レールプロファイル

1896年のレール。圧延中にレールのウェブに刻まれた製造業者の名前と仕様がわかる。
現在の平底レールと（現在は設置されていない）ブルヘッドレールの断面
アメリカの初期のレール（縮尺通りではありません）
トランスロール誘導レールの断面（ 2006年のクレルモン＝フェランでの設置時）

レールプロファイルとは、鉄道または線路に設置される レールの長さに垂直な断面形状のことです。

初期のレールは木、鋳鉄、または錬鉄で作られていました。現代のレールはすべて熱間圧延鋼で、断面（プロファイル）はI形鋼に近似していますが、水平軸を中心に非対称です（ただし、下記の溝付きレールを参照してください）。レールの頭部は耐摩耗性と乗り心地を考慮してプロファイル加工されており、レールの脚部は固定システムに適したプロファイル加工が施されています。

鉄鋼の他の用途とは異なり、鉄道レールは非常に高い応力を受けるため、非常に高品質の鋼で作られています。材料の品質向上には、鉄から鋼への変更を含め、数十年を要しました。他の用途では問題にならないような鋼の小さな欠陥でも、鉄道線路で使用すると レールの破損や危険な脱線事故につながる可能性があります。

一般的に、レールと線路の残りの部分が重ければ重いほど、その線路で運べる 列車の重量と速度は大きくなります。

レールは鉄道路線のコストのかなりの部分を占めています。製鉄所で一度に製造されるレールのサイズは限られているため、鉄道会社は最も適切なサイズを選択する必要があります。本線で使用され、摩耗して重くなったレールは、支線、側線、またはヤードで再利用するために回収・ダウングレードされることがよくあります。

歴史

クロムフォード・アンド・ハイ・ピーク鉄道の石ブロックの上に敷かれたフィッシュベリーエッジレール
英国の初期のレール（縮尺通りではありません）
スティーブンソンレール特許半重ね継ぎフィッシュベリーレール、1816年に特許取得

馬車道で使用された最初のレールは木製でした。[ 1 ] 1760年代には、 木製レールの上部に薄い鋳鉄片を固定したストラップアイアンレールが導入され、耐久性が向上しました。 [ 2 ]木製レールとストラップアイアンレールはどちらも比較的安価でしたが、支えられる重量には限りがありました。ストラップアイアンレールの金属片が木製の台座から剥がれ、上の客車の床に突き刺さり、「スネークヘッド」と呼ばれる状態になることがありました。そのため、長期的なメンテナンス費用が、初期の建設費の節約を上回りました。[ 3 ] [ 2 ]

垂直フランジ付きの鋳鉄レールは、後にリプリーのバタリー社となるB.アウトラム・アンド・カンパニーのベンジャミン・アウトラムによって導入されました。このプレートウェイレールの上を走る貨車は平らな形状をしていました。アウトラムのパートナーであるウィリアム・ジェソップは、車輪にフランジが付いてレールの頭部が平らな「エッジレール」の使用を好みました。この形状はプレートウェイよりも優れていることが証明されました。ジェソップの最初の（魚腹状の）エッジレールはバタリー社によって鋳造されました。[ 4 ]

一般的に使用された最も初期のレールは、短い鋳鉄製のフィッシュベリーレールで、その形状からフィッシュベリーレールと呼ばれていました。鋳鉄製のレールは脆く、破損しやすいという欠点がありました。また、短い長さしか作れなかったため、すぐに線路の凹凸につながりました。圧延技術が向上すると、ジョン・バーキンショーが1820年に取得した特許[ 5 ]により、鋳鉄に代わってより長い錬鉄製のレールが導入され、1825年から1840年にかけての鉄道の爆発的な成長に大きく貢献しました。レールの断面は路線によって大きく異なりましたが、図に示すように、基本的に3つのタイプがありました。後に開発された平行断面はブルヘッドと呼ばれていました。

一方、1831年5月には、最初のフランジ付きTレール（Tセクションとも呼ばれる）がイギリスからアメリカに到着し、カムデン・アンド・アンボイ鉄道によってペンシルバニア鉄道に敷設されました。イギリスではチャールズ・ヴィニョールズもこのレールを使用しました。

