JP4762054B2 - 鉄道車両用の排障装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両の前部に取り付けられる排障装置に関する。

排障装置は、鉄道車両が軌道上で障害物と衝突したときに、軌道上の障害物を排除する排障板と、その際に生じる衝突荷重を、自らが変形することで衝突エネルギーを吸収して、緩和する緩衝機構を備えている。衝突荷重を緩和することで車体の損傷をできるだけ軽減することができる。緩衝機構には、アルミ板または鋼板からなる緩衝板を複数枚積層して構成したものが一般に使用されている（図２０（ａ）、特許文献１参照）。

この種の排障装置では、車両が高速になるに伴って増大する衝突エネルギーに対応するには、緩衝板の板厚や枚数を増やす必要がある。この結果、排障装置の重量が増大するので、車両の高速化の妨げとなる。

そこで、車両が高速になるのに伴って増大する衝突エネルギーに対応でき、しかも軽量化が図れる排障装置が提案されている。

他の先行技術として両側に直線部、中央部に円弧部を備えてＶ字形状をなす受障板（排障板）と、この受障板の円弧部裏側に設置されるハニカム構造の前面緩衝支持材と、この受障板の直線部裏側に設置されるハニカム構造の側面緩衝支持材と、この前面緩衝支持材および側面緩衝支持材を支持する支持部材を備えた排障装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、他の先行技術として、走行方向に凸に湾曲した排障板の両辺を連結する横梁と、排障板のレール方向中心線上で排障板と横梁との間に設けた角筒構造の衝撃吸収部材から構成される排障装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図２０（ｂ）に示す構造は、軌道上の排障装置を排除する排障板と、１枚の緩衝板を中空体構造の衝撃吸収材で支えた緩衝装置からなる。この構造は、緩衝板を削減できるために軽量化できる。緩衝板を削減できるのは、中空体構造のエネルギー吸収量が高いためである。従来の緩衝板は曲げ変形によるエネルギー吸収であるので、塑性変形の範囲が塑性ヒンジ周辺に限られ、質量に対するエネルギー吸収量が低い。これに対して中空体構造の衝撃吸収材は面板のせん断変形を伴うために塑性変形の範囲が広く質量に対するエネルギー吸収量を高くすることができる。なお中空体構造の内部に発砲アルミなどのエネルギー吸収材料を封入することでエネルギー吸収量を補うこともできる（例えば、特許文献４参照）。
特公昭４２−１０５７０号公報（１頁および図１、図２） 特開２０００−６８０６号公報（２〜３頁および図１） 特開２００１−５５１４１号公報（図１および図２） 特開２００５−５３３４６号公報（３〜５頁および図１、図２）

特許文献１の構造に対して、軽量化をはかる目的で、特許文献２〜４の構造が提案されているが、次のような課題がある。

特許文献２の構造では、ハニカム構造の緩衝支持材が受障板（排障板）の内側の全面に配置されている。したがって緩衝支持材を支える支持部材は、受障板と同等の広い面積を支える構造となる。このため支持部材が大型化し軽量化の妨げとなる。

特許文献３の構造では、角筒構造は、蛇腹状の壁面座屈を生じてエネルギーを吸収する構造であり質量に対するエネルギー吸収は高い。しかし、角筒構造を前後に支える横梁には十分な強度が必要となるために横梁の軽量化が難しい。また、結果として横梁と排障板の結合部は剛な構造となるが、この部分に障害物が衝突した場合、変形によってエネルギーを吸収する部分が無いために、車体に入力される衝突荷重が高くなるという課題がある。

図２０（ａ）および図２０（ｂ）の構造では、排障板は、車体の台枠の側梁に吊り金具を介して取り付けられている。排障板はレール上の障害物を排除できる高さ位置に配置する必要があるので、前記の吊り金具の上下方向の寸法および重量が大きくなる。

また、図２０（ａ）の構造に見られる緩衝板を複数枚積層した重ねバネ方式の緩衝装置は、変形が進むにつれて変形する緩衝板の枚数が増えるために、変形初期は変形時の荷重が小さいが、変形が進むにつれて、荷重が２倍、３倍と急激に高くなる特性がある。一方、車体強度上、緩衝装置変形時の荷重値には上限があるため、限られた変形量で最大限のエネルギー吸収を行うには、変形時の荷重が一定の特性が望ましい。

