待避線(余談雑談) 機械設計のツボ

 　先日電車を運転していたら突然動かなくなってしまいました。その数日前から車輪がスリップ気味だったのですが、雨で線路が濡れているためだろうとあまり気にしていませんでした。実際には車輪がスリップしていたわけではなく、チェーンのスプロケットと軸が滑って最終的に脱落していました。慌てて他のスプロケットの固定部に緩みがないか点検しましたが異常はありませんでした。この故障は本質的な設計ミスとまでは言えず、どちらかというと日頃の点検を怠っていたことに起因したと考えた方がいいでしょう。

　スプロケットは軸に対して2本のネジで固定されています。1本ではなく、90°または120°ずらした方向から軸表面を押し付けるように締め上げてあるのです。もしこのネジが1本だったら回転方向が何回か切り替わった時点で緩み始め、そう長くないうちに滑り始めていたと考えられます。軸とスプロケットの穴の間には数十ミクロンのスキマがあり、ミクロ的に見ると両者はギッコンバッタンと相対運動をする可能性があるわけで、この動きによってネジは少しずつ緩んでいきます。2本のネジで押し付けると軸と穴は3ヵ所で接触することになり、相対運動がなくなる結果繰り返して負荷の方向が変わっても緩むことがなくなります。

止めネジが1ヶ所の場合(左)軸は完全には固定されず、穴との相対運動が発生してしまいます

　私が設計技術者として駆け出しの頃、このことを知らずにネジ1本で部品固定していたのですぐ緩んでしまい、その都度締め直すという徒労を繰り返していました。それは実験用の設備だったので面倒な仕事が増えるだけのことでしたが、製品の設計者としては失格です。そんな下積み時代の失敗談をいくつか。

　上に書いている軸と穴のスキマをどの程度にするか、規格の記述や何ページにもわたる表があって、経験の少ない設計者にとっては何を根拠に決めればよいのか困ってしまいます。実は嵌り具合をカチンカチンにするのかグサグサにするのかさえ決めれば、実用的な選択肢はほぼ確定するのですが、特殊な結合事例を網羅するためにJISにはいろいろな嵌め合い条件が想定されているのです。実際に使用する欄に赤線を引いておけば簡単で便利なツールであることがわかります。そのことさえ知っていれば車輪と車軸の嵌め合いでも、軸径からこの規格の最もノーマルなスキマの値を決めることができます。ものわかりのいい鉄工所なら図面に細かい数値を書き入れなくても「スキマ嵌めでしっくり」とか「H7g6で」と言えば加工してくれるでしょう。さらに今どきのCADではいちいちそんな表を見なくても画面上で公差の選択ができるようになっていて、おそらく常用する項目がデフォルトで設定されているはずです。

JIS規格の軸の公差　左欄の軸径(mm)に対して加工許容値(μ)が定められています

「盗み」「逃げ」を考えるのは
窃盗犯だけではありません

　次はなかなか教えてもらえない盗みのテクニックの話。大きな声では憚られますが、これはよく新人設計者が製造現場から「盗みを入れてくれ」と言われる実例です。板金(鋼板)を曲げた部品の図面を描くときに、完成品のイメージから展開図を作り、寸法を記入して仕上げます。するとその図面に従って鋼板を切ったり曲げたりする作業担当者は「テッパンは折り紙みたいに自由自在に曲げられるモンじゃない」と悲鳴を上げます。鋭い曲げの根元には「ヌスミ」とか「ニゲ」と呼ばれる空洞部分を設けないと内部応力が拡散して周囲が変形したりひび割れしたりしてしまうのです。ヌスミが大きすぎると強度低下を招くのでどれくらいが適当か、現場でそのテクニックを盗むしかありません。強度に影響がない場合は図面の片隅に「必要に応じてヌスミ加工を許容する」という注記を書き込むニゲのテクニックもあります。

　構想図を描くのは設計作業の中でも腕の見せ所です。完成した機械をどう扱うかを考えながら使いやすさやその機能、強度を充分に発揮できる形状を決めていきます。ところがその機械をどういうふうに組み立てて作るのかということに考えを巡らせないと困ったことになってしまいます。図面は紙の上に線を引いて描いていくので、実際に作ることができない物の組立図が描けてしまうことがあるのです。空洞の中に取り付ける部品が入り口の穴より大きいとか、長い部品は曲げないと入れることができないとか、工具を回すスペースがないので組立てられないとか。こういう図面や形状のことを「地獄」と呼び、そんな設計をした者は同僚や組立現場から蔑まれます。面白いもので、地獄設計で使えなくなった部品や加工ミスで廃却する部品のことを「オシャカ(お釈迦)」と呼びます。

