JP5584597B2 - 鉄道車両の排障装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車体台枠の前部に設けられる排障装置に関する。

従来、鉄道車両の高速走行中に線路上の障害物から車体を保護するために、その先頭車両の車体台枠の前部に排障装置が取り付けられている。一般的な排障装置は、平面視で走行方向前方に向けて凸状に湾曲した形状を有する排障板を備え、その排障板が障害物を受け止めるよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−５３３４６号公報 特開２００６−１６８７０９号公報

ところで、近年の鉄道車両は高速化が進んでおり、障害物が車両に衝突したときの衝突エネルギーは増大する傾向にある。そうすると、排障装置を設計する際には、大きな衝突エネルギーを吸収することを想定して排障装置の耐衝突性能を向上させる必要がある。

特許文献２に記載の鉄道車両では、排障板の後方に複数の板バネを備えた緩衝装置を設けている。これによれば、緩衝装置により十分に衝突エネルギーを吸収できるが、排障板と緩衝装置との両方を設けているため、装置重量が大幅に増大してしまう。高速鉄道車両では軽量化の要求が強いため、重量を増加させない構造が望まれる。

そこで本発明は、鉄道車両の排障装置において、衝突時の単位重量当たりの吸収エネルギーを向上させて、軽量でありながらも効率的なエネルギー吸収を実現することを目的としている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る鉄道車両の排障装置は、鉄道車両の車体台枠の前部に設けられる排障装置であって、車両走行中に線路上の障害物から車体を保護する排障板と、支持装置と、を備え、前記排障板は、障害物を面で受けるように配置されて平面視で走行方向前方に向けて凸状に湾曲した形状を有する主板部と、前記主板部から後方に向けて突出する副板部とを有し、前記副板部は、前記主板部のうち凸状に湾曲した前端部分から走行方向後方の左右一対の両側部分に向けて前記主板部に沿って連続して設けられ、前記支持装置は、前記排障板の前記両側部分を前記台枠に接続し、前記副板部は、前記両側部分から突出した部分において、前記前端部分側から前記支持装置側に近づくにつれて突出量が徐々に増加する漸増領域を有している。

前記構成によれば、線路上の障害物が排障板の主板部の面に衝突した場合に、副板部が主板部の変形を抑制するため、排障装置の重量を増加させることなく排障板の剛性を高めることができる。したがって、衝突時の単位重量当たりの吸収エネルギーが高くなり、軽量でありながらも効率的なエネルギー吸収を実現することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、鉄道車両の排障装置において、衝突時の単位重量当たりの吸収エネルギーが高くなり、軽量でありながらも効率的なエネルギー吸収を実現することができる。

本発明の実施形態に係る排障装置が鉄道車両に取り付けられた状態を示す左側面図である。 本発明の実施形態に係る排障装置を左斜め前の上方から見た斜視図である。 図２に示す排障装置を左斜め後の下方から見た斜視図である。 図２に示す排障装置の平面図である。 （ａ）は有限要素解析において１００ｋｇの剛球が３５０ｋｍ／ｈで排障装置の中央に前方から衝突した状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。 図５の場合において車体に作用する荷重の経時変化を示すグラフである。 （ａ）は有限要素解析において１００ｋｇの剛球が３５０ｋｍ／ｈで排障装置の側面に前方から衝突した状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。 図７の場合において車体に作用する荷重の経時変化を示すグラフである。 （ａ）は有限要素解析において剛壁を３６ｋｍ／ｈで排障装置の排障板に押し込んで押込量が５００ｍｍとなった状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。 （ａ）は図９の状態から更に排障板を押し込んで押込量が７００ｍｍとなった状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。 図９及び１０の場合において車体に作用する荷重と押込量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る排障装置１０が鉄道車両１に取り付けられた状態を示す左側面図である。図１に示すように、高速走行する鉄道車両１では、その先頭車両２の車体３の台枠４の下側前部に、線路上の障害物から車体３を保護するための排障装置１０が取り付けられている。排障装置１０は、障害物から車体を保護する排障板１１と、排障板１１を台枠４に接続するための支持装置１２とを備えている。

