ラック式鉄道

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ある。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る。これにより、列車は100% (45 度) 以上の急勾配でも運行でき、これは摩擦ベースのレールの最大勾配 10% をはるかに上回る。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、レール上の雪や氷の影響も軽減される。ラック式鉄道のほとんどは山岳鉄道だが、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る。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あり、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走った。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登山鉄道で、1868年に初めて有料の旅客を運びました。 1869年にはワシントン山の山頂まで線路が完成しました。ヨーロッパ大陸初の山岳用ラック式鉄道は、1871年に開通したスイスのリギ山のフィッツナウ・リギ鉄道です。両路線とも現在も運行しています。

ラック システムを使用する路線は、ラック レールが連続しているかどうかによって 2 つのカテゴリに分類されます。ラック レールが連続しており、最初から最後まで歯車駆動を使用している路線は、純粋なラック ラインと呼ばれます。最も急な区間でのみ歯車駆動を使用し、それ以外は通常の鉄道として運行する他の路線は、ラック アンド アドハンシング ラインと呼ばれます。

ラックアンド粘着方式の線路では、列車には、ラックレールの有無に応じて、走行レールの車輪と歯車の両方を介して作用できる推進システムとブレーキシステムが装備されています。ラックアンド粘着方式の線路では、摩擦からラックの牽引への移行をスムーズにするシステムも使用する必要があります。スプリングマウントのラックセクションを使用して、ピニオンの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も発明したロマン・アプトによって発明されました。^[2]

純粋なラック線では、列車の走行レールの車輪は列車を運ぶためだけに使用され、推進やブレーキには寄与しません。推進やブレーキは歯車によってのみ行われます。純粋なラック線では、歯車が常にラック レールに噛み合ったままであるため、遷移システムは必要ありませんが、勾配に関係なく、側線や車両基地を含むすべての線路にラック レールを装備する必要があります。

ラック レールとそれに合う歯車のさまざまなデザインが、長年にわたって開発されてきました。初期の Morgan および Blenkinsop ラック設備の一部を除き、ラック システムでは、ラック レールを走行レールの中間に配置し、走行レールと 同じ枕木または枕木に取り付けます。

ジョン・ブレンキンソップは、平地でも金属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、左側に20歯、直径3フィート（914 mm）の歯車（ピニオン）を取り付け、レールの外側のラック歯（1フィートあたり2歯）と噛み合う蒸気機関車を製造した。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、長さ3フィート（1ヤード、914 mm）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年間使用され続けたが、平地を走る鉄道には単純な摩擦で十分であることがわかったため、珍しいものとなった。^[3]

1860 年代に開発されたフェル山岳鉄道システムは、歯の付いた歯車がないため、厳密に言えばラック鉄道ではありません。むしろ、このシステムでは、線路の急勾配部分で、2 本の走行レールの間に滑らかな隆起したセンター レールを使用し、両側を掴んで摩擦を高めます。列車は、通常の走行車輪だけでなく、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。

米国で最初に成功したラック鉄道は、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。^[4]マーシュは、1861年9月にラック鉄道の一般的なアイデアで米国特許を取得し、 ^[5] 1867年1月には、ラックの歯が2本のL字型の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をしている実用的なラックで特許を取得した。^[6] 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。^[7] 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つの歯がラックとかみ合うようにしている。この対策により、ピニオンがラックから上がって外れる可能性が低減されている。^[1]

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、しかし独立して働いていたニクラウス・リッゲンバッハによって発明された。リッゲンバッハは、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、1863年にフランスの特許を取得した。この間、米国駐在のスイス領事がマーシュのワシントン山登山鉄道を訪れ、スイス政府に熱意を持って報告した。政府はスイスの観光業を盛り上げようと、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を建設した後、 1871年5月22日にフィッツナウ・リギ鉄道が開通した。^[1]

リッゲンバッハ システムは、マーシュ システムと設計が似ています。一定の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 ラックを使用します。リッゲンバッハ システムには、固定ラダー ラックが他のシステムよりも複雑で構築コストが高いという問題があります。

ヴィッツナウ - リギ鉄道の成功を受けて、リッゲンバッハは、自身の設計に基づいたラック機関車を製造する会社、ベルグバーネン国際製造工場(IGB) を設立しました。 ^[1]

アプト式はスイスの機関車技師カール・ロマン・アプトによって考案された。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いた。1885年に彼は自身の土木工学会社を設立した。^[1]

