固定フレーム電気機関車

固定フレーム電気機関車は、電気機関車設計の第一世代の一部です。これらの初期の機関車の牽引モーター、特に交流モーターは、車軸に直接取り付けるには大きすぎて重すぎたため、フレームに搭載されていました。1900 年頃の幹線電気機関車の最初の最も単純な車輪配置の 1 つは、UIC 分類の 1′C1′ 配置でした。

これらの機関車の中には、蒸気機関車のように駆動輪が連結棒で連結されているものもあった。また、後に普及したように、車軸ごとに個別のモーターを備えたものもあった。

世紀半ばまでに、機関車の台車配置がより一般的になり、小型の入換機関車を除いて、剛性フレームの機関車は現在では珍しいものとなっている。

1′C1′ は、連結された 3 つの駆動輪と、先頭と末尾の連結式ポニー台車の車輪配置を持つ鉄道機関車のUIC 分類です。駆動輪は外部の連結ロッドによって連結されています。

この説明は、電気機関車設計の初期の数十年間の機関車に最もよく当てはまります。当時は、トラクションモーターが固定フレームに取り付けられ、連結されたすべての駆動輪を駆動していました。高速旅客サービスを可能にするために、先頭のポニー トラックが追加されました。電気機関車の利点は、運転席を 2 つ簡単に設置できるため、終点で方向転換する必要がなくなり、車輪の配置が対称的になり、両方向に同じようにスムーズに走行できることです。

これに相当するのは2-6-2 ^[i]または2-6-2T プレーリー配置の蒸気機関車は長い間人気がありました。最初のものは1875年の南アフリカケープ政府鉄道2nd Class 2-6-2TTでした。GWR PrairiesやStandard Class 2などの2-6-2Tクラスの製造は、蒸気機関車のほぼ終焉まで続きました。

これらのプレーリーの多くはタンク機関車で、どちらの方向にも同じように走行することができました。これは、車輪の配置が対称的だったおかげです。これらは、ターンテーブルで機関車を回転させずに、都市の終点駅で素早く方向転換する必要のある郊外の旅客サービスによく使用されました。非常に強力な機関車が使用されましたが、駅間の加速性能は良好で、急行機関車のような持続的な速度や燃料容量は必要ありませんでした。

この最初の 1′C1′ 配置は、初期の電気機関車でのみ一般的でした。これは、1900 年から 1920 年にかけて、主にイタリアの初期の交流機関車で使用されました。イタリアの鉄道は、ハンガリーのKálmán Kandóの設計に基づいて、低周波三相交流システムで電化を開始していました。これらは、直径 2 メートルの大型モーターを使用していました。これは、機関車に必要なモーターが 1 つまたは 2 つだけで十分なほど強力でしたが、直径が大きすぎたため、車軸への駆動用に簡単に取り付けることができませんでした。したがって、Kandó はモーターを弾性スプリングにフレームマウントし、車輪への駆動には連結ロッドを使用しました。 ^[1]

これらの機関車の最初のものは、1902年のヴァルテッリーナ線の電化のために作られたイタリアのRA361（後にFSクラスE.360）でした。^[2]

これらの初期の小型機関車では、出力が十分に低かったため、両方のモーターを単純な剛性のある三角形の連結ロッドで中央の車軸のクランクピンに連結することができました。二次ロッドが他の車輪に駆動を伝えました。モーターはフレームにしっかりと取り付けられていたため、中央のクランクピンには三角形のロッドに垂直スライド機構があり、サスペンションの移動が可能でした。^[1]これらの2つのモーターはそれぞれ600 bhpの定格で、重量は8.2トンで、機関車の総重量の40%を占めていました。^[3]

1′C1′配置は小型旅客用機関車の標準的なパターンと考えられていたため、1912年にフランスの南国鉄道が12kV 16⅔Hz ACで電化されたとき、ヨーロッパの大手電気機関車メーカーにこのタイプの機関車6両が試験用に発注された。E 3001、E 3101、E 3201、E 3301、E 3401、E 3501である。アメリカのウェスティングハウス社が製造したE 3201のみが成功したと考えられ、 SNCFで1C1 3900として1959年まで運行された。ジュモン社製のE 3401は1′Co1′レイアウトを使用し、車軸ごとに別々のモーターを備えていた。^[4]

