- トレビシックの1802年式機関車
- ダーリントン鉄道センター・博物館の機関車1号


.jpg/440px-HXD1D_0115@NXH_(20180518091616).jpg)
| シリーズの一部 |
| 鉄道輸送 |
|---|
| インフラ |
| 鉄道車両 |
| 都市鉄道 |
| その他のトピック |
機関車は列車に動力を供給する鉄道車両です。伝統的に、機関車は列車の先頭から牽引していました。しかし、プッシュプル運転が一般的になり、より長く重い貨物列車を追求するために、各社は分散動力、つまり先頭の機関車の制御下で列車の前後と中間地点に配置された1台または複数の機関車を使用するようになっています。[ 1 ]
機関車という言葉は、ラテン語の 「場所から」を意味するloco ( locus「場所」の奪格)と、中世ラテン語の「動きを引き起こす」を意味するmotivusに由来し、1814年に自走式蒸気機関と固定式蒸気機関を区別するために初めて使用された「機関車エンジン」という用語の短縮形です[ 2 ]。 [ 3 ]
機関車が登場する以前は、鉄道の動力源は、人力、馬力、重力、あるいはケーブルシステムを動かす固定式エンジンなど、様々な低技術の手段によって生み出されていました。現在でもそのようなシステムはほとんど残っていません。機関車は燃料(木材、石炭、石油、天然ガス)から動力を得る場合もあれば、外部電源から 電力を得る場合もあります。機関車はエネルギー源によって分類するのが一般的です。一般的なものには以下のものがあります。
蒸気機関車は、主な動力源が蒸気エンジンである機関車です。最も一般的な形式の蒸気機関車には、エンジンで使用する蒸気を発生させるためのボイラーも含まれています。ボイラー内の水は、通常は石炭、木材、または石油などの可燃性物質を燃焼させることで加熱され、蒸気を生成します。蒸気は、機関車の主輪(「動輪」と呼ばれる)に接続された往復ピストンを動かします。燃料と水は、機関車自体に積載された燃料庫とタンク(この配置は「タンク機関車」と呼ばれます)または機関車の後ろにある炭水車(この配置は「炭水車」と呼ばれます) で牽引されて運ばれます
最初の本格的な動く鉄道用蒸気機関車は、 1802年にリチャード・トレビシックによって製造された。イギリスのシュロップシャーにあるコールブルックデール製鉄所向けに製造されたが、そこで動いた記録は残っていない。[ 4 ] 1804年2月21日、別のトレビシックの機関車がマーサー・ティドフィルのペニダレン製鉄所から南ウェールズのアバーカノンまで列車を牽引し、史上初の蒸気機関車で鉄道の旅が行われた。 [ 5 ] [ 6 ]アンドリュー・ヴィヴィアンが同行し、成功と失敗が入り混じった運行となった。[ 7 ]この設計には、高圧蒸気の使用を含む多くの重要な革新が取り入れられており、これにより機関車の軽量化と効率化が実現した。
1812年、マシュー・マレーのツインシリンダー・ラック式機関車サラマンカが、エッジレールのラック・アンド・ピニオン式ミドルトン鉄道で初めて走りました。[ 8 ]これは一般に最初の商業的に成功した機関車と考えられています。[ 9 ] [ 10 ]もう1台のよく知られた初期の機関車は、ニューカッスル・アポン・タイン近くのワイラム炭鉱向けに技師ウィリアム・ヘドレーによって1813年から1814年にかけて製造されたパッフィング・ビリーです。この機関車は現存する最古のもので、ロンドンの科学博物館に静態展示されています。ジョージ・スチーブンソンは、イングランド北東部のストックトン・アンド・ダーリントン鉄道向けにロコモーション1号を製造しました。これは世界初の公共蒸気鉄道でした。1829年、彼の息子ロバートはニューカッスル・アポン・タインでロケットを製造しましたこの成功により、同社は英国、米国、そしてヨーロッパの多くの地域で鉄道で使用される蒸気機関車の初期の主要な製造業者として頭角を現しました。[ 11 ]スティーブンソンによって建設されたリバプール・アンド・マンチェスター鉄道は、1年後に旅客列車と貨物列車に蒸気動力のみを使用して開通しました。
