枕木の代替物を使用するようになってきた。
【０００３】
これらの代替製品は新材または再生材のどちらからでも製造することができる。セメント、鉄筋コンクリート、金属、再生木材、プラスチック、各種再生材のコンポジットなどの製品が作られている。比較的に新たな試みでは、鉄芯を備えるセメントを再生ゴムおよび／または再生プラスチックで被包したタイが製造されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの代替製品には１つまたは２つ以上の重大な欠点があり、鉄道業界は木に代わる経済的な代替物を探している。セメントや鉄筋コンクリート製のものが直面する欠点とは、これらは耐久性はあるが木材から製造したタイに比べはるかに重いことである。重量が増加すれば輸送コストも高くなり取扱いも困難となる。同様に金属芯を使用するタイも安全性および操作性への配慮から非導体材料で被包する必要がある。被包はタイをコストアップさせる追加工程である。
【０００５】
これらの代替枕木が抱える他の重大な欠点は、タイに打ち込まれたスパイク（犬釘）を引き抜く時に要する力が比較的小さいことである。高い引き抜き強度を有している方がより望ましい。引き抜き強度が高いということは、スパイクがしっかり固定されていることを意味し、スパイクを打ち直す必要性を減少または消滅させる。
【０００６】
加えて、ほぼ全ての代替タイ製品で、その表面硬度のために車両通過時にノイズ・レベルが上昇し、かつ鋼、セメント、プラスチックの枕木は道床内で望ましくないずれが生じやすい。
【０００７】
結果として鉄道業界からの非木製のタイに対する需要は低いままである。もし低コストで木製のタイと類似の性能特性を持ちつつ、より長い耐用年数を有するタイを製造できれば、高い需要が存在すると考えられる。
【０００８】
リサイクル業界およびゴムタイヤ業界では、長年廃タイヤの処理をめぐる関心が高い。これらの業界が直面している問題は廃ゴム製品の再利用方法で、特に車両タイヤを有益で経済的な最終製品にする方法である。廃タイヤの処分、再利用に関する各種問題については、米国特許第４，７２６，５３０号（Ｍｉｌｌｅｒ他）、米国特許第５，０９４，９０５号（Ｍｕｒｒａｙ）の発明の背景の項に多くの情報が提供されている。
【０００９】
廃ゴムタイヤを再利用するための技術は存在する。タイヤは、通常ゴム、スチールコードおよびビード、ならびにレーヨン、ナイロン、他のポリエステルなどの繊維を含む。現在の技術によってタイヤを破砕、粉砕し、金属を磁力で分別し繊維をバキュームで除去することができる。このゴムをいかなる望むサイズへも破砕または粉砕することができる。この技術はＭｉｌｌｅｒ他による前述の特許の中に記載されている。分別技術を利用すれば、廃ゴムタイヤを再生製品の資源として役立てることができる。
【００１０】
前述したように鉄道業界が直面する他の問題は、交換が必要となるまでの枕木の耐用年数すなわち寿命である。これについては従来より現在の方が関心が高い。目下米国では、枕木はほとんどオークなどの堅木よりマツなどの軟木から製造される。軟木の枕木は堅木ほどの寿命を持たない。例として軟木の枕木は高湿度の環境において劣化が促進されやすい。湿地帯のタイの推定耐用年数はわずか３，４年であろう。コスト削減が実現できれば、鉄道業界は木製に代えてより耐久性のある代替物を受け入れると考えられる。
【００１１】
「発明の開示」
