国鉄ED54形電気機関車

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国鉄ED54形電気機関車
JNR ED 54-2.jpg
基本情報
運用者 鉄道省
運輸通信省
運輸省
製造所 ブラウン・ボベリ(電気部分)
スイス・ロコモティブ・アンド・マシン・ワークス(機械部分)
製造年 1926年
製造数 2両
廃車 1948年
主要諸元
軸配置 (1-A) -B- (A-1)
軌間 1,067 mm
電気方式 直流1,500V架空電車線方式
全長 13,600 mm
全幅 2,950 mm
全高 3,920 mm
運転整備重量 78.05 t
動力伝達方式 1段歯車減速・ブフリ式
主電動機 MT20形直流直巻電動機×4基
歯車比 34:114 = 1:3.35
制御方式 抵抗制御・2段組合せ・弱め界磁
制動装置 EL14A形自動空気ブレーキ手ブレーキ
最高速度 100 km/h
定格速度 68.0 km/h
定格出力 1,540 kW
定格引張力 8,200 kg
備考 定格性能は架線電圧が直流1,500V時の値
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ED54形は、日本国有鉄道(国鉄)の前身である鉄道省スイスから輸入した直流旅客電気機関車である。輸入当初は7000形と称した。

概要[編集]

JNR ED 54-2 Nicht-Antriebsseite.jpg
JGR-ED54.jpg
Buchli Drive JNR ED54.jpg

スイスのブラウン・ボベリ社(Brown Boveri & Co. Ltd:BBC社。電装品担当)とスイス・ロコモティブ・アンド・マシン・ワークス社(Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik:SLM社。機械部分担当)によって1926年大正15年)に2両が製造されて輸入された。

貨物機のED12形とは駆動機構は異なるが、車体の基本デザインは共通のスイス製電機標準スタイルであった。輸入当時、東海道本線の列車牽引に使用された。

大型主電動機の搭載によって、D型機でありながら、同時期に輸入されたイギリスアメリカ製F型機をも上回る1,500 kW(1時間定格出力)の出力を誇り、1940年(昭和15年)に1,600 kW級のEF57形開発されるまでは、日本で最大出力の電気機関車であった。

ブフリ式駆動装置[編集]

本機最大の特徴はブフリ式と呼ばれる無裝架駆動方式の一種を採用したことである。

ブフリ式は、当時の電車・電気機関車における主流の駆動システムであった吊り掛け駆動[1]とは異なり、モーター、小歯車、大歯車を弾性支持された主台枠に固定し、車軸中心位置の移動に追従可能な特殊構造の歯車で動力を伝達する(=バネ下重量が極めて小さい)方式で、車軸の外側の同心上に設置された大歯車には動輪と連結される特殊な形状の歯車とリンク機構が、小歯車には円周方向にコイルバネが組み込まれ、車輪が上下動することで受ける衝撃が直接モーターには伝わらない様に工夫されていた。

ブフリ式は軌道破壊を起こしにくく、またモーターの高速回転も可能という、後のカルダン駆動方式と共通するメリットを持つ優れた駆動システムであった。また、1920年代頃にスイスのメーカーで製造された幹線用電気機関車のロッド式、チャンツ式、クイル式ユニバーサルジョイント式といった他の無裝架駆動方式の駆動装置と比較して、旧来からのロッド式を除けば装置は大きくなるものの最も構造が単純で丈夫であり、整備も容易であったため、当時のスイスを中心とする欧州の鉄道では、BBCディスクドライブ(平行カルダン駆動方式の一種)や2軸ボギー台車に組み込む方式のクイル式駆動方式が大型電気機関車に使用できるようになるまで、幹線用電気機関車を中心に広く普及していた[2]

もっとも、ブフリ式駆動装置は吊り掛け駆動装置との比較において、その複雑さ故に、製造、整備とも高水準の精度が要求され、1920年代当時の日本工業水準では、保守するにも手に余るシステムであった。実際、輸入直後に調査のために大宮工場でギアボックスを完全分解後に再組立したところ、完全に元通りに戻せなかったと伝えられている。

台車構造[編集]

Fahrwerk ESS 3000.svg

ブフリ駆動はギアボックスの構造が複雑であり、大歯車の内部機構の保守のため、これを側面に片側に露出させ、主台枠を内側台枠としたものが主流[3]であった。このため本形式も含め、多くのブフリ式機関車の車体左右は非対称となる。ギアボックスの露出している側面とその反対側の側面(大径のスポーク車輪が露出していた)とでは、外見の印象が全く異なったものとなった。

車軸配置は一見4動軸が固定の1-D-1に見えるが、実際は(1-A)-B-(A-1)の3群構成で、蒸気機関車などのクラウス・ヘルムホルツ式台車と同様に、第1・第4動輪がそれぞれ先輪と結合されて1群を構成するジャワ式[4]台車と呼ばれるものであるが、クラウス・ヘルムホルツ式とは異なり、カーブで先従輪に誘導されて主台枠に固定された第1・第4動輪が左右動するのではなく、動輪も先台車枠に固定されて共に転向することによりレールへの横圧と動輪フランジの摩耗を軽減する構造で、動輪の転向による変位もブフリ式駆動装置で吸収していた。そのため固定台枠のD型機に見える外観とは裏腹に、曲線通過は容易で脱線しにくかった。