蒸気機関車は、第二次世界大戦後まで、圧倒的に最も一般的な機関車の種類であり続けました。[ 12 ]蒸気機関車は現代のディーゼル機関車や電気機関車に比べて効率が悪く、運転と整備にかなり多くの労働力が必要です。[ 13 ]イギリス国鉄の統計によると、蒸気機関車の乗務員と燃料のコストは、同等のディーゼル機関車の維持費の約2.5倍であり、1日に走行できるマイルは低いことがわかりました。およそ1950年から1970年の間に、蒸気機関車の大部分が商業サービスから引退し、電気機関車とディーゼル電気機関車に置き換えられました。[ 14 ] [ 15 ]北米では1950年代に、ヨーロッパ大陸では1970年代までに蒸気から移行しましたが、世界の他の地域では、移行は遅く起こりました。蒸気は広く入手可能な燃料を使用する馴染み深い技術であり、低賃金経済においてはコスト格差もそれほど大きくありませんでした。蒸気は20世紀末まで多くの国で使用され続けました。20世紀末までに、世界中で定期的に使用されていた蒸気動力は、ほぼすべて歴史的鉄道のみとなりました。

.jpg/440px-Teplovoz_Eel2_(2).jpg)
内燃機関車は、トランスミッションを介して駆動輪に接続された内燃エンジンを使用します。通常、機関車が停止しているときも走行しているときも、エンジンはほぼ一定の速度で回転し続けます。内燃機関車は、燃料の種類によって分類され、トランスミッションの種類によってさらに細分化されます。
最初の内燃機関鉄道車両は、 1887年にゴットリープ・ダイムラーが製造した灯油を動力とする機関車であったが、[ 16 ]これは積荷を運んでいたため、技術的には機関車ではなかった。
アメリカ西部で最初のガソリン機関車は、 1891年にベスト・マニュファクチャリング・カンパニーによってサンノゼ・アンド・アラムロック鉄道向けに製造されました。この機関車は限定的な成功を収めたのみで、1892年にベスト社に返却されました。[ 17 ]
イギリスで初めて商業的に成功したガソリン機関車は、1902年にモーズレイ・モーター・カンパニーがロンドンのデプトフォード家畜市場向けに製造した、ガソリン・メカニカル式機関車でした。この機関車は80馬力の3気筒垂直型ガソリンエンジンと2速機械式ギアボックスを搭載していました。
1903年、ハンガリーのヴァイツァー鉄道モーターは世界初のガソリン電気機関車となりました。
ディーゼル機関車はディーゼルエンジンで駆動される。ディーゼル推進開発の初期には、様々な伝達システムが採用され、成功の度合いもさまざまであったが、電気伝達が最も普及していた。1914年、ゼネラル・エレクトリック社の電気技師であったヘルマン・レンプが、信頼性の高い直流電気制御システムを開発し、特許を取得した(その後の改良もレンプによって特許取得された)。[ 18 ] レンプの設計は、エンジンと発電機を協調して制御するために単一のレバーを使用したもので、これがすべてのディーゼル電気機関車の制御の原型となった。1917年から1918年にかけて、GEはレンプの制御設計を使用して3台の実験的なディーゼル電気機関車を製造した。[ 19 ] 1924年、ディーゼル電気機関車(E el 2、オリジナル番号 Юэ 001/Yu-e 001)が運行を開始した。この機関車は、ユーリー・ロモノーソフ率いるチームによって設計され、1923年から1924年にかけてドイツのエスリンゲン機械工場で製造されました。5軸(1'E1')の動軸を備えていました。数回の試験走行の後、1925年から1954年までのほぼ30年間、列車を牽引しました。[ 20 ]

電気機関車は、電気のみで駆動する機関車です。走行中の列車への電力供給は、線路に沿って走る(ほぼ)連続した導体によって行われます。この導体は通常、線路沿いの柱や鉄塔、あるいは建物やトンネルの天井から吊り下げられた架空線、線路レベルに設置された第三軌条、または車載バッテリーのいずれかの形態をとります。架空線システムと第三軌条システムはどちらも、走行レールを帰線導体として使用しますが、この目的で別途第四軌条を使用するシステムもあります。使用される電力の種類は、直流(DC)または交流(AC)のいずれかです。

