ラインシャフト

ラインシャフトは、産業革命から20世紀初頭まで広く使用されていた動力伝達用の動力駆動回転軸です。各機械に直接接続できるほど小型の電動モーターが広く使用されるようになる前は、ラインシャフトは、大きな中央電源から作業場や工業団地全体の機械に電力を分配するために使用されていました。中央電源には、水車、タービン、風車、動物の力、蒸気エンジンなどがあります。シャフトから機械への電力分配は、ミルワークと呼ばれるベルト、プーリー、ギアのシステムによって行われました。^[1]

外観イメージ
工場でラインシャフトが稼働しているビデオ。

典型的なライン シャフトは、あるエリアの天井から吊り下げられ、そのエリアの長さに沿って伸びます。シャフトの 1 つのプーリーは、建物内の別の場所にある親ライン シャフトから電力を受け取ります。他のプーリーは、各マシンのプーリーまたは後続のライン シャフトに電力を供給します。多数のマシンが同じタスクを実行する製造業では、システムの設計はかなり規則的で繰り返しになります。機械工場や木材工場など、さまざまな方向や電力要件を持つさまざまなマシンがある他のアプリケーションでは、システムはさまざまなシャフト方向とプーリー サイズで不規則で一貫性がありません。シャフトは通常、水平で頭上にありますが、垂直で地下にある場合もあります。シャフトは通常、剛性のある鋼鉄で、フランジでボルトで固定された複数のパーツで構成されています。シャフトは、一定の長さの間隔でベアリング付きのハンガーで吊り下げられます。距離は、シャフトの重量とプーリーの数によって異なります。シャフトは一直線に保たれている必要があります。そうしないと、応力によってベアリングが過熱し、シャフトが破損する可能性があります。ベアリングは通常摩擦型で、常に潤滑しておく必要がありました。ベアリングが凍結したり故障したりしないようにするために、プーリー潤滑担当者が必要でした。

最も初期の用途では、溝付き滑車上のロープのループを使用して滑車間で動力が伝達されました。この方法は今日では非常にまれであり、主に 18 世紀に遡ります。19世紀から 20 世紀初頭にかけては、平らな滑車またはドラム上の平ベルトが最も一般的な方法でした。ベルトは通常、なめし革またはゴムを染み込ませた綿ダックでした。革ベルトは、生皮またはワイヤー レース、ラップ ジョイントと接着剤、または数種類のスチール留め具のいずれかを使用してループに固定されました。綿ダック ベルトは通常、金属製留め具を使用するか、熱で溶かして固定しました。革ベルトは、最高の牽引力を得るために、毛の面を滑車に当てて走行しました。ベルトを良好な状態に保つには、定期的な洗浄と調整が必要でした。ベルトは、多くの場合、脚ごとに 180 度ねじられ、受信側滑車で反転され、2 番目のシャフトが反対方向に回転するようにしました。

滑車は、木、鉄、鋼、またはそれらの組み合わせで作られました。回転速度を変えるために、さまざまなサイズの滑車が併用されました。たとえば、100 rpm の 40 インチの滑車は、200 rpm の 20 インチの滑車を回転させます。シャフトにしっかりと取り付けられた (「固定」) 滑車は、シャフト上で自由に回転する (「緩い」) 隣接する滑車 (アイドラー) と組み合わせることができます。この構成では、ベルトをアイドラーに動かして動力伝達を停止するか、固定滑車に動かして動力を伝達することができます。この配置は、使用していないときに機械の電源を切る手段として、機械の近くでよく使用されました。通常、機械に電力を供給する最後のベルトでは、一対の段付き滑車を使用して、機械のさまざまな速度設定を行うことができます。

速度を変えるために、ベルトや異なるサイズの滑車ではなく、シャフト間のギアが使用されることもあったが、これは比較的珍しいことだったようだ。

ラインシャフトの初期のバージョンは 18 世紀に遡りますが、19 世紀後半には産業化とともに広く使用されるようになりました。ラインシャフトは、製造業、木工所、機械工場、製材所、製粉所で広く使用されていました。

