メインメニューを開く

差分

m
編集の要約なし
'''軌条'''(きじょう)とは、[[鉄道]]の[[線路 (鉄道)|線路]]([[軌道 (鉄道)|軌道]])を構成する要素のひとつで、[[鉄道車両]]の[[車輪]]がその上を転がり重量を支えるとともに進路を誘導する案内路のことである。一般的には'''レール'''と呼ばれる場合が多い。
 
鉄鋼分野では、[[条鋼|棒鋼]]の一種に分類されている。
 
一般的には、断面が逆Tの字型をした棒状の[[鋼|鋼製品]]が用いられる。これを[[軌間|所定の間隔]]で2本平行に並べ、[[道床]]の上に並べられた'''[[枕木]]'''の上に'''締結装置'''('''[[犬釘]]'''など)を用いて固定する。枕木と軌条は垂直である。この様にして敷かれた線路上を走る鉄道を[[普通鉄道]]という。普通鉄道のほか、桁状の1本の案内路を使う[[モノレール]]や、特殊な案内路を用いる[[案内軌条式鉄道]]もあり、これらの軌道の材質は鋼に限られず[[コンクリート]]なども用いられる。
 
ここでは、普通鉄道に使われる鋼製の断面が逆T字型をした'''鉄道レール'''を中心に記述する。
 
== 概要 ==
レールは車両の重量を直接に支え、車輪からの1点荷重を枕木と道床に分布させるとともに、車両に円滑な走行面を与え、車輪が[[脱線]]しないように車両を案内する役割を持っている。また、車輪の[[軸重]]による垂直荷重のほかに、[[蛇行動]]や曲線での横圧荷重や水平荷重に十分に耐えられるものでなければならない。また、[[鉄道信号機|信号機]]の制御に使用される[[軌道回路]]の信号電流やモーター、電気車の[[主電動機]]で使用された動力電流の帰線の回路としても使用されている。
 
== 形状 ==
[[File:Rail shape section.png|thumb|350px|レールの断面形状の種による分<br />1 橋型レール、2 双頭レール、3 牛頭レール<br />4 平底レール、5 溝付きレール]]
レールの断面の形状として望ましい条件としては次のことが上げられる
 
* レール頭部の形状は車輪が脱線し難い
* レールの磨耗前と磨耗後の形状の差が少ない
* 垂直荷重に対しては高い方が望ましい
* 上首・下首の半径の小さいものは傷が入りやすいので避ける
* 底部の形状は設置が安定し易いように幅を広くする
* 上下中間の幅は錆や腐食にも考慮する
 
レールの断面形状には、橋型レール、双頭レール、牛頭レール、平底レール、溝付きレールなどの種類がある。橋型レールは、底部から頭部にかけて同じ幅で垂直に上がっているのが特徴であり、最近では使用されていない。双頭レールは、「I」形断面で上下の両頭部が同形であり、転頭して上下を変えれば再利用ができる。牛頭レールは、双頭レールを改良したものである。両者はイギリスなどで使用されていたのを、日本では鉄道創業時にイギリスから購入して採用されていた。平底レールは、底部の形状が安定しやすいように幅を広げた形状となっており、列車走行の荷重に対する曲げ強度も高く、磨耗にも強い、横圧に対しても安定性があり、レールの基本形状として国内外共に使用されている。溝付きレールは[[路面電車]]で使用されている。
{{-}}
 
== 分類 ==
=== 普通レール ===
日本の営業用鉄道では、長さ1m1 mあたりの重量が60kg60 kg, 50kg50 kg, 40kg40 kg, 37kg37 kg, 30kg30 kgの規格が使われており、'''普通レール'''と呼ばれる。重量の大きいものほど、乗り心地に優れ[[保線|線路の狂い]]が生じにくく、重量のある列車が通る路線、列車が高速で走行する路線、運行頻度の高い路線に適している。また、その後の改良設計により、従来より高さを高くして、断面二次モーメントが大きい'''N型レール'''が在来線用として使用されている。
 