集電方式には様々な種類があります。トロリーポール(車輪またはシューで線路に噛み合う長くて柔軟なポール)、ボウコレクター(長い集電棒を線路に押し付けるフレーム)、パンタグラフ(集電シューを線路に固定された形状で保持するヒンジ付きフレーム)、コンタクトシュー(第三軌条に接触するシュー)などがあります。3つの方式のうち、パンタグラフ方式は高速走行に最適です。
電気機関車では、ほぼ例外なく車軸吊りのトラクション モーターが使用されており、動力車軸ごとに 1 つのモーターが搭載されています。この配置では、モーター ハウジングの片側は、車軸と一体の研磨されたジャーナルに乗る滑り軸受で支持されています。ハウジングのもう一方の側には、台車ボルスターの対応するスロットとかみ合う舌状の突起があり、その目的は、トルク反応装置と支持体として機能することです。モーターから車軸への動力伝達は、モーター シャフトのピニオンが車軸のブル ギアとかみ合う平歯車によって行われます。両方のギアは、潤滑油を含む液密ハウジングに収められています。機関車が使用されるサービスの種類によって、使用されるギア比が決まります。貨物ユニットでは数値的に高い比率が一般的に見られ、旅客機関車では数値的に低い比率が一般的です。
電力は通常、大規模で比較的効率的な発電所で発電され、鉄道網に送電され、列車に配電されます。一部の電気鉄道会社は専用の発電所と送電線を有していますが、ほとんどの電気鉄道会社は電力会社から電力を購入しています。また、配電線、変圧器、配電設備も独自に用意するのが一般的です。
電気機関車は通常ディーゼル機関車よりも20%安く、メンテナンス費用は25~35%低く、運転コストは最大50%安くなります。[ 21 ]


最も初期のシステムは直流システムであった。最初の電気旅客列車は、 1879年にベルリンでヴェルナー・フォン・シーメンスによって発表された。機関車は2.2kWの直巻モーターで駆動され、機関車と3両の車両で構成される列車は時速13kmに達した。4か月間に、列車は長さ300メートル(980フィート)の環状線で9万人の乗客を運んだ。電力(150V直流)は、線路の間にある3本目の絶縁レールを通じて供給された。電気を集めるために接触ローラーが使用された。世界初の電気路面電車の路線は、1881年にドイツのベルリン近郊のリヒターフェルデで開業した。これはヴェルナー・フォン・シーメンスによって建設された(グロース・リヒターフェルデ路面電車およびベルリン・シュトラーセンバーンを参照)。国民電気鉄道は1883年にブライトンで開業し、現存する最古の電気鉄道である。同じく1883年、オーストリアのウィーン近郊でメードリング・ヒンターブリュール路面電車が開通しました。これは架線から電力を供給された世界初の定期運行でした。5年後の1888年、アメリカ合衆国ではフランク・J・スプレーグが設計した設備を用いて、リッチモンド・ユニオン旅客鉄道で電気トロリーが初めて運行されました。[ 22 ]
最初の電気式地下鉄路線は、シティ&サウス・ロンドン鉄道でした。これは、同鉄道の設立法に蒸気動力の使用を禁止する条項があったことがきっかけでした。[ 23 ]同鉄道は1890年にマザー&プラット社製の電気機関車を使用して開業しました。1897年にスプレイグが多重ユニット列車制御を発明したこともあって、電気はすぐに地下鉄の電力供給源として主流となりました。
本線電化は1895年、ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道(B&O)のボルチモア・ベルトラインの4マイル区間で初めて実施された。この区間は、ボルチモアのダウンタウン周辺を巡る一連のトンネルを経由して、B&Oの主要部分とニューヨークへの新線を結んだ。当初は電化区間の南端で3台のBo+Boユニットが使用され、機関車と列車を連結してトンネルを牽引した。[ 24 ]
