鉄道輸送業界に少しでも携わったことがある人なら、鋳物があらゆる鉄道システムの縁の下の力持ちであることをご存知でしょう。これらは、車の位置を調整し、線路の絶え間ない衝突を吸収し、80 マイルの通勤時でも、高速路線でのクロスカントリー旅行でも、すべての走行が安全かつスムーズであることを保証する部品です。鉄道輸送用鋳物のサプライヤーとして、私は、新しいテクノロジー、持続可能性の目標、より厳格な安全基準によって、これらのコンポーネントへの需要がかつてないほど急速に進化していることをこの目で見ています。過去 3 年間にわたり、当社は設計プロセスが劇的に変化し、従来の鉄鋳物を超えて、レール鋳造の機能を再定義するトレンドを受け入れるようになっていくのを見てきました。今日は、鉄道交通機関の鋳造設計を形成する最も影響力のある新たなトレンドと、これらの変化が事業者、エンジニア、乗客の双方にどのように役立っているかを説明したいと思います。
現在の最大の推進力であるネットゼロエミッションへの世界的な推進から始めましょう。ヨーロッパ、北米、アジアの政府は、2035 年までに交通機関の排出量を 50% 以上削減するという積極的な目標を設定しており、鉄道はその取り組みの中心となっています。しかし、鉄道を道路や飛行機よりも魅力的なものにするためには、列車がより軽量でエネルギー効率が高く、より少ない電力で長距離路線を走行できる必要があります。そこで軽量で高強度の鋳物が登場し、これが過去 2 年間で当社の設計チームを変革したトレンドです。
何十年もの間、レールの鋳物は耐久性はあるものの重い標準的なねずみ鋳鉄に依存していました。単一の貨物台車には、構造上の目的を果たさない 200 ポンド以上の余分な鋳造金属が搭載されている可能性があります。現在、当社は高強度ダクタイル鋳鉄 (HSDI) やアルミニウム青銅などの先進的な合金を使用して、安全性を犠牲にすることなく部品の重量を 15 ～ 25% 削減することに取り組んでいます。ここで重要なのは、すべての部品の応力点をマッピングするコンピュテーショナル デザイン ツールを使用することで、実際に必要な場所にのみ材料を追加します。たとえば、昨年、私たちはトポロジーの最適化を使用して新しい台車サイドフレームを設計しました。ソフトウェアは何百万もの応力シナリオをシミュレートし、最終的に金属の量を 20% 削減しながらも、すべての UIC (国際鉄道連合) の安全テストに余裕を持って合格した部品を完成させました。これは燃料使用量の削減だけを目的としたものではありません。列車の軽量化により線路の磨耗が軽減され、メンテナンスコストが削減され、ブレーキシステムなどの他のコンポーネントの寿命が延びます。それは全員にとっての勝利です。
次に、複数の機能を 1 つの部品に統合する鋳物への大きな変化が見られます。以前は、レール システムには衝撃吸収、レールの位置合わせ、取り付け用に別個のコンポーネントが必要でした。現在、エンジニアは、より多くの機能を備えた部品を求めています。コンポーネントが少ないと、組み立て時間が短縮され、故障箇所が減り、管理する在庫も少なくなるからです。たとえば、ショックアブソーバーの取り付けポイントを考えてみましょう。数年前、これらは台車フレームにボルトで固定された単純な鋼製ブラケットであり、精密な穴あけと追加のハードウェアが必要で、時間の経過とともに緩む可能性がありました。現在、当社はショックアブソーバーの取り付けを単一の統合鋳物として設計し、台車の構造に正確にフィットするように成形し、振動減衰チャンバーを内蔵しているため、追加のブラケットが不要です。従来のボルト留め取り付けポイントよりも 3 倍長持ちする耐摩耗性コーティングを施したバージョンも開発しました。これらのいずれかを詳しく知りたい場合は、ショックアブソーバーの取り付けに関するページをチェックして、5 年前には存在しなかった方法で強度と機能をどのように組み合わせているかを確認してください。
