ラック式鉄道
ピラトゥス鉄道は、最大勾配 48%、平均勾配 35% で、世界で最も急なラック式鉄道です。
ストラブシステムにおけるラックとピニオンの機能

ラック式鉄道（ラック・アンド・ピニオン鉄道、コグ鉄道、歯車鉄道とも呼ばれる）は、通常走行レールの間に歯付きのラック レールを備えた急勾配の鉄道です。列車には、このラック レールとかみ合う1 つ以上の歯車またはピニオンが取り付けられています。これにより、列車は摩擦ベースのレールの最大勾配 10% (5.7 度) をはるかに上回る 100% (45 度) 以上の急勾配でも運行できます。ラック・アンド・ピニオン機構により、ブレーキの制御も向上し、レールにかかる雪や氷の影響も軽減されます。ラック式鉄道のほとんどは山岳鉄道ですが、都市環境の急勾配を克服するために建設された交通鉄道や路面電車もいくつかあります。最初の歯車式鉄道は、イギリス、イングランド、ウェストヨークシャーのミドルトンとリーズを結ぶミドルトン鉄道で、 1812年に最初の商業的に成功した蒸気機関車サラマンカが運行されました。この機関車には、1811年にジョン・ブレンキンソップが設計し特許を取得したラック・アンド・ピニオン方式が使用されていました。[ 1 ]

最初の山岳用ラック式鉄道は、米国ニューハンプシャー州のワシントン山コグ鉄道で、1868年に初めて有料の旅客を運びました。ワシントン山の山頂まで到達する線路は1869年に完成しました。ヨーロッパ大陸で最初の山岳用ラック式鉄道は、スイスのリギ山にあるフィッツナウ・リギ鉄道で、1871年に開通しました。両路線とも現在も運行しています。

歴史

異なるラックシステム：左から、リッゲンバッハ、ストラブ、アプト、ロッヒャー

長年にわたり、ラックレールとそれに合う歯車の様々な設計が開発されてきました。初期のモーガン社製ラックとブレンキンソップ社製ラックの一部を除き、ラックシステムでは、ラックレールは走行レールの中間に配置され、走行レールと 同じ枕木または枕木に取り付けられます。

ブレンキンソップ（1812）

片方のレールの外側にのみ歯があるブレンキンソップ ラック アンド ピニオン

ジョン・ブレンキンソップは、平地でも金属製のレールに金属製の車輪を載せると摩擦が低すぎると考え、1812年にミドルトン鉄道向けに蒸気機関車を製作した。機関車は左側に20歯、直径3フィート（914mm）の歯車（ピニオン）を備え、レールの外側のラック歯（1フィートあたり2歯）と噛み合う構造で、金属製の「フィッシュベリー」エッジレールとサイドラックは3フィート（1ヤード、914mm）の長さで一体鋳造されていた。ブレンキンソップのシステムはミドルトン鉄道で25年間使用されたが、平地を走る鉄道では単純な摩擦で十分であることが判明したため、珍奇な存在となった。[ 2 ]

フェル（1860年代）

1860年代に開発されたフェル山岳鉄道システムは、歯付きの歯車がないため、厳密にはラック式鉄道ではありません。むしろ、このシステムは、線路の急勾配区間において、2本の走行レールの間に滑らかな隆起したセンターレールを設け、その両側をグリップすることで摩擦力を高めています。列車は、通常の走行輪に加え、センターレールに水平に押し付けられたシューによって車輪で駆動、またはブレーキをかけられます。

マーシュ（1861）

マーシュラックアンドピニオンシステム

アメリカ合衆国で最初に成功したラック式鉄道は、シルベスター・マーシュが開発したワシントン山鉄道である。[ 3 ]マーシュは、1861年9月にラック式鉄道の基本的アイデアに関する米国特許を取得し、 [ 4 ] 1867年1月には、ラックの歯が2本のL字型錬鉄製レールの間に梯子の横木のように配置されたローラーの形状をしている実用的なラックの特許も取得した。[ 5 ] ワシントン山でのマーシュ・ラックの最初の公開試験は、1866年8月29日に行われたが、当時は線路は402メートル（1/4マイル）しか完成していなかった。ワシントン山鉄道は1868年8月14日に一般公開された。[ 6 ] 機関車のピニオンホイールの歯は深く、常に少なくとも2本の歯がラックに噛み合うようになっている。この対策により、ピニオンがラックから上がり、外れてしまう可能性が低減される。[ 1 ]

