EN 15611認証取得済み | ISO 8573-1クラス0 | IEC 61373準拠
高速鉄道・地下鉄車両向けオイルフリースクリュー式空気圧縮機
現代の英国鉄道車両におけるブレーキシステム、ドアアクチュエータ、パンタグラフ機構の保護 ― 設計段階からオイルの持ち越しをゼロに
英国の鉄道網は、この世代で最も野心的なエンジニアリングの全面的な見直しを受けている。エリザベス線のロンドン全線での運行から、スコットレール、アバンティ・ウェスト・コースト、ロンドン交通局の地上および深層地下鉄部門での進行中の車両更新まで、すべての新しい調達決定には、20年前には存在しなかった厳格なエンジニアリング基準が伴う。現代の鉄道車両の中で最も地味だが、最も安全上重要なコンポーネントの1つが、車載の圧縮空気システムである。乗客がクラス395ジャベリン、Sストックのロンドン地下鉄車両、またはウェストミッドランズネットワークの新しいアルストム・アベントラに乗り込むたびに、ドアが完全に開く前に圧縮空気がすでに作動している。フェイルセーフブレーキを解除位置に保持し、ドアの空気圧を作動させ、パンタグラフを架線まで持ち上げ、二次サスペンションを水平にし、粘着力が制限される秋の路線で牽引砂を散布する。
この環境におけるオイルフリースクリュー式空気圧縮機の技術的妥当性は、理論上のものではありません。従来のオイル注入式スクリュー圧縮機は、圧縮空気回路に潤滑油エアロゾルを混入させます。下流のオイルセパレーターは混入量を大幅に削減しますが、分離技術によって空気流からすべてのオイル分子を除去できるわけではなく、微量(1立方メートルあたりミリグラム未満)でも、時間の経過とともにブレーキパッドの摩擦面を汚染するのに十分です。欧州鉄道機関に提出された欧州鉄道車両群全体で収集された証拠は、ブレーキ回路のオイル汚染とブレーキ故障発生率の上昇との間に一貫して相関関係があることを示しています。英国では、ネットワーク・レールのスケジュール8パフォーマンス制度により、車両の故障に起因する遅延1分ごとに運行事業者に金銭的なペナルティが課せられるため、ブレーキ関連の故障のコストは安全性だけでなく、商業パフォーマンスにも大きく影響します。
このガイドでは、鉄道用オイルフリースクリュー式空気圧縮機と産業用圧縮機の違い、圧縮技術がろ過ではなく設計によって空気圧回路からオイルを除去する仕組み、そして英国の鉄道車両メーカー、鉄道運行会社、鉄道車両リース会社がこれらのユニットを自社車両に導入または後付けする際に知っておくべきことについて解説します。英国およびヨーロッパ大陸における実際の鉄道運用現場での経験に基づき、技術的なパラメータ、用途の詳細、調達に関するガイダンスを随所で提供します。
ブレーキシステムとオイル汚染が根本的に相容れない理由
高速列車の空気圧ブレーキシステムは、圧縮空気作動シリンダー、機械式リンク機構、スプリング式キャリパー、摩擦要素から構成され、駐車時から時速200マイル(約320km)以上のあらゆる速度で確実に作動する必要があります。英国の乗用車で標準となっているフェイルセーフスプリング式設計では、通常運転時に圧縮空気を使用してブレーキを解除位置に保持します。何らかの理由で空気圧が失われた場合、スプリングが自動的にブレーキを作動させます。この空気回路に何らかの汚染があると、パッドとディスク間の摩擦界面の信頼性が低下します。特にオイルの汚染は、接触面に潤滑剤として作用し、最大の減速が必要なときに制動力を低下させるため、問題となります。
EN 15611(鉄道車両の空気供給システムを規定する欧州規格)は、このリスクに対処するために特別に開発されました。この規格では、車両の各回路に必要な空気清浄度クラスが定義されており、ブレーキシステムにはISO 8573-1クラス0への準拠が求められます。これは、供給される空気中の油分が実質的に測定不可能であることを意味します。オイルフリーのスクリュー式空気圧縮機は、圧縮段の下流にますます細かいフィルターを設置するのではなく、圧縮室からオイルを完全に排除することでこれを実現します。分離すべきオイルはなく、維持すべき分離エレメントもなく、潤滑油で汚染された凝縮水を処分する必要もありません。供給される空気は設計上クリーンであり、EN 15611の承認を裏付ける認証文書には、この根本的なエンジニアリング上の違いが反映されています。
