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鉄道用空気ブレーキは、圧縮空気を作動媒体とする鉄道用ブレーキ動力制動システムです。 [ 1 ]現代の列車は、1869年4月13日にジョージ・ウェスティングハウスが特許を取得した設計に基づくフェイルセーフ空気ブレーキシステムに依存しています。 [ 2 ]その後、ウェスティングハウスの発明を製造・販売するためにウェスティングハウス空気ブレーキ会社が設立されました。さまざまな形で、ほぼ普遍的に採用されています。
ウェスティングハウスのシステムは、空気圧を利用して各車両の空気貯蔵庫（タンク）に空気を充填します。空気圧が満タンになると、各車両のブレーキが解除されます。その後、空気圧が低下したり失われたりすると、各車両は貯蔵庫に蓄えられた圧縮空気を使用してブレーキをかけます。[ 3 ]
エアブレーキの最もシンプルな形態であるストレートエアシステムでは、圧縮空気がブレーキシリンダーに送られ、そのピストンが機械的なリンク機構（一般的にブレーキリギングと呼ばれる）に力を加えます（右図参照）。ブレーキリギングは、車のホイールのトレッドに押し付けられるブレーキシューに接続されています（乗用車によってはディスクブレーキを使用するものもあります）。この摩擦によって車の運動エネルギーが熱として散逸し、車が減速します。ブレーキリギングは、ブレーキシリンダーの力を複数のホイールに均等に分散するように設計されているため、多くの場合、非常に複雑な構造になっています。
システムを作動させるために必要な高圧空気の供給源は、機関車に搭載された空気圧縮機です。この圧縮機は、ディーゼル機関車の場合は原動機によって、蒸気機関車の場合は複式蒸気機関によって駆動されます。電気機関車の圧縮機は通常、専用の電動モーターによって駆動されます。空気圧縮機の出力は、機関車に搭載されたタンク（主貯槽と呼ばれる）に貯蔵されます。主貯槽からの空気は、機関車の運転室にある手動操作式のブレーキ弁にパイプで送られます。ブレーキ弁を開いてブレーキをかけると、加圧された空気がブレーキ機構に送られます。
直線空気ブレーキシステムの重大な弱点は、エアホースの破損など、配管の不具合によって圧力が低下すると、ブレーキが作動しなくなることです。そのため、列車のブレーキには直線空気は使用されません。このような不具合が発生した場合の冗長性が確保されないためです。しかし、機関車のブレーキには直線空気が使用されています。これは、緊急時に機関車が推進力を逆転させて停止できる機能（「プラグ」と呼ばれる手順）によって冗長性が確保されているためです。
独立ブレーキ弁は機関車のブレーキを制御するもので、機関車のブレーキは列車のブレーキとは独立して作動または解除できるため、このように呼ばれている。
ストレートエアシステムの欠点のないブレーキシステムを設計するために、ウェスティングハウスは、鉄道車両各車両に二室式の圧縮空気貯蔵器と制御弁としても知られる三弁を装備する構成を発明した。ブレーキパイプと呼ばれるパイプが各車両に取り付けられ、システムを機能させるために必要な圧縮空気の通路として機能する。ブレーキパイプには、列車全体で連続したブレーキパイプ接続を形成するために、各車両と機関車の両端にホースが取り付けられた。 [ 4 ]
先に述べた直接空気圧システムとは異なり、ウェスティングハウスのシステムは、ブレーキパイプ内の空気圧を低下させることで間接的にブレーキを作動させる。
ウェスティングハウスは特許出願において、この装置を「三弁装置」と呼んでいる。これは、ブレーキシリンダーにリザーバーエアを供給するダイヤフラム式ポペット弁、リザーバー充填弁、およびブレーキシリンダー解放弁という3つの弁部品から構成されているためである。ウェスティングハウスはその後すぐに、ポペット弁の機構をなくすことで装置を改良した。これらの3つの部品は、ピストン弁、スライド弁、および調整弁となった。
ウェスティングハウス社のシステムは、以下のように機能します。