最初の鉄製レールは1857年にロバート・フォレスター・マシェットによって作られ、イギリスのダービー駅に敷設されました。 [ 6 ]鉄は非常に強い素材であり、鉄道のレールでは鉄に取って代わって徐々に使われるようになり、より長いレールを敷設できるようになりました。

アメリカ鉄道技術協会(AREA) とアメリカ材料試験協会(ASTM) は、鋼製レールの炭素、マンガン、シリコン、リン含有量を規定しています。炭素含有量が増えると引張強度は増加しますが、延性は低下します。AREA と ASTM は、70 ～ 90 ポンド/ヤード (34.7 ～ 44.6 kg/m) のレールでは炭素含有量を 0.55 ～ 0.77 パーセント、90 ～ 120 ポンド/ヤード (44.6 ～ 59.5 kg/m) のレールでは炭素含有量を 0.67 ～ 0.80 パーセント、それ以上の重量のレールでは炭素含有量を 0.69 ～ 0.82 パーセントと規定しています。マンガンは強度と耐摩耗性を高めます。AREA と ASTM は、70 ～ 90 ポンドのレールではマンガン含有量を 0.6 ～ 0.9 パーセント、それ以上の重量のレールではマンガン含有量を 0.7 ～ 1 パーセントと規定しています。シリコンは酸素によって優先的に酸化されるため、レールの圧延および鋳造工程において、強度を低下させる金属酸化物の形成を抑制するために添加されます。[ 7 ] AREAおよびASTMは、シリコン含有量を0.1～0.23%と規定しています。リンと硫黄は不純物であり、レールを脆くし、耐衝撃性を低下させます。AREAおよびASTMは、リンの最大濃度を0.04%と規定しています。[ 8 ]

接合式ではなく溶接式の線路の使用は 1940 年代頃から始まり、1960 年代までに普及しました。

種類

ストラップレール

ストラップレールとスパイク

初期のレールは単なる木材でした。摩耗を防ぐため、木製レールの上に薄い鉄製のストラップが敷かれていました。木材は金属よりも安価だったため、これはコスト削減につながりました。しかし、このシステムには欠陥があり、列車の車輪が通過する際に時折ストラップが木材から外れてしまうことがありました。この問題は1802年にリチャード・トレビシックによって初めて報告されました。アメリカ合衆国でストラップレールが使用された際（例えば1837年頃のアルバニー・アンド・スケネクタディ鉄道）、ストラップが巻き上がって客車に突き刺さり、「スネークヘッド」と呼ばれる蛇の頭が乗客を脅かす事態が発生しました。[ 2 ]

Tレール

Tレールはストラップレールの発展形で、ストラップの上部をヘッド状に広げることで「T」字型の断面を形成しました。この形式のレールは一般的に短命で、1855年までにアメリカでは段階的に廃止されました。[ 9 ]

プレートレール

プレートレールは初期のレールの一種で、断面が「L」型で、フランジがフランジのない車輪を線路上に保持していました。フランジ付きレールは、1950年代にパリの地下鉄（ゴムタイヤ付き地下鉄またはフランス語でMétro sur pneus ）のガイドバーとして、最近ではガイド付きバスとして小規模ながら復活しました。ケンブリッジシャーのガイド付きバスウェイでは、レールは厚さ350 mm（14インチ）のコンクリート梁で、フランジを形成するために180 mm（7.1インチ）の縁が付いています。バスは、フランジに接触するように側面にガイドホイールが取り付けられた通常のロードホイールで走行します。バスはバスウェイを外れると通常通り操縦され、これは長距離輸送のために線路に合流する前に坑口を迂回できた18世紀の貨車に似ています。

橋の欄干

グレート・ウェスタン鉄道の橋梁レールで作られた支保工道路の断面

橋梁レールは、逆U字型の断面を持つレールです。シンプルな形状のため製造が容易で、より複雑な形状のレールが安価になり大量生産できるようになるまでは広く使用されていました。特に、イザムバード・キングダム・ブルネルが設計したグレート・ウェスタン鉄道の7フィート 1⁄4 インチ（2,140 mm）軌間のボークロードに使用されました。

バーロウレール

シドニー鉄道会社が使用していたバーロウレールの断面

バーローレールは、1849年にウィリアム・ヘンリー・バーローによって発明されました。バラストの上に直接敷設されるように設計されていましたが、枕木（枕木）がないため、軌間を維持するのが困難でした。

