室蘭工業大学学術資源アーカイブ

室蘭工業大学研究報告 第4巻第3号 全1冊

その他（別言語等）

のタイトル

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1964- 06- 30

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室 蘭 工 業 大 学

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第

巻

四

第

昭 和 三 十 九 年 六 月

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1964

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室 蘭 工 業 大 学 研 究 報 告 第 四 巻 第 三 号

日

次

頁

内 藤 I主 郊

軟 鋼 の 衝 撃 引 張 試 験 ………浅 野 直 輝 3 ( 1 j 549

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究 ………奥 田 教 海 3 ( 9 ) 557

ク ラ ン ク 室 圧 縮2 サイクノレ機関における

直 管 型 排 気 管 の 影 響 に つ い て … … … 沢 民J! 弘 3 ( 21) 569

ク ラ ン ク 窓 圧 縮2 サイクJレ機関における付型および

円錐型排気管系の影響について… … … … ・・・・・・… … 沢 則 弘 3 ( 41) 589

ク ラ ン ク 室 圧 縮2サイクlレ機関における拡張室付

排 気 管 系 の 影 響 に つ い て … … … 沢 則弘 3 ( 55) 603

ク ラ ン ク 室 圧 縮2サイクjレ機関における分岐型

排 気 管 系 の 影 響 に つ い て … … … 沢 則弘 3 ( 71) 619

ク ラ ン ク 室 圧 縮2 サイクノレ2シリンダ機関における

給 気 管 効 果 に つ い て … … … 沢 則弘 3 ( 81) 633

ク ラ ン ク 室 圧 縮2 サイクノレ機関の給気比と

機 関 ト ル ク と の 関 連 に つ い て … … … 沢 則弘 3 ( 97) 645

ク ラ ン ク 室 圧 縮2 サ イ ク ル 機 関 の 給 排 気 管 内 に お け る

圧 力 伝 播 速 度 に つ い て … … … ・ ・ … … … 沢 則弘 3 ( 107) 655

高 速4 サ イ ク ノ レ 機 関 の 吸 排 気 管 効 果 に つ い て … … … 沢 則 弘 3 ( 119) 667

4 サイクjレ機関の加速( 減速) 特性について( 第1 報 ) … … 沢 則弘 3 ( 137) 685

ED TA に よ る 水 銀(II) の 双 金 属 極 電 位 差 滴 定 ………太 刀 川 哲 平 3 ( 155) 703

教 会 ラ テ ン 語 に お け る g er undi um，ger ur di v um

お よ び 接 続 詞 quodの 用 法 に つ い て ………大 出 哲 3 ( 163) 711

聖 ア ウ グ ス テ イ 戸 ヌ ス の 「 創 世 記 逐 語 解

J

について

一一「神国論」における「神の国」と「地の国」の

原 型 の 形 成 一 一 一 … … … 大 出 哲 3 ( 183) 731

T h e L onges t J our ney' ) の一考察… … … … ・. . . … … … … 菅沼慶一 3 ( 211) 759

Ext ens i ve Readi ng のための Mot i vat i on に関する

下 回 信 男

化 石 骨 中 の フ ッ 素 の 光 度 定 量 法 スjレホサリチノレ酸法… … ｾ＠

f

m

3 ( 269) 817

井上寸月

化 石 骨 中 の 微 量 成 分lこ関るす化学的研究( 第1 報) 下 回 信 男

化 石 骨 中 の フ ッ 素 お よ び 、 マ ン ガ ン 合 有 量 と

軍

空

宇

品

3 ( 275) 823

化 石 骨 の 年 代 と の 関 係 尾 崎博

化 石 骨 中 の 微 量 成 分 に 関 す る 化 学 的 研 究 ( 第2報)

下回信男

水 中 の フ ッ 素 イ オ ン お よ び マ ン ガ ン は1) イオ .

遠藤信戸

3 (2制 831

ンの化学物質( 骨の化学成分) への濃縮につい 井 上 勺 ベ

て の 模 式 実 験 尾 崎博

各 種 無 機 リ ン 酸 共 存 下 に お け る 正 リ ン 酸 塩 の 吸 光 光 度 定 量 ( 第1報)

ピ ロ リ ン 酸 塩 共 存 下 に お け る 正 リ ン 酸 塩 の 上野幸三

豆 3 ( 289) 837

吸 光 光 度 定 量 石丸幸氾

。 線 吸 収 測 定 に お け る 試 料 位 置 お よ び

そ の 散 乱 限 果 に つ い て … ……… …… ……… …… ……服 部 耐 吉 3 ( 297) 845

測 定 誤 差 の あ る 場 合 のR の管理図，

iX

- R

管 理 図 の 特 性 ………金 塚

Box- Wi l s on法 に よ る 酸 化 エ チ レ ン 金 塚

- 加 納

合 成 最 適 反 応 条 件 の 検 討 平 野

Al

.

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s - Ag - K2S04系 触 媒 に よ る エ チ レ ン の

加 納

酸化について( 修正速度式による解析) ・・

菖 蒲

A St udy of t he Des i gn a nd St r ess Cal cul at i on

of t he Si mpl e B o x Gi r der Br i dge wi t h Var y i ng

高 次 3 ( 307) 855

高 次

久 雄 3 ( 315) 863

晴 望

戸元 雄己 3 ( 323) 871

Sect i ons a nd St eel Fl oor Pl at es. ……・・・…・・・……… S. Na k a mur a 3 ( 337) 885

軟

鋼

の

衝

撃

引

張

試

験

内 藤 正 期 日 ・ 浅 野 直 輝

On t he I mp a c t T e ns i l e T e s t of Mil d St eel s

Ma s a c hik a Na i t o a n d Na o k i A s a n o

Abs t r ac t

A st udy of t he pr oper t i es of st eel s under i mpul si ve l oadi ng is not onl y t heoret i cal l y i nt erest i ng

but al so i mpor t ant f or pract i cal pur poses. I n or der t odet er mi ne s o me charact eri st i cs of t he i mpac t

st r engt h of mi l d st eel s， exper i ment al r esear ches we r e car r i ed out

B y us i ng a n i mpac t t ensi l e t est i ng mac hi n巴of dr op h a mme r t ype， t he pr esent wr i t er s car r i ed

out t est s at ar o o m t emper at ur e a nd at l ow t emper pt ur es (ー 79

0

C a nd - 1 8 3

0

C). Pl ai n test pi eces

( d= 7 m m， 10 mm; 1/ d=8) wi t h 0. 26% c ar bon we r e used. T h e i mpac t vel oci t y wa s var i ed f r om stati c

r egi on t o 10 m/ s.

T h e cont r act i on per cent age of a n ar ea a nd t he el ongat i on we r e meas ur ed， a nd rel at i ons bet ween

i mpac t vel oci t y a nd i mpac t ener gy we r e st udi ed.

1. 緒

最 近 機 械 の 高 速 化 に と も な い ， 衝 撃 荷 重 に よ る 材 料 の 挙 動 の 研 究 は と み に 盛 ん に な っ て き

た 。 材 料 の 機 械 的 性 質 は そ れ に 作 用 す る 荷 重 が 衝 撃 的 で あ る と き は ， 通 常 の 静 的 荷 重 に 対 す る

と き と か な り 異 っ て く る 。 従 来 材 料 試 験 の 一 法 と し て 衝 撃 試 験 が 行 な わ れ て き た が ， こ れ は 主

と し て 曲 げ 衝 撃 試 験 で あ っ た 。 し か し 材 料 の 強 度 を 調 べ る に は ， 引 張 試 験 が 最 も 簡 明 で あ り ，