　新人の内はこんな経験も一度や二度ではありません。その都度挫折し、落ち込み、反省はしますが、言い訳もします。「そんなこと学校では教わらなかった。」

待避線(余談雑談) 鉄道工学を学んだ頃

当時の最新車両が表紙を飾っています

　本棚を整理していたらチョッと懐かしい書籍が出てきました。「入門鉄道車両」というB6版サイズ(128×182mm)で、大学の専門課程で鉄道工学の教科書として購入したものです。工学部の授業や勉強ではいわゆる理科の内容を深める一方、さらに実際的なモノ作りについて学びました。つまり物理、化学、数学の難しい(さっぱり解らない)理屈や数式をノートに書き写し、製図や加工、機械や道具の使い方について実習や講義を受けました。子供の頃から機械いじりや模型作りが好きだったので、「機械要素」という授業でウォームギヤやユニバーサルジョイントといった聞き慣れた用語が出て来ると、一歩先んじているような気がして嬉しかったことを覚えています。

ページをめくると

　「自動車工学」「航空工学」「鉄道工学」という講義が選択科目にあったので迷わずカリキュラムに入れ、週に一回最前列で受講しました。鉄道工学の講師は国鉄鷹取工場の技師の方で最後の授業は工場見学でした。その授業で一括購入したのが「入門鉄道車両　石井幸孝著」です。講義は一般学生が対象なので「鉄道車両には蒸気機関車、電車、ディーゼルカー等があって、、、」から始まって、電車の抵抗制御やディーゼルカーのトルクコンバーター、線路のカントとスラック、そして新幹線とリニアモーターカーの話などでした。私にとっては全部常識的に知っていることばかりで新鮮な知識を得るような機会ではありませんでしたが、やっぱり嬉しい時間でした。そんな内容なので授業で教科書はほとんど参照されることはなく、私も記述内容を細かく見ていませんでした。今あらためて読み直すと実にわかりやすく解説されていて、ブログで説明した下手な走行特性と出力特性の関係などはこの教科書を読んでから書けばよかったと後悔しきりです。その他にも知らなかったことが詳しく書いてあり、天狗になっていた自分が恥ずかしく思えてきました。

　この本には当時の最新技術であるサイリスタ制御の記述はありますが、当然ながらVVVFインバーターについては全く書かれていません。まだパソコンが一般的ではなかった時代で、計算尺や手回し式卓上計算機に代わって電子式卓上計算機(電卓)が初めて発売された頃のお話です。卒業研究といっても実質一ヶ月ほどの実験で、残りの10ヶ月近くはデータ整理とグラフ作成、論文の清書や発表用のスライド作りに費やしていました。もしエクセルやワードを使うことができたなら、たった数日で格段に見栄えのする成果があげられたと思います。そう考えると隔世の感がありますね。計算尺や手回し式計算機(通称タイガー計算機)については今では死語になっていますが、ネット検索すると画像や原理、使用方法などを詳しく知ることができます。 

エンドレス線路延長

　昨日投稿の方針決定により、手持ちのレールを使ってできる限りの線路延長を図ることにしました。レールの在庫としては、新品(かなり錆びてはいますが)の定尺5.5mが2本、分岐器製作時の残り4.6mが1本、文化祭での展示移送用軌框完成品(直線)4mと1.5m各1本、合計で約13m分です。軌框として完成しているものはできるかぎり直線部にそのまま使用することにしますが、全体計画図通りに効率よく充当できるかはフタを開けてみないと何とも言えません。それはなぜならレールの曲げ半径というのが結構大雑把である、つまり計算通りにならない一方で、ゲージや継目の位置合わせのためにその場で追加曲げや戻し、切断を行うことがあるからです。

線路延長計画　褐色部分が今回の着工区間　

道床と路盤の構造

　今回の線路延長部は既にある花壇の中を横切ってガレージの裏をかすめ、隣家との境界の方向へ向かっています。庭全体が緩やかな傾斜地になっているので高地にある既設線路は地面を掘り込んで砂利を入れてあり、低地側は築堤状の路盤を造成しなければなりません。庭で穴掘りや整地などをして不要な土が出るとこの線路予定地に持ってきて盛り土にしてきたので、ある程度路盤らしくなっています。7、8年前に敷設した線路の枕木の一部が腐朽していたことから今後敷設する線路は水はけを考慮することにしました。また春から夏にかけてあっという間に色んな植物が芽を出して成長し、道床の砂利のスキマから葉茎が生えてくることはもとより、延長予定地に置いていた軌框が草に埋もれて廃線跡のようになってしまうことがありました。施肥によって花壇周辺の土壌が栄養豊富になっていることが一因で、雑草特にスギナが繁茂することがないような対応を考えることも必要です。 