初期のシステムでは直流(DC)が使用されていましたが、徐々に交流(AC)に置き換えられました。現在では、ほぼすべての幹線鉄道で交流システムが採用されています。直流(DC)システムは、電力需要が少ない地下鉄、ライトレール、路面電車などの都市交通に限られています。

最初の実用的な交流電気機関車は、当時チューリッヒのエルリコンに勤務していたチャールズ・ブラウンが設計した。1891年、ブラウンはラウフェン・アム・ネッカーの水力発電所とフランクフルト・アム・マイン西の間で、三相交流を使用して280kmの長距離送電を実証した。ブラウンは、ジャン・ハイルマンの下で蒸気電気機関車の設計に携わっていたときに得た経験から、三相モーターは直流モーターよりもパワーウェイトレシオが高く、整流子がないため製造と保守が簡単であることに気付いた。[ a ]しかし、当時の直流モーターよりもはるかに大きく、床下台車に搭載することができず、機関車車内にしか搭載できなかった。[ 26 ]
1894年、ハンガリーの技術者カルマン・カンドは、電気機関車用の新型3相非同期電動機と発電機を開発した。この新型3相非同期電動機は、従来の機関車設計の同期電動機よりも効率が良かった。カンドの1894年初頭の設計は、1896年から1898年にかけて建設されたフランスのエヴィアン・レ・バンの短い3相交流路面電車に初めて採用された。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] 1918年、[ 32 ]カンドは回転位相変換器を発明・開発し、高電圧国内ネットワークの単純な産業周波数(50 Hz)単相交流を1本の架空線で給電しながら、電気機関車で3相電動機を使用できるようになった。[ 33 ]
1896年、エリコンはルガーノ路面電車にこのシステムの最初の商用例を導入した。各30トンの機関車には、二重架線から供給される三相750V 40Hzで駆動する110kW(150馬力)のモーターが2台あった。三相モーターは一定速度で回転し、回生ブレーキを提供し、急勾配の路線に適しており、最初の幹線用三相機関車は、1899年にブラウン社(当時はウォルター・ボヴェリと提携)によってスイスの40kmのブルクドルフ-トゥーン線に供給された。機関車用の産業用周波数単相交流電源の最初の実装は、1901年にエリコン社によって、ハンス・ベーン=エッシェンブルクとエミール・フーバー=シュトッカーの設計に基づいて行われた。スイス連邦鉄道のゼーバッハ-ヴェッティンゲン線への直流電源の設置は1904年に完了した。15 kV、50 Hz、345 kW(460 hp)、48トンの機関車は、変圧器と回転変換器を使用して直流牽引モーターに電力を供給した。[ 34 ]
イタリア鉄道は、短区間ではなく幹線全長に電気牽引を導入した世界初の鉄道会社でした。106kmのヴァルテッリーナ線は1902年9月4日に開通し、カンドとガンツ工場のチームが設計しました。[ 35 ] [ 33 ]電気システムは3kV 15Hzの三相交流でした。この電圧は従来のものよりも大幅に高く、電動機と開閉器の新しい設計が必要でした。[ 36 ] [ 37 ]この三相2線式システムは北イタリアのいくつかの鉄道で使用され、「イタリア式システム」として知られるようになりました。カンドは1905年にウェスティングハウス社(Società Italiana Westinghouse)の経営に招かれ、いくつかのイタリア式電気機関車の開発を主導しました。[ 36 ]

バッテリー電気機関車(またはバッテリー機関車)は、搭載されたバッテリーによって駆動される電気機関車であり、バッテリー電気自動車の一種です。
このような機関車は、従来のディーゼル機関車や電気機関車が適さない場所で使用されます。一例としては、電力供給が停止されている電化線路上の保守列車が挙げられます。また、燃焼機関車(蒸気機関車やディーゼル機関車)が閉鎖空間内で火災、爆発、または煙の危険を伴う安全上の問題を引き起こす可能性がある産業施設でも使用されます。バッテリー機関車は、トロリー駆動ユニットが集電シューでアークを発生してガスに引火する可能性がある鉱山や、特にレール継ぎ目部分の供給回路または戻り回路に電気抵抗が生じて地面への危険な漏電が発生する可能性がある鉱山で好まれます。[ 38 ]長距離運行されるバッテリー機関車は、制動エネルギーを吸収しながら充電することができます。[ 39 ]