1880 年代初頭、アプトはリッゲンバッハ システムの限界を克服する改良ラック システムを考案しました。特に、リッゲンバッハ ラックは製造と保守に費用がかかり、スイッチも複雑でした。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した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央に取り付けられ、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。^[8]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。^[9]アプト システムは、一定の長さで必要なラックの重量が少ないため、リッゲンバッハ システムよりも構築コストが安くなります。ただし、リッゲンバッハ システムは、アプト システムの耐摩耗性よりも優れています。^[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した。 ^[1]アプト式は、1894年から1896年にかけてウェールズのスノードン登山鉄道の建設にも使用されました。 ^[10] 1893年には、日本国有鉄道によって碓氷峠の横川と軽井沢間の区間で使用されました。

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ます。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別のシリンダーがあります。

アグディオラックシステム^[11]はトマソ・アグディオによって発明された。唯一長く使われたのは、 1884年に開通したサッシ・スペルガ路面電車である。中央ラックの両側に歯車が付いた垂直ラックが使われていた。しかし、そのユニークな特徴は、傾斜の麓にある機関庫から駆動される無限ケーブルによって「機関車」が推進される点であった。1934年にストルブラックシステムを使用するように改造された。^[12]

エドゥアルト・ロッチャーが発明したロッチャーラックシステムでは、レールの上部ではなく側面に歯が切られており、機関車の2つの歯車が噛み合う。このシステムでは、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使用できる。このシステムはピラトゥス鉄道で使用されている。

ロッチャーは、1：2（50%）の急勾配でも使用できるラックシステムの設計に着手しました。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%）に制限されていました。ロッチャーは、アプトシステムでは、アプト博士が予測したように、勾配が急な場合、駆動ピニオンがラックに乗り上げ、壊滅的な脱線を引き起こす可能性があることを示しました。この問題を克服し、ピラトゥス山の急斜面にもラックを並べられるようにするため、ロッチャーは、ラックが対称的な水平歯を持つ平らなバーであるラックシステムを開発しました。ラックの下にフランジが付いた水平ピニオンが中央に取り付けられたバーとかみ合い、機関車を駆動するとともに、機関車を線路の中央に保ちます。

このシステムは、線路への非常に安定した取り付けを提供し、最も強い横風下でも車両が転倒するのを防ぎます。このようなギアは車両を誘導することもできるため、走行輪のフランジもオプションです。このシステムの最大の欠点は、標準的な鉄道スイッチが使用できないことであり、線路の分岐が必要な場所では、 転送テーブルなどの複雑な装置を使用する必要があります。

テストの後、ロッチャーシステムは1889年に開通したピラトゥス鉄道に導入されました。他の公共鉄道ではロッチャーシステムを使用していませんが、ヨーロッパのいくつかの炭鉱では急勾配の地下鉄線で同様のシステムを使用しています。^[1]

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、約100 mm (3.9インチ) 間隔でラックの歯がヘッドに機械加工された、平底のロール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、ブレーキとして機能します。^{[1] 1898年に付与されたストラブの米国特許には、ラックレールが}分岐器 のメカニズム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。^[13]

シュトル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]

ストラブはメンテナンスが最も簡単なラックシステムであり、ますます人気が高まっています。^[14]

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ました。 ^[15] モーガンはその後、より重い機関車を開発し^[16]、JHモーガンと共同でこのシステム用の分岐器を開発しました。^[17] 1904年、彼は簡素化されながらも互換性のあるラックの特許を取得し、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とかみ合うようになりました。^[18] 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ました。^{[19] [20]} 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ました。^[15] モーガンの初期の設備の写真がこれを示しています。^[21] モルガンラックが第三軌条電力に使用されない場合は、簡素化されたラックマウントシステムを使用することができ、 ^[22]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。^[23] モルガンラックは最大16パーセントの勾配に適していました。^[24]

