ヴァルシャーツバルブギア

ヴァルシャールツ弁装置は、蒸気機関車のピストンへの蒸気の流れを調節するために使用される弁装置の一種で、1844年にベルギーの鉄道技師エギデ・ヴァルシャールツによって発明されました。 ^{[1] [2]}この装置は末尾の「s」なしで命名されることもありますが、^[a]これは誤ってその名前で特許が取得されたためです。19世紀後半から蒸気時代の終わりまで、蒸気機関車で広く使用されました。

ヴァルシャート弁装置はなかなか普及しませんでした。19世紀の機関車では、スティーブンソン弁装置が最も一般的に使用されていました。しかし、ヴァルシャート弁装置は、機関車の外側に完全に取り付けることができるため、フレーム間のスペースが空いており、メンテナンスや調整が容易であるという利点があり、その結果、いくつかの連節式機関車に採用されました。

ヴァルシャーツ弁装置を搭載した最初の機関車は、1849 年にベルギーのテュビーズ工場で製造されました。

エジデ・ヴァルシャーツは、1878年にパリで開催された万国博覧会と、1883年に アントワープで開催された万国博覧会で、金メダル、優秀賞、および賞状を受賞しました。

1874 年、ニュージーランド鉄道はNZR B クラス機関車2 台を発注しました。これらはダブル フェアリー機関車で、エイボンサイド社が供給しました。これはニュージーランドで初めてウォルシャーツ弁装置が使用されたもので、おそらく英国のメーカーが供給した初めての例です。これらはケープ ゲージでした。

メイソン・ボギーは、1874年に改良されたフェアリー機関車で、北米で初めてワルシャーツの歯車を採用した機関車でした。

英国で最初に採用されたのはシングルフェアリー0-4-4Tで、1878年にパリで展示され、1882年3月にスウィンドン・マールボロ・アンドーバー鉄道が購入した^。[3]アーネスト・アーロンズによると、^[4]この機関車はバルブの設定方法を誰も知らなかったためほとんど使用されなかったが、これが膨大な石炭消費につながった。

20世紀には、ワルシャート弁装置^[5]が最も一般的に使用され、特に大型の機関車で多く使用されました。ヨーロッパではほぼ普遍的に使用されていましたが、北米ではワルシャート弁装置が、その派生であるベイカー弁装置を大幅に上回っていました。

ドイツやポーランド、チェコスロバキアなどの近隣諸国では、ヴァルシャート歯車は、1849年にこの機構を独自に発明したエドムント・ホイジンガー・フォン・ヴァルデックにちなんで、一般にホイジンガー弁装置と呼ばれています。ホイジンガーの歯車は、一般的に採用されている形式に近かったのですが、ほとんどの権威者は、ヴァルシャートの発明が最終形式に十分近いと認めています。

ヴァルシャーツ弁装置は、以前のスティーブンソン弁装置を改良したもので、運転手が最大経済性から最大出力まで連続した設定範囲で蒸気機関を運転できるようにします。どの設定でも、弁装置は次の 2 つの条件を満たします。

• ピストンストロークの開始直前にバルブが開き、蒸気がシリンダーに導入されます。この蒸気の圧力が駆動力となります。
• ピストンの片側の空間が収縮し始める直前に、バルブはピストンの動きを妨げないように、その空間から大気中に蒸気を放出し始めます。

経済的な設定では、蒸気はストロークの一部分だけ膨張空間に取り入れられ、ドライバーが設定したポイントで吸気が遮断されます。排気も閉じられるため、ストロークの残りの間、シリンダーに入った蒸気は単独で膨張し、圧力が低下します。したがって、蒸気から得られるエネルギー (凝縮器がない場合)が最大限に活用されます。

Walschaerts バルブ ギアにより、エンジン ドライバーは、吸気開始ポイントを変更せずにカットオフ ポイントを変更できます。

経済性を高めるには、スロットルを全開にし、ボイラー圧力を最大安全レベルにして、熱効率を最大化することも必要です。経済性を高めるために、列車が平坦な線路を一定の速度で走行しているときなど、ほとんどの場合、最も経済的な設定で適切な量の動力が得られるサイズの蒸気エンジンが使用されます。

より大きなパワーが必要な場合、例えば駅からの加速や勾配の上昇など、ヴァルシャーツ弁装置により機関士はストロークの終わり近くにカットオフポイントを設定でき、ボイラーの全圧力がストロークのほぼ全期間にわたってピストンに作用します。このように設定すると、排気口が開くと、シリンダー内の蒸気はほぼボイラーの全圧力になります。その瞬間の蒸気の圧力は役に立たず、突然の圧力脈動を大気中に送り出し、無駄になります。

この突然の圧力脈動により、蒸気機関車と一般の人が関連付ける大きな蒸気音が発生します。これは、蒸気機関車に遭遇することが多い駅で、列車が発車する際に効率が犠牲になるためです。効率が適切に調整された蒸気機関車は、排気行程中ずっと柔らかいシューという音を発し、2 つのシリンダーからの音が重なってほぼ一定の音を生み出します。

バルブ ギアの動作は 2 つの動作を組み合わせます。1 つは、コンビネーション レバー (12) の下部で伝達される主要なリード動作です。2 番目は、上部で伝達される方向/振幅動作です。ドライバーがリバースレバーを調整して、ダイ ブロックが中間ギアにあるとします。この位置では、2 次動作がなくなり、ピストン バルブの移動距離が最短になり、蒸気の注入と排出が最小限になります。ピストン バルブの移動距離は、ラップとリード の合計の 2 倍になります。