図２は本発明の実施形態に係る排障装置１０を左斜め前の上方から見た斜視図である。図３は図２に示す排障装置１０を左斜め後の下方から見た斜視図である。図４は図２に示す排障装置１０の平面図である。なお、以下の説明では、車両走行方向（前後方向）をＸ、車幅方向をＹ、鉛直方向をＺとする。図２乃至４に示すように、排障装置１０は、鋼やアルミニウム合金等の金属材料により左右対称に形成されている。排障板１１は、前方の障害物を面で受けるように配置されて平面視で走行方向前方に向けて凸となる円弧状に湾曲した形状を有する主板部１３と、主板部１３の上端部から後方に突出した上副板部１４と、主板部１３の下端部から後方に突出した下副板部１５と、主板部１３の上下方向の中間部分から後方に突出して上下に互いに間隔をあけて配置された複数（本例では２つ）の中間副板部１６，１７とを備えている。

主板部１３は、凸状に湾曲した前端部分１３ａと、前端部分１３ａから連続して走行方向後方の左右両側に延びる一対の両側部分１３ｂとを有し、その法線方向が略水平方向となるように配置されている。なお、本実施形態では、主板部１３の前後方向Ｘの全長のうち前端から１／３の領域にあたる部分を前端部分１３ａとし、残り２／３の部分を両側部分１３ｂとする。主板部１３の前端部分１３ａには、複数（本例では４つ）の板状のアンチクライマー２９〜３２が互いに上下に等間隔をあけて前方に突出している。

上副板部１４及び下副板部１５は、主板部１３の前端部分１３ａから左右一対の両側部分１３ｂの後端まで連続して設けられており、主板部１３の上端縁及び下端縁に溶接等により固定されている。上副板部１４及び下副板部１５のうち主板部１３の前端部分１３ａから突出した部分は、上副板部１４及び下副板部１５のうち主板部１３の両側部分１３ｂから突出した部分よりも突出量が小さい。具体的には、上副板部１４及び下副板部１５は、主板部１３の前端部分１３ａから突出して突出量が略一定の前側一定領域１４ａ，１５ａと、前側一定領域１４ａ，１５ａと滑らかに連続するように主板部１３の両側部分１３ｂから突出して後方にいくにつれて突出量が徐々に増加する漸増領域１４ｂ，１５ｂと、漸増領域１４ｂ，１５ｂの後側に連続するように主板部１３の両側部分１３ｂから突出して突出量が略一定の後側一定領域１４ｃ，１５ｃとを有している。

主板部１３に沿う方向において、前側一定領域１４ａ，１５ａの長さは、漸増領域１４ｂ，１５ｂの長さよりも長く形成されている。前側一定領域１４ａ，１５ａの突出量は、主板部１３の上下幅よりも小さい。後側一定領域１４ｃ，１５ｃの突出量及び漸増領域１４ｂ，１５ｂの最大突出量は、前側一定領域１４ａ，１５ａの突出量の倍以上となっている。

中間副板部１６，１７は、主板部１３の前端部分１３ａから後述する箱部１８まで連続して設けられており、主板部１３の後面に溶接等により固定されている。中間副板部１６，１７の突出量は、上副板部１４及び下副板部１５の前側一定領域１４ａ，１５ａの突出量と略同一である。各副板部１４〜１７は、その法線方向が略鉛直方向となるように配置されている。また、各副板部１４〜１７は、互いに上下に等間隔に配置されている。副板部１４〜１７の各々は、アンチクライマー２９〜３２の各々とそれぞれ主板部１３を挟むように略同一高さに配置されている。

主板部１３の両側部分１３ｂの後部の背面側（内面側）には、中空六面体からなる箱部１８が設けられている。箱部１８の上面及び下面は、それぞれ上副板部１４及び下副板部１５の後側一定領域１４ｃ，１５ｃで形成されている。箱部１８の外側面は、主板部１３の両側部分１３ｂの後部で形成されている。箱部１８の内側面は、上副板部１４及び下副板部１５の後側一定領域１４ｃ，１５ｃの突出端に溶接等で接合された内板部材１９で形成されている。箱部１８の前面及び後面は、上副板部１４の下面、下副板部１５の上面及び主板部１３の背面に溶接等で接合された前板部材２０及び後板部材２１で形成されている。また、中間副板部１６，１７のうち主板部１３に沿う方向における左右両端部は、箱部１８の前板部材２０に当接している。また、平面視において、箱部１８の前面と主板部１３との交点Ａ、即ち、箱部１８の前板部材２０と主板部１３との交点Ａは、線路Ｒよりも車幅方向外側に配置されている。

