鉄道ブレーキ
従来のクラスプブレーキ：鋳鉄製のブレーキシュー（茶色）が車輪（赤）の走行面（タイヤ）に押し付けられ、左側のレバー（灰色）で操作されます。
1873年製リギ鉄道の蒸気機関車に取り付けられたバンドブレーキ

鉄道ブレーキは、鉄道車両の車両に使用されるブレーキの一種で、減速、加速制御（下り坂）、または停車中の車両の停止を可能にします。基本原理は道路車両のブレーキと同様ですが、連結された複数の客車を制御する必要があること、そして原動機のない車両にも効果を発揮する必要があることから、操作はより複雑です。クランプブレーキは、歴史的に列車で使用されてきたブレーキの一種です。

初期の開発

鉄道黎明期には、ブレーキ技術は未発達でした。初期の列車には、機関車炭水車と列車内の車両にブレーキが装備されており、「ポーター」（アメリカ合衆国ではブレーキマン）と呼ばれる、車両に同乗してブレーキ操作を行う人がいました。一部の鉄道会社は、ポーターにブレーキの必要性を知らせるため、機関車に専用の深いブレーキホイッスルを装備していました。この開発段階におけるブレーキはすべて、車輪の踏面に設けられたブレーキブロックにねじとリンク機構を作動させることで作動し、車両が停車しているときでも使用できました。初期のポーターは車両の外にある簡素なシェルターで移動していましたが、客車内を移動し、持ち場のブレーキホイールにアクセスできる「アシスタントガード」が彼らに取って代わりました。達成可能なブレーキ力は限られており、また、ブレーキの作動は警備員の聴覚とブレーキの笛への素早い反応に依存していたため、信頼性も低かった。[ 1 ]

初期の開発では、機関車に蒸気ブレーキが採用されました。これは、ボイラー圧力を機関車の車輪のブレーキブロックに作用させるものでした。列車の速度が上昇するにつれて、列車の運転士が瞬時に作動・解除できる、より強力なブレーキシステムの導入が不可欠になりました。このブレーキは、列車の全長にわたって継続的に効力を発揮するため、 「連続ブレーキ」と呼ばれました。

イギリスでは、 1876年1月にアボッツ・リプトン鉄道事故が発生し、連続ブレーキのない急行列車の停止距離が長かったことが事故の深刻化を招いた。これは、悪条件下では信号の位置を推定する際に想定される距離を大幅に超える可能性があることが明らかになった。[ 2 ]これは、前年にニューアークで鉄道事故を検討していた王立委員会を支援するために行われた鉄道ブレーキの試験から明らかになっていた。当時の鉄道職員の言葉によれば、これらの

通常の条件下では、時速45.5～48.5マイルで走行する列車を停止させるには800～1200ヤードの距離が必要であることが示されました。これは最速の急行列車の通常の走行速度をはるかに下回っていました。鉄道当局はこの結果に備えておらず、ブレーキ力を大幅に増強する必要があることがすぐに認められました[ 3 ]。

アボッツ・リプトンが報告した後に行われた試験では、急行列車はほぼ条件に一致した（例えば、200分の1の下り走行だが、好条件下ではブレーキをかけない）ことが次のように報告された。[ 2 ]

ブレーキシステム 列車の速度 距離 停止時間（秒）
時速km/h ヤードメートル
連続（真空）45 72410 370 26
連続（真空）45 72451 412 30
ブレーキバン3台40.9 65.8800 730 59
ブレーキバン2台40.9 65.8631 577 44
ブレーキバン2台45 72795 727 55
ブレーキバン1台45 721,125 1,029 70

しかし、列車全体でブレーキ力を適度に均一にする必要があり、また、走行中に頻繁に列車に車両を追加したり削除したりする必要があったため、この問題に対する明確な技術的解決策はありませんでした。（当時、ユニット列車は珍しいものでした。）