{| class="wikitable"
|60kgレール|| 174 || 145 || 65 || 25 or 50 ||現在の[[新幹線]]用、一部[[在来線]]にも使用
|-
|50Tレール|| 160 || 136 || 65 ||||初期の[[東海道新幹線]]用(若返り工事で交換)<br/>1m1 mあたりの重量53kg53 kg
|-
|50kgNレール|| 153 || 127 || 65 || 25 or 50 ||在来線用(主に[[幹線]])
|}
 
'''ASCE'''は[[ASCE|米国土木学会]]が定めた規格。'''PS'''は[[ペンシルバニア鉄道]]規格 (Pennsylvania standard) の略。レールの'''ポンド表示'''は長さ1[[ヤード]]あたりの[[重量ポンド]]。なお国際規格では、35kg35 kg/m以上のレールを普通レールとしている(ISO 5003)。
 
異なる重量のレールの境界部には、'''中継レール'''や'''異形継目板'''を用いる。
!高さ!!底部幅!!頭部幅
|-
|22kgレール|| 93.66 || 93.66 || 50.80 || 10 || 1m1 mあたりの重量22kg(22 kg(以下同)<br/>= 45ポンドレール(ASCE)
|-
|15kgレール|| 79.37 || 79.37 || 42.86 || 10 ||
 
=== 熱処理レール ===
普通レールに[[磨耗]]の進行を抑えるために、焼き入れと呼ばれる[[熱処理]]を施して、[[強度]][[硬さ]]を増した'''熱処理レール'''と呼ばれるレールがある。これには、HH340レールとHH370レールがある。'''頭部全断面熱処理レール'''は、曲線部の外側レールなどに用いられる。'''端頭部熱処理レール'''は、レールに大きな負荷がかかるが[[ロングレール]]が使用できず、継ぎ目を設けねばならないような箇所に用いるとされる。
 
== 継ぎ目 ==
[[画像:Zetuentugime, Ooyamazaki, Hankyuu, 20080803.jpg|thumb|斜め接着絶縁レールの継目部分]]
}}
レールは端部同士の継ぎ目を繋いで用いる。この接続方法は左右のレール対に接続する[[相対式継目]]方式と、左右のレールが対ではなく、片方のレールがそれぞれをほぼ交互に接続する[[相互式継目]]方式の2種類がある。前者は、レールの下に設置された枕木の補強や信号回路の分断がやり易いが、継ぎ目の沈下が発生し易い。後者は、継ぎ目の沈下や走行中の列車の揺れは減るが、逆に列車の[[ローリング]]が走行中に起こり易くなる。このため、[[21世紀]]における世界各国の鉄道では相互式継目を採用している事例は少なくなっている。
 
継ぎ目の観点から、レールの長さによる区分を以下に述べる。
 
=== 定尺レール ===
レールの標準の長さは、日本の場合、1本25m25 mで、'''定尺レール'''と呼ぶ。線路では、これを、継ぎ目ではレール同士を突合せて'''突合せ継目'''とし'''[[継目板]]'''で繋いで連続させて用いている。レールの継ぎ目を繋ぐ継目板には、断面形状により短冊型・L型・I型が用いられており、I型はN型レールで使用されている。また、レールの継ぎ目の間では、適当な隙間を継目板の中間で設定している。これは、レールが[[気温]]や[[日射]]の変化に応じて[[熱膨張率|伸縮]]するためであり、レール自身の温度は、気温の他に直射日光が当たる所では相当高くなり、その温度差は60 -80℃ 80 [[セルシウス度|℃]]となる。そのため、定尺レールでは、40℃40 ℃において1mm1 mm、0において13mm13 mm程度としている。このため、列車の車輪がレールの継ぎ目を通過する際に発生するガタンゴトンという音は'''ジョイント音'''と呼ばれる。
 
継ぎ目構造の望ましい条件としては次のことが上げられる。
 
* 垂直及び横の荷重に対してレールと同等の強度を有する
* 温度変化での伸縮に対して、最高温度でレールが[[座屈]]せず、最低温度において継目[[ボルト (部品)|ボルト]]に過大な力がかからない
* 取り付け取り外しが容易である
 