ま た 基 礎 と し て も 大 切 で あ る が ， こ の よ う な 研 究 は 比 較 的 少 な い へ

そこで、われわれは自作の落錘式単一引張衝撃試験機を用いて，普通軟鋼の衝撃実験を行な

っ た 。 試 験 片 直 径 は10m mおよび7 m mの2種 類 を 用 い ， 衝 撃 速 度 は0 " '1 0 m/ s の低速域で，

また実験は常温および低温( 一7 9

0

C および -1 8 3

0

C ) で行なわれた。 そ し て 破 断 に 要 す る エ ネ

ノレギ戸を求め，かっそれと衝撃荷重および衝撃速度との関係，ならびに伸び，絞り等の変形能

について考究した。

2. 実験方法

実 験 装 置 の 大 路 を 図

-u

ζ

示す。 落 錘 荷 重 は1 0 k gから 66. 3 k g まで約5 kg間 隔 で 変 化 す

る こ と が で き ， ま た 落 下 高 さ は 最 高7 mで，したがって衝撃最高速度は 11. 7 m/ s で あ る 。 試 験

片 下 部lこ 落 鐙 を と り つ け 所 定 の 高 さ ま で ウ イ ン チ で 引 き 上 げ

井 梁

芋

︿

た 後 案 内 線 に 沿 っ て 自 由 落 下 さ せ て ， 受 け 台 で 試 験 片 を 破 断

す る 。 案 内 線 の 摩 擦 の 影 響 に つ い て は ， 落 下 時 聞 を 実 測 し た

結 果 ， 落 体 の 自 白 落 下 と し て の 計 算 値 と の 違 い は2%以 内 で

あった。

選下高さ最高1m

試 験 片 を 破 断 す る に 要 す る エ ネJレギーは破断後の余剰エ

ネjレギF を 受 け パ ネ の 変 位 の み か ら 求 め る こ と が 不 可 能 な こ

ガ

イ

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吊

上

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用

ワ

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力

イ

ド

ワ

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ヤ

と を 確 か め た の で ， 次 の 方 法 に よ り 求 め た 。 す な わ ち 数 本 の

試 験 片 を あ る 荷 重 の も と で ， 落 下 高 さ を 少 し ず つ 変 化 さ せ て

試 験 し ， 破 断 さ れ る 点 と 破 断 し な い 点 を 両 側 か ら は さ ん で 破

断 高 さ を 求 め た 。 各 試 験 片 の 性 質 は ど れ も 皆 一 様 で あ る と 仮

か つ 基 礎 台 の 振 動 そ の 他lこ消失するエネノレギ{ を無視

定し，

前 記 高 さ ， 荷 重 に よ る 位 置 エ ネ ル ギ { を も っ て 破 断 エ

して，

ネjレギ、{とした。

ドライアイス温度( - 79

0

C) および液体

実験温度は室温，

冷 却 の 場 合 に は 試 験 片 を 符 で

酸 素 温 度 ( - 183

0

C ) の三種で，

包 み そ の 中 に 前 記 冷 媒 を 封 入 し ， 十 数 分 間 保 持 し た 後 に 冷 却

筒をつけたままで試験を行なった。

材 料 は 市 販 の 機 械 構 造 用 鋼S 25 C ( 炭素含有量0. 26%)

基礎

図- 1

落 錘 式 衝 撃 引 張 試 験 機 略 図

で， 860

0

C で2時 間 保 持 後 炉 冷 し 焼 鈍 し た 。 試 験 片 は 直 径10

mmおよび7m mの2種類でその寸法を図に示す。

片

験 試

用 湿

( 2 )

軟 鋼 の 衝 撃 引 張 試 験

180

図- 2・2 室混用試験片

3. 実験結果

実 験 結 果 を 表- 1，表- 2，図 - 3""' 図- 6r乙示す。

表- 1 衝 撃 引 張 試 験 結 果

試 験 温 度 C

。

)

￨

落錐高さ

￨

落 錐 重 量

￨

衝 撃 速 度 エ ネ ノ レ ギ ー エ ネ ノ レ ギ ー 伸

破

￨

断

￨

比

体

積

「

び

試 験 片 直 径 ( mm) I ( m) I ( kg) 1 ( m/ s) 1- ＨｩｾｾＺｾＩ＠ Ｑ Ｈￏ ｾｧｾｾ￭［ Ｚｮ ＳＩ＠ 1 ( %) 4. 96 23. 8 9. 9 118 18. 8 32 室 温 ( 15

0

C)

3. 37 33. 5 8. 1 113 18. 0 29 2.42 46. 0 6. 9 111 17. 7 30 d = 1 0 O

1.89 55. 8 6. 1 106 16. 8 26

1.69 65. 5 5. 8 111 17. 6 26 3. 01 24. 6 7. 7 74 11.8 21 -7 9

0

C

2. 34 34. 3 6. 8 8 0 12. 8 21

1.89 46. 8 6. 7 88 14. 0 18 dニ10件

1.70 56. 6 5. 8 96 15. 2 22

1.61 66. 3 5. 6 107 17. 0 25 0. 37 24. 6 2. 7 9. 1 1.45 0. 23 183

0

C

0. 27 34. 3 2. 3 9. 1 1.45 0. 15 0. 23 46. 8 2. 2 10. 8 1. 71 0. 64 d = 1 0 O

0. 22 56. 6 2. 1 12. 7 2. 03 0.40 0. 21 66. 3 2. 0 14. 0 2.41 0. 20 3. 51 10. 0 8. 3 35 16. 3 26 室 温

(

W

C)

2.49 14. 2 7. 0 35 16.4 27

1.7 0 19. 7 5. 8 33 15. 5 28 d = 7 O

1.4 2 23. 9 5. 3 34 15. 7 25

1. 17 29. 6 4. 8 35 16. 1 26 2. 64 10. 1 7. 2 27 12. 3 23 79

0

C

2. 02 14. 9 6. 3 30 13. 9 21

1.7 4 20.4 5. 8 36 16. 5 24 d = 7 O

1.54 5. 5 38 17. 5 26

1.31 30. 3 5. 1 4 0 18.4 32

( 3 )

551

絞 り

( %) 56 54 55 54 54 55 55 53 50 53 2. 2 3. 2 0. 8 4. 1

1.6

- 1 8 3 0 C

d = 7φ

0. 17

0. 09

0. 02

0. 32

ワ

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ハ

U

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生

0 0 4 2 1 4

試 験 温 度 (OC)

試 験 片 直 径 ( mm)

表- 2 静引張誠験結果

試 験 温 度l(℃IIln)1 断1比体一

￨

引張強さ エネノレギーエネノレギー イ申 び 絞 り

試 験 片 直 径 )

( kg- m) I( kg- m/ c m

3

)I ( %) ( %) ( k g / mm2

) ( k g / mm

2

) I ( kg/ c m

2 )

15 0

C d =l Oφ 82.4 13. 1 26 55 49 29 2. 1x 106

- 79

0

C d =l Oo 85. 0 13. 5 25 54 52 31 2. 1X106

- 1 8 3 0

C d =l OO 38. 2 6. 1 1. 8 3. 6 79 2. 2x 106

150

C d = 7φ 27. 9 13. 0 25 54 50 31 2. 1X106

- 79

0

C dニ7 o 27. 9 13. 0 25 53 52 35 2. 1 X106

- 1 8 3 0

C dニ7φ 17. 5 7. 8 1. 4 5.4 81 78 2. 2X106

A

.

室 温 に お け る 結 果

図- 3 によれば，破断エネノレギー( 比体積で示す) は直径l O mm の 場 合 は 衝 撃 値 の 増 加 に と

もない僅かに増加するが， 7 m mで は あ ま り 大 き な 変 化 は な い 。 伸 び も 速 度 増 加 と と も に 僅 か

に増加するが，絞りはほとんど影響されない。

静引張りとくらべると衝撃引張の方が破断エネノレギーはかなり大きい。伸びも若干大きい

が，絞りはほとんど変らない。

19

E.，!d" E

%

60

' e，1/f

%

20 18 60

1T 50

18 16

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x

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20 14 20

0( 13.1)

L. . Jl

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O (1誇，) 5 6

図 3 室 温 に お け る 衝 撃 速 度( v) と比体積破断エネノレギー ( E)

お よ び 伸 び(ε)，絞り ('w) との関係

軟 鋼 の 衝 撃 引 張 試 験 5 5 3

B

.

- 79

0

C

における結果

図- 4によれば，破断エネJレ ギ { は 衝 撃 速 度 の 増 加 と と も に か な り 減 少 す る 。 伸 び は 衝 撃 速

度 の 増 加 に と も な い や や 減 少 す る 傾 向 が 見 ら れ る が ， 絞 り は あ ま り 変 ら な い 。

静 引 張 と 衝 撃 引 張 の 比 較 は ， 破 断 エ ネJレ ギ ー に つ い て は あ る 衝 撃 速 度 を 越 え る と ， 衝 撃 引

E

M

u

一

耐

- 79

0

C 直径10mm

12

10

。(薄)

%

t ，1/! E

盟主

cm'

60

50

40

5 6 T 8 v") S 0( 静，) 5 6 T

図 4 一

7

9

0

C に お け る 衝 撃 速 度(v) と 比 体 積 破 断 エ ネ ル ギ ー ( E)

お よ び 伸 び(ε)，絞り (p") との関係

t. 1/! E

E

M

e

一則 _コ

(6 .i)3 ￨ 0 0 径￨l

ｾ＠ - 18 直 Omm

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音

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E

。( 静)i 2.0 2.2 2. 4 2.6 V' % 0lc導) 1.8 2. 0 2. 2 2. 4

図←5 - 1 8 3

0

C に お け る 衝 撃 速 度(v) と比体積破断エネノレギー( E)

お よ び 伸 び(ε)，絞り( w ) との関係

( 5 )

S，?b'

% 60 50 40 30 20

8 V 司令

f..1/f

%

5

3

2

張 の 方 が 静 引 張 に 比 べ て 小 さ く な る 。

伸 び は 衝 撃 引 張 の 方 が 小 さ い が ， 絞 り

はあまり変らない。

c

.