主な解決策の種類は次のとおりです。

  • バネ式システム:ランカシャー・アンド・ヨークシャー鉄道の客車製造者ジェームス・ニューオールは 1853 年に、列車の全長にわたって回転するロッドを使用して各客車のブレーキ レバーを、シリンダー内の円錐バネの力に抗して巻き上げるシステムの特許を取得しました。客車の屋根上のゴム製ジャーナルに取り付けられたロッドには、ユニバーサル ジョイントと短いスライド部分が取り付けられており、緩衝器を圧縮できるようにしていました。ブレーキは列車の片端から制御されました。ブレーキを解除するには、車掌がロッドを巻き上げてバネを圧縮し、その後、車掌が制御する 1 つのラチェットによってバネが保持されました(ただし、緊急時には、運転手がコードを引いてラチェットを解放することもできました)。ラチェットが解放されると、バネによってブレーキが作動しました。列車が分割すると、車掌室のラチェットではブレーキが保持されず、各客車のバネによってブレーキが車輪に押し付けられました。連結器の遊びが大きすぎるため、この装置の有効範囲は 5 両程度に制限されていました。この数を超える場合は、追加のガードとブレーキ室が必要でした。この装置はいくつかの会社に販売され、商務省から推奨を受けました。L&Y社は、別の従業員であるチャールズ・フェイが設計した同様のシステムと同時試験を行いましたが、効果にほとんど差はありませんでした。1856年に特許を取得したフェイのバージョンでは、ロッドが客車の下を通過し、各ブレーキへの直接的なスプリング作用にウォームドライブが介在していました。ニューオールのシステムの重要な「自動」機能は維持されていましたが、ウォームドライブによってブレーキが解放時に過度に激しく作動することが防止されました。1875年6月のニューアークブレーキ試験に同社が参加させたのはフェイのバージョンで、そこでは試験対象の8つのシステムの中で通常は中間の位置にあたる、適度な性能が達成されました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
  • チェーンブレーキは、列車の下部にチェーンが連続的に連結されたブレーキ方式です。チェーンを強く引くと摩擦クラッチが作動し、車輪の回転を利用してブレーキをその位置で締め付けます。この方式は、扱える列車の長さ（3両目以降はブレーキ力が著しく弱くなるため）と、調整精度（固定長チェーンでは対応できないピンカプラーのたるみを考​​慮するため）に厳しい制限があります。アメリカ合衆国では、チェーンブレーキは1848年にコネチカット州ハートフォードのルーシャス・ステビンズ、 1855年にメリーランド州ウェバートンのウィリアム・ラフリッジによってそれぞれ独自に開発され特許を取得しました。 [ 9 ]イギリス版は、1840年代に開発を進めたジョン・クラークと1875年に完成させたフランシス・ウィリアム・ウェッブにちなんで、クラーク・アンド・ウェッブ・ブレーキと呼ばれていました。[ 10 ]チェーンブレーキは、アメリカでは1870年代まで[ 9 ]、イギリスでは1890年代まで使用され続けました。 [ 10 ]
    • ヘーベルライン ブレーキは、ドイツで普及しているチェーン ブレーキの注目すべきバリエーションであり、下連結チェーンの代わりに頭上ケーブルを使用します。
  • 油圧ブレーキ。ブレーキをかけるための作動圧力は、自動車のブレーキと同様に油圧で伝達された。これは英国（例えばミッドランド鉄道とグレート・イースタン鉄道）である程度採用されたが、作動油として水が使用されており、英国でも「凍結の可能性は油圧ブレーキに不利とされていたが、グレート・イースタン鉄道は塩水を使用することでこれを克服した」[ 11 ]。
ロテアバルブ・ウェスティングハウス・エアブレーキ社のコントローラーバルブ[ 12 ]
  • シンプルな真空システム。機関車のエジェクターが列車に沿って連続したパイプ内に真空を作り出し、外部の空気圧で各車両のブレーキシリンダーを作動させる仕組みでした。このシステムは非常に安価で効果的でしたが、列車が分断されたり、パイプが破裂したりすると作動しなくなるという大きな弱点がありました。
  • 自動真空ブレーキ。このシステムは、単純な真空ブレーキと類似していましたが、列車配管内に真空を発生させることで各車両の真空リザーバーを空にし、ブレーキを解除するという点が異なっていました。運転士がブレーキをかけると、運転席のブレーキバルブから大気が列車配管内に導入され、この大気圧が真空リザーバー内の真空に抗してブレーキをかけます。自動ブレーキであるため、列車が分離したり、列車配管が破裂したりした場合でも、ブレーキ力がかかります。欠点は、各車両に大きな真空リザーバーが必要であり、その大きさとやや複雑な機構が問題視されていたことです。
  • ウェスティングハウス式空気ブレーキシステム。このシステムでは、各車両に空気タンクが備えられており、機関車は列車管に正圧を充填します。これにより、車両のブレーキが解除され、車両の空気タンクに空気が充填されます。運転士がブレーキをかけると、ブレーキバルブが列車管から空気を放出します。各車両の三連バルブが圧力低下を検知し、空気タンクからブレーキシリンダーに空気を送り込み、ブレーキをかけます。ウェスティングハウス式システムは、適度に高い空気圧を使用できるため、対応する真空装置よりも小型の空気タンクとブレーキシリンダーを使用します。しかし、圧縮空気を生成するために空気圧縮機が必要であり、鉄道の初期には大型の往復蒸気空気圧縮機が必要でした。これは多くの技術者にとって非常に望ましくないと考えられていました。さらに、ブレーキを再びかける前に完全に解除する必要があったという欠点もありました。当初は「段階的解除」が不可能で、ブレーキ力が一時的に利用できない間に多くの事故が発生しました。[ 13 ]