この発明は上述の点に鑑みなされたもので、排障板を箱型緩衝支持装置で支持することにより緩衝装置の小型軽量化と変形時の荷重特性の改善および、排障板の吊り金具を廃止することによる、さらなる軽量化を可能とした鉄道車両用の排障装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る鉄道車両用の排障装置は、先頭車両前端部の車体台枠に設けられる排障装置であって、走行方向前方に凸の形状を有するとともに両側に直線状側板部を有する排障板と、この排障板を前記車体台枠に支持する両側後方の支持部材と、前記各支持部材の外表面に前方へ張り出して固設された梁材と、前記排障板と前記各支持部材の前記梁材との間に介設される箱型緩衝支持材とを備え、前記排障板を直線状側板部の内側において、前後に間隔をあけて配置される一対の平面視長方形の前記箱型緩衝支持材で支持し、両側の前記梁材は、平面視二等辺三角形状に先端延長線上で相互に交差する先端部間を隙間をあけて非連結状態としたことを特徴とする。

また、本発明に係わる排障装置は、先願（特願2005-155044）の除雪兼用排障装置と違って、先頭車両前端部の車体台枠より下向きに延設された前方支持部材を持たない。これは、先頭車両前端部には連結装置とその覆い（符号１ｃ；図２１参照）が装備されており、連結時にはその覆いを左右に開き車体に収納することで連結が可能となるが、排障装置の取り付け位置によっては、前記前方支持部材があるために前記覆いの収納スペースが確保できない場合があるためである。覆い（分併カバー）１ｃと排障装置３の位置関係の例を図２１に示す。

しかし、先願（特願2005-155044）の構成で前記前方支持部材を廃止すると、障害物を排障板の下辺付近で排除した場合に排障先端部の下向きの変形量が大きくなり、最悪の場合、排障板下辺がレールなどの地上構造物と接触することになる。障害物を排障板下辺付近で排除する場合に排障先端部の下向きの変形量が大きくなるのは、前のめりの回転モーメントが排障板に負荷されるためである。

本発明は、前後に間隔を空けて配置される一対の平面視長方形の箱型緩衝支持材で排障板を支持することで、前のめりの回転モーメントを支えられる構成としているので、排障板先端部の下向きの変形量を低減することができる。

具体的には、障害物（例えば球体）が排障板の正面中央部の下辺付近に正面衝突した場合、衝突時の荷重によって排障板が後退し、排障板の内側に配置される一対の箱型緩衝支持材のそれぞれについて、上面および下面の水平面板のせん断変形と前面および後面の鉛直面板の曲げ変形によって大部分の衝突エネルギーが吸収される。ただし、障害物の剛性が高い場合、排障板も障害物との接触部で変形を生じて衝突エネルギーの一部を吸収する。一方、前記の前のめりの回転モーメントは、箱型緩衝支持材の前面および後面の鉛直面板に上下方向の面内力を生じさせる。回転モーメントは力と距離の積であるので、箱型緩衝支持材の前面の面板と後面の鉛直面板の間の距離を大きくとれば鉛直面板に生じる荷重を小さくできる。しかし、単純に箱型緩衝支持材の前後方向の寸法を大きくすると上面および下面の水平面板が前後方向に長くなりせん断変形する際の荷重が高くなってしまう。本発明では、前後方向の寸法が小さい箱型緩衝支持材を前後に並べることで、水平面板の前後方向寸法を大きくすることなく鉛直面板間の間隔を大きくとることができる。これにより、障害物と衝突した時の車体に伝わる前後荷重を抑えつつ排障板先端部の下向きの変形量を低減することができる。

また、本発明では、障害物が正面中央部から左右いずれかにずれた位置に衝突した場合も、左右いずれかの箱型緩衝支持材には同様の変形が生じるため、荷重が極端に高くなることや、排障板先端部の下向きの変形量が大きくなることは無い。すなわち、本発明の排障装置は障害物の衝突位置によらない良好な変形特性と荷重特性を有する。

さらに、排障板は直線状側板部の内側において、前後に間隔を空けて配置される一対の平面視長方形の箱型緩衝支持材で支持されているので、緩衝板を廃止するとともに、排障板を台枠の側梁に結合する吊り金具も廃止できるので軽量化が可能となる。また、箱型緩衝支持材によって荷重を緩衝するので、緩衝板で構成される緩衝装置のように変形が大きくなると荷重値が急激に高くなることは無く、車体に与える損傷も最小限にとどめることが可能となる。