英国の鉄道車両運行事業者とそのROSCOパートナーは、規制遵守以外にも特に魅力的なインセンティブに直面しています。ネットワーク・レールのスケジュール8パフォーマンス測定フレームワークでは、車両の不具合に起因する遅延1分ごとに、鉄道運行会社に罰金が課せられます。ブレーキの故障(緊急停止ではなく予防的な速度制限につながる軽微なものであっても)は、スケジュール8料金を発生させ、車両全体で急速に蓄積されます。ブレーキ回路からオイル汚染を排除するオイルフリーのスクリュー式空気圧縮機を選択するなど、仕様段階で予防措置を講じることは、オイル注入式プラットフォームの汚染によるメンテナンス上の影響を管理するよりも、一貫して費用対効果が高いです。英国のROSCO調達プログラム向けに作成されたライフサイクルコスト分析では、この利点が15年間の車両寿命で18~25%の総所有コスト削減につながると定量化されています。
技術性能仕様
下記のパラメータは、当社の鉄道車両向けオイルフリースクリュー式空気圧縮機シリーズの動作範囲を示しています。すべての値は型式試験の結果を反映したものであり、この範囲外のカスタム構成については、当社のエンジニアリングプログラムを通じてサポートいたします。
| パラメータ | 値/範囲 | 標準/備考 |
|---|---|---|
| 圧縮技術 | ツインローター式オイルフリースクリュー | 圧縮室に潤滑剤なし |
| 公称作動圧力 | 7バール~13バール(グラム) | UIC/ERAのブレーキ要件に応じて調整可能 |
| 体積流量 | 50 L/分~2,000 L/分 | 車両ごとまたは編成ごとの構成 |
| オイルキャリーオーバー | < 0.001 mg/m³ | ISO 8573-1 クラス 0 — EN 15611 準拠 |
| 供給電圧オプション | DC72V / DC110V / AC380~750V | 複数のオンボード電源アーキテクチャ |
| 周囲温度範囲 | -40℃~+55℃ | スコットランド高地から砂漠地帯への展開 |
| 騒音放出 | 1mの距離で68dB(A)未満 | EN ISO 2151に基づいて測定 |
| 衝撃と振動 | IEC 61373 カテゴリー 1 ボディ | 鉄道車両の衝撃規格 |
| 侵入保護 | IP54規格準拠(IP65はオプション) | 下部フレームまたは屋根への取り付け |
| MTBF(平均故障間隔) | 20,000時間以上 | 現役の鉄道車両で実地検証済み |
| 大規模オーバーホール間隔 | 30,000時間または6年 | 車両基地の稼働停止時間と車両コストを最小限に抑えます |
オイルフリースクリュー圧縮の背後にあるエンジニアリング
オイルフリースクリュー式空気圧縮機の心臓部には、精密加工された一対のらせん状ローターがあり、互いに接触することなく、またケーシング壁とも接触することなく、ほぼ同期して回転します。通常4つのらせん状の突起を持つ雄ローターは、6つのらせん状の溝を持つ雌ローターと噛み合い、この噛み合い動作によって、ローターがケーシング内径に沿って回転するにつれて空気が徐々に捕捉され、圧縮されます。重要な技術的成果は、ローター間のクリアランスです。この隙間は、数マイクロメートル単位で測定され、外部タイミングギアによって全動作温度範囲にわたって維持されます。このギアは、熱や摩耗の原因となる機械的な接触を一切行わずに、ローターの同期を制御します。ローター同士が接触しないため、圧縮室に潤滑油を注入する機械的な理由はありません。空気はローターの形状のみによって圧縮され、一滴の油にも触れることなく吐出口から排出されます。
ローターシャフト両端のベアリングハウジングには従来型の潤滑が必要であり、ここで二重バリア隔離構造が重要になります。ラビリンスシールと二次シャフトシールがベアリングチャンバーを圧縮段から分離し、シールが徐々に摩耗した場合でも、潤滑剤が圧縮空気流に混入する経路が確実に存在しないようにします。鉄道車両の受入担当エンジニアにとって、潤滑ゾーンと非潤滑ゾーンのこの物理的な分離は、オイルキャリーオーバーゼロ宣言の技術的根拠となり、下流側で分離するオイル注入方式と比較して、認証証拠パッケージを大幅に簡素化します。