- 1 8 3

0

C に お け る 結 果

落

鍾 4

落

図

- 5

よ り あ き ら か な よ う に ， 速 度

E

品 局

の 範 囲 が 狭 く 温 度 も 低 い の で ， 絶 対 値 <': "

は小さいが，やはり破断エネノレギーは

衝撃速度の増加とともに減少する。イ中

び ， 絞 り は こ の よ う な 低 温 で は き わ め

て 少 な く ， 速 度 に よ る 比 較 は 測 定 上 困

難 で あ る が ， 速 度 増 加 に よ り ま す ま す

脆 性 が 強 く あ ら わ れ ， 伸 び は 減 少 す る

ものと考えられる。

【mJ

o

d

落 鐙 重 量( kg)

図 6 落 下 高 さ ー 荷 重 曲 線

10

静 引 張 に く ら べ る と 破 断 エ ネjレ ギ 戸 は 衝 撃 引 張 の 方 が は る か に 少 な く ， 伸 び も か な り 小 さ

く，絞りも若干小さい。

4. 考 察

以 上 の 結 果 よ り 衝 撃 速 度 が 破 断 エ ネ ノ レ ギ 戸 に ど の よ う に 影 響 す る か 考 え て み る 。 衝 撃 の 場

合 も 試 験 片 の 応 力 一 歪 曲 線 が 求 ま れ ば 破 断 エ ネJレギーは簡単に求まるが，これは現在の技{ 雨で

￬ｾＱ し か し な が ら 破 断 エ ネ ル ギ { の 大 小 を 左 右 す る も の は

応 力 と 伸 び が 二 つ の 大 き な 因 子 で あ る こ と は 容 易 に 想 像 で き る 。

歪 速 度 の 増 大 す な わ ち 衝 撃 速 度 の 増 大 に と も な い ， 動 的 引 張 応 力 が 増 大 す る こ と は 多 く の

研 究 者 に よ り 認 め ら れ て い る 。 し た が っ て 常 温 の 場 合 衝 撃 引 張 り で は 静 引 張 に く ら べ ， 伸 び も

若 干 大 き い の で ， 破 断 エ ネJレ ギ 戸 は 当 然 大 き く な る 。 ま た 衝 撃 速 度 が 増 大 し で も 伸 び は あ ま り

変 化 な く ( わ ず か に 上 昇 ) ， と の 程 度 の 衝 撃 速 度 で は 速 度 増 加 に よ る 応 力 の 増 大 も 少 な い の で ，

破 断 エ ネjレギ戸はわずかに増大するが， 大きな変化はない。 し た が っ て 図- 6の ご と く ， 落 下

高 さ ( 衝 撃 速 度 ) 荷 重 曲 線 は 直 角 双 曲 線 に 近 い 形 を 示 す 。

i)Uこ低温の場合は，

- 7 9

0

C

程 度 の 温 度 で は 衝 撃 速 度 の 低 い と こ ろ で は ， 伸 び は 静 引 張 の

場 合 と 大 体 同 じ 値 を 示 し ， 乙 れ が 速 度 の 増 大 と と も に 減 少 す る 。 一 方 応 力 は 静 引 張 よ り 大 き い

が ， 衝 撃 速 度 が 増 大 し で も そ の 割 に は 大 き く な ら な い 。 し た が っ て 破 断 エ ネ ル ギ ー は ， あ る 衝

撃 速 度 を 越 え る と 静 引 張 に 比 べ 逆lこ 小 さ く な る 。 さ ら に こ れ が - 1 8 3

0

C 程 度 に な る と 伸 び の 絶

体 値 は 静 引 張 に く ら べ は る か に 小 さ く な り ， し た が っ て 破 断 エ ネjレ ギ ー は こ れ に 応 じ て 静 引 張

よ り も 相 当 小 さ く な り ， ま た こ れ が 衝 撃 速 度 の 増 大 と と も に 減 少 し て 行 く も の と 考 え ら れ る 。

軟 鋼 の 衝 撃 引 張 誌 験

5. 結

以 上 軟 鋼 の 衝 撃 引 張 試 験 の 結 果 を 総 括 す る と ，

衝 撃 速 度 の 影 響

.ュ

=

ドヨ

555

1. 常 温 の 場 合 は ， 衝 撃 速 度 が 増 大 し で も 破 断 エ ネ ノ レ ギ ー は わ ず か に 増 す 程 度 で あ ま り 変

化 は な い が ， 低 温 で は 減 少 す る 。

2. 伸 び は 常 温 で は あ ま り 変 ら な い が ， 低 温 で は 衝 撃 速 度 の 増 大 と と も に 減 少 す る 。

3. 絞 り は 衝 撃 速 度 に よ っ て あ ま り 影 響 を う け な い 。

温 度 の 影 響

1. 破 断 エ ネJレ ギ 戸 は 試 験 片 温 度 の 低 下 に と も な い 減 少 し ， 低 温 に な る 程 急 激 に 減 少 す る 。

2. 伸 び ， 絞 り は - 8 0

0

C 程 度 で は 常 温 と あ ま り 変 ら な い が ， さ ら に 低 温 度 で は 急 激 に 減

少する。

静 引 張 と 雷 撃 引 張 と の 比 較

1. 破 断 エ ネJレギーは常温では衝撃の方が大きいが， 温 度 が -8 0

0

C 附 近 で は 衝 撃 速 度 が

6 - 7 m/s以 上 は な る と 逆 に 減 少 し ， 温 度 低 下 と 速 度 増 大 lこともなってさらに減少する。

2. 伸 び は -8 0

0

C 附 近 で は 静 引 張 も 衝 撃 引 張 も 大 き な 差 は な い が ， -1 8 0

o

C 程 度 に な る

と 衝 撃 引 張 の 方 が は る か に 小 さ く な る 。

3. 絞 り は ど ち ら も あ ま り 大 き な 相 異 は な い 。

終 り に 本 研 究 の 実 施 に あ た り 協 力 さ れ た 三 橋 教 官 ， な ら び に 百 町 勲 夫 ， 山 下 高 志 ， 渡 辺 節

男 ， 伊 藤 俊 一 ， 常 世 田 武 ， 松 浦 誇 の 諸 君 に 深 甚 な る 謝 意 を 表 す る 次 第 で あ る 。

文 献

1) Cl ar k， D. S. and P. E. Duwe z : J. A p pl. Mec h.， 15， 243 ( 1948) .

T. v on Ka r ma n and P. S. Duwe z : J. A p pl. Phys.， 21， 987 ( 1950) .

Si ebel， E. und G. Meng es : Ar ch. Ei senhut t enw.， 28， 31 ( 1957) .

作井誠太・中村正久・布村成具: 鉄と鋼 47，800 ( 1961) ; 48， 48 ( 1962) ; 49， 55 ( 1963) .

中J lI・奥田: 機械の研究 8，1117 ( 1956) ; 8， 1227 ( 1956) ; 9， 33 ( 1957) ; 9， 271 ( 1957) .

2) 作井誠太・森 勉: 機械学会誌 65，258 ( 1962) .

除

雪

機

械

に

関

す

る

研

究

除 雪 ロ ー タ リ 装 置 の 性 能 に 関 す る 所 見

奥 田 教海

A

No te o n a S n o w- h a n d lin g Ma c h in e r y E x pe r ime nt s a n d Ana ly s e s a bout a S n o w Ro t a r y Blo we r

a

'

k

u

'

k

o

-a

'

k

-o

v

d

k

Abs t r ac t

I n spi t e of pr es enc e of ma n y di伍cul t i es i nf l owi ng s n o w out of t he c ount r y r oads a nd r ai l r oads i ns no wy z one， f e w r巳sear ches i nt o s now- handl i ng mac hi ner y hav e been pur s ued i n] apan.

I n t hi s r epor t t he aut hor st at es t he tri al exper i ment s a nd engi neer i ng anal yses about a s n o w r ot ar y bl ower devi ce o n DD-1 4 t ype Di esel - mot i ve engi ne f or r ai l r oads， wi t h f l ui dt or que conver t er s，

bel ongi ng t o ] apan Rai l road Depar t ment .

Ac c or di ng t o cal cul at i ons by angul ar mo me n tu m t heor y us ed t o appl y t o gener al t ur bomac hi ner y，

it s eems t hat ver y l i ttl ehor s epower is t o be l ost t o ma k e s n o w f l ow i nt o a nd out of i mpel l er c hannel s of t he s n o w bl ower . It isf ound t hat v er y mu c h hor s epower is t o be exhaus t ed t o s har e a nd gat her s n o w i nt o f r ont si debl ades of t he bl ower， ac c or di ng t o cal cul at i ons b y a n exper i ment al f or mul a. It

is neces s ar y， t her ef or e， t o l i ght en t he r esi st ance of s har i ng a nd gat her i ng s n o w o n r ai l r oads f or ma k i ng s now- handl i ng successf ul

Ne x t， t he aut hor pr ovi des a n equat i on of mot i on about s n o w f l ow out of t he i mpel l er， a nd t hen h e dr aws ac ompar i s on about dat a bet ween sol ut i ons of t he equat i on a nd resul t s of t he exper i ment s T h e tri al b y t he aut hor is successf ul wi t h a f巴w er r or s.