さらにまた、両側の前記梁材は、平面視二等辺三角形状に先端延長線上で相互に交差する先端部間を隙間をあけて非連結状態とするので、箱型緩衝支持材の変形が大きく排障板と前記梁材が直接接触する場合に、前記梁材の先端部が変形しやすいために、衝突時の荷重を小さくできる。

請求項２に係る排障装置は、前記箱型緩衝支持材は、下面の水平面板を省くかまたは、下面の水平面板を省きかつ上面の水平面板の長手方向にスリットを設けたことを特徴とする。この請求項２記載の排障装置によれば、前記箱型緩衝支持材は、下面の水平面板を省いている。このようにすれば先願の除雪兼排障装置に比べ本発明では、箱型緩衝支持材が両側にそれぞれ一対ずつとなり、一個ずつ増加したことによる衝突時の荷重の増加を抑制することができる。また、排障板に排障ゴム（ゴム製の板で下辺がレール上１０ｍｍ程度の高さとなるように設置し、レール上の小さな障害物の排除に用いられる。）をボルト留めする際は、車体下面から排障板内側に手を入れて作業する必要があるが、箱型緩衝装支持材の下面板を省いているので、作業がしやすい。また箱型緩衝支持材内部に水や異物がたまることも無い。さらに、下面の水平面板を省くだけでは、目標の荷重値まで下がらない場合、下面の水平面板を省くとともに上面の水平面板に長手方向のスリットを設けることで、上面の水平面板がせん断変形する荷重を小さくできるので衝突時の荷重をさらに小さくすることができる。

請求項３は、排障板をスノープラウと兼用する場合の、箱型緩衝支持材の補強方法を示している。軌道上障害物が無い限り、通常走行時に排障板に荷重が負荷されることは無い。しかし排障板をスノープラウとして兼用する場合、日常的に除雪による荷重が負荷されることになる。日常的に繰り返し荷重として負荷される場合、疲労破壊を防止するために、箱型緩衝支持材に発生する応力を十分小さくする必要がある。しかし、単純に強くすると、障害物との衝突時、箱型緩衝支持材の変形荷重が高くなり、車体を損傷することになる。

請求項３に記載のように、前記箱型緩衝支持材の内部において図２〜図４に示すように前記排障板の交差する先端側と反対側の前後の鉛直面板とは別個に設けた鉛直面板を追加すれば、鉛直面板の板厚を薄くすることができるので障害物との衝突時の前後方向荷重の増加を抑えることができかつ、鉛直面板の枚数が増えているので、除雪時の上下方向荷重による鉛直面板の応力を下げることができる。すなわち、
1) 前後方向の反力Ｆと断面２次モーメントについて
図２３において、前後方向反力Ｆ＝ｎ×１２ＥＩδ／ｌ２ Ｅ：ヤング率 δ：前後方向変位 ｌ：直線状側板と支持部材との距離＝一定 ｎ：鉛直な面板の枚数とすると、Ｆ∝Ｃ×ｎ×Ｉ＝Ｃ×ΣＩ（Ｃ:定数）
反力値は箱型緩衝支持材を構成する各板の断面２次モーメントＩの合計値ΣＩに比例する。箱型緩衝支持材を構成する板の高さをｈ、板厚ｔとすると、
ΣＩ＝ｎ×ｈ×ｔ３ ／１２
2) 上下荷重に対するせん断断面積ＳＡについて
上下方向の荷重に対しては直線状側板が下方へ変位しないように、十分な強度が緩衝支持材に必要になる。すなわち、上下方向の荷重の発生応力を低減するためには、せん断断面積ＳＡを大きく取るとよい。

3) 板厚と断面２次モーメントＩの合計値ΣＩの関係および板厚とせん断断面積ＳＡの関係を図２４に示している。面板の枚数が２枚、板厚ｔ＝６ｍｍ、鉛直な面板の鉛直方向の寸法を１００ｍとした場合、
ΣＩ＝２．０×１０⁴ｍｍ⁴ ここで、面板の枚数を４枚にしたときに、２枚の場合と同じ前後方向の反力にするには、ΣＩ＝２．０×１０⁴ｍｍ⁴ となるように、 板厚ｔ＝５ｍｍにすればよい。

