解説 人生を決めた汽笛の音 岩 本 太 郎 Taro IWAMOTO 理工学部機械システム工学科 教授 Professor, Department of Mechanical and Systems Engineering 機関車の魅力にはまった．まさにその時，機械屋に 1．はじめに なるという道が決まったのである．その後，蒸気機 幼いときに経験したあることがその人の一生の進 路を決めるきっかけとなることは良く聞かれること 関及び鉄道から私の専門である機構に関する多くの 知識を学んだ． である．私にもそのようなことがあり，いまだに尾 を引い て い る ． そ れ は 蒸 気 機 関 車 （ SL : Steam Loco- motive）との出会いである． 蒸気機関車は一部の鉄道でマニヤや観光客めあて に現在でも運転されているが，すでに主要な交通機 そのようなわけで，蒸気機関車について話をして みたい． 2．蒸気機関車の特徴 2. 1 機関車の動態保存 関としての役割を終えている．その理由はエネルギ 京都駅の西側にある梅小路公園に，梅小路蒸気機 ー利用の効率が悪い点と，運転の難しさであろう． 関車館がある．ここには多くの蒸気機関車が動態保 しかし，無骨な機械であるにも関わらず，巨大な生 存され，いつでも見たい時に蒸気機関車の実物を間 物を感じさせるその姿と動作，魂を揺さぶるそのサ ウンドには否定しがたい大きな魅力がある． 小学生の頃，父の会社の社宅が高槻市にあって， その社宅に住んでいた．そこは市役所と警察署に挟 まれた一角にあり，旧国鉄の高槻駅に歩いて数分の ところである．入れ替えをしている蒸気機関車や電 気機関車を駅のヤード脇の道路から柵越しによく眺 めていた．ある時ホームにいて，停車中の蒸気機関 車の横に立っていたら，突然出発の汽笛が鳴らされ た．その音は朗々と響きわたり，また果てしなく長 く，腹の底に深々と浸みわたるサウンドであった． 今までに味わったことのない深い感覚を覚え，蒸気 ― ４２ ― 図1 梅小路蒸気機関車館の 8630 近に見ることができる稀有の場所である．また短い 特徴である． 区間だが蒸気機関車がけん引する列車に試乗するこ とができる．図 1 は試乗運転の準備をしている 8630 2. 3 サウンド である．実際の鉄道においても，季節によって，木 蒸気機関車の汽笛は絶品 ノ本駅から蒸気機関車による列車運行があり，乗車 である．電気機関車の甲高 することができる．一旦は廃車となった蒸気機関車 い音とは異なり，高低の音 だが，各地で列車運行がなされ，また公園などに展 が複合したなんともいえぬ 示されているのは，やはり蒸気機関車の捨てがたい 奥深さがある．汽笛は図 3 魅力のためであろう． に示すように，らせん階段 のような形状をしており， 2. 2 リンクメカニズム 容積の異なる 5 つの共鳴室 蒸気機関車の構造上の特徴は，なんと言ってもリ ンク機構の動きが良く見えることである．ピストン 図3 汽笛 を持つ笛を蒸気で吹くこと で，独特の音を出している． の往復運動がクランク機構により回転運動に変換さ 蒸気機関車の近くで聞いた音は，圧倒的な音量と れるのは，自動車の内燃機関も同じである．しか 複雑な音質で魂を揺さぶり，これでもかこれでもか し，自動車のエンジンはケースに囲まれて動きが全 と 10 秒も続くサウンドは説得力に満ち，心を打た く見えない． れた．それはこれから走るぞという雄たけびであ 蒸気機関車ではボイラからの加熱蒸気をシリンダ の前または後ろから流入させ，反対側から排気する り，これに続くシリンダからのリズミカルな排気音 （ドラフト）を予感させる． が，それを制御する弁の開閉のタイミングと開閉量 蒸気機関車は煙と蒸気と音を撒き散らしながら走 が性能を支配する．弁の動作は動輪の回転と同期し 行するので，今なら沿線の住民から苦情が殺到する ており，これは図 2 に示すワルシャート式バルブギ であろう．しかし，ドラフトの音のリズムと強さが ヤと呼ばれるリンク機構で達成される．弁の動きは 動輪の回転速度と牽引力を直接的に表していて，汽 ピストンよりほぼ 90 度ずれていて，ピストンが中 笛と共に機関車が生き物に思えるのである．