1. 緒 言

積 雪 寒 冷 地 帯 の 欽 道 お よ び 道 路 の 除 雪 に は ， 積 雪 の 状 態 や 除 雪 の 目 的 に 応 じ て ， 現 在 各 種

の 除 雪 機 械 が 使 用 さ れ て い る が ， そ れ ら 機 械 を よ り よ く 設 計 す る た め の 除 雪 作 用 の 理 論 的 根 拠

や 設 計 資 料 を 得 る た め の 実 験 的 研 究 は ， 非 常 に 少 な い 。 冬 期 の 交 通 確 保 の 上 か ら 見 て ， 除 雪 機

械 に 関 す る 研 究 は 重 要 問 題 の ー っ と 思 考 さ れ る 。

こ の 報 告 で は ， 最 近 北 海 道 で 使 用 さ れ 始 め た 除 豆 ロ ー タ リ 装 置 に 関 し て ， 一 所 見 を 述 べ る 。

今 後 の 除 雪 機 械 研 究 の 上lこ何等かの参考となれば幸である。

2. 研 究 の 方 法

本研究[ こ入る第一段階として，昭和

38

年

1

月 に 行 な わ れ た 日 本 固 有 鉄 道 苗 穂 工 場 の 除 雪

ロータリ装置付デイ F ゼJレ 機 関 車 の 除 雪 試 験 に 立 合 っ た 。 そ の 際 ， 観 察 ， 写 真 撮 影 な ど に よ っ

て ， 後lと 述 べ る 理 論 的 解 析 に 必 要 な 概 数 値 が 得 ら れ た の で ， そ れ ら を 基 と し て 考 察 を 進 め る 。

3. 除 雪 ロ ー タ リ 装 置 お よ び デ ィ ー ゼ ル 機 関 車

除雪ロータリ装置の概略は， 図

- u

と，デイ戸ゼjレ機関車の外観は， 図- 21(， そ の 諸 元 は

表- 11乙示す。

図 1 除 雪 ロ ー タ

図 2 機関車外観図

表- 1 DD-1 4 形ディーゼノレ機関車の諸元

全 長( 除雪装置を含む)

全 幅

会 高

金輪 E臣

18，6 0 0 mm

2，974 "

3，992 "

12，250 "

(10)

i運 転 整 備 時 約73t

全重量( 除雪装置付) {

l

空車時約66t

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究 559

最 大 引 張 力 デイーゼノレ機関

形式

シ リ ン ダ

回 転 数

14. 5t 出力 500 P S X 2基

D MF 31S B- R

180x200X6

液 体 変 速 機

名 称 SMR シ ン コ - D S 1.2/1.35

形 式 2 段 4 要 素 形 油 圧 自 動 制 御 方 式

1，500r pm

試 験 実 施 年 月 日

試 験 実 施 場 所

機 関 車 お よ び 除 雪 装 置

4. 除 雪 試 験 に つ い て

昭和 38 年 1 月 10日

北 海 道 深 名 線 全 線

DD-1 4形 雪 か き 装 置 付 液 休 式 デ イ 戸 ゼjレ 機 関 車 機 関 車 お よ び 除 雪 装 置 の 調 節 に つ い て

a) 機 関 車 の 速 度 v = 1.5- 10. 0 m/ s ec ( 5.4- 36. 0 km/ hr )

[ 設計時想定値 り= 4. 2- 12. 5 m/ s ec ( 15. 0- 45. 0 km/ hr ) ]

b

)

ロ { タ リ ( 羽 根 車 ) の 回 転 数 n= 3 5 8 r p m(最高) c) ロ { タ リ の 周 速 度 u= 22. 5 m/ s ec ( 最高)

d

)

か き ょ せ 翼 開 度 B = 2. 05， 3. 50， 3. 90， 4. 50 mの4段 階

e) 投雪方向 そ の 場 所 の 状 況 に よ り 右 側 ま た は 左 側l乙変更した。

5. 除 雪 試 験 結 果

下記各駅構内における除雪試験の結果は， 写真よりの判定値を含め， ほ ぼ 次 の 通 り で

ある。

項 目

気 温 (OC)

雪 質

機関車の速度( vm/ sec)

除雪量 (B x h m

2 )

投 居三手ヨ 角 度α( 。) 投雪高さ (Hm)

投雪距離 ( L m)

投 雪 方 向

投 雪 状 態

朱

考 備

8 - 8 - 5 IB はかきょせ翼開度， 乾 い た 硬 雪 ， 軽 ￨ 乾 い た 硬 雪 ， 軽 ￨ 軟 に さ ? 主 主 た

Ih

は雪の盛り上り高さ，

ｾ＠ 1a は水平線となす角。

:::::1.0 :::::1. 0 ::::: 1.0

日，H，L の値の中太字は 投雪主流についての値。

3. 9xl.O 3. 5xO. 9 4. 5x1.0

40- - 50- - 58 45- - 52- - 70 40- - 50- - 60

5. 0- - 7. 0- - 8. 0 1 4. 5- - 6. 5- - 8. 3 1 A. 0- - 5. 0- - 5. 8

18. 0- - 22. 0- - 23. 01 12. 0- - 16. 0 10. 0

左 側 ￨ 左 側 ￨ 右 側

粉 雪 状 ￨ 粉 雪 状 ￨粉 雪 に 小 塊 混 入

)

-l

6. 除 雪 試 験 結 果 に 関 す る 考 察

A

.

雪 の 流 動 経 過 に つ い て

乙 の 試 験 で 観 察 し た 結 果 を 定 性 的 に 図- 3の 記 号 を 用 い て 表 わ せ ば ， 表 3のようになる。

な お ， 反 射 板 を 過 ぎ る 時 ， お よ び そ れ 以 後 の 流 動 に つ い て は ， D 節lこ示す。

互 ilii l!il 需 用 摂 常 時 雪

一五

一一

広一

側 面 図

図 3 雪 の 流 動

表 3 田三ヨ三多 の 流 動

雪 の 位 置

雪 の 状 態 かきょせ 羽根車の前 羽 根 車 先 端 羽 根 車 内

翼 前 端

品 b C d

幅 B B

，

(

くB)

￨

);D

i

十 叫 ん h)

￨

! ?同

町

)

高 さ h h

，

( >h)

v

，

( <v)

I

{ 進 行 方 向 ｃｾ＠

逮 度 τy Z V1

i

円 周 方 向 U

，

ー ヤ

U 2

B

.

所 要 投 雪 動 力

上 に 示 し た よ う に ， 雪 の 流 動 に つ い て は ， ま だ 定 量 的 な 解 析 結 果 を 求 め る こ と の で き る 段

階ζl 至 っ て い な い が ， 除 雪 作 業 中 の 最 悪 条 件 の 下 ， ま た は そ れ に 近 い 状 態 に お け る2，3の 数 値

例 を 挙 げ て 所 要 投 雪 動 力 に つ い て の 目 安 を 得 る 計 算 を 行 な う 。

羽 根 車 内 の 雪 の 流 動 に つ い て は ， 実 験 観 察 の 結 果 か ら は ， 図- 3に 示 す よ う に ， 投 雪 有 効 羽

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究

根 部 分 を 考 慮 す べ き で あ る と 考 え ら れ る が ， こ こ で

は 一 般 的 な 羽 根 車 を 持 つ 流 体 機 械 の 角 運 動 量 理 論 を

適用してみることとする。 図

- 4

( a

)

に お い て ， 一 般

的な回転羽根車の場合の，流体に与えられる動力N。

は，

No

ニ

乎

( u

ω

02

( b)

図 4 速 度 線 図

561

02

ωz

で 与 え ら れ る 。 た だ し T は流体の単位体積の重量，

Q

は流量

，

g は 重 力 の 加 速 度

，

u は周速度，

cは絶対速度， ( 図中の 'eCJ は相対速度) ， 添字1，2 は入口および出口を示し， α はu とc との

なす角とする。

と の ロ ー タ リ 装 置 の 場 合 は ， 図- 4( b) のように放射状直線羽根車であるから，

C

，

C O S α 1 U

" C

2C O S α 2ニ u

2

で あ り ， し た が っ て

凡

ニ

乎

( 山

と な る 。 こ こ で 機 関 車 に 搭 載 さ れ て い る 機 関 の 動 力 の 中 ， 投 雪

l

と消費される動力を N

，

PS

，伝

達 効 率 を 九 羽 根 車 効 率 を % と す る と ，

ワr U

2

凡

= 7山 川2 = - f (

日

)

た だ し ， 上 式 の 初 め の2は 羽 根 車2基分を表わす。従って，

N， = ｟＿Ｚ ｲｑＨｵｾＭｵｄ＠

｟Ｍｾ［ＭＭ ｾｖｖｾｾ＠ " " 1 1

PS

………・

・

・

・

………

(3)

ＷＵ ｙｊ ｙｊ _Ｒ

と な る 。 こ こ で 見 積 る こ と の 困 難 な 引 に つ い て は ， 乙 れ を 省 略 す る 。 ( 省 略 す れ ば

，

N

，

が大き

くなりラ N

，

を安全側に見積ることとなる。) 従って

N

，

引T υ d

= ← 一 一 五 二 一

_PS

_{… … … …}

₍₄

₎

75・η1・可2' g

ここで，流量Q を 先 ず 見 積 ら な け れ ば な ら な い 。 雪 は 図- 31こ示すように，断面b で盛り上り

を 見 せ ， と の 部 分 で あ る 量 の 雪 が 停 滞 す る わ け で あ る が ， 断 面aに あ る 雪 は ， 結 局 す べ て 投 雪

さ れ る も の と す れ ば ， 求 め る 雪 の 流 量Q は

，

B を か き ょ せ 翼 の 開 度

( m

)

，hを か き ょ せ た 雪 の

高さ ( m) ， り を 機 関 車 の 速 度 ( m/ sec) とすると，

Q = B h v m

3

/ s ec . . .

