解説 続,人生を決めた汽笛の音 岩 本 太 郎 Taro IWAMOTO 理工学部電子情報学科 教授 Professor, Department of Electronics and Informatics 1.はじめに 蒸気機関車はほぼ退役した過去の機械である.私 は蒸気機関車に魅せられ,機械屋としての人生を歩 むきっかけになったことはすでに前稿で述べた.本 稿では私が学んだ蒸気機関車の技術について,とく に現在多用されている内燃機関との違いを含めて述 べてみたいと思う. 2.往復機関(reciprocating engine) 2. 1 ピストンとクランク 図1 エネルギー源から機械的動力(主として回転運 単動機関と複動機関 動)を取り出す代表的な方法として蒸気機関や内燃 機関に用いられているのは,ピストンの往復運動を これに対し,蒸気機関の場合はピストンの両側に クランク軸で回転運動に変換する方法である.図 1 蒸気の圧力が作用し,押しと引きができる複動機関 に内燃機関と外燃機関である蒸気機関の構造の比較 である.内燃機関が押ししかできないのに比べる を示す. と,内燃機関の 2 サイクルエンジンに対して 2 倍, 内燃機関の場合は,コネクティングロッドにより 4 サイクルエンジンに対して 4 倍の時間,連続して ピストンが直接クランク軸につながっていて,運動 出力が出せる.しかし,蒸気機関車ではクランク軸 する部分の質量が小さいために高速化に適してい は車輪につながっていて,内燃機関のように減速機 る.また,ピストンには一方向からだけ力が作用す を用いて回転力を増大することができない. る単動ピストンであり,爆発力が作用していないと シリンダから蒸気が漏れないようにシールするた きは慣性力または他のピストンの力で回転力を維持 めには,ピストンロッドはスイングできないので, している. ピストンとクランク軸の間に直線運動するクロスヘ ― 60 ― 内燃機関の場合は弁の開閉にはカムを用いてい ッドを介在させて運動を伝達している. 往復の力が等しくなるためには,蒸気の圧力を受 て,カム軸とクランク軸との位相角を可変にした けるピストン両側の受圧面積が等しくなければなら り,カムを切り替えたりして弁の動作を制御してい ない.ピストンの後ろ側の受圧面積はピストン面積 る. からピストンロッドの断面積を引くので,ピストン 蒸気機関車の場合,蒸気の制御は車輪の回転に合 の前側にはピストンロッドと直径が等しい尻棒を取 わせてピストンバルブを前後に動かすことで行って りつけて,受圧面積を等しくしている.蒸気機関車 いる.この方式にも大別してリンクモーション,ラ のシリンダ前面に棒が突き出しているのは何だろう ジアル,ワルシャートの 3 形式があるが,近代的な と思っていたが,この尻棒とこれをカバーする尻棒 形式であるワルシャート式バルブギヤを図 3 に示 案内だったのである. す. コネクティングロッドがつながる動輪のクランク 2. 2 ピンの先端にはにはリターンクランクが取りつけら バルブギヤ バルブは機関の出力を制御する重要な役割を負っ れていて,その先端はクランクより 90 度位相がず ている.4 サイクル内燃機関の場合はきのこ形弁体 れ,クランク径よりも小さい半径の円運動を行う. を用いるポペットバルブであるが,蒸気機関では古 この運動をエクセントリックロッドが拾い,加減リ くは図 2 に示す D 型バルブであったが,現代の主 ンクを揺動させる.加減リンクは円弧状のリンク 流はピストンバルブである.いずれも弁の開閉のタ で,その内側の溝にピストンバルブにつながるラジ イミングと開き量が重要である. アスロッドのピンがはまっていて,加減リンクの動 D 型弁はワットの会社で働いていたウィリアム きをスライドバルブに伝える.これがスライドバル ・マードックが開発したものである.それまで蒸気 ブの主となる動きになる.これにクロスヘッドから 機関は吸気と排気の二つの弁を個々に作動させてい つながるリンクの動きを少し加えることで,スライ たが,それを一つの弁で代替した D 型弁は,その ドバルブの動作の位相を少し早めている.ラジアス 後 100 年間使われた.D 型弁は弁の外側から給気 ロッドの先端は上から吊り下げられていて,その位 し,内側から排気するが,ピストンバルブは内側か 置が変わると加減リンクの振れ幅が変化し出力を加 ら給気し外側から排気するので,バルブの動作は逆 減できる.加減リンクの中心に来れば停止,また中 になる. 心より上にあげるとピストンバルブが逆に動くの で,機関車をバックさせることができる. 停止も逆転もできるところは内燃機関のエンジン とは異なるところである.内燃機関にはエンジンと 車輪の結合を分離するクラッチやトルクコンバータ と逆転ギヤが不可欠であるが,蒸気機関車にはそれ 図2 バルブの形式 図3 ― 61 ― ワルシャート式バルブギヤの動き 図4 グレズリー式バルブギヤ 図5 が無く,機関の出力が車輪に直結している. 