主板部１３には、箱部１８を介して支持装置１２が接続されている。支持装置１２は、鋼等の金属からなる剛体で形成され、排障板１１を台枠４（図１参照）に接続するためのものである。支持装置１２は、排障板１１の上下方向の変位を拘束するための第１支持部材２５と、排障板１１の前後方向の変位を拘束するための第２支持部材２６と、排障板１１の車幅方向の変位を拘束するための第３支持部材２７と、これらの支持部材２５〜２７を排障板１１の箱部１８に取り付けるための取付部材２３とを備えている。取付部材２３の箱部１８に対向する側には取付板２４が溶接等で固定されており、その取付板２４が箱部１８の内板部材１９にボルト固定されている。排障板１１と支持装置１２との接続面、即ち、取付板２４と内板部材１９との接続面は、平面視で後方にいくにつれて車幅方向外側に広がるように傾斜配置されている。

具体的には、取付部材２３は、水平面である上面２３ａと、法線方向が走行方向後方に向く鉛直面である背面２３ｂと、背面２３ｂと直角に形成された鉛直面である内面２３ｃとを有している。第１支持部材２５は、下端が取付部材２３の上面２３ａに固定された状態で上方に延び、その他端が台枠４（図１参照）の下部に取り付けられる。第２支持部材２６は、前端が取付部材２３の背面２３ｂに固定された状態で斜め後上方に延び、その他端が台枠４（図１参照）の下部に取り付けられる。第３支持部材２７は、左右の取付部材２３の互いに対向する内面２３ｃを互いに連結するように水平に取り付けられている。このような構成の支持装置１２により、排障板１１の各方向の変位を拘束することが可能になる。

以上に説明した構成によれば、線路上の障害物が排障板１１の主板部１３の前面に衝突した場合に、副板部１４〜１７が主板部１３の変形を抑制するため、排障装置１０の重量を増加させることなく排障板１１の剛性を高めることができる。また、主板部１３と上副板部１４と下副板部１５とにより前方に向けて凸状となる縦断面形状が形成されるため、排障板１１の剛性を効果的に高めることができる。さらに、中間副板部１６，１７も主板部１３の変形を抑制するため、障害物が主板部１３の上下方向の中間部分に衝突したときの排障板１１の剛性をより効果的に高めることができる。したがって、衝突時の単位重量当たりの吸収エネルギーが高くなり、軽量でありながらも効率的なエネルギー吸収を実現することができる。

また、上副板部１４及び下副板部１５には漸増領域１４ｂ，１５ｂが設けられているため、上副板部１４及び下副板部１５のうち支持装置１２に近い部分の強度が上がるため、排障板１１の剛性をより高めることができる。また、上副板部１４及び下副板部１５のうち支持装置１２に近い部分の強度が上がることにより、主板部１３が支持装置１２に近い部分で集中的に変形することを抑制でき、主板部１３の前端部分１３ａによる衝突エネルギー吸収性能を向上させることができる。

しかも、上副板部１４及び下副板部１５では、平面視で主板部１３に沿う方向において一定領域１４ａ，１５ａが漸増領域１４ｂ，１５ｂよりも長くなっているため、障害物が主板部１３の前端部分１３ａに衝突したときの初期荷重が過大となることが抑制され、車体３へ伝達される衝撃を緩和することができる。したがって、衝突エネルギー吸収性能と衝撃緩和性能とを好適に両立することができる。

また、箱部１８により排障板１１のうち支持装置１２に近い部分の強度が上がるため、主板部１３に障害物が衝突して前端部分１３ａが大きく変形したときに、排障板１１の前端部分が下方に向けて垂れ下がるように捩れ変形することが抑制され、変形後の排障板１１の前端部分の地面への干渉を防ぐことができる。さらに、箱部１８は、主板部１３、上副板部１４及び下副板部１５の一部を利用して形成されるので、部品点数及び装置重量を低減することができる。

また、中間副板部１６，１７の左右両端部が箱部１８の前板部材２０により規制されるため、障害物が主板部１３に衝突したときに中間副板部１６，１７が変形し、より効果的に衝突エネルギーを吸収することができる。さらに、排障板１１のうち強度の高い交点Ａの部位は、線路Ｒよりも車幅方向外側に位置することで排障板１１の十分に後側に位置するので、その交点Ａよりも前側の部分で車体に伝わる衝撃を十分に吸収することができる。また、主板部１３の前端部分１３ａの前面には複数のアンチクライマー２９〜３２が設けられているので、前方からの障害物が排障板１１に衝突した際に障害物が排障板１１の上に乗り上げることを抑制することができる。