注: これらすべてのシステムには、さまざまなバリエーションと発展形があります。

ニューアークでの試験では、ウェスティングハウスの空気ブレーキのブレーキ性能が明らかに優れていることが示されました。[ 14 ]しかし、他の理由[ 15 ]により、英国の鉄道では真空システムが一般的に採用されました。

ブレーキシステム エンジン搭載の列車重量 列車の速度 停止距離 停止時間（秒） 減速 レール
ロングトントン 時速km/h ヤードメートル グラムメートル/秒2
ウェスティングハウス自動巻き 203トン4cwt 206.5 52 84 304 278 19 0.099 0.97 ドライ
クラーク油圧198トン3cwt 201.3 52 84 404 369 22.75 0.075 0.74 ドライ
スミス真空[ 13 ]262トン7cwt 266.6 49.5 79.7 483 442 29 0.057 0.56 ドライ
クラーク・アンド・ウェッブチェーン241トン10cwt 245.4 47.5 76.4 479 438 29 0.056 0.55 ドライ
バーカーの油圧 210トン2cwt 213.5 50.75 81.67 516 472 32 0.056 0.55 ドライ
ウェスティングハウス真空 204トン3cwt 207.4 52 84 576 527 34.5 0.052 0.51 濡れた
フェイメカニカル186トン3cwt 189.1 44.5 71.6 388 355 27.5 0.057 0.56 濡れた
スティール＆マッキネスエア 197トン7cwt 200.5 49.5 79.7 534 488 34.5 0.051 0.50 濡れた

後のイギリスの慣習

イギリスでは、1930 年頃まで旅客列車にのみ連続ブレーキが装備されていました。貨物列車や鉱物列車は低速で走行し、機関車と炭水車、ブレーキ車(列車の後部に用意され、車掌が乗る大型車両) のブレーキ力に依存していました。

貨物車と鉱石車には、地上係員が手動レバーで操作するハンドブレーキが備えられていました。これらのハンドブレーキは、車両を停車させる際だけでなく、列車が急勾配を下降する際にも必要に応じて使用されました。列車は勾配の頂点で停止し、車掌がブレーキハンドルを「固定」するために前進するため、降下中はブレーキが部分的に作動していました。初期の貨物車はブレーキハンドルが片側のみでしたが、1930年頃から貨物車には両側にブレーキハンドルの設置が義務付けられました。ハンドブレーキ付き車両を収容する列車は「非装備」と呼ばれ、イギリスでは1985年頃まで運行されていました。1930年頃からは、半装備列車が導入されました。これは、連続ブレーキを装備した貨物車を機関車の横に連結し、非装備列車よりも高速で走行するのに十分な制動力を確保する列車です。 1952年1月に行われた試験走行では、52両の貨車と850トンの石炭を積んだ列車が127マイル（204 km）を平均時速38マイル（61 km/h）で走行した。これは、ミッドランド本線の貨物列車の通常の最高速度である時速25マイル（40 km/h）を大幅に上回るものであった。[ 16 ] 1952年には、無蓋貨車の14％、有蓋貨車の55％、家畜運搬車の80％に真空ブレーキが装備されていた。[ 17 ]