ウェスティングハウス社のシステムは、その設計上、本質的にフェイルセーフな構造になっている。つまり、前述のエアホースの破損など、ブレーキパイプの圧力が意図せず低下した場合、即座にブレーキが作動するようになっている。
現代のエアブレーキシステムには2つの機能があります。
通常運転中に列車のブレーキをかける際、運転士は「サービス作動」または「サービスレート低下」を行います。これは、ブレーキ管の圧力を制御された速度で低下させることを意味します。ブレーキ管の圧力が低下し、結果として列車全体にブレーキがかかるまでには数秒かかります。サービス低下時の圧力変化速度は、圧縮空気が列車全長にわたって存在する比較的小径の配管と多数のエルボによる流れ抵抗を克服する能力、および先頭機関車の比較的小さな排気口によって制限されます。つまり、最後尾の車両のブレーキは最前部の車両のブレーキがかかってからしばらく遅れて作動するため、多少の遅れが生じる可能性があります。ブレーキ管の圧力を徐々に低下させることで、この影響を軽減できます。
現代の機関車は2つの空気ブレーキシステムを採用しています。ブレーキ管を制御するシステムは自動ブレーキと呼ばれ、列車全体の常用ブレーキと非常ブレーキを制御します。列車の先頭（「先頭編成」）の機関車には、独立ブレーキと呼ばれる二次システムが備わっています。独立ブレーキは「ストレートエア」システムで、先頭機関車が自動ブレーキとは独立してブレーキをかけることができ、より繊細な列車制御が可能になります。2つのブレーキシステムの相互作用は、機関車メーカーや鉄道会社の好みに応じて異なる場合があります。一部のシステムでは、自動ブレーキと独立ブレーキの効きが加算されます。また、別のシステムでは、2つのうち効きの大きい方が機関車編成に適用されます。独立ブレーキシステムには、先頭機関車のブレーキを解除しても列車の残りのブレーキの効きに影響を与えない「ベイルオフ」機構も備わっています。
列車が緊急停止する必要がある場合、運転士は「緊急作動」を行うことができ、これによりブレーキ管内の圧力が急速に大気中に放出され、列車のブレーキがより速く作動する。ブレーキ管が破損した場合にも緊急作動が発生し、すべての空気が即座に大気中に放出される。
非常ブレーキ作動時には、各車両の空気ブレーキシステムに新たな部品が追加されます。三連バルブは2つの部分に分かれており、1つは運転中の圧力低下時にブレーキ作動に使用される機構を内蔵した運転部、もう1つは列車の線路圧力の急激な低下を感知する非常用部です。さらに、各車両の空気ブレーキリザーバーも運転部と非常用部の2つの部分に分かれており、「二室式リザーバー」と呼ばれています。通常の運転では、運転部からブレーキシリンダーへ空気圧が送られます。一方、非常時には二室式リザーバーの両部分から全ての空気がブレーキシリンダーへ送られるため、制動力が20～30%向上します。
ブレーキ管の圧力低下率が高いほど、各三連弁の緊急弁部が作動します。列車の長さとブレーキ管の直径が小さいため、圧力低下率は列車の先頭付近（運転士による緊急作動の場合）またはブレーキ管の破損箇所付近（ブレーキ管の完全性が失われた場合）で最も高くなります。緊急作動の発生源から遠ざかるほど、三連弁が緊急減圧として検知しなくなるまでの圧力低下率は大きくなります。これを防ぐため、各三連弁の緊急弁部には補助ベントポートが設けられており、緊急作動時に作動すると、ブレーキ管の圧力を局所的に大気中に直接排出します。これにより、ブレーキ管の圧力がより速やかに排出され、緊急減圧率が列車の全長にわたって速やかに伝播します。
分散動力（すなわち、列車の途中や最後尾に遠隔操作式の機関車ユニットを配置すること）を使用することで、長編成列車における時間遅延の問題をある程度軽減できます。これは、先頭機関車の運転士からの遠隔無線信号によって、離れた位置にあるユニットがブレーキ圧の低下を開始し、その影響が近くの車両に迅速に伝わるためです。