これと対照的に、ダイブロックが膨張リンク（7）の下部にあるとき、最大の蒸気噴射と排気が得られます。これは最も強力な前進設定であり、停止状態から前進加速するときに使用されます。逆に、ダイブロックが膨張リンク（7）の上部にあるときは、後進時に最大のパワーが得られます。（一部のエンジンでは、前進ギアではダイブロックがリンクの上部にありました。このタイプは一般にタンクエンジンで使用され、前進と後進が同じように機能しました。^[6]）

機関車が加速すると、運転手はリバーサーを中間ギアの位置に調整して、カットオフを減らし、蒸気をより効率的に使用できます。エンジンの牽引力は始動時よりも小さくなりますが、出力は大きくなります。

主なリード運動はクロスヘッドアーム（9）とユニオンリンク（11）によって行われます。このピボットバーはコンビネーションレバー（12）の底部に同位相の運動成分を与えます。

二次的な方向/振幅の動きは、複数のコンポーネントで構成された機械的リンクから得られます。

偏心クランク（英：リターンクランク）（1）は、主駆動輪に接続されたコンロッドピンにしっかりと取り付けられています。これは、カップリングロッドまたはコネクティングロッドの通過によって妨げられない、駆動輪上の唯一の適切な取り付けポイントです。偏心クランクは、偏心ロッド（2）へのピン取り付けがリードモーションと90度位相がずれるような長さになっています。

偏心ロッドは、機関車本体の中央位置で回転する拡張リンク (7) に動きを与えます。拡張リンクは、半径バー (8) を保持します。半径バーは、半径バーと一体化したダイ ブロックによって固定されていますが、拡張リンクに沿って制限された曲線経路で垂直方向に自由に移動できます。

半径バーの垂直位置は、運転者がリバーサーを調整することでキャブ内で制御され、リバーサーは機械的なリンケージ、つまりリーチロッド（3）、リフティングリンク（4）、リフティングアーム（5）、リバースアームとシャフト（6）を制御します。

このようにして、二次的な位相ずれしたドライバー制御の運動成分が、半径バー（８）によってコンビネーションレバー（１２）の上部に伝達される。

コンビネーションレバーは、これら2つの動きを組み合わせ、その結果がバルブステム（13）に作用し、バルブステムガイド（10）によって適切に抑制され、ピストンバルブ（14）に作用します。

Walschaerts ギアは、内側または外側の吸気バルブにリンクできます。この記事ではこれまで内側吸気ピストン バルブのみを検討してきましたが、外側吸気バルブ (スライド バルブおよび一部のピストン バルブ) では Walschaerts バルブ ギアを使用できます。バルブが外側吸気の場合、半径バーはバルブ ステムの上ではなく下のコンビネーション レバーに接続され、偏心クランクの向きがメイン クランク ピンの後ではなく先頭になるように変更されます。

Walschaerts ギアをレイアウトするには、コンビネーション レバーの比率を選択する必要があります。ユニオン リンク エンドがピストン移動の半分だけ変位すると、バルブ ロッドがバルブ リードとバルブ ラップを足した値だけ変位する必要があります。ユニオン リンク エンドから半径ロッド付きピボットまでの距離と、バルブ ロッド エンドから半径ロッド付きピボットまでの距離の比率は、ピストン移動の半分とバルブ ラップとリードの比率と同じである必要があります。

ピストンがいずれかの死点にあるとき、半径ロッドの動きによってバルブロッドが動かされることはありません。したがって、拡張リンクダイスロットは、半径ロッドの長さに等しい半径の円弧である必要があります。

リターンクランクのストロークは、拡張リンクに必要な振動を与える必要があります。

ヴァルシャート弁装置には、次のような多くのバリエーションがあります。

• ベイカーバルブギア
• バグリーバルブギア
• バグナル・プライス弁装置
• JTマーシャルバルブギア
• クーンスライド

• ジョンソンバー（機関車）
• 蒸気機関車の命名法
• ヴァルシャーツ弁装置を採用した機関車の一覧

• グリーンリー、ヘンリー＆エヴァンス、マーティン（1980）[1948]。Walschaerts Valve Gear（改訂版）。ワトフォード：Argus Books。ISBN 0853441081。
• 鉄道百科事典、OS Nock、1977年を参照。名前はWalschaertで、1830年にベルギーがオランダから独立したときに家族によって変更されました。1844年に名前がWalschaertと綴られていたため、Walschaertという名前で特許を取得しました。
• Wood, WW (1906). ウォルシュハート機関車バルブギア(PDF) . ニューヨーク: Norman W. Henry Publishing Co. –インターネットアーカイブ経由.

ウィキメディア コモンズには、ワルシャーツ弁装置を備えた蒸気エンジンに関連するメディアがあります。

• Valve Gear デモ Charles Dockstader の Valve Gear デモ
• ValveGear Constructor バルブギアを半自動で設計するオンラインプログラム
• ビデオ: Walschaerts バルブ ギアの簡単な説明 (視覚的な補助としてBR 標準クラス 5 73096を使用)
• ダンベリー鉄道博物館 - コネチカット州ダンベリー