廃ゴムから鉄道用枕木を製造する方法を開発した。ゴム製鉄道用タイを木製タイの代替物として、新規および再敷設の軌道に使用できる。このゴム製鉄道用タイは安価に、かつ廃棄物処分場に堆積する廃ゴムタイヤの豊富な供給を利用して製造することができる。枕木と道床間の摩擦的接触を増加させ、望ましくない枕木の移動を防止する機能的で新規なデザインを開示する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によって製造するゴム製鉄道用枕木（以下、「タイ」）は、好ましくは３０メッシュ（５９０ミクロン）以下の粉砕した再生ゴム（しばしばクラム・ラバー、ゴム粉、またはゴム微粉末と称される）を加熱する方法によって製造される。熱したゴムを粉砕した後、押出して望ましい幅と奥行きをもたせ、その後所望の長さに切断するのが望ましい。
【００１３】
再生クラム・ラバー（ＲＣＲ）は一般的に廃棄物処分場で入手できる廃タイヤから製造することができる。ＲＣＲは好みの種類およびメッシュ・サイズで入手できる。
【００１４】
当発明には２つの特定の種類のＲＣＲが必要である。第１類は加硫ゴムから製造する。加硫ゴムの主たる資源は自動車やトラックのタイヤである。第２類の主たる資源は、天然ゴムまたは脱硫されたゴムとして分類されるタイヤである。天然ゴム・タイヤは、ほとんどがオフロード・タイヤ（ＯＴＲ）であり、このタイヤは加硫ゴムに比べて硫黄および亜鉛成分が少なく融点も低い。天然ゴム・タイヤ中に加硫ゴムが幾分混じっていてもよいことは理解されよう。一方タイヤ業界もこの事実を認識し、用語「天然ゴムタイヤ」は多少の割合の加硫ゴムを含むと理解している。
【００１５】
処理中大気汚染の心配はない。粉砕および押出し温度は２９０〜３１０°Ｆ（１４３〜１５４°Ｃ）が望ましい。この温度範囲でなら重大な量の有害または危険なガスが、製造地域または環境へ漏れ出ることはない。廃タイヤおよびクラム・ラバーは一般的に有害な材料としてよりは、むしろ廃棄物管理処分問題として分類される。
【００１６】
廃ゴムの他に強度補強のために製造工程中に少量のポリマーを添加してもよい。その必要量は当発明によるタイの成形に使用する実際のゴム組成よって決定される。
【００１７】
また、車両タイヤ中に同様に存在する繊維を上述のゴムに加えて、ゴム製鉄道用枕木を製造することもまた可能である。すなわち枕木はスチールを取り除けば廃自動車タイヤを使用して成形してもよい。
【００１８】
「タイ」は、圧縮成形または押出成形のいずれかによって製造できる。押出成形での運転圧力は粘度、スクリュー速度、孔径など幾つかの要因によって決まる。一般に２４０〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）で運転される押出成形は、圧力範囲２５０〜２，５００ｐｓｉ（１，７２４〜１７，２４０ｋＰａ）で行われる。大容量の圧縮成形法に関する実務問題のため、連続押出成形の利用がより望ましい。
【００１９】
一度成形された「タイ」の色は黒い。時間が経つとその表面は酸化され、灰黒色または灰色になり得る。試験では「タイ」は日照下ゴムタイヤに生じるようなクラックや製品劣化のレベルには至らないことが示された。
【００２０】
当鉄道用タイは完全に非導体材料から製造される。したがって一部が金属で作られ電気を通す他のタイに必要とされるような特別な予防措置は必要ない。
【００２１】
「タイ」は、いかなる望む長さにも製造でき、かつリサイクルが可能である。
【００２２】
クレオソートは、通常木製鉄道用枕木の製造に使用される既知の発がん性物質であるがタイの製造には使用されない。
【００２３】
本発明によって製造される「タイ」の重量は、木に代わる他の鉄道用タイ代替物と比較して、１ユニットで平均１３％〜５０％軽い。例として８．５フィート×９インチ×７インチ（２５９ｃｍ×２３ｃｍ×１８ｃｍ）の標準的鉄道用枕木では、本発明によって製造される枕木の重量は、およそ２７８ポンド（１２６ｋｇ）であり、他方コンクリート製の枕木の重量は５００ポンド（２２７ｋｇ）を超えるであろう。
【００２４】
