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碓氷峠に導入されたアプト式電気機関車
(高鉄運転部車務課長　新出茂雄　鉄道ピクトリアル No51 1955/10)

上野起点131キロの信越線横川駅から、軽井沢駅まての11．2キロの間は66．7‰の上り勾配て、レ−ルの間に設けたラックレールと機関車に設けた歯車がかみ合って列車の運転を行う、国鉄ただ一つのアプト区間である。 　この機会にアプト式運転について少しく述べて見よう。 　碓氷線が起工されたのは遠く明治24年3月で、同26年3月に開通している。 　海抜386メートルの横川から海抜939メートルの軽井沢まての11．2キロの間にトンネル26が連続している難工事であった。 　横川を出て1．8キロ行ったところに丸山信号所があり軽井沢の手前0．8キロのところに矢ヶ崎信号所があって、横川−丸山間と矢ヶ崎−軽井沢間が複線になっており上下列車の行違いが出来る。 　丸山−矢ヶ崎間は単線である。 　なお丸山−矢ヶ崎間の中間(両信号所から4．3キロのところ)に熊ノ平駅がある。 　この丸山−熊ノ平間と熊ノ平−矢ヶ崎間がアプト区間、すなわちレール間にラックレールが敷設されているのである。 　ラックレールは上の写真右に示すようにノコギリ状をしたレールが3枚揃えて枕木上におかれてある。

ラックと噛み合う歯車

歯をずらして3枚重ねたラックレール

主電動機で駆動されるラックと噛み合う歯車

　ラックレ−ル3枚は上の写真左に示すようにその歯が各々1/3ずつずらしてあり、機関車側の歯車も同様3枚が歯を交互にして重ねてあるので、常にいずれかの歯が完全に噛み合うようになっている。
　写真右は機関車に取付けられた歯車をピット内から撮影したものである。

機関車がラックレ−ル区間に入るところをエントランスと称して、歯形が低いものから順次高くなり、ラックレールは山形をなしていて、なおバネで支えられているので機関車の歯車はショックなく噛み合うようになっている。 　エントランスは丸山に1ヶ所、熊ノ平に出入2ヶ所、矢ヶ崎に1ヶ所設けられている。 　明治26年当時はもちろんアプト式蒸気機関車を運転したもので、エスリンゲン会社製のもの7台でこの区間を上下した。 　当時の機関車は勾配に対して麓側に1台と、中間に1台を連結して列車を押し上げるようにして運転された。 　このほか、最後部（勾配の麓側）機関車の前には、ピフと称する歯車を有する緩急車１両を連結して、機関車のプレーキカを補助したものである。 　この車には歯車にプレ−キをかける装置があって、勾配途中で停車した時に転動を防止するものてあった。 　何しろ10キロ足らずの区間にトンネルが26もあるし、その延長は4.5キロで全区間の4割に当る暗黒界を運転しているので、同区間はいまでも｢夜間｣の運転方式によっている。

アプト式線路、ラックレール入口付近

　この区間は当時77分もかかって運転したのであるから毎時約9キロの速度で、ちょうど人間の駆足程度の速度で上下したことになる。
　従ってトンネル内では機関車乗務員はもちろん乗客も相当苦しい思いをしたもので、乗務員の窒息事故もしばしばあったということである。
　蒸気機関車はその後バイヤー・ピーコック会社製のもの12両を購入し、明治32年に始めて国内製蒸気機関車を汽車会社の手で製作したが、これも6台を造ったのみで電気機関車に移った。
　明治43年4月に同区間の電化工事に着手し、明治45年5月に電気機関車による運転に移され、これで20年間に亘る乗務員・乗客の苦難の行は救われたのである。
　同時に運転時間においても蒸気時代に77分を要したものが47分に短縮され、しかもけん引トン数も1列車126トンてあったものが、231トンと約2倍に増したことは特記してよい。