・

H

・

..…

...・

H

・

. . . …

…

・

・

…

…

. . . ・

H

・

…

…

・

…

H

・

H

・

. . …

…

…

(5)

となる。 B = 4 . 5 m( 最大) ， h = O.7 8 m ( 羽根車命中心の地上高) ， v

=

12. 5 m/ s ec

=

45 k m/ hr ( 除雪作

業の想定最高速度) とおけば，

Q

= 4. 5 x0. 78 x12. 5 = 43. 9 m

3

/ sec

ま た ， 周 速 度 的 に つ い て は，n = 3 5 8 r p m (最高) をとり

'iTn π x358 ｾ＠ ｾ＠ ｾｾ｟＠

2 ｾｲＲ］₃₀

，

.

3 0 'ｸ .0ｾＮｾ＠. 6= 22. 5 mＭＭＮｾ＠ " " " 1 / s ec

雪 の 比 重 Tは ， 北 海 道 に お け る 雪 の 値 と し て0 .45と す る 。 伝 達 効 率 九 羽 根 車 効 率 % を そ れ

ぞ れ0. 8，0. 7 と仮定すれば (4) 式より

N，

=

ＲＡｑｵｾ＠

=

ＲｘＰ ＮＴ ｾ＾ＺＺＴＳＺＹ｟ｘＨｾＲＮｾ＠

一一一一一= 一 一 一 一 一 = 48. 6 P S

75可1η29 75x O. 8x O. 7x 9. 8

となる。もし羽根車内で， 雪が羽根により衝撃的に圧縮され， 結 果 と し て r =0. 6とみなされ

るような極端な状態を想定すれば，

となる。

0. 6

N， = 48. 6x_{ＢｾＮｾＢ＠} 一 一 一 =64. 8 P S 0.45

このデイ{ ゼソレ機関車は5 0 0 P S 機 関 2 基を搭載し， 除 雪 作 業 の 荷 重 に 応 じ て1 基または

2 基 使 用 す る よ う に な っ て い る 。 雪 の 流 動 状 態 が ， か き ょ せ 翼 お よ び 羽 根 車 内 に 閉 塞 し た り す

る こ と の な い 正 常 な 状 態 で は ， 上 記 の 計 算 か ら 推 量 さ れ る と と は ， 所 要 投 雪 動 力 が 機 関

1

基の

定 格 出 力 の せ い ぜ い10- - 13%程度の値である乙とである。

そ れ で ， 観 点 を 変 え て ， 乙 の 機 関 車 全 体 の 動 力 の 配 分 を 考 え て み る と ， 所 要 投 雪 動 力 以 外

lこ 大 き な も の と し て 雪 を か き ょ せ る た め の 抵 抗 ， す な わ ち 排 雪 抵 抗 に 打 勝 つ べ き 動 力 が 考 え ら

れる。 J欠にこの排雪抵抗について概算を試みる。

C

.

排 雪 抵 抗 に つ い て

鉄道研究所で用いているラッセノレ車の実験式

R. = r bh ( 2+0. 36

v

)

'

"

・

H

・

. . …

…

…

…

…

…

…

'

" ・

H

・

-

・

………

(6)

を用いる。 ここでR. は掛雪抵抗 (t)

，

r

は 雪 の 単 位 体 積 の 重 量 ( t l m

3

)

，

b

，

h は そ れ ぞ れ 除 雪 幅

( m) ，除雪高さ ( m) ，v は 機 関 車 の 走 行 速 度( km/ hr ) である。 B 節 で 用 い た 値 を 考 慮 し て

r = 0.4t l m

3

， b= 3. 5 m ， h = 0. 78 m ， v = 15 k m/ hr

とすれば，

R.

=

0.4x3. 5 x0. 78 ( 2+0. 36 x15)

=

8. 08 t

排 雪 抵 抗 に 打 勝 つ べ き 機 関 の 所 要 動 力 をN2P S とし，伝達効率可=0. 8とすれば，

1，000 10

3

7 5 x N

_，

_..

刈 =

_.

九_{ｾＧ￵Ｂ＠} x1，_{ｾｾｾｾＮＮ＠} 000 xv_ｾＢ＠ x ₃ｾＧｾ［Ｚ［ＺＺ＠

，

600 = 一 一3. 6x R.δ，v

; o

，T 10 3

XR8v 10

3

x8. 08 x15

ｎ ｾＺ ｾＮＮ＠ ｾＮＮＺＺＺＺｾ＠ ':"ｾｾｾ＠

=

561 P S

.

，2- 3. 6 x75 x甲 3. 6x 75 xO. 3

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究 563

このデイ戸ゼ/ レ機関車の実際運転の場合lこも，排雪 lこ 必 要 な 動 力 と し て ， こ の 程 度 以 上 が

想 定 さ れ る の で ， 機 関 の 動 力 の 相 当 大 き な 部 分 を 消 費 す る こ と と な る 。

D

.

投 雪 主 流 の 軌 道 に つ い て

除 雪 ロ ー タ リ 装 置 よ り 投 げ 出 さ れ た 雪 は ， 勿 論 ， 放 物 線 状 に 運 動 す る 。 図- 5，図 6 に示す

よ う に 初 め は 帯 状 を な し て い る が 途 中 か ら 粉 雪 状 に 拡 散 し ， 地 面 に 到 達 す る と き に は 相 当 の 拡

がりを持っている。

雪 は 拡 散 さ れ る と は い え ， な お そ の 主 流 と な る 部 分 が 存 在 す る の で ， こ こ で そ の 主 流 の 軌

道はいかなる形を呈するかについて若干考察を加えてみる。

表 4 投 雪 主 流 に 関 す る 値

図- 6 投 雪 流

投 雪 主 流 の 軌 道 の 方 程 式 を 求 め る の に 必 要 な 資 料 を 更 め て 表- 2より拾い， 羽 根 車 回 転 数

よ り 投 雪 初 速 度 を 算 定 し て 加 え る と ， 表- 4 のようになる。

投 雪 主 流 の 軌 道 の 方 程 式 を 求 め るj; l % 合，間通を簡単化するために，機関車の任怠の位置に

お い て 投 雪 は 軌 条 に 直 角 な 一 平 面 内 に 行 な わ れ る も の と 考 え ， 二 次 元 内 問 題 と し て 取 扱 う 。

図- 51こ示すように，投雪口上端中央を原点とし，軌条 l乙直角な水平方向 l ζ z 軸 ， こ れ に 直

角に

u

軸をとる。

最 初 ， 重 力 の み を 考 え 空 気 の 抵 抗 を 無 視 し た ， 周 知 の 放 物 体 の 運 動 の 方 程 式 を あ げ ， そ の

後lと，乙の場合に適するように空気の抵抗を仮定した運動の方程式を導き， 両 者 を 表- 4の値

により比較してみる。

i. 放 物 体 の 運 動 の 方 程 式

一 般 的 な 放 物 休 の 運 動 の 方 程 式 は，x， y 方 向 の 速 度 を Vx，Vy，質 量 をm， 重 力 の 加 速 度 を

g とするとき，

d vx ^ d vv

m一一一一一 V . m一一一」一 - m口

dt - V

，

""

dt "叩

で あ り ， 初 速 度 を む0 ' 初 速 度 の 方 向 と 水 平 線 と の な す 角 をα とするとき， 放 物 体 の 軌 道 の 方

程式は

y = Ｈｴ｡ｮ Ｉｸ Ｗ ｾＲ _. X

2

… … … …

(7)

ムv uじ り ち 日

で あ る 。 従 っ て 投 雪 距 離L m，投雪高さ H mは そ れ ぞ れ

L = (

子

)

si n 2a

，

H =

(

乏

)

山

閣

で与えられる。

ii. 空 気 の 抵 抗 を 考 慮 し た 場 合 の 運 動 の 方 程 式

雪 の 流 れ に 対 す る 空 気 の 抵 抗 に つ い て は ， ま だ 一 般 的 な 解 明 は 行 な わ れ て い な い が ， こ こ

で は こ の 問 題 を 解 き 易 い よ う に 次 の2 つの仮定を置く。

a) 雪 は 連 続 し て 空 中 に 投 げ 出 さ れ る が ， そ の 帯 状 の 投 雪 主 流 の 断 面 積 と 等 し い 最 大 断 面

積 を も っ 雪 球 の 運 動 と ほ ぼ 近 い 運 動 を な し て 雪 は 投 げ 出 さ れ る も の と す る 。

b) そ の 雪 球 は 速 度 lζ 比例する空気抵抗を受けるものとする。

a) で 仮 想 し た 球 の 質 量 を mkgs ec

2

/ m， 断 面 積 をA m

2

，

体積を V m" 空 気 の 密 度 を 九

kgs ec

2

/ m' ， i欠 式 に 定 義 さ れ る 抵 抗 係 数 を

C

n とすれば， γ方 向 の 運 動 の 方 程 式 は

〆7' 7' - U_ .7 1

m

す

ι = 一mg - Cn・A .