発車時 央近くにあるとき弁が最も大きく開き，大きな蒸気 に負荷の大きさに負けて動輪が滑るとドラフトのリ 力を発生する．この複雑なリンク機構がまず大きな ズムが一瞬早まり，すぐにけん引力を取り戻して元 のリズムに戻ったり，音の強さと遅いリズムから， 上り勾配で全力を振り絞っていることがありありと 感じられたり，蒸気の流れを切り，惰性で軽く流し ていたり，ブレーキが鉄と鉄の鋭い摩擦音を出した り，あちこちで鉄のぶつかる音を出したりするのが 生きものの動きを感じさせるのである． こんな鉄の塊で，リンクやシリンダがむき出しの メカメカしいものが，音とリンクの動きによって生 きていると実感するものになるのが驚きであり，機 械に強い興味を持つようになった理由である． 図2 ワルシャート式バルブギヤ ― ４３ ― は不可欠であった．また，シリンダの内径を正確に 3．蒸気機関車の歴史と技術の発展 3. 1 削りだす工作機械の発達も必要であった． 背景 1765 年，ジェームズ・ワットはシリンダの蒸気 蒸気機関車は 19 世紀初頭にイギリスで生まれ発 を水に戻す冷却工程の機能をシリンダの外に設置し 展した．18 世紀のイギリスでは製鉄を始め多くの た復水器に移し，シリンダは高温を維持できるよう 産業が生まれてきて，物資の大量輸送のニーズがあ にすることで熱効率を高める工夫をした． った．また，炭鉱や製鉄事業所における敷地内の物 ニューコメンの蒸気機関は圧力がピストンの一方 資輸送の必要性もあり，構内の鉄道も生まれていた だけに作用する単動機関で，人がバルブを切り替え が，牽引力は人力や馬力に頼っており，輸送規模の る手動機械だが，ワットは 1782 年に高い蒸気圧を 拡大は望めなかった． ピストンの両面に交互に作用させる複動式蒸気機関 1712 年にニューコメンは，蒸気を満たしたシリ を作ることに成功し，1785 年には 2 シリンダにし ンダの中に水を噴射して真空を作り，真空力でピス て連続して回転運動が得られる機関とすることで産 トンを駆動する図 4 の蒸気機関を開発した．これは 業界に大いに貢献した．ここにはじめて実用的な 炭鉱の地下水の排水ポンプに使われた．しかし，真 「原動機」が生まれたのである．しかし，機関車に 空の力は大気の力であり，理論的に 1 気圧以上は出 搭載するには大幅な小型化が必要であった． せず出力は低かった．また動作が往復動で遅く（毎 ついでながら，ワットの蒸気機関は制御工学の発 分 12 サイクル程度），サイクルごとにシリンダを冷 展のきっかけを作った．ワットは蒸気機関に遠心調 やすため，1％ 程度の低い熱効率であった．イギリ 速機（1789）を導入して回転速度を安定させる工夫 スには石炭が豊富にあるが，18 世紀に入り石炭を をしたが，不安定になることがあり，その原因を追 蒸し焼きにして煙が少ないコークスを用いた製鉄法 究するところから制御工学が生まれてきたのであ が開発された．ちなみに蒸気機関車の燃料は材木や る． 石炭もあるが，主にコークスが使われる．また，鉄 は蒸気機関車の材料でもあり，レールの材料でもあ る．豊富な石炭と良質の錬鉄が蒸気機関車の発展に 3. 2 はじめての蒸気機関車 1804 年 2 月 21 日リチャード・トレビシックが作 った図 5 の蒸気機関車 2 号機（Penydaran 号）は 10 トンの鉄をのせた 5 両の貨車を引き，鉄路の上を 8 km/h の速度で走った．これが最初の蒸気機関車で ある．トレビシックが働いていたペナデランの製鉄 所の社長は友人との 500 ギニーの賭けに勝ち，製作 蒸気圧 蒸気を水に 戻す散水 バルブ 大気圧 排水 パルプ コネクティング ロッド 車輪駆動 クランク U字型伝熱管 歯車 ボイラ 油井 焚き口 図4 ニューコメンの蒸気機関 図5 ― ４４ ― 初めて鉄路を走ったトレビシックの 2 号機 引き継がれていった． 費の元をとったという話もある． 馬で引く鉄道はそれ以前にもあったが，けん引力 クランクを利用して往復運動を回転運動に変換す を生物によらない機械的動力で可能にしたことは， るレシプロ機構には大きな問題点がある．それは， まさに革新的な出来事と言えるであろう．