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このリスになったつもりで列車のポイント切り替えを観察してみましょう。相肉分岐機の一部が緩んでいます。どのような影響を与えるでしょうか。

稼働レールがこのような位置にあると、列車の車輪は自然とこのように進みます。しかし分岐点を通過した後に大きな問題が生じると思いませんか。この問題を解決するための解決策はあるのでしょうか。

この問題を解決するには、まずレールの一方からフランジを取り外す必要があります。また、1本のレールを2本に分けることも可能です。この分岐点で車輪はどちらの方向に進むでしょうか。そうです、この状態では進路は予測できません。

ここで車輪にフランジを追加してみましょう。今度はどちらの方向に車輪が進むか分かりますか。――当然右側のレールに沿って進みます。車輪を左側のレールに沿って走らせたい場合は、右側のレールを別の部品にして、車輪がその地点に到達する前に図のように曲げるだけ。これがポイント切り替えの基本原理です。

実際の動作を見てみましょう。両方のレールが存在する状況では、フランジは常に車輪の内側に位置しています。動かせるレールの部分はトングレールと呼ばれています。ぴったりの名前ですよね。

トングレールが図のように曲がっていると、列車は黄色いレールの上を進みます。フランジがあるため、左側の車輪は水色のレールの上を走ることができません。同様に濃い青色の稼動レールはもう一方のレールと全く接触していません。この大きな隙間のおかげで、右側の車輪もその黄色いレールに沿ってスムーズに進むことができます。

逆にトングレールを反対方向に曲げると、今度はオレンジ色の稼働レール部分に隙間が生じます。これにより列車は青いレールに自然に導かれ、直進することになります。シンプルかつ効果的な仕組みですよね。

トングレールの稼働部分はそれほど長くする必要はありません。このように軸を中心に回転させることで、トングレールの長さを短くできます。短い設計の利点については後ほど詳しく説明します。

このメカニズムにより、レールの切り替え操作自体は完璧に行われます。しかし、この状態のレール上で列車を走らせると必ず脱線してしまいます。問題は交差部分です。トングレールは1点で交差しています。交差部がこのように設計されていると、列車はオレンジ色の稼働レールに衝突して脱線してしまいます。

この問題をどう解決するか見てみましょう。解決策は単純です。両方のレールの交差部付近に隙間を設けるのです。この改良された交差部の設計により、列車が左右どちらのレールを通過する場合でも、車輪はどのレールにも衝突することなく分岐点を通過できます。つまり新設計では、列車は路線を切り替え、さらに問題なく分岐点を通過できるというわけです。

ここでさらに小さな設計上の課題が生じます。交差部での車輪の動きをスローモーションで見てみましょう。車輪がこの隙間部分で沈み込んでいるのが分かりますね。これを解決する方法、分かりますか。図のようにトングレールの長さを延長するだけでこの問題を解消できます。レールの隙間を通過する際に、車輪に適切な指示面を提供します。

ほぼ完璧な設計に見えますが、実はまだ大きな欠陥があります。その重要な欠陥を発見するために、JLC3DPのサービスを利用して分岐機の機構全体を金属3Dプリントで制作しました。JLC3DPの利用は本当に楽しかったです。私たちはCADモデルを作成するだけで、ウェブサイトにアクセスし、金属3Dプリントを選択して素材を指定しました。線路切り替えの科学的原理を再現するには金属3Dプリントが最適な選択肢です。

JLC3DPの専門家が3Dモデルを詳細に分析し、問題がある場合は指摘してくれます。私たちのモデルは一度で承認されました。金属3Dプリントの工程では、パワフルなレーザーによって金属粉末の層を溶融させます。一層が完成すると機械は上に別の薄い金属粉末層を追加し、このプロセスを繰り返すという仕組みです。JLC3DPの金属プリントは最安8ドルという低価格で、3Dプリント後の仕上げ処理も彼らが行ってくれます。

1週間後、このパッケージが届きました。3Dプリントされた金属部品は適度な重量感がありました。組み立ては非常に楽しく、見事な分岐機が完成しました。

さて、レールに沿って車輪を転がしてみましょう。お気づきでしょうか。列車がまた脱線しています。拡大して詳しく見てみましょう。何が起きているのでしょうか。反対側からも観察してみましょう。