平底レール

新しい平底レールの断面

フラットボトムレールは、世界中で最も多く使用されているレール プロファイルです。

フランジ付きTレール

フランジ付きTレール（T型断面レールとも呼ばれる）は、北米で使用されていた平底レールの名称です。1831年まで、アメリカの鉄道では鉄筋の木製レールが使用されていました。カムデン・アンド・アンボイ鉄道の社長であったロバート・L・スティーブンス大佐は、鉄道建設には全鉄レールの方が適しているというアイデアを思いつきました。アメリカには長尺レールを圧延できる製鉄所がなかったため、スティーブンス大佐はフランジ付きTレールを圧延できる唯一の場所であるイギリスへと航海しました。イギリスの鉄道では、鉄工所が製造した他の断面の圧延レールが使用されていました。

1831年5月、長さ15フィート（4.6メートル）、重さ36ポンド/ヤード（17.9kg/m）の最初の500本のレールがフィラデルフィアに到着し、線路に敷設されました。これがフランジ付きTレールの初使用でした。その後、フランジ付きTレールはアメリカ合衆国のすべての鉄道会社で採用されるようになりました。

スティーブンス大佐は、枕木（または枕木）にレールを取り付けるためのフック型スパイクも発明しました。1860年には、フランスでスクリュースパイクが導入され、広く使用されるようになりました。[ 10 ]スクリュースパイクは、21世紀において世界中で最も一般的に使用されているスパイクです。

フラットボトムまたはヴィニョールレール

1839年にロンドン・クロイドン鉄道で使用されたヴィニョール・レール
1840年にバーミンガム・グロスター鉄道で使用されたヴィニョールレール

ヴィニョールレールは平底レールの通称で、このレールを英国に導入した技師チャールズ・ヴィニョールにちなんで名付けられた。チャールズ・ヴィニョールは、当時最も一般的なシステムであった石のブロックの上に置かれた錬鉄製レールと鋳鉄製レールに摩耗が生じていることに気づいた。1836年、彼はコンサルタント技師を務めていたロンドン・アンド・クロイドン鉄道に平底レールを推奨した。彼が考案したレールはスティーブンスレールよりも断面積が小さく、現代のレールよりも幅広のベースを持ち、ベースにねじで固定されていた。このレールを採用した他の路線には、ハル・アンド・セルビー、ニューカッスル・アンド・ノース・シールズ、マンチェスター・ボルトン・アンド・ベリー運河航行鉄道会社がある。[ 11 ]

塩化水銀処理（カイナイジングと呼ばれる処理）とクレオソート処理によって木製枕木を保存することが可能になると、石積みよりもはるかに静かな乗り心地が得られ、クリップやレールスパイクを使ってレールを直接固定できるようになりました。木製枕木の使用とヴィニョールの名は世界中に広まりました。

2本のレールの端部が接合される接合部は、鉄道の中で最も弱い部分です。初期の鉄製レールは、レールのウェブにボルトで固定された単純な継目板または金属棒で接合されていました。2本のレールをより強固に接合する方法が開発されてきました。レール接合部に十分な量の金属を充填すれば、接合部はレール全体とほぼ同等の強度になります。列車がレール接合部を通過する際に発生する「線路のカチカチ音」と呼ばれる騒音は、レール部分を溶接することで解消できます。連続溶接されたレールは、接合部においても均一な上面形状を有します。

双頭レール

ニュルンベルク交通博物館に展示されている双頭レール

1830年代後半、イギリスの鉄道は様々なレールパターンを採用していました。ロンドン・バーミンガム鉄道は、最優秀設計賞を授与した鉄道会社であり、レールの頭部と脚部が同じ形状の双頭レールを採用した最古の鉄道会社の一つでした。これらのレールは、枕木に固定された椅子によって支えられていました。 [ 12 ]