「タイ」の重要な特性の１つはタイが標準的鉄道用タイ・プレートの約９６平方インチ（６１９平方ｃｍ）と等しい面積にかかる１２０，０００ポンド（５４，４８０ｋｇ）の圧縮試験に耐えることである。さらにこの負荷を取り除いた後も、恒久的な変形は全く認められなかった。
【００２５】
「タイ」の耐用年数は３０〜６０年と予想される。このタイの寿命は枕木の交換頻度、さらには敷設に関連するコストを低減させるであろう。
【００２６】
「タイ」を木製鉄道用タイと一緒に設置することもできる。これは、わずか少数のタイに交換が必要とされる場合でさえ、全ラインの交換が推奨されるセメント製タイや、他の既知の代替枕木と対照的である。
【００２７】
「タイ」は、木製タイと同様の方法で取付けできるように設計されている。好ましい方法はスパイクを使用する方法で、別法として連結板またはねじを使用することができる。取付けの種類は、軌道が敷設されている特定の地方の鉄道業界の選択に任せられる。敷設または交換の、新たな技術または技法は全く必要ない。
【００２８】
「タイ」は成形時圧縮されるので、敷設後のさらなる圧縮変形は極めて小さいであろう。これによって敷設時に真の整合が可能となる。軟木製のものを含め他の枕木製品は、必要に応じて標準的レール取付けプレートに適合し、基礎下または道床の砂利を掴むために、長期の圧縮に対する遊びが持たせてある。
【００２９】
任意であり特異な特徴の１つは「タイ」は複数のくぼみ有する面を、またはくぼませた表面を、少なくとも１面具備させて製造することができる。本明細書で使用するように「くぼませた表面」および「くぼみ」は同じ意味を持ち、かつ本明細書では非平坦面として定義される。枕木の少なくとも１つの長側面上に複数のくぼみが存在する時、長側面が平面である場合より、くぼみは集合して道床と一層摩擦的にかみ合うことができる。くぼみは、どのような平坦面上にも存在する微視的変形を超える物でなくてはならず、道床と摩擦的にかみ合い、表面が平らな場合に生じるような枕木のスリップやスライドを防止できなくてはならない。また「くぼみ」は例えばリブ、セレーション、ディンプル、および枕木をくぼませてできる菱形やピラミッド形など、他の単純な幾何学的形状などの形状を含むと定義する。
【００３０】
好適に機能させるためには、くぼみには砂利が凹部に入ることができるだけの十分な幅がなくてはならない。くぼみの幅が狭すぎる場合、過剰な空隙が凹部中に形成され、結果として効率的に道床と摩擦的にかみ合わない。
【００３１】
くぼみが設けられた表面を組み込むかどうかの決定は、「タイ」の用途によって決まる。例として、「タイ」を高速鉄道線路に使用する場合、道床は使用されず、枕木はセメントのような硬化表面上に設置されるであろう。この場合、くぼみを有する枕木では硬化表面と接触する比表面積が減少し、これにより摩擦的なかみ合いも減少されるので望ましくない。
【００３２】
道床が使用される所であれば「タイ」の１つの側面が、敷設時下方に向けられる複数のくぼみを有することが望ましい。最も好ましいのは「タイ」の３つの長側面が、くぼませた表面を利用することである。敷設する時上方を向く長側面にはくぼみは必要ない。
【００３３】
「タイ」上にくぼみを設ける目的は、「タイ」と「タイ」を設置する道床とを一層摩擦的にかみ合わせることができるからである。各くぼみの深さは「タイ」の構造特性に影響を与えないように、すなわち圧縮荷重に耐えられるように制限するべきである。
【００３４】
木、プラスチックまたはセメントなどから製造される軟質および硬質の表面を有する枕木を敷設するような場合にも可能だが、くぼませた表面は枕木を道床内でのスライドに耐えられるようにする。
【００３５】
くぼみは「タイ」がまだ熱く、変形を受け入れられる間に形成することができる。別法として圧縮成形した「タイ」に、鋳型の一部として一体成形したリブ面を具備させることができる。くぼみを設けるためのさらに別の方法としては機械加工があるが、この方法は先に述べた他の方法に照らしてみて高価であろう。