掘り込み道床(左)と盛り土道床(右)　右の写真の手前側に盛り土路盤が造成される予定

　　　　　　　延長予定地(ツツジの右側)　　　　　　　廃線跡のようになった仮置き線路

　その対策として

〇第一に枕木の下の砂利の層を厚くする。

〇次に砂利のなかに土が浸入しないように砂利層と路盤の間に分離膜を張り、傾斜を付けて水が滞留しないようにする。

〇この分離膜には防草シートを使用して路盤内部からスギナなどの雑草が成長しないようにする。

　実物の線路、道床、路盤の構造を参考にしようとネットで検索したところ、近年の路盤上面はアスファルトやコンクリートで傾斜(約3%)が付けられていることを知りました。理由は書いてありませんでしたが、水はけを良くするためだと思います。枕木下の砂利層の厚さは1級線でも200~250mmですから1/3スケールで70~80mmあれば実物通りになります。防草シートはわずかながら透水性があるので仮に傾斜が不完全であっても水溜りにはならない(であろう)ことが期待できます。防草シートの本来の機能を試すためにスギナの繁茂した箇所に被せてみたところ、数週間後に葉は緑色から黒く変色していました。ただ枯死したわけではなく、地中で越冬しながらも温度と光が整えば重力に逆らってニョキニョキと顔を出すしたたか者ですから、物理的に成長を阻止するためには破れることがないように注意しなければなりません。犬走や盛り土の法面が防草シートむき出しでは美観上味気ないので試験的に人工芝を貼ってみようかと考えています。

水はけ防草対策　　　　　　　　　　　　路盤造成工事中

 　

今後の方針とタイムスケジュール

 　実は過日、義父が他界しました、94歳の大往生でした。このブログにも記している通り線路の敷設を始めた(2014年)頃は同居していましたし、何より鹿部電鉄があるのは彼がここに広い土地と別荘を購入してくれたおかげです。あらためて深い感謝と敬意を表したいと思います。　合掌

 

　さて私は今、鹿部電鉄設立以来の岐路に立っています。いやいや分岐器が出来たからと言ってそこに立って線路を眺めているわけではありません。幼い頃からの悲願であった運転手になる夢が実現し、次は自宅を廻るエンドレスを建設するために分岐器を作りました。用地の確保は済み、大部分の築堤の盛り土もできているので、ひたすら線路を延長すればそう遠くないうちに周回軌道が完成するはずでした。ところがいきさつを昨年末来の「妄想トレイン」に書いている通り、根が作り鉄なのでもう1両電車が欲しい、正確に言うと昭和の気動車を作りたいと思うようになってしまったのです。世のすべての作り鉄がそうであるとは言いませんが、移り気に加えて無計画は鉄ごころついた頃からの性分です。ここはしっかりとした計画を立て、着手実行する順序を決めて一つずつ完成させていくことにします。

　優先順位は以下の通りです。

　1．カヌー格納庫の艇移載用線路敷設：床、壁、扉は当面手をつけない。(7月中旬)

　2．エンドレス線路延長：在庫レールが使用できる範囲(約13m)で路盤、道床、レールを敷設する。砂利追加手配。(9月中旬)

　3．気動車用走行抵抗改良台車製作：詳細加工設計図作成、外注手配、購入品手配、組立、試運転。(10月末)

　4．カヌー格納庫の床、壁整備：扉製作が降雪に間に合わなければ翌春まで密封。(台車製作と並行して11月末)

　5．レール追加手配：予備含めて20本、ペーシ/モール/スパイキ必要量算定。カヌー格納庫で保管。(2023年5月、格納庫の雨対策完了が前提)

　6．エンドレス線路延長：路盤造成、橋梁製作、レール敷設。(前5項完了後開始)

　7．気動車留置線敷設：路盤造成、レール敷設、横取り装置製作、建屋は別途検討。

　8．気動車車体：設計、材料手配、製作。外観完成を優先。

　9．気動車動力/制動装置：設計、材料手配、製作。

　肝に銘じるべきは、やっている仕事が終わるまで次の作業着手や資材手配に手を染めないことです。天候や段取りの都合で作業を並行あるいは交互に行うことは許容しても、基本は”One by one”を徹底するように心がけます。

　第5項に始まる2023年度以降の計画に完了期限を書いてないのは正直なところ見当がつかないからです。数十メートルの線路敷設にどれだけ手間取っているンだと𠮟咤の声が聞こえて来そうです。折から空知鉄道さんでは一気に45mの延長、分岐器や駅の設置など延伸開業のテレビ放映(道内)等があり、熱意と行動力の差を見せつけられた感があります。デ1の製作には3年半かかったので、それ相応の期間が必要であると思う一方、そんな長い間の心変わりを抑える自信はありません。それでもデ1とキハ40000が花に埋もれた庭を行き交う光景を想像すると胸の高鳴りを覚えずにはいられません。