一方、せん断断面積ＳＡを比較すると，ｔ＝６ｍｍ、ｎ＝２枚のときはＳＡ＝１２００ｍ² 、ｔ＝５ｍｍでｎ＝４枚のときはＳＡ＝２０００ｍ² となる。したがって、ΣＩが等しくなるようにして、面板が２枚の場合に比べて４枚になると、約２倍のせん断断面積をもつことになる。このように、箱型緩衝支持材を構成する面板の板厚を薄くし、別個に面板を設ければ、前後方向の反力の増加を抑えた上で、上下方向の荷重に対する強度を増大できることになる。

本発明の鉄道車両用の排障装置には、下記のような優れた効果がある。すなわち、前後に間隔を空けて配置される一対の平面視長方形の箱型緩衝支持材で排障板を支持することにより、前のめりの回転モーメントを支えられる構成としているから、排障板先端部の下向きの変形量を低減することができる。また、本発明の排障装置は障害物の衝突位置によらない良好な変形特性と荷重特性を有するほか、排障板を直線状側板部の内側において、前後に間隔を空けて配置される一対の平面視長方形の箱型緩衝支持材で支持したから、緩衝板を廃止するとともに、排障板を台枠の側梁に結合する吊り金具も廃止でき、軽量化が可能となる。また、箱型緩衝支持材によって荷重を緩衝するので、緩衝板で構成される緩衝装置のように変形が大きくなると荷重値が急激に高くならず、車体に与える損傷も最小限に抑えられる。さらに両側の前記梁材は、平面視二等辺三角形状に先端延長線上で相互に交差する先端部間を隙間をあけて非連結状態としたから、箱型緩衝支持材の変形が大きく排障板と前記梁材が直接接触する場合に、前記梁材の先端部が変形しやすいために、衝突時の荷重を小さくできる。

以下、本発明に係る鉄道車両用の排障装置についての実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施例に係る排障装置を先頭車両の前部に取り付けた状態を示す、一部を省略した側面図、図２は本発明の一実施例に係る排障装置を示す平面図、図３は本発明の一実施例に係る排障装置を示す後ろ側上方より見た斜視図、図４は図３の平面図、図５は中心線で切除した側方断面図、図６は左半分は正面図で右半分は排障板（スノープラウを兼ねた形状）４の先端中央部を削除した正面図である。

図１・図２に示すように、新幹線（登録商標）など高速鉄道車両の先頭車両１の車体台枠１ａの前端部下部に、冬季に除雪し、かつ障害物と衝突した際に車体への損傷を防止するための排障装置３が取り付けられ、その前方に略Ｕ字形の下部カバー２（図１参照）が側構体１ｂの下端縁に対し昇降可能に車体台枠１ａに支持され、さらに先頭車両の先端面のほぼ中央部に分併カバー１ｃ（図１参照）が車体台枠１ａに設置された駆動装置（図示せず）を介して開閉可能に設けられている。

排障板４は平面視略Ｖ字形をなし、先頭車両１に前方へ向けて凸状に配置される。また排障板４は、両側の直線状側板４１・４１の先端を鋭角状に突き合わせて溶接にて一体に形成され、各直線状側板４１は、本例では比較的厚みの薄い鋼製の板材を図３〜図６に示すように、高さ方向の中間部から上端部にかけて上向きに凸の円弧状に湾曲させて形成されている。各直線状側板４１の長手方向の中間位置付近(レール位置)に、レール（軌道）１０上の小石などの比較的小さな障害物をはねのけて排除するための排障ゴム４２を各側板４１の下方へ突出させて取り付けている。図１中の符号９は車輪である。

図１〜図６に示すように、排障装置３は、レール１０上の降雪を排除する排障板（スノープラウ）４と、この排障板４を車体台枠１ａに支持する両側後方の支持部材５・５と、各支持部材５の外表面に前方へ張り出して固設された梁材６と、排障板４と各支持部材５の梁材６との間に介設され、障害物と衝突した際に自ら変形することにより衝突時の衝突エネルギーを吸収・緩和する前後一対の箱形緩衝支持材８とを備えている。