1828年、マサチューセッツ州ローウェルでポール・ムーディは、水車から出る主軸からの動力を金属歯車の代わりに革ベルトで伝達する技術を考案した。この技術革新は急速に米国中に広まった^[2]

平ベルト駆動システムは 1870 年代から英国で普及し、J & E Wood社とW & J Galloway & Sons社がその導入で有名になりました。両社とも固定式蒸気エンジンを製造しており、さらなるパワーと信頼性に対する継続的な需要は、エンジン技術の改善だけでなく、エンジンから織機や同様の機械に動力を伝達する方法の改善によっても満たすことができました。平ベルトの使用は米国ではすでに一般的でしたが、英国ではこの頃までまれでした。利点には、騒音が少なく、以前一般的だった駆動軸とそれに関連するギアリングに固有の摩擦損失によるエネルギーの無駄が少ないことなどがありました。また、メンテナンスが簡単で安価で、パワー ドライブの配置がより便利な方法であったため、1 つの部品が故障しても工場や工場のすべてのセクションの電力が失われることはありません。これらのシステムは、ロープ駆動方式に取って代わられました。^[3]

19 世紀の終わり頃には、1 つの建物内に 1 マイル以上のライン シャフトを備えた工場もありました。

小規模な商店や軽工業に電力を供給するために、特別に建設された「発電所」が建設されました。発電所は中央の蒸気機関を使用し、ラインシャフトを通じてすべての賃貸部屋に電力を分配しました。発電所は電化の初期にも建設され続け、ラインシャフトは使用されていましたが、電動モーターで駆動されていました。^[1]

いくつかの工場が大きくなり複雑になりすぎて、単一の蒸気エンジンで動かすことができなくなったため、「サブ分割」動力システムが使用されるようになりました。これは、ワイヤーの引き抜きや鉄の打ち込みなどの繊細な作業で広範囲の速度制御が必要な場合にも重要でした。サブ分割動力では、蒸気は中央のボイラーから必要な場所にある小型蒸気エンジンにパイプで送られます。しかし、小型蒸気エンジンは大型のものよりはるかに効率が悪かったです。ボールドウィン機関車工場の63 エーカーの敷地はサブ分割動力に変更されましたが、その後、非効率性のため、ラインシャフトを駆動する複数の大型蒸気エンジンによるグループ駆動に変更されました。最終的にボールドウィンは電気駆動に変更し、労力と建物のスペースを大幅に節約しました。^[1]

1900年代初頭の工場の電化により、多くのラインシャフトが電動駆動に転換され始めました。初期の工場電化では大型モーターしか利用できなかったため、新しい工場ではラインシャフトと製材を駆動するために大型モーターを設置しました。1900年以降は小型の産業用モーターが利用できるようになり、ほとんどの新しい設備では個別の電動駆動が使用されました。 ^[4]

1980年代に経済的な方法で精密な電動モーター速度制御が可能になるまで、蒸気タービン駆動のラインシャフトは速度制御の理由から抄紙機の駆動によく使用されていましたが、それ以降、多くのものがセクショナル電動駆動に置き換えられました。 ^[5]電気モーターを使用した経済的な可変速度制御は、シリコン制御整流器（SCR）による直流電流の生成と、インバーターを使用して直流を目的の速度に必要な周波数で交流に戻す 可変周波数駆動によって可能になりました。

ほとんどのシステムは 20 世紀半ばまでに廃止され、21 世紀でも残っているシステムは比較的少なく、元の場所と構成のまま残っているシステムはさらに少ないです。

個別の電動モーターやユニットドライブと比較して、ラインシャフトには次のような欠点があります。^[1]

• ライン シャフトの電力損失は大きく異なり、通常は 25% ですが、それより高くなることもよくあります。ただし、ローラー ベアリングと高品質の潤滑剤を使用すれば、損失を最小限に抑えることができます。ローラー ベアリングと球面ベアリングは、工場の電化が始まる前の 10 年間に普及しました。
• 継続的なノイズ
• メンテナンスコストが高くなりました。
• システムはさらに危険でした。
• 機械的な問題によるダウンタイムが長くなりました。
• 速度を変えるのはそれほど簡単ではありませんでした。
• 工場のレイアウトは、作業の流れに最も効率的な方法ではなく、ラインシャフトへのアクセスを中心に設計されていました。
• 線路シャフトと木工製品は多くのスペースを占め、ボールドウィン機関車工場は電気駆動よりも 40% 多いと見積もっていました。
• シャフトとベルトは照明、天井クレーン、換気ダクトの邪魔になっていた。
• 膨張や収縮、沈下、振動の影響を受ける長いシャフトの場合、システムの調整は重要かつ問題がありました。
• ベルトはほこりを払い落とし、空気中に継続的に循環させます。
• 頭上のシャフトから油が滴り落ちた。