双頭レールの利点は、レールの頭部が摩耗した際に反転させて再利用できることであった。1835年、ロンドン・バーミンガム鉄道のピーター・バーロウは、支持台がレール下面にへこみを生じさせ、走行面として適さなくなるため、この方法はうまくいかないだろうと懸念を表明した。グレート・ノーザン鉄道はこの問題を経験したが、双頭レールはロンドン・アンド・サウス・ウェスタン鉄道、ノース・イースタン鉄道、ロンドン・ブライトン・アンド・サウス・コースト鉄道、サウス・イースタン鉄道で効果的に使用され、反転された。双頭レールは第一次世界大戦までイギリスで広く使用され続けた。[ 12 ]

ブルヘッドレール

95ポンド/ヤードのブルヘッドレール用英国規格95Rのプロファイルの図面
英国規格95ポンド/ヤードのブルヘッドレール

ブルヘッドレールは双頭レールから発展した。レールの頭部と足部の形状は異なっている。対称的な形状ではないため、ブルヘッドレールを反転させて足を頭部として使用することは不可能だった。レールを支えるために重い鋳鉄製の台座が必要で、台座には木製の（後に鋼鉄製の）くさび、あるいは「キー」で固定されていたため、定期的なメンテナンスが必要となり、費用のかかる線路敷設方法であった。

ブルヘッドレールは、19世紀半ばから20世紀半ばにかけて、イギリスの鉄道システムの標準でした。1954年には、ブルヘッドレールは449マイル（723 km）の新線に使用され、フラットボトムレールは923マイル（1,485 km）に使用されました。[ 13 ]英国規格BS 9は、ブルヘッドレールに関する最初の規格の一つで、1905年に最初に制定され、1924年に改訂されました。1905年の規格に基づいて製造されたレールは「OBS」（オリジナル）と呼ばれ、1924年の規格に基づいて製造されたレールは「RBS」（改訂）と呼ばれました。[ 14 ]

イギリスの鉄道システムでは、ブルヘッドレールはほぼ完全にフラットボトムレールに置き換えられましたが、一部の支線や側線ではそのまま残っています。歴史的な外観を維持したいという願望と、本線から回収された古い線路部品を使用しているため、歴史的鉄道にも見られることがあります。ロンドン地下鉄は、イギリスの他の地域で段階的に廃止された後もブルヘッドレールを使用し続けましたが、ここ数年、フラットボトムレールに置き換えるための集中的な取り組みが行われています。[ 15 ]しかし、トンネル内の線路交換作業は、重機や機械の使用が難しいため、時間がかかります。

溝付きレール

溝付きレール。他の車両や歩行者が通行する場所に線路を敷設する場合に使用される。

レールが路面（舗装面）または芝生の表面に敷設されている場合、フランジを収容する必要があります。これはフランジウェイと呼ばれる溝によって提供されます。このレールは、溝付きレール、グルーブレール、またはガーダーレールと呼ばれます。フランジウェイの片側にレールヘッドがあり、反対側にガードがあります。ガードは重量を支えませんが、チェックレールとして機能する場合があります。

溝付きレールは1852年、路面電車や鉄道設備の改良に取り組み、ニューヨーク市やパリの路面電車路線の発展に貢献したフランスの発明家、アルフォンス・ルバによって発明された。 [ 16 ] 溝付きレールの発明により、他の道路利用者に迷惑をかけずに路面電車を敷設することが可能になった。ただし、何も知らない自転車利用者は、溝に車輪が引っかかる可能性がある。溝は砂利や土で埋まることがあるため（特に使用頻度が低い場合や一定期間使用されていない場合）、定期的に清掃する必要があり、「スクラバー」車両（専用の路面電車または保守用軌道鉄道車両）によって清掃される。溝を清掃しないと、乗客の乗り心地が悪くなり、車輪またはレールが損傷し、脱線する恐れがある。

桁ガードレール

従来の溝付きレールは、左図に示す桁ガード部です。このレールはフランジ付きレールを改良したもので、荷重伝達と軌間安定化のために特別な架台が必要です。路盤面が荷重を支える場合、軌間維持のために一定間隔で鋼製枕木が必要です。この枕木を設置するには、路面全体を掘削して復旧させる必要があります。

ブロックレール

ブロックレールは、ウェブを取り除いた低背型の桁ガードレールです。断面形状は、フランジウェイとガードが追加された、よりソリッドな橋脚レールに似ています。ウェブを取り除いて頭部と脚部を直接接合するだけではレールが弱くなるため、接合部には追加の厚みが必要となります。[ 17 ]