【００３６】
一例として本発明によって製造した「タイ」の機械的特性を以下に示す。
密度： ７４．８ｌｂｓ／ｆｔ３（１２００ｋｇ／ｍ３）
熱膨張係数： ０．００５％／°Ｆ（０．００３％／°Ｃ）
破壊応力： ２６，９８２ｐｓｉ（１８６，０４１ｋＰａ）
弾性率（たわみ）： ６，７１７，０００ｐｓｉ（４６，３１３，７１５ｋＰａ）
弾性率（圧縮）： １７４，１４４ｐｓｉ（１，２００，７２３ｋＰａ）
弾性限度： ４８７，５８４ｐｓｉ（３，３６１，８９２ｋＰａ）
硬度： ９２４ｌｂｓ／ｉｎ（１６５ｋｇ／ｃｍ）
スパイク打込み圧： ４，２００ｐｓｉ（２８，９５９ｋＰａ）
スパイク引き抜き圧： ３，３６０ｐｓｉ（２３，１６７ｋＰａ）
推定寿命： ３０〜６０年
荷重負荷容量（「タイ」１本につき）：５２１，０００ｌｂｓ（２３６，５３４ｋｇ）
押出成形で上記機械的特性を有する枕木を製造する場合、この種の押出しゴム製品には他の応用も可能である。例えば、本明細書に記載の方法によって製造した枕木パッドがある。これは、鋼、セメントまたはコンクリート製の枕木のいずれかと共に使用される場合に、車両通過騒音の低減と衝撃吸収のために、枕木とその下床の間に配置されることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
第１図は、ゴム製鉄道用枕木の好ましい製造法を示す系統図である。ゴム製枕木の好ましい製造法は押出成形である。
【００３８】
ＲＣＲは、容易に入手できる堆積タイヤから現地で製造するか、または現地外の資源から得る。タイヤをクラム・ラバーへ粉砕する技術は、先に述べたＭｕｒｒａｙおよびＭｉｌｌｅｒ他へ発行された米国特許中に記載されている。必要とするＲＣＲのサイズは、３０メッシュ（５９０ミクロン）以下でなければならない。天然ゴムおよび加硫ゴムの双方から製造したＲＣＲが必要で、別個に貯蔵し第１図に各々２０および３０として示される。
【００３９】
メッシュ・サイズはタイの結合特性の決め手となる。メッシュ・サイズが小さいほど各粒子の比表面積が大きくなり均一な加熱と強固な結合が可能となる。加硫ゴムより天然ゴムの融点は低く粘性は高い。そして粉砕および「タイ」の押出しに必要な粘性を提供するのは、この天然ゴム成分である。だが全量の混合物に対して少量の割合で３０メッシュ（５９０ミクロン）以上のサイズを混合することも可能である。少量の割合の大きなサイズの粒子も許容可能な性能特性を発揮し得る。
【００４０】
第１図において、天然ゴムおよび加硫ゴムから製造したＲＣＲを、重量比でおよそ天然ゴム１０〜３５％に対し加硫ゴム６５〜９０％の割合でミキサ５０に入れ混合する。ミキサ５０は、バッチ・ミキサまたは連続フローミキサでもよい。連続フロー・バンバリー・ミキサを使用するのが望ましい。
【００４１】
必要ならポリマータンク４０から適当量のポリマーをミキサ５０に加え望ましい粘度に仕上げる。ポリマーはスプレーで添加するのが好ましいが、混合ゴムへの添加量は総重量の０．２５％〜０．５０％を超えてはならない。好適なポリマー添加剤にネオプレン、ポリエチレン、ウレタおよびＡＢＳを含めてよい。
【００４２】
添加するポリマーの量は周期的な試験によって決定する。具体的には、枕木を製造するための天然クラム・ラバーおよび硫化クラム・ラバーの代表試料を、周期的に２４０〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）の範囲で混合し押し型を用いてインゴットを成形する。一旦インゴットを十分に冷ました後、圧縮試験にかける。例としてインゴットを試験前に表面温度１００°Ｆ（５７°Ｃ）に冷ました。試験値が６，８００ｐｓｉ（４６，８８６ｋＰａ）以下の場合、後から追加の天然クラム・ラバーをこの混合物に加える。ただし天然クラム・ラバーの割合がおよそ３５％であり、圧縮試験値が６，８００ｐｓｉ（４６，８８６ｋＰａ）以下の場合、その後ポリマーを加える。ポリマーの添加は主としてコストが高いという理由から、所望の圧縮強度を得るための最後の手段として使用するのが望ましい。
