マレー式機関車

マレー式機関車

マレー式機関車は、スイスの技術者アナトール・マレーによって発明された、独特の構造を持つ関節式機関車の一種です。その最大の特徴は、車体下に2組の走行装置（シリンダー・動輪など）を備えている点にあります。

構造と原理

マレー式機関車は、基本的に1つのボイラーと2組の走行装置で構成されています。本来は複式機関車の一種であり、ボイラーで生成された蒸気は、まず後方の走行装置を高圧で駆動し、その後、前方の走行装置を低圧で駆動してから排出されるという仕組みでした。関節式となった背景には、マレーが以前に製作した別の複式機関車で速度を上げた際に不安定になるという問題があり、それを解消するための副次的な効果として関節式が採用されました。

後部の台枠は通常の機関車と同様にボイラーに固定されていますが、前部台枠は後部台枠と関節で連結されており、曲線に沿って左右に首を振る構造となっています。当時の技術では、首を振る台枠のシリンダーに高圧の蒸気を供給する可動式の蒸気管の圧力を十分に上げることができませんでしたが、マレー式では一度使用後の低圧蒸気を使用するため、当時の技術でも蒸気漏れを防ぐことができました。ボイラー前部の荷重は、左右にスライドするベアリングによって前部台枠に伝えられます。

歴史

アナトール・マレー自身が設計した最初のマレー式機関車は、ドコービル社の可搬式鉄道で使用される小型機（車輪配置0-4-4-0）でした。1886年の特許取得から1900年までに400両のマレー式蒸気機関車が製造されましたが、そのほとんどはナローゲージまたはメーターゲージ向けのタンク機であり、標準軌向けのものはごくわずかでした。1904年、アメリカのボルチモア&オハイオ鉄道で、勾配区間での後押しを1両で行うために0-6-6-0の大型機が開発され、様々な車軸配置で勾配用に採用されました。

しかし、アメリカでは大型化に伴い、低圧シリンダーが巨大化（低圧蒸気を使用するため、大きな力を得るためには大型化が必要）し、直径が1.22mを超えるものも現れました。これにより、後述する問題（短所・複式のみ参照）が顕在化しました。また、第一次世界大戦後、蒸気管の加工精度やシーリング材が向上し、首を振る前部台枠に高圧蒸気を送ることが可能になったため、マレー式と同じ車軸配置ながら、4つのシリンダーすべてに高圧蒸気を送る機関車が登場しました。これはアメリカで「シンプルアーティキュレーテッド（単式関節形蒸気機関車）」と呼ばれました。アナトール・マレー自身は「マレー式は複式」としていましたが、単式としたこのような構成の機関車を指す名称がないため、単式のものもマレー式と呼ばれることが多くなっています（複式との区別のため、単式マレーとも呼ばれます）。

特徴

マレー式機関車（特に複式）は、その構造上、以下のような特徴を持ちます。

利点

高出力: 1両の機関車に2両分の走行装置を持つため、出力が大幅に向上します。同じ出力であれば、1つ1つのシリンダーを小さくできるため、車両限界の確保やレシプロマスの軽量化に繋がります。
高い粘着性: 動輪数が多く、前部の関節のガタによってレールへの粘着性が高まり、空転が生じにくくなります。
急曲線への対応: 動輪数の割に固定軸距を短くできるため、軌道への横圧が小さく、急曲線に対応できます。
整備性: 4気筒機関車でも、台枠内部にシリンダーがある形式に比べて整備性が優れています。
燃費: 複式の場合、単式に比べて燃費が低いという利点があります。
トルク変動の抑制: 複式ではトルク変動を抑えられ、空転しにくいという特徴があります。
蒸気漏れ対策: 関節部分には低圧蒸気を送るため、他の関節式に比べて蒸気漏れ対策が容易です。

短所

高速安定性の悪さ: フレームが屈曲しているため、高速安定性が悪いです。
大型の転車台が必要: 全長が長くなるため、大型の転車台が必要になります。
構造の複雑さ: 構造が複雑で、製造費が高く、保守点検が困難です。
高圧・低圧シリンダー間の配管: 複式の場合、高圧シリンダーから低圧シリンダーへの配管が必要です。
空転の可能性: 出発時に前後のシリンダーが別々に動くため、注意して蒸気を入れないと高圧側が空転する可能性があります。
* 低圧シリンダーの大型化: 低圧シリンダーは大型化しないと出力を確保できないため、大型機では低圧シリンダーが左右に動くことで車両限界に接触しやすくなったり、重量増加で蛇行運転の原因になることがあります。また、レシプロマスの軽量化が困難になります。