蒸気機関のサイクル 後述する 3 気筒機関の場合,車体の中央にある 3 つ目のシリンダの弁装置は車輪から直接運動を取り 込むことができない.そこで,3 つのシリンダが 120 度位相がずれていることを利用し,左右 2 つのバル ブ軸の動きから,図 4 に示すリンク機構を用いて 3 つ目の弁の運動を作り出している. A, B, C の 3 点を水平移動して集めると,図の右 図6 ラップ に示すように 120 度位相がずれた回転運動になる. したがって,A と C のバルブ軸の動きから,B の 体の前後に厚みを増やすことでラップを設けてい バルブ軸の動きを作ることができる.リンク機構の て,バルブが閉じるのを早めている.また,基本と 巧みな使い方である. してバルブはピストンより位相が 90 度先行してい るが,実際はリードの分だけさらに位相を進めてい 2. 3 るのである. バルブタイミング 蒸気の持つエネルギーを有効に使用するために バルブタイミングは蒸気機関の性能に大きく影響 は,高圧の蒸気をシリンダに閉じ込めて膨張させ, するので,長年の経験からこのような工夫がなさ 低圧にして排気することが必要である.ワットは, れ,ワルシャート方式のような複雑なリンク機構に 蒸気は膨張する力があるので,途中で蒸気の供給を 発展してきたものと思われる. 止め,残りの工程は膨張力で作用させることを思い つき,1776 年に特許を取った.このカットオフは 蒸気の消費量を抑制し,蒸気機関の効率を高めるの 2. 4 蒸気機関の運転 機関車の出力を制御する要素はもう一つある.図 7 に示すように,背中にあるこぶの一つは水から蒸 に貢献している. 図 5 に蒸気機関のサイクルを示すが,給気をピス 気を分離する蒸気溜になっていて,その中に蒸気量 トンの戻り行程の終端より少し早めに開き(リー を調整する加減弁がある.つまり,自動車のアクセ ド),往き行程の途中で締め切って(カットオフ) ルに相当するのがこの加減弁であり,変速機に対応 膨張させる.排気は往き行程の終端より早めに開 するのが加減リンクである.この二つを使って速度 き,戻り行程の途中で締め切って給気が始まるまで の制御を行っているのである. 出発時のトルクが必要なところでは,バルブが大 圧縮する. バルブの弁の厚みは給,排気口の幅と同じに取る きく開くように加減リンクを下げ,加減弁を大きく のが基本であるが,このようにバルブ開閉のタイミ 開く,速度が速くなれば加減リンクを中央位置に近 ングを調整するため,図 6 に示すようにバルブの弁 づけ,加減弁を絞る.惰性で走行するときは加減リ ― 62 ― 図8 図7 コンパウンド配置 蒸気溜の中の加減弁 ンクを中央位置(ミッドギヤ)にする. 前述したように,トルコンやクラッチのある内燃 機関とは異なり,蒸気機関車ではピストンと動輪が 直接結び付いている.このため,蒸気の供給を停止 図9 3 気筒配置 して惰性運転する場合もピストンは前後に動き,排 気口から逆に煙を吸い込んだり,シリンダ内に真空 が発生して走行抵抗となる.これを避けるため,ピ ストン前後の蒸気室をつなぐバイパス装置や外気を 吸い込む蒸気室空気弁が設けられている. 2. 5 図 10 コンパウンドとマレー マレー式機関車 日本の蒸気機関車はほとんどが 2 気筒である.し かし,外国では 3 気筒や 4 気筒の機関車がある.高 見えない.C 53 は私の好きな機関車であるが,台 圧蒸気を 2 段階で使用すると効率がいい.つまり, 車枠内にシリンダとクランクがあるので保守性に難 高圧シリンダからの排気をさらに低圧シリンダに入 点があり,ほかの形式では 3 気筒は採用されなかっ れて,2 段階で蒸気圧を利用するのである.当然大 た. 出力が達成できる.これがコンパウンド・エンジン マレー式複式機関車は,図 10 に示すように,シ である.圧力が低い分だけ低圧シリンダは高圧シリ リンダと駆動輪のセットを前後に 2 式持つ機関車で ンダに比べて直径が大きい.2 気筒だけれど,左右 ある.9020 形式などいくつかのマレー式蒸気機関 でシリンダ径を変えてコンパウンドにしているもの 車が輸入された.一方を高圧シリンダとし,他方を や,図 8 に示すように,外国では 4 気筒にして内側 低圧シリンダとする場合が多い.箱根など勾配が厳 シリンダと外側シリンダで低圧と高圧を使い分けて しい路線に投入された.日本では輸入したものは少 いるものがある. しあるが,国産はされなかった.前の台車は本体か 日本で 2 気筒ではない数少ない国産機関車は,幹 ら切り離されて首を振るので,蒸気を送る管には複 線で特急列車を引いて活躍した 3 気筒の C 53 と, 雑な構造の球面継手が必要となり,保守も難しい. これを作るため参考として輸入した機関車 8200(C このため,日本ではマレー式は根付かなかった. 52)がある.ただし,これはコンパウンドではな く,蒸気圧が等しい単式である.