【００４３】
この方法は再生ゴムを利用するので、供給原料の正確な化学的組成を得ることは不可能である。すなわち廃タイヤをＲＣＲへ加工する施設は、数十のタイヤ製造業者によって異なる年度に製造された数千のタイヤを破砕することになる。当「タイ」を押出すための適切なＲＣＲの混合物を確実なものにするための実用的方法は、上述の周期的な圧縮試験を行うことである。
【００４４】
当発明による枕木を製造するための実際の工程は、以下の通りである。
【００４５】
クラム・ラバー混合物をミキサ５０内で混合した後、必要ならポリマーを含ませ、好ましくは混合ゴムを２４０〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）へ熱するローラー・ミルを使用して粉砕工程６０にかけ、熱せられた混合物を圧縮して短冊状にすると、押出工程用の供給原料を形成できるが、押出工程について手短に述べる。この工程の温度は２９０〜３１０°Ｆ（１４３〜１５４°Ｃ）に維持するのが最も好ましい。
【００４６】
粉砕工程６０の後、押出成形７０を行う。粉砕６０および押出成形７０の間の相対産出高によるが、粉砕した生成物を押出し前に短期間、貯蔵庫６５に置いておいてもよい。
【００４７】
押出成形７０中、温度は粉砕工程で上述したのと同じ範囲内で維持するのが好ましい。押出しのための所望する圧力範囲は２５０〜７５０ｐｓｉ（１，７２４〜５，１７１ｋＰａ）である。スクリュー式押出機が好ましい。
【００４８】
押し型は「タイ」生成物として押出物に所望する幅と高さを提供するものを選択する。この生成物は押出成形７０から得られるので、所望の高さと幅を備えており所望の枕木の長さへ切断される。
【００４９】
特別な焼入れは必要でなく、かつこのゴム製枕木は周囲温度で冷却、硬化させることができる。「タイ」が冷めた時貯蔵および出荷の準備が整う。このゴム製枕木を直ちに３２°Ｆ（０°Ｃ）以下の周囲条件に曝すと、問題が発生する恐れがある。「タイ」を急激に冷却すると物理的特性、特に圧縮強度が損なわれる恐れがある。したがって屋外条件が極端に寒い場合、段階的冷却が必要となり、冷却には暖房した部屋の使用が必要となるかもしれない。
【００５０】
推奨する方法は、押出した「タイ」を一定期間例えば１〜４時間、硬化室８０または硬化区域に置く。これにより「タイ」は徐々に冷まされて、「タイ」が発した熱が、特に屋外が寒冷な条件の時には実質的にこの部屋を暖めるであろう。「タイ」の温度が１５０°Ｆ（６６°Ｃ）以下になったとき、貯蔵または輸送のために移動することができる。
【００５１】
押出成形は、複数のくぼみ例えば第４図に図示するリブを設けた側面９７を有する枕木９０を製造するために、長側面にくぼみを設けまたは変形させられるように生成物を適合させることができる。別法として第３図は、ピラミッド状のくぼみ９５を有する枕木９０の部分図である。くぼませた表面は、マシーン・カットによっても製造することができる。ただし、くぼみを設けることができるのは、枕木９０がまだ変形可能な間である。特に押出工程の一部として、オフセット・ローラ（図示せず）の少なくとも１つを使用して、枕木に複数のセレーションまたはディンプルなどのくぼみを設けることができる。くぼみは３つの側面、すなわち枕木が敷設されるときに底面になる面と、さらに２つの隣接する長側壁に設けることができる。
【００５２】