三

笠

と お く こ と が で き る 。 従 っ て ， 雪 の 密 度 をρ8kgs ec

2

/rn' とすれば，m =ρ

8V

であるから

d vy C n .A ρ山u

一一一一-

dt " んV 2

こ こ で 上 に 仮 想 し た 球 の 直 径 をD mとすれば

ｾ

D

2

' (

ｾ＠

D

')

工

会

であるから

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究 565

d v y 3 Cnρv_.

dt 一 ν 4 DP

8

νU

すなわち

争

= - g

ー

ん

v y . (9)

7

こだし

長 3 Cnρα

一一

-y 4 D P

s

であるo X 方 向 に つ い て は g の項がなく

3

7

=

- h

zh

側

である。ただし

3 CnPー

ん ェ ん = 一 一 乙i

'" " y 4 D P

8

と お し (9)，( 10) 式より v"'，り を 求 め る と

日 vxoe. -k t

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

( 11)

］ｻＨ

ｶｾｯＩ

e-となる。ただし t = Oで

，

V x = V剖

，

V y

ニ

vyo とおき

，

k"， =

ん

ニ

h と お い た 。 次 に 上 式 を 更 に 積 分

して

ド

ヲ

! ' . _( I _e-kt) . . . ( 日)

ν

=

会

{ ( 川

町

0)( l - e-kt

)一旬

}

t

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

...

( 14)

が 得られ る 。 た だし t = Oで

，

x =O

，

y= Oとした。更にとの2 式より t を 消 去 す れ ば こ の 場 合

の 軌 道 の 方 程 式 が 得 ら れ る 。 す な わ ち

ｑ ｾｶＢｯ . a ， ( . k ¥

y =よ 士 二 立 と ・x +告 l oge(1一一: ._x )

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

( 15)

RV. o R- ¥ Vxo /

となる。

iii. (7) 式と ( 15) 式 と の 比 較

両者は一見異なる式のように見えるが， ( 15) 式 を 級 数 に 展 開 し て み る と ， 次 に 述 べ る よ う

に， (7) 式は ( 15) 式の特別な場合であると解釈することができる。

一般に - 1 亘X くl なるとき

r

一

5

P

一

4

川

r

一

3

r

一

2

X

一

一

x

'

i

F

b

に展開されるので，この問題の場合に適用し，

ー

よ

く

Z

一

副

長

一

む

く

}

一

1

よ

なるときには

ｬ

Ｑ

ｾｸＩ

=

ー

引

去

+ 引

先

) 1t ( 32) 1t (

会

) '

+

...}

kvxo 2v! 0 ＳｶｾＰ＠ ＴｶｾＰ＠

となる。または5) 式 右 辺 第1項は

。

+

長

τ' yo __ Ｈｧ ｜ｾＭＨ｜

= 1

，

ー

ー

十

一

JiO

_

1

x

=

r- ，' 1-

+t

an

αl

x

k v剖 ¥ k v剖 む同) ｾ＠ ¥ kvxo Ｂ｟ｕｾＩ＠

であるから， ( 15) 式 は 結 局

。是x' gk2

x' gkπ-2Xn

y = ( ta n α ) z -f T Z 2ー

-ｾｯ＠ ｾ＠ Ｓｶｾ＠ ＴｶｾＰ＠ ｮｶｾ

となり，(7) 式と比較すると，(7) 式 は 乙 の 式 の 右 辺 第2項まで、を採ったものであり( 日_{o = v o}C OS α )，

第3 項目、降は，空気抵抗による影響を表わす項であるということになる。

さ て ， 実 際 の 数 値 例 に よ っ て 両 者 を 比 較 し て 見 ょ う 。 長= 0 . 5または0. 7とおき，む0' α は

表- 4の値をとれば， (7) 式 に つ い てI の場合( 7- 1 とする。以下同様。)

y

=

1.19 xー0. 0234 x

2

となる。

同様に，

7- I I y = 1.28 x - 0. 0255 x

2

15- 1 y = 2. 54 x + 3 9 .2 x 2 .3 0 3 x lo g

，

0( 1- 0. 0345 x)

15- I I y = 2. 238 x + 2 0 x 2 .3 0 3 x lo g

，

o( 1- 0. 0503 x)

15- I I I y = 2. 58 x + 2 0 x2. 303 xl ogl o ( 1- 0. 0693 x)

となるo Y がOよ り 出 発 し て 再 びOに な る ま で の 間 に 若 干 点 を と っ て 計 算 し た 結 果 を 表- 5に

示す。

7二I

x m y m

l J Ii

v

h

f

7

￨

J

担

15--

r

:

n

x

I

y

。

。

。 。

。 。

。 。

。 。

15. 0 12. 6 15. 0 13. 5 8. 0 7. 6 8. 0 8. 0 4. 0 3. 8

25. 45 15. 2 ( max. ) 25. 0 16. 0 ( max. ) 13. 6 9. 8 ( max. ) 10. 7 9. 0 ( max. ) 6. 7 4. 8 ( max. )

35. 9 12. 6 35. 0 13. 5 18. 0 7. 6 14. 0 7. 6 9. 0 3. 7

40. 0 10. 2 40. 0 10. 4 22. 0

。

17. 0

。

11.0

。

50. 9

。

50. 0

。

除 雪 機 械 に 関 す る 研 究

乙の結果を図lと 表 わ し た も の は

図 7で あ る 。 上 表 のγ のイl立の( ma x ) は

表- 4に あ る 投 雪 高 さ

H

であり， γ が

15

再 び

o

tとなるときのZ の 値 は 投 雪 距 離

川

!

L

で あ る か ら 表

-4

の 数 値 と 比 較 し て

(7) 式よりも ( 15) 式 の 方 が よ り 近 い 偵

を与えることが解る。

( 15) 式 は 云 う ま で も な く ， 確 か め

る 資 料 の 少 な い こ と や ， 係 数 是 の 値 の

採 り 方 な ど 数 多 く の 疑 問 点 を 含 ん で い

y_

15- I

X m

一

一

一

-図-7 投 雪 主 流 の 軌 道

567

7-][

25

るが， ( 15) 式 の よ う な 形 の 式 に よ っ て 投 雪 主 流 の 軌 道 が 示 さ れ る も の と 推 論 し ， こ の 式 を 提 案

する。

7. む す び

以

L

除 雪 ロ { タ リ 装 置 に つ い て の 試 験 お よ び 考 察 を 述 べ た が ， 今 後 研 究 す べ き 重 要 な 点

として，次の事項があげられる。

(1) 正 常 な 状 態 で は 除 雪 ロ ー タ リ 装 置 の 所 要 投 雪 動 力 は ， 北 海 道 の よ う な 軽 い 雪 質 の 場 合

さ ほ ど 大 き く な い こ と が 予 想 さ れ る 。 し か し な が ら ， 時 と し て か き ょ せ 翼 内 お よ び 羽 根 車 内 に

雪 が 閉 塞 す る 状 態 で は 過 大 な 動 力 を 必 要 と す る よ う に な る 。 そ れ を 避 け る た め の 諸 条 件 を 探 す

こ と が 必 要 で あ り ， そ の た め に は 雪 の 静 的 お よ び 動 的 な 諸 性 質 と 羽 根 車 と の 関 係 を 更 に 調 査 検

討すべきである。

(2) 羽 根 車 内 の 雪 の 流 動 状 態 の 解 析 に よ っ て ， 更 に 有 効 な 羽 根 車 の 形 態 を 考 究 す べ き で

ある。

(3) 排 雪 抵 抗 は 相 当 大 き い こ と が 予 想 さ れ る の で ， そ れ を 軽 減 す る 方 法 を 考 え る べ き で

ある。

(4) 投 雪 主 流 の 軌 道 の 方 程 式 の 一 例 を 提 案 し た が ， 更 に こ れ に 関 し て 検 討 を 行 な う べ き で

ある。

終 り に ， こ の 研 究 を 実 施 す る に 当 り ， 北 海 道 科 学 研 究 費 補 助 金 の 交 ち 受 け たζ とをここ

に特に記して感謝の意を表する。

ま た ， 除 雪 試 験 に 際 し ， 特 に お 世 話 頂 い た 日 本 国 有 鉄 道 苗 穂 工 場 機 関 車 課 忍 博 光 氏 ， 工 藤

澄 氏lこは厚く感謝の意を表する。

ク ラ ン ク 室 圧 縮

2

サ イ ク ル 機 関 に お け る

直 管 型 排 気 管 系 の 影 響 に つ い て

沢 則 弘

On t he E旺ec t s o f t he E x h a u s t S y s te m wit h Pl a i n P ip e i n a C r a n k c a s e - C o mp r e s s e d T wo -S t r o k e Cy c le E n g in e

Nor i hi r o S a wa

Abs t r ac t

It is gener al l y k n o wn t hat t he engi ne per f or manc e or t he br eat hi ng capaci t y is l ar gel y gov er ned by t he bl ow- down wa v e i n t he exhaus t pi pe a nd t he pr esent aut hor has r epor t ed al r eady r egar di ng t he e妊ect s of bl ow- down i n t he ai r model engi n巴.

Successi vel y， i nor der to i nvest i gat e syst emat i cal l y t he i nf l uence of t he var i ovs f act or s i n t he exhaus t s y s t emwi t h a pl ai n pi pe o n t he del i ver y rat i oi na cr ankcas e司c ompr es s ed t wo- st r oke cycl e engi ne， he has det er mi ned t he opt imum condi t i on of t he bl ow- down ef f ect s by me a ns of t he i m ped-anc e t heor y. O n t he ot her ha nd， he has exper i ment al l y meas ur ed t he a mount of t he br eat hi ng ai r c hangi ng t he engi ne par amet er s a nd r ec or ded s o me pr es s ur e di agr ams f or t he exhaus t pi pe to ana-l yze t he exhaus t pr ocess. Cons equent l y， it isascer t ai ned t hat t he t heoret i cal resul t s agr ee f ai rl y wel l wi t h t hos e of t he exper i ment .