多機能鋳物は台車部品だけでなく、レールジョイントバーでも大きな進歩を遂げました。ジョイント バーは、2 つのレールを接続する小さな、見落とされがちな部品で、レールの位置を維持し、線路セクション全体に荷重を分散します。長年にわたり、ジョイント バーは軟鋼で作られており、3 ～ 5 年ごとに錆びたり、亀裂が入ったり、磨耗したりするため、線路作業員は毎年数千本のジョイント バーを交換する必要がありました。今回、当社は耐食合金と内蔵ひずみセンサーを統合した複合鋳鉄ジョイントバーを設計しました。センサーは鋳物に直接成形されているため、線路オペレーターはレール制御システムを介してジョイントバーの応力をリアルタイムで監視できます。これは、亀裂や破損に反応するのではなく、故障する前に部品を交換できることを意味し、トラックのダウンタイムを最大 40% 削減します。これらのジョイント バーがどのように機能するかについて興味がある場合は、レール ジョイント バーのページに、現在 200 マイルの線路全体で独占的に使用されているヨーロッパの主要高速鉄道の事例が掲載されています。
お客様にとって大きな変革をもたらしたトレンドの 1 つは、メンテナンスのための予測設計です。鉄道交通事業者はかつて、固定されたメンテナンス スケジュールに依存しており、実際のパフォーマンスに関係なく、鋳造部品を 5 年ごとに交換していました。しかし、モノのインターネット (IoT) がよりアクセスしやすく、手頃な価格になるにつれて、鋳物にはセンサーとデータ追跡機能が組み込まれた設計が行われるようになりました。サプライヤーとして、私たちはもはや部品を製造するだけではなく、オペレーターと協力してデータを生成する鋳造品を設計しているため、メンテナンスは事後対応ではなく事前対応になります。たとえば、温度センサーと振動センサーを内蔵したホイールハブの鋳造品に取り組んできました。これらのセンサーはリアルタイム データを列車の制御システムに送信し、ホイール ベアリングや線路の調整に問題がある可能性があるハブが過熱したり、異常な振動を示したりする場合にオペレーターに警告します。これにより、軽微なコンポーネントの故障でも重大な遅延や安全上の問題を引き起こす可能性がある高速回線での故障のリスクが軽減されます。興味深いのは、この予測設計が新しい列車だけを対象としたものではないということです。昨年、築 30 年の通勤線にこれらのセンサー一体型鋳物を改修したところ、それ以来、計画外のメンテナンスが 30% 減少したとのことです。
持続可能性は、鋳物の円形デザインという別の新たなトレンドも推進しています。鉄道業界では毎年数百万トンの金属スクラップが発生し、そのほとんどはリサイクルされますが、不純物が含まれているため、すべてを高性能鋳物として再利用できるわけではありません。現在、当社は耐用年数終了を念頭に置いて鋳物を設計しており、強度を失うことなく新しいレール鋳物に完全にリサイクルできる「クローズドループ」合金を使用しています。たとえば、当社は使用済みリサイクル鋼を 80% 使用する新しいダクタイル鉄合金を開発しましたが、当社独自の溶解および鋳造プロセスにより、バージンメタルと同様に UIC 安全基準を確実に満たしています。また、モジュラー部品を使用した鋳物も設計しているため、大型鋳物の単一コンポーネントが故障した場合でも、ユニット全体ではなくその部品だけを交換できます。昨年、米国の地方鉄道事業者が当社のモジュラー台車サイドフレームに切り替えたところ、取り付けブラケットのみが故障した場合でもフレーム全体を廃棄しなかったため、鋳造廃棄物が 60% 削減されました。これは地球にとって良いだけでなく、スクラップ金属のリサイクルはバージンメタルを使用するよりも 20 ～ 30% 安いため、事業者の予算にも役立ちます。