また、主板部１３のうち前端から支持装置１２との接続部分（箱部１８）までの間の部分は車体側に支持されておらず、衝突時に変形する部分の前後方向寸法が十分に設定されているため、車両同士の衝突にも十分な変形ストロークを確保することができると共に、車体への取り付けも容易となる。

なお、前記実施形態では、箱部１８を中空六面体としているが、その内部に吸収体を収容してもよい。また前記実施形態では、中間副板部１６，１７のうち主板部１３に沿う方向における左右両端部は箱部１８の前板部材２０に当接しているが、当接するだけでなく溶接等で固定してもよい。本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。

次に、有限要素解析を用いたコンピュータシミュレーションにより排障装置１０に障害物を衝突させた場合の解析結果について図５乃至１１を参照して説明する。なお、解析条件は次の（１）乃至（４）の通りである。
（１）解析モデル
図２に示す形状の排障装置１０をメッシュ化した有限要素モデル（図５参照）
（２）材料物性値
表１に解析に用いた材料物性値を示し、表２にその許容応力（ＭＰａ）を示す。なお、排障板１１にはＳＳ４００を使用し、取付部材２３及び第１支持部材２５にはＡ５０８３−Ｏを使用し、第２支持部材２６及び第３支持部材２７にはＡ６Ｎ０１−Ｔ５を使用した。

（３）解析ソルバー
解析コード：LS-DYNA Ver.971（Livermore Software Technology Corporation）
単精度版・陽解法（衝突解析）
（４）解析条件
表３に解析ケースを示す。

図５（ａ）は有限要素解析において１００ｋｇの剛球Ｂ１が３５０ｋｍ／ｈで排障装置１０の中央に前方から衝突した状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。図６は図５の場合において車体に作用する荷重の経時変化を示すグラフである。図５及び６に示すように、剛球Ｂ１が排障板１１の主板部１３の前端部分１３ａに衝突した場合、副板部１４〜１７が主板部１３の変形を抑制するので、Ｘ方向の初期荷重がある程度大きくなった。但し、上副板部１４及び下副板部１５のうち前端部分である一定領域１４ａ，１５ａの突出量は小さくしているので、剛球Ｂ１が主板部１３の前端部分１３ａに衝突したときの初期荷重が大きくなり過ぎることは抑制された。よって、車体３へ伝達される衝撃が過大となることを防ぎながらも、衝突エネルギーが良好に吸収されることが確認された。

また、上副板部１４及び下副板部１５には漸増領域１４ｂ，１５ｂが設けられているため、その変形抑制効果により主板部１３が支持装置１２に近い部分で集中的に変形することが抑制された。よって、車体に伝わる荷重が時間経過に伴って大きく変動することも良好に防止できることが確認された。また、箱部１８により排障板１１のうち支持装置１２に近い部分の強度が上がるため、主板部１３に剛球Ｂ１が衝突して前端部分１３ａが大きく変形したときに、排障板１１の前端部分が下方に向けて垂れ下がるように捩れ変形することが抑制された。よって、変形後の排障板１１の前端部分の地面への干渉を好適に防ぐことができることが確認された。

図７（ａ）は有限要素解析において１００ｋｇの剛球が３５０ｋｍ／ｈで排障装置の側面に前方から衝突した状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。図８は図７の場合において車体に作用する荷重の経時変化を示すグラフである。図７及び８に示すように、剛球Ｂ１が排障板１１の主板部１３の両側部分１３ｂに衝突した場合、Ｘ方向及びＹ方向の両方の初期荷重が大きくなった。このＸ方向及びＹ方向の初期荷重は、そのピーク値が図６に示したＸ方向の初期荷重のピーク値より小さいものの、長い時間にわたって荷重が発生して十分に衝突エネルギーが吸収されることが確認された。また図６と同様に、主板部１３が支持装置１２に近い部分で集中的に変形することが抑制され、車体に伝わる荷重が時間経過に伴って大きく変動することが良好に防止できると共に、変形後の排障板１１の前端部分の地面への干渉が好適に防がれることが確認された。