しかし， ピストンが押し切り，または引ききった後反転する 鉄道がすぐに認められたわけではない．それまでは ときに，シリンダの力が回転力に転化できない死点 機関を地面に据え付けロープでけん引する定地式蒸 が存在することである．トレビシックの蒸気機関車 気機関があり，これとの競争になった．また，当時 が停車後に発進するのに苦労したのも，この死点の は製鉄技術が未成熟で，蒸気機関車の重量が鋳鉄製 問題であった．内燃機関にも共通する問題である． レールの強度を超えていた．また，この機関車は単 この問題は図 6 に示すように，ピストンクランク機 一シリンダであったため，クランクがたまたま死点 構を複数組み合わせ，クランク角の位相をたとえば の位置で止まるとそこからは発進できず，投炭やレ 90 度ずらすことで解消できる．一方が死点にある ールの補修のためたびたび停車が必要であった． ときに，もう一方が回転力を効率よく生み出す位置 トレビシックの機関車が自走に成功したのは，シ にあればいい．ブレキンソップはこの原理に基づ リンダをボイラーのなかに入れて冷えないようにし き，1812 年に 2 気筒でクランクの位相を 90 度ずら たことと，シリンダの排気を煙突内で噴射し，煙を すことでどこからでも発進できる機関車を製作し 吸いだす排気ブラストを付けたことにある．上限が た． 1 気圧に限定される真空力でなく，理論上制約のな しかし，このとき，鉄のレールと鉄の車輪との摩 い圧力が出せる蒸気圧を用いて大きな力が得られる 擦力に不安を感じたからであろうか，車輪とレール ようにしたことも，成功の要因である．なお，通常 間が滑ることを恐れ，歯車を直線状に伸ばしたラッ のボイラでは水管が火室内を通るのが一般的である クレールを軌道に敷き，動輪に取り付けられた歯車 が，トレビシックの機関車のボイラは煙管がボイラ で駆動する方式を選んだ．これは急勾配の鉄道では の水中を通っていて逆になっている．この方式はそ 有効で，その後アブト式として使われたが，一般の の後ずっと引き継がれている． 路面ではその必要がないことが実験で証明され，以 ちなみに，日本の鉄道が開通したのは 1872 年で 後は歯車駆動としないのが普通になった．ただし， あるが，リチャードの息子の次男，つまり孫は 1876 必要な時には滑りを防ぐ砂を軌道上に撒けるよう， 年に来日し，歯付きレールを用いた機関車を導入す ボイラー上に砂箱を備えている．蒸気機関車の上部 るなど 21 年間日本の鉄道で働いた．長男も 1888 年 に二つのドームがある場合，その一方には線路に撒 来日し，工作技術が未熟な日本で国産機を生み出す く砂が入っているのである．図 7 に示すように，二 など，二人は日本の鉄道開発に忘れられない大きな つのドームが一体になっているものもある．砂まき 功績を残したことを付記したい． 管の付いている前半分が砂箱である． 3. 3 蒸気機関車の発展 トレビシックの 4 号機は「Catch me who can」と 90° いう名をつけ，高速走行に特化するため，縦シリン ダーで歯車のいらない 1 軸駆動として人々の関心を 引こうとしたが，馬との競争は中止となり，その 後，転覆してしまった．その後英国では，構造がシ ンプルな一軸駆動のシングルドライバーがしばらく ―４ ５― 図6 死点の回避 図7 3. 4 図8 一体化したドーム（砂を撒く管がある） 公共鉄道の第一号機関車の出現 スティーブンソンのロコモーション号 ロコモーション号には死点を回避するために二つ ジョージ・スティーブンソンは長男ロバートとと の駆動用シリンダがあり，一つのシリンダで左右の もに蒸気機関車の実用化と鉄道の発展に大きく貢献 車輪を直接駆動している．これ以降，ピストンの力 した． をコネクティングロッドを介して直接駆動輪に伝え ジョージ・スティーブンソンはキリングワース炭 る駆動方法が一般化する． 鉱のエンジン責任者であったが，独自に模型の機関 前後の駆動輪の間には初めて連結棒（カップリン 車を作り，売り込みのため国会の委員会に乗り込ん グロッド）が取り付けられ，前後の車輪の回転角が だ．