リッゲンバッハ（1871）

リッゲンバッハラックシステム

リッゲンバッハのラックシステムは、マーシュとほぼ同時期に活動していたが独立して活動していたニクラウス・リッゲンバッハによって発明された。リッゲンバッハは1863年に、スイスの潜在的な支援者の関心を引くために使用した実用的なモデルに基づいてフランスの特許を取得した。この間、米国駐在スイス領事がマーシュのワシントン山登山鉄道を視察し、スイス政府に熱心な報告をした。スイスの観光業を盛り上げようとしていた政府は、リッゲンバッハにリギ山にラック式鉄道を建設するよう依頼した。ベルン近郊の採石場でプロトタイプの機関車と試験線路が建設された後、フィッツナウ・リギ鉄道は1871年5月22日に開通した。[ 1 ]リッゲンバッハのシステムは、マーシュのシステムと設計が似ている。一定間隔で丸棒または角棒で接続された鋼板 またはチャネルで形成されたラダーラックを使用する。リッゲンバッハ方式は、固定式のラダーラックが他の方式よりも複雑で製造コストが高いという問題を抱えていました。フィッツナウ・リギ鉄道の成功を受けて、リッゲンバッハは自らの設計によるラック式機関車を製造する会社、国際鉄道会社（IGB）を設立しました。[ 1 ]

アプト（1882）

スノードン山岳鉄道で使用されているアプトラックシステム

アプト方式は、スイスの機関車技師であるカール・ローマン・アプトによって考案されました。アプトはオルテンのリッゲンバッハ工場で働き、後にIGBラック式機関車会社で働きました。1885年に彼は自身の土木会社を設立しました。[ 1 ] 1880年代初頭、アプトはリッゲンバッハ方式の限界を克服する改良型ラック方式を考案しました。特に、リッゲンバッハのラックは製造と保守に費用がかかり、スイッチが複雑でした。1882年、アプトは垂直の歯が機械加工された頑丈なバーを使用する新しいラックを設計しました。2本または3本のバーがレール間の中心に取り付けられ、ピニオンの歯が互いに回転方向にオフセットされて一致します。[ 7 ]オフセット歯を持つ複数のバーを使用することで、機関車の駆動輪のピニオンがラックと常に噛み合うようになります。[ 8 ]アプト式は、一定の長さ当たりのラック重量が少ないため、リッゲンバッハ式よりも製造コストが安い。しかし、リッゲンバッハ式はアプト式よりも耐摩耗性に優れている。[ 1 ]アプト式が最初に使用されたのは、1885年に開通したドイツのハルツ鉄道であった。 [ 1 ]また、1885年にはディアコプト・カラブリタ鉄道、 1894年から1896年にかけてウェールズのスノードン山岳鉄道でも使用され、 [ 9 ] 1893年には日本政府鉄道によって碓氷峠の横川と軽井沢の間で使用された。今日では大井川鐵道井川線で使用されている。ピニオンホイールは、レールの車輪と同じ車軸に取り付けることも、別々に駆動することもできる。ウェスト コースト ウィルダネス鉄道の蒸気機関車には、ニルギリ山岳鉄道の「X」クラスの機関車と同様に、ピニオン ホイールを駆動する独立したシリンダーがあります。

アグディオ（1884）

アグディオ・ラックシステム[ 10 ]はトマソ・アグディオによって発明されました。唯一長きにわたって使用されたのは、 1884年に開通したサッシ・スペルガ鉄道です。中央のラックの両側に歯車を備えた垂直ラックが採用されていました。しかし、そのユニークな特徴は、インクラインの麓にある機関庫から駆動されるエンドレスケーブルによって「機関車」が駆動される点でした。1934年にストルブ・ラックシステムへと改造されました[ 11 ]。