ディーゼル機関車の初期には、ブレーキ装置が未装備の列車を牽引する際のブレーキ力を強化するため、専用のブレーキテンダーが機関車に取り付けられていました。ブレーキテンダーは低く設計されていたため、ブレーキテンダーが機関車より前に押し出された場合でも、運転士は前方の線路や信号を見ることができました。実際、ブレーキテンダーが機関車より前に押し出された場合でも、運転士は前方の線路や信号を見ることができました。

1878年までにブレーキシステムに関する特許が各国で105件以上取得されましたが、そのほとんどは広く採用されませんでした。[ 18 ]

連続ブレーキ

列車の積載量、勾配、速度が増加するにつれて、ブレーキはより深刻な問題となりました。19世紀後半には、はるかに優れた連続ブレーキが登場し始めました。最も初期の連続ブレーキはチェーンブレーキ[ 19 ]で 、列車の全長にわたってチェーンが張られ、すべての車両のブレーキを同時に作動させました。

チェーンブレーキはすぐに 空気作動式または真空作動式のブレーキに取って代わられました。これらのブレーキは、列車の全貨車にホースで接続されており、機関車内のバルブ一つでブレーキをかけたり解除したりすることができました。

これらの連続ブレーキは、簡易ブレーキと自動ブレーキの2種類がありますが、本質的な違いは、列車が2つに分かれた場合に何が起こるかです。簡易ブレーキでは、ブレーキをかけるために圧力が必要であり、何らかの理由で連続ブレーキホースが破損すると、ブレーキ力はすべて失われます。そのため、アーマー鉄道事故で示されたように、事態が実際に悪化した場合には、簡易ブレーキは役に立たないのです。

一方、自動ブレーキは、各車両に搭載されたリザーバーに空気圧または真空圧をかけてブレーキをかけ、列車配管内の圧力または真空が失われた場合にブレーキをかけます。このように、自動ブレーキは概ね「フェイルセーフ」ですが、ホースタップの不適切な閉止は、リヨン駅の事故のような事故につながる可能性があります。

標準的なウェスティングハウス空気ブレーキには、各貨車にトリプルバルブとローカルリザーバーが追加されており、空気圧をわずかに下げるだけでブレーキを完全に作動させることができるため、すべての圧力が大気中に放出されるわけではないため、ブレーキを解除するのにかかる時間が短縮されます。

非自動ブレーキは、自動ブレーキをかけなくても列車全体を制御できるため、機関車や先頭の数両の貨車ではまだ役割を果たしています。

種類

これはすべての鉄道ブレーキの完全なリストではありませんが、一般的な例のほとんどをリストしています。

機械式ブレーキ

ほとんどの牽引車両、客車、および一部の貨車には、手動パーキングブレーキ（ハンドブレーキ）が装備されています。このブレーキは、車両のブレーキリンケージに直接（機械的に）作用します。このブレーキを作動させると、空気圧ブレーキとは独立して車輪の回転が阻止されるため、駐車中の貨車や客車の不意の動きを防ぐのに適しています。空気圧ブレーキの保持力はコンプレッサーが作動していないと無期限に維持できないため、この目的には機械式ブレーキのみが使用できます。

2 つのタイプがあります。車上で操作できるハンドブレーキは、第一に車両の横滑り防止に使用され、第二に特定の入換操作で速度を調節し、自動ブレーキが故障した場合に列車を停止させるために使用されます。これは通常、ねじ式ブレーキとして設計されており、ブレーキマンのプラットフォームから操作されますが、客車の場合は車内、通常は出入口から操作されます。UIC 貨車では、このブレーキおもりは白枠で囲まれています (ブレーキ銘板の他の部分と同じ白色、または白色または淡色の背景に黒色)。炭水車やタンク機関車のハンドブレーキは、多くの場合、カウンターウェイト ブレーキとして設計されています。