鉄道車両用ユニットの材料選定も同様に慎重に行われます。ローター本体は緻密な鋳鉄または航空宇宙用アルミニウム合金から機械加工され、特定の耐食性が求められる箇所には特殊コーティングが施されます。ケーシングアセンブリは、生産ラインを出荷する前に、作動圧力の1.5倍の圧力で油圧試験が行われます。2段式インタークーラーにはステンレス鋼製のチューブバンドルが使用され、湿度の高い英国の車台環境における結露サイクルの繰り返しによって発生する内部腐食に耐えます。振動減衰マウント脚には、IEC 61373で規定された共振周波数範囲に適合したショア硬度50のエラストマー製アイソレーターが組み込まれており、英国の鉄道車両で通常30年以上にも及ぶ耐用年数にわたって、コンプレッサー内部と車両構造を保護します。
車両全体に空気圧サブシステムが配置されている
オイルフリーのスクリュー式空気圧縮機1台で、通常、6つ以上の独立したサブシステムに同時に圧縮空気を供給します。各サブシステムの需要と空気清浄度要件を理解することで、適切なサイズ選定が可能になり、調達委員会への仕様説明の根拠となります。
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ブレーキ作動
鉄道車両において、圧縮空気の最も重要かつ主要な消費源は、フェイルセーフ式スプリングブレーキです。このブレーキは、5~6バールの連続的な空気圧によって解除位置に保持されています。この回路に油が混入すると、直接的な安全上の危険が生じ、規制違反となります。オイルフリーのスクリューコンプレッサーは、このリスクを発生源で排除します。
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乗客用ドアアクチュエータ
プラグドア、両開きスライドドア、および前室ドアは、各駅停車時に複数回開閉します。空気圧式ドアシリンダーには精密なゴム製シールが使用されていますが、オイルエアロゾルにさらされると急速に劣化します。英国の地下鉄事業者の車両保守記録によると、オイルフリーの圧縮空気供給によりドアシールの耐用年数が最大40%延長され、計画外の保守作業が直接的に削減されます。
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パンタグラフ昇降機構
電車や機関車牽引の客車は、空気圧作動機構を用いてパンタグラフを昇降させる。空気が汚染されると、昇降シリンダーが部分的に伸びた状態で固着し、線路速度での牽引力喪失、あるいは最悪の場合、予期せぬ降下時にパンタグラフと架線設備との機械的な接触損傷を引き起こす恐れがある。
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エアサスペンションレベリング
現代の電車(EMU)とディーゼル電車(DMU)は、乗客数に関わらずプラットフォームからドアまでの敷居の高さを一定に保つため、高さ制御レベリングバルブを備えた空気圧式二次サスペンションを採用しています。これらのバルブは非常に細かいオリフィスを備えており、微粒子や油分が付着するとすぐに詰まり、サスペンションの高さが不均一になったり、英国鉄道技術戦略の乗車要件における段差の不適合を引き起こしたりします。
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トラクションサンディングシステム
粘着力が制限される運行(特に秋の落葉期には英国の主要幹線路線で深刻な問題となる)では、駆動輪の前方に圧縮空気で砂を供給し、牽引力を回復させる。供給パイプ内の油分残留物による砂ノズルの詰まりは、油噴射式コンプレッサーを搭載した旧型車両における粘着システム故障の一般的な原因であり、緊急速度制限を余儀なくされる。
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HVACダンパー制御