輸入後の動向[編集]

1928年(昭和3年)の称号規程改正で7000形からED54形へ変更となり、配属も国府津機関区沼津機関区東京機関区と変わったものの、終始東海道本線で使用されていたが、ブフリ式駆動装置のメンテナンスが困難で、しかも2両のみと少数であったために保守サイドからは嫌われた。

同時期の吊り掛け式F形機を凌駕する高出力によって走行性能に優れ、しかも、ブフリ式駆動装置の恩恵で振動が少なく乗り心地が良かったことから、導入当初の乗務員には本形式は大変に好評であった。だが少数派であるため運用に当たる機会が少なく、乗務員が取扱を熟知できないうちに、メンテナンスが行き届かなくなって不調気味となり、運行中のトラブル対処が困難になってくると、一転して乗務員からも忌避されがちな機関車となってしまった。自然、運用頻度も激減し、6ヶ月間の走行キロ数がわずか180 km程度に留まった時期もあったという。

1930年代中期以降、国産機の量産が軌道に乗ってからは休車となることが多くなり、末期は大宮工場側線DD10形などとともに放置されて荒廃、最終的には1948年(昭和23年)11月に除籍された。ED542は廃車後も長い間大宮工場に放置されていたが、1960年代半ばに解体されている[5]。このように2両ともに廃棄処分され、残っていない。

「54」のジンクスと本形式の意義[編集]

国鉄において、「54」の番号のつく機関車形式は欠陥や不具合によって設計時の性能を発揮できない事例が多い、というジンクスがあり、実例としてこの形式も取り上げられる事がある[注 1]。だが、本形式及び姉妹機種であるED12形についてはその基本的な機構設計に何ら欠陥はなかった。

BBC・SLMのコンビは本形式と同一設計(外観、軸配置、台車構造、そして内部の主回路構成にいたるまでほぼ同等である)の3000形直流電気機関車をオランダ領東インド(現・インドネシア)のジャカルタ郊外鉄道向けとして1924年大正13年)より納入しており、こちらでは第二次世界大戦後のインドネシア独立後も、ブフリ式の複雑精緻な機構部を維持・整備しながら、1980年代まで長く現役として稼働させていた[注 2]

「整備すればするほどかえって不具合になった」という本形式であるが、その問題の主たる要因は当時の鉄道省の保守技術不足であった。準同形機であるインドネシア向け3000形の運用状況から判断する限り、本形式も適切な保守さえ可能ならば長期使用は可能であったと考えられ、その短命は整備工場への充分な精度を備えた専用工作機械の導入さえ満足に行えなかった、1960年代以前の日本の工業力の貧弱さを反映したものであった。

もっとも、電気機関車の国産化を意図していた鉄道省からすれば、ブフリ式機関車の本形式はあくまでサンプルとして輸入された多くの外国製電気機関車の中の一形式でしかなく、当時の鉄道省が持つ技術の範囲で国産化するには困難の多すぎる車両として、早々に見切りを付けられた存在であったともいえる。

本形式に限らず、1920年代に国鉄が輸入した電気機関車で、導入当初不具合を生じた事例は多い。しかし、駆動系については吊り掛け式であったがやはり当時の最新設計を多用して製造されていたイギリス製輸入電気機関車群(ED17形など)[6]やBBC・SWSが製造したED12形[7]は、搭載機器の換装や細部の改修を行うことで実用性を改善でき、鉄道省標準の機器類を搭載して互換性を確保することもできた。これに対し、本形式の不調の原因は「時計のように精密な」とも評された根本的な機械装置部分の精度維持不能であって、構造改良による改善の余地がなかった。本形式を原型のままでも使いこなし得なかった日本では、早期廃車も一面ではやむを得ない選択であった。

鉄道省は結局、旧弊な吊り掛け駆動方式ではあるが遙かに構造簡潔で、製作も整備も容易な設計のアメリカ製電気機関車を、国産電気機関車開発の技術ベースとした。当時の日本の工業技術水準からすれば、そちらを選択する方が現実にかなっていた[8]からである。本形式は日本の鉄道史上、ブフリ式電気機関車として最初で最後の存在に終わった。

以後の日本における電気機関車の駆動方式は、長きにわたって吊り掛け式一辺倒となり、概して多様性を欠くものとなった。新方式を採用しても設計・工作の不備などから良好な結果が得られず、結果的に従来の技術で信頼性の高い吊り掛け駆動を再び採用している。