排障板４の先端鋭角部内側を両側の直線状側板４１・４１間に平面視台形で断面「コ」の字形の支持板材４４を枕木方向に跨って連結している。

各支持部材５は直角三角柱状枠体からなる本体部分５１を備え、左右対称に両側の本体部分５１の直角部を後部内側に対峙させ、かつ内側面５１ａをレール１０と平行に配置するとともに、外側面５１ｂを排障板４の直線状側板４１と平行に配置した状態で、車体台枠１ａに広幅の天板５２ａを介して複数のボルト５４で連結した鉛直支持棒（四角筒状支持棒）５２の下端を各本体５１の上面に垂直に溶接して固着している。また、車体台枠１ａにフランジ５３ａを介して複数のボルト５８で連結した前方下向きに傾斜させた斜め支持棒（円形パイプ状支持棒）５３の下端を本体部分５１の後面に、直角三角形状の枠体５３ｃを介して溶接にて固着することにより支持されている。この斜め支持棒５３は上端部寄りで上下に分割され、フランジ５３ｂを突き合わせて複数のボルト５５で連結されている。両側の本体部分５１は、内側面５１ａ間が水平支持棒（円形パイプ状支持棒）５７により一体に連結されている。

各支持部材５の外表面上に固設される梁材６は、板状部分６ａとこの板状部分６ａから前方へ延設された断面Ｌ形部分６ｂとからなり、断面Ｌ形部分６ｂは鉛直面板６ｂ−１とこの上端から内向きに直角に屈折した薄板状の水平面板(フランジ）６ｂ−２とから構成されている。左右の梁材６は、排障板４の両側の直線状側板４１・４１と平行にかつ先端延長線上で交差するように、つまり上方より見て二等辺三角形状に配置されているが、両側の梁材６の先端部は、図１に示すように非連結状態、つまり一定の隙間を設けて離間させている。

両側の直線状側板４１における排障ゴム４２の取付位置には開口が設けられており、この開口に排障ゴム押さえ板４１ａが設けられており、この押さえ板４１ａの内側に固設されたＬ形支持板４３に排障ゴム４２がボルトで取り付けられている。上面の長手方向にスリット８１を設けた下端開放で箱形（正面視門形）の一対の箱型緩衝支持材８（８ａ・８ｂ）が前後に間隔をあけ、支持部材５の本体部分５１の外側面５１ｂ上に固設された梁材６と支持板４３との間に介設されている。２つの箱型緩衝支持材８ａ・８ｂのうち後部側８ａは前部側に比べて長さが長く、各箱型緩衝支持材８の両側面板８４は厚み４．５ｍｍと薄く、台形で、後部側の箱型緩衝支持材８ａにはその両側面板８４とは別個に２枚の面板７（厚み４．５ｍｍ）が追加され、梁材６と支持板４３との間に介設されている。各箱型緩衝支持材８の内側面は長方形の薄い平板状金属板８２に一体に溶接され、この金属板８２の両側部が本体部分外側面５１ｂに垂直に複数本のボルト８３で連結されている。この構造を採用したのは、本例の場合、排障板４および箱型緩衝支持材８（金属板８２を含む）はアルミ（アルミ合金）に比べて疲労強度が高い鋼製であるのに対し、支持部材５は軽量なアルミ合金製であり、溶接にて連結ができないことから、衝突時にせん断力を受けても切断されないようにボルト８３で連結している。また、前後の箱型緩衝支持材８の外側面は取付板８５に溶接されている（図７（ｃ）参照）。なお、これはあくまで一例で、材質、形状および寸法などは、実験または有限要素法による構造解析などにより設定される。

次に、以上のようにして構成される本発明の実施例に係る排障装置についてその奏する作用について図面を参照して詳しく説明する。

図７（ａ）は排障板の下部で降雪を排除する状態を示す一側前方より見た斜視図、図７（ｂ）は車体台枠１ａに対する排障装置３（支持部材５）の拘束部条件を示す斜視図、図７（ｃ）は箱形緩衝支持材８の外側面を取付板８５に一体に溶接した状態を示す斜視図である。

積雪状態で、図７（ａ）に示す排障板４に作用する雪圧荷重は、下記の表１に示すとおりである。排障板４にはすくい面が付いているために、レール方向荷重に加え、上下方向荷重が生じる。上下方向荷重はレール方向荷重とすくい角の大きさから計算して１２．２ton とした。