継目板とレールを締結しているボルト・[[ナット]]には、レールの温度による伸縮に対して支障が起きない条件が要求される緊締力で締結されており、ナットの緩みを防止するため、ナットと継目板の間に'''ロックナット[[座金|ワッシャー]]'''を挿入している。また、レールは、電車による電気運転において使用された動力電流を[[変電所]]に戻す帰線や[[軌道回路]]により使用される電流を流すための電流回路として利用されるため、継目板とレールとの間の接触面では[[]]などで[[電気抵抗]]が大きくなってしまうのでることを防ぐため、レールの継ぎ目の間にレールボンドや信号ボンドを繋いでおり、[[はんだ|ハンダ合金]]によりレールに[[溶着]]されている。また軌道回路の継ぎ目において、レールの継ぎ目を境界などで[[絶縁]]が必要な場合には、継目板とレールの間に'''絶縁プレート'''を挟みかつ、ボルトと継目板の間に'''絶縁チューブ'''を挿入して軌道回路のための絶縁を確保している。
 
=== ロングレール ===
一方、定尺レール(工場出荷時の標準で25m)25 m)を[[溶接]]して繋いだレールもある。このうち、全長200m200 m以上のレールを'''ロングレール'''という。継ぎ目を減らすことで安定走行、騒音の低減、乗り心地の改善が図れる。2014年(平成26年)には[[新日鐵住金]][[八幡製鉄所]]が150mの長さ150 mのレールを出荷する体制を整えており溶接する労力の低減やロングレール化した際の[[精度]]の向上を目指す動きも見られる<ref>[http://www.nssmc.com/news/20140416_100.html 世界最長となる鉄道用-150mレールの製造・出荷体制を整備(新日鐵住金株式会社プレスリリース)2014/04/16(2014/04/20閲覧)]</ref>。
 
ロングレールの中央部('''不動区間''')は[[枕木]]に固く締結し、枕木の周囲に[[バラスト軌道|バラスト]]を十分に敷き詰めることで気温変化によるレール方向の伸縮は抑え込まれており、常にレール内部には[[応力]]('''[[断面力#軸力|軸力]]'''という)が発生している。しかし、端部('''可動区間''')は、温度変化により定尺レールよりも大きく伸縮するため、通常の突合せ継目ではなく、'''伸縮継目'''が用いられる。
枕木への締結力や枕木の周囲に敷き詰められたバラストの量、レール温度の管理などが十分でないと、夏の[[猛暑]]時時期にレールがぐにゃりと曲がる事故(張り出し、座屈ともいう)逆に冬の[[極寒]]時時期には、収縮によりレールが[[破断]]する事故が発生することもある。これらは前述のロングレールの不動区間が温度変化によりレール方向に伸縮する軸力に耐えきれなくなった時に発生する。
 
ロングレール区間では、レールの間に[[合成樹脂]]製の絶縁物を挟んで[[接着]]した'''接着絶縁レール'''を用いて[[軌道回路]]のための絶縁を確保している(これを用いない方法も開発されている)。
 
日本でのロングレールは[[東海道新幹線]]で本格的に採用され、その後[[在来線]][[私鉄]][[幹線]]にも導入が進んでいる。
 
なお、溶接後の処理が甘いか長期間使用していると、もともと継ぎ目だった部分からジョイント音が聞こえてくる。また、ロングレールの長さには限度があるため、継ぎ目を全くなくすことは出来ない。半径300m300 m未満のカーブ区間では、レール自身の[[弾性]]で反発が強くなるため使用には適さず定尺レールが使用される。[[長物車|ロングレールを積載した貨車]]はこの程度のカーブを苦もなく通過するが、このことと安定した軌道を構成できることは全く別の問題である。  
 