これらの試作機から量産型機関車が製造されることになったとき、それらはウェスティングハウスのE 3201の設計に従うことになっていたが、戦争によって大幅に遅れ、2C2 3100として登場した時には、ポニートラックの代わりにボギー台車と、ウェスティングハウスではなくイギリスのディック・カー社製の3つの垂直に取り付けられたモーターを備えた2′C2′設計となっていた。^[4]

運用されていた最後の 1′C1′ 機関車には、スウェーデンのSJ DクラスとDaクラスがある。D クラスは 1925 年から 1943 年にかけていくつかの派生型が製造され、1950 年代半ばには近代化されたバージョンの Da が製造された。どちらも 1990 年頃まで運用されていた。どちらも 1,840 キロワット (2,470 馬力) の牽引モーターを 1 組搭載し、連結ロッド駆動を維持していた。モーターは、他の車軸と同じ高さの 3 番目の等間隔車軸の位置に配置された単一のジャックシャフトにギア接続されていたため、以前の設計のような複雑で重い三角形の駆動装置を必要としなかった。^[5]

1′C1′はディーゼル機関車にはあまり使われなかった。1930年頃の最初の高速ディーゼルエンジンの開発による実用的なディーゼル機関車と、小型の固定フレームの動輪の時代との重なりは短かった。最初のディーゼル入換機関車はCまたは0-6-0の車輪配置だったが^[ii]、ポニー台車を必要とするほど重くも速くもなかった。これらの低出力の入換機関車は、1つの牽引モーターでも間に合うことができた。

より強力な幹線機関車は、車軸ごとに 1 つずつ、複数の牽引モーターを使用しました。これは主に、機関車の発電機が直流電流を生成できるため、よりシンプルで制御しやすい直流モーターを使用できるようになったためです。これらは、大径の多極交流モーターではなく、車軸ごとに使用するために必要な小径で簡単に製造できました。ディーゼル機関車が開発されるにつれて、車軸ごとの牽引モーターの設計が普及し、初期には 1′Co1′ および 1′Do1′ 設計でしたが、後に台車付きのBo′Bo′、次にCo′Co′、さらに重い設計になりました。

まれな例外は、1929年にアルゼンチンのブエノスアイレスグレートサザン鉄道向けに開発されたアームストロング・ウィットワース油圧駆動機関車である。この機関車は、片側から連結棒付きの単一のトランスミッションとジャックシャフト駆動を使用していた。この機関車はトランスミッションの問題で失敗し、1943年に廃棄されるまで数年間使われなかった。^{[7] [8]}

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1′Co1′ の車輪配置も同様でしたが、車輪は連結されるのではなく、各車軸の個別の牽引モーターによって駆動されていました。各車軸が駆動されるため、車軸間の連結ロッド接続は不要になりました。この独立性により、単車軸から始めて、やがて車輪の滑りの問題が生じましたが、初期の機関車では、動力と粘着重量の比率が低かったため、これは問題ではありませんでした。

ディーゼル電気機関車は、連結された 1′C1′ ではなく、独立した牽引モーターを備えた 1′Co1′ 配置を採用しました。これは、最初の電気機関車より数十年後であり、その頃には牽引モーターの技術が発達していたためです。また、機関車に搭載された発電機は、交流ではなく直流を生成できました。この頃には直流の制御はより洗練されており、牽引モーターは 1900 年の交流電気機関車に必要だった大口径である必要はありませんでした。^[9]

イギリス初の幹線ディーゼル機関車は、 1933年にLNER向けに製造されたアームストロング・ホイットワースの800馬力機関車であった。^{[10] [11]}この機関車は成功せず、わずか数年後の1937年に廃棄された。