排障板４は両側後方の支持部材５・５により左右一対ずつの箱形緩衝支持材８ａ・８ｂを介して支持され、各支持部材５はそれぞれ車体台枠１ａに鉛直支持棒５２および斜め支持棒５３によって支持されており、軌道１０上の積雪から雪圧が作用してもしっかりと受け止め、略Ｖ字形排障板４により軌道（レール）１０の両側方へ雪を掻き払って除去する。

上記の雪圧荷重付加時の応力解析を行ったが、この結果を下記の表２に示す。表２は各部の発生応力と材料(材質)の許容応力との比較である。発生応力は許容応力以下である。

図８は本実施例の排障装置３の排障能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突（ただし、微小なずれが生じることを考慮して左右中央の位置から左へ５ｍｍオフセット）したときの有限要素解析による排障装置３の各拘束部反力の合計値の時間的変化を示す線図、図９は本実施例の排障装置３に球状障害物が正面衝突した場合の排障装置３の各拘束部の反力を示す線図、図１０は、本実施例の排障装置３の排障能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突したときの有限要素解析による排障装置３の排障板４の先端下部の上下変位（ｍｍ）の時間的変化を示す線図である。図１１は正面衝突時の有限要素解析による変形後の排障板４の先端の塑性歪み分布図、図１２は有限要素解析による鋼製部材（排障板４と箱型緩衝支持材８）の塑性歪み分布図、図１３は同じくアルミ合金製部材（支持部材５）の塑性歪み分布図である。

障害物（質量１００kgの鋼球）に先頭車両１が正面衝突したときは、排障板４の先端突き合わせ部が変形するとともに下方へ変位する。具体的には、図１１に示す塑性変形が排障板４の先端突き合わせ部に生じるとともに、図１０に示すように排障板４の先端部４ａの下方への垂れ下がりが生じる。垂れ下がり量は、７３ｍｍで、排障板４の下辺とレール１０との間の距離よりも小さいので、衝突後も先頭車両１は走行を継続できる状態にある。そして排障板４を介して支持部材５・５とその間の一対の箱形緩衝支持材８ａ・８ｂに直線状側板４１の長手方向後方への圧縮荷重（衝撃荷重）がそれぞれ伝達される。この結果、両側の一対の箱型緩衝支持材８ａ・８ｂには直線状側板４１からその長手方向に沿って衝撃荷重が伝達され、排障板４は、同じ方向へ変位しようとする。

一方、箱型緩衝支持材８ａ・８ｂの内側はそれぞれ支持部材５の本体部分外表面５１ｂに固設された梁材６により堅固に支持され、定位置に拘束されているので、ほとんど変位しない。この結果、図１２に示すように、箱型緩衝支持材８は、断面視長方形から断面視菱形に変形するので水平面板のせん断変形および鉛直面板の曲げ変形が生じることがわかる。これにより、衝突時の衝突エネルギーの大部分が吸収される。もちろん、先端突き合わせ部の変形によっても、衝突時の衝突エネルギーの一部が吸収される。この結果、車体台枠１ａに衝撃荷重が直接伝達されないので先頭車両１を含む車両への衝撃が大幅に緩和されることになる。なお、図１３に示すように梁材６の先端部も変形する（塑性歪が生じている）ことで、箱型緩衝支持材が吸収しきれなかった衝突エネルギーを吸収し衝撃荷重が車体台枠１に直接伝達されることを防いでいる。

図１４は本実施例の排障装置３に質量１００kgの球状障害物が正面中央から左側７５０ｍｍの位置に、レール方向に速度３６０km/hでオフセット衝突した場合の有限要素解析による排障装置３の各拘束部反力の合計値の時間的変化を示す線図、図１５は同様の条件で本実施例の排障装置３に球状障害物がオフセット衝突した場合の有限要素解析による排障装置３の各拘束部の反力を示す線図、図１６は、同様の条件で本実施例の排障装置３の排障能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで先頭車両１がオフセット衝突したときの有限要素解析による排障装置３の排障板４の上下変位（ｍｍ）の時間的変化を示す線図である。図１７はオフセット衝突時の有限要素解析による変形後の排障板４の先端の塑性歪み分布図、図１８はオフセット衝突時の有限要素解析による鋼製部材（排障板４と箱型緩衝支持材８）の塑性歪み分布図、図１９は同じくアルミ合金製部材（支持部材５）の塑性歪み分布図である。