多くの現代のエアブレーキシステムでは、トリプルバルブの代わりにディストリビューターが使用されています。これらはトリプルバルブと同じ機能を果たすだけでなく、ブレーキを部分的に解除するなどの追加機能も提供します。[ 6 ]
機関車の空気圧縮機は通常、メインリザーバーに125～140 psi (8.6～9.7 bar; 860～970 kPa)の空気を充填します。列車のブレーキは、運転士の自動ブレーキ弁を通して、減速および調整されたメインリザーバーの空気圧をブレーキ管に供給することによって解除されます。アメリカでは、完全に充填されたブレーキ管は通常、貨物列車では90 psi (6.2 bar; 620 kPa) 、旅客列車では110 psi (7.6 bar; 760 kPa)で動作します。 [ 7 ]ブレーキは、運転士が自動ブレーキハンドルを「サービス」位置に動かすと作動し、これによりブレーキ管の圧力が低下します。
通常運転中は、ブレーキ管内の圧力がゼロまで低下することはなく、実際には、ブレーキ管の圧力を維持するために、ブレーキが適切に作動する最小限の低下が用いられます。ブレーキ管の完全性の喪失（ホースの破裂など）、列車の二分割とエアホースの分離、または運転士が自動ブレーキ弁を緊急位置に移動させたことによる急激かつ大幅な圧力低下は、緊急ブレーキの作動を引き起こします。[ 8 ]一方、空気圧縮機が作動せず、メインリザーバーの圧力が維持されない場合（ラック・メガンティック鉄道事故で発生したように）に起こりうる、ブレーキ管の圧力を徐々にゼロまで低下させる緩やかな漏れは、緊急ブレーキの作動を引き起こしません。
電気空気式ブレーキ（EPブレーキ）は、列車全体にブレーキを順次かけるのではなく、瞬時にかけることができるタイプの空気ブレーキです。EPブレーキは1949年からイギリスで採用されており、1980年代後半からはドイツの高速列車（特にICE ）でも使用されています。詳細は「イギリスの鉄道列車における電気空気式ブレーキシステム」に記載されています。2005年現在電気空気式ブレーキは、北米と南アフリカで、専用軌道の鉱石・石炭輸送列車において試験運用されていた。
旅客列車には以前から、最大7段階の制動力を提供する3線式の電気空気ブレーキが搭載されている。
北米では、ウェスティングハウス・エアブレーキ社が第二次世界大戦後の流線型旅客列車向けに高速制御ブレーキ装置を供給した。これは、従来のD-22型旅客列車および24-RL型機関車のブレーキ装置に電気制御を重ねたものである。従来方式では、制御弁が容積内の基準圧力を設定し、それがリレー弁を介してブレーキシリンダー圧力を設定した。電気方式では、2本目の直通空気線からの圧力が双方向チェック弁を介してリレー弁を制御した。この「直通空気」線は、各車両のリザーバーから充填され、各車両のマグネット弁によって放出された。マグネット弁は3線式線路によって電気的に制御され、さらに制御機関車の電気空気式マスターコントローラによって制御された。この制御装置は、直通空気ライン内の圧力と、運転士用バルブの自己摺動部から供給される圧力を比較し、列車内のすべての「作動」または「解除」マグネットバルブを同時に開くように信号を送り、機関車から直接空気を供給する場合よりもはるかに迅速かつ均一に直通空気ライン内の圧力を変化させました。リレーバルブには、4つのダイヤフラム、マグネットバルブ、電気制御装置、および車軸に取り付けられた速度センサーが装備されており、時速60マイル（97km /h）を超える速度では最大制動力が加えられ、時速60、40、20マイル（97、64、32km/h）で段階的に制動力が軽減され、列車は穏やかに停止しました。各車軸にはアンチロックブレーキ装置も装備されていました。これらの組み合わせにより制動距離が最小限に抑えられ、停車間の全速走行時間が長くなりました。システムの直線空気（電気空気式列車線路）、アンチロック、および速度勾配部分は互いに何ら依存しておらず、これらのオプションのいずれかまたはすべてを個別に供給することができた。[ 9 ]