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1914年にイタリア国鉄は、三相交流機関車の2シリーズ、E.331とE.332を製造した。これらは、より軽量な二次線に適した1′C1′ E.330の発展形となることを目指していた。E.330の重い中央のV字型連結ロッドと近接して配置された一対のモーターは、変圧器と制御装置の両側に設置された2つのモーターに置き換えられ、ハンマーブローを減らすために、より軽いロッドと連結された車輪より後ろに設置された一対のジャックシャフトを使用して、より軽いロッドドライブが採用された。ジャックシャフトを車軸レベルに配置することで、連結ロッドに必要な関節角度が低減したため、古い三角形のロッドの質量や垂直にスロットが設けられたクランクベアリングの必要性が回避された。全体として、往復運動質量のこの低減により、機関車全体が重くなり、端部の張り出しが大きくなるという影響があったため、ポニートラックではなくボギーが必要になった。

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当初の約束の後、シルドン・ニューポート線の石炭輸送における1,500 V 直流電化のために、ノース・イースタン鉄道は後にEE1と分類される大型急行旅客用機関車を発注した。ヨークを通る本線の電化は結局行われなかったが、機関車自体は短期間の試験では成功を収めた。6 フィート 8 インチ (2.032 m) の動輪は異例の大きさで、ダーリントン工場がより慣れ親しんでいた蒸気機関車の慣例に従い、電気機器はマンチェスターのメトロポリタン・ヴィッカースによって供給された。機関車は直流電気機関車としては重く、設計速度が高いことを考慮して、両端に 4 輪台車が使用された。

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1919年から1927年にかけてのアメリカのニューヘイブンEP-2は、1つのボックスキャブ車体の下に2つの1′Co1′サブフレームを結合して、(1′Co1′)+(1′Co1′)機関車を作った。^[12] 2つのフレームが連結されており、上部の車体は構造部品ではなかったため、これは(1′Co1′)(1′Co1′)ではなく(1′Co1′)+(1′Co1′)であり、つまり、1つの構造の下に台車があるのではなく、2つのユニットで連結されていた。2,000馬力で、複数で動作することが多かった以前のEP-1のペアとほぼ同じ出力であったが、より軽量で高速でも安定していた。^[13]

EP-1は、高速走行時の振動や「ノーズ」を防ぐために、Bo'Bo'配置から(1′Bo)(Bo1′)への変更が必要でした。^[13]ポニートラックの同様の使用は、最初からEP-2に設計されていました。しかし、中央の運搬車軸はガイド機能がないため、ほとんど意味がありませんでした。1930年代に追加の機関車、EP-3、その後EP-4が必要になったとき、これらは(2′C)+(C2′)配置を使用し、運搬車軸を両端に移動して2軸ボギーとして使用しました。^[12]

小型の 4 駆動の 1′B1′ レイアウトは一般的には使用されていませんでしたが、スイス狭軌レーティッシュ鉄道には 1912 年に 7 駆動のクラスであるGe 2/4 が1 つありました。これらは低周波交流機関車で、車体に 1 つの反発モーターが搭載されており、ロッドによって下向きに中央のジャックシャフトまで駆動され、次に駆動輪まで駆動されます。

より大型で重い機関車には、車軸荷重を制限しながら十分な粘着力を確保するために、より多くの駆動輪が必要でした。初期の機関車の中にはすでに4つの駆動車軸を備えたものもありましたが、これらはB+B連結式配置か、車軸ごとに別々の牽引モーターと2つの台車を備えたBo′Bo′を使用していました。^[iii]

1′C1′配置を1′D1′に拡張した最初の電気機関車は、1912年のスイスの440キロワット（590馬力）レーティッシュ鉄道Ge 4/6クラスでした。 ^[iv]同じ年、ベルン-レッチュベルク-シンプロン鉄道のBLS Fb 5/7  [de]は、5つの駆動車軸、それぞれ1,250馬力（930kW）の2つのトラクションモーター、および中央車軸への固定三角形ロッドドライブを備えた1′E1′配置を使用しました。当時、これらは世界で最も強力な電気機関車でした。^[15]各モーターの重量は14トンで、12段階のタップ切換器を備えた個別の変圧器によって電源が供給されました。各モーターのタップは交互に変更され、実質的に24段階の制御が行われました。スイスの鉄道では、レーティッシュ鉄道では 11 kV、BLS では 15 kV の低周波単相交流を使用していました。