球状障害物に排障板４の先端から前方に向かって左側７５０ｍｍの位置（左側排障ゴム４２の位置)がレール方向に衝突した場合、図１６に示すように排障板４の先端部の垂れ下がり寸法は最大５３ｍｍである。したがって、排障板４ａの下辺とレール１０との間の距離より小さいので、先頭車両１はそのまま走行可能である。

そして、左側方の直線状側板４１には、その長手方向後方およびこれに衝撃荷重が作用する。この衝撃荷重により、図１７に示すように直線状側板４１は長手方向後方に変位し、同時に箱型緩衝支持材８ａ・８ｂ側に撓んで後方部分が外側へやや湾曲する。しかし、各箱型緩衝支持材８ａ・８ｂの内側は、両側後方の支持部材５の本体部分５１により走行方向、車幅方向および上下方向に拘束されているので、ほとんど変位しない。この結果、図１８に示すように正面左側の箱型緩衝支持材８ａ・８ｂは、断面視長方形から断面視菱形に変形するので水平面板のせん断変形および鉛直面板の曲げ変形が生じる。これにより、衝突時の衝突エネルギーが吸収されることがわかる。

なお、オフセット衝突の場合、箱型緩衝支持材８ａ・８ｂの変形は、左側の箱型緩衝支持材８ａ・８ｂに集中しており、右側の箱型緩衝支持材８ａ・８ｂはあまり変形していない。このことから、排障装置が吸収するエネルギーも小さい。これは、球状障害物の排障板４への入射角が浅い（解析モデルは35度）ので、排障板４に対して垂直成分が少なく、吸収エネルギーも少なくて済むためである。また、図１９に示すように、梁材６の先端部に塑性歪が見られないのは、上記のように、左側の箱型緩衝支持材８ａ・８ｂの変形のみで全体の衝突エネルギーを吸収できているためである。

図２２は衝突時の固定部の反力と排障板先端部の垂れ下がり量および排障装置の質量を、本願発明、先願(特願２００５−１５５０４４)、従来構造（特許文献１）とで比較した結果を示すグラフであり、下記の表３では比例値で表している。

なお、従来構造については衝突速度２００km/hでの解析結果であり、本願発明については３６０km/hでの解析結果である。本願発明の場合、障害物の衝突速度が大幅に速くなっているにも拘わらず、衝突時の荷重や排障板先端の下方変位が従来構造と同程度であり、かつ軽量化が達成されているので、性能が向上している。

まとめ：
a) 上記の表１に示す雪圧荷重による発生応力は、上記の表２に示すように材料の許容応力以下であり、十分な強度を有している。

b) １００kg鋼球との衝突における反力および変位は、上記の表３に示すように先願の装置および特許文献１の装置とほぼ同等であり、障害物との衝突において良好な特性を有している。

以上に本発明に係る排障装置の一実施例を示したが、例えば、箱型緩衝支持材８は箱形に限らず、中空構造にしてスリットを設けたり仕切を設けたりすることができる。また、材質については上記実施例に限定するものでなく、鋼製あるいはアルミ合金以外の金属およびエンジニアリングプラスチックなどを適用できる場合もある。