屋根に取り付けられた空調制御ユニットは、空気圧アクチュエータを使用して、外気取り入れダンパーと再循環フラップの位置を制御します。狭い地下鉄路線、特にロンドン地下鉄の深層トンネル路線では、HVACダンパーの適切な動作がトンネル内の空気質と乗客の快適性に直接影響します。清浄な圧縮空気はダンパーの固着を防ぎ、運行全体を通して安定した換気性能を確保します。
潤滑式コンプレッサーの代替品と比較した主な利点
英国の車両整備士、調達チーム、鉄道車両受入機関が、オイルフリースクリュー式空気圧縮機を標準装備として指定するケースが増えている理由
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設計上、オイルの持ち越しはゼロです。
ISO 8573-1クラス0認証取得済みの空気出力を全ユニットで実現。ブレーキ回路に凝縮フィルターは不要。潤滑式プラットフォーム車両群における最も一般的なメンテナンス上の問題点を解消し、繰り返し発生する部品交換コストを完全に排除します。
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生涯コストの削減
オイル交換不要、オイルセパレーターのメンテナンス不要、廃油処理費用不要、有害廃棄物処理不要。英国におけるROSCO調達に関するライフサイクルコスト調査では、同等の車両タイプにおけるオイル注入式代替システムと比較して、15年間で18~251トンの総所有コスト削減が一貫して実証されています。
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コンパクトな下部フレーム外装
英国の軌間制約のある鉄道車両向けに最適化された寸法。車軸荷重を考慮した重量区分で提供され、ライフサイクルコストモデリングと新規台車設計をサポートします。カスタムブラケットパターンは、高価なアダプタープレートを使用することなく、OEM組立図に適合します。
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ネットゼロ対応
圧縮サイクルから油を除去することで、有害廃棄物の発生源がなくなり、運輸省の鉄道脱炭素化行動計画に基づく英国鉄道事業者の持続可能性に関する義務を果たすことができる。油がなくなるということは、環境規制の下で処理、保管、または廃棄する必要のある汚染凝縮水も発生しないということである。
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TCMS統合対応
統合されたCANバスまたはMVB通信インターフェースにより、出口温度、吐出圧力、モータ電流、稼働時間などのリアルタイムの状態監視データを、列車制御管理システムまたは車両基地資産管理ソフトウェアに直接送信して、予知保全計画に役立てることができます。
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EN 15611認証取得済み
EN 15611に準拠した型式試験認証を、英国の鉄道車両受入ワークフローおよび欧州TSI LOC&PAS要件に準拠した関連文書とともに完全に取得することで、新規または改修機器の初回製品受入を遅らせる追加データ要求を最小限に抑えます。
顧客成功事例:英国の稼働中の車両フリートにおける成果測定
以下の事例研究は、2022年から2023年にかけて実施された改修プログラムに基づいています。クライアントの要望により、運行事業者固有の路線名は省略されていますが、性能データは運行事業者のスケジュール8報告システムを通じて独自に検証されています。
事例研究 — 英国北部地域鉄道運行会社
74% 120両編成のディーゼル気動車におけるブレーキ関連の遅延の削減