1922年までに、イタリアの三相システムでは、FSクラスE.431などのより重く強力な1'D1'機関車も使用されていました。これらの機関車はホイールベースが非常に長くなったため、連結に ザラ台車が使用されました。

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米国の電気鉄道は、675 V (ボルチモア) と 660 V (ニューヨーク) の低電圧 DC システムから始まりました。これらの初期のシステムは、整流器、変圧器、または大口径モーターを必要とせず、DC トラクション モーターに直接接続することをベースとしていました。主要都市の終点までのトンネルを通る低速サービスであっても、幹線輸送に十分な電力を供給するには、複数のモーターが必要でした。ボルチモア アンド オハイオ鉄道は、1895 年の当初から連結式の Bo+Bo スティプルキャブを使用していました。これは、幹線電気機関車としては初のもので、それまでの電気式機関車よりも 9 倍以上重く、強力でした。^[14]ただし、ニューヨークセントラル鉄道の S モーターは、 4 つの別々に駆動される車軸と 2 つの先頭台車と末尾台車を備えた単一の固定フレームでした。^[16] 当時のトラクション モーターは、ローターが車軸の周りに取り付けられた、単純なギアなしモーターでした。^[17] 2極バイポーラモーターが使用され、ローターは車軸と車輪でバネで固定され、磁場コイルは固定されていました。ローターの側面に水平方向に2つの極しかないため、ローターはサスペンションとともにそれらの間で上下に自由に動くことができました。

複数モーターの Do 配置は、ロッド駆動の機関車と比較して、強力な AC モーターにもかかわらず、往復運動する質量がないためバランスをとったり衝撃を与えたりすることがないという点で高速走行に有利でした。ギア付きの独立したトラクションモーター駆動が利用可能になると、バネ下重量も軽減され、スムーズな走行が促進されました。多くの機関車がBo′Bo′ボギー配置を採用し、固定フレームを廃止しましたが、一部の高速旅客機関車は 1940 年代までこの配置を維持し、1990 年代まで運用されていました。動輪の直径が大きいため、高速走行がスムーズで、モーターとギアリングに必要な速度が低減しました。フレームに取り付けられたモーターを維持することで、モーターの大型化と冷却用空気の流れのための十分なスペースも確保できました。4 モーターの Do 機関車が 3 モーターの Co 配置よりも優れている点は、4 つのモーターを直列、並列、直並列回路間で簡単に切り替えられることです。これを3モーターの機関車に使用する場合、モーターに二重巻きの電機子が必要でした。

ドイツは戦前にこれらのシリーズ、DRGクラスE 16、E 17  [de]、E 18 (オーストリアÖBB 1018 )、E 19を製造しました。これらは技術的にますます洗練され、最初はブフリ駆動装置を備え、後にカップ駆動装置が採用されました。

これらの最後のE 19に必要な出力は、各車軸に2つのモーターを備えた ダブルトラクションモーター [de]が必要になるほどで​​した。

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1927年のグレート・ノーザンZ-1クラス機関車は1′Do1′レイアウトであったが、実質的には(1′Do1′)+(1′Do1′)の永久連結ペアとして運用された。各機関車は両端に運転台を備えて製造されたが、装備されていたのは片方だけであった。これにより、将来的には独立した1′Do1′機関車として使用することが可能となったが^[18] 、実際にはその必要はなく、 1950年代半ばに ディーゼル化のために廃止されるまで連結されたままであった。

1′Do1′ のあまり知られていないバリエーションであるこの車両は、1 つの駆動車軸と 1 つの支持車軸を備えた台車を形成して、両端の台車を連結します。

(1A)Bo(A1)は数台しか製造されなかった。これらはスイスのBBC  [de]、後のスイス機関車・機械工場のヤコブ・ブフリの作品に由来する。最初は4台のESS 3000  [de]急行旅客機関車で、 1924年にスイスのSLMとBBC  [de]によってジャワ電気鉄道向けに製造された。この形式の連結部 は「ジャワ台車」と呼ばれた。