さらに、略Ｖ字形の排障板（スノープラウ）には、馬蹄形形状を含むものであり、特に除雪機能を促進する場合にはＶ字形など鋭角形状にするのが好ましい。

本発明の一実施例に係る排障装置を先頭車両の前部に取り付けた状態を示す、一部を省略した側面図である。 本発明の一実施例に係る排障装置を示す平面図である。 本発明の一実施例に係る排障装置を示す後ろ側上方より見た斜視図である。 図３の平面図である。 中心線（車幅方向の中間位置に直交する線）で切除した側方断面図である。 左半分は正面図で右半分は排障板（スノープラウ）４の先端中央部を削除した正面図である。 図７（ａ）は排障板（スノープラウ）４の下部で降雪を排除する状態を示す一側前方より見た斜視図、図７（ｂ）は車体台枠１ａに対する排障装置３（支持部材５）の拘束部を示す斜視図、図７（ｃ）は箱形緩衝支持材８の外側面を取付板８５に一体に溶接した状態を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る排障装置３の緩衝能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突（左右中央の位置、正確には左側５ｍｍの位置）したときの有限要素解析による排障装置３の各拘束部反力の合計値の時間的変化を示す線図である。 本発明の実施例の排障装置３に球状障害物が正面衝突した場合の排障装置３の各拘束部の反力を示す線図である。 本発明の実施例の排障装置３の排障能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで正面衝突したときの有限要素解析による排障装置３の排障板４の変位（ｍｍ）の時間的変化を示す線図である。 正面衝突時の有限要素解析による変形後の排障板４の先端の塑性歪み分布図である。 有限要素解析による鋼製部材（排障板４と箱形緩衝支持材８）の塑性歪み分布図である。 同じくアルミ合金製部材（支持部材５）の塑性歪み分布図である。 本発明の実施例に係る排障装置３に球状障害物が正面から一側方にずれて（左側７５０ｍｍの位置）レール方向に側面衝突した場合の有限要素解析による排障装置３の各拘束部反力の合計値の時間的変化を示す線図である。 本発明の実施例の排障装置３に球状障害物が側面衝突した場合の排障装置３の各拘束部の反力を示す線図である。 本発明の実施例に係る排障装置３の緩衝能力を確認するために実施した、排障板４に質量１００kgの球状障害物に対し時速３６０km/hで側面衝突したときの有限要素解析による排障装置３の排障板４の変位（ｍｍ）の時間的変化を示す線図である。 側面衝突時の有限要素解析による変形後の排障板４の先端の塑性歪み分布図である。 側面衝突時の有限要素解析による鋼製部材（排障板４と箱形緩衝支持材８）の塑性歪み分布図である。 同じくアルミ合金製部材（支持部材５）の塑性歪み分布図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）は排障装置に関する従来例を示す斜視図である。 分併カバーと排障装置との位置関係を説明するための斜視図である。 衝突時の固定部の反力と排障板先端部の垂れ下がり量を、本願発明、先願(特願２００５−１５５０４４)、従来構造（特許文献１）とで比較した結果を示すグラフである。 箱型緩衝支持材における面板の板厚と枚数について前後方向の反力Ｆと断面２次モーメントの計算モデルを示す説明図である。 図２４（ａ）は板厚と断面２次モーメントＩの関係を表す線図、図２４（ｂ）は板厚とせん断断面積ＳＡの関係を表す線図で、ｎは板の枚数である。

符号の説明

１ 先頭車両
１ａ 車体台枠
２ 下部カバー
３ 排障装置
４ 排障板（スノープラウ）
５ 支持部材
７ 面板
８ 箱型緩衝支持材
２１・２２ エアーシリンダ
２３・２５・２９ ブラケット
２４ リンク
２６・２７ 受け金具
２８ ロックシリンダ
４１ 直線状側板
４２ 排障ゴム
４３ Ｌ形支持板
４４ 支持板材
５１ 本体部分
５２ 鉛直支持棒
５３ 斜め支持棒
５７ 水平支持棒
５２ａ天板
５４・５５・５８ ボルト
８１ スリット
８２ 平板状金属板
８３ ボルト
８５ 取り付け板

Claims (3)

1. 先頭車両前端部の車体台枠に設けられる排障装置であって、
   走行方向前方に凸の形状を有するとともに両側に直線状側板部を有する排障板と、この排障板を前記車体台枠に支持する両側後方の支持部材と、前記各支持部材の外表面に前方へ張り出して固設された梁材と、前記排障板と前記各支持部材の前記梁材との間に介設される箱型緩衝支持材とを備え、
   前記排障板を直線状側板部の内側において、前後に間隔をあけて配置される一対の平面視長方形の前記箱型緩衝支持材で支持し、
   両側の前記梁材は、平面視二等辺三角形状に先端延長線上で相互に交差する先端部間を隙間をあけて非連結状態としたことを特徴とする鉄道車両用の排障装置。
2. 前記箱型緩衝支持材は、下面の水平面板を省くかまたは、下面の水平面板を省きかつ上面の水平面板の長手方向にスリットを設けたことを特徴とする請求項１の鉄道車両用の排障装置。
3. 前記箱型緩衝支持材は、前記排障板の交差する先端側の前面および反対側の後面の鉛直面板とは別個に前後の前記鉛直面板間に設けた鉛直面板を有し、前記各鉛直面板は前記排障板に対してほぼ直交する向きとすることを特徴とする請求項１または請求項２の鉄道車両用の排障装置。