手動式パーキングブレーキは、静止した鉄道車両の走行防止にのみ適しています。ハンドホイール式またはバネ式ブレーキとして設計できます。

ラック式鉄道の車両には、方向依存型のポールブレーキがしばしば搭載されています。このブレーキは下り坂でのみ作動し、上り坂ではラチェット機構によって作動中のラチェットブレーキが解除され、列車の後退を防止します。

空気ブレーキと真空ブレーキ

運転席の複式空気ブレーキ計: 左の針は列車に供給する主リザーバパイプの圧力を示し、右の針はブレーキシリンダーの圧力をバール単位で示します。

20世紀初頭、多くのイギリス鉄道は、世界の多くの地域で使用されていた鉄道空気ブレーキではなく、真空ブレーキを採用していました。真空ブレーキの主な利点は、可動部品のない蒸気エジェクター（蒸気機関車の蒸気で駆動可能）によって真空状態を作り出すことができる点です。一方、空気ブレーキシステムでは、騒音が大きく複雑なコンプレッサーが必要になります。

ただし、同じサイズのブレーキ シリンダーの場合、空気ブレーキは真空ブレーキよりはるかに効果的です。空気ブレーキ コンプレッサーは通常 90  psi (620  kPa、6.2  bar ) の圧力を生成できるのに対し、真空の場合はわずか 15 psi (100 kPa、1.0 bar) です。真空システムでは、最大圧力差は大気圧 (海面で 14.7 psi または 101 kPa または 1.01 bar、標高ではそれ以下) です。そのため、空気ブレーキ システムでは、同じブレーキ力を生成するのに真空システムよりはるかに小さなブレーキ シリンダーを使用できます。空気ブレーキのこの利点は、ペルーやスイスなどの高地で大きくなります。これらの国では、現在、二次鉄道で真空ブレーキが使用されています。空気ブレーキのはるかに高い有効性と蒸気機関車の廃止により、空気ブレーキが広く普及しましたが、真空ブレーキはインド、アルゼンチン、南アフリカではまだ使用されていますが、近い将来に減少するでしょう。『Jane's World Railways』を参照してください。

両システムの視覚的な違いは、空気ブレーキは高圧で作動し、車両端部の空気ホースの直径が小さいのに対し、真空ブレーキは低圧で作動し、車両端部の空気ホースの直径が大きいことです。列車の最外車両の空気ブレーキは、蛇口で停止します。列車の最外車両の真空ブレーキは、真空パイプの開口端が取り付けられた固定プラグ（「ダミー」）によって密閉されます。真空によってゴムワッシャーに密着し、ブレーキ中に真空が低下した際にパイプを固定するためのピンが取り付けられています。[ 20 ] [ 21 ]

エアブレーキの強化

自動空気ブレーキの改良点の一つとして、各貨車の空気タンクに空気を充填するための2本目の空気ホース（主リザーバーまたは主管）を列車に沿わせる点が挙げられます。この空気圧は、小麦貨車や石炭貨車、バラスト貨車の積み降ろしドアの開閉にも利用できます。客車では、主リザーバーパイプはドアやエアサスペンションの開閉にも空気を供給します。

カウンタープレッシャーブレーキ

背圧ブレーキは、駆動シリンダーを用いて機関車にブレーキをかける蒸気機関車のブレーキの一種です。このブレーキは、シリンダーを空気圧縮機として利用し、運動エネルギーを熱に変換することで機能します。

ダイナミックブレーキ

電気機関車とディーゼル電気機関車の共通の特徴はダイナミックブレーキです。これは、通常は車輪を回転させる電気モーターを発電機として使用して作動し、列車の速度を落とします。

渦電流ブレーキ

渦電流ブレーキは、渦電流を発生させて運動エネルギーを熱として発散させることで、 列車を減速または停止させます。

電空ブレーキ

英国の電気機関車の運転士のブレーキ
英国クラス317電気機関車の4段ブレーキハンドル

高性能EPブレーキは、列車の全ブレーキリザーバーに空気を供給する「メインリザーバーパイプ」を使用し、ブレーキバルブは3線制御回路によって電気的に制御されます。配線が切断されるとブレーキが自動的に作動するため、他のブレーキシステムと同様のフェイルセーフ性が維持されます。これにより、列車のクラスに応じて4段階から7段階のブレーキレベルが提供されます。また、従来のシステムではブレーキを作動させる空気圧の変化が列車後部まで完全に伝わるまでに数秒から数十秒かかるのに対し、EPブレーキでは電気制御信号が列車の全車両に瞬時に効果的に伝達されるため、ブレーキの作動速度も速くなります。ただし、このシステムはコストの問題から貨物列車には使用されていません。