=== 区分 ===
 
== 損傷・摩耗と寿命 ==
レールは、列車の通過により繰り返し荷重を受けており、車輪の走行により[[磨耗]][[ひずみ|変形]][[疲労 (材料)|疲労]][[損傷]]が起こり、経年により[[腐食]][[電食]]が発生する。曲線部では車輪の横圧によりレール頭部の磨耗が多くなり、レールを締結する枕木の下の道床がコンクリート道床の場合では、レールの頭部表面に斑状摩耗が発生して車両に異常振動が発生することがある。また、[[湿度]]の高い[[トンネル]]や[[海岸]]に近い路線では、レールの腐食が進むこともある。そのためレールには[[寿命]]があり、レールを取替えることでレールの性能を維持させる。50 Kgレールでの摩耗によるレールの取替えは、高さで約15 mm、断面積で約20 %を許容限度としている。普通は10年 - 25年を標準として取替えているが、急曲線かつ[[輸送密度]]の高い区間では1年足らずで取替える場合がある。また、通過トン数では、2 - 5億トン位がレール交換の目安とされている。
レールの頭部表面に斑状摩耗が発生して車両に異常振動が発生することがある。また、湿度の高いトンネルや海岸に近い路線では、レールの腐食が進むこともある。そのためレールには寿命があり、レールを取替えることでレールの性能を維持させる。50Kgレールでの摩耗によるレールの取替えは、高さで約15mm、断面積で約20%を許容限度としている。普通は10年-25年を標準として取替えているが、急曲線において列車回数の多い区間では1年足らずで取替える場合がある。また、通過トン数では、2-5億トン位がレール交換の目安とされている。
 
== 歴史 ==
=== 轍 ===
車輪または[[ソリ]]が発明されて、重量のある物体の輸送が行われるようになると、地面が柔らかい場所では次第に深い轍(わだち)が刻み込まれて、それに沿って輸送されるようになった。轍は、雨が降って泥沼化した場合に輸送の障害となり、また轍と異なる方向へ向きを変える時にも大きな障害となるため、これに対処するために地面側での工夫を必要とした。路面全体に石を敷き詰めて[[舗装]]した場合は[[道路]]へと発展するが、車輪の間隔が一定のものに統一されている場合には、車輪の下に当たる部分にだけ板や石を敷き詰めるという対処も行われた。これは軌条(レール)の原始的なものと見ることができる。
 
=== 軌条の登場 ===
原始的なレール(軌条)を使って動物や人に荷車をひかせる方法は紀元前から行われていたとされ、ドイツ・[[フライブルク・イム・ブライスガウ|フライブルク]]にあるフライブルク大聖堂のステンドグラス([[1350年]]製作)にもその光景は残されている。16世紀のイギリスには無数の馬車軌道(ワゴンウェイ、[[:en:Wagonway|Wagonway]])があったとされている<ref>クリスティアン・ウォルマー著 安原和見・須川綾子訳『世界鉄道史』河出書房新社、2012年、p.28-29</ref>。
 
その後レールは[[鉱山]]地帯における輸送に広く用いられ、次第に改良が進められていった。当初は[[]]が貴重品であったため[[カシ|樫]]の木が用いられていたが、磨耗が激しく保守担当者の悩みの種となっていた。[[1738年]]、カンバーランドにおいて初めて[[鋳鉄]]を利用したレールが登場したが、これは木材の基盤の上に薄い帯状の鉄を貼り付けただけのもので<ref>日本においても[[茅沼炭鉱軌道]]、[[木道社]]、[[藤枝焼津間軌道]]で木道が使用された</ref>、しかもカーブなど磨耗しやすい場所にだけ用いられていた。[[1750年代]]頃になると、カーブだけではなく全ての区間で鋳鉄の板を取り付けることが一般化した。しかし鋳鉄は曲げに弱く、[[列車脱線事故|脱線事故]]も多発し続けた。
[[1767年]]、コールブルックデールの[[製鉄所]]技師、[[リチャード・レイノルズ]]は、生産量が増加して余剰気味になってきた鋳鉄の使い道として、トロッコに使う目的のレールの生産を開始し、この時にレールに[[フランジ]]が取り付けられた。レールの両側につばが取り付けられて、車輪の脱落を防ぐ仕組みとなっていた。しかしレールと車輪がきしみあってうまく走れず、また雨水や落ち葉などが溝に溜まるという問題があった。
 