英国北部全域の通勤列車および地域間列車を運行する鉄道会社では、ブレーキ関連の性能不良が10万車両マイルあたり2.3件という高い割合で発生しており、これは同等のディーゼル多目的車両タイプの全国平均1.1件を大幅に上回っている。これらの不具合は、速度低下を必要とする予防的なブレーキ制限から、スケジュール8の遅延を引き起こす完全なブレーキ故障による停車まで多岐にわたる。北部の2つの車両基地の保守チームは、計画された作業時間の大部分を、ブレーキパッドアセンブリの交換や、車両に元々搭載されていたオイル噴射式スクリューコンプレッサーから発生したオイルエアロゾルで汚染されたアクチュエータ部品の清掃に費やしていた。
TOCの車両エンジニアリングチームとROSCOが共同で実施した根本原因分析により、ブレーキアクチュエータ回路へのオイルの浸入が主な原因であることが判明しました。40編成の3両編成ディーゼル電車(合計120両)を対象とした改修プログラムが合意されました。各車両には、9 barで900 L/分の定格容量を持ち、IEC 61373カテゴリー1ボディ認証を取得したオイルフリーのスクリュー式空気圧縮機が交換され、年間を通して圧力露点を-20℃以下に維持する一体型アフタークーラー・ドライヤーモジュールが装備されました。ユニットは、構造変更なしで既存のアンダーフレーム取り付け位置に適合するように寸法調整され、配線インターフェース図が両車両基地に提供され、計画された大規模メンテナンス時に交換作業を完了できるようにしました。
プログラム完了から18か月後、ブレーキ関連の事故発生率は車両10万マイルあたり0.6件にまで低下し、改修前の基準値と比較して74%の減少となりました。ブレーキパッドの交換間隔は12万マイルから18万マイルに延長され、パッドの年間調達費用は約3分の1削減されました。以前は両拠点で年間予算項目となっていた有害油廃棄物処理費用は完全に削減されました。このプログラムは、交換機器を装着した最初の車両が運用開始されてから26か月以内に、投資資本に対するプラスのリターンをもたらしました。
お客様の声
「当社は新車両製造契約においてオイルフリースクリューユニットを指定し、初回提出で受入試験に合格しました。EN 15611規格の文書一式は包括的で、当社の車両受入チームは問い合わせから1週間以内に必要なすべての書類を入手できました。安全性が極めて重要なインフラにおいて、不確実性が一切許されない状況では、まさにこの品質が求められます。」
— 車両技術部長
英国の大手OEMサプライヤー、イーストミッドランズ
「3年が経ち、地下鉄車両全体のメンテナンスコストが大幅に削減されました。オイル交換も、分離器の交換も、廃油処理の予約も一切不要です。車庫の担当者は、予定されていた作業を見落としたのではないかと心配するほどでした。メンテナンス担当者が作業量の少なさに驚くということは、製品が本来の性能を発揮している証拠です。」
— 車両整備マネージャー
スコットランド都市交通局
「当社の旧型車両用電源として、カスタム仕様の110V DC構成を導入するのは非常に簡単でした。仕様を伝えると、数日以内に解決策を提示してくれ、合意した許容範囲内で納期通りに納品してくれました。試運転後も、必要な時にいつでも迅速に技術サポートを提供してくれます。非標準電源の制約を抱えている事業者には、迷わず彼らをお勧めします。」
— 牽引システムエンジニア
ウェールズのヘリテージ&チャーター鉄道運行会社
英国鉄道市場への供給:英国の運行条件に基づいた事業展開
英国の鉄道網は、大陸で最も過酷で多様な環境条件下で運行されています。ロンドン地下鉄の深層トンネル路線におけるビクトリア朝時代の軌間制限、南部、西部、イーストミッドランズの各路線における秋の落葉による路面への粘着力の増大、ペンザンスとベリック・アポン・ツイード間の沿岸路線からの塩分を含んだ空気の持続的な影響、そして車両基地とトンネル間の急激な温度変化によって発生する結露の多い台枠環境など、あらゆる機械システムにとって非常に厳しい環境となっています。当社のオイルフリースクリューは、 エアコンプレッサー このプログラムは、英国の運行条件を設計の中心に据えて設計されており、ロンドン交通局の地下および深層トンネル車両、スコットランドの冬期に運行するスコットレールの385形電気車両、クロスレールのトンネル内で運行するインフラ保守車両、ペナイン山脈ルートで運行するノーザン鉄道のディーゼル多目的車両など、様々な展開事例から得られた現場データに基づいて構築されています。