1. 緒 言

排 気 管 に よ る 動 的 効 果 を 迎 論 的 に 解 析 す る に は 管 内 の 流 れ を 一 次 元 圧 縮 性 非 定 常 流 れ ( 等

エントロビ{ 流れ) と近似し，その基礎式を厳子百な境界条件と初期条件のもとに解けばよく， 4

サイクjレ機関や単流掃気2 サイクノレ機等につき図式解法1〉，特性曲線法2 ) お よ び 電 子 計 算 機3 ) を

利用して排気管内! 王波を追跡した報告がある。その結果E. J enny ' ) iこ始まる特性由線法は，そ

の精度が優れ， しかも複雑な境界条件にも適用できるため，現在かなり広く利用されている。

乙 れ に 対 し 掃 気 ポ ン プ を 内 蔵 し て い る ， い わ ゆ る ク ラ ン ク 室 圧 縮 型2 サイクノレ機関の掃・排気

過程は，クランク室，掃気通路，シリン夕、および排気管からなる一つの管系と見倣す必要があ

り， し か も シ リ ン ダ 内 の 掃 気 や 熱 交 換 の 実 体 が 充 分 に 解 明 さ れ て い な い 現 状 で は ， 全 管 系 の 非

定常流れを取扱うことは困難と云えよう。 従 っ て 掃 気 通 路 の 動 的 効 果 の み を 取 り 上 げ た

w

.

Wilh e lm

5

) の 研 究 や ， 排 気 管 系 の み に 注 日 し た R. S. B e n s o n

6

) の 解 析 等 が あ る に 過 ぎ な い 。 ま

た実験的研究も W . Hul s s e円 山 田 等8 ) に よ っ て 試 み ら れ ， 動 的 効 果 の 同 調 条 件 が 提 案 さ れ て い

る も の の ， ク ラ ン ク 室 を も 合 め た 全 管 系 に つ い て の 考 慮 が 払 わ れ て い な い 。 し か も 排 気 管 効 果

の 利 用 法 も い ろ い ろ に 主 張 さ れ て い る9) - 12)。 そ 乙 で 本 型 式 機 関 の 排 気 管 効 果 の 実 体 を 知 る 目 的

で 直 管 型 排 気 管 を 用 い ， 給 気 量 の 測 定 と 排 気 管 系 各 部 の 圧 力 変 動 の 記 録 に 主 眼 を 置 い た 実 験 を

行 な い ， 両 者 の 対 比 か ら ， そ の 実 体 を 明 ら か に す る と 共 に ， 最 大 の 排 気 管 効 果 を 与 え る 条 件 式13)

の 妥 当 性 を 検 証 せ ん と す る も の が 本 研 究 の 目 的 で あ る 。

2. 実 験 装 置 お よ び 実 験 方 法

(1) 実 験 装 置 供 試 機 関 は バ イ ク モ 戸 タ 用 ク ラ ン ク 室 圧 縮2サイクノレ機関であり，そ

の 外 観 写 真 を 図- 1ｾ ＱＱ

実 験 装 置 は 図 - 2i乙示すように空気タンク，供試機関および排気管系から構成されている。

ただ燃料流量を広範囲に， し か も 微 量 調 整 す る 目 的 で 図 3 の 如 く 気 化 器 主 ノ ズjレを可変型と

し ， か っ 浮 子 室 を 微 動 装 置 で 上 下 動 で き る よ う に し た 。

図 1 供 誠 機 関 ( E- 50)

表- 1 供 誌 機 関 諸 元

機 関 E- 50 I E- 125

シ リ ン ダ 径 ×行 程 ( mm) 140同x39. 8 155世x52. 5

行程体積 ( cc)

I

50

I

125

クランク室体積( 上死点) ( cc) 1 161 452

圧 縮 比 7 : 1 7 :1

{ 給 気 孔 60 0

70。

ポ ー ト ! 排 気 孔 67" I 69. 30

タ イ ミ ン グ

lJ:;1i ｟ＮＩ｜ｾ＠ FJ IJ VI

1掃 気 孔 55 0

57"

給 気 管 内 径 ( mm) 1 13. 8

o

1 21件 排 気 管 内 径 ( mm) I 21再 30り

(22)

丸型) A) し

図 2 実 験 装 置

燃料

A. B. C: 示圧計

Q" -&: (/:熱電対

ク ラ ン ク 室 圧 縮2サイクノレ機関における直管型排気管系の影響について 571

使 用 燃 料 は 市 販 の 自 動 車 用 ガ ソ リ ン ] ISK 2 2 0 2， 2 号( 白石製)

'-む

ｾＩ ｓａｅＳＰ ＨＲＰＺ 1) で あ る 。 排 気 管 は2 0 c m

塁

0 0

Ｈ Ｒ｣ｭＩ ＱＰ ｾ

こ の 際 ， 管 内 ガ ス 温 度 の 計 測 に は と く に 留 意 し ， 排 気 孔 直 後 の み な

ら ず 排 気 管 端 お よ び 中 間 の 温 度 を も 測 定 し ， そ の 温 度 分 布 か ら 平 均

温度を求めた。 ま た 管 内 の 変 動 圧 力 の 記 録 に は 図- 4の如き水冷コ

ック付示圧計を用いて圧力検定をも行なった。

(2

)

実 験 方 法 排 気 管 系 に 関 す る 実 験 に お い て は 図

- 5

の

如 く ， 駆 動 運 転 と 発 火 運 転 時 の 給 気 比 は 或 る 排 気 管 長 以 上 に な る と

大 幅 に 異 な り ， 後 者 の 給 気 比 曲 線 が 機 関 ト ル ク と ほ ぼ 相 関 関 係 に あ

る 。 従 っ て 排 気 管 系 に 関 す る 実 験 に は 混 合 比 ， 点 火 時 期 お よ び 摩 擦

ト ル ク 等 の 変 動 に よ っ て 影 響 さ れ 易 い 機 関 ト ル ク の 測 定 を さ け ， こ

れ 等 因 子 に ほ と ん ど 左 右 さ れ な い 発 火 運 転 時 の 給 気 比 に 注 目 す る こ 図 4 水冷コック付示圧計

と に し た 。 実 験 方 法 は ， ま ず 排 気 管 長 の 設 定 後 ， 電 動 機 型 動 力 計 で 駆 動 し ， 点 火 回 路 を 閉 じ ，

発 火 運 転lこ 移 る 。 直 読 式 燃 料 計 を 観 視 し つ つ 正 常 燃 焼 に 保 持 す べ く 気 化 器 を 調 整 し ， シ リ ン ダ

温度( 熱電対プラグ使用) の定常になるのを待って，排気温度，回転数および給気量を測定し，

代表的な排気管長，機関回転数について各部( 主として排気孔直後) の変動圧力を記録した。

80 K

ヶ

u

K

。

K

(3) 排 気 管 効 果 の 表 示 従 来 ， 排 気 管 効 果 に 関 す る 実 験 結 果 の 表 示 に は 直 接 給 気 比 ( ま

N r pmA X 1 0 3

図 5 給気比と機関トノレク

たはトルク) を用いているものが多いが， 既 に 指 摘 し た

ように給気比を主として支配するのは給気過程であり，

排 気 管 効 果 は 舟 気 孔 問 時 ( S. C) のクランク室圧をかい

して影響するものである。従って或る程度の排気管' を取

り付け， そ の 効 果 を 充 分 利 用 し た 場 合 で も 図

- 6

の如く

給 気 管 系 の 気 化 器 開 度 ， 給 気 管 長 お よ び 給 気 孔 開 口 角 に

よ っ て 給 気 比 曲 線 は 変 化 す る 。 か か る 曲 線 か ら 排 気 管 系

のみの影響を抽出する乙とはかなり困難と考えられる。

そ こ で 排 気 管 を 取 り 付 け た 場 合 と 取 り 除 い た 場 合 の 給 気

比 の 差

(

K -

K

o) で 図- 6の 結 果 を 整 理 し て み る と 図 一7

のように

(

K -

K

o) 曲 線 は い ず れ も 相 似 と な り ， そ の 最 大

値を与える機関回転数もよく揃っている。 従って ( K

-Ko) 曲 線 は ， た と え 給 気 管 系 の 諸 条 件 が 違 っ て も 排 気 管

効 果 の み を 適 確 に 表 示 す る 乙 と が で き る と 云 え る 。 ま た

図 8の 如 く 給 気 比 の 割 合K/ Ko ( K- Ko/ Ko) で整理して

K F〆

》

ｾＶ

も よ い 。 よ っ て 排 気 管 系 の 実 験 結 果 は 給

気 管 系 の 影 響 を 除 く 意 味 で

，

( K - Ko) ま

たは K / K。に注目することにした。従っ

て，給気管系の条件は任意で、よいが本実

験 で は 便 宜 上 ， 給 気 管 長Li= 1 8c m， 給

気 孔 開 口 角 的

/2

二

60

.4

0

，気化器開度

c

-4

/4

( 全開) に固定した。なお排気管なし

の 給 気 比 と し て は 排 気 管 長L e = 3 c mの

値を用いた。

40

1

.2

1 . 2

0

.8

Q6

N

r pm

4

x 10

3

函一7 ( K - Ko) 曲線

2

3

N

rp

m

図 8 ( K/ Ko) 曲線

3. 実 験 結 果 お よ び 考 察

3 ・1 排 気 吹 出 し 効 果 に つ い て

排 気 管 に よ る 動 的 効 果 と し て は ， 排 気 吹 出 し 直 後 に 生 ず る 管 内 負 圧 が 掃 ・ 排 気 に 及 ぼ す 影

響， い わ ゆ る 排 気 吹 出 し 効 果 と 残 留 脈 動 波 が 次 の 掃 ・ 排 気 過 程l乙及ぼす影響( 脈動効果) との

ク ラ ン ク 室 圧 縮2サ イ ク ノ レ 機 関 に お け る 直 管 型 排 気 管 系 の 影 響 に つ い て 573

二 つ が 挙 げ ら れ る 。 従 来 の 研 究 は 主 と し て 後 者 に 注 目 し て き た が ， 筆 者 同 は 給 気 比 と 示 圧 線 図

