蒸気機関車が走るしくみ

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary

動輪を回すしくみ。 ピストン棒によってクロスヘッドが滑り棒上を前後に往復。クロスヘッドに細端(スモールエンド)が軸支された主連棒の太端(ビッグエンド)がクランクピンを介し主動輪(D51では第三動輪)を回す。 全動輪のクランクピンを繋ぐ連結棒により他の動輪も同位相で回る pic.twitter.com/bbY8vdVKfm

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知られているように，蒸気機関車は左右の動輪の回転位置が90°ズレている。 このズレがなかったり，真反対(180°)だったりすると，気筒内でピストンが左右同時に死点(最前or最後位置)に来て停まることが起こるので，走り始めることができなくなってしまう。 実物で確認 twitter.com/Polyhedrondiar… pic.twitter.com/AM8jk3wL3r

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非実在幼児: 「しゅっしゅっぽっぽ」するときの左右の腕の位相差が90度

2016-10-25 07:38:12

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#D51 だと右の動輪の方が90°進んだ位置にある。 各動輪のクランクピンを見ると，右輪(助士側)は真後ろよりちょっと下，左輪(機関士側)は真下よりやや前にあるのが分かる。 右を左より進めるのってどの #蒸気機関車 でも共通なんだろうか？ pic.twitter.com/KZEFMOD4su

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D51の主動輪(第三動輪)。 直径1400mmなので最高運転速度85km/hのときは1秒間に(85000/3600)÷1.4π≒5.4回転する計算。 位相ズレのため左右対称(鏡面対称)ではないけれど，ひょっとしてレール上に左右反転して置いても問題ない(回転対称)？ #対称性 #幾何学 pic.twitter.com/1D1pbLNkMj

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C11形の気筒と蒸気室(画面右が前方)。ボイラで作った蒸気圧を動力に変換する，SLの心臓部。 蒸気室には気筒(シリンダ)への蒸気の流れを制御する弁が内蔵されてて，気筒の前後に交互に蒸気を供給して，ピストンを駆動する。ピストン棒が主連棒を介し主動輪を回すことで蒸機は走る pic.twitter.com/elbMKFDAUe

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蒸気室が内蔵する弁は，気筒内のピストン前後への蒸気の給気・排気タイミングを制御する。 この制御は完全に機械的に行なわれていて，そのための仕組みが #弁装置 いくつか方式があるが，日本の #蒸機 はほぼ #ワルシャート式 で，全貌が外から観察できるのはとても嬉しい pic.twitter.com/adhxgXC8WG

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Walschaerts式弁装置，ややこしいけど整理するとこんな感じ。 🔴ピストン棒の動きをクロスヘッド→結びリンク→合併テコ→弁心棒と伝え蒸気給排周期をピストン往復動に合わせつつ， 🟣動輪の位相を返りクランク→偏心棒→加減リンク→心向棒と伝え合併テコで合わせる(紫)ことで給排タイミングを調節 pic.twitter.com/HshUAuYBdr

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機関士はボイラ後端の運転室から逆転機を操作して，ボイラ左側を伸びる逆転棒を前後させることで逆転軸の角度を変える。 逆転軸は釣リンクを介して，加減リンクを弧に沿って摺動する滑り子の上下位置を決める。加減リンクは動輪の回転に合わせて揺動し，滑り子が心向棒を前後に往復させる。 pic.twitter.com/3PkCtTyfi5

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写真の静態保存機では，逆転機はほぼミッドギヤ(中立)。 滑り子が加減リンクの揺動中心(耳軸)にあるため，動輪が回って偏心棒が動き，加減リンクを揺らしても心向棒は動かない。ピストン棒の往復が(縮小されて)そのまま蒸気室の弁の往復になる。 気筒には死点付近でしか給気されず，出力は小さい pic.twitter.com/CWBywiAwSX