[[1767年]]、コールブルックデールの[[製鉄所]]技師、[[リチャード・レイノルズ]]は、生産量が増加して余剰気味になってきた鋳鉄の使い道として、[[トロッコ]]に使う目的のレールの生産を開始し、この時にレールに[[フランジ]]が取り付けられた。レールの両側につばが取り付けられて、車輪の脱落を防ぐ仕組みとなっていた。しかしレールと車輪がきしみあってうまく走れず、また雨水や落ち葉などが溝に溜まるという問題があった。
[[1776年]]、[[ベンジャミン・カー]]がこの欠点を解消するために片方のつばを取り除いた、L字形のレールを発明した。これにより車両の走行は大幅に容易になった。
 
[[1776年]]、[[ベンジャミン・カー]]がこの欠点を解消するために片方のつばを取り除いた、L字形のレールを発明した。これにより車両の走行は大幅格段に容易なった。
 
=== フランジ付きの車輪 ===
 
=== 蒸気機関車の登場 ===
それまでは鉱山における資材輸送用のトロッコに用いられていただけであったレールは、[[蒸気機関車]]が登場することによって近代的な[[公共交通機関|交通機関]]の一翼を担うことになった。初期には、平らなレールの上を鉄製の車輪を持った[[機関車]]で牽引しようとすると車輪が[[空転]]すると考えられており、[[1812年]]に[[ジョン・ブレンキンソップ]]によって[[ラック式鉄道|ラックレール]]が考案されたが、実験の結果、よほどの急勾配でない限りラックは不要であることが判明した。
 
初めての[[実用]]的な蒸気機関車を利用した鉄道である、[[リバプール・アンド・マンチェスター鉄道]]は、[[1830年]]に鋳鉄製のレールを使用して開業した。このため磨耗によりレールは頻繁に交換する必要があった。
 
=== 様々なレールの発明 ===
[[1831年]]、[[アメリカ合衆国|アメリカ]]の[[ロバート・スティーブンス (技術者)|ロバート・スティーブンス]]が平底の現在用いられているのと同じようなレールを発明した。これは[[犬釘]]を用いることで簡単に[[枕木]]に固定することができるという長所があり、世界中に普及して現在のレールの原形となった。
 
[[1837年]]、イギリスの[[ジョセフ・ロック]]が双頭レールを発明した。これは上下が同じ形をしていて、ひっくり返すことでどちらも走行用に使用することができるというものであったが、軌道に固定する方法に難があり、実際にひっくり返して再利用した例は少なかった。このため、日本を含め、イギリスの技術的影響を受けた国で一時期使用されただけで、あまり普及しなかった。
 
=== 鋼鉄製レール ===
[[1856年]]、イギリスの[[ヘンリー・ベッセマー]]が[[転炉]]に空気を吹き込むことで鉄から[[炭素]]分を除去して[[鋼鉄]]を生産する方法を発明した。同年シーメンス兄弟が[[平炉]]を発明し、さらに[[1864年]]、[[フランス]]の[[ピエール・マルタン]]が改良して工業化に成功し、シーメンス・マルタン法による鋼鉄の生産が可能となった。[[1877年]]、イギリスの[[シドニー・トーマス]]が[[ベッセマー製鋼法]]を改良して[[リン]]を取り除くことができるようになった。これらの鋼鉄の生産に関する技術進歩を受けて、鋼鉄製のレールが一般に普及していった。
 
最初に鋼鉄製のレールが使用されたのは、イギリスの[[ミッドランド鉄道]]の[[ダービー (イギリス)|ダービー地区]]で、ベッセマー製鋼法が発明されたすぐ翌年の[[1857年]]のことであった。それまで3ヶ月ごとに交換を必要としていた区間で、16年間交換なしに使用することができたとの記録がある。
 
現在のレールは、基本的にはスティーブンスの平底レールを鋼鉄を用いて作っているもので、材質や重量の増大などの点での進歩はあるが、基本的に19世紀に完成された技術となで成り立っている。
 
== 日本での歴史 ==
=== 輸入 ===
日本初の[[日本の鉄道開業|営業用鉄道の開業]]は[[1872年]]([[明治]]5年)のことであるが、最初に使われたのは、[[イギリス]] DARLINGTON IRON 社の1870年製の'''双頭レール'''である。双頭レールとは、レール底部の平らな部分がなく、上下とも走行用に使用可能なI字形の形状をしていた。
 