積層造形 (3D プリンティング) が鉄道鋳物の設計をどのように変えているかについて話さないとしたら、私は怠慢になるでしょう。長い間、鋳造には製作に数か月かかる大型で高価な金型が必要で、少量のバッチやカスタム部品は法外に高価でした。現在、当社は従来の鋳造方法と 3D プリント金型を組み合わせて、品質を犠牲にすることなくリードタイムを 50% 以上短縮しています。たとえば、カナダで新しい通勤路線を拡張する際、新しい駅のプラットフォーム設計のために 10 個のカスタム レール フット ブラケットが必要でした。従来の型の費用は 50,000 ドルで、作成には 12 週間かかりましたが、私たちは 3D プリントで砂型を作成し、費用は 2,000 ドルで、2 週間で完成しました。最終的な鋳造ブラケットはすべての安全性テストに合格し、ラインは予定どおりに開通しました。これは、何か月も待たされたり大金を掛けたりすることなく、新しい路線用のカスタム部品や製造中止になった古い列車の交換部品を入手できることを意味するため、これは事業者にとって大きな意味を持つ。獲物は？積層造形は、複雑で少量の部品にのみ機能します。大量の標準部品の場合は、従来の鋳造のほうがコスト効率が高いため、当社ではあらゆる顧客のニーズを満たすハイブリッド アプローチを採用しています。
もちろん、部品が安全でない場合は、これらの傾向は何の関係もありません。鉄道輸送は世界で最も規制の厳しい産業の 1 つであり、すべての鋳物は UIC、FRA (連邦鉄道局)、EN (欧州標準化委員会) などの組織による厳しい安全基準を満たさなければなりません。設計プロセスが高度になるにつれて、新しい設計が安全性を手抜きしていないことを確認するために、テストと検証にさらに投資しています。たとえば、軽量のボギーサイドフレームを開発したとき、10,000 回以上の疲労テストを実施し、6 か月で 20 年間のトラック摩耗をシミュレートし、すべてのステップでサードパーティの検査官を現場に配置しました。現在、当社の工場フロアには完全なテストラボが設置されているため、新しい設計を社内でテストし、安全性能について完全な透明性を保ちながら、より迅速に部品をオペレーターに届けることができます。
鉄道輸送用鋳物のサプライヤーとして、私は過去 5 年間で業界がどれほど変化したかを見てきましたが、これらの傾向は単なる一時的な流行ではなく、これからも残り続けます。オペレーターは、より軽量で、より機能的で、メンテナンスが容易で、より持続可能な部品を必要としています。私たちは、そのすべてを実現する鋳物を設計しています。統合された取り付けソリューション、スマート ジョイント バー、モジュラー台車コンポーネント、または古い車両用のカスタム パーツをお探しの場合でも、鉄道鋳造の将来は、より努力して長持ちさせ、鉄道輸送がネット ゼロの目標を達成できるよう支援することに重点が置かれています。
レール コンポーネントのアップグレードを検討しているエンジニア、オペレーター、またはメンテナンス マネージャーの場合、当社は喜んでお客様と協力して、お客様の特定のニーズに合った鋳物を設計します。当社のチームは、世界中の通勤線、高速鉄道、貨物事業者と協力して 15 年の経験があり、安全性、コスト、持続可能性のバランスをとるお手伝いをします。今すぐ当社のチームに連絡して、プロジェクトについて話し合い、当社の新しい鋳造設計がどのように鉄道運営を改善できるかについて詳しく学びましょう。
参考文献
- 国際鉄道連合 (UIC)。 （2022年）。鉄道交通コンポーネントの軽量化戦略。 UIC出版物。
- 欧州標準化委員会 (EN)。 （2023年）。鉄道用途: 予知保全のための鋳造設計。 EN 15085 シリーズ。
- 連邦鉄道局 (FRA)。 （2022年）。鉄道車両部品の円形設計原則。 FRA 研究開発局。
- 国際鉄道官報。 （2023年）。 「積層造形によりレール鋳造の生産が加速します。」鉄道官報、147(5)、22-25。
- スミス、J.ら。 （2024年）。レール鋳物用高強度再生合金。鉄道および高速輸送ジャーナル、238(3)、412-421。