複数のくぼみを設けた表面によって、枕木敷設のとき道床との摩擦的かみ合いが向上し、それによって配設および整合の際、他の枕木で発生する道床上でのスリップまたはスライドという特有の困難を回避できる。摩擦的なかみ合いは上面には不必要であるばかりか、好適にプレートをタイへ取付けることを阻害する恐れがある。従ってくぼみを上面に設けることは推奨しない。第２図は枕木９０の最終的な敷設位置を示す。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の再生ゴム製鉄道用枕木は、木製枕木と類似の性能特性を維持しつつ、３０年〜６０年という耐用年数を有する。この再生ゴム製鉄道用枕木は安価に、かつ廃棄物処分場に堆積する廃ゴムタイヤを利用して製造することができる。さらに枕木と道床間の摩擦的接触を増加させる機能的で新規なデザインによって、望ましくない枕木の移動を防止する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
本発明を添付図面と共に詳細に説明する。
【図１】 ゴム製枕木の製造の全体工程系統図である。
【図２】 本発明によって製造され敷設された枕木の斜視図である。
【図３】 本発明によって製造した長側面の少なくとも１面に沿ってピラミッド状のくぼみを設けた枕木の一部の斜視図である。
【図４】 くぼみに代わる種類、すなわち複数のリブを設けた枕木の一部の斜視図である。
【符号の説明】
２０．天然ＲＣＲ貯蔵
３０．加硫ＲＣＲ貯蔵
４０．ポリマー・タンク
５０．ミキサ
６０．粉砕
６５．粉砕物貯蔵
７０．押出
８０．硬化
９０．枕木
９５．くぼみ
９７．リブ

Claims (7)

1. ３０メッシュ（５９０ミクロン）以下の再生天然クラム・ラバーと再生加流クラム・ラバーとの混合物から押出機によって製造され、重量比で１０〜３５％の再生天然ゴムに対し６５〜９０％の再生加流ゴムを含有する生成物を備え、
   前記生成物は、前記押出機から押出された前記生成物の温度が２４０〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）である、
   再生ゴム製枕木。
2. 前記枕木の少なくとも１つの長側面が複数のくぼみを有することを特徴とする、請求項１の再生ゴム製枕木。
3. 実質的に再生ゴムから製造される枕木の製造法であって、
   加硫再生クラム・ラバーおよび天然再生クラム・ラバーを供給する工程と、
   前記天然再生クラム・ラバー１０〜３５重量％および前記加硫クラム・ラバー６５〜９０重量％を混合して混合物を作成し、前記混合物に前記混合物の総重量の０．０〜０．５％の割合で補強ポリマーを添加する工程と、
   前記混合物を２４０°Ｆ〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）で粉砕して中間生成物を製造する工程と、
   前記中間生成物を２４０°Ｆ〜３７０°Ｆ（１１６〜１８８°Ｃ）で押出して特定の幅と奥行きを有する押出物を製造する工程と、
   その後、前記押出物を間隔をあけて切断して所望の長さを有する枕木を製造する工程と、
   を備える枕木の製造法。
4. 前記補強ポリマーがネオプレン,ポリエチレン,ウレタンおよびＡＢＳからなる群から選ばれることを特徴とする、
   請求項３の枕木の製造法。
5. 前記押出物の少なくとも１面に複数のくぼみを形成する手段をさらに含む、
   請求項３の枕木の製造法。
6. 再生天然クラム・ラバーと再生加硫クラム・ラバーとの混合物から製造され、重量比で１０〜３５％の再生天然ゴムに対し６５〜９０％の再生加流ゴムを含有する押出生成物を備える、
   再生ゴム製枕木。
7. 前記枕木の少なくとも１つの長側面が複数のくぼみを有することを特徴とする、
   請求項６の再生ゴム製枕木。

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