電気を送る双頭の第三軌条

電気を取る集電靴　プラス用とマイナス用

　電気機関車運転区間として一般と異る点は、第三軌条といって地上約30センチメートルの双頭軌条から集電靴で集電し、パンタグラフから集電していないことである。
　なおその電圧は直流600ボルトでこれは電化当時から今日に及んでいる。
　上の写真は第三軌条（左）と集電靴（右）である。

ＥＣ40形　ドイツ・アルゲマイネ製　明治44〜45年に12両購入。 最初はポール付だったが大正8より逐次パンタグラフに交換され、昭和3年まで10000形と称せられた。昭和11年廃車完了。

ＥＤ40形　大正8年国鉄大宮工場製の最初の国産機関車で19両作られた。運転室は前位のみ。 ＥＣ40に代り永年使用され、昭和6年に廃車完了した。

　電化当時の電気機関車はドイツ・アルゲマイネ製で12両を購入した。
　ＥＣ40形と称し重量46トン・車長9,550ミリ・出力215キロワットの主電動機2箇を備え、1個は動輪用でロッドで3つの動輪に回転力を伝達し、1個は歯車を回転させるラック区間専用であった。
　機関車の最大速度は粘着区間25キロ、ラック区間20キロで設計されているが、これはその後3形式のラック式電気機関車すべてにそのまま踏襲された速度である。
　その後大正8年国鉄大宮工場でＥＤ40形電気機関車14両を製作している。
　この方は重量60トン・長さ9,780ミリ・主電動機は240キロワットで1個を動輪用、1個をラック用に用いたことはＥＣ40形と同様であるが、ロッドで連結された動輪が4個になった。

ＥＤ41形　アプト区間の機関車容量に不足を生じ大型機関車のサンプルとして大正15年スイス・ブラウンボベリ社より2両購入。現在のＥＤ42形の基本となったが部品の補充困難となり昭26年廃車。

ＥＤ42形　ＥＤ41形をモデルに昭和9年に国産化され、これがその後のアプト式機関車の標準機となった。 ＥＤ42形を先頭に1両、後部に3両付けて霜積川橋梁（第1橋梁）を渡る下り急行「白山」

　大正15年に至って、スイス・ブラウン・ポベリーからＥＤ41形2両を購入している。
　重量59．85トン・長さ12,800ミリ・主電動機を3個を備え、1個の出力は180キロワットで1個がラック用、2個が動輪用で4つの動輪の2つをロッドでつないでいた。
　このＥＤ41形が基本となって、国産のＥＤ42形が昭和9年に製造され、これが碓氷線のアプト式が廃止されるまでのアプト式電気機関車の標準機となった。
　ＥＤ42形は重量63.．36トン・長さ12,810ミリ主だが、電動機出力180キロワットのもの3個と動輪４つはＥＤ41を踏襲した。
　この機関車は鉄道省工作局と日立、東芝、三菱、川崎、東洋の5社の協同設計で全部で28両製作され、その時点で前記各形式はすべて廃車となった。
　見本となったスイス・ブラウン・ポベリーのＥＤ41も部品の調達が困難なことから同じ運命となった。
　ＥＤ42形は電気ブレ−キを用いて勾配を下っていたが、昭和28年から回生プレ−キ装置を完成して電力回生を行い、電力の節約と共に行違列車に電力を返し、電圧降下を緩和している。
　アプト式電気機関車はすべて勾配の麓側に連結することになっている。
　すなわち列車の後部から押上げるようになっている。
　また勾配を下る時は前頭にあって回生プレーキをかけて下るようになっている。
　現在は機関車3台を勾配の麓側に、1台を頂上に連結、すなわち4台の機関車で360トンを押し上げている。
　このような連結状態であるから運転室は勾配の麓側、すなわち横川方にのみ設けている。

　また、この機関車には二重三重の保安装置が施されているので、電機運転以来まだ勾配に関する不詳事故を起したことはない。
　66.7‰の勾配では粘着力によって計算上、上ることができることが証明されているが、上り勾配における空転や、下り勾配におけるプレーキカの安全度を考えると、機関車出力に余程の余裕がなければラックを取りはずすことは出来ないのではないか。