国鉄は1950年代から1960年代にかけてED60形EF60形の1次車等に採用したクイル駆動をスパイダ穴からの塵埃侵入に伴う大歯車の偏摩耗 → 走行中の異常振動発生といったトラブル多発で持て余し、その後は無難な吊り掛け式への逆行を強いられている。また自重軽減の観点から大出力モーターとカルダン駆動方式を併用した1台車1モーター駆動の交直流両用機関車(EF30形EF80形)も信頼性は必ずしも芳しくなく、これも単純な吊り掛け駆動のEF81形への転換がなされた。その後も日本国有鉄道、およびその民営化後の日本貨物鉄道(JR貨物)は、21世紀初めの現代に至るまで、電気機関車の駆動方式の主流を一貫して吊り掛け駆動方式としており、VVVF制御で交流主電動機を駆動する最新電気システムの新型機関車であっても、その多くが吊り掛け駆動である。例外的に定格出力3,900 kWオーバーのEF66形可撓吊り掛け駆動方式を、EF200形リンク式駆動方式を、それぞれ採用したに留まっている。

主要諸元[編集]

  • 全長:13,600 mm
  • 全幅:2,745 mm
  • 全高:3,920 mm
  • 機関車重量:77.75 t
  • 動輪上重量:59.75 t
  • 電気方式:直流1,500 V
  • 軸配置:1ABA1
  • 主電動機:MT20形(端子電圧675 V時定格出力385 kW、定格回転数700 rpm)×4基
  • 歯車比(動輪):34:114=1:3.35
  • 1時間定格出力:1,540 kW
  • 1時間定格引張力:8,200 kg
  • 1時間定格速度:63 km/h
  • 最高運転速度:100 km/h
  • 動力伝達方式:歯車1段減速、ブフリ式
  • 制御方式:非重連、抵抗制御、2段組合せ、弱め界磁制御
  • 制御装置:複式電動カム軸接触器式
  • ブレーキ方式:EL14A自動空気ブレーキ手ブレーキ

脚注[編集]

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注釈[編集]

  1. ^ 欠陥機のC54形蒸気機関車DD54形ディーゼル機関車や、改形式による少数車で冷遇されたEF54形電気機関車がその他のジンクスの実例とされる。一方で電車客車気動車ではモハ54形電車スロ54形客車キハ54形気動車が存在するが、いずれも大過なく長期運用されており、キハ54形は2015年平成27年)時点でもさしたる問題なく運用されている。
  2. ^ もっとも、オランダ植民地時代、独立後のインドネシアのいずれにおいても、現地の鉄道当局が(日本と違って)機関車の国産化・自力生産を目論んでいた訳ではないことや、宗主国から独立した発展途上国が、植民地時代に整備されたインフラを、独立以前から継承された技術ノウハウによって長期間にわたり使い続けなければならなかった、という消極的事情もある。とはいえ、本形式と同様に複雑精緻な機構を備える4気筒式蒸気機関車のSS1000(C53)形をやはり第二次世界大戦後も使いこなしたことや、スマトラ島の急勾配区間用に戦後も複雑な機構を備えたラックレール用機関車を新造(日本車輌製造製)し、これが長く現役で稼働し続けたことが示す通り、保守に限られたとはいえ、インドネシアの鉄道技術が長く高水準を維持していたことは厳然たる事実である。
  1. ^ 台車モーターを吊り下げ、モーターの重量の約半分をギアボックス経由で車軸が直接支持する。このため構造は単純だが、バネ下重量が大きくなる。
  2. ^ スイス国鉄の旧型電気機関車の例では、ロッド式約160両、クイル式約60両、ユニバーサル式約15両に対してブフリ式駆動方式の電気機関車は約240両が使用されており、チャンツ式は試作機のみで、吊り掛け式は採用されていない。また、その他の方式の旧型電気機関車が1970年代頃に廃車となったのに対してブフリ式の機関車は1980年代では200両弱、1990年代初めでも100両弱が使用されていた。
  3. ^ 左右の動輪間に配置した機関車や、左右の動輪双方の外側にギアボックスを設けた機関車も製造されている。
  4. ^ Javagestell、後述のジャカルタ郊外鉄道の3000形電気機関車に採用されたことに由来する
  5. ^ DD10形と共に1962年(昭和37年)に開園した青梅鉄道公園保存候補であった。「鉄道公園に保存される機関車」『鉄道ファン』No.15、30頁
  6. ^ 超大容量の電動カム軸式自動加速制御器を採用するなど、当時最新の技術が投じられていたが、工作技術の未成熟などから故障が続発し、欠陥機の烙印を押された。
  7. ^ こちらは主電動機軸の両端に歯車を装着するなど、やや特殊な部分も見られたが、駆動装置そのものは通常の吊り掛け式であった。
  8. ^ 国内工業力の最良の部分を軍需産業に割かざるを得なかった、当時の日本の社会情勢では、他の適切な選択肢は無かったと言っても良い。もっともその一方で、最高速度170 - 210 km/hを目指した弾丸列車計画では、ブフリ式やクイル式といった複雑な機構を備える無装架駆動方式の採用を前提に電気機関車設計を検討していた形跡が残されている。

参考文献[編集]

  • 交友社『鉄道ファン』1987年8月号 No.316 スイス電機のクラシック5

関連項目[編集]