質量をさらに低減した最新のブロックレールとして、LR55レール[ 18 ]があります。これは、プレハブコンクリート梁にポリウレタングラウトを充填したものです。ライトレール（路面電車）用の既存のアスファルト路盤に切られた溝に設置できます。[ 19 ]

レールの重量とサイズ

一般的に使用される2つのレールプロファイル：摩耗の激しい50 kg/mプロファイルと新しい60 kg/mプロファイル

レールの長さあたりの重量は、レールの強度、ひいては車軸荷重と速度を決定する重要な要素となります。

重量は、ヤードあたりのポンド（カナダと米国ではヤード単位）とメートルあたりのキログラム（英国、ヨーロッパ本土、オーストラリアではメートル法単位）で測定されます。1 kg/m は 2.0159 ポンド/ヤードに相当します。

一般的に、鉄道用語では、ポンドはヤードあたりのポンドという表現の換喩語であり、したがって、132 ポンドのレールは、ヤードあたり 132 ポンドのレールを意味します。

ヨーロッパ

レールには様々なサイズがあります。ヨーロッパで一般的なレールのサイズには、以下のようなものがあります。

  • 40 kg/m (81 ポンド/ヤード)
  • 50 kg/m (101 ポンド/ヤード)
  • 54 kg/m (109 ポンド/ヤード)
  • 56 kg/m (113 ポンド/ヤード)
  • 60 kg/m (121 ポンド/ヤード)

旧ソ連諸国では、65 kg/m (131 lb/yd) レールと75 kg/m (151 lb/yd) レール（熱処理なし）が一般的です。熱処理された75 kg/m (151 lb/yd) レールもバイカル・アムール幹線のような重量級鉄道で使用されていましたが、運用上の欠陥が判明したため、主に65 kg/m (131 lb/yd) レールに取って代わられました。

フランス（TGV）とドイツ（ICE ）の高速鉄道（HSR）システムでは、60 kg/m（121 lb/yd）のレールが使用されています。[ 20 ]

北米

155ポンド/ヤード（76.9kg/m）の「ペンシルバニアスペシャル」レールの接合部分に「155PS」の重量表示。これはこれまで量産されたレールの中で最も重いグレードである。
1890年代頃、アメリカ合衆国で使用されていた100ポンド/ヤード（49.6kg/m）のレールの測定値を帝国単位で示した断面図
ニューヨーク中央システム ダドリー 127 lb/yd (63.0 kg/m) レール断面積

アメリカ土木学会（ASCE）は1893年にレールの形状を規定し[ 21 ]、 5lb/yd（2.5kg/m）刻みで40～100lb/yd（19.8～49.6kg/m）までとした。ASCEの各T型レール重量において、レールの高さは脚の幅と等しく、形状では頭部、ウェブ、脚部の重量の割合をそれぞれ42％、21％、37％と固定していた。ASCEの90lb/yd（44.6kg/m）の形状は適切であったが、それ以上の重量は満足できるものではなかった。1909年、アメリカ鉄道協会（ARA）は60～100lb/yd（29.8～49.6kg/m）まで10lb/yd（4.96kg/m）刻みで標準形状を規定した。アメリカ鉄道技術協会 (AREA) は、1919 年に 100 lb/yd (49.6 kg/m)、110 lb/yd (54.6 kg/m)、120 lb/yd (59.5 kg/m) のレール、1920 年に 130 lb/yd (64.5 kg/m) と 140 lb/yd (69.4 kg/m) のレール、1924 年に 150 lb/yd (74.4 kg/m) のレールの標準プロファイルを指定しました。レールの高さと脚幅の比率を高め、ウェブを強化する傾向がありました。脚が狭いことによる欠点は、タイプレートの使用により克服されました。AREA の推奨事項によってレール頭部の相対重量が 36% まで削減され、代替プロファイルによってより重いレールの頭部重量が 33% まで削減されました。ウェブとヘッドの接合部における応力集中を軽減するため、フィレット半径の改良にも重点が置かれました。AREAはARA 90 lb/yd（44.6 kg/m）プロファイルを推奨しました。[ 22 ]軽量の旧ASCEレールはその後も使用され、数十年にわたり軽量レールへの限られた需要を満たしました。AREAは1997年にアメリカ鉄道技術・保守協会（ARA）に合併されました。

