レールプロファイル

レールプロファイルとは、鉄道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 型鋼に近いですが、水平軸に対して非対称です（ただし、以下の溝付きレールを参照してください）。レールの頭部は、摩耗に耐え、乗り心地を良くするためにプロファイルされており、脚部は固定システムに適したプロファイルになっています。

鉄鋼の他の用途とは異なり、鉄道レールは非常に高いストレスにさらされるため、非常に高品質の鋼で作られています。鉄から鋼への変更を含め、材料の品質を向上させるには何十年もかかりました。他の用途では問題にならない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につながる可能性があります。

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

レールは鉄道のコストのかなりの部分を占めます。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、鉄道会社は最も近い適切なサイズを選択する必要があります。幹線から取り外された摩耗した重いレールは、支線、側線、ヤードで再利用するために回収され、グレードダウンされることがよくあります。

馬車道で最初に使われたレールは木製だった。^[1] 1760年代には、 薄い鋳鉄片を木製レールの上に固定したストラップ鉄レールが導入された。これによりレールの耐久性が向上した。 ^[2]木製レールとストラップ鉄レールはどちらも比較的安価だったが、限られた重量しか運べなかった。ストラップ鉄レールの金属片が木製のベースから外れて、上の客車の床に突き刺さり、「スネークヘッド」と呼ばれるものを作ることがあった。長期的なメンテナンス費用は、建設コストの初期節約額を上回った。^{[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った B. アウトラム & 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。これらのプレートウェイレール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が平らな「エッジ レール」の使用を好みました。この構成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 (魚腹のような) 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、その形状から鋳鉄製の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、簡単に折れてしまいました。また、短い長さでしか作れず、すぐに不均一になってしまいました。ジョン・バーキンショーの1820年の特許^[5]により、圧延技術が向上し、鋳鉄に代わって長い錬鉄が導入され、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。断面は路線ごとに大きく異なりますが、図に示すように3つの基本的なタイプがあります。後年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、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。このレールはイギリスのチャールズ・ヴィニョールによっても使用されました。

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]鉄ははるかに強い素材であり、鉄道のレールに使用される鉄に徐々に取って代わり、はるかに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、リン含有量を指定しています。炭素含有量が増えると引張強度が増し、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、それより重いレールでは炭素含有量を 0.69 ～ 0.82 パーセントと指定しています。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、それより重いレールではマンガン含有量を 0.7 ～ 1 パーセントと指定しています。シリコンは酸素によって優先的に酸化され、レールの圧延および鋳造工程で弱化金属酸化物の形成を減らすために添加されます。^[7] AREAとASTMは0.1〜0.23パーセントのシリコンを指定しています。リンと硫黄は、衝撃耐性を低下させ、レールを脆くする不純物です。AREAとASTMは、最大リン濃度を0.04パーセントと指定しています。^[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。

初期のレールは単に長い木材だった。摩耗を防ぐために、薄い鉄のストラップが木材レールの上に敷かれた。木材は金属よりも安価だったため、これはコスト削減になった。このシステムには、列車の車輪が通過すると時々ストラップが木材から外れてしまうという欠点があった。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た。米国でストラップレールが使用された（たとえば、 1837年頃のアルバニー・アンド・スケネクタディ鉄道 ）ため、ストラップが丸まって客車に突き刺さり、乗客が「スネークヘッド」に脅かされることとなった。^[2]

Tレールはストラップレールの発展型で、ストラップの上部をヘッド状に広げて「T」字型の断面を形成した。この形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た。^[9]

プレートレールは初期のレールの一種で、フランジがフランジのない車輪を線路上に保持する「L」字型の断面を持っていた。フランジ付きレールは、1950年代にパリ地下鉄（ゴムタイヤ付き地下鉄またはフランス語のMétro sur pneus ）のガイドバーとして、そ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た。ケンブリッジシャー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）の縁が付いている。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車輪で走行する。バスはバスウェイを外れると通常通り操縦される。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る。

橋梁レールは、逆 U 字型のプロファイルを持つレールです。形状が単純なため製造が容易で、より洗練されたプロファイルが大量生産できるほど安価になる以前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 )ゲージのボーク ロードで使用されました。

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。バラストの上にまっすぐに敷設されるように設計されていましたが、枕木がないため、軌間を維持するのが困難でした。

フラットボトムレールは、世界中で使用されている主なレールプロファイルです。

フランジ付きTレール（Tセクションとも呼ばれる）は、北米で使用されている平底レールの名称です。鉄で縛られた木製のレールは、1831年まですべてのアメリカの鉄道で使用されていました。カムデン・アンド・アンボイ鉄道社長のロバート・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。アメリカには長い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（Tセクションとも呼ばれる）を圧延できる唯一の場所であるイギリスまで航海しました。英国の鉄道は、製鉄業者が製造した他の断面の圧延レールを使用していました。