電力に切り替えた企業は、従業員の病欠が大幅に減少し、同じ設備を使用して生産性が大幅に向上しました。1909 年に執筆した^{[場所? ]}で、ジェームズ・ホバートは「あらゆる種類のショップや工場に足を踏み入れると、一見すると建物の隅々までベルトの塊が占めていて、他にはほとんど何も置く余地がないように見える」と述べています。^[6]

ライン シャフトの距離と摩擦の制限を克服するために、 19 世紀後半にワイヤー ロープシステムが開発されました。ワイヤー ロープはライン シャフトよりも高速で動作し、数マイルまたは数キロメートルの距離に機械力を伝達する実用的な手段でした。ワイヤー ロープは間隔が広く直径の大きいホイールを使用し、ライン シャフトよりも摩擦損失がはるかに少なく、初期コストは 10 分の 1 でした。

個々の蒸気エンジンでは実現不可能な小規模な電力を供給するために、中央ステーション油圧システムが開発されました。油圧は、英国の港やヨーロッパの他の地域でクレーンやその他の機械を操作するために使用されました。最大の油圧システムはロンドンにありました。油圧は、ベッセマーの鉄鋼生産 で広く使用されました。

19世紀後半には空気圧動力を供給する中央ステーションもいくつか存在した。^[1]

初期の例としては、 1776年に建設されたベルパーのジェデダイア・ストラットの水力綿糸工場、ノース・ミルがあり、機械を動かす電力はすべて18フィート（5.5メートル）の水車から供給されていました。^[7]

• エラン渓谷 —古い工場にまだ設置された使用不可能なラインシャフト。現在はビジターセンターとして使用されている。
• エレンロード リング ミル — 6 馬力のナショナル石油エンジンからのライン シャフトが、鍛造炉、パワー ハンマー、旋盤、ラジアル アーム ドリル、シェーパーを備えた 1910 年のワークショップのレプリカを駆動します。
• クイーン ストリート ミル、バーンリー — 500 馬力の石炭燃焼蒸気エンジンで駆動する 600 台のランカシャー織機を稼働させるライン シャフト
• シェルズリー水車小屋、シェルズリー ウォルシュ、ウスター、イギリス —部分的に稼働可能な穀物工場
• ストット パーク ボビン ミル、カンブリア、イングランド — ??
• ティーズ コテージ ポンプ場、ダーリントン近郊、イギリス、ダラム州 —完全なオリジナルのメンテナンス ワークショップが稼働状態にあります。
• ウェールズの国立スレート博物館—イギリス本土最大の稼働中の水車が駆動するラインシャフトによって駆動されるオリジナルの装置が今も残っている

• オースティンオルガン、コネチカット州ハートフォード
• 巡洋艦オリンピア、ペンシルベニア州フィラデルフィア —稼働中の機械工場
• イースト ブロード トップ鉄道石炭会社。ペンシルベニア州ロックヒル ファーネス —部分的に稼働中。機械工場、板金工場、木工工場、鍛冶工場、鋳造工場
• カリフォルニア州グラスバレーのエンパイア マイン州立公園機械工場 —工作機械 ??
• ハグレー博物館、デラウェア州ウィルミントン
• ハンフォード ミルズ ミュージアム、イースト メレディス、ニューヨーク —稼働中。製材所、製粉所、木材工場
• クレーゲル風車工場博物館、ネブラスカ州ネブラスカシティ —稼働中、風車工場
• ロングリーフ製材会社/サザンフォレストヘリテージミュージアム、ルイジアナ州ロングリーフ —一部稼働可能、工作機械、製材所
• ミンガス ミル、グレート スモーキー マウンテンズ国立公園、サウス カロライナ —部分的に稼働中、穀物製粉所
• ロック ラン グリスト ミル、サスケハナ州立公園 (メリーランド州)、メリーランド州ハーバー デ グレース —稼働中、水力製粉所
• シエラ鉄道工場/レイルタウン 1897 州立歴史公園、カリフォルニア州ジェームズタウン —稼働中、工作機械、鍛冶屋
• スレーター ミル史跡、ロードアイランド州ポータケット — ??
• トーマス・エジソン国立歴史公園、ニュージャージー州ウェストオレンジ —工作機械??
• WA Young and Sons Foundry and Machine Shop、ペンシルベニア州ライセスランディング —機械工場、鋳造所
• WJ Doran Company、ウィスコンシン州ワウパカ —完全に稼働中。工作機械