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逆転機を前進側にすると，滑り子は加減リンク下側に来る。主動輪上で偏心棒後端はクランクピンより90°後ろにあるので，心向棒の前後動はクロスヘッド前後動から90°遅れる。これを合併テコで合成→気筒には前後の死点を過ぎてもしばらく蒸気が吹き込まれ，出力を大きくできる trumpetb.net/loco/rodsf.html pic.twitter.com/Q9eEwiV2zk

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逆転機を後進側にすると，滑り子は加減リンクの揺動軸より上側に来る。前進のときクランクピンより90°遅れていた偏心棒後端は，後進では90°進んでいるが，加減リンクの揺動により心向棒の前後動は反転。そのため，前進と同様に心向棒の前後動はクロスヘッドの前後動から90°遅れることになる pic.twitter.com/ZKL6NLtOjF

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タンク機のC11もワルシャート式。ただ逆転軸と心向棒を繋ぐ釣リンクの位置がテンダー機のD51と違っていて，加減リンクより前方(合併テコ側)にある。 このC11の滑り子の位置は前進側で，カットオフ(締切率)20%くらいかな？ #蒸気機関車 #弁装置 pic.twitter.com/yPxkKErzjn

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D51形の蒸気室〜動輪まわり。 気筒から突き出すピストン棒が主連棒の前端(スモールエンド)を水平に往復駆動，主動輪のクランクピンに軸支された後端(ビッグエンド)が車軸回りのトルクを生み出す。 車のエンジンでは内蔵されるクランク機構が露出していて観察できるのは魅力的！ pic.twitter.com/R7LdbexfH6

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D51形の蒸気室覗き穴は間隔広め。 多くのSLで金色に目立つ空気弁は，絶気運転で蒸気室を負圧にしないための逆止弁。絶気とは，下り坂や減速等で動力が不要なとき蒸気ドームからの蒸気供給を止め(加減弁を閉じ)惰行すること。 D51は左側(機関士側)，C11は右側(機関助士側)を撮影 pic.twitter.com/UjUhMCLl8q

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蒸気室排水管は，蒸気室で凝縮して溜まった水を排出するためのもの。 ピストン弁式の蒸気室では前中後の3本ある。 D51では前後の2本が(途中まで)見えるが，C11では3本ともカバーに覆われていて見えない。 pic.twitter.com/x4ZskzWnNh

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もちろん気筒からも排水が必要で，下部の前後に排水弁がある。 中央は蒸気室排水弁。内側給気(ピストン弁の2個の弁体で三分された蒸気室の中央に蒸気を供給)なので，3本ある蒸気室排水管のうち，真ん中だけに弁が必要(外側は排気側なのでほぼ大気圧) #D51 #蒸機 #SL pic.twitter.com/yCWA3B8iAG

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後側が見切れてしまったが，#D51形 の排水弁付近。 開閉棒は後ろへ引くと凹みの分だけ持ち上がり，弁体を押し上げ排水弁を開く(写真がその状態)。気筒の前後と蒸気室中央を一斉に開閉するため，3つの排水弁は一直線上に配置(高さを揃えて前後に並ぶ) #ドレン切り は機関士が作用テコで行なう pic.twitter.com/x1Czk8KCfs

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発車に際し動輪前方から勢いよく蒸気を上げる，いかにも蒸気機関車！なあの光景は排水弁の仕事。 機関士は停車中開けていた排水弁を一度閉じ，加減弁を開きつつ動輪一回転ほどで再び開け，発車後約30秒の加減弁全開を経て凝縮水がなくなれば排水弁を閉じる。 #D51 #蒸機 pic.twitter.com/yGx47Jw6S4

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連結棒は一繋がりではなく動輪数-1個になっていて，レールの起伏に対応 twitter.com/Polyhedrondiar…

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訂正。D51の排水装置は空気圧を動力とする空気式なので，作用テコじゃなくて作用コックでした twitter.com/Polyhedrondiar…

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あれ，これって加減リンクの耳軸より上に心向棒(ラジアスロッド)があるけど，動輪は前進してるよね？ そういうこともあるのかな。詳しい人教えて… #ワルシャート式 commons.wikimedia.org/wiki/File:Stea… pic.twitter.com/LusjGhqezm