最初の電気機関車として知られるものは、1837年にアバディーンの化学者ロバート・デイビッドソンによって製造されたもので、ガルバニ電池(バッテリー)で駆動されていました。デイビッドソンは後にガルバニと名付けたより大きな機関車を製造し、1841年にスコットランド王立芸術協会博覧会に出展しました。7トンの車両には、各車軸の木製シリンダーに取り付けられた鉄の棒に作用する固定電磁石を備えた2つのダイレクトドライブリラクタンスモーターと、単純な整流子が搭載されていました。6トンの荷物を時速4マイル(時速6キロメートル)で1.5マイル(2.4キロメートル)の距離を牽引しました。翌年の9月にエディンバラ・グラスゴー鉄道で試験されましたが、バッテリーからの限られた電力のために一般使用はされませんでした。 [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
もう一つの例は、アラスカ州ラトゥーシュのケネコット銅鉱山で、 1917年に地下の運搬路が拡張され、 4馬力のバッテリー機関車2台で作業できるようになった。+1⁄2トン。 [ 43 ] 1928年、ケネコット・カッパー社は、車載バッテリーを搭載した700シリーズ電気機関車を4両発注した。これらの機関車の重量は85トンで、750ボルトの架空電車線で動作し、バッテリー駆動時は走行距離がかなり長かった。 [ 44 ]機関車はニッケル鉄電池(エジソン)技術を使用して数十年に渡って運行された。バッテリーは鉛蓄電池に置き換えられ、機関車はその後まもなく引退した。4両すべてが博物館に寄贈されたが、1両はスクラップにされた。その他の機関車は、アイオワ州のブーン・アンド・シーニック・バレー鉄道とカリフォルニア州リオ・ビスタの西部鉄道博物館で見ることができる。トロント交通委員会は、1968年に日本車輛によって製造され、2009年に引退したバッテリー電気機関車を運行していた。 [ 45 ]
ロンドン地下鉄では、一般的なメンテナンス作業のために定期的にバッテリー電気機関車を運行しています。
1950年代初頭、ユタ大学のライル・ボーストは、米国の様々な鉄道会社や鉄道メーカーから資金提供を受け、搭載された原子炉で蒸気を発生させて発電する電気駆動機関車の実現可能性を研究しました。当時、原子力は十分に理解されておらず、ボーストはウランの価格が大きな障害であると考えていました。ボーストの原子力機関車では、中央部に200トンの原子炉室と、事故の際に放射能の放出を防ぐための厚さ5フィートの鋼鉄壁が備え付けられる予定でした。彼は、7000馬力のエンジンを搭載した原子力機関車の製造コストを1台あたり約120万ドルと見積もりました。[ 46 ]その結果、搭載された原子力発電機を搭載した列車は、法外なコストのために一般的に実現不可能と見なされました
2002年、ケベック州ヴァルドールで、3.6トン、17kWの水素(燃料電池)駆動の鉱山用機関車が初めて実演されました。2007年には、台湾の高雄で教育用ミニハイドロレールが運行を開始しました。レールパワーGG20Bは、燃料電池電気機関車のもう一つの例です

2種類以上の動力源を使用するハイブリッドまたはデュアルモード機関車には、様々な種類があります。最も一般的なハイブリッド機関車は、電源または搭載されたディーゼルエンジンのいずれかで駆動する電気ディーゼル機関車です。これらは、部分的に電化されている路線を連続的に走行するために使用されます。例としては、EMD FL9やボンバルディアALP-45DPなどが挙げられます。
鉄道輸送における機関車の主な用途は、旅客列車、貨物列車の牽引、そして入換(イギリス英語:入換) の3つです