電子制御空気圧ブレーキ

電子制御空気ブレーキ（ECP）は、20世紀後半にアメリカで開発されたもので、非常に長く重い貨物列車に対応するためにEPブレーキをさらに高度な制御に発展させたものです。さらに、各貨車のブレーキ作動に関する情報は運転士のコントロールパネルに返されます。

ECPでは、列車の先頭から後部まで、貨車から貨車へと電力・制御線が敷設されます。空気圧の変化は配管の空気抵抗によって実際にはかなり遅い速度で伝播しますが、電気制御信号は瞬時に効率的に伝播するため、全貨車のブレーキを同時に作動させることができ、さらには前方から後方ではなく後方から前方へブレーキをかけることも可能です。これにより、後方の貨車が前方の貨車を「押し出す」ような事態を防ぎ、停止距離の短縮と機器の摩耗の軽減につながります。

北米では、New York Air BrakeとWabtecの2つのブランドのECPブレーキが販売されています。これら2つのタイプは互換性があります。

ヘベルラインブレーキ

ヘーベルラインブレーキは、ドイツで使用されている機械式ケーブルを用いた連続式鉄道ブレーキです。列車ブレーキは、機関車から巻取機を用いて集中的に作動されます。これにより、車軸の回転を利用したサーボシステムの補助により、各貨車のブレーキクリップが作動します。ケーブルが断線した場合、ブレーキは自動的に作動します。

蒸気ブレーキ

蒸気ブレーキは、蒸気機関車とその炭水車用のブレーキの一種で、蒸気シリンダーがブレーキリンケージに直接作用します。

可逆性

貨車が常に同じ方向を向いている場合、貨車間のブレーキ接続は簡素化される可能性があります。ただし、ターンテーブルや三角路で頻繁に方向転換する機関車は例外となります。

2008年に開通したフォーテスキュー鉄道線では、貨車は1両編成で運行されていますが、港のバルーンループで方向が変わります。ECP接続は片側のみで、一方向のみです。

ブレーキによる事故

ブレーキの欠陥や不適切な使用は列車の暴走につながる可能性があり、場合によっては列車事故を引き起こしています。

  • ウガンダの機関車。連結部とタップの上に小さなエアブレーキホースが付いている。
    ウガンダの機関車。連結部とタップの上に小さなエアブレーキホースが付いている。
  • ギリシャNGエアブレーキ、上部の細いホースとタップ
    ギリシャNGエアブレーキ、上部の細いホースとタップ

参照

メーカー

参考文献

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  3. ^ TEハリソン（当時のノース・イースタン鉄道の主任技師、1877年12月の文書がFASブラウン著『グレート・ノーザン鉄道技術者叢書 第1巻：1846～1881』、ジョージ・アレン・アンド・アンウィン社、ロンドン、1966年、193ページに引用されている）：（ビクトリア朝時代にメートル法への変換を後から行うべきだと考える人々のために：時速45.5マイル（73.2 km/h）～時速48.5マイル（78.1 km/h）の速度では、停止距離は800ヤード（730 m）～1,200ヤード（1,100 m）であった）
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出典

  • 英国運輸委員会、ロンドン（1957年：142）。鉄道蒸気機関車機関士ハンドブック

さらに読む

  • マーシュ, GHおよびシャープ, AC 鉄道ブレーキの発展。第1部 1730-1880鉄道工学ジャーナル2(1) 1973, 46–53; 第2部 1880-1940 鉄道工学ジャーナル2(2) 1973, 32-42
  • ウィンシップ、IR『英国における鉄道における連続ブレーキの普及：技術史』 11（1986年）、209～248ページ。1850年から1900年頃までの発展を網羅。
ウィキメディア コモンズには、鉄道車両のブレーキに関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Railway_brake&oldid=1316797744」より取得