ロッチャー（1889）

ロッチャーラックシステム（上から見た図）

エドゥアルト・ロッヒャーが発明したロッヒャー ラック システムでは、ギアの歯はレールの上ではなく側面に切られており、機関車の 2 つの歯車と噛み合う。このシステムにより、歯がラックから飛び出す可能性のある他のシステムよりも急勾配での使用が可能になる。このシステムはピラトゥス鉄道で使用されている。ロッヒャーは、1：2 (50%) の勾配で使用できるラック システムの設計に着手した。当時スイスで最も一般的なラック システムであったアプト システムは、最大勾配が 1：4 (25%) に制限されていた。ロッヒャーは、アプト システムは急勾配では駆動ピニオンがラックに乗り上げやすく、アプト博士が予測したように悲惨な脱線を引き起こす可能性があることを示した。この問題を克服し、ピラトゥス山の急斜面に沿ってラックを並べられるようにするために、ロッヒャーは、対称的な水平の歯を持つ平らな棒をラックとするラック システムを開発ラックの下にフランジが付いた水平ピニオンが中央のバーに噛み合い、機関車を駆動するとともに線路の中央に保つ。このシステムにより線路への接続が非常に安定し、最も強い横風を受けても車が転倒するのを防ぐことができる。このような歯車は車を導くこともできるので、走行輪にフランジが付いているかどうかもオプションである。このシステムの最大の欠点は、標準的な鉄道分岐器が使用できず、線路を分岐させる必要がある場合は転送テーブルなどの複雑な装置を使用する必要があることである。試験の後、ロッハーシステムは1889年に開通したピラトゥス鉄道に導入された。他の公共鉄道ではロッハーシステムは採用されていないが、ヨーロッパのいくつかの炭鉱では急勾配の地下鉄道で同様のシステムを採用している。[ 1 ]

ストラブ（1896）

ストラブシステムラックを使用したパノラミック・デ・ドームのラック式鉄道線路

ストラブラックシステムは、 1896年にエミール・ストラブによって発明されました。このシステムでは、ラックの歯が約100 mm（3.9インチ）間隔でヘッドに機械加工された、平底の圧延レールが使用されています。機関車に取り付けられた安全ジョーがヘッドの下側に噛み合って脱線を防ぎ、ブレーキとしても機能します。[ 1 ] ストラブが1898年に取得した米国特許には、ラックレールが分岐器の機構とどのように統合されているかの詳細も含まれています。[ 12 ]ストラブシステムが最もよく知られているのは、スイスのユングフラウ鉄道です。[ 1 ]ストラブは保守が最も簡単なラックシステムであり、ラメララック（下記参照）を使用することでますます人気が高まっています。[ 13 ]

モーガン（1900）

モーガンラックの非動力型（1919年のグッドマンカタログより）

1900年、シカゴのECモーガンは、リッゲンバッハのラックと機械的には類似しているが、ラックは電気機関車に動力を供給するための第3の軌条としても使用されるラック式鉄道システムの特許を取得した。 [ 14 ] モーガンはさらに重い機関車を開発し[ 15 ]、JHモーガンと共にこのシステムの分岐器を開発した。[ 16 ] 1904 年、彼は、エンジンピニオンの歯が棒状のセンターレールに開けられた四角い穴に噛み合う、単純化されているが互換性のあるラックの特許を取得した。[ 17 ] JHモーガンは、このラックシステムで使用するためのいくつかの代替分岐器設計 の特許を取得した。 [ 18 ] [ 19 ] 興味深いことに、モーガンは、線路に沿って歩く歩行者や動物がスムーズに通れるように、ラックを中心からずらすことを推奨した。[ 14 ] [ 20 ] モルガンラックが第三軌条電力に使用されていないときは、簡素化されたラックマウントシステムを使用できます[ 21 ]また、モルガンラックは路面電車に興味深い可能性を提供しました。[ 22 ] モルガンラックは最大16 %の勾配に適していました。[ 23 ]グッドマン・エクイップメント・カンパニーは、鉱山鉄道用にモルガンシステムの販売を開始し、特に地下で急勾配がある場合に広く使用されました。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] 1907年までに、グッドマンはイギリス市場にサービスするため、ウェールズのカーディフにオフィスを構えました。 [ 20 ] 1903年から1909年の間に、ウェストバージニア州ローリー郡のマッケル石炭コークス社は、鉱山に35,000フィート (10,700 m) のモルガンラック/第三軌条線を設置しました。[ 27 ] 1905年から1906年にかけて、マンモス鉱脈石炭会社はアイオワ州エバリスト にある2つの鉱山に8,200フィート（2,500 m）の動力ラックを設置し、最大品位は16％でした。[ 28 ]ペンシルベニア州グリーンウォルド のドノホーコークス社は1906年に鉱山に10,000フィート（3,050 m）のグッドマンラックを設置しました。[ 29 ] モーガンシステムは、1つの一般的な運搬船に限定的に使用されました。アメリカ合衆国の鉄道会社、シカゴ・トンネル・カンパニーは狭軌貨物輸送会社で、シカゴ湖畔の地上トンネル廃棄場までの路線に急勾配が1つあった。[ 30 ]