台車は、ピボット軸がピボット駆動車軸のすぐ後ろにくるように配置されました。車軸は、サスペンションの動きを可能にするためにブフリ駆動装置によって駆動され、ピボットが車軸に非常に近かったため、このリンク機構は台車の動きを吸収することもできました。駆動車軸は所定の位置でねじれますが、横方向にはあまり動きません。

1926年には、後にED54と分類される日本向けのJGRクラス7000  [de] 2両がSLM / BBCで製造され、ブフリ駆動装置を備えていた。これらは、ノーズサスペンション式トラクションモーターを備えた他の日本製機関車と比較して性能が良かったが、複雑で非標準的であると考えられていた。1930年代の日本の文化と、海外から機関車を輸入するのではなく自立したいという需要の高まりにより、これらの機関車はほとんど使用されず、1948年に撤退したが、これは日本の戦後復興の絶頂期であった。^[19]

1928年、 1,500V DCのグレート・インディアン・ペニンシュラ鉄道に、3台の試験用急行旅客機関車が納入された。最初の機関車が最も成功し、続いて21両のGIPR EA/1クラス、後に単独のGIPR EA/2が納入された。これらは非対称で、2′Bo(A1)配置で片側にジャワ台車、もう一方には電気機器を支える4輪台車があった。この電気機器はメトロヴィックが供給したが、機関車はSLMが製造し、ウィンターサー駆動を採用し、各車軸の上に一対の牽引モーターが1つの中央ギアを介して駆動した。高所に取り付けられたモーターは、インドモンスーンの時期に冠水した路線での運行にも有用であることがわかった。

派生的な設計は、ゴッタルド鉄道の急勾配での重量貨物サービス用に製造された1931年のスイスの「ダブル機関車」に使用されました。これらは、(1A)A1A(A1)+(1A)A1A(A1) として2つの連結ユニットで構成されていました。さらに無動力の運搬車軸も提供され、中央のBoグループをA1Aに分割しましたが、これはスイスの低周波交流システム用の変圧器の追加重量のために必要なものでした。これもまた、SBB Ae 8/14  [de]として分類された3台の機関車の小さなクラスに過ぎませんでしたが、3台はそれぞれ異なっていました。最初のものは同じブフリ駆動装置を使用していましたが、2台目からはウィンタートゥールユニバーサル駆動装置が導入され、一対の牽引モーターが単一の中央ギアを介して各車軸を駆動しました。これは連結に簡単に適応できました。これらの機関車の大きさの欠点は、それらを必要とするほど重い列車がほとんどなく、最大限に使用された場合に連結部に過度の負担がかかる危険性があることである。

1941年のスイスSBB Ae 4/6  [de; fr]は、「複式機関車」の半分から派生したもので、両端により近代的な前面が平らな運転台が付いていた。牽引モーターの軽量化により、Java台車とWinterthur駆動装置を備え、中央の運搬車軸を回避した(1A)Bo(A1)レイアウトに戻ることができた。これらもゴッタルド路線での使用が想定されていたが、より柔軟で、軽量の列車には個別のユニットとして使用したり、重量のある列車には複数をペアにして走らせたりできた。これらとAe 8/14はどちらも回生ブレーキを使用していた。これはゴッタルドの急勾配を過熱することなく下るのに役立ち、ネットワークに電力を戻すことにも役立った。Ae 4/6は簡素化された軽量のシステムを備え、ブレーキ時に1つの牽引モーターが他の牽引モーターの励磁機として機能できた。また、変圧器とモーターの巻線には銅ではなくアルミニウムが使用されました。

運用中、Ae 4/6 はいくつかの面で優れた性能を発揮しましたが、接着力の不足と機械的な信頼性の低さという問題がありました。戦時中の製造上のいくつかの側面により、機械的な製造品質が低下し、最終駆動装置の騒音レベルが高くなり、特に車輪のスリップ後にベアリングとギアが故障しやすくなる可能性があります。

オランダのクラスであるNS 1000 も同じメーカーに発注されたが、戦争のため1948年まで遅れた。3両はSLMで製造されたが、残りはオランダの Werkspoor でライセンス生産された。最高時速160キロメートル (99 mph) の旅客用機関車として設計されたが、すぐに高速で使用すると信頼性が低いことが判明し、時速100キロメートル (62 mph) に制限され、主に貨物サービスで運用された。それにもかかわらず、1982年まで運用された。