図９（ａ）は有限要素解析において剛壁Ｂ２を３６ｋｍ／ｈで排障装置１０の排障板１１に押し込んで押込量が５００ｍｍとなった状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。図１０（ａ）は図９の状態から更に排障板１１を押し込んで押込量が７００ｍｍとなった状態を示す斜視図、（ｂ）はその側面図である。図１１は図９及び１０の場合において車体に作用する荷重と押込量との関係を示すグラフである。図９乃至１１に示すように、車幅方向の長さが排障板１１と同じ程度である剛壁Ｂ２を主板部１３に押し込んだ場合、Ｘ方向の初期荷重が大きくなり、その後、押込量が増加している間は荷重が発生して衝突エネルギーが吸収されることが確認された。そして、押込量が５００ｍｍを超えた辺りで、上副板部１４及び下副板部１５の漸増領域１４ｂ，１５ｂが波打つように大きく座屈することで再び荷重が増加した。これにより、衝突初期だけでなく衝突後期にも衝突エネルギーが良好に吸収されることが確認された。

以上のように、本発明に係る鉄道車両の排障装置は、衝突時の単位重量当たりの吸収エネルギーが高くなり、効率的なエネルギー吸収を実現することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる高速鉄道車両等に広く適用すると有益である。

１ 鉄道車両
３ 車体
４ 台枠
１０ 排障装置
１１ 排障板
１２ 支持装置
１３ 主板部
１３ａ 前端部分
１３ｂ 両側部分
１４ 上副板部
１４ａ，１５ａ 前側一定領域
１４ｂ，１５ｂ 漸増領域
１５ 下副板部
１６，１７ 中間副板部
１８ 箱部
１９ 内板部材
２０ 前板部材
２１ 後板部材
２９〜３２ アンチクライマー

Claims (9)

1. 鉄道車両の車体台枠の前部に設けられる排障装置であって、
   車両走行中に線路上の障害物から車体を保護する排障板と、
   支持装置と、を備え、
   前記排障板は、障害物を面で受けるように配置されて平面視で走行方向前方に向けて凸状に湾曲した形状を有する主板部と、前記主板部から後方に向けて突出する副板部とを有し、
   前記副板部は、前記主板部のうち凸状に湾曲した前端部分から走行方向後方の左右一対の両側部分に向けて前記主板部に沿って連続して設けられ、
   前記支持装置は、前記排障板の前記両側部分を前記台枠に接続し、
   前記副板部は、前記両側部分から突出した部分において、前記前端部分側から前記支持装置側に近づくにつれて突出量が徐々に増加する漸増領域を有している、鉄道車両の排障装置。
2. 前記副板部は、前記前端部分から突出した部分を含んで前記漸増領域に滑らかに連続する突出量が略一定の一定領域を有し、
   平面視で前記主板部に沿う方向において、前記一定領域の長さは前記漸増領域の長さよりも長く形成されている、請求項１に記載の鉄道車両の排障装置。
3. 前記副板部は、前記主板部の上端部から後方に突出した上副板部と、前記主板部の下端部から後方に突出した下副板部とを含んでいる、請求項１又は２に記載の鉄道車両の排障装置。
4. 前記副板部は、前記主板部の上下方向の中間部分から後方に突出した中間副板部を含んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車両の排障装置。
5. 前記主板部と前記支持装置とは箱部を介して結合されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄道車両の排障装置。
6. 前記副板部は、前記主板部の上端部から後方に突出した上副板部と、前記主板部の下端部から後方に突出した下副板部とを含み、
   前記箱部の上面及び下面は、それぞれ前記上副板部及び前記下副板部の一部で形成され、
   前記箱部の外側面は、前記主板部の一部で形成され、
   前記箱部の内側面は、前記上副板部及び前記下副板部の突出端に接合された内板部材で形成され、
   前記箱部の前面及び後面は、その端縁が前記上副板部の下面、前記下副板部の上面及び前記主板部の背面に接合された前板部材及び後板部材で形成されている、請求項５に記載の鉄道車両の排障装置。
7. 平面視において、前記箱部の前面と前記主板部との交点は、線路よりも左右方向外側に配置されている、請求項５又は６に記載の鉄道車両の排障装置。
8. 前記副板部は、前記主板部の上下方向の中間部分から後方に突出した中間副板部を含み、
   前記中間副板部のうち前記主板部に沿う方向における左右両端部は、前記箱部に当接している、請求項５乃至７のいずれかに記載の鉄道車両の排障装置。
9. 前記主板部から前方に向けて突出する板状のアンチクライマーを備えている、請求項１乃至８のいずれかに記載の鉄道車両の排障装置。