• マサチューセッツ州ピッツフィールドのハンコック シェーカー ビレッジ。木工機械を動かすために水力タービンで動く機械工場。
• スミソニアン協会、芸術産業ビル、ワシントン DC —工作機械
• ホワイト リバー バレー アンティーク協会、インディアナ州エノラ —機械および木工工具
• デントン ファームパーク、ノースカロライナ州デントン —工作機械
• シンシナティ歴史博物館、オハイオ州シンシナティ —工作機械
• ハグレー博物館と図書館、デラウェア州ウィルミントン（元デュポン製粉工場） —工作機械
• ヘンリー・フォード博物館とグリーンフィールド・ビレッジ、ミシガン州ディアボーン —工作機械
• モリー・キャサリン鉱山、コロラド州クリップルクリーク —製材所
• コロラド州コロラドスプリングスの西部鉱業博物館 -スタンプミル、鍛冶屋、コンプレッサー
• ブートミルズ、マサチューセッツ州ローウェル —動力綿織機
• シルバー ダラー シティ、ブランソン、ミズーリ州 —木工工具とパン製造機械
• タッカホー蒸気ガス協会、メリーランド州イーストン —機械工場博物館を運営
• バージニア歴史協会、バージニア州リッチモンド — ??
• ボルチモア産業博物館、メリーランド州ボルチモア —工作機械
• デントン ファームパーク、ノースカロライナ州デントン —工作機械
• マスキーゴン ヘリテージ ミュージアム、ミシガン州マスキーゴン —コーリス エンジンと工作機械
• ラフ アンド タンブル エンジニアズ、ペンシルベニア州キンザーズ - 工作機械

• ラインシャフトローラーコンベア– 長いシャフトを使用して一連のローラーを駆動します

注記

文献

• ハンター、ルイス C.、ブライアント、リンウッド (1991)。『アメリカ合衆国の産業力史 1730-1930、第 3 巻: 電力の伝達』。マサチューセッツ州ケンブリッジ、ロンドン: MIT プレス。ISBN 0-262-08198-9。
• ファルコナー、キース、メヌージ、カラディン (2001)。「ダーウェント渓谷繊維工場」。産業考古学レビュー。レスター: ベルパー ノース ミル トラスト: 99。ISSN 0309-0728  。
• ヒルズ、リチャード・レスリー（1989年）「蒸気動力：定置式蒸気機関の歴史」ケンブリッジ大学出版局、244ページ、ISBN 9780521458344、 2009年1月10日閲覧
• ナスミス、ジョセフ（1895）、最近の綿工場建設とエンジニアリング、ロンドン：ジョン・ヘイウッド、p. 284、ISBN 1-4021-4558-6、 2009年3月10日閲覧
• Devine, Warren D. Jr. (1983). 「シャフトからワイヤーへ: 電化の歴史的視点」(PDF) . Journal of Economic History . 43 (2): 355. doi :10.1017/S0022050700029673. 2019-04-12にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2011-10-20に取得。

ウィキメディア・コモンズには、ラインシャフトに関連するメディアがあります。

• ライン シャフト プーリとベルト – 1906 年のベルト ドライブのエンジニアリング面に関する論文 –警告: Web ページにはバックグラウンド ミュージックがあります (最後までスクロールすると一時停止します)