誰にも相手にされなかったが，炭鉱オーナーの 一定の関係をもつようになったので，二つのピスト サー・トーマス・リッドルに注目され機関車の開発 ン・クランク機構の間で 90 度の位相差を維持でき を始めた． るようになった．しかし，逆転装置はまだ不十分 蒸気機関車の発展に先立ち，鉄道の建設がある． で，ブレーキも無かった． 1821 年にストックトンから西オークランドに至る トラムウェイ（道路の上に軌道を敷いたもの）の敷 3. 5 レインヒル・トライアル 設が国会で承認された．動力は馬や人を想定してい ジョージ・スティーブンソンはストックトン・ダ た．スティーブンソンは機関車の採用を働きかけ， ーリントン鉄道に続いてリバプール・マンチェスタ 機関車を駆動力とするストックトン・ダーリントン ー鉄道の建設にかかわった．役員会はこの鉄道に使 鉄道の建設を訴え，1823 年ついに議会の承認を得 用する機関車を選ぶため，1829 年 10 月に賞金 500 た．同年，息子のロバートの名を冠した機関車製造 ポンドをかけたコンペがレインヒルで行われた．ロ 会社ロバート・スチーブンソン＆カンパニーを設立 ケット，サン・パリール，ノベルティの 3 台が参加 し，勝ったのは図 9 に示すロケット号である．約 13 するのである． ジョージ・スチーブンソンが開発した図 8 のロコ トンの列車を牽いて停車時間を含め，112 km を 6 モーション号は，33 両の列車をけん引し，1825 年 時間 15 分で走り切った．最高速度は 39 km/h に達 9 月 27 日に公共鉄道を走った最 初 の 機 関 車 で あ した． る．速度は 10 km/h 程度であるが，蒸気機関車とそ ロケット号は煙管の数を増やして伝熱面積を大き れを用いた鉄道輸送が社会的に初めて認められたと くする多管式ボイラを採用し，また火室をボイラの いうことである． 中に埋め込むことで熱効率を向上させていた．また ― ４６ ― 図9 ロケット号 図 10 シリンダの内側配置 煙室を設けて燃えカスを煙突から排出しないように フィート 8 インチ半）の 3/4 である．スティーブン し，排気ブラストによる負圧を均一にして燃焼を安 ソンが建設したストックトン・ダーリントン鉄道の 定化する効果を得た．シリンダは斜め 35 度に配置 ゲージは馬車鉄道のものを基にしており，この標準 していたが，シリンダの力の上下方向分力がサスペ 軌であった． ンションのばねに影響して車体が振動を起こしたの ブルネルは 1833 年グレートウエスタン鉄道を建 で，後に水平配置に改造された．これらの技術的改 設し，2,140 mm（7 フィート 1/4 インチ）という超 良はその後の蒸気機関車に引き継がれている． 広軌を採用した．日本の鉄道の実に 2 倍の幅であ 1830 年 9 月 15 日，リバプール・マンチェスター る．ブルネルが超広軌を選択したのは，速く静かに 鉄道は開通式を迎え，8 両のロケット型機関車が 600 ゆれずに走れることを求めたからであるが，幅に余 人の招待客を乗せて走った．この時，不幸なこと 裕ができたことで，シリンダの内側配置が可能にな に，地元出身の議員が制止を振り切って線路に降 った．図 10 に示すように，車軸の軸受けを外側に り，後続の列車に轢かれて亡くなるという事故が起 配置し，2 本のシリンダを左右の車輪の間に入れ， きてしまった．しかし，その後運転は順調に推移 かつ蒸気を制御するバルブギヤをもそこに配置し し，1 日 7 往復の営業運転が継続された． た．火室も広くなり，蒸気の供給量を増やせる利点 これをきっかけに，鉄道の有効性が認識され，蒸 がある． 気機関車は社会に受け入れられ，大きく発展してゆ 広軌であればシリンダを車体フレームの内側と外 くことになった．トレビシックが最初の機関車を走 側に配置する 4 気筒化ができ，さらに強力な推進力 らせてから蒸気機関車が社会に受け入れられるま が得られる一方で，カーブを曲がることが難しくな で，実に 1/4 世紀かかったことになる．その間，多 る． ここで，カーブの曲がり方について説明する．鉄 くの改良がなされ，受け継がれていった． 道のカーブの曲率半径は道路に比べて大きいが，そ 3. 5 ゲージバトル れでも内と外の車輪の走行距離の差が発生する．