ラメラ

オーストラリア、ニューサウスウェールズ州のスキーチューブアルパイン鉄道のラメラシステム

ラメラシステム（フォンロールシステムとも呼ばれる）は、ストルブシステムで使用されていた圧延鋼レールが入手できなくなった後、フォンロール社によって開発された。アプトシステムと同様の形状に切断された単一のブレードから形成されるが、通常は単一のアプトバーよりも幅が広い。ラメララックは、元のストルブシステムの特徴であった安全ジョーを使用しない限り、リッゲンバッハシステムまたはストルブシステムで使用するために設計された機関車で使用できる。複数のシステムのラックを使用している鉄道もあり、たとえばスイスのザンクトガレン・ガイス・アッペンツェル鉄道には、リッゲンバッハラック、ストルブラック、ラメララックの区間がある。[ 1 ] 20世紀後半以降に建設されたラック式鉄道のほとんどは、ラメラシステムを使用している。[ 1 ]

スイッチ

ラック式鉄道の分岐器は、ラック式鉄道の技術と同じくらい多様です。スイスのツェントラルバーンやタスマニアのウェストコースト・ウィルダネス鉄道などのオプションのラック式路線では、粘着のために十分に平坦な区間（例えば峠の頂上）でのみ分岐器を使用すると便利です。チューリッヒのドルダーバーン、スロバキアのシュトルブスケー・プレソ、シーニゲ・プラッテ・ラック式鉄道など、ラックで駆動する（従来のレールの車輪は駆動しない）他のシステムでは、ラックレールを分岐器に切り替えなければなりません。ドルダーバーンの分岐器は3本のレールすべてを曲げることで機能し、この操作は2本の列車が中央を通過するたびに毎回実行されます。

ラック システムの形状は、分岐器の構造に大きな影響を与えます。ラメラ システムのようにラックが走行レールより上にあれば、[ 31 ]機関車の駆動ピニオンを通過させるために走行レールを中断する必要はありません。ストラブは米国特許でこれを明確に文書化しています。[ 12 ]ストラブは、ポイント用のスロー ロッドと可動ラック セクション用の 2 つのスロー ロッドをリンクするベルクランクとプッシュ ロッドの複雑なセットを使用しました。2 つのルートを選択するためにラックに 1 つの中断が必要であり、ラック レールが走行レールと交差する場所で 2 つ目の中断が必要でした。モーガン ラック システムの分岐器も同様で、ラックは走行レールより上にありました。モーガン分岐器の特許の大半は、ラックの中断を避けるために可動ラック セクションを含んでいましたが[ 16 ] [ 19ラックの切れ目が機関車の駆動ピニオン間の距離よりも短ければ、走行レールを横切る必要がある場所であればどこでもラックレールを中断することができた。[ 14 ]

ラックが走行レールの高さかそれ以下になると、分岐器ははるかに複雑になる。マーシュの最初のラック特許はそのような配置を示しており、[ 4 ]彼が建設した最初のワシントン山鉄道には分岐器がなかった。この路線に分岐器が建設されたのは1941年になってからだった。[ 32 ]この路線にはさらに多くの分岐器が建設されたが、すべて手動で操作された。2003年に、新しい自動油圧式分岐器が開発され、試作品として基地で建設された。新しい分岐器の成功により、手動式の分岐器に代わる新しい自動油圧式分岐器がさらに建設された。2007年にワシントン山線に設置された新しい分岐器は、基本的にトランスファーテーブルである。[ 33 ]ロッハーのラックにもトランスファーテーブルが必要である。