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 (17.9 kg/m) の最初の 500 本のレールがフィラデルフィアに到着し、線路に設置されました。これがフランジ付き T レールの初めての使用例です。その後、フランジ付き T レールは米国のすべての鉄道で採用されるようになりました。

スティーブンス大佐は、枕木にレールを取り付けるためのフック付きスパイクも発明しました。1860年に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世紀に世界中で最も一般的に使用されているスパイクです。^[要出典]

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術者チャールズ・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のレールと鋳鉄製の椅子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術者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]

木製の枕木を塩化水銀（キヤナイジングと呼ばれる処理）とクレオソートで保存できるようになると、木製の枕木は石の枕木よりもはるかに静かになり、クリップやレールスパイクを使用してレールを直接固定できるようになりました。木製の枕木の使用とヴィニョールの名前は世界中に広まりました。

2 本のレールの端が互いに接続しているジョイントは、線路の最も弱い部分です。初期の鉄製レールは、レールのウェブにボルトで留められた単純な継目板または金属棒で接続されていました。2 本のレールを結合するより強力な方法が開発されました。レールのジョイントに十分な金属を入れると、ジョイントの強度はレールの残りの部分とほぼ同じになります。レールのジョイントを通過する列車によって発生する「線路のカチカチ音」と呼ばれる騒音は、レールのセクションを溶接することで除去できます。連続溶接されたレールは、ジョイント部分でも均一な上部プロファイルを備えています。

1830年代後半、イギリスの鉄道はさまざまなレールパターンを採用していた。ロンドン・バーミンガム鉄道は、最優秀デザイン賞を授与し、レールの先端と脚部が同じ形状の双頭レールを採用した最古の路線の一つであった。これらのレールは枕木に固定された椅子で支えられていた。 ^[12]

双頭レールの利点は、レールの頭部が摩耗したときに、裏返して再利用できることであった。1835年にロンドン・バーミンガム鉄道のピーター・バーロウは、支持台がレールの下面にへこみを生じさせ、走行面としては不適切となるため、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・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・サウスコースト鉄道、サウス・イースタン鉄道でうまく使用され、転用された。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]

ブルヘッドレールは、ダブルヘッドレールから開発されました。^[要出典]レールのヘッドの形状は、フットの形状と同じではありません。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フットをヘッドとして使用することは不可能でした。レールを支えるために重い鋳鉄製の椅子が必要であり、レールは木製（後に鋼鉄製）のくさびまたは「キー」で椅子に固定され、定期的なメンテナンスが必要であったため、線路を敷設するには費用のかかる方法でした。

ブルヘッドレールは、19世紀半ばから20世紀半ばまで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）の新しい線路に使用され、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]最初の}英国規格の1つであるBS 9は、ブルヘッドレール用でした。これは1905年に最初に発行され、1924年に改訂されました。1905年の規格に従って製造されたレールは「OBS」（オリジナル）と呼ばれ、1924年の規格に従って製造されたレールは「RBS」（改訂版）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残っています。歴史的な外観を維持したいという願望と、幹線から回収した古い線路部品を使用しているため、歴史的鉄道で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協調的な取り組みが行われています。^[15]しかし、トンネル内の線路の交換作業は、重機や機械の使用が難しいため、時間がかかります。

レールが路面(舗装) または芝生の表面に敷設されている場合は、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スロットによって提供されます。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はレールヘッドがあり、反対側にはガードがあります。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、路面電車や鉄道設備の改良を行い、ニューヨーク市やパリの路面電車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1852年に発明された。 ^[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、車輪が溝に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（特にあまり使用されていない場合や、一定期間使用されていない場合）、時々清掃する必要がある。これは「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）によって行われる。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、脱線する可能性がある。

溝付きレールの従来の形式は、左図の桁ガード セクションです。このレールはフランジ レールの改良型で、重量の伝達と軌間安定化のために特別な取り付けが必要です。重量が路面下面によって支えられる場合、軌間を維持するために一定の間隔で鋼製枕木が必要です。これを設置するには、表面全体を掘削して復元する必要があります。

ブロックレールは、ウェブを取り除いた低プロファイルの桁ガードレールです。プロファイルは、フランジウェイとガードが追加された、橋梁レールのソリッドフォームに似ています。ウェブを単に取り除き、ヘッドセクションとフットセクションを直接組み合わせると、レールが弱くなるため、組み合わせたセクションに追加の厚さが必要になります。^[17]