貨物機関車は通常、高い始動牽引力と高い持続出力を発揮するように設計されている。これにより、長く重い列車を始動・牽引することができるが、最高速度は比較的低くなる傾向がある。旅客機関車は通常、始動牽引力は低いが、旅客列車の運行スケジュールを維持するために必要な高速で運行することができる。旅客列車と貨物列車の両方を牽引することを目的とした混載機関車(米国英語:general purpose locomotives、またはroad switcher locomotives)は、貨物機関車ほど始動牽引力は高くないが、旅客列車よりも重い列車を牽引することができる。
ほとんどの蒸気機関車は往復動エンジンを搭載しており、ピストンはコネクティングロッドを介して駆動輪に連結されており、ギアボックスは介在していません。そのため、始動時の牽引力と最高速度の組み合わせは、駆動輪の直径に大きく左右されます。貨物輸送用の蒸気機関車は、一般的に旅客用機関車よりも駆動輪の直径が小さくなっています。
ディーゼル電気機関車および電気機関車では、主電動機と車軸間の制御システムが、貨物輸送または旅客輸送のためにレールへの電力出力を調整します。旅客機関車には、ヘッドエンド電源(ホテル電源または電車電源とも呼ばれる)や蒸気発電機などの他の機能が搭載されている場合があります。
一部の機関車は急勾配鉄道での使用に特化して設計されており、広範な追加ブレーキ機構や、場合によってはラック・アンド・ピニオン機構を備えています。急勾配のラック・アンド・ピニオン鉄道用に製造された蒸気機関車は、ボイラーが機関車フレームに対して傾斜していることが多く、急勾配でもボイラーがほぼ水平に保たれます。
一部の高速列車には機関車も使用されています。一部の高速列車はプッシュプル編成で運行され、列車のもう一方の端にはトレーラー制御車が連結されています。トレーラー制御車のキャビンは、機関車と同じ設計になっていることが多いです。従来型の機関車を搭載したこのような列車の例として、レールジェットやインターシティ225が挙げられます。
また、すべてのTGV、多くのTalgo (250 / 350 / Avril / XXI)、一部のKorea Train Express、ICE 1 / ICE 2 、インターシティ 125などの多くの高速列車は、専用の動力車を使用しています。これらの動力車には乗客用の場所がなく、技術的には特別な片側のみの機関車です。従来の機関車との違いは、これらの動力車は列車の不可欠な部分であり、他の種類の客車と一緒に運転するには適していないことです。一方、新幹線ネットワークなどの多くの高速列車では、機関車が使用されません。機関車のような動力車の代わりに、電動機と動力機器も備えた客車である電車(EMU) またはディーゼル機関車 (DMU) が使用されます。機関車のような専用の動力車を使用することで、乗り心地が向上し、電気機器が少なくて済みます。[ 47 ] しかしEMUは車軸重量が軽いためメンテナンスコストが削減され、またEMUは加速性が高く座席数も多い。[ 47 ]また、 TGV PSE、TGV TMST、TGV V150 などの一部の列車では、非旅客用動力車と追加の旅客用モーター車の両方が使用されている。
機関車は、以下のような特定の役割を担うことがあります。
機関車の車輪配置は、車輪の数を表します。一般的な方法には、AAR 車輪配置、UIC 分類、およびWhyte 表記システムがあります。
20世紀後半には、リモートコントロール機関車が入換作業に使用され始め、機関車運転室の外にいるオペレーターによって遠隔操作されるようになりました。主な利点は、1人のオペレーターが穀物、石炭、砂利などの車両への積み込みを制御できることです。さらに、同じオペレーターが必要に応じて列車を移動させることもできます。そのため、機関車への積み込みや積み下ろしにかかる時間は、従来の約3分の1に短縮されます
南ウェールズの町が、蒸気機関車発明200周年を記念する数ヶ月にわたる祝賀行事を開始した。マーサー・ティドフィルは、1804年2月21日、リチャード・トレビシックが高圧蒸気機関車を地元の鉄工所の路面電車のレールに載せ、世界を鉄道時代へと導いた場所である。
エヴィアン・レ・バンの感動
ウィキメディア・ コモンズにおける機関車関連メディア