20 世紀半ばまでに、ほとんどのレール生産は中重量級(112 ～ 119 ポンド/ヤード、55.6 ～ 59.0 kg/m) と重量級(127 ～ 140 ポンド/ヤード、63.0 ～ 69.4 kg/m) でした。100 ポンド/ヤード (49.6 kg/m) 未満のレールは、通常、軽量貨物、使用頻度の低い線路、またはライトレール用です。100 ～ 120 ポンド/ヤード (49.6 ～ 59.5 kg/m) のレールを使用する線路は、低速貨物支線または急行輸送用です。たとえば、ニューヨーク市地下鉄の線路のほとんどは、100 ポンド/ヤード (49.6 kg/m) のレールで構築されています。本線の線路は通常、130 ポンド/ヤード (64.5 kg/m) 以上のレールで構築されます。北米で一般的な鉄道のサイズは以下のとおりです。[ 23 ]

クレーンレール

北米で一般的なクレーンレールのサイズは次のとおりです。

  • 12ポンド/ヤード（5.95 kg/m）
  • 20ポンド/ヤード（9.9 kg/m）
  • 25ポンド/ヤード（12.4 kg/m）
  • 30ポンド/ヤード（14.9kg/m）
  • 40ポンド/ヤード（19.8kg/m）
  • 60ポンド/ヤード（29.8kg/m）
  • 80ポンド/ヤード（39.7kg/m）
  • 85ポンド/ヤード（42.2kg/m）
  • 104ポンド/ヤード（51.6kg/m）
  • 105ポンド/ヤード（52.1kg/m）
  • 135ポンド/ヤード（67kg/m）
  • 171ポンド/ヤード（84.8kg/m）
  • 175ポンド/ヤード（86.8kg/m）

オーストラリア

オーストラリアの一般的な鉄道のサイズは次のとおりです。

  • 30 kg/m (60 ポンド/ヤード)
  • 36 kg/m (73 ポンド/ヤード)
  • 40 kg/m (81 ポンド/ヤード)
  • 47 kg/m (95 ポンド/ヤード)
  • 50 kg/m (101 ポンド/ヤード)
  • 53 kg/m (107 ポンド/ヤード)
  • 60 kg/m (121 ポンド/ヤード)
  • 68 kg/m (137 ポンド/ヤード)
  • 西オーストラリア州北西部の重量鉄鉱石輸送鉄道では、68kg/m（137ポンド/ヤード）のレールが使用されている。[ 24 ]
  • 50 kg/mと60 kg/mが他の主要路線では現在標準となっているが、他のサイズもまだ製造されている。[ 25 ]

レールの長さ

圧延工場で生産されるレールの長さの進歩には次のようなものがあります。

レールを長く溶接する技術は、1893 年頃に初めて導入されました。溶接は、中央の車両基地または現場で行うことができます。

円錐形または円筒形の車輪

同じ傾斜を持つ円錐形の車輪とレールは、円筒形の車輪と垂直のレールよりも曲線追従性に優れていることは、古くから認識されてきました。クイーンズランド鉄道など、一部の鉄道会社は長年円筒形の車輪を使用していましたが、輸送量が大幅に増加したため変更が必要になりました。[ 29 ] 円筒形の車輪の踏面は曲線上で「滑る」必要があるため、抗力とレールおよび車輪の摩耗が増加します。直線性の高い線路では、円筒形の車輪の踏面はよりスムーズに転がり、「ハンチング」現象が発生しません。軌間はわずかに狭く、フランジのフィレットによってフランジがレールに擦れるのを防ぎます。米国では、新品時は1/20の円錐形です。踏面が摩耗するにつれて、不均一な円筒形の踏面に近づきます。その時点で、車輪はホイール旋盤で整準するか、交換されます。

メーカー

廃業したメーカー

標準

  • EN 13674-1 - 鉄道用途 - 軌道 - レール - パート1：ヴィニョーレ鉄道レール 46 kg/m以上EN 13674-1
  • EN 13674-4 - 鉄道用途 - 軌道 - レール - パート4：27 kg/mから46 kg/mまでのVignole鉄道レールEN 13674-4

参照

参考文献

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