右側の車輪はこのレールに沿って進むはずですが、残念ながら車輪はウィングレールに沿って進み、脱線しています。通常レールの大部分は緩やかな曲線半径で設計されています。レールの曲線半径が小さすぎたり逸脱角度が大きすぎたりすると、車輪がウィングレールに沿って進んでしまう危険性が高まります。この映像からも明らかですよね。

この問題を解決するのが「ガードレール」と呼ばれる2つの部品です。ガードレールは主レールの両側に一定の間隔を置いて設置されています。例え車輪がウィングレールに沿って進もうとしても、ガードレールがそれを防止します。これにより車輪は適切にレールへと誘導され、意図した軌道をスムーズに通過できます。そのため高速走行中でも列車は安全かつ滑らかに進路を変更できるのです。

この金属3Dプリントで作られたモデルでは、稼働レールに適度な柔軟性があります。このモデルを使って理想的な分岐機の機構設計をさらに詳しく見ていきましょう。

ここでトングレールが短く設計されている理由について考えてみましょう。実は設計上の重要な工夫なのです。分岐機において最も大きな応力がかかる箇所はどこだと思いますか。レール切り替え部の先端と交差部の先端です。これらの部品は主レールと比較して摩耗が激しく、非常に頻繁に交換が必要になります。

このような理由から、トングレールは2つの部分に分けられているのです。切り替え部が寿命を迎えたらその部分だけを交換します。こうすることで、摩耗に伴って交換する必要のある鋼材の量を大幅に減らすことができます。

トングレールは転轍装置を使って連動して操作されます。かつては「ポイント係」と呼ばれる作業員がこの転轍機を手動で操作していました。映画などで目にしたことがあるかもしれません。現代では「ポイントマシン」と呼ばれる電気機械装置がこの作業を自動で行っています。かなり強力な機械です。

ポイントマシンには複数の桿が接続されており、数多くの電気接点とギアが組み込まれています。これら5本の桿のうち1本が転換桿です。ここがトングレールの現在位置だとしましょう。係員が反対方向に切り替えたい場合、その指令が電動モーターに伝わり回転を開始します。モーターの回転力はこれらのギアによって増幅され、最終的に転換桿が動きます。

トングレールが反対側のレールに接触すると、検知桿の働きにより係員は稼働レールが適切な位置に到達したという信号を受け取ります。さらに電気接点が閉じるのにお気づきでしょうか。これが起こると残りの2本の桿――ロック桿が自動的に作動します。列車が分岐点を通過する際にトングレールが動かないようにするのが目的です。2本のロック桿のおかげで、トングレールが所定位置に到達するとすぐに自動的にロックされる仕組みなのです。

さて、鉄道の切り替えをさらに複雑かつ面白くしていきましょう。ならば列車をこれら3つのレールのいずれにも誘導できる分岐をどのように設計するでしょうか。当然、もう1台のポイントマシンが必要になります。列車がレールを変更する概念的な理解が明確になったので、列車がどのように3つの異なるレールを走れるかを簡単に映像で紹介します。

鉄道分岐技術における最も魅力的な発明の1つが「ダイヤモンドクロッシング」です。ここでの設計上の課題は、列車Aには2つのレールを選択できる選択肢があり、同様に列車Bにも2つのレールを選択できる選択肢があるべきだということ。ダイヤモンドクロッシングの設計には2台のポイントマシンが必要です。連結されたポイント機構の接続によって、ダイヤモンドクロッシングが4つの走行パターン全てを実現する様子がこちら。

転轍機のポイントロッド及び稼動部の定期的な潤滑は、円滑な動作のために非常に重要です。またポイントと基本レールの間にしっかりと接触があることも確認する必要があります。

これまで私たちは分岐機の仕組みを理解するために車輪の一部分だけに注目してきました。しかし多くの車両を連結した実際の列車が、レールの切り替え部分をどのように通過するのかを観察することも非常に興味深いものです。

今回の金属3Dプリントで作られた鉄道分岐機のモデル実験を楽しんでいただけたら幸いです。

ご視聴ありがとうございました。

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