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固定フレーム電気機関車の最終的な発展は、2'Do2'配置でした。4 輪の台車がポニー台車に取って代わり、高速時の安定性が向上しました。4 つの独立した牽引モーターにより、高出力が可能になりました。2 つのモーターが同じ車軸にギア接続された、ダブル牽引モーター [de]が使用されることもありました。

この編成は、1907年に運行開始から2日後に事故が発生した後、当時T-2として知られていた最初の生産型1′Do1′ニューヨーク・セントラルSモーターズの改造として最初に使用されました。その後、単軸台車ではなくボギー台車を備えた2′Do2′として再建され、元の名前である「Sモーターズ」に改名されました。^[16]

この配置はフランスで使用され、戦前の2D2 5500  [fr] (1929–1943) および関連クラス、そして大幅に改良された戦後の2D2 9100  [fr] (1950) に使用されました。^[20]

1950 年代半ば、WAGR X クラスのディーゼル電気機関車が西オーストラリア鉄道の 3 フィート 6 インチ向けに製造されました。追加の支持車軸により、車軸荷重が 12 トンと低く抑えられ、鉄道網全体で使用できるようになりました。

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スイスの機関車も、2D2 5500に似た大型の4軸機関車、2′Do1′ Ae 4/7（1927–1934）を使用した。^[21]運用期間を考慮すると、これらは最も成功した電気機関車クラスの1つであり、70年間運用された。これらは、以前の3軸2′Co1′クラス、Ae 3/6 I  [de]の発展型であった。これらは両方とも非対称レイアウトで、片側のポニー台車が4輪ボギーに置き換えられていた。スイスの低周波交流システムには、50 Hzシステムと比較して重い主変圧器が必要になるという欠点があり、これらは機関車の片側に取り付けられ、重量を支えるために追加の車軸が必要だった。^[21]

フランス製とスイス製の両方の機関車は、牽引モーターを駆動車軸に連結するためにブフリ駆動装置を使用していました。オリジナルのスイスの駆動装置は、各車軸を駆動するために片側に1つのブフリギアを使用していましたが、フランスの機関車は、摩耗を減らすために車軸の両端にブフリギアを2つ配置した両面駆動装置を使用していました。^{[v] [20]}

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非対称レイアウトは、1918年にシレジア山岳鉄道のプロイセンEP 235  [de]にも採用されていました。これは、大型のオフセット低周波変圧器の重量を支えるためにも使用された、数多くの2′D1′クラスの最初のものでした。 ^{[22]これらは1950年代まで運用されていました。これらの2′D1′クラスは、1912年の1′D1′プロイセンEG 501}  [de]の性能の悪さへの反応として作られた、連接式の2′B+B1′プロイセンEP 209  [de]との比較のために、不本意ながら単一のプロトタイプとして製造されました。

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2′D2′レイアウトの珍しい例として、1955 年に登場したユニークな英国製ディーゼル機械式フェル機関車が挙げられます。

出典

• アレン、G. フリーマン(1962) [1959]。イギリス鉄道の現在と未来(第 3 版)。イアン・アラン。
• Haut, FJG (1970)。電気機関車の図解歴史。Oak Tree Publications。ISBN 0-498-07644-X。
• ホリングスワース、ブライアン、クック、アーサー（2000）。現代の機関車。ISBN 0-86288-351-2。
• パーシャル、HF; ホバート、HM (1907)。電気鉄道工学。ロンドン：アーチボルド・コンスタブル。OL 23297005M  。
• Ransome-Wallis, P. 編 (2001) [1959].世界鉄道機関車百科事典. ドーバー交通. クーリエコーポレーション. pp. 149–150. ISBN 0486412474。
• ソロモン、ブライアン (2003)。電気機関車。Voyageur Press。p. 37。ISBN 1610606264。
• ウェッブ、ブライアン(2010)。アームストロング・ウィットワース: 世界のディーゼル牽引の先駆者。ライトムーア出版。ISBN 9781899889457。