質量をさらに削減した最新のブロックレールはLR55レール^[18]で、プレハブコンクリート梁にポリウレタングラウトを注入したものです。ライトレール（路面電車）の既存のアスファルト路盤に切り込まれた溝に設置できます。^[19]

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、英国、米国ではヤード単位）、ヨーロッパ本土とオーストラリアではメートルあたりのキログラムで測定されます。1 kg/m = 2.0159 ポンド/ヤード。

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。

レールにはさまざま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は次のとおりです。

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・アムール幹線などの大型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。^{[出典が必要]}

アメリカ土木学会（ASCE）は1893年にレールプロファイルを規定し^[20]、 5ポンド/ヤード（2.5kg/m）刻みで40～100ポンド/ヤード（19.8～49.6kg/m）まで規定した。ASCEの各T型レール重量において、レールの高さは脚の幅に等しく、プロファイルでは頭部、ウェブ、脚部の重量の固定割合をそれぞれ42%、21%、37%と規定していた。ASCEの90ポンド/ヤード（44.6kg/m）プロファイルは適切であったが、より重い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60～100ポンド/ヤード（29.8～49.6kg/m）まで10ポンド/ヤード（4.96kg/m）刻みで標準プロファイルを規定した。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。傾向としては、レールの高さと脚幅の比率を高め、ウェブを強化するというものでした。脚が狭いことによる欠点は、枕木プレートの使用によって克服されました。AREA の推奨事項では、レールの頭部の相対重量が 36% まで削減され、代替プロファイルでは、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に、フィレット半径の改善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。^[21]軽量の旧ASCEレールは引き続き使用され、数十年にわたって軽量レール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・軌道保守協会に合併されました。

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/ヤードまたは 55.6 ～ 59.0 kg/m) と重量級(127 ～ 140 ポンド/ヤードまたは 63.0 ～ 69.4 kg/m) でした。100 ポンド/ヤード (49.6 kg/m) 未満のレールのサイズは、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システム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。^{[出典が必要]}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には以下のものがある: ^[22]

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。

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。

• 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。^[23]
• 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。^{[24] [検証失敗]}

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。

• 1825年: 15フィート (4.6 m)ストックトン・アンド・ダーリントン鉄道5.6 ポンド/ヤード (2.78 kg/m) ^{[引用が必要]}
• 1830年: 15フィート (4.6 m)リバプール・アンド・マンチェスター鉄道35 lb/yd (17.4 kg/m) 魚腹レール^[要出典]
• 1850年: 39フィート (11.9 m) 米国、40フィート (12.2 m) のゴンドラカーに適合^{[出典が必要]}
• 1895年: 60フィート (18.3 m)ロンドン・アンド・ノース・ウェスタン鉄道(英国) – 15フィート (4.6 m) を4回、30フィート (9.1 m) を2回^{[出典が必要]}
• 2003年: 709フィート (216 m) (レールトラック (英国) 鉄道輸送列車) ^[25]
• 2010年: 853.0フィート (260 m)ビライ製鉄所、インド – 213フィート (65 m) を4回、430フィート (130 m) を2回^[26]
• 2016年：ビライ製鉄所で430フィート（130メートル）。^[26]

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。

• 1895ハンス・ゴールドシュミット、テルミット溶接^[27]
• 1935年チャールズ・キャドウェル、非鉄金属テルミット溶接。

同じ傾斜の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によく追従することが長い間認識されてきました。クイーンズランド鉄道などのいくつかの鉄道は、交通量が大幅に増加して変更が必要になるまで、長い間円筒形の車輪を使用していました。 ^[28] 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。非常に直線的な線路では、円筒形の車輪の踏面はより自由に転がり、「ハンティング」しません。ゲージはわずかに狭くなり、フランジのフィレットによりフランジがレールに擦れるのを防ぎます。米国の慣習では、新品のときは 1/20 の円錐です。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、その時点で車輪はホイール旋盤で調整されるか、交換されます。^[要出典]

• EN 13674-1 - 鉄道用途 - トラック - 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 - トラック - レール - パート 4: 27 kg/m から 46 kg/m を除く Vignole 鉄道レール EN 13674-4

• ブリティッシュスチールレール、ヴィニョールレール
• ブリティッシュスチールクレーンレール、クレーンレール
• 北米のティーレール（平底）セクションの表 2021年2月27日アーカイブ、Wayback Machine
• アルセロールミッタル クレーンレール
• コンポーネントと材料を追跡する
• ヴィルトガーダーレール 2021年4月11日アーカイブウェイバックマシン
• MRT Track & Services Co., Inc / Krupp、T および桁レール、下にスクロールします。2016 年 3 月 4 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 鉄道に関する事実…建設、安全性など。