各国での導入事例

マレー式機関車は、その特徴から世界各国の鉄道で導入されました。

日本

日本では、1903年にドイツのマッファイ社が0-4-4-0(B+B)形のタンク機（後の鉄道院4500形）を持ち込みましたが、元々メーターゲージ用を改軌したもので、当時の日本でも国鉄規模では非力で幹線の実用にはならず普及しませんでした。その後、東海道本線や東北本線などの輸送量が増大していたが、箱根越えなど長距離にわたって20‰の勾配が連続する区間があり、輸送上のネックとなっていました。そこで考えられたのが、電化あるいは軌道を強化してより大型の蒸気機関車を導入するかであったが、いずれも多額の費用が必要であった。そのような状況下でアメリカン・ロコモティブ（アルコ）社の日本における代理店である三井物産が強力でも軸重が軽いという触れ込みでマレー式機関車を売り込んできたため、1911年に試験的に6両を輸入し9020形とされたが、アメリカではこれまでないレベルの小型機で日本基準でも使い勝手が悪くマレー式の訓練用に使用された。翌1912年にアルコ社製の9750形、アメリカ・ボールドウィン社製の9800形、ドイツ・ヘンシェル社製の9850形など0-6-6-0が一気に計54両輸入され、東海道本線（現・御殿場線）山北 - 沼津間などの急勾配区間で使用されたが、先輪がないためフランジの摩耗が激しく、朝倉希一はこれについて「レールの断面形状（が一定していない事）がフランジ摩耗の主原因」と論文を出したが、当時の技術ではレールの断面形状一定化は困難で解決に至らず、これ以後マレー式の増備はされなかった。残された54両も過熱器装備の9600形や9900形などの日本産の固定台枠式の機関車でこの急勾配区間が十分越えられるようになったこともあって逐次置き換えられ、1933年までに全廃されている。これが日本で唯一のマレー式機関車の本格採用例で15年ほどの期間であった。

インドネシア

インドネシアでは同じ1067mm軌間でも日本とは対照的にジャワ島内の急勾配・急曲線区間（主にジャワ島南西部）にマレー式機関車を導入しており、1899年のBB10形（Lokomotif BB10）（車輪配置0-4-4-2T）から1962年に日本車両で製造されたBB81形（0-4-4-2T）まで8形式があり、特にDD50形とその改良型であるDD51形、DD52形は「ジャワのビッグボーイ」と呼ばれました。

南アフリカ

南アフリカでは、ダーバンの急勾配に苦労していたナタールガバメント鉄道がアメリカのアルコ社に2-6-+6-0を1両注文し、1909年にMA形（South African Class MA 2-6-6-0）と呼ばれる機関車を受け取ったのがマレー式使用の始まりで、NGRではこれを試験使用した結果、仕様をある程度変えたMB型7両（アルコ）とやMC型10両（ノースブリティッシュロコモティブ）に発注し、同時期にセントラルサウスアフリカ鉄道（CSAR）もNGRのMA形に刺激され、1910年にMD形（2-6+6-2）を製造し、これは狭軌で初めて本体重量が100tを超えた機関車となった。（なお、南アフリカの鉄道は1910年に合併して南アフリカ鉄道（SAR）になっている。）その後は過熱式が導入されるようになって高出力化や大型化が進み、1915年に導入されたMH形（2-6+6-2、South African Class MH 2-6-6-2）は南アフリカだけではなく狭軌全体でも最大なマレー機関車で機関車本体のみで128ｔあったが、これ付近から米国でもあった低圧シリンダーの大型化問題、急カーブの多い南アフリカではマレー式でも8軸は通過困難でこれ以上動輪を増やせず、おまけにシリンダーだけではなくカーブ通過時のボイラー前部の外の張り出しから、これ以上の大型化が困難となり（小型機はMJ形が1921年まで増備されている）、1920年に導入したGA形（ガーラット式）が優秀だったこともあり、この後の関節式はカーブ通過の問題の少ないガーラット式に切り替えられてマレー式は増備を打ち切られている。（既存マレー機はそのまま使用され、1962年まで生き残りがいた。）

アメリカ

アメリカでは、ボルチモア&オハイオ鉄道の2400形（Old Maude）が大型マレーの先駆けとなりました。その後、ペンシルバニア鉄道で2-8-8-0単式マレーが成功し、ユニオン・パシフィック鉄道の「チャレンジャー」（4-6-6-4）や「ビッグボーイ」（4-8-8-4）といった名機が誕生しました。サザン・パシフィック鉄道では、キャブ・フォワードと呼ばれる運転台が前にある独特なマレー式機関車が導入されました。

ヨーロッパ

ヨーロッパでは、主に狭軌鉄道で使用されました。コルシカ鉄道やスイスの鉄道に導入された0-4-4-0タンク機が有名です。

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