後期のシステムでは、自動空気ブレーキの代わりに、列車全体を一周する電気配線が採用され、ブレーキを解除するために常に通電状態を維持する必要があります。英国では、これはトレインワイヤーと呼ばれています。この配線は、コンプレッサー、ブレーキパイプ、空気タンクなどの重要な部品を監視する様々な「ガバナー」（空気圧作動式スイッチ）を経由しています。列車が分割されると、この配線が切断され、すべてのモーターが停止し、列車の両部分に即座に非常ブレーキが作動します。
より最近の技術革新としては、電子制御式空気ブレーキがあり、これはすべての貨車（車両）と機関車のブレーキが一種のローカルエリアネットワークで接続されており、各貨車のブレーキを個別に制御し、各貨車のブレーキの性能を報告することを可能にする。
ウェスティングハウスの空気ブレーキシステムは非常に信頼性が高いが、完璧ではない。車両のリザーバーは、ブレーキパイプの圧力がリザーバーの圧力を超えた場合にのみ再充填される。長い列車でリザーバーを完全に再充填するにはかなりの時間（場合によっては8～10分[ 10 ]）を要することがあり、その間、ブレーキパイプの圧力は機関車のリザーバーの圧力よりも低くなる。
再充電が完了する前にブレーキをかける必要がある場合、システムの平衡点が低い（全体の圧力が低い）状態から始まるため、所望の制動力を得るには、より大きなブレーキ管減圧が必要になります。短時間のうちに何度もブレーキ管減圧を行うと（鉄道用語で「ブレーキを扇状に回す」）、車両のリザーバー圧力が著しく低下し、ブレーキシリンダーのピストン力が大幅に低下してブレーキが効かなくなる可能性があります。下り坂では、その結果、列車が暴走することになります。
リザーバーの枯渇により制動力が失われた場合、各車両の二室式リザーバーの非常用部分は満タンになっているはずなので、通常の運転による圧力低下の影響を受けないため、運転士は非常ブレーキを作動させることで制御を取り戻せる可能性があります。三重弁は、ブレーキ管の圧力低下率に基づいて非常時の圧力低下を検出します。したがって、ブレーキ管から十分な量の空気を迅速に排出できる限り、各車両の三重弁は非常ブレーキを作動させます。しかし、ブレーキ操作の過剰によりブレーキ管の圧力が低すぎると、非常ブレーキを作動させても三重弁を作動させるのに十分な空気流量が得られず、運転士は列車を停止させる手段を失ってしまいます。
ブレーキ圧の低下による暴走を防ぐため、動力ブレーキ（抵抗ブレーキ）を使用することで、機関車が列車の減速を補助することができます。多くの場合、動力ブレーキと列車ブレーキを同時に作動させる混合ブレーキが用いられ、安全な速度を維持し、下り坂で列車のたるみをしっかりと保持します。そのため、常用ブレーキと動力ブレーキを解除する際には、列車のたるみが急激に抜け落ちることで連結装置が損傷しないよう注意が必要です。
ブレーキ圧低下へのもう一つの解決策は、機関車牽引の客車や多くの貨車に採用されている2管式システムです。この改良型システムでは、従来のブレーキ管に加え、機関車のメインリザーバーから直接空気が供給されるメインリザーバー管が追加されます。メインリザーバーは機関車の空気圧縮機の出力を蓄え、最終的には接続されたすべてのシステムへの圧縮空気の供給源となります。
機関車によって主貯水管が常に加圧されているため、車両の貯水管はブレーキ管とは独立して加圧することができ、逆流防止弁を介してブレーキ管への逆流を防ぎます。この仕組みにより、前述の圧力損失の問題を軽減できるだけでなく、ブレーキ管は再加圧するだけで済むため、ブレーキ解除に必要な時間も短縮されます。
主貯槽管の圧力は、空気圧式ドアオペレーターやエアサスペンションなどの補助システムへの空気供給にも利用できます。現在、英国と米国のほぼすべての旅客列車と多くの貨物列車が2管式システムを採用しています。