英国の鉄道車両調達は、鉄道専門のサプライヤーと、単に産業用コンプレッサーを鉄道用に改造するサプライヤーを区別する、特定の規制および管理の枠組みの中で運営されています。当社の製品は、350、360、377、387、395クラスなど、英国で広く使用されている車両タイプに共通するOTMRおよびTCMSアーキテクチャと連携するように設計されています。すべてのドキュメントは、RSSB鉄道業界標準と、機関車および旅客鉄道車両の相互運用性に関する欧州技術仕様の両方に準拠して構成されているため、調達チームと受入エンジニアは、技術的な問い合わせを繰り返すことなく、完全なデータパッケージを受け取ることができます。
要件が、シーメンス レール UK、アルストム ダービー、CAF のニューポート工場、またはニュートン アイクリフのヒタチ レールによる新造プログラムから発生する場合でも、エンジェル トレインズ、ポーターブルック、またはエバーショルト レール ROSCO 所有の車両基地で管理される大規模な保守点検から発生する場合でも、または交換前に老朽化した車両から追加の価値を引き出すための寿命延長プログラムから発生する場合でも、当社は、鉄道車両のライフサイクルのあらゆる段階で英国市場をサポートするために、エンジニアリング リソース、在庫の確保、および技術文書作成能力を維持しています。標準ユニットは、注文確定後 6 ~ 10 週間以内に納品可能です。カスタム エンジニアリング ソリューションは、正式な仕様書の提出後 5 営業日以内に技術的範囲が決定され、範囲決定から工場での受け入れテストまでプロジェクト エンジニアリング チームが割り当てられます。
製造およびカスタマイズ
お客様の仕様に基づき、当社の技術で、すぐに生産可能な状態で納品いたします。
鉄道関連プログラムはどれも全く同じではありません。当社では、お客様の正確な技術要件(外形寸法、電気インターフェース、通信プロトコル、シーリングクラス、環境定格など)に基づき、それらを正確に満たす製品を製造し、英国の承認プロセスに対応した完全なドキュメントパッケージを提供する、体系的なカスタマイズ機能を提供しています。
寸法と取り付け
お客様のCADアセンブリモデルに合わせて、特注の筐体寸法、取り付けブラケットパターン、フランジ構成を実現します。アンダーフレームスキッドアセンブリと防振マウントシステムは、お客様のクリアランスに合わせて設計されます。
電気インターフェース
24V、72V、110V DC、および380~750V ACのモーター構成に対応。コネクタの種類、ケーブル配線経路、およびEMCシールドは、お客様の鉄道車両の電気設計図に基づいて指定されます。
通信プロトコル
CANバス、MVB、Profibus、またはデジタルI/Oに対応。事前設定されたアラーム設定値とセンサーデータリストがTCMS信号データベースに直接マッピングされているため、ソフトウェアとの統合が容易です。
気候変動への適応
スコットランド高地の冬季運行向けコールドスタートヒーターキット。湿度の高い沿岸ルート向け強化型乾燥機。コーンウォールからノーサンバーランドまでの沿岸塩害環境向け耐腐食性コーティング。
カスタマイズプロセスは、専任のプロジェクトエンジニアリングチームによって管理され、技術的な範囲設定から工場での受け入れテストまで、単一の窓口で対応します。FMEAレポート、検査・テスト計画、最終テスト証明書などの成果物は、英国の鉄道車両の受け入れワークフローに準拠するように構成されています。製造能力は、単一のプロトタイプユニットから年間数百台の量産まで、製造品質や文書化基準を損なうことなく、幅広いプログラムに対応します。
よくある質問
英国全土の鉄道車両技術者、調達管理者、車両整備担当者から寄せられた質問
鉄道車両に最適なオイルフリーコンプレッサーの選定準備はできていますか?
お客様の技術仕様を弊社のアプリケーションエンジニアリングチームにお送りいただければ、2営業日以内に製品のご提案と概算見積もりをご提示いたします。一切の義務や遅延は発生しません。
gzlによる編集