日本では[[1927年]]([[昭和]]2年)頃まで、[[イギリス]]、[[ドイツ]]、[[アメリカ合衆国]]などから[[輸入]]したレールを使用していたが、国内生産品でまかなえるようになったことから、レールの輸入は原則として終焉を迎えた。
 
ただし[[路面電車]]用の特殊形状のレール('''みぞレール'''、'''[[脱線防止ガード|護輪]]みぞレール'''など)は、わずかではあるが後年まで輸入品が使用された。近年になって、保守の軽減性から溝レール類が再輸入され、[[富山ライトレール]]、[[土佐電気鉄道]]、[[熊本市交通局]]の[[路面電車]]などで使用されている。
 
=== 国産化 ===
[[1901年]](明治34年)の官営[[八幡製鐵所]]の開所に伴い、日本国内でもレールの[[圧延]]が開始された。[[1926年]]([[大正]]15/昭和元年)頃までは生産が追い付かず輸入品と併用されたが、この頃より生産体制が整い、レールの国産化が完了した。八幡製鐵所では、[[富士製鐵]]との合併により[[新日本製鐵]](新日鉄)となりさらに[[住友金属工業]](住金)との合併により[[新日鐵住金]]となった現在でも、八幡地区でレール生産が行なわれている。
 
[[1952年]](昭和27年)からは、富士製鐵[[新日本製鐵釜石製鐵所|釜石製鐵所]]でもレールの生産が開始された。[[1970年]](昭和45年)の[[八幡製鐵]]と富士製鐵の[[合併 (企業)|合併]]の際、日本国内のレール生産が合併後の新日本製鐵1社のみとなり、[[私的独占の禁止及び公正取引の確保に関する法律|独占禁止法]]に抵触する可能性が高くなったため、この釜石の設備を[[日本鋼管]][[JFEスチール西日本製鉄所|福山製鉄所]]に売却/移設を行った。日本鋼管は[[2003年]]([[平成]]15年)に[[川崎製鉄]]と合併し[[JFEスチール]]と名前を変えたが、現在もレールの生産を行っている。
 
以後、現在にいたるまで、レールのほとんどが国産品でまかなわれている。また、日本で製造されたレールは海外にも[[輸出]]され、高い評価を得ている。
 
=== 再利用 ===
使用後のレールは、駅の[[プラットホーム]]の屋根や[[跨線橋]]などの骨組み、線路際の[[柵]]などの部材としてよく再利用され、鉄道黎明期の輸入レールの製造所銘も残っていることから、[[鉄道ファン]]などの研究対象になっている([[白金桟道橋]]など)。現在は、[[建築基準法]]などの改正や、レール自体がよりレールとしての使用に特化した素材組成へと変化しているため、[[建築材料|建築資材]]には使われなくなった。また、古いレールを再利用したホームの屋根なども、[[高架駅|高架化]][[地下駅|地下化]]、[[バリアフリー]]対応などに伴う駅の改築で、徐々に姿を消しつつある。<!--こんな書き方だと、いかにも他の駅には残っていないように見えますので。[[鳥栖駅]]1番ホームでは、まだ使用されている。-->
 
現状は、鉄道関連イベントなどで、1cm1 cm程度に薄くスライスして[[めっき|メッキ]]等を施したものが、[[文鎮]]などの記念品として販売されることがあるほかは、[[屑鉄]]として回収され、製鋼原料として使[[リサイクル|再利]]されている。屑鉄としては高品位であるため、[[廃線]]跡に残されたレールが[[窃盗|盗難]]に遭う事件も発生している。
 
== 規格 ==
* 久保田 博 「鉄道工学ハンドブック」グランプリ出版 1995年
 
== 関連文献 ==
* {{Cite journal |和書|author =西野保行|author2 =小西純一|author3 =淵上龍雄|title =日本における鉄道用レールの変遷 -残存する現物の確認による追跡-|date =1982|publisher =土木学会|journal =日本土木史研究発表会論文集|volume =2|doi =10.11532/journalhs1981.2.30|pages =30-37|ref = }}
 
== 関連項目 ==
* [[軌間]]
* [[枕木]]
* [[犬釘]]
* [[継目板]]
* [[分岐器]]
 
20,062

回編集