列車の巨大な重量と慣性、極めて低い転がり抵抗、そして貨物列車がしばしば危険物を輸送するという事実が相まって、ブレーキの故障は極めて危険な事態となる。ブレーキの故障は列車の暴走と大惨事につながり、多数の死傷者、物的損害、そして環境破壊を引き起こす可能性がある。
皮肉なことに、正常に機能するブレーキもトラブルの原因となることがあります。緊急ブレーキをかけた際、空の貨車（「空車」）のブレーキが車輪をロックさせ、レール上を滑らせることがあります。列車が十分な速度で走行している場合、滑る車輪は急速に摩耗し、トレッドの摩耗（「フラットホイール」と呼ばれる状態）と過熱を引き起こします。過熱した車輪は弱くなり、破損して脱線の原因となる可能性があります。損傷した車輪が原因で列車の途中の空車が脱線すると、後続の車両も巻き込み、大惨事につながる恐れがあります。
ブレーキの故障は、人為的ミス、機械的な故障、またはその両方の組み合わせによって発生する可能性があり、これについては後述します。
各車両または機関車の両端には、ブレーキ管とエアホースを接続するバルブがいくつかあり、その特徴的な形状からアングルコックと呼ばれています。車両または機関車の両端のアングルコックが開いている場合、ブレーキ管を通ってブレーキ装置に空気が流れます。両方のアングルコックが閉じている場合、ブレーキ管は密閉され、空気の流れは遮断されます。片方のアングルコックだけが開いている場合、ブレーキ管の片方の端からのみ空気が出入りします。この最後の状態は特に重要で、意図せずブレーキ能力が部分的またはほぼ完全に失われる原因となる可能性があります。
通常の列車運行では、最後尾車両の後端と先頭機関車または先頭車両の前端にあるアングルコックは閉じられ、ブレーキ管を密閉して気密性を維持します。自動列車終端装置（ETD）を搭載した列車では、最後尾車両の後端にあるアングルコックが開かれ、ブレーキ管の圧力がETDに加わります。ETDはブレーキ管を密閉する役割を果たします。
入換作業中、列車を切り離して貨車を積み下ろしする際には、ブレーキ管の一部を隔離するために、1つまたは複数のアングルコックが閉じられます。列車を切り離す前に適切なアングルコックを閉じないと、貨車が切り離された地点でエアホースが切断された際に、意図しない非常ブレーキが作動します。列車が本線上で時刻表通りに運行している場合、この非常ブレーキの作動は安全上の危険を生じさせます。なぜなら、列車がブレーキを再充電し、発車して、接近する別の列車に安全に接近する前に、本線を使用する権限が失効する可能性があるからです。
前述の両端のアングルコックを除き、列車全体のブレーキ管の連続性を確保するためには、他のすべてのアングルコックを開けておく必要があります。中間車両のアングルコックが閉じている場合、列車のブレーキ管の一部が機関車または制御車から切り離されます。このような状況は、幸いにも、閉じたアングルコックより下流のブレーキ管が漏れによって圧力を失い、該当車両で意図しないブレーキ作動を引き起こす可能性があります。より深刻な場合、切り離された部分が圧力を維持できると、該当車両のブレーキが効かなくなります。
閉角コックが列車の先頭に非常に近く、隔離されたブレーキパイプが圧力を維持できる場合、列車の大部分は制動能力を失い、運転士は特に下り坂で列車の速度を制御できなくなる可能性があります。このような状況は、1953年のペンシルバニア鉄道のフェデックス列車の脱線事故の原因となりました。同様の事故として、リヨン駅の鉄道事故があり、乗務員が誤ってバルブを閉じたことでブレーキパイプの一部が隔離され、制動能力が大幅に低下しました。
人為的ミスや機械的な問題によるブレーキ故障を防ぐための安全対策をいくつか講じることができます。ほとんどの鉄道会社は、操車場での列車編成時、または走行中の貨車の積み下ろし時に、空気ブレーキのテストを実施するための厳格な政府承認済みの手順を設けています。
北米では、列車編成時の操車場での一般的な手順は、すべてのエアホースが接続され、必要に応じてアングルコックが開閉された後に行われる。
