レール研削は、鉄道線路の補修・保守において効果的な手法の一つである。本稿はレール研削の実践について論じる。.

鉄道軌道は列車を前進させると同時に荷重を支える。レールの平坦性は安全で快適かつ高速な走行の基盤である。 レールと車輪の摩擦により欠陥（剥落、シェルリング、亀裂、レール波状変形）が生じ、不均一な表面が残る。これらのレール欠陥は、適切な研削が行われないと悪化を続ける。レール研削は線路修復・維持管理に有効な技術である。レール研削機を用いることで、欠陥材を除去しレール形状を復元する。これにより線路の耐用年数が延長される。.

レール欠陥

レール研削について論じる際には、まずレール欠陥について触れる必要がある。レールは列車車輪による極度の応力と圧縮を受けるため、レール表面に損傷が生じるのは避けられない。一般的なレール欠陥には、縦方向摩耗、横方向摩耗、レール波状変形、接触疲労摩耗（剥落、シェルリング、亀裂）、塑性流動などが含まれる。.

これらのレール独立欠陥は、列車車輪が通過するたびに衝撃を受け、通常の数倍の負荷を発生させる。したがって、レールは高い圧力にさらされている。通常、これらの損傷はさらに拡大し、深刻な状況では鉄道の故障を引き起こす。.

レールだけが影響を受けるわけではない。レールは衝突によって生じるエネルギーをすべて吸収できない。これらの衝撃はレールパッドや枕木といった他の軌道構造物へと伝わり続ける。最終的に路盤が局所的に沈下し、鉄道は安定性を失う。.

最適レールプロファイル

レール欠陥はレール形状の変化を引き起こし、レールと車輪の接触を不安定にする。レール研削は実質的にレール表面を切削し、欠陥を除去して最適な形状に復元する工程である。最適なレール形状は下図に示す通りである。.

列車が直線または大曲線区間を走行する際、車輪の踏面はレール頭部B領域と接触する。この状態では接触応力と横方向クリープ力が最小となる。車輪フランジがレールゲージ角に接近する状態、すなわち図中の領域Cにおいて、等角接触が形成されるとき、接触応力は最小となる。.

レール頭の形状は円弧状に似ているが、実際の研削（砥石タイプ）は角度に応じてレール頭を異なる領域に分割するものである。すなわち、レール頭の形状は角度で分割された線分から構成されると見なし、研削が必要な位置は特定の角度に対応する。.

レール損傷が深刻であればあるほど、研削・切削量は増大し、作業負荷は増大し、難易度は高まり、レール寿命は短縮する。したがって、予防研削と修正研削は「病気を治療する」ようなもので、最善策はレールが「病気になる」のを防ぐことである。定期的な予防研削を実施し、損傷を萌芽段階で除去すべきである。.

レール研削の種類

予備研削

新軌条の予備研削は、軌条の製造・溶接・輸送・施工過程で生じた脱炭層を除去し、表面欠陥を解消できる。また、軌条頭部のプロファイルを最適化し、溶接継手の平滑性を向上させる。加えて、軌道敷設工程で生じた軌条表面損傷を修復可能である。摩耗は進歩の過程で生じる現象であり、初期段階から車輪と軌条の良好な接触を確保することで、初期損傷を抑制できる。.

予防研削

予防研削とは、レールを定期的に研削し、レール形状を復元することで、レール表面の応力亀裂を発生初期段階で除去し、レール転がり接触疲労亀裂の進展を効果的に抑制することを指す。.

修正研削

修正研削とは、表面欠陥が発生した後にレールを研削する作業を指す。修正研削はレール研削技術の誕生期に広く行われていた。主に疲労亀裂、波状欠陥、剥落、塑性流動などの深刻な損傷を除去し、レールを修復するために実施される。.

下図は、予防研削と修正研削がレール寿命に及ぼす影響を示している。黄色の線は予防研削を表す。各研削は損傷の進行を遅らせ、レール寿命を延長する。微小亀裂が0.2mmを超える前の予防研削が、レールの損傷加速傾向を阻止する最適な時期である。.

レール研削作業

レールはどのように研磨されるのか？主に三つの方法がある。.

• スライドシュー研削

スライド式靴研削は、砥石をレールに押し当てて往復運動を行うことでレール表面を研削する。この研削法ではレール頭部を縦方向に研削できるのみで、レールプロファイルの調整や分岐器の研削は不可能である。また研削速度が遅いため、この方法は次第に廃れつつある。.

• 砥石

砥石研削は通常、電動機または油圧モーターで駆動される高速回転する砥石を用いてレールを研削する。これは能動的な研削方法であり、現在主流の研削方式である。レールは縦方向と横方向の両方で研削される。.

また、一種の受動研削もある。砥石の位置は、列車走行方向に対して一定の角度で傾斜している。 動力トラクターの高速運転により、研削盤がレール上で高速回転する。研削盤とレールの相対運動により、所定の材料研削速度が達成される。レール走行縁から走行面まで、レール頭部全体を研削する。この研削方法は研削速度が速いため、高速レール研削と呼ばれる。.

• フライス加工

フライス加工は新たなタイプのレールプロファイル修復方式である。フライスカッターはフライス盤の放射状表面に設置される。各フライスセクションには複数のフライスカッターが装備されている。フライス盤ごとに複数のフライスセクションが存在する。この方式により、全てのフライス刃がレール頭部のプロファイルを形成し、加工を完了させる。.

レール研削の利点

• レール形状を変更することで車輪とレールの接触相互作用を改善し、それによって車輪とレールの接触応力と摩耗を低減する。.
• レール波形の修正または制御。これらの欠陥は車輪とレールの騒音を増加させ、車両部品や軌道部品の劣化速度を加速させ、列車の速度制限を引き起こすことさえある。.
• 転動接触疲労欠陥を管理する。これらの欠陥はレール損傷のリスクを高め、超音波レール欠陥探傷の有効性を低下させることさえある。.
• その他のレール欠陥（車輪の転がり、圧潰、レール頭の垂直および縦方向の亀裂など）の修正または制御
• 車輪および台車の動きによる悪影響を軽減する。.
• 騒音と振動を低減し、共通継手および溶接継手の垂直方向の不均一性を低減し、レール波打ちを制御する。.
• 大型軸重車輪の悪影響を緩和し、車輪とレールとの接触状態を改善する。.
• レールと車輪を正しく接触させ、車両の横方向の不安定性（横方向のクリープ）を低減する。.

レール研削の経済的効果

• 予防研削は鉄道線路の耐用年数を延ばすことができます。計画通りに定期的に研削されたレールは、5～8年の寿命延長が可能です。.
• 締結部品の修理とメンテナンスを削減する。.
• 機関車の燃料消費量と車輪修理コストを削減する。.