の 対 比 か ら 最 大 の 給 気 比 増 加 は 主 と し て 前 者 に 基 因 す る こ と を 既 に 指 摘 し た 。 こ こ で も 排 気 吹

出 し 効 果lこ注目し，最大の給気比増加 ( K - K o ) M を 与 え る 条 件 に つ い て 述 べ る 。 排 気 管 長 (Le)

お よ び 機 関 回 転 数 ( N) を 広 範 聞 に 変 え た 実 験 結 果 の 代 表 例 を 図- 9に示す。

ま ず 図 に お い て 排 気 孔 間 ( E. O. ) 後 ， 急 速 な 排 気 吹 出 し に 引 き 杭 き ， 排 気 管 圧 は 負 圧 を 生

じるが，図 (a)，...(c) L e = 1 7 cmでは，この第1 負圧波は比較的小さく，その周期も短かく，掃気

期 聞 に 正 負 の 波 が 同 時 に 入 り 込 む 。 従 っ て 掃 気 作 用lこ 余 り 影 響 せ ず ， 給 気 比 の 増 加 は ほ と ん ど

期待できない。 こ れ に 対 し 図 (d)，...(f) ，Le = 52 cmで は 排 気 吹 出 し も 比 較 的 大 き く 排 気 管 効 果

( K - Ko) も 顕 著 と な る 。 た と え ば 図 (d) ，N= 1 7 9 0 r p m の場合，第1 負 圧 波 が ク ラ ン ク 室 に 入

った後も， なお掃・排気孔が開いているので再び排気ガスは逆流し， 掃 気 孔 問 時 ( s. C. ) のク

ラ ン ク 室 圧 は 逆 に 高 く な り ， 排 気 吹 出 し 効 果 は 殆 ん ど 期 待 で き な い ( K - K。，キ0，K ニ 5 8 %) 。し

か る に 図 (e) ，N= 3 1 9 0 r p mでは第 1 負 圧 波 が ほ ぼ 排 気 孔 閉 ( E. C. ) まで継続し，充分に掃気を

行なうのでクランク室圧もイ尽く，この場合の (K一Ko) は N土3 2 0 0 r p m附 近 で 最 大 と な っ て い

る ( K - K

，

。キ1 0 %

，

Kキ8 9 %) 。 同 様 に L e = 6 7

，

87 cm の場合( 図- 10 参照) も 排 気 吹 出 し 圧 力 波

d

e

f

ＭＢ＾ｴｬＮｾ

ｬ

i

b

ｉ ｉｾＭＭＮ

I

-

-

1

図- 9 ( K - Ko)曲 線 と オ シ ロ グ ラ ム ( E- 50)

(25)

a

b

図- 1 0 オ シ ロ グ ラ ム ( 最 適 条 件 )

20

E-ラ0

ハ

U

X

J

l

x

20

2

3

N

rp

m

ラ

メ

10

ヲ

(

K - K

o) 曲 線

図-1 1

E

.C

.

d

Le=46c m

N= 4 4

ラ

O

rp

m

e

n

¥

_

，

A

.J

ト

、

/'

¥

¥

Le=116

N= 2 1 9 0

N ｾｰｭ＠

図 13 排 気 期 間 に 合 ま れ る 排 気 吹 出 し

圧力波のサイクノレ数

(n

)

図- 1 2 オシログラム( 最適条件， E- 125)

ク ラ ン ク 室 圧 縮2サ イ ク ノ レ 機 関 に お け る 直 管 型 排 気 管 系 の 影 響 に つ い て 575

の約l サイクlレ が ほ ぼ 排 気 期 間 ( 仇 ) に 重 な る と き 図 11 の

上 方 ( E- 50) に 示 し た 給 気 比 ( K - Ko) は最大となっている。

こ の 関 係 は 供 試 機 関E - 1 2 5の場合も全く同じであ る( 図 11

下 方 と 図- 12 との対比) 。さらに，かかる場合の排気吹出し圧

力 波 の 同 調 条 件 を 明 確 に す る た め ， 排 気 管 長 ， 機 関 回 転 数 を

広範に変えた場合のオシログラムから排気期間( 仇) に含まれ

る排気吹出し圧力波のサイクノレ数

(n

)

を 求 め ， こ れ を 回 転 数

に つ き 整 理 す る と 図- 13の如くなる。

次に( K - Ko)曲 線 か ら 最 大 の 排 気 管 効 果(K -K o )Mを与

表- 2 有 効 掃 排 気 期 間 に 合 ま

れ る 排 気 吹 出 し 圧 力 波 のサイクノレ数

E- 50 E- 125

{}e 134。 139.4

0

{}8 110

0

114。

。

e*s 112

0

116. 7

0

n 0. 9 0. 9

n* 0. 752 0. 753

イ旦し .d08c=10

0

える回転数を求め，これを各排気管長に対する曲線上にプロットするとA . 印となる。すなわち

機 関E - 5 0，E - 1 2 5 と も に 吹 出 し 圧 力 波 の 約0. 9サイクJレが排気期間に一致するとき (K -K o )M

を 生 ず る と と が わ か る 。 い ま ク ラ ン ク 室 圧 縮 型2 サイクノレ機関の掃排気過程を考えると，掃気

孔 閉 ( S. C. ) か ら 排 気 孔 閉 ( E. C. ) ま で の 聞 は ジ リ ン ダ 内 充 填 ガ ス の 押 出 し 期 間 で あ り ， 充 填 効

率 す な わ ち 機 関 トjレクに対しては関与するが，給気比には直接影響しないものと考えられる。

従って給気比の観点からは， む し ろ 掃 気 孔 閉 ( S. C. ) 時 の 圧 力 波 に 注 目 す る の が 合 理 的 で あ ろ

う。そ乙で排気孔開 ( E. O. ) か ら 有 効 な 掃 気 孔 閉 ( S. C. *) までの期間

0

:

8 (以 下 有 効 掃 排 気 期 間

という) に合まれる圧力波サイクJレ 数 計 二 (θ

:8

/0

).

nを 求 め る と 表 2 の 如 く 両 機 関 と も n *キ

0. 75 ( : =3/ 4) サイクノレに近似している。

こ れ は 排 気 吹 出 し に 基 づ く 管 内 負 圧 が 最 大 の と き 実 質 的 に 掃 気 孔 を 閉 じ る と ， そ の と き の

ク ラ ン ク 室 内 圧 が 最 低 と な り ， そ れ に 続 く 給 気 作 用 が 助 長 さ れ る た め と 解 釈 さ れ る 。

以上の解析- から最大の排気管効果は排気吹出しに基づく圧力波に基因し，その圧力波の約

3/ 4サイクノレが有効掃排気期間

(0

:

8 ) に 同 調 す る と き 最 大 の 掃 気 効 果 を 発 揮 す る こ と が 確 認 さ れ

た。 い ま 掃 排 気 期 聞 に お け る 排 気 吹 出 し 圧 力 波 の 周 期

(T

)

が仮に

T = 2

π

L: /a

eで与えられる

ものとすれば ，3/ 4周期と θ本 期 間 と の 同 調 か ら 排 気 吹 出 し 効 果 の 最 適 条 件 式 は 次 の 如 く 与 え

られる。

Z

e

M

(

一

ω

μt =1

ぬ

一一一一一

- a

e りM 3 360

( 1 )

ここに ω: クランク角速度 ( =2π N/ 60)， ae : 掃 排 気 管 系 の 平 均 音 速 で あ り

，

Zeを 排 気

吹出し特性数，

LZ

を 等 価 管 長 と 呼 ぶ 。 な お 掃 ・ 排 気 管 系 と し て 図- 14の如き模型を想定し，こ

ＨｌｾＩ

cot Ｈｌ･ＯｌＺＩ ｦ ￭Ｗ ｣ Ｈｏｾ｣ ＩＮ

f/

/c/( 品。ーθEO)}/( feL :) ( 2)

が 与 え ら れ る 。 乙 こ に Le: 排気管長，

1

7

0 : 平 均 シ リ ン ダ 容 積

，

17，1;: 平 均 ク ラ ン ク 室 容 積

，

f e:

排気管断面積， (j

e

c

:

有効掃気孔閉止角，時0: 有効掃気孔開放角， OEO: 排気孔開放角である。