貨車を出発させる際や途中で貨車を積み込む際には、通常、簡易的な検査を実施する。もちろん、具体的な手順は鉄道会社の運行規則や法的要件によって定められる。
列車にETD（緊急時車両停止装置）が装備されている場合、最後尾車両を含む切り離しが行われると、操車係はETDを残りの列車の最後尾車両に移動させる。同様に、切り離しが行われて列車の後部に連結された場合、ETDはその切り離しの最後尾車両に移動される。
ブレーキ管の連続性が確認された場合、試験中に1両以上の車両でブレーキの故障が観測された場合、通常は三方弁の不具合を示しています。まれに、ブレーキ装置の不具合である場合もあります。試験中の列車の位置、利用可能な修理施設、および列車内でブレーキが作動しない車両数に関する規制に応じて、不具合のある車両は切り離されるか、修理のために次のターミナルまで移動される場合があります。
欧州のブレーキシステムは国によって異なりますが、基本的な動作原理は共通しています。各国の鉄道網で使用される欧州の旅客車両は、 TSI LOC&PAS規制[ 12 ]に準拠する必要があります。この規制のセクション4.2.4.3では、すべてのブレーキシステムがEN 14198:2004規格に準拠する必要があると規定されています。この規格は、多くの鉄道運行会社によって承認された文書であるUIC Leaflet 540に基づいており、それに準拠しています。 [ 13 ] UIC Leaflet 540では、以下のブレーキシステムが明示的に承認されています。
歴史的に、また UIC 540 に従って、1927～1932 年以降に技術的に承認されたシステムを区別します。例えば、Westinghouse W [ a ]、Knorr K [ b ]、Kunze-Knorr、Drolshammer、Bozic、Hildebrand-Knorr などです。
蒸気機関車の時代、イギリスの鉄道は真空ブレーキを使用するものと空気ブレーキを使用するものに分かれていましたが、真空ブレーキの標準化が徐々に進みました。ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道などの一部の機関車は、真空ブレーキまたは空気ブレーキのどちらの列車にも対応できるように二重装備されていました。ディーゼル機関車の時代になると、このプロセスは逆転し、1960年代にイギリス国鉄は真空ブレーキから空気ブレーキの車両に切り替えました。 [ 14 ]
空気ブレーキの主な競合相手は、負圧を利用して作動する真空ブレーキです。真空ブレーキは空気ブレーキよりも構造がやや単純です。蒸気機関車は空気圧縮機の代わりに可動部品のない排気装置を備え、ディーゼル機関車や電気機関車は機械式または電気式の「排気装置」を備えています。緩んだホースは取り付けブロックに吸い込まれるため、車両両端の接続口は不要です。
しかし、真空システムの最大圧力は大気圧に制限されるため、それを補うために全ての機器をはるかに大きく重くする必要がある。この欠点は高高度ではさらに悪化する。また、真空ブレーキは作動と解除にかなり時間がかかるため、運転士にはより高度な技術と予測能力が求められる。一方、真空ブレーキは当初、段階的な解除が可能であるという利点があった。対照的に、ウェスティングハウスの自動空気ブレーキは当初、直接解除式のみで、現在でも貨物輸送で広く使用されている。
真空ブレーキの主な欠点は、漏れの検出が難しいことです。正圧式ブレーキシステムでは、漏れが発生すると加圧された空気が漏れ出すため、すぐに漏れを検出できます。真空ブレーキの場合、漏れ箇所にゴム片などを巻き付けて真空の力でしっかりと固定できるため、漏れの発見はより困難ですが、修理は容易です。
電気真空ブレーキは、南アフリカの電車でかなりの成功を収めて使用されてきました。前述のように、より大型で重い装置を必要とするにもかかわらず、電気真空ブレーキの性能は当時の電気空気ブレーキに匹敵するものでした。しかし、その後、電気真空ブレーキが再び使用されることはありませんでした。