図 9 のように中央 に斜めに 1 気筒配置されているが外からはほとんど ― 63 ― 3.走行装置 3. 1 イコライザー 機関車には動輪や先台車,従台車があり,多くの 車輪でその重量が支えられている.これらの車輪は 接地性を良くするためばねで支えられているが,伸 図 11 イコライザ びたばねのところは荷重が少なくスリップしやす い.そこで図 11 に示すような車輪の荷重を均等化 するイコライザが適用されている.前後の車輪の板 ばねをリンクで結び天秤のように一点で支える.こ 図 12 れにより接地力は均等化される.結合される車輪は ワイパーブレードのイコライザ機構 2 つの領域に分けられ,つまり 3 点支持となって安 定化するのである.イコライザはばねがない場合も 接地力を均等化する効果があり,自動車では図 12 に示すように,ワイパーのゴムをウインドシールド に密着させるために応用されている. 接地力を均等化するイコライザ(equalizer)は, 図 13 先台車 ばねを使わず簡単な構造で実現できるサスペンショ ン機構として強く印象に残った技術である. 3. 2 先台車と従台車 図 13 に示すように,動輪の前後に小径の先台車 や従台車を置くことがある.その車輪の数や配置は 車両形式により異なるが,目的は機関車の重量を分 図 14 散して軸重を減らすことと,カーブで動輪のフラン 復元機構 ジにかかる横荷重を軽減することにある.このた め,台車はイコライザ機構の中に組み込まれ,荷重 の配分を受けている.また,台車には重力やばね力 を利用して車体の中心に戻るような復元力を発生さ 4.その他 4. 1 連結器 せる機構が付いており,これによって車体をカーブ 昔の車両の連結器は,図 15 に示すようにチェー の内側に寄せる効果があるので,動輪のフランジの ンをフックに引っかけ,順ねじと逆ねじを組み合わ レールとの接触力を軽減している.図 14 の左側は せたターンバックルで締め上げるというものであっ 斜面を利用して重力により中心位置に復元する力を た.連結に人手が必要で,時間もかかり作業の危険 発生させる方式,右側は平行リンク機構により復元 も伴った.その後,げんこつのような形の自動連結 力を発生させる方式である. 器が開発された.これは車両を押し当てるだけで結 合ができる. 連結器はどの車両とも結合できることが求められ る.このため,一部の車両だけ新型連結器に変更す ― 64 ― ターンバックル バッファ フランジ 図 16 図 15 双頭レールと T 型レール 車輪は単純な円筒形であったが,レールの進化と 連結器 ともに車輪の内側端面にレールから外れないための 出っ張り(フランジ)が設けられた.動輪の数が多 ると,運用に支障が出る.日本ではいち早く,1925 い蒸気機関車ではカーブを走行するときに中央の動 年 7 月 17 日,たった 1 日だけ列車の運行を全面休 輪のフランジがカーブの内側のレールに強く当た 止して,本州各線の全車両の連結器が同時に一斉に る.このため,中央の動輪だけフランジを無くして 自動連結器に交換された.他国に先駆けて思い切っ いるものもある. た改革を行った歴史的快挙として記録されている. 蒸気機関車では車輪の輪心とタイヤは組み立て式 従来のねじ式連結器はばねが内蔵されたバッファ になっているものが一般的である.輪心はスポーク を押し当てることで車両間のガタつきを除いてい 式からボックス式になった.軽量で強度が高い構造 る.自動連結器は連結作業を簡単で素早くできるよ である. うにした功績は大きいが,連結器の間にすき間があ るのでガタつきがあり,車両の間に小さな衝突が生 5.まとめ じて乗り心地が良くない欠点がある.現在は連結器 蒸気機関車の魅力を機構の面から解説した.蒸気 が密着する改良型自動連結器が開発され,電車には 機関車は産業の発展時期に進化し,社会の発展に大 これが適用されている. いに寄与した.しかし,私には機構の宝庫としての 魅力が大きい.すでに役割を終えた機械ではある 4. 2 が,先人の知恵がここかしこに見える.この知恵を レールと車輪 現在のレールは図 16 の右側に示すように,上部 借りて,今後の研究活動に生かしていきたい. が太くて下部が幅広い T 字型をしているが,初期 のレールは L 字型であったり,鉄と木材を重ねた 参考文献 ものであったりした.その後,図 16 の左側に示す 斎藤 ように上下対称で,すり減ったら逆向きに取り付け て 2 度使える鉄製の双頭レールが使われたこともあ 晃 細川武志 片野正巳 蒸気機関車 200 年史,NTT 出版 蒸気機関車メカニズム図鑑,グランプリ出版 1 号機関車から C 63 まで Ltd る.鋳鉄から鋼のレールになって,初めて安定して 蒸気機関車スタイルブック 走行できるレールになった. 蒸気機関車全史①,② ― 65 ― 機芸出版社 学習研究社 NEKO PUB. Co.
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