  • ラック式鉄道の分岐器。分岐器にはラメラ・ラックレールが使用されているが、全体的な設計はストラブが先駆者となった。分岐器の外側の線路にはリッゲンバッハ・ラックレールが使用されている。（シーニゲ・プラッテ鉄道、スイス）
    ラック式鉄道の分岐器。分岐器にはラメラ・ラックレールが使用されているが、全体的な設計はストラブが先駆者となった。分岐器の外側の線路にはリッゲンバッハ・ラックレールが使用されている。（スイス、シーニゲ・プラッテ鉄道）
  • マウント・ワシントン鉄道運行会社、2000年
    マウント・ワシントン鉄道運行会社、2000年
  • マウント・ワシントン鉄道の自動油圧分岐器
    マウント・ワシントン鉄道の自動油圧分岐器

ラックアンド接着またはピュアラック

牽引遷移部

ラックシステムを採用する路線は、ラックレールが連続しているかどうかによって2つのカテゴリーに分類されます。ラックレールが連続しており、全区間で歯車式駆動を採用している路線は、純ラック式路線と呼ばれます。一方、最も急勾配の区間のみ歯車式駆動を採用し、その他の区間は通常の鉄道と同様に運行する路線は、ラック・アンド・アドハンシング式路線と呼ばれます。

ラック・アンド・アドヒージョン方式の路線では、列車はラックレールの有無に応じて、走行輪と歯車の両方を介して作動する推進システムとブレーキシステムを備えています。ラック・アンド・アドヒージョン方式の路線では、摩擦からラック牽引への移行をスムーズにするシステムも必要です。このシステムでは、スプリングで取り付けられたラックセクションがピニオン歯を徐々に噛み合わせます。これは、アプト・ラック・システムを発明したローマン・アプトによって発明されました。[ 34 ]

ラックレールのみの路線では、列車の走行輪は列車の走行のみに使用され、推進力やブレーキ力は歯車によってのみ発揮されます。ラックレールのみの路線では、歯車が常にラックレールに噛み合っているため、転轍装置は不要ですが、勾配に関わらず、側線や車両基地を含むすべての線路にラックレールを設置する必要があります。

車両

かつて、ほぼすべての歯車式鉄道は蒸気機関車によって動力を得ていました。蒸気機関車は、この環境で効果的に機能するためには大幅な改造が必要です。ディーゼル機関車や電気機関車とは異なり、蒸気機関車は動力源（この場合はボイラー）が水平に設置されている場合にのみ動作します。機関車のボイラーは、ボイラー管と火室板、特に火室の金属製上部であるクラウンシートを常に水で覆う必要があります。クラウンシートが水で覆われていない場合、火の熱で軟化してボイラーの圧力に耐えきれず、壊滅的な故障につながります。

急勾配のラック式鉄道では、ボイラー、運転室、そして機関車の上部構造全体が車輪に対して前方に傾いているため、急勾配の線路上ではほぼ水平になります。このような機関車は平坦な線路では機能しないことが多く、そのため保守工場を含む路線全体を勾配上に敷設する必要があります。これが、ラック式鉄道が最初に電化された理由の一つであり、今日のラック式鉄道のほとんどが電動化されている理由の一つです。場合によっては、線路の勾配の影響を受けにくい 垂直型ボイラーを使用することもあります。

ラックレールのみを使用する鉄道では、安全上の理由から、機関車は常に客車より下向きに配置されています。機関車には強力なブレーキが装備されており、ラックレールをしっかりと固定するフックやクランプが付いている場合が多いです。一部の機関車には、速度が上がりすぎると作動して暴走を防ぐ自動ブレーキが装備されています。重力によって客車は常に機関車に押し付けられるため、機関車と列車の間には連結器がない場合が多いです。電気で動く車両には、電磁式の軌道ブレーキが装備されている場合もあります。

歯車式鉄道を走る列車の最高速度は非常に低く、勾配と推進方式によって異なりますが、通常は時速9～25キロメートル（5.6～15.5マイル）です。スキーチューブは通常の列車よりも勾配が緩やかなため、速度は通常よりも速くなります。

フィクションでは

カルディー・フェル鉄道は、W・オードリー牧師の『鉄道シリーズ』に登場するソドー島の架空の歯車式鉄道です。運行、機関車、歴史はスノードン山岳鉄道に基づいており、『 Mountain Engines』にも登場します。

参照

参考文献

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