グッドマン・エクイップメント社は、鉱山鉄道用にモルガンシステムの販売を開始し、特に地下の勾配が急な場所で広く使用されるようになった。^{[25] [26] [27]} 1907年までに、グッドマンは英国市場にサービスを提供するためにウェールズのカーディフ に事務所を構えた。 ^[21] 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・コール・アンド・コークス社は、自社の鉱山に35,000フィート (10,700 m) のモルガン・ラック/サード・レール軌道を設置した。^{[28] 1905年から1906年の間に、マンモス・ベイン・コール社は、最大勾配16%の}アイオワ州エベリスト の2つの鉱山に8,200フィート (2,500 m) の動力付きラックを設置した。^[29]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メートル）のグッドマンラックを保有していた。^[30] モルガンシステムは、米国の鉄道会社であるシカゴトンネルカンパニーで限定的に使用されていた。シカゴトンネルカンパニーは狭軌貨物輸送会社で、シカゴ湖畔の地上廃棄物処理場までの路線に急勾配が1つあった。^[31]

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にフォンロール社によって開発された。これは、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が使用されない限り、リッゲンバッハ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。鉄道によっては、複数のシステムのラックを使用しているところもある。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、ストルブ、ラメララックのセクションがある。^[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採用している。^[1]

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、接着に十分平坦なセクション（たとえば峠の頂上）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、駆動にラックを使用する他のシステム（従来のレールの車輪は駆動されない）では、代わりにラックレールを切り替える必要があります。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。ラックが走行レールより上にあれば、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ました。^{[13]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複雑なベル クランクとプッシュ ロッドのセットを使用しました。ラックの 1 つの中断は 2 つのルートを選択するために必要であり、2 つ目の中断はラック レールが走行レールと交差する場所で必要でした。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ほとんどには、ラックの中断を避けるために可動ラック セクションが含まれていましたが、^{[17] [20]}モーガンの機関車にはすべて 2 つの連結された駆動ピニオンがあったため、連続したラックは不要でした。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ます。^[15]

ラックが走行レールの高さかそれ以下にある場合、分岐器ははるかに複雑になります。マーシュの最初のラック特許にはそのような配置が示されており、^[5]彼が建設したオリジナルのマウント・ワシントン鉄道には分岐器がありませんでした。この線路に分岐器が建設されたのは 1941 年になってからでした。^[32]この線路にはさらに多くの分岐器が建設されましたが、すべて手動でした。2003 年には、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ました。新しい分岐器が成功したため、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ました。2007 年にマウント・ワシントン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 テーブルです。^[33]ロッチャー ラックにもトランスファー テーブルが必要です。

もともと、ほとんどすべての登山鉄道は蒸気機関車で動いていました。蒸気機関車は、この環境で効果的に作動するためには、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、その動力装置 (この場合はボイラー) がかなり水平になっている場合にのみ作動します。機関車のボイラーでは、ボイラー管と火室シート、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。これが水で覆われていない場合、火の熱で柔らかくなり、ボイラーの圧力に耐えられなくなり、壊滅的な故障につながります。

急勾配のラック システムでは、ボイラー、運転室、および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。これらの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線路全体を勾配上に敷設する必要があります。これが、ラックレールウェイが最初に電化された理由の 1 つであり、今日のラック レールウェイのほとんどが電動である理由の 1 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ボイラーを使用できることもあります。

ラックのみの鉄道では、安全上の理由から、機関車は常に客車より下向きになっています。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つかむフックやクランプが付いていることがよくあります。一部の機関車には、速度が速すぎる場合に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向かって押し下げられるため、機関車と列車の間には連結器がないことがよくあります。電気で動く車両には、電磁軌道ブレーキが付いていることもよくあります。

ラック式鉄道を走る列車の最高速度は非常に低く、勾配と推進方法に応じて、通常時速 9 ～ 25 キロメートル (5.6 ～ 15.5 マイル) です。スキーチューブの勾配は通常よりも緩やかなので、速度は通常よりも速くなります。

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ある。運行、機関車、歴史はスノードン山岳鉄道に基づいている。『 Mountain Engines 』という本に登場している。スロバキアのシュトルブスケー・プレソ・ラック式鉄道は、ジャネット・エヴァノヴィッチとスティーブ・ハミルトンの『The Bounty』に登場している。

ウィキメディア・コモンズには、ラック鉄道輸送に関連するメディアがあります。

• Liste der Zahnradbahnen (ドイツ語)
• スイス鉄道情報
• マウントワシントン鉄道会社
• マニトウ・アンド・パイクスピーク鉄道
• ウィンチェスター、クラレンス編 (1936)、「ラックレール機関車」、世界の鉄道の驚異、pp. 804-808ウェトリを含む様々なタイプのラックレールシステムの図解説明
• モンタンヴェール鉄道写真アルバム