ゲ 日本の鉄道のゲージ，すなわち軌間（左右のレー ージが広いほどこの差は大きくなる．鉄道の車輪は ルの内側の間隔）は 1,067 mm（3 フィート 6 イン 自動車と異なり左右の車輪は車軸で固定されている チ）であり，国際的な標準軌である 1,435 mm（4 ので，この差を回転数の差で吸収することができな ― ４７ ― 図 11 テーパーによる接触円直径の変化 458 図 13 クルー工場の 1 フィート 6 インチゲージ ムが背景にあったことも無視できない． 図 12 1850 年代までは標準軌が最低限の幅と考えられ テーパーによるカーブ通過の原理 ていた．しかし，採算性から狭軌の優位性を評価す い．このため，次のような方法で解決している． る気運が生じた．1844 年，ベルギーでは 1100 mm 図 11 に示すように，車輪の踏面は 1/20 勾配のテ ゲージの鉄道が開通している．1855 年オーストラ ーパーをつけて円錐状にしてある．直線路では車輪 リアでは 1106 mm ゲージの馬車鉄道に蒸気機関車 がレールに対して右に寄れば右車輪の接地円直径が が導入された． 左より大きくなり，車輪は左に向く．左に寄れば逆 3 フィート 6 インチゲージはカール・アダムス・ のことがおきる．したがって，自動的に線路の中央 ピールによってノルウェーで発祥し，世界的に広が を走行するようになる．また，図 12 に示すよう ったものである．氷河が削り出したフィヨルドが多 に，左カーブでは車輪が直進すると車輪がカーブの いこの国では，小回りが利く狭軌の鉄道が適してい 外側に寄る．すると外側の車輪の接地円が大きく， たのである．この狭軌鉄道の成功によって，ニュー 内側の車輪の接地円が小さくなって，カーブに沿っ ジーランドにも導入され，その後植民地に広まって て走ることができる． いった．図 13 は工場内鉄道用蒸気機関車の例であ ところで，同一国内でゲージが異なる鉄道が混在 る．軌間は 458 mm しかない． することは好ましくなく，イギリス政府はゲージ委 日本では 1869 年鉄道建設の決定がなされ，翌年 員会を作り検討した結果，1845 年 12 月に標準軌と エドモンド・モレルが技師長として来日し，建設を 広軌でコンペを行うことになった．その結果，広軌 推進したが，3 フィート 6 インチゲージは首相の大 の機関車は平均時速 95.6 km を出し勝ったが，標準 隈重信が決定した．イギリスに留学し鉄道を学んだ 軌の鉄道は当時広軌の 7 倍普及しており，その資産 井上勝からの情報が影響したと考えられる．1865 を生かすため，1846 年に「鉄道のゲージ規制に関 年にはノルウェーの 3 フィート 6 インチ軌道で時速 する法律」が作られ，1892 年には標準軌に統一さ 56 km の運転がなされており，狭軌軌道に対する評 れている．しかし，世界では各国が独自のゲージを 価が高かった時代背景がある． 選択しており，ゲージは統一されていない． なぜ日本は 3 フィート 6 インチのゲージを選んだ 5．まとめ のであろうか．ひとつは費用が安くて済むこと，も 最初に述べたように，私は鉄道から多くの機械に う一つは山間部が多くてまっすぐな軌道がとれない 関する知識を得たが，本稿ではそれを書ききれない 地勢が原因であろう．それとともに，狭軌化のブー ので，次の機会に述べたい．蒸気機関車は機械技術 ― ４８ ― の発展に大いに貢献し，消えていきつつある．しか 参考文献 し，個々の技術は継承され生かされている．従来は 斎藤晃，蒸気機関車 200 年史，NTT 出版，2007 機構で解決していたことが，現在では電子・制御技 術で実現でき，機構ではできないことも可能となる 細川武志，蒸気機関車メカニズム図鑑，グランプリ出 版，1998 片野正巳，1 号機関車から C 63 まで，NEKO PUB. Co. 場合が多々ある．しかし，原点は積み上げられた機 構の技術にあることを忘れないようにしたい． Ltd, 2005 蒸気機関車スタイルブック 蒸気機関車全史漓，滷 ―４ ９― 機芸出版社，1966 学習研究社，2006
© Copyright 2024 Paperzz
